概述

HINOC2.0物理层分为6种帧，下行帧包括：下行探测帧（Pd帧）、下行数据帧（Dd帧）、下行控制帧（Cd帧）；上行帧包括：上行探测帧（Pu帧）、上行数据帧（Du帧）和上行报告帧（Ru帧）。上下行探测帧用于承载MAC层信令帧，上下行数据帧用于承载MAC层数据帧，下行控制帧用于承载MAC层媒体接入规划（MAP）帧，上行报告帧用于承载MAC层报告（R）帧。

物理层帧结构

6种帧的时域构成如上图所示，包括前导序列和OFDM负载段两部分。各种帧的详细配置如下表所示。前导序列的长度仅为4us，仅存在于Pd帧与Pu帧，用于接收机进行帧同步以及频率同步；负载段包括整数个OFDM符号，用于MAC层信令或数据的传输。

帧类型	前导序列	负载段
Pd帧	前导序列A	负载段A
Dd帧	无	负载段B
Cd帧	无	负载段C
Pu帧	前导序列B	负载段A
Du帧	无	负载段B
Ru帧	无	负载段D

时序关系

下图是HINOC2.0物理层6种帧的时序关系图。该图是理解HINOC物理层行为和传输效率的关键。

HINOC2.0物理帧时序关系

Pd周期

在HINOC系统中，Pd帧周期性发送，相邻两个Pd帧的起始时间间隔为65536us，称为Pd周期。
MAP周期

在Pd周期内，除去Pd帧和Pu帧之外的信道资源在时间上被划分若干个MAP周期。MAP周期为HINOC最小调度周期。MAP周期的时间长度和个数取决于OFDM循环前缀参数配置。

当OFDM循环前缀为典型值1us时，MAP周期的长度为2482us；每个MAP周期包括连续的146个OFDM符号，即146个时隙；每个Pd周期内包括26个MAP周期。
Pd帧/Pu帧

下行探测帧（Pd帧）是HINOC网络的心跳帧。Pd帧包括4us的前导序列以及2个OFDM符号，总长为38us，占整个长65536us的Pd周期的万分之6，开销极其之小。

上行探测帧（Pu帧）位于每个Pd周期中间的Pu帧组内。Pu帧组时隙由9个连续放置的Pu帧时隙及其帧间隔构成。其中第5个Pu帧时隙起始时刻位于Pd周期的中心时刻，与相邻Pd帧的起始时刻间隔为32768us。HINOC1.0系统是不存在Pu帧组的概念的，即1.0系统中每个Pd帧仅包括1个Pu帧的预留位置。2.0系统中设计Pu帧组的目的在于提高用户接入和链路的速度。

38us长Pd帧/Pu帧是“以一敌十的多面手”，可以用来完成非常多的功能：
- 新用户接纳
- 老用户链路维护
- 测距
- 物理层载波频率同步
- 物理层采样时钟频率同步
- 物理层功率控制
- 物理层信道估计
在其他有线或无线系统中，以上每个功能恐怕都需要专门的物理层帧或训练字段来辅助完成。
Cd帧

下行控制帧（Cd帧）仅包括3个OFDM符号，在MAP周期内的位置固定，位于MAP周期的第5~7个OFDM符号。Cd帧的作用有三个：承载MAC层的信道规划信息；承载上一MAP周期内的上行数据帧的ACK/NACK信息；辅助物理层完成精确的时间补偿。
- 信道资源规划
  
  Cd帧包括8个独立的MAC层信道规划帧，每个信道规划帧对应16MHz的信道规划结果，每个信道规划帧采用独创的二进制位图编码方式简洁高效地指明了下一个MAP周期中时频资源在多个用户以及上下行之间如何分配。
- 上行ACK/NACK信息
  
  HINOC2.0 MAC层增加可选ARQ的功能，用以提高系统传输可靠性。考虑到了ACK/NACK的解调时延和重传帧的处理时延问题，所以Cd帧要位于MAP周期的第5~7个OFDM时隙而非第1~3个OFDM时隙。
Ru帧

上行报告帧（Ru帧）仅包括OFDM负载段，OFDM符号数至少为1，最多为7，位于MAP周期的倒数第5~11个OFDM符号。Ru帧的作用同样有三个：承载用户的信道资源请求信息；承载本MAP周期内下行数据帧的ACK/NACK信息；辅助物理层完成检测用户在线状态。
- 信道资源请求
  
  HINOC2.0采用了OFDMA的信道资源请求方式，即每个在线用户采用20个子载波就可以完成信道资源请求。极限情况下，Ru帧使用一个OFDM符号就可以完成所有64用户的资源请求。
Dd帧/Du帧

MAP周期除去Cd帧、Ru帧以及1个OFDM时长的上下行收发切换间隔（IFG），其他OFDM符号均可以分配给上下行的数据帧（Dd帧/Du帧）。

HINOC采用TDD的方式，上下行的传输带宽比可以灵活配置。同时基于TDMA/OFDMA的用户多址接入方式，HINOC可以实现高效灵活的带宽分配策略。

HINOC2.0传输速率与效率

根据以上物理层帧结构的介绍，本节对系统传输速率与效率进行推导。

MAC层传输速率(Mbps) = 26(146-3-1-1)1920 M0.9083*0.9771/ 65536

其中，MAC层传输速率为去除MAC层和PHY层开销后的传输速率；分母为Pd周期长度65536，单位为us；分子为每个Pd周期内可以传送的MAC层有效数据比特个数。分子中每项数字的具体含义为：

26：每个Pd周期内的MAP周期个数；
(146-3-2-1)：每个MAP周期内的可用于数据帧OFDM符号个数，即146个符号扣除3个Cd帧OFDM符号、2个上下行间隔、1个Ru帧OFDM符号；
1920：每个数据帧OFDM符号中的数据子载波个数；
M：每个子载波可以携带的比特个数，即QAM调制阶数；
0.9083：采用BCH (1744, 1920)的编码码率；
0.9771：MAC层数据帧开销，即在MAC层每个1744bit的数据帧包括16bit的CRC、24bit的数据帧帧头开销 (后续文章会详细介绍MAC层的组帧过程)。

上式简化，可得:

MAC层传输速率(Mbps) = 94.64*M

即MAC层传输速率与QAM调制阶数M成正比。在HINOC系统中，最高QAM调制阶数为4096QAM，即M=12，此时MAC层传输速率为：94.64*12 Mbps= 1136Mbps，超过了1 Gpbs。

HINOC2.0系统采用子载波分组的自适应调制，其子载波平均调制阶数M在(0,12]之间。下图给出了不同调制阶数下的MAC层传输速率。

MAC层传输速率

传输速率与系统带宽相关，带宽越大，上式中每个Pd帧周期内传输的比特数目越多。通常，我们会引入传输效率的概念对传输带宽进行归一化，即计算在每Hz的传输频带上的有效传输速率，即：

HINOC2.0传输效率(bit/s/Hz) = MAC传输速率 / 128MHz

当HINOC采用4096QAM时，系统效率高达8.873 bit/s/Hz；当采用1024QAM时，系统效率也有7.394 bit/s/Hz。

总结

HINOC2.0物理层设计了非常高效的帧结构。为了保证数据帧的传输效率，HINOC2.0最大限度地降低了其他信令帧、控制帧的开销。每种信令帧、控制帧除了完成MAC层的信令交互与承载之外，还承担了物理层数字接收系统中的多种辅助作用。HINOC2.0高达1136Mbps的MAC层传输速率以及8.873 bit/s/Hz的传输效率优于其他同轴接入技术。

在后续MAC层的文章介绍中，我们还将进一步看到在多用户同时在线传输的情况下，由于HINOC采用了TDMA/OFDMA的多址技术，其系统速率的下降是非常小的：64个用户同时占线时的传输速率相比1个用户时的传输效率仅降低40Mbps左右。