通信系統(tǒng)中的測距技術(shù)研究及HiNOC系統(tǒng)相關(guān)分析

崔競飛 ，王勁林 ，趙 輝，趙玉萍 ，趙 翠

（1.中國科學(xué)院聲學(xué)研究所 國家網(wǎng)絡(luò)新媒體工程技術(shù)研究中心，北京 100190；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.國家新聞出版廣電總局廣播科學(xué)研究院 國家廣播電視網(wǎng)工程技術(shù)研究中心，北京 100866；4.北京大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100871）

廣域網(wǎng)系統(tǒng)通常會覆蓋較大的地理范圍，例如全球移動通信系統(tǒng)（GSM）單個小區(qū)的理論最大半徑為35 km，以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)（EPON）中光線路終端（OLT）與各個光節(jié)點(diǎn)（ONU）的最大距離為20 km，光纖同軸混合接入系統(tǒng)（DOCSIS）中電纜調(diào)制解調(diào)器頭端（CMTS）與各個電纜調(diào)制解調(diào)器（CM）之間的分布范圍達(dá)到160 km。在這些通信系統(tǒng)中，各個用戶節(jié)點(diǎn)通常隨機(jī)分布在不同的地理位置，中心節(jié)點(diǎn)與各個用戶節(jié)點(diǎn)之間的電磁波傳輸時延不同且時延的動態(tài)范圍較大。此時，傳輸時延對系統(tǒng)的影響不可忽略。為了消除傳輸時延的不良影響，通信系統(tǒng)常采用測距過程測量各個用戶的傳輸時延，并根據(jù)測量結(jié)果設(shè)置各個用戶的定時提前量（TA）[1]。另外，測距的結(jié)果還可以用作進(jìn)行功率控制或用戶定位等功能[2-3]。

通常情況下，測距過程不直接測量信號傳輸?shù)膯纬虝r延，而是測量傳輸?shù)耐禃r延（RTT），即

式中：d為用戶節(jié)點(diǎn)與中心的距離；v為電磁波在信道中的傳輸距離；Te為信號處理帶來的延時。根據(jù)測距過程測量的RTT，中心節(jié)點(diǎn)對各個用戶設(shè)定定時提前量，調(diào)整各個用戶的信號發(fā)射時間，保證用戶信號在中心節(jié)點(diǎn)期望的時間點(diǎn)到達(dá)。

本文首先論述了傳輸延時對不同系統(tǒng)的影響，然后詳細(xì)論述了典型無線或有線通信系統(tǒng)中的測距方法，例如GSM、全球微波互聯(lián)接入系統(tǒng)（WiMAX）、長期演進(jìn)系統(tǒng)（LTE）、EPON以及DOCSIS等，最后對HiNOC系統(tǒng)中傳播時延問題進(jìn)行了分析，闡述HiNOC不采用測距的原因。

1 傳輸時延對通信系統(tǒng)的影響

傳輸時延會引起通信系統(tǒng)上行鏈路中各個用戶之間的相互干擾，而對于不同多址方式的系統(tǒng)，傳輸時延產(chǎn)生的用戶間干擾是不同的。

1.1 傳輸時延對時分多址系統(tǒng)的影響

時分多址（TDMA）系統(tǒng)將信道劃分為不同時隙，各個用戶在不同的時隙占用信道。在TDMA系統(tǒng)中，各用戶的傳輸時延導(dǎo)致用戶信號隨機(jī)地到達(dá)中心節(jié)點(diǎn)，并可能引起上行幀的碰撞。如圖1所示，用戶移動基站（Mobile Station，MS）MS1距離基站（Base Station，BS）較遠(yuǎn)，MS2距離基站較近。MS1和MS2先后依次向BS發(fā)送上行幀，且MS1的傳輸時延T1大于MS2的傳輸時延T2。由于兩幀之間存在保護(hù)時間間隔Tg，若T2＜T1＜T2+Tg，則兩幀不會碰撞，如圖1a所示。然而為了提高信道的利用率，保護(hù)時間間隔Tg通常是有限的。若T1過大，即T1＞T2+Tg，則導(dǎo)致兩個上行幀碰撞，部分信號無法正確解調(diào)，如圖1b所示。

圖1 傳輸時延對TDMA系統(tǒng)的影響

1.2 傳輸時延對正交頻分多址系統(tǒng)的影響

正交頻分多址（OFDMA）系統(tǒng)將信道劃分為彼此正交的子載波，各個用戶使用不同的子載波享用信道。為了保持OFDMA各個子載波的正交性，系統(tǒng)要求所有用戶節(jié)點(diǎn)發(fā)送的OFDMA幀同時到達(dá)中心節(jié)點(diǎn)接收機(jī)。然而由于用戶地理位置不同、傳輸時延不同，導(dǎo)致OFDMA系統(tǒng)上行幀無法符號對齊，如圖2所示。此時OFDM解調(diào)過程中，由于FFT窗無法對齊，將引起OFDM符號間干擾以及子載波間干擾，進(jìn)而使系統(tǒng)性能受到嚴(yán)重影響。

1.3 傳輸時延對其他多址系統(tǒng)的影響

頻分多址（FDMA）系統(tǒng)將信道劃分為若干彼此獨(dú)立的子信道，相鄰子信道之間存在保護(hù)頻帶，各個用戶使用不同的子信道進(jìn)行通信。碼分多址系統(tǒng)（CDMA）利用不同的正交擴(kuò)頻碼字區(qū)別用戶。FDMA和CDMA系統(tǒng)中各個用戶之間的多址接入方式與時間無關(guān)，傳輸時延不會導(dǎo)致各個用戶之間的串?dāng)_，所以測距過程不是必須的。然而，某些FDMA或者CDMA系統(tǒng)中仍然會進(jìn)行測距用于功率調(diào)整或者其他功能等。另外，某些實(shí)際系統(tǒng)并不僅僅使用一種多址接入方式，一般來講，如果系統(tǒng)的多址方式與時間相關(guān)且系統(tǒng)覆蓋面積較大，則測距過程是必須的。

圖2 傳輸時延對OFDMA系統(tǒng)的影響

2 典型通信系統(tǒng)的測距方法

在通信系統(tǒng)中，當(dāng)用戶節(jié)點(diǎn)初始接入網(wǎng)絡(luò)時，一般均需要進(jìn)行測距過程，因此，用戶節(jié)點(diǎn)通常會在隨機(jī)接入過程中同時完成對傳輸延時的測量。另外，在無線通信系統(tǒng)中，用戶節(jié)點(diǎn)的移動性會導(dǎo)致傳輸時延不斷變化，因此在移動節(jié)點(diǎn)的鏈路維護(hù)中需要多次或者周期性進(jìn)行測距。本節(jié)詳細(xì)論述了常見的無線或有線通信系統(tǒng)中的測距方法，如無線通信系統(tǒng)GSM，LTE和WiMAX，有線通信系統(tǒng)EPON和DOCSIS。

2.1 GSM，UMTS，LTE

GSM、UMTS以及LTE是現(xiàn)代無線蜂窩通信演進(jìn)的主要技術(shù)路線之一。GSM是現(xiàn)在仍被廣泛應(yīng)用的第二代無線蜂窩通信系統(tǒng)，多址方式為TDMA。一個TDMA無線幀包含8個時隙，時隙之間存在保護(hù)時間間隔。但由于保護(hù)時間間隔的長度小于最大傳輸延時，所以在手機(jī)接入網(wǎng)絡(luò)時，需要進(jìn)行測距。GSM測距過程如圖3所示，手機(jī)用戶（MS）首先監(jiān)聽頻率校正信道FCCH，進(jìn)行載波頻率的校準(zhǔn)，然后監(jiān)聽同步信道SCH進(jìn)行時間同步，確定時隙的起始時間。完成頻率和時間同步之后，手機(jī)用戶根據(jù)廣播信道BCCH解調(diào)該小區(qū)的信道參數(shù)，并在隨機(jī)接入信道RACH向基站（BTS）發(fā)送隨機(jī)接入信號請求接入網(wǎng)絡(luò)。由于初始時刻傳輸時延未知，因此用戶發(fā)送的RACH信號在起始和末尾留有足夠大的保護(hù)時間間隔，大于其他數(shù)據(jù)信道的保護(hù)時間間隔，用以防止與其他時隙信號的碰撞。如果BTS成功接收到該用戶發(fā)射的RACH信號，則BTS可根據(jù)接收時刻與TDMA時隙起始時刻的偏移估計RTT，完成測距過程[4]。

圖3 GSM的測距過程

通用移動通信系統(tǒng)（UMTS）是第三代無線蜂窩通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)之一，是GSM的演進(jìn)技術(shù)。由于在UMTS系統(tǒng)采用了軟切換技術(shù)，移動設(shè)備（UE）可能同時與多個基站（Node-B）通信，此時UE發(fā)射的信號到達(dá)各個Node-B的傳輸延時不同，無法對UE進(jìn)行TA的調(diào)整。同時由于UTMS采用了WCDMA的多址接入技術(shù)，系統(tǒng)中沒有時隙的劃分，各個UE使用正交碼字區(qū)分，因此在UMTS系統(tǒng)無需進(jìn)行測距[1]。

LTE是目前受到廣泛關(guān)注的準(zhǔn)4G無線蜂窩通信系統(tǒng)，是UMTS的長期演進(jìn)技術(shù)，多址方式為OFDMA。為了保證各個用戶的OFDMA符號到達(dá)基站（eNode-B）的時間一致，系統(tǒng)需要對各個用戶的傳輸時延進(jìn)行測量。LTE系統(tǒng)的測量過程與GSM系統(tǒng)類似，移動設(shè)備（UE）首先通過接收同步信道SCH和廣播信道BCH進(jìn)行小區(qū)初始搜索過程，完成符號時間和頻率的同步，然后UE在隨機(jī)接入時隙中發(fā)送RACH信號，如eNode-B成功接收該RACH信號，則可以根據(jù)接收時刻與時隙起始的偏移量估算RTT[5-6]。

2.2 WiMAX

WiMAX，即 IEEE802.16，是一種寬帶無線接入技術(shù)，可采用OFDMA的多址方式。WiMAX的測距過程分為以下幾類：初始測距，用以用戶進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)；周期測距，用以周期性地更新用戶的定時偏差；切換測距，用以切換過程中與目標(biāo)新基站進(jìn)行測距[7]。各類測距原理大致相同，以初始測距過程為例。新用戶接收基站廣播的DL-MAP信息獲得下行信道的調(diào)制參數(shù)并完成下行信道的邏輯同步，然后用戶接收基站廣播的ULMAP信息獲得上行信道的調(diào)制參數(shù)以及允許測距的時隙窗口。用戶在該時隙窗口中隨機(jī)選擇一個時隙，并在一組CDMA正交碼字中隨機(jī)選擇一個碼字。該隨機(jī)碼字被調(diào)制到OFDMA特定的子載波上，并在隨機(jī)挑選的時隙內(nèi)發(fā)送[8]。由于傳輸時延的影響，基站接收機(jī)做OFDM解調(diào)時，該正交碼字發(fā)生相位旋轉(zhuǎn)，利用CDMA碼字的互相關(guān)特性可以檢測各個碼字的相位旋轉(zhuǎn)并計算RTT的大小，完成測距過程[9]。

2.3 EPON

EPON是一種點(diǎn)到多點(diǎn)（P2MP）無源光纖網(wǎng)絡(luò)，多址接入方式為TDMA。EPON利用MPCPDU幀中攜帶的時間戳進(jìn)行測距，具體過程如圖4所示。首先OLT向某個ONU發(fā)送一個時間戳為T0的MPCPDU，經(jīng)過下行鏈路傳輸時延后，ONU接收到該MPCPDU并把ONU的本地時刻更新為T0，達(dá)到ONU與OLT的邏輯時間同步。ONU經(jīng)過一定的處理時間，向OLT發(fā)送時間戳為T1的MPCPDU，經(jīng)過上行鏈路延時后，在T2刻到達(dá)OTL。則往返時延

圖4 EPON的測距過程

2.4 DOCSIS

DOCSIS是一種光纖同軸混合接入技術(shù)，采用TDMA或S-CDMA的方式共享信道。DOCSIS在CM接入網(wǎng)絡(luò)或者對CM均需要進(jìn)行鏈路維護(hù)時需要進(jìn)行測距，具體過程如圖5所示。在DOCSIS系統(tǒng)中，CMTS周期性發(fā)送SYNC消息，SYNC消息內(nèi)包含時間戳，CM根據(jù)接收到SYNC消息中的時間戳更新本地時間，并校準(zhǔn)時鐘頻率。然后，CMTS發(fā)送MAP消息告知CM進(jìn)行測距的時間段（Maintenance Region），CM在測距時間段內(nèi)發(fā)送RNG-REG消息，CMTS根據(jù)RNG-REG到達(dá)時間域測距時間段的偏移進(jìn)行測距[12]。

圖5 DOCSIS測距過程

通過以上系統(tǒng)的分析，可以看出往返時延一般是在中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測量。中心節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)用戶節(jié)點(diǎn)發(fā)送的上行幀的到達(dá)時間與時隙起始時刻的偏移對時延進(jìn)行測量，如GSM，LTE，DOCSIS；中心節(jié)點(diǎn)也可以根據(jù)上行幀的到達(dá)時間以及上行幀中攜帶的時間戳對時延進(jìn)行測量，如EPON；中心節(jié)點(diǎn)也可以根據(jù)其他物理參量對傳輸時延進(jìn)行測量，如WiMAX系統(tǒng)測量傳輸時延造成的OFDM符號相位旋轉(zhuǎn)。中心節(jié)點(diǎn)測量傳輸時延后，通過下行控制信道將測量結(jié)果返回給各個用戶。各個用戶根據(jù)測試結(jié)果調(diào)整發(fā)射時間，消除傳輸時延的影響。

3 HiNOC系統(tǒng)中的傳播時延問題

HiNOC是我國自主創(chuàng)新的同軸電纜接入系統(tǒng)，以較高的頻譜利用率實(shí)現(xiàn)了最后100 m的接入問題。Hi-NOC采用TDMA的多址接入方式，一個頭端HB（Hi-NOC Bridge）可攜帶32個HM（HiNOC Modem）[13]。

3.1 傳播時延對HiNOC系統(tǒng)的影響

表1給出了各個系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍、最大RTT以及幀間的保護(hù)時間（幀間隔）對比。可以看出由于Hi-NOC覆蓋范圍較小，其RTT延時僅有1 μs，遠(yuǎn)小于其他系統(tǒng)中的傳播延時。同時由于HiNOC定義上行數(shù)據(jù)幀之間的最小保護(hù)時間間隔為10 μs，大于1 μs的RTT。因此在HiNOC系統(tǒng)中即便不采取測距和TA補(bǔ)償，仍然不會發(fā)生各個HM上行幀的碰撞。而其他系統(tǒng)的保護(hù)間隔遠(yuǎn)小于RTT最大值，必須采取測距。

表1 系統(tǒng)參數(shù)對比

圖6給出了HiNOC系統(tǒng)中傳輸時延對上行鏈路的影響。假設(shè)HM1為距離HB最遠(yuǎn)的用戶，HM1發(fā)送的幀經(jīng)過最大RTT時延（1 μs）傳播到HB，HM2為距離HB最近的用戶，HM2到HB的傳播延時可忽略不計。此時，由于存在10 μs的保護(hù)時間，HM1與HM2不會發(fā)生碰撞。綜上所述，HiNOC系統(tǒng)可以不進(jìn)行測距和TA的補(bǔ)償。

3.2 HiNOC系統(tǒng)中的幀同步

由于HiNOC中未進(jìn)行測距，則各個HM到達(dá)HB的時間與HB規(guī)劃的時間會有延時，即HB不能利用調(diào)度的時間信息進(jìn)行幀同步（幀捕獲）。因此，在HiNOC系統(tǒng)的上行鏈路幀中設(shè)計了一個長度為64符號間隔的已知前導(dǎo)序列，用以幀同步。

圖6 傳播時延對TDMA系統(tǒng)的影響

圖7為HiNOC系統(tǒng)上行幀的同步過程，HB根據(jù)信道調(diào)度信息，確定上行幀的理想到達(dá)時間T0，然而由于存在傳播延時和時鐘頻率偏差的影響，HM上行幀無法準(zhǔn)確地在T0時刻到達(dá)。因此，HB給出一個浮動的到達(dá)窗，即在到達(dá)窗[T0-τ,T0+τ]內(nèi)搜尋上行幀，τ與系統(tǒng)的傳播時延和時偏相關(guān)。搜尋方法為利用本地存儲的前導(dǎo)訓(xùn)練與接收到的信號進(jìn)行滑動相關(guān)，精確捕獲上行幀。

圖7 HiNOC系統(tǒng)上行鏈路的幀同步方法

4 小結(jié)

在通信系統(tǒng)中，不同的電磁波傳輸時延可導(dǎo)致各個用戶信號的碰撞或相互干擾。尤其對于采用TDMA多址方式且覆蓋范圍較廣的通信系統(tǒng)，通常會采用測距技術(shù)消除傳輸時延的不良影響。選取典型的通信系統(tǒng)EPON，DOCSIS，GSM和WiMAX系統(tǒng)，詳細(xì)論述了通信系統(tǒng)中的測距技術(shù)。在現(xiàn)有的測距技術(shù)中，中心節(jié)點(diǎn)可利用上行信號達(dá)到時間與時隙邊緣的偏移、時間戳或其他物理參量對傳輸時延進(jìn)行測量，中心節(jié)點(diǎn)通過控制信道將測量結(jié)果返回，各個用戶根據(jù)測試結(jié)果調(diào)整各自的信號發(fā)射時間，保證信號在規(guī)定的時間到達(dá)中心節(jié)點(diǎn)。最后討論了HiNOC系統(tǒng)中的測距問題。分析可知在HiNOC系統(tǒng)中傳播時延對系統(tǒng)中的影響很小，因此為了降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，HiNOC系統(tǒng)中未進(jìn)行測距，同時在上行鏈路中各個HM也未進(jìn)行傳播時延的補(bǔ)償。HiNOC下一代演進(jìn)技術(shù)HiNOC2.0的系統(tǒng)傳輸速度將達(dá)到1 Gbit/s級別，同時覆蓋范圍進(jìn)一步增大，在此情況下則需要考慮是否采用測距技術(shù)。

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