MoCA技術(shù)的物理層分析

呂建遠(yuǎn) 戚建妙

（作者單位：浙江省永嘉縣廣播電視臺(tái)甌北廣播電視站）

MoCA技術(shù)的物理層分析

呂建遠(yuǎn) 戚建妙

（作者單位：浙江省永嘉縣廣播電視臺(tái)甌北廣播電視站）

摘 要：在廣電的雙向化改造中，MoCA技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越被運(yùn)營(yíng)商所認(rèn)知。本文對(duì)MoCA技術(shù)的物理層做了簡(jiǎn)要的介紹和分析。關(guān)鍵詞：MoCA；同軸電纜；雙向化改造

1 概述

MoCA網(wǎng)絡(luò)由一組網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成，互相之間可以進(jìn)行廣播或點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。與傳統(tǒng)的同軸電纜數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)不一樣，比如DOCSIS，典型的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)之間的通道響應(yīng)變化非常大。因此，為了保證通信的性能，物理層和MAC層都要有自適應(yīng)各種鏈路并進(jìn)行周期性的調(diào)整。另外，由于視頻通信對(duì)包錯(cuò)率（PER）、延遲等非常敏感，就要求網(wǎng)絡(luò)能夠支持高的QOS的能力。

MoCA網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)是下面的關(guān)鍵特性：（1）使用多載波，每個(gè)載波上的通信由時(shí)分多址（TDMA）按照時(shí)分雙工（TDD）的方式來(lái)完成；（2）完全的網(wǎng)格互連；（3）網(wǎng)絡(luò)許可和通信完全有網(wǎng)絡(luò)協(xié)同器（NC）來(lái)協(xié)同。NC是可變的（也就是說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)是自愈性的，當(dāng)一個(gè)NC與網(wǎng)絡(luò)的連接斷開時(shí)，其他的節(jié)點(diǎn)就承擔(dān)NC的職責(zé)）。

NC不僅要管理媒介的訪問(wèn)，還要完成許可功能，就是節(jié)點(diǎn)許可功能和鏈路維護(hù)功能。網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)配置成客戶，通過(guò)NC分配的時(shí)間槽與其他的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。進(jìn)一步，NC通過(guò)通信協(xié)議的一組算法來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)（比如循環(huán)前綴長(zhǎng)度）。在運(yùn)行這些算法的時(shí)候，鏈路層消息（比如，許可請(qǐng)求，保留請(qǐng)求和通道帶寬分配消息，MAP）使用特別的包來(lái)進(jìn)行交換。某些算法需要節(jié)點(diǎn)周期性地發(fā)送特殊的檢測(cè)消息來(lái)收集通道上的信息，用來(lái)輔助系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

2 自適應(yīng)星座圖多載波調(diào)制（ACMT）

在網(wǎng)絡(luò)的物理層，MoCA使用前向糾錯(cuò)算法和適應(yīng)同軸電纜的先進(jìn)的調(diào)制技術(shù)，這一技術(shù)是基于OFDM的。但是，按照使每個(gè)通道的吞吐能力最大化為原則來(lái)動(dòng)態(tài)地調(diào)整每個(gè)OFDM子載波的符號(hào)率。這種調(diào)制方式，稱為自適應(yīng)星座圖多載波調(diào)制。高可靠性和低延遲性是視頻在傳播過(guò)程中的要求，為了滿足這一要求，全協(xié)同無(wú)碰撞的MAC協(xié)議被應(yīng)用在了MoCA中。MAC協(xié)議采用TDD，即將發(fā)送時(shí)間分配給每個(gè)節(jié)點(diǎn)的媒介訪問(wèn)方式。這種方式的使用使網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間延遲具有了一定的確定性并且這種時(shí)間延遲由網(wǎng)絡(luò)協(xié)同控制器（NC）來(lái)控制。由于MoCA僅僅定義了PHY和MAC層，因此可以應(yīng)用于各種不同的產(chǎn)品，比如STB、路由器、PC等。

3 物理層

物理層由低噪聲RF子系統(tǒng)和基帶信號(hào)處理子系統(tǒng)組成，如圖1。

圖1　MoCA物理層

3.1 RF子系統(tǒng)

直接正交轉(zhuǎn)換（zero IF）的方式能夠幫助RF子系統(tǒng)順利地完成收/發(fā)功能。可變功率的放大器應(yīng)用在發(fā)送通道上可以對(duì)發(fā)送功率進(jìn)行準(zhǔn)確的控制；而在接收通道上，高線性寬帶ZERO IF的解決方案要通過(guò)具有可變?cè)鲆嫘Ч牡驮肼暦糯笃鱽?lái)提供。本地振蕩器是由一個(gè)可編程的PLL的晶體組成的，它的頻率范圍為850～1600 MHz。

3.2 頻譜屏蔽

頻譜遮罩的能量限制一般只規(guī)定到±22 MHz處，所以通常我們認(rèn)定使用帶寬會(huì)在這個(gè)范圍內(nèi)。但實(shí)際上，當(dāng)發(fā)射端與接收端之間的距離非常近時(shí)，接收端接收到的有效能量頻譜有可能會(huì)超過(guò)規(guī)定的22 MHz的區(qū)域。所以,一般認(rèn)定channels 1、6和11互不重疊的說(shuō)法。應(yīng)該要修正為：channels 1、6和11三個(gè)頻段互相之間的影響比使用其他頻段來(lái)得小。然而，要注意的是，一個(gè)使用channel 1的高功率發(fā)射端，可以輕易的干擾到一個(gè)使用channel 6的比較弱的發(fā)射站。在實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用channel 11來(lái)傳遞檔案時(shí)，一個(gè)使用channel 1的發(fā)射臺(tái)也在通訊時(shí)，會(huì)影響到channel 11的檔案?jìng)鬏?，讓傳輸速率稍稍降低。所以，即使是頻段相差最遠(yuǎn)的channel 1和11，也是會(huì)互相干擾的。

3.3 子載波

（1）50 MHz的傳輸帶寬中的每個(gè)ACMT符號(hào)包含256個(gè)子載波；（2）ACMT符號(hào)也可以在ACMT載波的一個(gè)子集中進(jìn)行調(diào)制；（3）按照調(diào)制簡(jiǎn)表來(lái)分配位到ACMT子載波中；（4）對(duì)于PHY數(shù)據(jù)包，使用分集模式映射。

3.4 基帶信號(hào)處理子系統(tǒng)

PHY層，又名為自適應(yīng)星座多音，是在TDMA/TDD的基礎(chǔ)上使用突發(fā)的OFDM調(diào)制方式。OFDM信號(hào)的每個(gè)載波都可以進(jìn)行數(shù)字調(diào)制，這項(xiàng)技術(shù)具有相對(duì)較強(qiáng)的抗多徑衰落的性能。除此之外，BPSK、QPSK、16QAM和64QAM等調(diào)制方式都可以應(yīng)用在載波上，為了符合

傳輸速率的差異，各調(diào)制之間還可以進(jìn)行自適應(yīng)切換。OFDM的符號(hào)是由一組子載波組成，這種子載波是使用QAM方式進(jìn)行調(diào)制的。使用通道檢測(cè)和管理的方法可以對(duì)通道的具體使用條件進(jìn)行確定，對(duì)不同類型的先導(dǎo)符進(jìn)行篩選可以對(duì)MAC層的開銷實(shí)現(xiàn)更大程度上的系統(tǒng)優(yōu)化。

在接收端用來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)恢復(fù)的方式包括AGC、時(shí)間跟蹤和頻率跟蹤。AGC方法對(duì)RF子系統(tǒng)進(jìn)行快速調(diào)整以便于找到合適的增益的過(guò)程主要是通過(guò)使用快速算法實(shí)現(xiàn)的。因此所有的循環(huán)設(shè)計(jì)都具有很寬的動(dòng)態(tài)范圍和頻率偏移。

4 物理包的類型

4.1 數(shù)據(jù)包（圖2所示）

一個(gè)PHY數(shù)據(jù)包由一個(gè)PHY導(dǎo)引符（preamble）后接PHY負(fù)載組成。PHY導(dǎo)引符由時(shí)域部分和頻域部分組成。

圖2　數(shù)據(jù)包

4.2 檢測(cè)包

頻域檢測(cè)，檢測(cè)負(fù)載在子載波映射和ACMT調(diào)制之前插入。時(shí)域檢測(cè)，檢測(cè)負(fù)載在ACMT調(diào)制之后插入。

4.3 自適應(yīng)比特加載

根據(jù)每個(gè)載波的信息質(zhì)量參數(shù)來(lái)匹配每對(duì)發(fā)射器/接收器的調(diào)制參數(shù)的過(guò)程稱為自適應(yīng)比特加載。最大傳輸功率的實(shí)現(xiàn)，可以通過(guò)對(duì)各載波的信噪比進(jìn)行實(shí)施的測(cè)量并在此基礎(chǔ)上選擇優(yōu)化調(diào)制的方法，這種方式可以將BER控制在合理的范圍內(nèi)，并可以阻斷來(lái)自其他電路設(shè)備的干擾。

為了確保頻帶的優(yōu)化使用，發(fā)射器的自適應(yīng)比特加載的啟動(dòng)條件就是有噪音被檢測(cè)出。由于信道可以接收許多突發(fā)性噪音，因此信道的頻繁估算對(duì)信道的估計(jì)有很大的意義。MOCA技術(shù)進(jìn)行頻繁的信道估算是基于發(fā)射器和接收器之間交換訓(xùn)練數(shù)據(jù)（training data）進(jìn)行的。信道估算為設(shè)備提供信息，提示出噪音水平較高的信道。

在單用戶OFDM系統(tǒng)中，主要包括貪婪算法、Fischer算法、Chow算法、Campello算法等經(jīng)典的位加載算法，其他的各類優(yōu)化算法都是在以上算法的基礎(chǔ)上衍生出來(lái)的，其中貪婪算法是最優(yōu)算法，其復(fù)雜程度也相對(duì)較高，因此不適于在自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)中使用，而Chow等算法的復(fù)雜度就相對(duì)低很多。而對(duì)于具有多個(gè)用戶的OFDM系統(tǒng)而言，要充分考慮子載波的分配，而單用戶的算法又可以適用于每個(gè)用戶在各自子載波上的比特加載和功率分配。

4.4分集調(diào)制（diversity modulation）

分集模式主要是依據(jù)由多個(gè)天線產(chǎn)生的信號(hào)在傳播過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)多徑瑞利衰落現(xiàn)象，而其衰落特性因空間位置的差異有所不同，因此天線接收信號(hào)間也有差異的原理設(shè)計(jì)的。信號(hào)發(fā)射端、接收端可以分別或同時(shí)采用分集模式。

4.5 位加擾（bit scrambling）

Bit Scrambling在傳輸中可以避免「0」/「1」的情況，從而減少傳輸和接收錯(cuò)誤的出現(xiàn)，比特加擾不影響傳輸帶寬。用足夠數(shù)量的跳變替換可能產(chǎn)生恒定電平的比特序列是擾碼技術(shù)的原理，這能夠滿足同步的技術(shù)要求（高速高效）。

因此應(yīng)用像是低成本卻有力的處理器，就可以用來(lái)執(zhí)行需要每秒執(zhí)行百萬(wàn)指令（MIPS）的密集錯(cuò)誤校正技術(shù)——例如采用位元雜湊（Bit-scrambling）以及插入法（Interleaving）來(lái)進(jìn)行編碼的回旋編碼（Convolutional Coding）等，借此提供具有低于10–6傳送錯(cuò)誤率。

4.6 循環(huán)前綴（cyclic prefix）插入

作為一種頻分復(fù)用系統(tǒng)（FDM），OFDM系統(tǒng)是由一組離散的子載波組成的頻帶來(lái)帶動(dòng)的，子載波的主要功能是承載和傳輸數(shù)據(jù)。OFDM系統(tǒng)主要是通過(guò)插入保護(hù)間隔的方式來(lái)消除碼間干擾的，插入的循環(huán)前綴為OFDM符號(hào)的后面一部分，所以其具有的足夠的長(zhǎng)度就能實(shí)現(xiàn)最大可能的延遲擴(kuò)展。

5 前導(dǎo)碼（preambles）

所有由主設(shè)備、從設(shè)備或burst模式設(shè)備發(fā)送出的幀都具有特定個(gè)數(shù)的十六進(jìn)制“FF”字符放在前面，被稱為先導(dǎo)字符。在某些物理層協(xié)議中發(fā)揮調(diào)制解調(diào)器電路的作用。位于定界符前的先導(dǎo)字符可能有多個(gè)，但協(xié)議規(guī)定只有位于兩個(gè)連續(xù)的先導(dǎo)符后的定界符才能夠標(biāo)志著一個(gè)幀的開始。

6 檢測(cè)包

有三種類型的檢測(cè)包用來(lái)進(jìn)行PHY層的校準(zhǔn)和維護(hù)。檢測(cè)包的作用是檢測(cè)傳輸通道的性能，根據(jù)檢測(cè)的結(jié)果來(lái)選擇合適的調(diào)制方式，達(dá)到最佳的傳輸效率。同時(shí)，可以讀出檢測(cè)結(jié)果，從而快速確認(rèn)傳輸通道的性能和狀態(tài)，為維護(hù)提供實(shí)際的檢修依據(jù)。

7 討論

從MoCA技術(shù)的物理層來(lái)看，與總局的NGB需求白皮書對(duì)照，基本滿足白皮書的要求。目前MoCA技術(shù)在我國(guó)廣電雙向化市場(chǎng)中也有了比較廣泛的應(yīng)用，但在沒(méi)有大規(guī)模應(yīng)用之前，價(jià)格成為市場(chǎng)推廣的攔路虎。

參考文獻(xiàn)：

[1]達(dá)新宇,等.通信原理教程[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社,2005.