利用先进TDMA技术提升线缆传输速率

通过对DOCSIS规范进行扩展，可以在线缆调制解调器的回路上取得更高的带宽容量和传输性能。在DOCSIS 2.0规范中将采用先进TDMA(advanced TDMA)和同步码分多址(S-CDMA)这两种模式。本文将探讨采用先进TDMA改进物理层提高上下行的数据传输性能的方法。

DOCSIS 1.0、1.1规范定义了线缆数据系统的物理层RF接口。随着基于DOCSIS的宽带接入大量应用到家庭和企业，对具有更大对称性容量的需求正在迅速增长。本文探讨通过改进物理层提高上行或下行方向的传输效率。线缆调制解调器以TDMA模式向数据转发器上的线缆端接系统发送数据。未来的DOCSIS 2.0规范将包含先进TDMA(advanced TDMA)和同步码分多址(S-CDMA)这两种模式。

先进TDMA的主要参数如表1所示，该技术适用于存在严重的线缆损伤情况。典型的损伤及适用的处理技术如下：

1. 加性白高斯噪声(AWGN)：利用FEC并将设备损耗降到最低；

2. 脉冲/突发噪声：利用FEC和交织；

3. 窄带入口：利用入口消除和频率规避；

4. 普通路径畸变：与入口同样处理；

5. 微反射：采用传输均衡来解决；

6. 哼声调制：采用正确设计的接收器跟踪环路。

选择先进TDMA的综合考虑

对于上行传输，一共考虑了三种技术：先进TDMA、S-CDMA以及正交频分复用(OFDM)。对于各种技术而言，在初始登录和维持过程中的访问方法都是TDMA。此外，在每种考虑的技术中，都将时隙分配给不同的用户，因此所有三种方案都包含了TDMA突发传输和TDMA介质存取控制(MAC)。这样，所有三种方案都需要一个TDMA突发调制解调器，但其同步需求则各不相同。S-CDMA和OFDM可以看作是TDMA传输向二维(2D)组帧的一种扩展：对于S-CDMA是时间/码，对于OFDM是时间/频率。

脉冲噪声敏感性。对于二维方案，多个码或频率同时进行传输；因此，单个符号在时间上被加长，加长的倍数为码或频率分量的个数。在存在噪声的条件下，由于脉冲的能量分布在并行传输的符号之内，因此符号持续时间的加长具有一定优势。但是，如果脉冲能量超过了一个特定的门限，这种优势就会变成劣势。此时，与纯粹TDMA相比，这种方案将使更多的符号受到影响。

在这种情况下，可以利用编码和交织来帮助解决问题：如果受影响的符号可以进行分组，使得每个码字包含的错误数减少，解码器便可以纠正突发噪声产生的影响。

窄带入口敏感性。对于TDMA，可以利用调制带宽和载波频率方面的灵活性来规避已知具有严重干扰的RF频段，其余的窄带干扰可以通过自适应入口消除来解决。对于S-CDMA，在原理上，消除技术可以用在码片(chip)速率上。但是，码片-符号转换过程中将产生固有的很大判决延迟，使得无法立即作出可靠的判决，必须采用其它更为复杂的估计和消减技术。

为了处理动态产生的窄带输入噪声，S-CDMA可以用频谱扩展的方法作为信号重复的一种形式，以牺牲带宽效率来换取对窄带噪声的鲁棒性。例如，以10倍的频率扩展可以带来10dB的处理增益，其代价是容量损失90%，因此，这种方法并不理想。

在一个OFDM系统中，通过不使用受到影响的频率分量，可以避免窄带干扰。这样一来，无论是线缆调制解调器还是CMTS都需要频繁地重新分配频率分量，以避免动态入口噪声，这使协议变得复杂而效率低下。与TDMA相比，OFDM对于未被识别的低电平窄带噪声也同样更为敏感。

同步敏感性。二维方案可以需要更加严格的同步来保持码或频率之间的正交性。对于S-CDMA，未编码的64-QAM的时序精确度为±3ns；而在TDMA中，如果对每一脉冲重新要求时序，那么该指标为±250ns。

对于S-CDMA，目前用于控制DOCSIS TDMA时隙时序的时间标签(timestamp)方案必须用一种具有更高精确度的方法替换，新的方法将调制解调器锁定在下行符号时钟上，并周期性地从数据转发器发送细粒度(0.4ns)定时校正。S-CDMA对于频段内由于不完美的均衡和入口消除所引起的幅度和相位波动也很敏感，其结果可能由于码间干扰而产生噪声。OFDM在块(block)间使用一种循环前缀，使其对时序偏移的敏感性并没有S-CDMA那么强。但是，与TDMA相比，OFDM对于载波相位噪声和频率偏移则要敏感得多。

二维方案对MAC的影响

复杂性以及与MAC和DOCSIS 1.0/1.1传输收敛(TC)层的兼容性是二维方案整合中需要考虑的问题。

在二维方案中，带宽分配较为复杂，因为调度程序必须能够及时为DOCSIS 1.0/1.1 调制解调器以及先进PHY 调制解调器的时间/码或时间/频率作出安排。这需要改变MAC/PHY接口，以及MAC与PHY之间的紧耦合，否则，可能存在码/频率未被使用，从而产生容量损失。

由于二维方案需要在帧基础上基于块的处理，因而增大了延迟，这可能会给IP语音(VoIP)等对延迟敏感的应用带来一些问题。有些版本的OFDM对每个频率分量采用动态位加载，这需要修改固定的最小时隙格式，如在DOCSIS MAC中，每个时间间隔内的字节数恒定。先进TDMA的一个重要因素是它对杂散发射(spurious emission)的规范更加严格。近似地，当设备中采用64-QAM时，线缆调制解调器必须比DOCSIS 1.0/1.1(最多使用16-QAM传输)提供高6dB的带外发射抑制性能。否则，其本身的噪声可能会限制系统性能。实际应用中的成本功率放大器能够满足杂散发射的性能要求。

与此类似，载波相位噪声和发送器调制误差率(MER)有严格的限制，以满足在一定实现复杂度和低成本振荡器的条件下保证64-QAM的性能。

突发接收器的实现

图1是一个典型的突发接收器。接收均衡器可能包含有一个自适应入口消除器，模拟前端可能包含有一个高采样速率的模数转换器(ADC)，它允许整个上行频段(5~42 MHz或5~65MHz)的直接数字采样。信道质量监控功能利用了一个快速傅里叶变换(FFT)，该功能可以集成在接收器中，以支持频谱管理、检测以及避免干扰等功能。

图2是采用64-QAM调制和短数据包RS(99,73)的突发接收器在AWGN中的所测性能。采用RS(99,73)前向纠错(FEC)的理想连续接收器的理论曲线也显示在图中，该曲线用作参考曲线。图中显示的优越性能是采用先进数字接收器设计技术和VLSI高度集成的结果。

图3显示了对一个64-QAM先进TDMA信号所测得的采样，其中包含了四个窄带干扰信号。接收器入口消除器可以去除这些干扰，并能实现几乎没有误码的性能。

先进TDMA PHY增加了交织技术，该技术是对突发噪声的一种重要处理手段，并与FEC结合使用。DOCSIS在诸如调制、包头和FEC等参数中具有很大的灵活性，可以实现接收器的处理复杂度和鲁棒性之间的折衷。交织和FEC由传输波形定义，并提供了一个性能范围，因此，在该部分只考虑这两个内容。

突发噪声按照其电平、持续时间和到达时间间隔统计性地进行描述。一些突发噪声源是准周期性的，如基于交流电的噪声。在实际应用中，常常使用周期性突发噪声模型来规定和度量噪声性能。在信号带宽中，突发噪声电平可达C/I = -10 dB，持续时间通常为1μs 或更短，很少能到50μs，平均到达时间间隔为10ms左右(重复率为100Hz)。系统性能是由误包率(PER)相对FEC码率(RS码字中为k/n)的关系来进行度量。为了对有突发噪声条件下的性能进行描述，我们忽略了数据包的分割和组合，并选定74B(作为一种典型的短数据包)和1528B(作为一种长以太网数据包)两种有效载荷大小。

图4是在有突发噪声的情况下，Reed Solomon T = 16时，先进TDMA交织/FEC的性能。分析时，假定所有被破坏的符号是在突发噪声之前一个符号和之后的一个符号之间。A点和F点不使用任何交织，B点和G点使用两个交织RS码字(codeword)，C点和H点使用四个码字，D点和I点使用32个码字，而E点和J点则使用64个码字的最大交织器深度。图4中各点都是在此噪声持续时间和重复速率条件下的一个范围，可以由交织器、FEC和调制所选定的设置进行纠错。

基本上，小于这些值的任何持续时间和重复速率的突发噪声都可以进行修正。因此，形成如图所示在位于各点左下部的一个矩形区域，在本图中选择E点作为一个示例。在实际线缆设备中的典型突发噪声的区域也描绘在左下部，在一般情况下具有较大裕量，实际性能将接近但不会超过这些范围。

在上行传输中对PHY的这些改进使线缆数据系统的回路容量得到了提高。这个方法就是以一种演进的模式扩展成功的DOCSIS系统，使其既具有更高的传输速率又能达到更大的鲁棒性。需要重点注意的是与1.0/1.1 调制解调器的兼容性降低了，以及先进TDMA和老式调制解调器的共存。此外，还要注意确保在将要实现改进方案的不同厂商之间的互操作性规范。

先进TDMA 调制解调器采用数字技术来解决最坏情形下的设备损伤。这使得在以前由于强脉冲噪声或窄带入口而无法利用的上行频段中的一部分现在可以利用。其结果增加了线缆数据系统的容量，并可支持新的、需要更高均衡传输速率的宽带服务，包括语音、视频电话、视频会议和分布式服务器等。

作者：

Bruce Currivan

宽带系统工程部系统架构组主管

Email：currivan@broadcom.com

Thomas Kolze

高级首席科学家

tkolze@broadcom.com

Jonathan Min

首席科学家

Email：jmin@broadcom.com

Gottfried Ungerboeck

通信系统研究部技术主管

vgu@broadcom.com

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