A-TDMA与S-CDMA在HFC网络中抗噪性能的探讨.doc

A-TDMA与S-CDMA在HFC网络中抗噪性能的探讨凌俏峰广州市广播电视网络有限公司摘要由于HFC网络在电缆传输部分成树形的网络结构，使得其上行通道的噪声干扰在传输中不断地积累和放大，本文将讨论在DCOSIS 2.0标准规范中A-TDMA（高级时分多址）和S-CDMA（同步码分多址）在HFC网络的上行通道中，抵抗噪声性能方面的特性，并通过实验测试，进一步探讨两者在抗噪声方面的优缺点。1.引言在HFC网络的电缆部分，由于采用树状的拓扑结构，回传信号共同使用上行带宽，导致了用户端和电缆设备引入的噪声在上行系统中产生了严重的汇聚。由于上行通道的信号都集中在565MHz频段之内，而日用电器、交通工具、短波电台，对这个频段会产生很大程度上的干扰，这致使上行通道噪声严重、信噪比(S/N)大幅度下降、数据误码率增高。由于在上行数据通道充满侵入噪声、窄带干扰、宽带高斯噪声、失调和非线性损伤，使高速数据的传输困难，随着双向用户数量的不断增加，汇聚噪声的干扰还会日趋严重，于是，上行通信需要一些有效的技术。在HFC宽带接入系统中，多址接入在抗噪声上是一项核心技术。DCOSIS 2.0标准规范中的两种多址接入技术A-TDMA和S-CDMA，在上行通道里抵抗不同的噪声干扰中上演着重要的角色。2.A-TDMA的抗噪声性能时分多址（TDMA)是一种比较成熟的多址技术，得到了广泛的应用。时分多址是通过给不同的用户分配不同的时隙来实现多址接入的，如果某个时隙被某个用户占用了，这个时隙就不能为其他用户所使用，在抗击噪声方面，容错性能方面比较弱。相比TDMA，A-TDMA在减弱上行噪声方面做了改进：首先，Reed-Solomon FEC（前向纠错）得到了扩展，从每区块10字节增加到16字节，使用了增强的RS编码，当噪声在信道造成有太多的误码时，以前的解决方法是跳频，暂时不用这个频段，把信号移到另一个噪声较干净的频段，但RS编码方式使系统仍能使用这个频段，只需动态地调节该信道的纠错能力，尽管为纠错而增加的少量额外字节会使信道的有用信息率降低，但能保证上行频谱有更高的利用率，这样就能够纠正更多的错误，提高了系统抵抗信道噪声的性能。其次，在TDMA规范中引入了一个交织器，目的是阻止突发噪声引起的符号错误的扩散，该交织器是一个区块交织器，其长度等于RS区块的长度，宽度是可以编辑的，这是A-TDMA专为消除外部入侵噪声的利器。然后，增强的前置均衡技术，提高上行信道的效率，最大化该信道内的网络传输率，A-TDMA将时域均衡分接头数量从原来8个增加到24个，均衡能力的增加减少了频道内部的非线性和多径干扰；再者，A-TDMA可以对来自多个代码字的字节进行交错存储，因而能够提高对稳定脉冲噪声的免疫能力。还有针对更多的设置调整调制模式的能力，针对更多设置调整符号率的能，和调整到更长、功率更大的前导码的能力。以上A-TDMA所采取的措施都是为了提高系统的抗干扰能力。3.S-CDMA的抗噪声性能S-CDMA采用的是直接序列扩频，就是用具有高码率的扩频序列在发端扩展信号的频谱，而在接收端用相同的扩频码序列进行解扩，把展开的扩频信号还原成原来的信号。S-CDMA通过测距和均衡两个过程使频谱扩展码正交，减少用户间的相互干扰，并提高信息容量。扩频信号之所以具有极强的抗干扰能力，是因为在接收时要用同样序列的本地扩频码进行相关接收，本地扩频码与扩频信号同步后并相乘，相关后的值为1， 才能恢复原来的数据信号。而其他非扩频的干扰信号相关后，实际上是被本地扩频码相乘，变成扩频，把干扰功率分散到很宽的频谱上，即使扩频码序列和所要接收 的信号相同，如果本地码序列不和它同步，而是相差一个码片以上的时间，相关后的值为极小，就不能被接收。只有本地扩频码与主信号同步时才能被接收，而其他 路径来的迟延一个码片以上时间的信号就不会被接收，接收机用窄带滤波器滤出所需的数据，而干扰的绝大部分功率被排除在外。落在带内的只有极小的干扰信号， 其功率已不能对信号进行干扰。S-CDMA所采取的措施也是为了提高系统的抗干扰能力。4.HFC网络回传通道噪声的分类与来源在HFC网络回传通道中中会出现这样和那样的噪声干扰，它们都是影响优质信号传输的最根本原因，噪声的分类分为内部噪声和外部噪声两大类。内 部噪声，我们也称为结构噪声，主要包括白底噪声、系统链路噪声。白底噪声是由网络上有源器件诸如放大器、光接收发射机等产生的，上行通道建立后设备噪声即 随之确定且大小较固定，它属于稳态噪声一般只受温度变化的影响；系统链路噪声产生于网络内部，是由于网络所使用的元器件性能不佳造成的，主要有电弧噪声、 公共路径失真等，电弧噪声是网络供电设备内部的电弧放电带来的，主要是线路连接不好、机械故障等造成的；公共路径失真是由于有线电视线路上机械触点氧化产 生电势差类似形成了一个微型二极管，下行信号经过这些触点时由于二极管的非线性将导致下行信号间相互混频，混频中的差拍产物有一部分落入上行通道中而产生 干扰上行通道的损害。外 部噪声，我们称为侵入噪声，主要包括脉冲干扰噪声，辐射噪声。侵入噪声是由于分支器件屏蔽不良或接头松脱、不用的用户端口连接其他设备或无匹配终端负载， 网络线路匹配不好等原因造成外界各种干扰侵入上行通道形成噪声。脉冲干扰噪声一般持续时间较很短，如家用电器切换的火花，马达，电锯，汽车的点火装置等， 或有电线上不正常的开关装置等产生的电磁能量。这些干扰都可能发生在低于5MHz的次低频段，但它们的谐波将延伸到反向通道的频率范围，由于这些干扰对系统的影响是随机的，一旦脉冲的电平很高，导致网络上有源器件诸如放大器、光接收发射机的削波，影响将会很大。辐射噪声干扰有短波电台，业余无线电台，出租车的双向通信等频率在530MHz内的单频连续波的干扰。5. A-TDMA与S-CDMA在实验环境中抗噪声性能的比较为进一步探讨A-TDMA与S-CDMA在HFC网络中的抗噪性能，我们在实验室环境下，搭建了模拟HFC网络的连接图（如图一）在设备上,CMTS我们选择通过了DCOSIS 2.0标准认证的Arris Cadant C3，Cable Modem 选择Motorola的SB5100E，在模拟的HFC网络中，我们人为地在上行通道中分别加入两种典型的噪声，即脉冲干扰噪声（如图二）和白底噪声（如图三），分别在A-TDMA和S-CDMA，以及在不同的调制方式下（128QAM、64QAM、32QAM、QPSK调制方式下测试），通过不断增加脉冲干扰噪声或白底噪声进入头端CMTS系统的噪声的功率，直到Cable Modem断线，通过多次测量，得出噪声进入头端CMTS系统的噪声功率的最大临界值，和一些重要的参量。通过比较，分析A-TDMA和S-CDMA在HFC网络中抗噪声性能的强弱，以及在实际网络应用中应该注意的一些问题。（图一）（图二）（图三）在测试中，我们主要参考以下五个参量：1、上载时间（从CM端的客户PC向FTP服务器上传一个固定大小的文件所需要的时间）；2、信道利用率；3、信道的SNR值；4、调制方式；5、噪声功率最大临界值。其中，文件大小固定为67M，CMTS下行频率是699M，上行频率是36M，脉冲干扰的频率也是36M,以下测量数据的结果为实际测量的三次平均值。S-CDMA模式在受到脉冲噪声干扰的情况下，测试结果如表一：调制方式进入头端的噪声功率（dbuv）上传时间（s）信道利用率（）上行SNR（db）128QAM无01092429.9最大临界值81CM断线024.964QAM无01172329.9最大临界值84CM断线020.832QAM无01292129.8最大临界值85CM断线020.4QPSK无03801829最大临界值87CM断线018.9（表一）A-TDMA模式在受到脉冲噪声干扰的情况下，测试结果如表二：调制方式进入头端的噪声功率（dbuv）上传时间（s）信道利用率（）上行SNR（db）128QAM无0622733.7最大临界值95CM断线027.764QAM无0872636.2最大临界值99CM断线027.132QAM无01142437最大临界值102CM断线023QPSK无03402036.7最大临界值111CM断线014.9(表二)S-CDMA模式在受到白底噪声干扰的情况下，测试结果如表三：调制方式进入头端的噪声功率（dbuv）上传时间（s）信道利用率（）上行SNR（db）128QAM无01092429.9最大临界值63CM断线017.864QAM无01172329.9最大临界值73CM断线017.632QAM无01292129.8最大临界值76CM断线015.2QPSK无03801829最大临界值84CM断线013.7(表三)TDMA模式在受到白底噪声干扰的情况下，测试结果如表四：调制方式进入头端的噪声功率（dbuv）上传时间（s）信道利用率（）上行SNR（db）128QAM无0622729.9最大临界值60CM断线022.464QAM无0872629.9最大临界值69CM断线021.532QAM无01142429.8最大临界值69CM断线018.9QPSK无03402029最大临界值79CM断线017.2(表四)经过以上的测试，在受到脉冲噪声干扰的情况下，我们可以比较表一和表二的数据，在A-TDMA模式下，脉冲噪声进入头端CMTS系统的噪声功率的最大临界值明显比在S-CDMA模式下高出15db左右的优势；从上行通道的SNR门限值来看，A-TDMA比S-CDMA也有35db的优势。在受到白底噪声干扰的情况下，我们可以比较表三和表四的数据，在S-CDMA模式下，白底噪声进入头端CMTS系统的噪声功率的最大临界值比在A-TDMA模式下高出37db左右的优势；从上行通道的SNR门限值来看， S-CDMA比A-TDMA也有34db的优势。在没有受到噪声干扰的情况下，从上传文件的时间参量来看，A-TDMA在相同的调制方式下，上传的时间要比S-CDMA快，SNR也较高。这次测试可以看出，A-TDMA在抵抗脉冲噪声干扰方面有突出的优势，而S-CDMA在抵抗白底噪声方面也表现不俗。A-TDMA与S-C