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第四章目录•4.1HomePlug•4.2G.hn•4.3其他标准•4.1HomePlug•4.2G.hn•4.3其他标准第四章目录4.1HomePlugHomePlug支持术能实现在电力线、电话线，以及同轴电缆上数据传输。目前已将该类技术移植到同轴电缆，采用OFDM正交频分多路复用技术，工作频率为2～28 MHz，PHY速率可达72 Mbps。由于HomePlug技术是基于电力线传输基础上发展的，考虑到电力线应用的恶劣环境，其协议中关于纠错方面考虑较多，在一定程度影响了其传输时有效数据载荷的效率。HomePlug规范目前有三大类：面向家庭内宽带联网的1.0+AV规范、面向宽带电力线接入的BPL规范以及面向较低带宽控制应用的家庭自动化C&C规范。4.1.1HomePlug1.0概述1.1.2visualSTATE事件处理机制随着网络宽带接入时代的到来，家庭网络对发送或接收语音、视频等数据的速度的需求不断提高。为改建家庭网络设施重新铺设线路需要花费大量的金钱和时间。因此使用已经铺设好的电力线作为网络传输介质是一个很好的选择。HomePlug标准允许人们使利用已经存在的电力线基础网络设施提供高速的网络接入。HomePlug1.0是第一个HomePlug标准。在2001年获得批准，理论数据速率最高达14 Mbps。2004年推出了HomePlug1.0Turbo，最大理论数据速率提高到85 Mbps。1.HomePlug1.0物理层物理层层规定了调制方式和信道编码方式。MAC层负责控制介质与用户间的通信协议。HomePlug1.0使用了正交频分复用（OFDM）作为基本的传输技术。HomePlug采用的OFDM是一种突发模式（Burstmode），而非连续模式（Continuousmode）。在HomePlug技术中完全不需要均衡处理，因为它采用了差分四相相移键控调制（DQPSK），数据被编码为同一子载波上当前符号与前一符号之间的相位差。在相位可能存在迅速变化的场合，差分调制可以提高性能。HomePlug1.0的物理层占用了4.5～21 MHz的带宽，其中OFDM系统载波共有84个，但有8个子载波位于业余无线电广播频段，为避免产生干扰，物理层在业余无线频段降低了发送器的功率谱密度，以便将从电力线辐射到这些系统中的干扰能量降低到最小。采用DQPSK调制并使用所有载波时，总位元速率为20 Mbps。从物理层传递到MAC层的位元速率约为14 Mbps。HomePlug1.0的物理层传输端主要分为三部分：FrameControlFEC、DataFEC和OFDMModulator。2.HomePlug1.0MAC层（1）帧结构为了提高与目前广泛部署的以太网的兼容性，HomePlug1.0的MAC层采用了IEEE802.3规定的帧结构，包括两种基本的帧结构：长帧（见图4.1）和短帧（见图4.2）。图4.1长帧结构图4.2短帧结构一个长帧包括一个帧开始定界符、有效载荷和帧结束定界符。一个短帧由一个应答定界符组成，是自动请求重传（ARQ）处理的一部分。ARQ机制被用来减少数据包的出错率。所有的定界符共用一个公共结构。一个定界符包括一个前导和帧控制信息。前导是一种扩频信号，用来提供良好的相关性，即使存在着较强的干扰而同时又对接收器和发送器之间的传递函数缺乏了解，也能保证每个接收器都能可靠地检测出定界符。前导后面是经过RobustTurbo乘积码编码过的帧控制信息，即使在低于基底噪声几分贝的情况下也能被准确地检测出来。通道适应包括三项选择自由：•不选择位于较差频段上的载波；•对各载波调变方式的选择（BPSK或DQPSK）；•对卷积码速率的选择（1/2或3/4）。除了上述选项以外，有效数据还可采用ROBO模式进行发送。这是一种具有高度鲁棒性的模式，它使用所有的载波，对其进行DBPSK调制，并采用带位重覆和交织的重纠错码。ROBO模式不进行载波选择，因而可为所有接收器接收。这种模式用于在未执行过通道自适应作业的元件之间进行多点传送；或者在通道条件很差的情况下进行单点传送，此时与选择部分载波并使用纠错码的模式相比，ROBO模式可提供更高的数据吞吐率。在电力线上传输以太网数据帧时，MAC要先对数据帧进行加密和其他操作。当一个子帧不能完整地容纳一个数据包时，需要先经过分段和重装机制处理。MAC层采用虚拟载波侦听（VCS）机制和竞争分辨协议来将冲突次数降到最低。收到一个前导序列后，接收器将尝试把帧控制恢复出来。帧控制指示该定界符是否为帧起始定界符、帧结束定界符或响应定界符。帧起始定界符指出其后的有效数据的持续时间，而其他定界符则隐含定义了传输结束的位置。因此，如果一个接收器可在定界符中译出帧控制信息，则它可确定通道将被此次传输所占用的时间长度，然后将它的VCS设定为直到这一时间结束为止。接收方常常通过在MAC层传送响应定界符来确认单点传送数据包。如果发送方未能收到确认信息，发送方将假定是因冲突导致传输失败。如果接收方没有足够的资源来处理该帧的信息，发送方也可以选择发送FAIL信号；或者也可通过发送NACK信号来表示收到的数据包中存在无法通过前向纠错（FEC）来予以纠正的错误。竞争分辨协议包括一个随机退出算法，以便将在通道繁忙时排队（或由于冲突而被重新传输）的帧的传输时间进行分散，同时也提供一个确保用户根据它们的优先级别来获得通道存取权的途径。当某一节点完成传输时，其他有排队数据包需要传输的节点用信号示意它们的优先级。用于此目的的信号使用开关键控，即使同时还有多个用户示意不同的优先级，其设计也使得具有最高优先级的用户可被轻松检测到。HomePlug技术中的介质存取控制协议是著名的冲突载波侦听多路存取协议（CSMA/CA）的一种变体，它增加了几个特性以支持优先级分类，提供公平性，并允许延迟控制。采用CSMA/CA意味着物理层必须支持突发传送和接收，即每个客户仅在有数据需要发送时才使能其发送，发送完毕后即关闭发送器并返回接收模式。（2）时隙选择如果正在排队的帧需要传送，在竞争分辨窗口中具有最高优先级的节点要选择一个时隙，如果在前一个时隙中没有其他节点开始传输，则它将发起一次传输作业。每个节点都随机地选择自己的时隙，尽管尝试获得通道使用权的努力常常会失败。如果某一节点在先前的一个竞争分辨窗口中伏先占用了一个时隙，则它将继续从停止的地方开始计算时隙，而非重新选择一个新的随机数值。这种做法提高了存取机制的公平性当某一节点想开始传输却未能识别来自另一节点的前导序列，或者竞争分辨窗口中最早被选择的时隙被一个以上的节点所选择时，便会产生冲突。前导序列设计的鲁棒性足以保证使其误码率降到很低，因而由此引起的冲突影响很小，第二种原因才是产生冲突的主要根源。分割和重组用于提高公平性和可靠性，并用来减小延迟。MAC也包含了一些特性，使得在没有较高优先级帧与其他节点排队时允许多个数据段以最小的延迟进行传输，它还提供了一种“无竞争存取”能力，此时对通道的存取可从一个节点传递到另一个节点。一种常见的误解是：基于竞争的存取机制在理论上有可能会导致无限制地延迟。实际上，在HomePlug的MAC层中，通过丢弃无法在应用服务要求的时间内传递的数据包这一措施，对延迟进行了限制。当客户首次加入一个逻辑网路时，通常要执行通道自适应作业，此后当出现作业超时或检测出通道传递函数的变化（变好或变差）时，也可能需要执行通道自适应作业。任何一个节点都可与它所在的逻辑网路上的任一其他节点发起一次通道自适应对话。这种自适应是一个双向的过程，它使得每一节点都向另一节点指出将在后续的有效数据传输中使用的载波、调制方式和FEC编码。在MAC层中使用的56位元数据加密标准（DES）可保证隐私性。同一给定逻辑网路上的所有节点都共享一个公共的加密密钥。密钥管理系统的特点使其可向缺乏I/O能力的节点分发密钥。HomePlug1.0的数据吞吐量的性能依赖于各个层的吞吐量。这里以下面三个层的数据吞吐量作为参考：•PHY层的吞吐量：在一个长帧中传输的有效载荷数据的速率；•MAC层的吞吐量：在一个以太网数据帧中传输的数据（字节）速率；•TPC层的吞吐量：在TCP中传输的有效载荷数据的速率。3.HomePlug1.0数据吞吐性能表4.1表示在不同调制和FEC方式下，物理层的最大吞吐量。这里假设84个子帧都被用来传输OFDM符号。调制FEC物理层吞吐量（Mbps）DQPSK3/4DQPSK3/4卷积码和RS码13.78DQPSK1/2DQPSK1/2卷积码和RS码9.19DBPSK3/4DBPSK卷积码和RS码4.59ROBODBPSK1/2卷积码和RS码，且比特重复4次1.02表4.1不同调制和FEC方式下物理层吞吐量表4.2表示各个层的最大吞吐量（使用DQPSK3/4）。吞吐量（Mbps）物理层吞吐量13.78MAC层吞吐量8.2TCP层吞吐量6.2表4.2各个层的最大吞吐量表4.3表示HomePlug和其他技术标准的吞吐量的对比。HomePlug10 Mbps以太网IEEE802.11bHomePNA(2Baud)HomePNA(4Baud)物理层13.7810111632MAC层8.29.87.4814.626.94.HomePlug1.0的不足电力线中存在很多噪声（干扰），这已对数据稳定传送和保持QoS带来了挑战。电力线在提供理想的性价比接入方法的同时，也采用了多载波正交频分复用来解决传输频带利用率和传输效果，但目前效果都不大。也正是未能克服这种噪声问题，HomePlug1.0标准的PLC数据率最高只能达到14 Mbps。这让电力线上网在家庭中的普及度还远远不如具备同样效能的无线局域网（WirelessLAN）。特别是在用电高峰易出现信号波动。与RJ45双绞线相比，家用电力线上一般会接入很多电器设备，这些设备插入或断开、开机或关闭电源，都可能导致电力线的电流和电压不断地变化，造成上网速度的减慢，如有时打开电视后会发现上网速度从2 Mbps一下跌到64 kbps甚至更低，就如墙壁对无线信号的影响一样。此外，电表（不同电表设备提供商的电表设备是不同的，易成为传输瓶颈或障碍）、泄漏（部分高频信号功率将以电磁波的形式辐射出去，干扰其他电器）和安全也在困扰着目前国内的PLC市场推广效果和用户满意度。这让与小灵通几乎同时期上市拓展的电力线上网屡遭挫折，无论国内外，其市场推广效果都与预期相距甚远。4.1.2HomePlugAV概述为了解决HomePlug1.0标准在PLC电力上网存在的问题，家庭插电联盟推出了HomePlugAV标准。相比HomePlug1.0，HomePlugAV不仅带宽更宽，而且稳定性也得到大幅的提升，未来通过大规模采用HomePlugAV将真正在家庭内部的电力线网络上构筑起高质量、多路媒体流、面向娱乐的网络，满足家庭数字多媒体传输与高速宽带上网的需要。根据HomePlugAV标准，实际应用中，数据的传输速度可达70～100Mbps。HomePlugAV标准还对QoS技术进行了规定，以便它能确保128位的AES编码的视频和音频正常传输，而且其安全性远超过HomePlug1.0所规定的56位的DES编码标准。HomePlugAV支持术能实现在同轴电缆、电话线，以及电力线上数据传输。HPAV的系统架构定义了两个平台：数据平台和控制平台。数据平台采用通用的分层方法，包括集中层（CL）和MAC层之间的M1接口和在MAC层和PHY之间的PHY接口。在控制层，和传统的分层不同MAC是单块的，在图4.3中显示的连接管理器（CM）是MAC的主要功能。控制平台所采用的方法提供了效率更高的处理技术以及更高的灵活性。虽然所有的基站都具有控制平台，但是在一个HPAV网络中有且只有一个中央控制程序实体是有效的。在H1（Host）接口之上的最高层实体（HLE）是为H1接口下边客户提供片外服务的一个桥（应用程序或服务器）。数据服务接入点（SAP）接收以太网格式数据包，所以所有基于协议IP的数据包都能被很容易地处理。因为HomePlugAV前向兼容