HFC网上行信道传输方案设计

1 引言

　　HFC网传输损耗小、可靠性高、抗干扰能力强、频带宽，成为多媒体综合业务接入的途径，但是，从目前HFC网的运行情况分析，HFC网也存在一些严重的缺陷。首先，HFC网上行信道的频谱资源有限，上行信道为5~65 MHz，下行信道可达到750 MHz甚至1 GHz，这种上窄下宽的特性将使交互式的语音、视频等业务的发展受到限制；其次，HFC网的上行信道存处理响应客户端的点播要求，建立通信通道，一方面进行预读，一方面将视频压缩数据发送给客户端，客户端进行视频压缩数据的解压，显示在显示器上或电视机上。

　　在严重的噪声汇聚效应。因此，要实现HFC网络的双向通信，关键在于如何降低上行信道的噪声和增加信道容量。

2 HFC网上行信道性能指标分析

　　HFC网提供的多媒体业务包括：Internet接入、高速数据传输、远程教育、远程诊断、视频点播（VOD）、IP电话、电话会议、网上购物及网上游戏等，这些业务对上行信道的要求随业务不同而变化很大，例如：网上购物、VOD等业务在上行信道传输的信息量少，对信道的容量要求小，而且每个用户并不需要一直占用信道；但对于电视会议及一些交互图像类业务，则要求上下行信道速率对称，具有很好的实时性；对于IP电话 与可视电话，则允许上行信道有一定的误码，如误码率为10-3或10-4,而对于数据传输其误码率则要求小于10-8。因此，各种多媒体业务同时存在对上行信道的性能要求是：

（1）有一定的容量。由于上行信道用户较多，通常总容量应达到几十Mb/s以上。

（2）高速。为使每个用户都可以传送宽带高速信息，用户可得到的传输速率应达到几 Mb/s甚至几十Mb/s。

（3）低误码率。误码率<10-8。

（4）可统计复用，以保证信道利用率高。

（5）时延小，支持实时信道传送。

（6）对下行信道影响小。

3 HFC上行信道传输方案

　　目前，HFC网采用树—星型拓扑结构，上行信道带宽较小，是多对一的共享信道，即一个总前端对应多个用户接入点，这种特殊的结构决定上行信道不可避免地受到汇聚噪声的影响。基于网络结构变换的传输方案，使用户之间采用串行方式，能消除上行信道噪声的漏斗效应，传输速度高，可适应于宽带业务的要求。

3.1 串行网络结构传输方式

　　在这种结构中，同一根电缆的用户设备之间相互串联，用户的通信设备对下行信道仍是并行，而对上行信道则相当于串联，共用同一个频带，采用时分复用方式。上行信号每经过一个用户设备，均进行再生，这样可消除噪声的积累，提高上行信道的传输质量。另外，采用串联方式，考虑到我国居民住房比较集中，用户之间距离较短的特点，两次再生之间的距离短，感应噪声小，调制方式采用64 QAM，如果使用8 MHz的带宽，数据速率可达41.7 Mb/s。下行信道仍采用64 QAM或256 QAM， 物理层采用DOCSIS物理层标准，这种网络结构若使用ATM（异步转移模式）协议，则更有利于实时信号的传送。其用户端的设备如图2所示。用户端除了完成调制、解调功能外，还要完成再生和中继功能。

3.2 CM功能设计

　　CM的设计以DOCSIS的协议分层为基础，分为物理层、MAC层以及外围接口部分。其中物理层设计分为调谐部分和收发部分。

3.2.1 物理层设计

　　物理层的调谐部分采用Broadcom公司的BCM3415数字调谐器，具有低功耗、线性宽等特点，专用于CM和机顶盒上的CMOS调谐。物理层收发部分又分为上行发射机和下行接收机两个模块。上行发射机采用级联编码、SCDMA等技术，以克服恶劣的汇聚噪声影响。上行信道采用TDMA/SCDMA多址接入方式，即同一微时隙内允许有多个CM同时传输数据，但CM必须在CMTS为其分配了时隙后才能传输。其上行发射机的框图如图4所示。从MAC层交给物理层的分组数据分块后，输入RS编码器，RS编码方法简单，叠代译码快速和纠错能力强，在此，主要用来克服HFC网络中脉冲噪声的影响。RS编码后的数据送入扰码器，扰码器将反馈序列与输入比特流模相加，起加密作用。扰码后的比特流输入交织器中，交织后进行截短卷积编码，然后加上同步头，再映射成16/64 QAM的符号。这里，将截短卷积编码和QAM调制结合成特殊的PTCM编码调制，编译码简单，抗噪性能好。同步头CMTS上行接收机在处理同步头的过程中，快速地获取载波同步、位同步、扩频同步以及载波相位的

　　跟踪。经符号映射的信号送入同步直扩模块，直接序列扩频具有很好的抗干扰能力，且由于HFC网上行延时相对稳定，扩频问题容易解决，因此，本方案采用SCDMA方式。直扩后的信号输入预均衡器中，其作用主要是抵消由信道的微反射等引起的码间串扰(ISI)。预均衡以后的信号，通过Nyquist滤波和16/64 QAM调制，输出中频信号，经射频放大，输入调谐部分的双工滤波而传入电缆中。

3.2.2 MAC层设计

　　对于下行接收机解调输出的比特流，若是数据，则输入下行数据处理单元，经数据解密后输入下行存取控制单元；若为管理信息，则输入管理信息处理单元。当管理信息为上行微时隙配置信息时，则输入时隙信息处理单元对MAC层送到调制部分的上行比特流进行控制。当管理信息为其他信息时，将送入下行存取控制单元，对CM的同步、功能调整以及初始化等进行统一管理。对于上层送到MAC的数据，由于不同数据所要求的网络延时、传输速度及服务质量(QoS)参数不同，需要对数据进行分类处理，不同QoS等级的数据送入上行队列存取控制单元的不同队列，再根据调度策略从队列中取出送到上行加密单元，经加密后在CMTS指定的时隙送到上行调制单元。与MAC层相连的外围接口可以是以太网接口、USB接口等。

4 结论

　　通过对上述方案的上行信道的性能进行实验测试，发现这种网络的上、下行都可采用64 QAM和256 QAM调制技术，上行速度大大提高，信道容量增大，可有效克服汇聚噪声，能适应宽带业务的需要。但这种方案因为需要多次中继，时钟相位抖动严重。可以相信，随着技术的进步和HFC网相关技术研究的攻关，这种方案将会成为解决HFC网络噪声汇聚效应的有效途径。