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1 Homeplug AV -簡 介

 
基於homeplug av的EOC技術方案基於homeplug av的EOC技術方案
 2000年3月,由Cisco、HP、Motorola及Intel等數十家企業共同成立HomePlug Powerline Alliance (家庭電力線網路聯盟),以電力線架設區域網絡的構想終於有了一致的標準和具體的進度。家庭電力線網路聯盟隨後在2001年6月發表電力線網路的第一份標準-HomePlug 1.0。 
   2003年2月開始Homeplug AV制定工作,2005年8月,家庭電力線網路聯盟批准了新的Homeplug AV 標準。Homeplug AV是家庭電力線網路聯盟為了滿足家庭數字多媒體傳輸的需要而制定的標準,能實現在電力線、電話線、以及同軸電纜上數據傳輸。作為下一代PLC寬頻家庭網路技術規範,Homeplug AV是PLC有關音頻-視頻寬頻家庭網路的技術規範,它支持多個數據和視頻流的分配,包括遍布整個家庭的高清晰度電視(HDTV)和標準清晰度電視(SDTV),支持家庭娛樂應用,包括HDTV和家庭影院。
   Homeplug AV的目的是在家庭內部的電力線上構築高質量、多路媒體流、面向娛樂的網路,專門用來滿足家庭數字多媒體傳輸的需要。它採用先進的物理層和MAC層技術,提供200Mbps級的電力線網路,用於傳輸視頻、音頻和數據。


2 Homeplug AV -產生背景

   Homeplug AV是由寬頻電力線接入轉變而來的,電力線是一種連接到家庭的寬頻接入技術,它利用現有交流配電網的中、低壓電力線路,傳輸和接入網際網路的寬頻數據業務。
   交流電力線是一種最困難的有線通信媒介,主要干擾通信傳輸和劣化通信信號的因素是各種來源眾多的不可預知的干擾、衰減和失真,包括寬範圍的阻抗變化、高衰減電平、多路徑時延傳播等等。例如:開關電源、電燈、電刷的火花雜訊,靜電雜訊,電機、微波、變壓器等引入的雜訊;分支線路、配電盤、斷路器、電感加熱器等帶來的衰減;不恆定的非線性電力負荷、阻抗失配等帶來的失真。又如,因為電路分支和負載的互連幾乎是隨機的,因而家中任何兩個電源插座之間的通路具有不可預知的傳遞函數,所以通路的幅度和相位響應隨頻率呈寬範圍變化,幅值響應可能超過允許範圍(其變化從幾個dB到80dB以上);而且,在各種用電設備開機和關機時,通道響應還會隨時間變化……
   因此HOMEPLUG AV技術就產生了,用同軸電纜代替電力線,通道起伏狀態改善很多。物理層在2 ~ 28MHz頻帶範圍內採用917個子載波和BPSK~1024QAM的調製方式,使物理傳輸速率達到200Mbps,信息速率可達150Mbps 。具有Tubo卷積碼前向糾錯、通道預估和自適應調製的能力。MAC層採用TDMA和CSMA/CA(載波偵聽多址訪問/衝突避免協議,前者用於支持高QoS連接,後者用於盡力而為和分優先順序的業務。

3 Homeplug AV -技術特徵

   Homeplug AV能提供一種方便且低成本的方法,不用重新布線就能在家庭中分配HDTV。Homeplug AV 規格的目標包括提供高質量視頻分配的最佳解決方案,並具有安全可靠的連接和內部的服務質量(QoS)保證,以確保廣大用戶體驗到與其它家庭網路相比的價格競爭力。 HomePlugAV 兼容HomePlug 1.0。
Homeplug AV的設計滿足更高的帶寬和更低的時延需求,以支持幾個同時併發的HDTV和VoIP流,並且能同時使用家中90%的電源插座。其應用目標是家庭影院和數據網路環境下的家庭音-視頻分配。為此, Homeplug AV在給定的頻率範圍內把香農定律用到了極限,它能在PHY層提供200Mbps等級的服務,考慮開銷后,MAC層也能支持100Mbps以上的速率。
   Homeplug AV在物理層採用具有高級前向糾錯、通道預估和自適應能力的OFDM。而在MAC層則綜合使用具有QoS保證的TDMA時分多址有序接入和CSMA競爭接入兩種方式,並通過快速自動重發請求(ARQ)可靠傳送。
   Homeplug AV支持TDMA和FDMA,即兼容時分多址和頻分多址,以便兼容BPL寬頻接入。
   Homeplug AV協議棧支持多種上層協議,如802.3、 IP and UPNP。

4 Homeplug AV - 結構模式


物理層    Homeplug AV的物理層使用OFDM調製方式,它是將待發送的信息碼元通過串並變換,降低速率,從而增大碼元周期,以削弱多徑干擾的影響。同時它使用循環前綴(CP)作為保護間隔,大大減少甚至消除了碼間干擾,並且保證了各通道間的正交性,從而大大減少了通道間干擾。OFDM中各個子載波頻譜有1/2重疊正交,這樣提高了OFDM調製方式的頻譜利用率。在接收端通過相關解調技術分離出各載波,同時消除碼間干擾的影響。
Homeplug AV在2-28MHz頻段使用917個子載波;功率譜密度可編程,以滿足不同國家的頻率管制;每個子載波可以單獨進行BPSK、QPSK、8QAM、16QAM、64QAM、256QAM和1024QAM 調製;採用Turbo FEC錯誤校驗;物理層線路速率達到200Mbps,凈荷為150Mbps,接近電力線通道的通信容量。

MAC層    Homeplug AV設計了十分高效的MAC層,MAC層都採用Master-Slave 結構,支持基於工頻周期同步機制的TDMA和CSMA。TDMA面向連接,提供QoS保障,確保帶寬預留、高可靠性和嚴格的時延抖動控制。CSMA面向優先順序,提供四級優先順序,確保即插即用。工頻周期同步機制確保良好的抗工頻周期同步雜訊的通道適應能力,如調光燈、充電器等產生的諧波。基於128位AES嚴格加密。中央協調者CCo(Central Coordinator)控制所在電力線網路設備的活動,並協調同相鄰電力線網路的共存,以支持電力線寬頻接入、多電力線網路運行和隱藏節點服務。
   MAC層的工作方式為CSMA,其工作原理是: 發送數據前先監聽通道是否空閑,若空閑則立即發送數據,在發送數據時,邊發送邊繼續監聽,若監聽到衝突,則立即停止發送數據,等待一段時間再重新嘗試。由於採用了CSMA機制,當網路中HomePlug設備節點增加時,碰撞的幾率會增加,數據傳輸的速率也會大大降低。所以在節點設備較少的家庭聯網場合,它仍是一種很實用、很方便的技術,由於HomePlug 技術是基於電力線傳輸基礎上發展的,考慮到電力線應用的惡劣環境,其協議中關於糾錯方面考慮較多,在一定程度影響了其傳輸時有效數據載荷的效率,但同時也增強了該方案的抗干擾性能。
   Homeplug AV在同軸電纜上的傳輸完全採用HomePlug協議,只是修改了前端耦合等電路設計。同軸電纜的傳輸性能要好於電力線,像電磁兼容等原來在電力線上比較難以處理的問題也得到了很好的解決,數據流量性能也好於在電力線上傳輸的性能。金錢貓的雙向網改方案便是利用同軸電纜的這一優質特性來進行網路改造。由於HomePlugAV在同軸電纜上的傳輸為多載波的OFDM有源調製方式,工作在2-28 MHz頻段。雖然抗干擾較強,但當1點對多點通信時,也是要受到匯聚雜訊的影響。

5 Homeplug AV -工作方式

   

   雙向網改造其物理層採用的是具有高級前向糾錯、通道預估和自適應能力的OFDM調製方式,而在MAC層則綜合使用具有QoS保證的TDMA時分多址有序接入和CSMA競爭接入兩種方式,並通過快速自動重發請求(ARQ)可靠傳送。
   基於Homeplug AV的金錢貓EOC產品去除低頻干擾的頻率后,在7.5-30MHz頻段使用917個子載波;功率譜密度可編程,以滿足不同國家的頻率管制;每個子載波可以單獨進行BPSK、QPSK、8QAM、16QAM、64QAM、256QAM和1024QAM 調製;採用Trbo FEC錯誤校驗;物理層線路速率達到200Mbps,凈荷為150Mbps,前同步碼可被HomePlug 1.0設備檢測,從而實現兩者共存,但互操作是可選項。
   Homeplug AV的物理層使用OFDM調製方式,它是將待發送的信息碼元通過串並變換,降低速率,從而增大碼元周期,以削弱多徑干擾的影響。同時它使用循環前綴(CP)作為保護間隔,大大減少甚至消除了碼間干擾,並且保證了各通道間的正交性,從而大大減少了通道間干擾。當然,這樣做也付出了帶寬的代價,並帶來了能量損失:CP越長,能量損失就越大。OFDM中各個子載波頻譜有1/2重疊正交,這樣提高了OFDM調製方式的頻譜利用率。在接收端通過相關解調技術分離出各載波,同時消除碼間干擾的影響。 

6 Homeplug AV -主要應用目標

分配高清晰度電視(HDTV)和標準清晰度電視(SDTV)
互動式電視(IPTV)
WiFi,UWB 和 無線 USB 的幹線傳送
寬頻高速率數據分配
共享寬頻網際網路接入
音頻和視頻流及其傳送
擴充無線LAN網的覆蓋
網路電話VoIP
PC文件和應用共享
印表機和外設共享
網路和在線遊戲
保安監視

7 Homeplug AV -優缺點 


優點  系統工作於低頻段,鏈路衰減較小,覆蓋範圍較大、可以通過分支分配器、放大器;
由於採用1024QAM調製,系統總吞吐率較高,小位元組(64位元組)下仍然較好,可以達到19Mbps; 由於採用較多的抗干擾技術,系統在有線電視模擬網中抗干擾能力較強; 
intellon是最大的PLC晶元廠商,最近以2.4億美金的價格被Atheros收購,而Atheros是在無線WIFI領域的領導廠商,具有雄厚的實力;2011年,Qualcomm公司又以31億美元收購了Atheros。
現網運營客戶反映良好;


缺點  低頻段頻譜資源有限,系統不支持多通道工作,系統可擴展性不高,但是因為有後續的P1901晶元可以提供無縫升級,因此此問題不再明顯;
原晶元廠家不是提供交鑰匙方案,因此系統軟體需要自己開發的工作量較大,但這樣反而設置了一定的門檻限制了研發實力較弱的小廠家進入,防止低層次競爭,目前使用Homeplug AV方案一般是較大的廠家,例如福建金錢貓電子科技有限公司。福建金錢貓是國內第一家開始研發基於homeplug AV晶元EOC技術的廠家,擁有雄厚的綜合實力去進行開發應用。

8 Homeplug AV -未來發展方向

   Homeplug AV不僅是帶寬更寬,而且穩定性也大幅提升,未來通過大規模採用Homeplug AV將真正在家庭內部的電力線網路 上構築起高質量、多路媒體流、面向娛樂的網路,滿足家庭數字多媒體傳輸與高速寬頻上網的需要。

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