一种基于DMT技术的HFC反向信道传输方案

一种基于DMT技术的HFC反向信道传输方案
    摘要：详细阐述了用于HFC（光纤混合同轴电缆）网络上行信道数据传输的SDMT（同
步多载波调制）系统的原理，分析了其性能。与采用单载波系统进行比较，得到的结论
是：SDMT具有更大的优越性，它是用于HFC反向信道传输的一个较先进的解决方案。
    关键词：光纤混合同轴电缆  离散多音频  媒质接入控制协议
    随着信息时代的到来，人类对高速宽带多媒体信息服务的要求日益迫切。但目前传
统的接入方式却成为制约整个通信网进一步向高速、宽带化发展的瓶颈。改造现有接入
方式，最终实现三网合一的计划已经提到议事日程上来。种种方案已经出台，如HFC（光
纤混合同轴电缆）、SDV（交换式数字视频）以及FTTH应用之一的GTTH（Gagabit－To－
The－Home）等。其中在现有CATV网络基础之上发展起来的HFC具有较高的性价比，因而
引起了人们的广泛关注。但如何解决HFC网络中上行信道的可靠传输是一个非常棘手的难
题，一直没有较好的解决方案。
  一、HFC网络拓扑结构及提供的服务
    整个网络呈树形分支结构，从中心节点到光纤／同轴电缆节点是一段大容量光纤，
从光纤／同轴电缆节点发出的是通达用户家中的树形分支结构的同轴电缆。一根光纤可
为500个左右的用户服务。在同轴电缆上50～550MHZ的频带留给下行的CATV模拟电视节目，
5～30或40MH的频段留给上行信道。
  二、DMT的传输技术
    DMT技术由美国的AMAT1公司提出，已被ANSI（美国国家标准委员会）选定为ADSL的
美国国家标准，同时也被ETSI（欧洲电信标准委员会）选作欧洲的标准。DMT的实质是
一种多载波调制技术。在通信过程中，收发信机可以根据信道特性的改变，自适应地调
整比特分配表和均衡器系数，以使系统性能始终保持在最佳状态。对于窄带的干扰，如
调幅广播和业余无线电干扰，系统可以通过关闭受干扰的子信道或降低该子信道承载的
比特数，使干扰影响降至最小。以上这些优点都是单载波系统所不具有的。
    2.SDMT解决方案
    由AMATI公司提出的SDMT（同步DMT）方案充分利用了DMT技术的优越性，并综合了相
应的网络协议，妥善地解决了HFC上行信道的同步、训练、接入、传输、控制等问题，保
证了多个远端用户高效率地共享上行信道，不失为一种较好的解决方案。
    SDMT方案将上行信道分成8个子信道组，每个子信道组占据4.4MHZ的带宽，每个组包
含128个子信道，每个信道组最多容纳63个用户终端。为了简单起见，每个用户终端只可
以在一定的时间段内使用其中一个频段的一部分或全部128个子信道。当然每个用户终端
也可以使用全部的1024个子信道，但是这样需要的运算量和存储空间将非常大。SDMT与
单载波系统比较，在信道分配和提供不同速率的服务方面具有更大的灵活性。在SDMT协议
中，一个用户终端从开机安装到开始通信的整个过程包括安装初始化、训练（重复训练）、
请求分配带宽和数据传输几个阶段。
  三、SDMT执行的四个过程
     1.用户终端的安装初始化过程
    （1）同步
    为了使所有与中心书点modem通信的终端同步，就是要使它们向中心节点modem发送的
同一帧信号同时到达中心节点（这样，来自所有终端的信号就好象是从同一个终端来的一
样，从而便于中心节点modem用FFT运算来解调）。必须进行通过计算时延差的同步过程。
    首先，中心节点控制器在下行的控制信道中广播控制信号，该信号包括：主时钟、
禁止使用的信道（为系统保留，留作它用或无法使用的信道）号、将分配给下一个用户
使用的信道组号（只有一个）。当一个用户终端被安装在HFC网络上，它首先调谐至下
行控制信道的频率上，以接收控制信号。通过锁相环与主时钟建立同步，当S2时隙到来
时，它向中心节点控制器传送安装参数。该参数包括该终端的序列号码（由生产厂家分
配）、所要求的最大传输速率等内容。由于还未进行信道测试和比特分配，用户终端使
用高可靠性的QPSK调制方式、在未被禁止使用的部分子信道（或全部子信道）上传输这
些参数。当中心节点控制器收到该信号时，首先把该用户终端的序列号映射为一个较短
的节点地址号，在以后的通信过程中，就使用这个节点地址对该终端进行寻址。中心节
点控制器将该信号的延迟与其它正在工作的用户终端（已经实现了同步）的延迟相比较，
得到它们的延迟差，送给该用户终端。用户终端根据收到的延迟差，调整自己的发送信
号的相位，然后再次向中心节点控制器发送一个校验信号。若中心节点控制器认为该终
端送来的信号已经与其它正在与中心节点modem通信的终端送来的信号同时到达（同步），
就向该终端发送一个确认信号，然后开始训练过程。否则，就发送一个同步失败信号，
要求终端重新开始同步。在以上的通信过程中，该用户终端发送的上行信号都是在S2时
隙中发送。
    2．训练和重复训练
    建立同步之后，用户终端在随后的若干个S2时隙向中心节点modem发送一个宽带的
训练信号，此信号的带宽覆盖所有的可能提供给该用户终端的子信道。中心节点控制器
根据收到的训练信号，计算各个子信道的比特分配表和FEQ系数，以便将来与该终端通
信之用。中心节点控制器将终端的地址信息和比特分配表通过下行控制信道广播出去，
该用户终端根据地址信息取回属于自己的比特分配表。至此，训练完成。
    当一个用户终端完成了同步和训练后，不论它是否传输数据，它总是在之后的若干
个S3时隙周期性地重复训练中心节点modem，来更新比特分配表和FEQ系数，以便于适应
信道特性的变化。并且每隔一定的时间，S2时隙变为S3时隙，且一直持续20个S3时隙，
用以重复训练所有的用户终端，此过程大概需要3分钟。
    3．数据传输接入请求
    SDMT的信道分配策略比单载波系统具有更大的灵活性，这是由SDMT先进的多载波传
输方式所决定的。单载波系统必须将全部频带在一定时间范围内提供给某个用户终端。
而SDMT系统的中心节点控制器可以灵活地在一定的时间范围内将～定数量、容量各异的
子信道分配给某个用户终端。
    数据传输接入请求控制基本可以分为两种：其一是严格控制的固定时刻接入方式。
在网络负载较轻时，用户得到的平均接入时间较长。但负载量逐渐增加时，接入时间仍
然不变。其二是不加控制的随机接入方式，在网络负载轻时，接入时间很短，但随着网
络负载量的增加，接入时间随之增大，甚至会引起网络拥塞。为了达到全局最优的效果，
SDMT综合了两者的优点，采用了复合的接入控制策略。即负载轻时，采用后者，负载重
时，采用前者。
    （1）严格控制的轮叫轮询接入方式
    当网络负载较重时，接入请求很频繁，为了避免发生次数太多的接入请求冲突而大
幅度降低网络的有效传输效率，此时采用轮叫轮询的分配策略。假定每个信道组最多容
纳了63个用户，那么，每帧的63个符号时隙可以分别分配给63个用户。每个用户可以在
分配给自己的那个时隙，使用两个可用的子信道发送两个比特信息给中心节点控制器。
所使用的两个子信道必须是至少能够承载两个比特的子信道。为了确保准确无误地传送
该信息，因而使用高可靠性的QPSK调制和100％冗余度的前向纠错编码。所发送的这两
个比特，并不包含一个完整的接入请求必须的内容（完整的接入请求信息将随后传输），
它只代表本次接入请求后续内容的类型。共有
4种类型：
    ·SDRI（立即数据请求）：后续数据接入请求信息将在分配给该用户终端的时隙内，
在所有可用的子信道上、使用QPSK调制方式传送；
    ·SDRS（静默期S1数据请求）：分配给该用户终端的时隙不足以传输所有的数据接
入请求信息，剩余的信息将在下一个S1时隙内使用所有的可用子信道传输；
    ·SDPR（确定分组请求）：本次请求传送的数据分组的头部信息与以前传送的分组
一样，参数相同；
    ·ITR（立即训练请求）请求立即开始一个重复训练。
    以上所有类型的接入请求的最小的接入时间是网络的往返延迟时间（从用户端到中
心节点控制器）。
    如果网络可以支持一次SDRI或SDPP请求所要求的数据速率，那么，中心节点控制器
将为该用户终端分配合适的子信道，并在下行控制信道中发送一个带该用户终端地址的
分组，该分组的内容包括：所分配的子信道号、每个子信道的比特数（为保证一定的性
能裕量，这个比特数可能会低于比特分配表中该子信道能承载的比待数）、开始传送上
行数据的时刻。
    若中心节点控制器收到一个用户终端的SDRS信息，它就在下行控制信息道中发送一
个该用户终端的地址信息，表示同意该终端在下一个S1时除发送它的剩余的数据接入请
求信息。若在一帧的时间内有两个终端都发送了SDRS信息，中心节点控制器将按照先后
顺序，通知两个终端分别使用连续的两个S1时隙。在收到完整的数据接入请求信息后，
中心节点控制器就象对待SDRI和SDPR请求一样，为其提供服务。
    如果网络上行信息现有容量满足不了用户提出的要求，那么中心书点控制器就计算
到什么时候网络才能满足用户要求，然后将这个时间与分配给用户的子信道号一起告诉
用户。若中心节点控制器不能计算出这个时间，它就把这一数据接入请求放在一个等待
队列中，直到网络能满足它的请求时，再为它分配子信道。
    （2）随机接入方式
    网络负载较轻时，随机接入的时间较短，效率较高。但是由于中心节点控制器不知
道是谁发起的接入请求，因而不能选择合适的FEQ系数来均衡收到的信号，只能使用简
单可靠的QPSK方式传输请求信号，且使用第一个符号来为中心节点控制器提供一个矫正
参考，随后的符号才被用来传送真正的接入请求信息。中心节点控制器在某个未分配的
子信道上检测到信号，就转换到QPSK的解码模式，来接收请求信号。
    为了将接入请求的冲突概率减至最小，用户终端的接入请求信息必须足够的短。由
于随机接入请求所要求的数据传输格式是唯一确定的，所以有接入请求的用户终端只需
要向中心节点控制器送出它的地址信息就行了。若一个信道组最多只有63个用户，那么
每个用户只需要传送一个6比特的地址信息。
    4.数据传输
   （1）CBR（固定比特速率）模式
    SDMT可轻而易举地支持此模式的数据传输，在此模式下的最小传输速率增量是32 
kbit／s（与符号速率相同）。但是许多服务仅要求比 32 kbit/s（一个子信道的每个符
号只代表一个比特）还要低的速率，为了节约资源，可以让若干个用户时分复用一个子
信道。如果一个超帧的1938个符号时隙中仅有48个用来传送开销比特（overhead bit），
那么SDMT的效率是97.5％。
    （2）分组传输模式
    通过分配给用户一定的子信道和一定的时隙，SDMT也可以轻易地支持分组传输模式。
在单载波系统中，无论用户信源的速率是多少，系统只能给用户分配一定的时隙，而在
这个时隙内，传输速率是恒定不变的，使得二者的速率不匹配，且浪费了系统资源。而
SDMT精细、灵活的资源分配策略可以保证不会出现这一情况。
    五、结束语
    本文详尽分析、阐述了用于HFC反向信道的SDMT传输和接入方案。并和传统的单载
波方案进行了比较。从例举SDMT的种种优点可以看出，SDMT是一种较先进的HFC反向信
道传输的解决方案。