MOCA技术的物理层分析

MoCA技术的物理层分析

代刚xgdaigang@

概述

MoCA网络有一组网络节点组成，互相之间可以进行广播或点对点通信。与传统的同轴电缆数据传输系统不一样，比如DOCSIS，典型的点对点之间的通道响应变化非常大。因此，为了保证通信的性能，物理层和MAC层都要有自适应各种链路并进行周期性的调整。另外，由于视频通信对包错率（PER），延迟等非常敏感，就要求网络能够支持高的QOS的能力。

•MoCA频道带宽为50MHZ，分为256个子载波。数据由大量的窄带调制的载波来携带，因此，子通道的频率响应是非常平的。

•采用预均衡（Pre-Equlization）和多音调制(multi-tone modulation)，预均衡可以用于补偿发射机中的线性和非线性失真,以获得优化发射信号质量。这样一来，使用简单的FEC（forward error correction）就可以得到视频质量的BER（bit error rate）。

•在每对节点之间创建调制简表（modulation profile）的过程称为调制简表化（modulation profiling）。调制简表在特定的时间特别适合对应的节点对。MOCA设备不断地更新调制简表，使其最适合特定的情况。

•对于控制包，使用分集模式（diversity mode）。

•动态发射功率控制（dynamic transmitter power control）用来优化发射功率。

•物理层采用先进的自适应星座图多载波调制（ACMT）方式，即正交频分调制（OFDM），子载波上的调制制式在BPSK、QPSK、16-256 QAM自动选择，而且子载波频率以25MHz步长捷变，故抗干扰能力极强。

MoCA网络的基础是下面的关键特性：

1．使用多载波，每个载波上的通信由时分多址（TDMA）按照时分双工（TDD）的方式来完成。

2．完全的网格互连。

3．网络许可和通信完全有网络协同器（NC）来协同。NC是可变的（也就是说，网络是自愈性的，当一个NC与网络的连接断开时，其它的节点就承担NC的职责）。

NC不仅要管理媒介的访问，还要完成许可功能，就是节点许可功能和链路维护功能。网络上的其它节点配置成客户，通过NC分配的时间槽与其它的节点进行通信。进一步，NC通过通信协议的一组算法来进一步优化系统参数（比如循环前缀长度）。在运行这些算法的时候，链路层消息（比如，许可请求，保留请求和通道带宽分配消息，MAP）使用特别的包来进行交换。某些算法需要节点周期性地发送特殊的检测消息来收集通道上的信息，用来辅助系统进行优化。这些算法在下一节中详细讨论。

物理层主要由RF子系统和基带数字信号处理（DSP）子系统组成。由于实际使用CA TV环境的特性是不确定的，一种对信道、频率和信号强度的估计和补偿算法（estimation and compensation algorithm）是DSP的主要部分，用来减轻网络的各种多径环境，从而可以在高阶QAM调制的情况下提高解调的准确性。

自适应星座图多载波调制(ACMT)

在网络的物理层，MoCA使用前向纠错（forward error correction FEC）算法和适应同轴电缆的先进的调制技术。这一技术是基于OFDM（orthogonal frequency division multiplexing）的，但是，按照使每个通道的吞吐能力最大化为原则来动态地调整每个OFDM子载波的符号率。这种调制方式，称为自适应星座图多载波调制(adaptive constellation multi-tone ACMT)。

为了适应视频传输的高可靠性、低延迟的要求，MoCA使用了全协同无碰撞的MAC （media access control）协议。MAC协议采用TDD（time division duplexing），媒介访问方式来分配发送时间槽给每个节点。使用这种方式，网络的延迟是确定的并且由网络协同控制器（NC）来控制。

由于MoCA 仅仅定义了PHY 和MAC 层，因此可以应用于各种不同的产品，比如STB、路由器、PC等。

物理层

物理层由低噪声RF子系统和基带信号处理子系统组成。

图1 MoCA物理层

RF子系统

RF子系统采用直接正交转换（zero IF）来完成收/发功能。在发送通道上，一个可变功率放大器用来精确控制发送功率。在接收通道上，一个具有可变增益的低噪声放大器，用来提供高线性宽带ZERO IF的解决方案。本地振荡器由一个可编程PLL的晶体组成，频率范围为850MHz~1600MHz。

频谱屏蔽

规范的是中心频率和频谱遮罩(spectral mask). 802.11b 的频谱遮罩需求为：在中心频±11 MHz处，率衰减至少30 dB,±22 MHz 处要衰减50dB.

由于频谱遮罩只规定到±22 MHz处的能量限制, 通常认定使用带宽不会超过这个范围. 实际上, 当发射端距离接收端非常近时，接收端接受到的有效能量频谱，有可能会超过22MHz的区域. 所以,一般认定channels 1, 6, 和11 互不重叠的说法.应该要修正为: channels 1, 6, 和11, 三个频段互相之间的影响比使用其他频段来得小。然而, 要注意的是, 一个使用

channel 1的高功率发射端，可以轻易的干扰到一个使用channel 6的，比较弱的发射站。在实验室的测试中发现,当使用channel 11来传递档案时，一个使用channel 1的发射台也在通讯时，会影响到channel 11的档案传输，让传输速率稍稍降低。所以，即使是频段相差最远的channel 1和11，也是会互相干扰的。

虽然channels 1, 6, 和11 互不重叠的说法是不正确的, 但是这个说法至少可以用来说明: 频道距离在1, 6, 11 之间必定会对彼此造成干扰，而大大的影响到通讯的传输速率。

子载波

1．在50MHz的的传输带宽上，每个ACMT符号由256个子载波组成。

2．ACMT符号也可以调制在ACMT载波的一个子集中。

3．按照调制简表来分配位到ACMT子载波中。

4．对于PHY数据包，使用分集模式映射。

基带信号处理子系统

MoCA PHY层是基于TDMA/TDD，突发OFDM调制方式的，也称为自适应星座多音（adaptive constellation multi-tone ACMT）。OFDM信号由一些正交的载波构成，每个载波上均进行数字调制，与相同数据速率的单载波技术相比，OFDM信号具有更长的符号周期，所以，该技术具有很强的抗多径衰落的性能。此外，在载波上应用的调制方式是BPSK、QPSK、16QAM和64QAM，各种调制根据传输速率的要求自适应切换。每个发射突发（一个包）由一个前缀，增益的训练信息、频率和通道估计、OFDM调制符号的负载组成。PHY的性能依赖于高阶QAM调制达到的最大吞吐能力为250MBPS，采用RS编码来完成FEC，使包错率小于10-6。

每个OFDM符号有由一组使用8种QAM方式之一进行调制的子载波组成，8种QAM调制模式是BPSK、QPSK、8QAM、16QAM、32QAM、64QAM、128QAM和256QAM。QAM 调制方式的选择是根据OFDM子载波的信噪比进行的（也就是后面要说明的位装载过程）。每个OFDM子载波带宽大约是192KHz，因此，可以在CATV网络中进行diverse和dispersive 通道条件的精细调整。

调制速率通过选择OFDM子载波和变化每个子载波上的位装载来调整。对每个OFDM子载波，QAM星座的符号可以从1到8位变化（从BPSK到256QAM变化）。使用通道检测和管理来确定通道的条件，不同类型的先导符的选择可以进一步优化系统的MAC层的开销。

在接收端，有三种控制循环，也就是AGC、时间跟踪和频率跟踪，用来进行信号恢复。AGC 使用快速算法快速调整RF子系统到合适的增益。所有的这些循环都设计成很宽的动态范围和频率偏移。

物理包的类型