一種基于DMT技術(shù)的HFC反向信道傳輸方案

一種基于DMT技術(shù)的HFC反向信道傳輸方案
    摘要：詳細(xì)闡述了用于HFC（光纖混合同軸電纜）網(wǎng)絡(luò)上行信道數(shù)據(jù)傳輸?shù)腟DMT（同
步多載波調(diào)制）系統(tǒng)的原理，分析了其性能。與采用單載波系統(tǒng)進(jìn)行比較，得到的結(jié)論
是：SDMT具有更大的優(yōu)越性，它是用于HFC反向信道傳輸?shù)囊粋�(gè)較先進(jìn)的解決方案。
    關(guān)鍵詞：光纖混合同軸電纜  離散多音頻  媒質(zhì)接入控制協(xié)議
    隨著信息時(shí)代的到來，人類對高速寬帶多媒體信息服務(wù)的要求日益迫切。但目前傳
統(tǒng)的接入方式卻成為制約整個(gè)通信網(wǎng)進(jìn)一步向高速、寬帶化發(fā)展的瓶頸。改造現(xiàn)有接入
方式，最終實(shí)現(xiàn)三網(wǎng)合一的計(jì)劃已經(jīng)提到議事日程上來。種種方案已經(jīng)出臺(tái)，如HFC（光
纖混合同軸電纜）、SDV（交換式數(shù)字視頻）以及FTTH應(yīng)用之一的GTTH（Gagabit－To－
The－Home）等。其中在現(xiàn)有CATV網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的HFC具有較高的性價(jià)比，因而
引起了人們的廣泛關(guān)注。但如何解決HFC網(wǎng)絡(luò)中上行信道的可靠傳輸是一個(gè)非常棘手的難
題，一直沒有較好的解決方案。
  一、HFC網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及提供的服務(wù)
    整個(gè)網(wǎng)絡(luò)呈樹形分支結(jié)構(gòu)，從中心節(jié)點(diǎn)到光纖／同軸電纜節(jié)點(diǎn)是一段大容量光纖，
從光纖／同軸電纜節(jié)點(diǎn)發(fā)出的是通達(dá)用戶家中的樹形分支結(jié)構(gòu)的同軸電纜。一根光纖可
為500個(gè)左右的用戶服務(wù)。在同軸電纜上50～550MHZ的頻帶留給下行的CATV模擬電視節(jié)目，
5～30或40MH的頻段留給上行信道。
  二、DMT的傳輸技術(shù)
    DMT技術(shù)由美國的AMAT1公司提出，已被ANSI（美國國家標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)）選定為ADSL的
美國國家標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也被ETSI（歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)）選作歐洲的標(biāo)準(zhǔn)。DMT的實(shí)質(zhì)是
一種多載波調(diào)制技術(shù)。在通信過程中，收發(fā)信機(jī)可以根據(jù)信道特性的改變，自適應(yīng)地調(diào)
整比特分配表和均衡器系數(shù)，以使系統(tǒng)性能始終保持在最佳狀態(tài)。對于窄帶的干擾，如
調(diào)幅廣播和業(yè)余無線電干擾，系統(tǒng)可以通過關(guān)閉受干擾的子信道或降低該子信道承載的
比特?cái)?shù)，使干擾影響降至最小。以上這些優(yōu)點(diǎn)都是單載波系統(tǒng)所不具有的。
    2.SDMT解決方案
    由AMATI公司提出的SDMT（同步DMT）方案充分利用了DMT技術(shù)的優(yōu)越性，并綜合了相
應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，妥善地解決了HFC上行信道的同步、訓(xùn)練、接入、傳輸、控制等問題，保
證了多個(gè)遠(yuǎn)端用戶高效率地共享上行信道，不失為一種較好的解決方案。
    SDMT方案將上行信道分成8個(gè)子信道組，每個(gè)子信道組占據(jù)4.4MHZ的帶寬，每個(gè)組包
含128個(gè)子信道，每個(gè)信道組最多容納63個(gè)用戶終端。為了簡單起見，每個(gè)用戶終端只可
以在一定的時(shí)間段內(nèi)使用其中一個(gè)頻段的一部分或全部128個(gè)子信道。當(dāng)然每個(gè)用戶終端
也可以使用全部的1024個(gè)子信道，但是這樣需要的運(yùn)算量和存儲(chǔ)空間將非常大。SDMT與
單載波系統(tǒng)比較，在信道分配和提供不同速率的服務(wù)方面具有更大的靈活性。在SDMT協(xié)議
中，一個(gè)用戶終端從開機(jī)安裝到開始通信的整個(gè)過程包括安裝初始化、訓(xùn)練（重復(fù)訓(xùn)練）、
請求分配帶寬和數(shù)據(jù)傳輸幾個(gè)階段。
  三、SDMT執(zhí)行的四個(gè)過程
     1.用戶終端的安裝初始化過程
    （1）同步
    為了使所有與中心書點(diǎn)modem通信的終端同步，就是要使它們向中心節(jié)點(diǎn)modem發(fā)送的
同一幀信號同時(shí)到達(dá)中心節(jié)點(diǎn)（這樣，來自所有終端的信號就好象是從同一個(gè)終端來的一
樣，從而便于中心節(jié)點(diǎn)modem用FFT運(yùn)算來解調(diào)）。必須進(jìn)行通過計(jì)算時(shí)延差的同步過程。
    首先，中心節(jié)點(diǎn)控制器在下行的控制信道中廣播控制信號，該信號包括：主時(shí)鐘、
禁止使用的信道（為系統(tǒng)保留，留作它用或無法使用的信道）號、將分配給下一個(gè)用戶
使用的信道組號（只有一個(gè)）。當(dāng)一個(gè)用戶終端被安裝在HFC網(wǎng)絡(luò)上，它首先調(diào)諧至下
行控制信道的頻率上，以接收控制信號。通過鎖相環(huán)與主時(shí)鐘建立同步，當(dāng)S2時(shí)隙到來
時(shí)，它向中心節(jié)點(diǎn)控制器傳送安裝參數(shù)。該參數(shù)包括該終端的序列號碼（由生產(chǎn)廠家分
配）、所要求的最大傳輸速率等內(nèi)容。由于還未進(jìn)行信道測試和比特分配，用戶終端使
用高可靠性的QPSK調(diào)制方式、在未被禁止使用的部分子信道（或全部子信道）上傳輸這
些參數(shù)。當(dāng)中心節(jié)點(diǎn)控制器收到該信號時(shí)，首先把該用戶終端的序列號映射為一個(gè)較短
的節(jié)點(diǎn)地址號，在以后的通信過程中，就使用這個(gè)節(jié)點(diǎn)地址對該終端進(jìn)行尋址。中心節(jié)
點(diǎn)控制器將該信號的延遲與其它正在工作的用戶終端（已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了同步）的延遲相比較，
得到它們的延遲差，送給該用戶終端。用戶終端根據(jù)收到的延遲差，調(diào)整自己的發(fā)送信
號的相位，然后再次向中心節(jié)點(diǎn)控制器發(fā)送一個(gè)校驗(yàn)信號。若中心節(jié)點(diǎn)控制器認(rèn)為該終
端送來的信號已經(jīng)與其它正在與中心節(jié)點(diǎn)modem通信的終端送來的信號同時(shí)到達(dá)（同步），
就向該終端發(fā)送一個(gè)確認(rèn)信號，然后開始訓(xùn)練過程。否則，就發(fā)送一個(gè)同步失敗信號，
要求終端重新開始同步。在以上的通信過程中，該用戶終端發(fā)送的上行信號都是在S2時(shí)
隙中發(fā)送。
    2．訓(xùn)練和重復(fù)訓(xùn)練
    建立同步之后，用戶終端在隨后的若干個(gè)S2時(shí)隙向中心節(jié)點(diǎn)modem發(fā)送一個(gè)寬帶的
訓(xùn)練信號，此信號的帶寬覆蓋所有的可能提供給該用戶終端的子信道。中心節(jié)點(diǎn)控制器
根據(jù)收到的訓(xùn)練信號，計(jì)算各個(gè)子信道的比特分配表和FEQ系數(shù)，以便將來與該終端通
信之用。中心節(jié)點(diǎn)控制器將終端的地址信息和比特分配表通過下行控制信道廣播出去，
該用戶終端根據(jù)地址信息取回屬于自己的比特分配表。至此，訓(xùn)練完成。
    當(dāng)一個(gè)用戶終端完成了同步和訓(xùn)練后，不論它是否傳輸數(shù)據(jù)，它總是在之后的若干
個(gè)S3時(shí)隙周期性地重復(fù)訓(xùn)練中心節(jié)點(diǎn)modem，來更新比特分配表和FEQ系數(shù)，以便于適應(yīng)
信道特性的變化。并且每隔一定的時(shí)間，S2時(shí)隙變?yōu)镾3時(shí)隙，且一直持續(xù)20個(gè)S3時(shí)隙，
用以重復(fù)訓(xùn)練所有的用戶終端，此過程大概需要3分鐘。
    3．?dāng)?shù)據(jù)傳輸接入請求
    SDMT的信道分配策略比單載波系統(tǒng)具有更大的靈活性，這是由SDMT先進(jìn)的多載波傳
輸方式所決定的。單載波系統(tǒng)必須將全部頻帶在一定時(shí)間范圍內(nèi)提供給某個(gè)用戶終端。
而SDMT系統(tǒng)的中心節(jié)點(diǎn)控制器可以靈活地在一定的時(shí)間范圍內(nèi)將～定數(shù)量、容量各異的
子信道分配給某個(gè)用戶終端。
    數(shù)據(jù)傳輸接入請求控制基本可以分為兩種：其一是嚴(yán)格控制的固定時(shí)刻接入方式。
在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較輕時(shí)，用戶得到的平均接入時(shí)間較長。但負(fù)載量逐漸增加時(shí)，接入時(shí)間仍
然不變。其二是不加控制的隨機(jī)接入方式，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載輕時(shí)，接入時(shí)間很短，但隨著網(wǎng)
絡(luò)負(fù)載量的增加，接入時(shí)間隨之增大，甚至?xí)�引起網(wǎng)絡(luò)擁塞。為了達(dá)到全局最優(yōu)的效果，
SDMT綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，采用了復(fù)合的接入控制策略。即負(fù)載輕時(shí)，采用后者，負(fù)載重
時(shí)，采用前者。
    （1）嚴(yán)格控制的輪叫輪詢接入方式
    當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重時(shí)，接入請求很頻繁，為了避免發(fā)生次數(shù)太多的接入請求沖突而大
幅度降低網(wǎng)絡(luò)的有效傳輸效率，此時(shí)采用輪叫輪詢的分配策略。假定每個(gè)信道組最多容
納了63個(gè)用戶，那么，每幀的63個(gè)符號時(shí)隙可以分別分配給63個(gè)用戶。每個(gè)用戶可以在
分配給自己的那個(gè)時(shí)隙，使用兩個(gè)可用的子信道發(fā)送兩個(gè)比特信息給中心節(jié)點(diǎn)控制器。
所使用的兩個(gè)子信道必須是至少能夠承載兩個(gè)比特的子信道。為了確保準(zhǔn)確無誤地傳送
該信息，因而使用高可靠性的QPSK調(diào)制和100％冗余度的前向糾錯(cuò)編碼。所發(fā)送的這兩
個(gè)比特，并不包含一個(gè)完整的接入請求必須的內(nèi)容（完整的接入請求信息將隨后傳輸），
它只代表本次接入請求后續(xù)內(nèi)容的類型。共有
4種類型：
    ·SDRI（立即數(shù)據(jù)請求）：后續(xù)數(shù)據(jù)接入請求信息將在分配給該用戶終端的時(shí)隙內(nèi)，
在所有可用的子信道上、使用QPSK調(diào)制方式傳送；
    ·SDRS（靜默期S1數(shù)據(jù)請求）：分配給該用戶終端的時(shí)隙不足以傳輸所有的數(shù)據(jù)接
入請求信息，剩余的信息將在下一個(gè)S1時(shí)隙內(nèi)使用所有的可用子信道傳輸；
    ·SDPR（確定分組請求）：本次請求傳送的數(shù)據(jù)分組的頭部信息與以前傳送的分組
一樣，參數(shù)相同；
    ·ITR（立即訓(xùn)練請求）請求立即開始一個(gè)重復(fù)訓(xùn)練。
    以上所有類型的接入請求的最小的接入時(shí)間是網(wǎng)絡(luò)的往返延遲時(shí)間（從用戶端到中
心節(jié)點(diǎn)控制器）。
    如果網(wǎng)絡(luò)可以支持一次SDRI或SDPP請求所要求的數(shù)據(jù)速率，那么，中心節(jié)點(diǎn)控制器
將為該用戶終端分配合適的子信道，并在下行控制信道中發(fā)送一個(gè)帶該用戶終端地址的
分組，該分組的內(nèi)容包括：所分配的子信道號、每個(gè)子信道的比特?cái)?shù)（為保證一定的性
能裕量，這個(gè)比特?cái)?shù)可能會(huì)低于比特分配表中該子信道能承載的比待數(shù)）、開始傳送上
行數(shù)據(jù)的時(shí)刻。
    若中心節(jié)點(diǎn)控制器收到一個(gè)用戶終端的SDRS信息，它就在下行控制信息道中發(fā)送一
個(gè)該用戶終端的地址信息，表示同意該終端在下一個(gè)S1時(shí)除發(fā)送它的剩余的數(shù)據(jù)接入請
求信息。若在一幀的時(shí)間內(nèi)有兩個(gè)終端都發(fā)送了SDRS信息，中心節(jié)點(diǎn)控制器將按照先后
順序，通知兩個(gè)終端分別使用連續(xù)的兩個(gè)S1時(shí)隙。在收到完整的數(shù)據(jù)接入請求信息后，
中心節(jié)點(diǎn)控制器就象對待SDRI和SDPR請求一樣，為其提供服務(wù)。
    如果網(wǎng)絡(luò)上行信息現(xiàn)有容量滿足不了用戶提出的要求，那么中心書點(diǎn)控制器就計(jì)算
到什么時(shí)候網(wǎng)絡(luò)才能滿足用戶要求，然后將這個(gè)時(shí)間與分配給用戶的子信道號一起告訴
用戶。若中心節(jié)點(diǎn)控制器不能計(jì)算出這個(gè)時(shí)間，它就把這一數(shù)據(jù)接入請求放在一個(gè)等待
隊(duì)列中，直到網(wǎng)絡(luò)能滿足它的請求時(shí)，再為它分配子信道。
    （2）隨機(jī)接入方式
    網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較輕時(shí)，隨機(jī)接入的時(shí)間較短，效率較高。但是由于中心節(jié)點(diǎn)控制器不知
道是誰發(fā)起的接入請求，因而不能選擇合適的FEQ系數(shù)來均衡收到的信號，只能使用簡
單可靠的QPSK方式傳輸請求信號，且使用第一個(gè)符號來為中心節(jié)點(diǎn)控制器提供一個(gè)矯正
參考，隨后的符號才被用來傳送真正的接入請求信息。中心節(jié)點(diǎn)控制器在某個(gè)未分配的
子信道上檢測到信號，就轉(zhuǎn)換到QPSK的解碼模式，來接收請求信號。
    為了將接入請求的沖突概率減至最小，用戶終端的接入請求信息必須足夠的短。由
于隨機(jī)接入請求所要求的數(shù)據(jù)傳輸格式是唯一確定的，所以有接入請求的用戶終端只需
要向中心節(jié)點(diǎn)控制器送出它的地址信息就行了。若一個(gè)信道組最多只有63個(gè)用戶，那么
每個(gè)用戶只需要傳送一個(gè)6比特的地址信息。
    4.數(shù)據(jù)傳輸
   （1）CBR（固定比特速率）模式
    SDMT可輕而易舉地支持此模式的數(shù)據(jù)傳輸，在此模式下的最小傳輸速率增量是32 
kbit／s（與符號速率相同）。但是許多服務(wù)僅要求比 32 kbit/s（一個(gè)子信道的每個(gè)符
號只代表一個(gè)比特）還要低的速率，為了節(jié)約資源，可以讓若干個(gè)用戶時(shí)分復(fù)用一個(gè)子
信道。如果一個(gè)超幀的1938個(gè)符號時(shí)隙中僅有48個(gè)用來傳送開銷比特（overhead bit），
那么SDMT的效率是97.5％。
    （2）分組傳輸模式
    通過分配給用戶一定的子信道和一定的時(shí)隙，SDMT也可以輕易地支持分組傳輸模式。
在單載波系統(tǒng)中，無論用戶信源的速率是多少，系統(tǒng)只能給用戶分配一定的時(shí)隙，而在
這個(gè)時(shí)隙內(nèi)，傳輸速率是恒定不變的，使得二者的速率不匹配，且浪費(fèi)了系統(tǒng)資源。而
SDMT精細(xì)、靈活的資源分配策略可以保證不會(huì)出現(xiàn)這一情況。
    五、結(jié)束語
    本文詳盡分析、闡述了用于HFC反向信道的SDMT傳輸和接入方案。并和傳統(tǒng)的單載
波方案進(jìn)行了比較。從例舉SDMT的種種優(yōu)點(diǎn)可以看出，SDMT是一種較先進(jìn)的HFC反向信
道傳輸?shù)慕鉀Q方案。