采用VOFDM和DOCSIS MAC技术解决无线调制解调器应用的QoS问题

在宽带无线接入中，多径效应和同频干扰等问题对数据业务的影响主要表现在：丢失信号可能导致传输中断，造成服务失败，并有可能使服务提供商承受巨额的经济损失。本文介绍的VOFDM和DOCSIS MAC技术，能有效解决这些问题，满足无线宽带接入对QoS的严格要求。

无线通信系统普遍存在多径衰落和同频干扰等问题，对一个纯语音网络来说，解决这些缺陷问题本身就很麻烦，如果再加上数据服务，设计难度将急剧增加。现在，用户对于手机在通话过程中丢失信号已习以为常了，但是在传输IP业务时，这些丢失的信息可能产生很大的问题，丢失信号可能导致传输中断，造成服务失败，并有可能使服务提供商承受巨额的经济损失。

目前，一种新的设计方案有望解决这个问题，该方案将矢量正交频分复用的物理层(VOFDM PHY)和电缆数据服务接口规范(DOCSIS)的媒体存取控制层(MAC)相结合，利用该技术可以设计新的调制解调器结构来检测和解决上述问题。

无线传输存在的问题

多径问题是其中的最重要的一种。如果接收天线通过两条或两条以上的路径接收到来自发送天线的较强信号时，将产生多径问题。不同路径之间的相对延时通常称作延迟扩展。在无线应用中，由于反射源包括地表、建筑、树木和车辆等，延迟发散十分严重，而无线网络用户几乎无法对这些因素进行控制。信道中的延迟发散会直接导致频域中的畸变，而且可能相当严重。因此，让宽带无线系统免受多径效应的影响至关重要。

无线信道的动态特性同样增加了设计工困难，即使对位置固定的无线通信系统，信道也会随时间发生很大变化。导致这些变化的可能因素包括：气流、抖动的树叶、来往的车辆，甚至还包括高层建筑物的微小蠕动。

此外，无线系统设计工程师还必须克服同频干扰。当同一区域的两个发送器在相同频段工作时，便会发生同频干扰。同频干扰是无法避免的，因为有效频谱是一种高度有限的资源，为了最大限度地扩大网络容量，服务提供商都会尽量对信道进行重复利用。

还有可能出现的一种情况是，某一特定的频段在邻近区域被用于其它用途。例如，在美国的多信道多点分布业务(MMDS)应用中，宽带无线服务提供商与特殊用途的广播电台就共用了相同的频段。

VOFDM PHY和DOCSIS MAC技术

通过在无线调制解调器设计中结合VOFDM PHY和DOCSIS MAC技术，设计工程师可以解决上述的RF信道损伤问题。

图1介绍了一种应用于宽带无线系统的参考结构。无线接入终端系统(WATS)在RF接口和无线调制解调器之间进行通信，类似一个连接到骨干网络的路由器或网桥。

无线调制解调器为用户提供了一个宽带接口，图2是它的一个展开框图。

无线调制解调器内含RF和中频(IF)收发器，它们在RF和基带之间进行数据转换。调制解调器中的基带处理器执行所有的VOFDM物理层和DOCSIS媒体存取控制层处理工作(见图3)，主处理器运行无线调制解调器软件并提供USB和以太网接口。通过增加其它模块，可以提供话音接口或与家庭电话线网络(HomePNA)和WLAN的接口。

在VOFDM的信号结构中，将一个宽带信号分成很多窄带分量(narrowband tone)，如图4所示。在VOFDM信号结构中包含了数据分量、零分量和训练分量。数据分量携带信息位，零分量是信道频谱屏蔽所必需的，而训练分量则由接收器用于同步和信道估计。

训练分量使用已知的相对幅度和相位进行发送，接收器利用它生成一个信道估计，用来减轻多径效应的影响(图5)。信道估计过程还能产生各个分量的信噪比(SNR)，在后面的解码过程中会用到这些信息。由于信道估计要动态刷新，因此尽管多径效应随时间不断变化，但系统仍然可以稳定地运行。

空间分集

开发VOFDM分集的目的就是用来处理多径干扰和同频干扰。通过利用空间分集(spatial diversity)从一定程度上可以减小这些干扰。

当天线在空间相互分离时，各个天线所用的信道基本上互不相关。每个信道都可能有多径影响造成的凹点，但是每个信道的畸变情况完全一样的可能性非常小。为了解决信道畸变问题，系统采用了一种最优组合波束成型算法，该算法可以减少信道中的畸变并大幅度提高性能。在最初的一些结构中，空间分集技术使得多径干扰出现时的信噪比提高了6dB，甚至更高。

空间分集的另一个好处是它对同频干扰的抑制。由于其本身的特性，波束成型算法可找到使每个数据分量上的误差达到最小的权重常数。如果系统中出现干扰信号，这种算法就相当于在干扰方向的复合天线图上形成一个凹点，从而可以显著地削弱干扰信号，提高系统的性能。

虽然采用空间分集大大提高了系统性能，但这并不是系统必须采用的。从成本和性能的折衷考虑，如果有必要，用户和服务提供商可以选择安装第二副天线。

采用前向纠错(FEC)可以改善信道的误码率并提高频谱利用率。这种编码方案非常有效，因为它使用在信道估计过程中计算得到的信噪比作为度量。根据这些数据，这种编码可以给具有较高信噪比的符号以更大的权重，从而使编码增益提高几个分贝。

计算频谱效率的一种方法是：测量由PHY每秒传输的有效载荷数据，用该数据除以信号所占总带宽就得到每秒传输的有效载荷位数。有效载荷数据只计算有效信息位，将编码和所有其它非MAC开销排除在外。信号所占带宽包括数据分量、训练分量和零分量。使用这种性能度量方法，定义的系统下行带宽效率为0.8到4.75bps/Hz，上行带宽效率为0.6到3.2bps/Hz。

自适应调制

用户设备的发送功率受到很多因素的限制，包括体积、成本、功率和安全性。最优系统设计应在用户配置和功率一定的情况下使其数据传输率达到最大。采用VOFDM的系统通过支持一种自适应调制方案来实现这项功能。在采用VOFDM技术的宽带系统中，每个用户设备都可以动态地选择一个能够以可能的最高速率与WATS连接的上行调制和编码方案。这使系统容量、配置灵活性和小区半径的综合指标达到了最佳效果。

上行自适应调制是通过让WATS和无线调制解调器有效配合找到最高效率的工作点来实现的。WATS结合接收功率、接收信噪比和接收到的数据包错误等指标来测试各个调制解调器的性能状况。然后再向各个无线调制解调器发送指令，让它们使用与各自环境最适合的FEC和调制参数。

距离近或信道状况好时，与WATS连接的调制解调器可以用很高的速率发送数据。距离远或使用差信道的调制解调器只能以较低的速率来发送数据，但仍然可以保持连接。

DOCSIS MAC的特点

DOCSIS MAC是一种最初设计用于CATV设备的集中控制协议。从WATS到用户的下行信道是一个连续广播时分复用(TDM)信道。上行信道承载来自多个用户调制解调器TDMA信息字串，并通过从WATS在下行信道中广播的分配映射来进行控制，用户通过一种基于竞争的带宽请求机制来获得上行信道。

DOCSIS MAC协议具备许多特性，为在同一个网络中进行语音、视频和数据传输带来了方便。例如，DOCSIS时间标签同步特性通过一个由参考频率源产生的时间标签让无线调制解调器与WATS保持同步。这个参考频率源可以与全国电话时钟体系进行同步，这意味着无线调制解调器中的本地电话取样时钟可以与PSTN中的远端取样时钟同步。

PacketCable语音传输结构需要多层打包，这种结构便于利用DOCSIS MAC的QoS特性。对于通常比较短的语音数据包而言，额外开销成为很大的负担，有效载荷包头压缩(PHS)技术利用一次连接期间发送的大部分数据包的包头都相同这一特点，将冗余包头信息压缩，在接收器端重新生成。在前向或返回通路中都可以采用PHS。

DOCSIS MAC还允许对数据包进行分割。在传输语音和数据业务的混合信息时，确保数据包不干扰语音信息包的传输具有重要意义。在这方面，WATS可以使用一个局部确认来响应调制解调器的上行带宽请求，允许采用不同长度的数据包传输，这些数据包可以很大，并分割打包在对时延和抖动敏感的语音信息包内进行传输。

保证服务质量

使用DOCSIS的一个重要优点是它对服务质量(QoS)的固有支持。长期以来，线缆调制解调器设计工程师一直在系统结构中使用DOCSIS，通过修改DOCSIS MAC，能使之适应于无线宽带系统对QoS的要求。MAC还特别采用了一套预定义的服务以帮助提高宽带结构中的QoS。

对宽带无线通信产生很大影响的一种服务称为非申请授予服务(UGS)，它允许WATS或无线调制解调器为一次通话建立一个虚拟电路。它可以在通话过程的起始阶段为基于连接的服务分配上行带宽，消除了现行的带宽需求，由于不存在往返请求和确认延迟，从而减少了等待时间。因为竞争请求而必须牺牲的带宽小了，所以早期带宽分配提高了通信容量。

如果将UGS与固定时长上行组帧相结合，还可以进一步减少等待时间。如果连接的确认信息每次都放在帧中的同一位置，无线调制解调器就可以预测确认信息位置并将自己的采样和编解码信号处理操作进行同步，以便正好在确认信息到达的时候产生压缩语音信息包。这种确认同步进一步减少了上行信道的等待时间。

功率调节

无线调制解调器分布在很广的应用环境下，它必须适应用户设备与WATS之间无阻挡以及信道被树木、建筑物或其它障碍阻隔的各种情况。

应用环境的不同会导致在无线调制解调器和WATS之间的信号路径上产生差异很大的衰落，而无线信道动态变化的固有特性更加剧了这种差异。为了准确地接收无线信号并将干扰降到最小，WATS必须能控制各个无线调制解调器的发送功率，以便使得WATS从各个调制解调器接收到的功率基本相同，这个过程即自动电平控制(ALC)。

ALC功能周期性地调节用户的发送功率，实现在无线信道上的稳定通信，从而克服了随时间不断变化的衰落导致WATS接收信号功率减小的问题。

在ALC回路中，WATS测量来自无线调制解调器的接收功率，将测量功率与一个门限值进行比较，然后再将误差信号以PHY-PHY消息的形式反馈到无线调制解调器。无线调制解调器对误差进行滤波并用输出信号来控制其传输功率。WATS还利用一个广播消息来同时降低所有用户的竞争请求突发功率水平。当很多用户在一次请求过程中相互冲突时，很有必要采用这种减小干扰的技术。

ALC的PHY-PHY消息在每个下行RS码的前四个字节中进行传递，因而不需要对MAC层进行管理控制。MAC层管理控制有可能带来比ALC回路更大的延迟，并给WATS的调度程序和MAC管理软件造成负担。

无线通信的安全性

与其它宽带设计一样，在宽带无线调制解调器的设计过程中，安全性也是一个重要的问题。在这一方面，DOCSIS同样给设计工程师提供了帮助。

利用DOCSIS MAC的基本保密(BPI)特性，采用数据加密标准(DES)的密码区块链接(CBC)模式，用一个私钥对用户数据进行加密。用RSA公钥算法来交换DES密钥。在登录时，无线调制解调器参数交换由一个消息完整性核查(MIC)机制予以保护，以防止对这些参数的非法修改。当私密生效时，由一个键控散列消息认证码(HMAC)来保护所有的动态服务消息。

通过将这种安全级与前面介绍的QoS性能相结合，设计工程师可以开发出能将宽带连接到户设备的设计方案。尽管在构建固定宽带无线结构中仍然存在着重重困难，但是将VOFDM与DOCSIS进行结合的做法已经朝着正确的方向所迈出的重要一步。欲了解关于VOFDM PHY和DOCSIS MAC技术在无线调制解调器中的应用，请访问网站：www.bwif.org。

作者：Mark Dale

宽带无线系统工程师

Email：mdale@broadcom.com

David Hartman

系统工程师

Email：dhartman@broadcom.com

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