MoCA技術的物理層分析

呂建遠 戚建妙

（作者單位：浙江省永嘉縣廣播電視臺甌北廣播電視站）

MoCA技術的物理層分析

呂建遠 戚建妙

（作者單位：浙江省永嘉縣廣播電視臺甌北廣播電視站）

摘 要：在廣電的雙向化改造中，MoCA技術已經越來越被運營商所認知。本文對MoCA技術的物理層做了簡要的介紹和分析。關鍵詞：MoCA；同軸電纜；雙向化改造

1 概述

MoCA網絡由一組網絡節點組成，互相之間可以進行廣播或點對點通信。與傳統的同軸電纜數據傳輸系統不一樣，比如DOCSIS，典型的點對點之間的通道響應變化非常大。因此，為了保證通信的性能，物理層和MAC層都要有自適應各種鏈路并進行周期性的調整。另外，由于視頻通信對包錯率（PER）、延遲等非常敏感，就要求網絡能夠支持高的QOS的能力。

MoCA網絡的基礎是下面的關鍵特性：（1）使用多載波，每個載波上的通信由時分多址（TDMA）按照時分雙工（TDD）的方式來完成；（2）完全的網格互連；（3）網絡許可和通信完全有網絡協同器（NC）來協同。NC是可變的（也就是說，網絡是自愈性的，當一個NC與網絡的連接斷開時，其他的節點就承擔NC的職責）。

NC不僅要管理媒介的訪問，還要完成許可功能，就是節點許可功能和鏈路維護功能。網絡上的其他節點配置成客戶，通過NC分配的時間槽與其他的節點進行通信。進一步，NC通過通信協議的一組算法來進一步優化系統參數（比如循環前綴長度）。在運行這些算法的時候，鏈路層消息（比如，許可請求，保留請求和通道帶寬分配消息，MAP）使用特別的包來進行交換。某些算法需要節點周期性地發送特殊的檢測消息來收集通道上的信息，用來輔助系統進行優化。

2 自適應星座圖多載波調制（ACMT）

在網絡的物理層，MoCA使用前向糾錯算法和適應同軸電纜的先進的調制技術，這一技術是基于OFDM的。但是，按照使每個通道的吞吐能力最大化為原則來動態地調整每個OFDM子載波的符號率。這種調制方式，稱為自適應星座圖多載波調制。高可靠性和低延遲性是視頻在傳播過程中的要求，為了滿足這一要求，全協同無碰撞的MAC協議被應用在了MoCA中。MAC協議采用TDD，即將發送時間分配給每個節點的媒介訪問方式。這種方式的使用使網絡的時間延遲具有了一定的確定性并且這種時間延遲由網絡協同控制器（NC）來控制。由于MoCA僅僅定義了PHY和MAC層，因此可以應用于各種不同的產品，比如STB、路由器、PC等。

3 物理層

物理層由低噪聲RF子系統和基帶信號處理子系統組成，如圖1。

圖1　MoCA物理層

3.1 RF子系統

直接正交轉換（zero IF）的方式能夠幫助RF子系統順利地完成收/發功能。可變功率的放大器應用在發送通道上可以對發送功率進行準確的控制；而在接收通道上，高線性寬帶ZERO IF的解決方案要通過具有可變增益效果的低噪聲放大器來提供。本地振蕩器是由一個可編程的PLL的晶體組成的，它的頻率范圍為850～1600 MHz。

3.2 頻譜屏蔽

頻譜遮罩的能量限制一般只規定到±22 MHz處，所以通常我們認定使用帶寬會在這個范圍內。但實際上，當發射端與接收端之間的距離非常近時，接收端接收到的有效能量頻譜有可能會超過規定的22 MHz的區域。所以,一般認定channels 1、6和11互不重疊的說法。應該要修正為：channels 1、6和11三個頻段互相之間的影響比使用其他頻段來得小。然而，要注意的是，一個使用channel 1的高功率發射端，可以輕易的干擾到一個使用channel 6的比較弱的發射站。在實驗室的測試中發現，當使用channel 11來傳遞檔案時，一個使用channel 1的發射臺也在通訊時，會影響到channel 11的檔案傳輸，讓傳輸速率稍稍降低。所以，即使是頻段相差最遠的channel 1和11，也是會互相干擾的。

3.3 子載波

（1）50 MHz的傳輸帶寬中的每個ACMT符號包含256個子載波；（2）ACMT符號也可以在ACMT載波的一個子集中進行調制；（3）按照調制簡表來分配位到ACMT子載波中；（4）對于PHY數據包，使用分集模式映射。

3.4 基帶信號處理子系統

PHY層，又名為自適應星座多音，是在TDMA/TDD的基礎上使用突發的OFDM調制方式。OFDM信號的每個載波都可以進行數字調制，這項技術具有相對較強的抗多徑衰落的性能。除此之外，BPSK、QPSK、16QAM和64QAM等調制方式都可以應用在載波上，為了符合

傳輸速率的差異，各調制之間還可以進行自適應切換。OFDM的符號是由一組子載波組成，這種子載波是使用QAM方式進行調制的。使用通道檢測和管理的方法可以對通道的具體使用條件進行確定，對不同類型的先導符進行篩選可以對MAC層的開銷實現更大程度上的系統優化。

在接收端用來實現信號恢復的方式包括AGC、時間跟蹤和頻率跟蹤。AGC方法對RF子系統進行快速調整以便于找到合適的增益的過程主要是通過使用快速算法實現的。因此所有的循環設計都具有很寬的動態范圍和頻率偏移。

4 物理包的類型

4.1 數據包（圖2所示）

一個PHY數據包由一個PHY導引符（preamble）后接PHY負載組成。PHY導引符由時域部分和頻域部分組成。

圖2　數據包

4.2 檢測包

頻域檢測，檢測負載在子載波映射和ACMT調制之前插入。時域檢測，檢測負載在ACMT調制之后插入。

4.3 自適應比特加載

根據每個載波的信息質量參數來匹配每對發射器/接收器的調制參數的過程稱為自適應比特加載。最大傳輸功率的實現，可以通過對各載波的信噪比進行實施的測量并在此基礎上選擇優化調制的方法，這種方式可以將BER控制在合理的范圍內，并可以阻斷來自其他電路設備的干擾。

為了確保頻帶的優化使用，發射器的自適應比特加載的啟動條件就是有噪音被檢測出。由于信道可以接收許多突發性噪音，因此信道的頻繁估算對信道的估計有很大的意義。MOCA技術進行頻繁的信道估算是基于發射器和接收器之間交換訓練數據（training data）進行的。信道估算為設備提供信息，提示出噪音水平較高的信道。

在單用戶OFDM系統中，主要包括貪婪算法、Fischer算法、Chow算法、Campello算法等經典的位加載算法，其他的各類優化算法都是在以上算法的基礎上衍生出來的，其中貪婪算法是最優算法，其復雜程度也相對較高，因此不適于在自適應調制技術中使用，而Chow等算法的復雜度就相對低很多。而對于具有多個用戶的OFDM系統而言，要充分考慮子載波的分配，而單用戶的算法又可以適用于每個用戶在各自子載波上的比特加載和功率分配。

4.4分集調制（diversity modulation）

分集模式主要是依據由多個天線產生的信號在傳播過程中會出現多徑瑞利衰落現象，而其衰落特性因空間位置的差異有所不同，因此天線接收信號間也有差異的原理設計的。信號發射端、接收端可以分別或同時采用分集模式。

4.5 位加擾（bit scrambling）

Bit Scrambling在傳輸中可以避免「0」/「1」的情況，從而減少傳輸和接收錯誤的出現，比特加擾不影響傳輸帶寬。用足夠數量的跳變替換可能產生恒定電平的比特序列是擾碼技術的原理，這能夠滿足同步的技術要求（高速高效）。

因此應用像是低成本卻有力的處理器，就可以用來執行需要每秒執行百萬指令（MIPS）的密集錯誤校正技術——例如采用位元雜湊（Bit-scrambling）以及插入法（Interleaving）來進行編碼的回旋編碼（Convolutional Coding）等，借此提供具有低于10–6傳送錯誤率。

4.6 循環前綴（cyclic prefix）插入

作為一種頻分復用系統（FDM），OFDM系統是由一組離散的子載波組成的頻帶來帶動的，子載波的主要功能是承載和傳輸數據。OFDM系統主要是通過插入保護間隔的方式來消除碼間干擾的，插入的循環前綴為OFDM符號的后面一部分，所以其具有的足夠的長度就能實現最大可能的延遲擴展。

5 前導碼（preambles）

所有由主設備、從設備或burst模式設備發送出的幀都具有特定個數的十六進制“FF”字符放在前面，被稱為先導字符。在某些物理層協議中發揮調制解調器電路的作用。位于定界符前的先導字符可能有多個，但協議規定只有位于兩個連續的先導符后的定界符才能夠標志著一個幀的開始。

6 檢測包

有三種類型的檢測包用來進行PHY層的校準和維護。檢測包的作用是檢測傳輸通道的性能，根據檢測的結果來選擇合適的調制方式，達到最佳的傳輸效率。同時，可以讀出檢測結果，從而快速確認傳輸通道的性能和狀態，為維護提供實際的檢修依據。

7 討論

從MoCA技術的物理層來看，與總局的NGB需求白皮書對照，基本滿足白皮書的要求。目前MoCA技術在我國廣電雙向化市場中也有了比較廣泛的應用，但在沒有大規模應用之前，價格成為市場推廣的攔路虎。

參考文獻：

[1]達新宇,等.通信原理教程[M].北京：北京郵電大學出版社,2005.