通信系统中的测距技术研究及HiNOC系统相关分析

崔竞飞 ，王劲林 ，赵 辉，赵玉萍 ，赵 翠

（1.中国科学院声学研究所 国家网络新媒体工程技术研究中心，北京 100190；2.中国科学院大学，北京 100049；3.国家新闻出版广电总局广播科学研究院 国家广播电视网工程技术研究中心，北京 100866；4.北京大学 信息科学技术学院，北京 100871）

广域网系统通常会覆盖较大的地理范围，例如全球移动通信系统（GSM）单个小区的理论最大半径为35 km，以太网无源光网络（EPON）中光线路终端（OLT）与各个光节点（ONU）的最大距离为20 km，光纤同轴混合接入系统（DOCSIS）中电缆调制解调器头端（CMTS）与各个电缆调制解调器（CM）之间的分布范围达到160 km。在这些通信系统中，各个用户节点通常随机分布在不同的地理位置，中心节点与各个用户节点之间的电磁波传输时延不同且时延的动态范围较大。此时，传输时延对系统的影响不可忽略。为了消除传输时延的不良影响，通信系统常采用测距过程测量各个用户的传输时延，并根据测量结果设置各个用户的定时提前量（TA）[1]。另外，测距的结果还可以用作进行功率控制或用户定位等功能[2-3]。

通常情况下，测距过程不直接测量信号传输的单程时延，而是测量传输的往返时延（RTT），即

式中：d为用户节点与中心的距离；v为电磁波在信道中的传输距离；Te为信号处理带来的延时。根据测距过程测量的RTT，中心节点对各个用户设定定时提前量，调整各个用户的信号发射时间，保证用户信号在中心节点期望的时间点到达。

本文首先论述了传输延时对不同系统的影响，然后详细论述了典型无线或有线通信系统中的测距方法，例如GSM、全球微波互联接入系统（WiMAX）、长期演进系统（LTE）、EPON以及DOCSIS等，最后对HiNOC系统中传播时延问题进行了分析，阐述HiNOC不采用测距的原因。

1 传输时延对通信系统的影响

传输时延会引起通信系统上行链路中各个用户之间的相互干扰，而对于不同多址方式的系统，传输时延产生的用户间干扰是不同的。

1.1 传输时延对时分多址系统的影响

时分多址（TDMA）系统将信道划分为不同时隙，各个用户在不同的时隙占用信道。在TDMA系统中，各用户的传输时延导致用户信号随机地到达中心节点，并可能引起上行帧的碰撞。如图1所示，用户移动基站（Mobile Station，MS）MS1距离基站（Base Station，BS）较远，MS2距离基站较近。MS1和MS2先后依次向BS发送上行帧，且MS1的传输时延T1大于MS2的传输时延T2。由于两帧之间存在保护时间间隔Tg，若T2＜T1＜T2+Tg，则两帧不会碰撞，如图1a所示。然而为了提高信道的利用率，保护时间间隔Tg通常是有限的。若T1过大，即T1＞T2+Tg，则导致两个上行帧碰撞，部分信号无法正确解调，如图1b所示。

图1 传输时延对TDMA系统的影响

1.2 传输时延对正交频分多址系统的影响

正交频分多址（OFDMA）系统将信道划分为彼此正交的子载波，各个用户使用不同的子载波享用信道。为了保持OFDMA各个子载波的正交性，系统要求所有用户节点发送的OFDMA帧同时到达中心节点接收机。然而由于用户地理位置不同、传输时延不同，导致OFDMA系统上行帧无法符号对齐，如图2所示。此时OFDM解调过程中，由于FFT窗无法对齐，将引起OFDM符号间干扰以及子载波间干扰，进而使系统性能受到严重影响。

1.3 传输时延对其他多址系统的影响

频分多址（FDMA）系统将信道划分为若干彼此独立的子信道，相邻子信道之间存在保护频带，各个用户使用不同的子信道进行通信。码分多址系统（CDMA）利用不同的正交扩频码字区别用户。FDMA和CDMA系统中各个用户之间的多址接入方式与时间无关，传输时延不会导致各个用户之间的串扰，所以测距过程不是必须的。然而，某些FDMA或者CDMA系统中仍然会进行测距用于功率调整或者其他功能等。另外，某些实际系统并不仅仅使用一种多址接入方式，一般来讲，如果系统的多址方式与时间相关且系统覆盖面积较大，则测距过程是必须的。

图2 传输时延对OFDMA系统的影响

2 典型通信系统的测距方法

在通信系统中，当用户节点初始接入网络时，一般均需要进行测距过程，因此，用户节点通常会在随机接入过程中同时完成对传输延时的测量。另外，在无线通信系统中，用户节点的移动性会导致传输时延不断变化，因此在移动节点的链路维护中需要多次或者周期性进行测距。本节详细论述了常见的无线或有线通信系统中的测距方法，如无线通信系统GSM，LTE和WiMAX，有线通信系统EPON和DOCSIS。

2.1 GSM，UMTS，LTE

GSM、UMTS以及LTE是现代无线蜂窝通信演进的主要技术路线之一。GSM是现在仍被广泛应用的第二代无线蜂窝通信系统，多址方式为TDMA。一个TDMA无线帧包含8个时隙，时隙之间存在保护时间间隔。但由于保护时间间隔的长度小于最大传输延时，所以在手机接入网络时，需要进行测距。GSM测距过程如图3所示，手机用户（MS）首先监听频率校正信道FCCH，进行载波频率的校准，然后监听同步信道SCH进行时间同步，确定时隙的起始时间。完成频率和时间同步之后，手机用户根据广播信道BCCH解调该小区的信道参数，并在随机接入信道RACH向基站（BTS）发送随机接入信号请求接入网络。由于初始时刻传输时延未知，因此用户发送的RACH信号在起始和末尾留有足够大的保护时间间隔，大于其他数据信道的保护时间间隔，用以防止与其他时隙信号的碰撞。如果BTS成功接收到该用户发射的RACH信号，则BTS可根据接收时刻与TDMA时隙起始时刻的偏移估计RTT，完成测距过程[4]。

图3 GSM的测距过程

通用移动通信系统（UMTS）是第三代无线蜂窝通信系统的标准之一，是GSM的演进技术。由于在UMTS系统采用了软切换技术，移动设备（UE）可能同时与多个基站（Node-B）通信，此时UE发射的信号到达各个Node-B的传输延时不同，无法对UE进行TA的调整。同时由于UTMS采用了WCDMA的多址接入技术，系统中没有时隙的划分，各个UE使用正交码字区分，因此在UMTS系统无需进行测距[1]。

LTE是目前受到广泛关注的准4G无线蜂窝通信系统，是UMTS的长期演进技术，多址方式为OFDMA。为了保证各个用户的OFDMA符号到达基站（eNode-B）的时间一致，系统需要对各个用户的传输时延进行测量。LTE系统的测量过程与GSM系统类似，移动设备（UE）首先通过接收同步信道SCH和广播信道BCH进行小区初始搜索过程，完成符号时间和频率的同步，然后UE在随机接入时隙中发送RACH信号，如eNode-B成功接收该RACH信号，则可以根据接收时刻与时隙起始的偏移量估算RTT[5-6]。

2.2 WiMAX

WiMAX，即 IEEE802.16，是一种宽带无线接入技术，可采用OFDMA的多址方式。WiMAX的测距过程分为以下几类：初始测距，用以用户进入网络；周期测距，用以周期性地更新用户的定时偏差；切换测距，用以切换过程中与目标新基站进行测距[7]。各类测距原理大致相同，以初始测距过程为例。新用户接收基站广播的DL-MAP信息获得下行信道的调制参数并完成下行信道的逻辑同步，然后用户接收基站广播的ULMAP信息获得上行信道的调制参数以及允许测距的时隙窗口。用户在该时隙窗口中随机选择一个时隙，并在一组CDMA正交码字中随机选择一个码字。该随机码字被调制到OFDMA特定的子载波上，并在随机挑选的时隙内发送[8]。由于传输时延的影响，基站接收机做OFDM解调时，该正交码字发生相位旋转，利用CDMA码字的互相关特性可以检测各个码字的相位旋转并计算RTT的大小，完成测距过程[9]。

2.3 EPON

EPON是一种点到多点（P2MP）无源光纤网络，多址接入方式为TDMA。EPON利用MPCPDU帧中携带的时间戳进行测距，具体过程如图4所示。首先OLT向某个ONU发送一个时间戳为T0的MPCPDU，经过下行链路传输时延后，ONU接收到该MPCPDU并把ONU的本地时刻更新为T0，达到ONU与OLT的逻辑时间同步。ONU经过一定的处理时间，向OLT发送时间戳为T1的MPCPDU，经过上行链路延时后，在T2刻到达OTL。则往返时延

图4 EPON的测距过程

2.4 DOCSIS

DOCSIS是一种光纤同轴混合接入技术，采用TDMA或S-CDMA的方式共享信道。DOCSIS在CM接入网络或者对CM均需要进行链路维护时需要进行测距，具体过程如图5所示。在DOCSIS系统中，CMTS周期性发送SYNC消息，SYNC消息内包含时间戳，CM根据接收到SYNC消息中的时间戳更新本地时间，并校准时钟频率。然后，CMTS发送MAP消息告知CM进行测距的时间段（Maintenance Region），CM在测距时间段内发送RNG-REG消息，CMTS根据RNG-REG到达时间域测距时间段的偏移进行测距[12]。

图5 DOCSIS测距过程

通过以上系统的分析，可以看出往返时延一般是在中心节点进行测量。中心节点可以根据用户节点发送的上行帧的到达时间与时隙起始时刻的偏移对时延进行测量，如GSM，LTE，DOCSIS；中心节点也可以根据上行帧的到达时间以及上行帧中携带的时间戳对时延进行测量，如EPON；中心节点也可以根据其他物理参量对传输时延进行测量，如WiMAX系统测量传输时延造成的OFDM符号相位旋转。中心节点测量传输时延后，通过下行控制信道将测量结果返回给各个用户。各个用户根据测试结果调整发射时间，消除传输时延的影响。

3 HiNOC系统中的传播时延问题

HiNOC是我国自主创新的同轴电缆接入系统，以较高的频谱利用率实现了最后100 m的接入问题。Hi-NOC采用TDMA的多址接入方式，一个头端HB（Hi-NOC Bridge）可携带32个HM（HiNOC Modem）[13]。

3.1 传播时延对HiNOC系统的影响

表1给出了各个系统的网络覆盖范围、最大RTT以及帧间的保护时间（帧间隔）对比。可以看出由于Hi-NOC覆盖范围较小，其RTT延时仅有1 μs，远小于其他系统中的传播延时。同时由于HiNOC定义上行数据帧之间的最小保护时间间隔为10 μs，大于1 μs的RTT。因此在HiNOC系统中即便不采取测距和TA补偿，仍然不会发生各个HM上行帧的碰撞。而其他系统的保护间隔远小于RTT最大值，必须采取测距。

表1 系统参数对比

图6给出了HiNOC系统中传输时延对上行链路的影响。假设HM1为距离HB最远的用户，HM1发送的帧经过最大RTT时延（1 μs）传播到HB，HM2为距离HB最近的用户，HM2到HB的传播延时可忽略不计。此时，由于存在10 μs的保护时间，HM1与HM2不会发生碰撞。综上所述，HiNOC系统可以不进行测距和TA的补偿。

3.2 HiNOC系统中的帧同步

由于HiNOC中未进行测距，则各个HM到达HB的时间与HB规划的时间会有延时，即HB不能利用调度的时间信息进行帧同步（帧捕获）。因此，在HiNOC系统的上行链路帧中设计了一个长度为64符号间隔的已知前导序列，用以帧同步。

图6 传播时延对TDMA系统的影响

图7为HiNOC系统上行帧的同步过程，HB根据信道调度信息，确定上行帧的理想到达时间T0，然而由于存在传播延时和时钟频率偏差的影响，HM上行帧无法准确地在T0时刻到达。因此，HB给出一个浮动的到达窗，即在到达窗[T0-τ,T0+τ]内搜寻上行帧，τ与系统的传播时延和时偏相关。搜寻方法为利用本地存储的前导训练与接收到的信号进行滑动相关，精确捕获上行帧。

图7 HiNOC系统上行链路的帧同步方法

4 小结

在通信系统中，不同的电磁波传输时延可导致各个用户信号的碰撞或相互干扰。尤其对于采用TDMA多址方式且覆盖范围较广的通信系统，通常会采用测距技术消除传输时延的不良影响。选取典型的通信系统EPON，DOCSIS，GSM和WiMAX系统，详细论述了通信系统中的测距技术。在现有的测距技术中，中心节点可利用上行信号达到时间与时隙边缘的偏移、时间戳或其他物理参量对传输时延进行测量，中心节点通过控制信道将测量结果返回，各个用户根据测试结果调整各自的信号发射时间，保证信号在规定的时间到达中心节点。最后讨论了HiNOC系统中的测距问题。分析可知在HiNOC系统中传播时延对系统中的影响很小，因此为了降低系统的复杂度，HiNOC系统中未进行测距，同时在上行链路中各个HM也未进行传播时延的补偿。HiNOC下一代演进技术HiNOC2.0的系统传输速度将达到1 Gbit/s级别，同时覆盖范围进一步增大，在此情况下则需要考虑是否采用测距技术。

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