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MoCA 协议介绍

MoCA 协议介绍. 中数爱信网络科技 (Actioncable) 余少波 博士 caminopro@163.com syu@actioncable.com 13281151232 2008.6. 什么是 MOCA 技术 ?. 3. MAC 层. 4. 参数化 QoS. 5. 认证. 1. MoCA 技术概述. 目录. 2. 物理层. 1. 概述. 什么是 MOCA 技术 ?. 视频网络需求. 高性能 。 > 100Mbps . 内含的 BER/PER 。 不依赖重发 . 低的延迟 , 不依赖网络的负载 . 不需要重发视频帧 .

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MoCA 协议介绍

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Presentation Transcript

  1. MoCA协议介绍 中数爱信网络科技(Actioncable) 余少波 博士 caminopro@163.com syu@actioncable.com 13281151232 2008.6

  2. 什么是MOCA技术?

  3. 3. MAC 层 4. 参数化 QoS 5. 认证 1. MoCA 技术概述 目录 2. 物理层

  4. 1.概述 什么是MOCA技术?

  5. 视频网络需求 • 高性能。> 100Mbps . • 内含的 BER/PER。不依赖重发. • 低的延迟,不依赖网络的负载.不需要重发视频帧. • 与 Cable, DBS, Terrestrial, Telco等技术共存. • 在频率上支持将来的扩展 (>1Gbps)。

  6. 视频网络需求

  7. 视频网络需求

  8. 视频网络需求 • 研究表明用户的需求是: • 100ms 对用户来说可以接受. • 1 second = 延迟太大 • 10 seconds = 无法忍受. • Voice over IP 经验表明最大250ms 延迟 • 建议的延迟最大 50ms (平均20ms) • 最大峰值抖动 40ms

  9. MoCA 技术特点 • MAC 速度达到 175 Mb/s (MoCA v1.1) • 灵活的频率使用 – 50 MHz , 875 to 1525 MHz. 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。 • PHY 是 Bitloaded OFDM –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）。 • Probing 机制可以优化每个连接的性能.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。

  10. MoCA 技术特点 • 全协同和同步的网络 • 发送时间槽由 NC来控制,使用请求-允许机制 NC 自动选择 合适的 NC 通过高层应用来选择 (MoCA v1.1) • QoS 优先级的 QoS –对 video, voice 和 gaming进行不同的服务 参数化 QoS –对每个流进行带宽预留 (MoCA v1.1) • 有详细特性的管理接口 (在MoCA v1.1中进行了改进)。

  11. 2.物理层

  12. MoCA PHY 特性 • 物理层采用先进的自适应星座图多载波调制（ACMT Adaptive Constellation Multitone ）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 . • 频率范围 – 875to 1525 MHz • 动态范围 > 70 dB • 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。 • 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） (RS)就可以得到视频质量的BER（bit error rate） 。

  13. 子载波 在50MHz的的传输带宽上，每个ACMT符号由256个子载波组成。 ACMT符号也可以调制在ACMT载波的一个子集中。 按照调制简表来分配位到ACMT子载波中。 对于PHY数据包，使用分集模式映射。

  14. 自适应星座图多载波调制(ACMT) • 在网络的物理层，c.LINK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，c.LINK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。

  15. 物理层框图 • 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。

  16. 基带信号处理子系统(1) • 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。

  17. 基带信号处理子系统(2) • 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。

  18. 物理层的包

  19. 数据包 • 一个PHY数据包由一个PHY导引符（preamble）后接PHY负载组成。PHY导引符由时域部分和频域部分组成。 • 使用ACMT方式来传输MAC层的帧.

  20. 检测包 • 频域检测，检测负载在子载波映射和ACMT调制之前插入。时域检测，检测负载在ACMT调制之后插入。 • 使用ACMT方式或时域方式来传输物理层的负载数据,用来描述物理层的参数.

  21. 星座

  22. 星座

  23. 星座

  24. 星座

  25. 星座

  26. 自适应比特加载

  27. 自适应比特加载(1) • 自适应比特加载指的是根据每个载波的信息质量参数将每对发射器/接收器的调制参数进行匹配。对每个载波的信噪比进行测量并选择优化调制，以实现最大传输速率，同时将比特错误率(BER)保持在预期水平。这种方法能够将来自其他电路连接设备的干扰降到最低。 • 利用自适应技术，根据信道实际状态自适应比特装载和功率控制，可以进一步提高系统传输性能。即利用有限的信道状态信息实现自适应传输。周期性地，一个节点使用预先定义的训练序列检测另外一个节点。接收节点将使用接收到的检测信号来分析通道，从而得到合适优化发射模式。QAM调制方式的选择是根据OFDM子载波的信噪比进行的（也就是比特装载过程）。 • 一旦检测到噪音，发射器将进行自适应比特加载，以确保频带的优化使用。为了更好地估计信道，需要进行频繁信道估算：信道接收许多的突发性噪音。c.LINK技术通过在发射器和接收器之间交换训练数据(training data)进行频繁信道估算。信道估算为设备提供信息，告之哪部分信道噪音水平较高。一旦检测到噪音，发射器将进行自适应比特加载，以确保频带的优化使用。

  28. 自适应比特加载(2) • 对于单用户OFDM系统，经典的位加载算法有贪婪算法、Chow算法、Fischer算法、Campello算法，各类优化算法都基于以上几种算法之上，其中贪婪算法是最优的，但是复杂度很高，也不宜和自适应调制技术相结合，而chow等算法就在复杂度上进行了改进。对于多用户OFDM系统而言，就还需要考虑子载波的分配，对于每个用户在各自子载波上的比特加载和功率分配，又可以借鉴单用户的算法。

  29. 分集调制模式

  30. 分集调制模式 • 空间分集模式的主要原理是：多个天线分别产生不同信号。如果两个位置相隔十个无线信号波长以上，就可以认为两处的信号是完全不相关的。利用这个特点，可以实现信号空间分集接收。空间分集一般用两副相距十个波长以上的天线同时接收信号，然后在基带处理中把两路信号合并。根据两路信号的信号质量，合并的方法可分为选择合并、开关合并、等增益合并和最大比合并。 • 这里不是空间分集,是代码分集.分集模式下的包采用BPSK,每个物理层的负载位被冗余地分到7个子载波中来传输. • 下面的表就是将32位(bit0,……bit31)分配到各自的子载波的位置. 我们可以看到,其中的0被分配到256个子载波的7个子载波中来进行传输.这种方式,就保证了可靠性.就有点象是从多个信道上得到信号一样.

  31. 分集调制模式

  32. 位加扰（bit scrambling） • Bit Scrambling可以避免在传输中产生长「0」/「1」的情况,从而可以减少传输及接收错误,比特加扰不影响传输带宽。扰码技术的原理是将可能产生恒定电平的比特序列用足够多的跳变替换掉，以满足同步的要求（高速高效）。 • 因此应用像是低成本却有力的处理器,就可以用来执行需要每秒执行百万指令(MIPS)的密集错误校正技术--例如采用位元杂凑(Bit-scrambling)以及插入法(Interleaving)来进行编码的回旋编码(Convolutional Coding)等,藉此提供具有低於10–6传送错误率 。

  33. 关键的ADMT参数

  34. 循环前缀（cyclic prefix）插入 OFDM本质上是一种频分复用系统（FDM），系统可用的频带被分为一组离散的子载波，需要传输的数据在这些子载波上并行传输。但是，与FDM不同的是，在OFDM中，相邻的子载波相互正交，所以，载波之间无需保护带，其频谱利用率要高于FDM系统。在OFDM系统中，通过插入保护间隔（循环前缀CP）来消除码间干扰的影响，插入的循环前缀为OFDM符号的后面一部分，而且必须足够长以消除最大的可能延迟扩展。OFDM系统在发送端和接收端分别采用IFFT和FFT，由于在每个子载波上，信道为平坦衰落信道，所以，信道均衡简化为对每个子载波乘以相应的系数即可。随着数据率的增加或者时延扩展的增加，循环前缀须相应增加，以保证其大于信道的冲击响应。所以，为了保持由CP造成的开销固定不变，子信道的数目必须同比增加，结果FFT的计算复杂度也增加了，OFDM系统的另一个优点是抵御窄带干扰，由于OFDM由多个子载波组成，所以，窄带干扰仅对某个子载波有影响(信号的某个频率分量)，而对大多数载波（频率分量）没有影响，所以，通过子载波之间的编码处理，很容易恢复受影响的数据。

  35. 简表（profile） PHY简表包含的是PHY层的基本信息。主要内容包括如下： 带宽。 工作模式。 FFT长度。 BER。 各种调制模式（BPSK、QPSK等）和接收电平。

  36. 前导码（preambles） 所有从主设备、从设备或burst模式设备发送的帧都有特定个数的十六进制“FF”字符放在前面，这些字符被称为一个帧的先导字符。某些物理层协议需要它们去作用调制解调器的电路。定界符前的先导字符可能有多个，但协议规定只有两个连续的先导符后的定界符才标志着一个帧的开始。

  37. 检测包（probe）

  38. 检测包类型（probe） 有三种类型的检测包用来进行PHY层的校准和维护

  39. 调制简表检测包

  40. 频域检测包

  41. 回声简表检测包

  42. PHY: 多路径环境与控制

  43. 例–两个分支器情况 • 第一个分支器的隔离和第二个分支器的返回构成了第一级的反射. • 回波产生了次级的第二级的反射. • 分支器的特性和连线的长度产生了一个多路的环境. • 分支器的反射产生了一个多露的环境. • 通道的特性类似于无线的环境,但有更长的传输延迟.

  44. 同轴电缆网络特性 • 分支器的反射造成了多径. • 通道的特性类似于无线的环境,但有更长的传输延迟 • 300 ft 延迟大约是 0.4 μsec • MoCA 支持延迟是 0.8μsec • 反射和隔离造成了非常不规则的频率响应.

  45. 注意随机的回波环境 • 由于分支器的随机特性, 回波可能小于,等于,或大于主要信道.

  46. 通道特性

  47. 通道特性

  48. 通道特性

  49. 通道特性

  50. 多路径控制 • 自适应星座多音调制(Adaptive Constellation Multitone) • 预均衡 / 位装灾的 OFDM 优化了对通道响应的调制. • 在每个子载波上发送 QAM 星座,可以支持 1e-9 BER 简单的 FEC(RS) • 每个通道上的双向的检测包来计算通道响应的变化. • 基于通道简表( channel profile) –最优化的先导字符(preamble)和循环前缀(cyclic prefix)改善多载波特性.

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