MoCA技术的物理层分析

吕建远 戚建妙

（作者单位：浙江省永嘉县广播电视台瓯北广播电视站）

MoCA技术的物理层分析

吕建远 戚建妙

（作者单位：浙江省永嘉县广播电视台瓯北广播电视站）

摘 要：在广电的双向化改造中，MoCA技术已经越来越被运营商所认知。本文对MoCA技术的物理层做了简要的介绍和分析。关键词：MoCA；同轴电缆；双向化改造

1 概述

MoCA网络由一组网络节点组成，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，其他的节点就承担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。网络上的其他节点配置成客户，通过NC分配的时间槽与其他的节点进行通信。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。

2 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。高可靠性和低延迟性是视频在传播过程中的要求，为了满足这一要求，全协同无碰撞的MAC协议被应用在了MoCA中。MAC协议采用TDD，即将发送时间分配给每个节点的媒介访问方式。这种方式的使用使网络的时间延迟具有了一定的确定性并且这种时间延迟由网络协同控制器（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。

3 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，如图1。

图1　MoCA物理层

3.1 RF子系统

直接正交转换（zero IF）的方式能够帮助RF子系统顺利地完成收/发功能。可变功率的放大器应用在发送通道上可以对发送功率进行准确的控制；而在接收通道上，高线性宽带ZERO IF的解决方案要通过具有可变增益效果的低噪声放大器来提供。本地振荡器是由一个可编程的PLL的晶体组成的，它的频率范围为850～1600 MHz。

3.2 频谱屏蔽

频谱遮罩的能量限制一般只规定到±22 MHz处，所以通常我们认定使用带宽会在这个范围内。但实际上，当发射端与接收端之间的距离非常近时，接收端接收到的有效能量频谱有可能会超过规定的22 MHz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。

3.3 子载波

（1）50 MHz的传输带宽中的每个ACMT符号包含256个子载波；（2）ACMT符号也可以在ACMT载波的一个子集中进行调制；（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。

3.4 基带信号处理子系统

PHY层，又名为自适应星座多音，是在TDMA/TDD的基础上使用突发的OFDM调制方式。OFDM信号的每个载波都可以进行数字调制，这项技术具有相对较强的抗多径衰落的性能。除此之外，BPSK、QPSK、16QAM和64QAM等调制方式都可以应用在载波上，为了符合

传输速率的差异，各调制之间还可以进行自适应切换。OFDM的符号是由一组子载波组成，这种子载波是使用QAM方式进行调制的。使用通道检测和管理的方法可以对通道的具体使用条件进行确定，对不同类型的先导符进行筛选可以对MAC层的开销实现更大程度上的系统优化。

在接收端用来实现信号恢复的方式包括AGC、时间跟踪和频率跟踪。AGC方法对RF子系统进行快速调整以便于找到合适的增益的过程主要是通过使用快速算法实现的。因此所有的循环设计都具有很宽的动态范围和频率偏移。

4 物理包的类型

4.1 数据包（图2所示）

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。

图2　数据包

4.2 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。

4.3 自适应比特加载

根据每个载波的信息质量参数来匹配每对发射器/接收器的调制参数的过程称为自适应比特加载。最大传输功率的实现，可以通过对各载波的信噪比进行实施的测量并在此基础上选择优化调制的方法，这种方式可以将BER控制在合理的范围内，并可以阻断来自其他电路设备的干扰。

为了确保频带的优化使用，发射器的自适应比特加载的启动条件就是有噪音被检测出。由于信道可以接收许多突发性噪音，因此信道的频繁估算对信道的估计有很大的意义。MOCA技术进行频繁的信道估算是基于发射器和接收器之间交换训练数据（training data）进行的。信道估算为设备提供信息，提示出噪音水平较高的信道。

在单用户OFDM系统中，主要包括贪婪算法、Fischer算法、Chow算法、Campello算法等经典的位加载算法，其他的各类优化算法都是在以上算法的基础上衍生出来的，其中贪婪算法是最优算法，其复杂程度也相对较高，因此不适于在自适应调制技术中使用，而Chow等算法的复杂度就相对低很多。而对于具有多个用户的OFDM系统而言，要充分考虑子载波的分配，而单用户的算法又可以适用于每个用户在各自子载波上的比特加载和功率分配。

4.4分集调制（diversity modulation）

分集模式主要是依据由多个天线产生的信号在传播过程中会出现多径瑞利衰落现象，而其衰落特性因空间位置的差异有所不同，因此天线接收信号间也有差异的原理设计的。信号发射端、接收端可以分别或同时采用分集模式。

4.5 位加扰（bit scrambling）

Bit Scrambling在传输中可以避免「0」/「1」的情况，从而减少传输和接收错误的出现，比特加扰不影响传输带宽。用足够数量的跳变替换可能产生恒定电平的比特序列是扰码技术的原理，这能够满足同步的技术要求（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，借此提供具有低于10–6传送错误率。

4.6 循环前缀（cyclic prefix）插入

作为一种频分复用系统（FDM），OFDM系统是由一组离散的子载波组成的频带来带动的，子载波的主要功能是承载和传输数据。OFDM系统主要是通过插入保护间隔的方式来消除码间干扰的，插入的循环前缀为OFDM符号的后面一部分，所以其具有的足够的长度就能实现最大可能的延迟扩展。

5 前导码（preambles）

所有由主设备、从设备或burst模式设备发送出的帧都具有特定个数的十六进制“FF”字符放在前面，被称为先导字符。在某些物理层协议中发挥调制解调器电路的作用。位于定界符前的先导字符可能有多个，但协议规定只有位于两个连续的先导符后的定界符才能够标志着一个帧的开始。

6 检测包

有三种类型的检测包用来进行PHY层的校准和维护。检测包的作用是检测传输通道的性能，根据检测的结果来选择合适的调制方式，达到最佳的传输效率。同时，可以读出检测结果，从而快速确认传输通道的性能和状态，为维护提供实际的检修依据。

7 讨论

从MoCA技术的物理层来看，与总局的NGB需求白皮书对照，基本满足白皮书的要求。目前MoCA技术在我国广电双向化市场中也有了比较广泛的应用，但在没有大规模应用之前，价格成为市场推广的拦路虎。

参考文献：

[1]达新宇,等.通信原理教程[M].北京：北京邮电大学出版社,2005.