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利用先進TDMA技術提升纜線傳輸速率

上網時間: 2002年09月28日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:Broadcom  advanced TDMA  cable 數據機  CMTS  TDMA 

透過對DOCSIS規範進行擴展,可以在纜線數據機的回路上取得更高的頻寬容量和傳輸性能。在DOCSIS 2.0規範中將採用先進TDMA(advanced TDMA)和同步碼分多址(S-CDMA)這兩種模式。本文將探討採用先進TDMA改進實體層提高上下行的數據傳輸性能的方法。

DOCSIS 1.0、1.1規範定義了纜線數據系統的實體層RF介面。隨著基於DOCSIS的寬頻接入大量應用到家庭和企業,對具有更大對稱性容量的需求正在迅速成長。本文探討通過改進實體層提高上行或下行方向的傳輸效率。纜線數據機以TDMA模式向數據轉發器上的纜線端接系統發送數據。未來的DOCSIS 2.0規範將包含先進TDMA(advanced TDMA)和同步碼分多址(S-CDMA)這兩種模式。

先進TDMA的主要參數如表1所示,該技術適用於存在嚴重的纜線損傷情況。典型的損傷及適用的處理技術如下:

圖1:一個上行突發接收器的方框圖。


1. 相加性白高斯噪音(AWGN):利用FEC並將設備損耗降到最低;


2. 脈衝?突發噪音:利用FEC和交織;


3. 窄頻入口:利用入口消除和頻率規避;


4. 普通路徑畸變:與入口同樣處理;


5. 微反射:採用傳輸均衡來解決;


6. 哼聲調變:採用正確設計的接收器跟蹤環路。

選擇先進TDMA的綜合考慮

對於上行傳輸,一共考慮了三種技術:先進TDMA、S-CDMA以及正交頻分再使用(OFDM)。對於各種技術而言,在初始登錄和維持過程中的存取方法都是TDMA。此外,在每種考慮的技術中,都將時隙分配給不同的用戶,因此所有三種方案都包含了TDMA突發傳輸和TDMA介質存取控制(MAC)。這樣,所有三種方案都需要一個TDMA突發數據機,但其同步需求則各不相同。S-CDMA和OFDM可以看作是TDMA傳輸向二維(2D)組訊框的一種擴展:對於S-CDMA是時間?碼,對於OFDM是時間?頻率。

脈衝噪音敏感性。對於二維方案,多個碼或頻率同時進行傳輸;因此,單個符號在時間上被加長,加長的倍數為碼或頻率分量的個數。在存在噪音的條件下,由於脈衝的能量分佈在平行傳輸的符號之內,因此符號持續時間的加長具有一定優勢。但是,如果脈衝能量超過了一個特定的閘限,這種優勢就會變成劣勢。此時,與純粹TDMA相比,這種方案將使更多的符號受到影響。圖2:短數據包測得的64-QAM數據誤包率性能。

在這種情況下,可以利用編碼和交織來幫助解決問題:如果受影響的符號可以進行分組,使得每個碼字包含的錯誤數減少,解碼器便可以糾正突發噪音產生的影響。

窄頻入口敏感性。對於TDMA,可以利用調變頻寬和載波頻率方面的靈活性來規避已知具有嚴重干擾的RF頻段,其餘的窄頻干擾可以通過自適應入口消除來解決。對於S-CDMA,在原理上,消除技術可以用在晶速率上。但是,晶片-符號轉換過程中將產生固有的很大判決延遲,使得無法立即作出可靠的判決,必須採用其它更為複雜的估計和消減技術。

為了處理動態產生的窄頻輸入噪音,S-CDMA可以用頻譜擴展的方法作為信號重覆的一種形式,以犧牲頻寬效率來換取對窄頻噪音的強韌性。例如,以10倍的頻率擴展可以帶來10dB的處理增益,其代價是容量損失90%,因此,這種方法並不理想。

在一個OFDM系統中,通過不使用受到影響的頻率分量,可以避免窄頻干擾。這樣一來,無論是纜線數據機還是CMTS都需要頻繁地重新分配頻率分量,以避免動態入口噪音,這使協議變得複雜而效率低下。與TDMA相比,OFDM對於未被識別的低電平窄頻噪音也同樣更為敏感。

同步敏感性。二維方案可以需要更加嚴格的同步來保持碼或頻率之間的正交性。對於S-CDMA,未編碼的64-QAM的時序精確度為±3ns;而在TDMA中,如果對每一脈衝重新要求時序,那麼該指標為±250ns。

對於S-CDMA,目前用於控制DOCSIS圖3:包含四個窄頻干擾信號的64-QAM信號的FFT監視器顯示。 TDMA時隙時序的時間標籤(timestamp)方案必須用一種具有更高精確度的方法替換,新的方法將數據機鎖定在下行符號時脈上,並周期性地從數據轉發器發送細粒度(0.4ns)定時校正。S-CDMA對於頻段內由於不完美的均衡和入口消除所引起的幅度和相位波動也很敏感,其結果可能由於碼間干擾而產生噪音。OFDM在方塊(block)間使用一種循環前綴,使其對時序偏移的敏感性並沒有S-CDMA那麼強。但是,與TDMA相比,OFDM對於載波相位噪音和頻率偏移則要敏感得多。

二維方案對MAC的影響

複雜性以及與MAC和DOCSIS 1.0/1.1傳輸收斂(TC)層的相容性是二維方案整合中需要考慮的問題。

在二維方案中,頻寬分配較為複雜,因為調度程式必須能夠及時為DOCSIS 1.0/1.1數據機以及先進PHY數據機的時間?碼或時間?頻率作出安排。這需要改變MAC/PHY介面,以及MAC與PHY之間的緊耦合,否則,可能存在碼?頻率未被使用,從而產生容量損失。

由於二維方案需要在訊框基礎上基於塊的處理,因而增大了延遲,這可能會給IP語音(VoIP)等對延遲敏感的應用帶來一些問題。有些版本的OFDM對每個頻率分量採用動態位加載,這需要修改固定的最小時隙格式,如在DOCSIS MAC中,每個時間間隔內的位元組數?定。先進TDMA的一個重要因素是它對雜散發射(spurious emission)的規範更加嚴格。近似地,當設備中採用64-QAM時,纜線數據機必須比DOCSIS 1.0/1.1(最多使用16-QAM傳輸)提供高6dB的帶外發射抑制性能。否則,其本身的噪音可能會限制系統性能。實際應用中的成本功率放大器能夠滿足雜散發射的性能要求。圖4:周期性突發噪音中的交織器/FEC性能。

與此類似,載波相位噪音和發送器調變誤差率(MER)有嚴格的限制,以滿足在一定實現複雜度和低成本振盪器的條件下保証64-QAM的性能。

突發接收器的實現

圖1是一個典型的突發接收器。接收均衡器可能包含有一個自適應入口消除器,類比前端可能包含有一個高採樣速率的類比數位轉換器(ADC),它允許整個上行頻段(5~42MHz或5~65MHz)的直接數位採樣。通道品質監控功能利用了一個快速傅利葉變換(FFT),該功能可以整合在接收器中,以支援頻譜管理、檢測以及避免干擾等功能。

圖2是採用64-QAM調變和短數據包RS(99,73)的突發接收器在AWGN中的所測性能。採用RS(99,73)前向糾錯(FEC)的理想連續接收器的理論曲線也顯示在圖中,該曲線用作參考曲線。圖中顯示的優越性能是採用先進數位接收器設計技術和VLSI高度整合的結果。

圖3顯示了對一個64-QAM先進TDMA信號所測得的採樣,其中包含了四個窄頻干擾信號。接收器入口消除器可以去除這些干擾,並能實現幾乎沒有誤碼的性能。

先進TDMA PHY增加了交織技術,該技術是對突發噪音的一種重要處理手段,並與FEC結合使用。DOCSIS在諸如調變、封包頭和FEC等參數中具有很大的靈活性,可以實現接收器的處理複雜度和強韌性之間的折衷。交織和FEC由傳輸波形定義,並提供了一個性能範圍,因此,在該部份只考慮這兩個內容。

突發噪音按照其電平、持續時間和到達時間間隔統計性地進行描述。一些突發噪音源是準周期性的,如基於交流電的噪音。在實際應用中,常常使用周期性突發噪音模型來規定和度量噪音性能。在信號頻寬中,突發噪音電平可達C/I = -10 dB,持續時間通常為1μs或更短,很少能到50μs,平均到達時間間隔為10ms左右(重覆率為100Hz)。系統性能是由誤包率(PER)相對FEC碼率(RS碼字中為k/n)的關係來進行度量。為了對有突發噪音條件下的性能進行描述,我們忽略了數據包的分割和組合,並選定74B(作為一種典型的短數據包)和1528B(作為一種長乙太網路數據包)兩種有效載荷大小。表:先進TDMA實體層的主要參數。

圖4是在有突發噪音的情況下,Reed Solomon T = 16時,先進TDMA交織/FEC的性能。分析時,假定所有被破壞的符號是在突發噪音之前一個符號和之後的一個符號之間。A點和F點不使用任何交織,B點和G點使用兩個交織RS碼字(codeword),C點和H點使用四個碼字,D點和I點使用32個碼字,而E點和J點則使用64個碼字的最大交織器深度。圖4中各點都是在此噪音持續時間和重覆速率條件下的一個範圍,可以由交織器、FEC和調變所選定的設置進行糾錯。

基本上,小於這些值的任何持續時間和重覆速率的突發噪音都可以進行修正。因此,形成如圖所示在位於各點左下部的一個矩形區域,在本圖中選擇E點作為一個示例。在實際纜線設備中的典型突發噪音的區域也描繪在左下部,在一般情況下具有較大裕量,實際性能將接近但不會超過這些範圍。

在上行傳輸中對PHY的這些改進使纜線數據系統的回路容量得到了提高。這個方法就是以一種演進的模式擴展成功的DOCSIS系統,使其既具有更高的傳輸速率又能達到更大的強韌性。需要重點注意的是與1.0/1.1數據機的相容性降低了,以及先進TDMA和老式數據機的共存。此外,還要注意確保在將要實現改進方案的不同廠商之間的互作業性規範。

先進TDMA數據機採用數位技術來解決最壞情形下的設備毀損。這使得在以前由於強脈衝噪音或窄頻入口而無法利用的上行頻段中的一部份現在可以利用。其結果增加了纜線數據系統的容量,並可支援新的、需要更高均衡傳輸速率的寬頻服務,包括語音、視頻電話、視訊會議和分散式伺服器等。

作者:


Bruce Currivan


寬頻系統工程部系統架構組主管


Email:currivan@broadcom.com


Thomas Kolze


高級首席科學家


tkolze@broadcom.com


Jonathan Min


首席科學家


Email:jmin@broadcom.com


Gottfried Ungerboeck


通訊系統研究部技術主管


gu@broadcom.com


Broadcom公司




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