HiNOC

HINOC

HiNOC是“三网融合”方案中光纤网络到用户家庭网络之间的传输解决方案。该技术在光纤到楼(Fiber-to-the-building，FTTB)的网络结构基础上，可以利用小区楼道和户内已经敷设、分布广泛的有线电视同轴电缆，构建高速的信息接入网。

简介

只需在楼道和户内添加相关的HINOC调制解调设备头端(HINOCBridge, HB)与终端（HINOC Modem, HM），无需对入户电缆线路进行任何改造，就可实现多种高速数据业务的双向传输。该技术为最后100米的宽带接入提供了一种便捷、实用的新型解决方案。

进展路线图

HINOC标准的出台目指日可待，目前报批稿已经完成上交，草案意见稿再进行新一轮评审，样机的测试报告得到认可后，HINOC标准就会正式出台。

HINOC从2005年起步，到现在标准即将出台，有关研究单位做出了非常多的努力。2008年，已经在部署HINOC2.0的工作；2009年6月，HINOC2.0的工作部署下去后，HINOC1.0的样机做完；2010年10月，第一版的芯片出炉；2011年3月，在CCBN正式展出样片和样机；2011年12月举办小型的展览；2012年1月，开始第一轮HINOC2.0方案的征集；2012年5月，第一版PHy+MAC130nm的芯片出炉，同年6月，推出一款PHy+MAC+CPU+AD/DA65nm芯片，两款芯片样机做小规模网络试验；2012年第四季度，将出台最终用于商业化产品的芯片。

使用频域

我国有线电视标准规定，同轴电缆860MHz以下的频带用于广播电视信号传输，860MHz以上频带均未使用，称为带外信道。带外信道的传输特性为：整个系统的传输特性在1.2GHz以下变化不大，在-20dB左右。在16MHz的带宽内，频谱几乎为平的。在1.2GHz到1.5GHz之间下降很快，到1.5GHz衰减达到-50dB以下。在1.5GHz以内的频段，比较有利用价值。1.5GHz以上频段衰减较大，而且匹配差，反射大，多径严重，开发成本较高。因此，HiNOC使用800M-1.5G的频域，并将其分为等频宽的多个信道。

调制技术

由于同轴电缆在860MHz以上屏蔽效应好，用户分配网络中噪声的主要来源是基础热噪声，根据《有线电视网系统技术规范》，860MHz以下频段用户分配网中的噪声不得超过-80dBm/MHz，这里以此为参照，认为860MHz以上频段的噪声最大为-80dBm/MHz。在这样的噪声环境下，可以使用效率较高的调制方式，如256QAM，128QAM等。

综合考虑实现难度和同轴电缆带外信道条件比较差、一致性不好的情况，本方案拟采用的最高调制方式为256QAM。根据调制方式和误码率、信噪比SNR的计算公式，得到在误码率为1e-9时，采用256QAM所需要的SNR为40.5dB，在860MHz到1.2GHz之间的大部分频点可以采用256QAM调制技术，并可根据信道实际的SNR要求自适应地使用128QAM，64QAM，32QAM，16QAM，8QAM直到QPSK，BPSK调制。

由于分支分配器等器件与电缆在连接处不匹配，会引起反射从而形成多径效应，在时域上表现为冲击响应脉冲被展宽。多径主要是由匹配性能较差的分配器和用户终端盒引起，多径的延迟与反射较大端口相连的电缆长度成正比。为避免多径引发码间干扰，同时考虑到信道利用率，HiNOC选择多载波OFDM体制传输数据。

HiNOC物理层数据帧主要由两部分组成，训练前导和传输数据，其中数据部分全部是频域信号，通过OFDM调制输出，训练前导分为频域前导和时域前导，频域信号每个子载波用BPSK调制，时域信号采用单载波Л/4-BPSK调制。

物理层结构

物理层定义的信号传输模式包括帧结构、信道编码以及调制技术。

HiNOC发射机的功能模块构成如图1所示：

来自上层的数据和信令信息经过加扰、前向纠错信道编码（可选）、星座映射、OFDM调制及插入循环前缀后，组成不同类型的帧，再经过几代到射频信号的变换，最后通过射频单元发射。

（1）扰码

HiNOC中扰码序列采用生产多项式序列，生成扰码序列的移位寄存器的初始相位为“000100”（由Bit5至Bit0），在每个帧的起始时刻进行初始化。

（2）前向纠错编码

HiNOC中的信道编码采用的是前向纠错编码方式。根据不同的信道条件，以及对编码速率的不同要求，可以选择不进行前向纠错编码，或在参数分别为（508,472）和（504，432）的BCH截短码中选择一种进行前向纠错编码。

(3) 星座映射

HiNOC中根据不同的信道状况，可以在DQPSK、QPSK、8QAM-1024QAM等多种星座映射方式中进行选择。

（4）OFDM调制

HiNOC采用OFDM调制，单信道内包含256个子载波，子载波间隔为62.5KHz。为了抑制对于相邻信道的干扰，单信道频带两侧的子载波作为空闲子载波，不传输信息。零频处的子载波同样作为空闲子载波，不传输信息。用于传输信息的有效子载波的数目为210个，有效带宽为13.125MHz。

（5）循环前缀

在OFDM系统中，为了最大限度地消除符号间干扰，在每个OFDM符号之间要插入保护间隔，该保护间隔长度一般要大于无线信道的最大时延扩展，这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。在这段保护间隔内，可以不插入任何信号，即保护间隔是一段空闲的传输时段。然而在这种情况中，由于多径传播的影响，会产生信道间干扰，即子载波之间的正交性遭到破坏，使不同的子载波之间产生干扰。为了消除由于多径传播造成的ICI，我们将原来宽带为T的OFDM符号进行周期扩展，用扩展信号来填充保护间隔。我们将保护间隔内的信号成为循环前缀。

MAC层

（1）网络拓扑

HiNOC网络由位于楼道的HB和位于户内的HM构成。逻辑拓扑采用点到多点结果。HB处于中心控制地位，各HM可与HB通信并受其控制，各HM之间不能直接通信。

HiNOC网络的逻辑拓扑结构

（2）HiNOC帧类型

HiNOC帧分为控制帧、数据帧和信令帧三类。

控制帧：实现信道预约和信道分配功能，包括预约帧和MAP帧

数据帧：承载上层以太网业务

信令帧：实现结点接纳、结点推出和链路维护过程中HB和HM的信令交互。

（3）公共部分子层(CPS)

CPS主要实现信道访问控制与带宽分配。其信道分配的主要机制如下：

1、各个HM必须先接纳到HINOC网络后，才能访问信道。

2、HM被接纳到网络后，其对信道的访问完全在HB的集中控制下进行。

3、HB将信道划分为在时间轴上连续且互不重叠的时间段，每个时间段称为一个MAP周期。在每个MAP周期中HB通过发送一种特定的MAP帧向各个节点发布下一个MAP周期的起止时刻以及该周期内的信道分配方案。

4、各HM通过预约/许可机制实现信道访问。在每个MAP周期内，HB为HM分配预约帧发送时隙，HM利用各自的预约时隙向HB预约信道。HB收到预约帧后，通过MAP帧发布信道分配方案。下行数据不需要预约信道，由HB直接在MAP帧中规定发送时隙。

5、在信道分配的过程中，协议支持基于优先级的QoS保障。

6、所有MAC层的预约帧、MAP帧和数据帧，均封装在PHY层的Dd和Du帧内进行发送。

（4）汇聚子层（CS）

CS负责接收高层的协议数据单元（PDU），并将高层PDU映射到CPS，以及进行相反方向的转换操作。高层PDU为以太网MAC帧。CS实现的具体功能是：地址学习与转发表构建、数据帧转发、数据帧打包/拆包，以及优先级映射。地址学习与转发表构建就是建立高层PDU地址与HINOC网络节点地址的映射关系。数据帧转发就是确定将高层PDU转发到那一个HINOC网络节点。地址学习与转发表构建、数据帧转发均只涉及HB与HM的内部实现，在标准上没有描述，需要独立设计。

（5）节点接纳

这里，下行信令帧作为信标来使用。侦听下行信令帧。进行频率搜索等操作。节点接纳过程是指一个新的HM（NHM）设备上电（或初始化）后，加入到现有HINOC网络的过程。

（6）链路维护

当形成一个网络或新的节点加入后，就完成了各个节点之间的LM（linkmaintenance）。LM由HB来控制，HB制定那个节点来完成LM。一个LM 通常包括，从一个节点到另外一个节点发送预先定义好的一定长度的比特序列检测信息，来估计两个节点之间的信道特性，通常是SNR。接收节点处理接收到的检测信息，并确定现在的两个节点之间的信道损伤。基于确定的信道损伤，就自适应两个节点之间的调制模式。在这里，比特分配用来进行自适应调制。然后，基于各个点对点之间LM结果，计算CMP_REPORT。

技术特点

(1)可支持低频段、高频段“双模”工作：

(2)频谱利用率高：

HiNOC样机系统实测得到的MAC层频谱利用率可达3.85bit/s/Hz

(3)邻信道抑制性能（隔离度）：相邻信道能够同时使用

工作模式为TDD/TDMA，动态分配信道资源，实现无冲突的信道接入和灵活的带宽分配

(4)服务质量和管理：

DBA、流分类、业务优先级

L2至L4关键元素过滤的功能，可以实现访问控制、报文捕获、QoS处理、IGMP Snooping、黑白名单等功能

关键技术

对于HINOC 同轴电缆宽带传输系统来说，由于系统从整体设计、算法研究、硬件实现等多方面是自主创新的技术，为了实现高达7bit/s/Hz 频带利用率，系统在整体设计过程中考虑了多种影响因素，在系统实现过程中也面临着很大的挑战，具体内容包括：

（1）同轴电缆传输特性

目前国内外对同轴电缆传输特性的研究相对来讲比较缺乏，特别是网络中的分支器、分配器、放大器等有源/ 无源器件对同轴电缆传输通道的幅度及相位特性的影响还没有可信的模型，因此系统设计的第一步就是基于我国有线电视网的复杂环境，研究带有分支分配器和中继器的同轴分配网络传输特性，并根据测量和理论分析结果建立同轴电缆信道模型。

（2）高阶调制与高性能纠错码

在调制技术方面，由于系统采用1024QAM 等高阶调制技术，因此射频相位噪声、I/Q 不平衡等问题对高阶调制的影响不容忽略，并成为系统特性提高的制约因素之一。在纠错编码方面，由于系统数据传输帧相对较短，而现有高性能纠错编码技术一般在帧长相对较长的场景下能够发挥其优势，因此提高短数据帧业务的纠错能力也是研究的主要内容。另外在家庭使用场景中，其他电气设备的冲击脉冲干扰、强单频干扰对系统的特性具有极大的影响，因此增强系统的抗冲击噪声和抗单频干扰的能力，也是本系统需要着重考虑的。

（3）MAC 协议

协议需兼顾性能、效率、业务支持能力和协议复杂度几方面。在性能方面，需要研究多信道体制下的MAC层联合规划、更灵活的带宽分配方案、各种业务延迟的保证策略、业务可靠性保证的增强方法等问题；效率方面，MAC 协议需要在保证性能的前提下尽量降低系统开销，提高信道利用率；业务承载方面，HINOC 网络支持的业务对QoS 的需求各不相同，MAC 协议需要提供面向业务的高性能QoS 保证；同时还要兼顾协议复杂度。另外还要研究协议分层模型和组网方式，高效的双工多址接入方式，QoS 保证机制，支持HDTV、3DTV和其他高速业务等。

（4）宽带数据处理速度

为提升MAC 层数据转发速率，HINOC将采用硬件协处理器来完成数据帧的转发工作。硬件协处理器实现流分类、流量控制、地址学习、队列管理、队列QoS 调度、分组捕获与插入、HINOC 帧的打包与拆包等功能。硬件协处理器设计面临的技术难点是，功能需求复杂多样，性能要求高速可靠，需要各模块以及软硬件之间的紧密配合和衔接。

（5）芯片研制

由于同轴电缆接入系统将采用高性能、低功耗芯片技术，特别是需要研制Gbps 的OFDM 系统芯片，其中涉及接收机的几个关键技术，如高阶调制、信道编解码等，这些关键技术在1Gbps 信号速率下给芯片研制带来了挑战，特别是芯片还要以低功耗、低成本为目标。

产业化现状

据悉，HINOC目前已形成集成了CPU、HIMAC、HIPHY、A/D、D/A的单芯片解决方案，以后还将推出HINOC 1.0 130nm芯片、HINOC 1.1 FPGA系统、HINOC 1.5 65nm芯片、HINOC 1.9系统、HINOC 2.0系统（目标是达到1Gbit/s的物理层速率）。今年还会开通大约1000户规模的HINOC接入网示范小区、物理层+MAC层硬件加速模块后端设计与第二版芯片流片。HINOC在信道模型、关键技术、实现技术、技术发展等方面的标准化、产业化工作已从之前的封闭走向开放。

立足于现有HINOC 系统的成果，考虑今后宽带接入网络将向居住分散的区域发展，同时对传输速率的要求也将逐步提高，具有更高性能指标的升级版本HINOC 2.0 系统正在研发中。该系统指标将在许多方面高于现有系统，如系统最大覆盖范围1000 米、最高物理层传输速率1Gbps、调制方式提升到4096QAM、使用具有更强纠错能力的编码等；在MAC 协议及组网模式、QoS 保证机制、安全机制等方面也将有很大提升。该项目得到国家的大力支持，华为、海尔等国内知名企业也积极加入到HINOC 2.0 系统的研发队伍行列，加速了产业化的进程。

2016年3月18日，HINOC2.0 SoC芯片正式发布，同一天，HINOC2.0广电行业标准正式颁布，标准号GY/T297-2016。

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