如何正确测试和评估同轴双向接入新技术连载2.docx

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如何正确测试和评估同轴双向接入新技术连载2

如何正确测试和评估同轴双向接入新技术

（连载之二）

刘旭明上海傲蓝通信技术有限公司

2008年8月

上次我们从网络协议性能、网络稳定和抗干扰性能等方面，讨论了基带EoC和各个调制EoC产品的特点，下面我们从MAC层、PHY层协议等其它各个方面开始继续讨论他们各自的特点。

四、从MAC层协议方面看

媒体访问控制（MAC）作为网络的关键技术之一，完全决定局域网的网络性能（诸如吞吐性能与迟延性能）等等。

OSI将网络通信协议体系区分为7个层，体系的最底层称为物理层，网络所采用的不同的传输介质，对应不同的物理层，如双绞线或同轴线。

体系内第二层为数据链路层（DatalinkSub-layer），数据链路层的上半部为LLC（LogicalLinkControlSub-layer）逻辑链路控制子层，负责将数据正确的发送到物理层，在数据链路层的下半部为MAC（MediaAccessControl）子层，负责控制与连接物理层的物理介质。

当发送数据时，MAC层要完成以下任务：

首先它按规则从LLC层接收数据，然后执行媒体访问规程，查看网络是否可以发送；一旦网络可以发送，它将给数据附加上一些控制信息，把数据及控制信息以规定的格式（一般称做帧）送往物理层。

当接收数据时，MAC层要完成以下任务：

首先它从物理层接收到数据帧并检查数据帧中的控制信息，从而判断是否发生传输错误。

如数据正确，则去掉控制信息后把其送至LLC层。

MAC层发送和接收数据流程如下图所示：

图3（a）MAC发送数据流程图3（b）MAC接收数据流程

而无线局域网（WLAN）由于其传输介质以及移动性等特点，采用与有线局域网有所区别的MAC协议。

4.1、IEEE802.3标准的MAC协议

在网络标准内，各种传输介质的物理层对应到相对的MAC层，例如以同轴线为传输介质时，对应的MAC层标准为802.14，各个计算机连接成环状时，对应MAC标准为802.5。

目前，最普及的网络标准称为以太网，其在MAC层定义为802.3。

802.3的MAC层定义对传输介质的访问控制方式为CSMA/CD。

各种不同传输介质的物理层对应的不同的MAC层，如图3所示：

图4不同传输介质的物理层对应的MAC层

4.1.1、CSMA/CD媒体访问控制协议

由于以太网（Ethernet）成为现存局域网络结构的绝大多形式，CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection）载波监测多址接入协议也成为局域网采用最多的MAC协议。

CSMA/CD适宜于总线型局域网拓朴结构的随机竞争型媒体访问控制。

总线型网络允许同一时刻只有一个节点（Node）发送数据，一旦两个或以上节点同时发送数据，则会发生数据碰撞，数据不能正常发送和接收。

CSMA/CD协议就是尽可能保证网络上同时只有一个节点发送数据，减小数据“碰撞”概率。

CSMA/CD工作过程：

当MAC收到LLC（LogicalLinkControlSub-Layer）发来的数据以后，首先监测网络电缆上是否具有数据，即载波传送。

如果网络空闲，即没有载波传送，刚将数据装帧，经物理层发送出去。

如果网络繁忙，则监测网络直到网络空闲，再将数据装帧发送。

4.1.2、IEEE802.3MAC帧格式

MAC层在发送数据时将数据装帧交物理层发送，图4绘出了IEEE802.3MAC帧格式。

PreambleSFDDestSourceLengthDataFCS

62b

2b

6B

6B

2B

46B~1500B

4B

图5IEEE802.3帧结构

Preamble：

前导序列。

由62比特交替出现的“0”和“1”序列组成。

设置目的：

接收端物理层同步位时钟。

SFD：

起始域。

“11”表示有用数据开始。

Dest：

目的地址域。

由6字节组成。

表目的节点地址。

Source：

源地址域。

由6字节组成。

表源节点地址。

Length：

长度域。

由2字节组成。

表数据域长度。

Data：

数据域。

46字节~1500字节之间。

FCS：

校验域。

4字节组成。

4.1.3、CSMA/CD为基础的MAC发展

随着10BASE-T和10BASE-FL，到现在全双工的1000BASE-T等技术的出现，IEEE802.3标准局域网拓扑结构已经开始由总线型结构向点到点的星型结构发展，CSMA/CD为基础的MAC子层也以适应双工工作模式局域网的发展。

4.2、无线局域网（WLAN）的MAC协议

无线局域网（WLAN）中MAC所对应的标准为IEEE802.11，IEEE802.11MAC综合了两种工作方式：

分布控制（DCF）和中心控制（PCF）两种工作方式：

1.分布控制方式（DCF），类似CDMA/CD，利用载波监听机制，适用于分布式网络，传输具有突发性和随机性的普通分组数据，支持无竞争型实时业务及竞争型非实时业务。

2.中心控制方式（PCF），建立在DCF工作方式之上并且仅支持竞争型非实时业务，适用于具备中央控制器的网络。

4.2.1、分布控制方式（DCF）

DCF机制是MAC层中最基本的媒体接入控制机制。

DCF机制基于CSMA/CA（CSMA/CollisionAvoidance载波监听多址接入/碰撞避免），并以RTS/CTS消息交换机制作为辅助的介质访问方式

4.2.2、CSMA/CA协议

CSMA作为随机竞争类MAC协议，算法简单而且性能丰富，所以在实际局域网的使用中得到了广泛的应用。

但是在无线局域网中，由于无线传输媒体固有的特性及移动性的影响，无线局域网的MAC在差错控制、解决隐藏终端等方面存在应有别于有线局域网。

因此WLAN与有线局域网所采用的CSMA具备一定的差异。

WLAN采用CSMA/CA（CSMA/CollisionAvoidance）协议，其与CSMA/CD最大的不同点在于其采取避免冲突工作方式。

与CSMA/CD不同，WLAN媒体访问控制（MAC）层采用的CSMA/CA（CSMA/CollisionAvoidance）协议，由于在RF传输网络中冲突检测比较困难，所以该协议用避免冲突检测代替802.3协议使用的冲突检测，采用冲突避免机制尽量减小冲突碰撞发生的概率，以提高网络吞吐性能与迟延性能。

协议使用信道空闲评估（CCA）算法来决定信道是否空闲，通过测试天线能量和决定接收信号强度RSSI来完成，并且使用RTS、CTS和ACK帧减少冲突。

数据加密与普通局域网的等同加密（WEP）算法一样，使用64位密钥和RC4加密算法。

4.2.3、CSMA/CA工作过程：

如图所示：

图6带RTS/CTS的DCF机制工作过程

当发射端希望发送数据时，首先检测介质是否空闲，若是介质为空闲时，送出RTS（RequestToSend请求发送），RTS信号包括发射端的地址、接收端的地址、下一笔数据将持续发送的时间等信息，接收端收到RTS信号后，将响应短信号CTS（ClearToSend），CTS信号上也RTS内记录的持续发送的时间，当发射端收到CTS包后，随即开始发送数据包，如图5所示，接收端收到数据包后，将以包内的CRC（CyclicRedundancyCheck，循环冗余校验）的数值来检验包数据是否正确，若是检验结果正确时，接收端将响应ACK包，告知发射端数据已经被成功地接收。

当发射端没有收到接收端的ACK包时，将认为包在传输过程中丢失，而一直重新发送包。

4.2.4、CSMA/CA与CSMA/CD的区别

1、载波检测方式：

因传输介质不同，CSMA/CD与CSMA/CA的检测方式也不同。

CSMA/CD通过电缆中电压的变化来检测，当数据发生碰撞时，电缆中的电压就会随着发生变化；而CSMA/CA采用能量检测（ED）、载波检测（CS）和能量载波混合检测三种检测信道空闲的方式。

2、信道利用率比较：

CSMA/CA协议信道利用率低于CSMA/CD协议信道利用率。

但是由于无线传输的特性，在无线局域网不能采用有线局域网的CSMA/CD协议。

信道利用率受传输距离和空旷程度的影响，当距离远或者有障碍物影响时会存在隐藏终端问题，降低信道利用率。

具体最高的信道利用率与传输速率有关。

在IEEE802.11b无线局域网中，在1Mbit/s速率时最高信道利用率可到90％，而在11Mbit/s时最高信道利用率只有65％左右。

4.3、HomePNAMAC层协议

HomePNA2.0的MAC层协议为CSMA/CA，为提供QoS服务，它采取八种不同优先等级（0~7，7代表最高优先等级）的帧传送方式，由测量帧确认否有碰撞发生。

一个正常帧传送时间须介于92.5us~3122us之间，因此，当传送数据的工作站侦测到网络上发生碰撞时，必须在70us内停止传送数据。

换言之，当帧传送时间小于92.5us或大于3122us，就表示网络上有碰撞发生。

若网络上发生碰撞，则每部工作站（含先前未传送数据的工作站）必须执行分布公平优先级排队DFPQ（DistributedFairPriorityQueuing）算法，以便决定由那一部工作站取得传输媒体的使用权。

图7HomePNA的MAC工作过程

当网络中HomePNA设备节点增加时，碰撞的几率大大增加，数据传输的速率也大大降低。

在试验中发现，以一条电话线或同轴线上连接6台以上的电脑时，电脑之间复制文件的速度会变得较慢，因此HomePNA比较适合节点数较少的家庭联网场合，如果用于点到多点的、数据流量要求较高的接入时，难免有点力不从心！

HomePNAVer3+版本对此有改善，但是此现象仍然存在。

4.4、HomePLUGAV的MAC层

HomePLUGAV设计了十分高效的MAC层，支持基于工频周期同步机制的TDMA和CSMA/CA。

TDMA面向连接，提供QoS保障，确保带宽预留、高可靠性和严格的时延抖动控制。

CSMA/CA面向优先级，提供四级优先级。

工频周期同步机制确保良好的抗工频周期同步噪声的信道适应能力，如调光灯、充电器等产生的谐波。

基于128位AES严格加密。

中央协调者CCo（CentralCoordinator）控制所在电力线网络设备的活动，并协调同相邻电力线网络的共存，以支持电力线宽带接入、多电力线网络运行和隐藏节点服务。

由于MAC层仍然采用CSMA机制，当网络中HomePLUGAV设备节点增加时，碰撞的几率会增加，数据传输的速率也会大大降低，延迟也会增加。

之所以HomePLUGAV要保持CSMA模式是为了兼容以前的HomePLUG规范和协议。

以前的HomePLUG规范和协议只支持CSMA，这种情况也会出现在HomePNA3上。

4.5、MoCA的MAC层

MoCA规范的技术基础是基于美国Entropic公司的c-link技术。

c.LINK采用TDMA/TDD全协同工作的MAC，所以可以在各个节点之间实现高可靠性的发送调度和传输。

尽管在物理层上是共享媒介的，但在逻辑网络层上是一个网格点对点连接的网络（半双工，类似以前的令牌网络）。

另外，除点对点的连接外，c.LINK协议还支持广播和多播通信。

图9四个节点的c.LINK网络

图9表示四个节点的c.LINK网络，收发信道的容量可以不同，粗细表示容量的大小。

由于MOCA的MAC层是完全协同的，网络中的每个节点必须有一个参考时钟与系统时钟同步。

在MOCA网络中，由NC来产生系统时钟。

所有其它的节点，通过读取NC的系统时钟戳，将其内部时钟与系统时钟同步。

每个信标（Beacon）包含一个系统时钟戳，新的节点在包的发送和接收时，用来同步自己的内部时钟与NC的时钟。

时钟戳在每个MAC帧中都要发送。

在MAC协议中，包含控制包和数据包。

控制包用于链路层的控制操作，比如同步、网络许可、保持请求和MAP等。

数据包传输用户信息。

另外，协议还支持检测包的传输，用来确定通道的特性。

新的节点使用信标来发现和加入MOCA网络。

NC必须使用分集模式（diversitymode）和设定的最大功率来发送信标。

信标必须是以非加密的方式来传送。

NC发送信标采用固定的时间间隔，这个时间间隔称为信标同步间隔（beaconsynchintervalBSI）。

每个信标包含有系统时间戳（systemtimestamp），这样新的节点几可以用系统时间戳来同步它的内部参考时钟。

图10MoCA信标工作示意图

NC通过在称为AsynchronousMAPs的控制包向网络中的所有节点广播发送机会信息来控制整个网络的发送工作。

一个MAP包含有在给定的时间段上的发送机会许可信息。

网络协同控制器（NC）通过使用MAP包广播发送机会给所有的节点，控制了网络中所有的发送。

一个MAP包包含了在分配的时间段上发送机会；MAP包中标示了每个发送什么时候开始、持续时间、发送的类型、使用的PHY参数、以及发送的源节点和目的节点MAP的长度由网络协同控制器（NC）确定，其长度是可变的。

在一个BSI（信标周期）内，可能有多个MAP。

MAP还确定了下一个MAP和信标的发送时间。

当一个节点要发送数据的时候，就等待在MAP中的发送机会，然后发送请求给网络协同控制器（NC）。

网络协同控制器（NC）处理请求，在下一个MAP中给出一个发送机会。

节点就使用这个发送机会发送数据包到给定的节点。

接收接点也在监测MAP包，所以，它知道什么时候，谁给它发送了数据包。

当然，在网络终端很多的情况下，当一个节点要发送数据的时候，其等待发送机会的时间就会越长，降低了网络传输效率。

综上所述，802.3的CSMA/CD、HomePNA和HomePLUG的CSMA/CA和TDMA、MoCA的TDMA/TDD、802.11g的CSMA/CA五种类型的MAC协议，由于后四种均为共享介质、半双工工作模式，在网络终端很多的情况下，局端的协调和终端的等待时间都会大大增加，网络时延增大，降低了网络传输流量和效率，利用率较低。

因此要使有源调制EoC系统工作稳定，系统的设计、用户终端数量的控制必须少，一味强调带十几个、甚至二、三十以上终端的网络，系统的稳定性和可靠性是很难保证的！

但是控制局端下面的用户终端数量会导致网络建设成本大大增加。

802.3的CSMA/CD在采用点到点网络拓扑结构时，可以全双工工作，不论网络规模状况，局端的协调和终端的等待时间不会增加，网络传输流量和效率能够有效保证。

五、从物理层方面看

5.1、HomePLUGAV的物理层

HomePLUGAV的物理层使用OFDM调制方式，它是将待发送的信息码元通过串并变换，降低速率，从而增大码元周期，以削弱多径干扰的影响。

当然，这样做

也付出了带宽的代价，并带来了能量损失：

CP越长，能量损失就越大。

OFDM中各个子载波频谱有1/2重叠正交，这样提高了OFDM调制方式的频谱利用率。

在接收端通过相关解调技术分离出各载波，同时消除码间干扰的影响。

HomePLUGAV去除无线电爱好者使用的频率后，在2-28MHz频段使用917个子载波；功率谱密度可编程，以满足不同国家的频率管制；每个子载波可以单独进行BPSK、QPSK、8QAM、16QAM、64QAM、256QAM和1024QAM调制；采用TurboFEC错误校验；物理层线路速率达到200Mbps，净荷为150Mbps，前同步码可被HomePLUG1.0设备检测，从而实现两者共存，但互操作是可选项。

在10个家庭中进行的性能测试中，80%的插座达到55Mbps以上的带宽，95%的插座达到35Mbps以上的带宽，98%的插座达到27Mbps以上的带宽，典型的物理层速率为70-100Mbps。

5.2、HomePNAPHY的物理层

HomePNA1.0物理层使用PPM（脉冲位置调制--PulsePositionModulation）调制技术，而HomePNA2.0使用QAM（正交幅度调制--QuadratureAmplitudeModulation）调制技术。

HomePNA2.0采用FDQAM（变频QAM--FrequencyDiverseQAM）调制技术，以保障较稳定的数据传送速率。

一般而言，在较低的SNR传输环境下，FDQAM的效率优于QAM，但是其抗干扰能力上不如OFDM。

G.99542007年1月ITU规定了基于HomePNAV3.1的同轴电缆传输规范（称之为HomePNAV3.1C）。

HomePNAV3.1C提供2、4、8、16和32Mbaud符号率，每个baud符号可承载2~10位，因此其数据传送速率介于4Mbps~320Mbps（4~36MHz频谱结构，占32MHz带宽）。

图11HomePNA频谱结构

图12HomePNA发射机框图

ITUG.9954HomePNAV3.1COverCoax支持四种带宽频谱：

①、频谱结构#A（4-20MHz）：

2、4、8、16MBaud（4Mbps–160Mbps）

②、频谱结构#B（12-28MHz）：

2、4、8、16MBaud（4Mbps–160Mbps）

③、频谱结构#C（36-52MHz）：

2、4、8、16MBaud（4Mbps–160Mbps）

④、频谱结构#D（4-36MHz）：

2、4、8、16、32Mbaud（4Mbps–320Mbps）

5.3、MoCA的物理层

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CATV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（estimationandcompensationalgorithm）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。

图13c.LINK物理层

RF子系统采用直接正交转换（zeroIF）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ZEROIF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~1500MHz。

c.LINKPHY层是基于TDMA/TDD突发OFDM调制方式的，也称为自适应星座多音（adaptiveconstellationmulti-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（PER）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。

5.4、基带EoC的物理层

EOC技术将以太数据信号IPDATA和有线电视信号TVRF采用频分复用技术，使这两个信号在同一根同轴电缆里共缆传输，因此，基带EoC的物理层一方面完全与IEEE802.3标准一致，同时增加了平衡-不平衡转换的变换器和双工滤波器。

●电视信号占用87~860MHz，与传统有线电视频率划分一致。

●基带10Mbps以太信号流占用0.5~25MHz，实现无调制传输。

无源EoC（EthernetoverCoax）技术基于IEEE802.3相关的一系列协议，原有以太网络信号的帧格式和MAC层都没有改变，最大的改变是：

从双极性（差分）信号（便于双绞线传输）转换成单极性信号（便于同轴电缆传输）。

其最大的特点是通过无源器件的处理可实现，与下图13所示。

图13平衡-不平衡转换的变换器

六、从调制解调技术方面看

七、从衰减与吞吐量关系方面看

八、从网络适应性方面看

九、运营商如何选择EoC技术？

十、结语