制定基於电力线的HomePlug家庭乙太网路物理层规范.docx
《制定基於电力线的HomePlug家庭乙太网路物理层规范.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《制定基於电力线的HomePlug家庭乙太网路物理层规范.docx（8页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
制定基於电力线的HomePlug家庭乙太网路物理层规范
制定基於電力線的HomePlug家庭乙太網路物理層規範
關鍵字：
HomePlug homenetworking 電力線 PHY MAC
家庭網路的誘人前景曾激發了不少商業計劃，但是迄今為止所開發出來的實際產品不是性能有限，就是市場潛力不甚樂觀。
不過，目前在提高ASIC密度方面所取得的進展，使人們能夠融合複雜的信號處理技術，這使得藉由無線、電話線以及電力線來實現家庭乙太網路的想法成為一種可行的方案。
家庭網路與工作場所的網路需求不同。
二者相比，應用服務和數據的傳輸模式各不相同，傳輸介質更是不一樣。
家庭網路的用戶除希望在他們的電腦間進行文件傳輸並共享印表機等外部裝置，還會希望藉由網路閘道來擴大存取範圍，以便能夠在多個設備之間共享與網際網路的連接。
用戶們還將需要一些其他的服務，例如IP電話、用來娛樂的媒體流，以及對多人網路遊戲的支援。
雖然有些新建房屋使用的是適合乙太網路的第5類電纜，但大多數房屋並不具備這一條件。
電話線、無線或電力線在作為構建家庭網路的物理介質時各有不同的特性。
電力線無疑是其中最為困難的一種，但它卻有兩個非常誘人的特點。
第一，與電話線一樣，它不需要任何射頻轉換硬體，因此與無線方案相比其成本更低；而更重要的一點則是，電源出口幾乎無所不在，非常便於家中設備的上網。
為了消除用戶的疑惑和市場的混亂，業界一些領先的公司成立了‘HomePlug電力線聯盟’，希望能建立一個藉由電力線進行家庭上網的業界標準，同時也計劃開展一些實驗來驗証v1.0規範。
以電力線為傳輸介質的特點
在電力線上進行通訊的條件是比較嚴刻的。
家庭電力線上任意兩個出口之間的電氣通路的傳遞函數極其複雜，還有許多阻抗各不相同的終端負載。
這種網路的幅頻響應和相頻響應變化很大。
在某些頻率上，傳輸信號到達接收點時的損失可能相當小；而在另外一些頻率上，傳輸信號卻又可能被衰減到噪音位準之下。
更糟糕的是，傳遞函數還有可能會隨時間產生變化。
其原因可能是：
用戶在電力線上接入了一台新設備，或者接入電力線網路中的某些設備具有隨時間變化的阻抗（例如開關電源或電機）。
其結果則是，電力線出口之間的傳輸通道的特性可能會在一個較寬的範圍內產生變化。
在一些場合，某一頻帶或許能夠適應高品質的傳輸；而在其他場合下該通道傳輸數據的能力則可能相當有限。
一種自適應方法
針對上述的頻率變化，為了有效地利用傳輸介質，必須採用一種自適應方法，以便以某種方式來補償通道的傳遞函數。
HomePlug技術包含一種有效可靠的方法，可執行通道自適應作業以便在典型通道上取得高數據率，但它將調節位元速率以適應狀況較差的通道。
除了傳遞函數問題之外，同樣重要的是必須考慮干擾問題。
大部份的嚴重干擾並不具有類似於接收器前端所產生的高斯白噪音那樣的易於分析的特性。
相反，這些干擾在本質上可能是衝擊型的，或與頻率有關，也可能二者兼有。
典型的噪音源有電刷電動機、螢光燈和鹵光燈、開關電源以及調光開關等。
此外，業餘波段無線電發射機等也是很重要的噪音來源。
這些不同的干擾對網路的影響會使接收到的數據中出現不少必須予以糾正的誤碼。
HomePlug技術中包含有精確的前向糾錯（FEC）、交織、錯誤檢測和自動重覆請求（ARQ），以確保通道對於網路層協議完全可靠。
另一個必須考慮的因素是電力線分佈的拓樸結構。
在美國，典型的情況是一個分配變壓器為數量相對較少的幾個家庭（大約為六個）供電。
這個分配變壓器將電力線聯網信號與主高壓輸電網有效地隔離開來，但它基本上並不能防止在一個家庭產生的信號被傳送到另一個家庭中去。
因此，在一個家庭產生的聯網信號可能會出現在另一個家庭的電力線上（儘管已經衰減了），就像在無線系統中那樣，這引起了人們對隱私問題的迫切關注。
多年來，生產1MHz以下低速電力線上網設備的廠商們一直在致力於克服電路斷路器和兩相電力分配帶來的不利影響。
電路斷路器在這些設備所利用的頻帶中有較大的衰減，因此從某一電路到其它電路的路徑可能要經歷比在同一電路中的路徑更大的衰減。
此外，許多家庭中都有兩相電力線，除了在分配變壓器處之外，在某些電路之間可能沒有其它物理連接。
這些電路之間的電力線通訊依賴於它們之間的耦合，在頻率低於1MHz時這很容易產生20dB的損失。
所幸的是，在HomePlug信號所佔據的頻帶內由電路斷路器和相鄰耦合所引起的損失並不嚴重，通常只會導致幾個dB的損耗。
HomePlug概述
任何能夠在電力線這種介質上進行可靠通訊的可行方案都必須包含一個具有魯棒性的物理層（PHY）和一個有效的介質存取控制（MAC）協議。
MAC協議負責控制介質在多客戶之間的共享，而物理層則指定調變、編碼和數據的基本分組格式。
HomePlug的物理層採用正交頻分再使用（OFDM）作為基本的傳輸技術。
OFDM技術非常有名，目前在DSL技術和電視信號的陸上無線分配中得到廣泛應用。
不過，與這些技術相比，HomePlug採用的OFDM是一種突發模式（Burstmode），而非連續模式（Continuousmode）。
對於需要傳輸的有效數據，Homeplug採用了級聯Viterbi和ReedSolomon前向糾錯以及交織技術；對敏感的控制數據域則採用了透平乘積編碼（TPC）技術。
HomePlug技術中的介質存取控制協議是有名的防衝突載波偵聽多路存取協議（CSMA/CA）的一種變體。
它增加了幾個特性以支援優先級分類，提供公平性，並允許延遲控制。
採用CSMA/CA意味著物理層必須支援突發傳送和接收，即每個客戶僅在有數據需要發送時才使能其發送，發送完畢後即關閉發送器並返回接收模式。
OFDM將高速數據流分解成多路平行位元流進行傳輸，每路位元流的位元速率相對較低。
隨後，各路位元流對一組頻率緊湊的載波之一進行調變。
載波的正交性是藉由選擇使其頻距等於各路載波位元速率的倒數來實現的，實際結果是：
如果我們在等於一個獨立載波位元速率的時間跨度上對接收到的波形進行FFT變換，則在FFT的輸出中各點的值僅僅是一個對相應載波進行調變的位元的函數，而與調變任何其他載波的數據無關。
當載波之間的頻距足夠小，使得在載波所佔據的頻帶範圍內通道的響應相對?
定時，通道均衡變得比較容易。
在頻域中實現均衡時，可藉由對從每一載波中恢復的符號使用一個複常數值進行簡單加重而完成。
對於各個載波可以採用多種不同的調變方法。
在HomePlug技術中完全不需要均衡處理，因為它採用了差分四相相移鍵控調變（DQPSK），數據被編碼為同一子載波上當前符號與前一符號之間的相位差（見圖1）。
在相位可能產生迅速變化的場合，差分調變可以提高性能。
與DSL不同，HomePlug並不採用較高階的正交調幅（QAM）。
數據包相對較短，對通道增益和載波相位進行評估和測定所需的開銷是以降低性能為代價的，而不僅僅損失調變效率。
OFDM波形通常由FFT反變換產生，在這一變換中，頻域中的點由調變各載波的複數符號集組成。
逆FFT變換的結果稱為OFDM符號。
每個符號的持續時間等於子載波頻距的倒數，並且通常與數據率相比是一個較長的時間。
在接收器端，數據可藉由一個正向FFT變換進行恢復，變換回頻域。
圖2顯示了頻域和時域之間進行轉換的過程。
注意在時域波形中也包含有一個周期性的前綴，它實質上是對最後幾毫秒OFDM符號的重覆。
由於通道延遲對頻率並不?
定，這個周期性前綴的目的是為了吸收通道延遲引起的符號間干擾。
如果沒有這個周期性的前綴，FFT中使用的一些樣點將可能包含來自前面或後面的OFDM符號的能量。
如果周期性前綴與頻帶內最壞情況下的延遲一樣長，那麼等到前綴結束後再開始採樣用於FFT變換的樣點時，就可確保FFT沒有受到相鄰符號的損傷。
HomePlug的數據包由OFDM符號產生，包括一個訊框起始定界符、一組有效數據和一個訊框結束定界符（見圖3）。
對於單點傳輸，接收方藉由傳送一個響應定界符來表示接收狀態（ACK、NACK或FAIL）。
定界符包含一個前導系列，後面跟隨一個TPC編碼的訊框控制域。
前導系列用來提供良好的相關性，即使存在著較強的干擾而同時又對接收器和發送器之間的傳遞函數缺乏了解，也能使每個接收器都能可靠地檢測出定界符。
訊框控制包含MAC層管理資訊（例如數據包長度和響應狀態）。
訊框控制中採用的低速率TPC和交織提供了對頻率選擇性衰落和寬頻干擾的有效克服。
三類定界符全都具有同樣的結構，但定界符中所攜帶的數據則視定界符的功能而異。
與定界符不同，數據包的有效數據部份只用於目標接收器。
有效數據僅由收發雙方在通道適應過程中預先約定的一組載波攜帶。
由於僅僅使用了位於通道傳遞函數中‘好’的頻段部份的載波，因此無需採用在對所有接收器進行傳輸時才需要的那種相當嚴格的糾錯編碼。
對通道的適應和對單點傳輸有效數據編碼的簡化加在一起，使HomePlug能夠在電力線上取得高數據率。
通道適應包括三項選擇自由：
*不選擇位於較差頻段上的載波；
*對各載波調變方式的選擇（BPSK或DQPSK）；
*對卷積碼速率的選擇（1/2或3/4）。
除了上述選項以外，有效數據還可採用ROBO模式進行發送。
這是一種具有高度魯棒性的模式，它使用所有的載波，對其進行DBPSK調變，並採用帶位重覆和交織的重糾錯碼。
ROBO模式不進行載波選擇，因而可為所有接收器接收。
這種模式用於在未執行過通道自適應作業的元件之間進行多點傳送；或者在通道條件很差的情況下進行單點傳送，此時與選擇部份載波並使用輕糾錯碼的模式相比，ROBO模式可提供更高的數據吞吐率。
HomePlug物理層佔用了從約4.5MHz至21MHz的頻帶。
物理層在業餘無線頻段降低了發送器的功率譜密度，以便將從電力線輻射到這些系統中的干擾能量降低到最小。
採用DQPSK調變並使用所有載波時，總位元速率為20Mbps。
從物理層傳遞到MAC層的位元速率為大約14Mbps。
MAC層
HomePlug的傳輸格式如圖3所示。
MAC層採用虛擬載波偵聽（VCS）機制和競爭分辨協議來將衝突次數降到最低。
收到一個前導序列後，接收器將嘗試把訊框控制恢復出來。
訊框控制指示該定界符是否為訊框起始定界符、訊框結束定界符或響應定界符。
訊框起始定界符指出其後的有效數據的持續時間，而其他定界符則隱含定義了傳輸結束的位置。
因此，如果一個接收器可在定界符中譯出訊框控制資訊，則它可確定通道將被此次傳輸所佔用的時間長度，然後將它的VCS設定為直到這一時間結束為止。
如果它不能將訊框控制資訊譯出，則接收器必須假定傳送的是一個最大長度的數據包，並據此相應設定VCS。
在這種情況下它有可能在隨後接收到一個訊框結束定界符從而得以修正其VCS。
接收方常常藉由在MAC層傳送響應定界符來確認單點傳送數據包。
如果發送方未能收到確認資訊，它將假定是因衝突導致傳輸失敗。
如果接收方沒有足夠的資源來處理這訊框資訊，它也可以選擇發送FAIL信號；或者也可藉由發送NACK信號來表示收到的數據包中有無法藉由前向糾錯（FEC）來予以糾正的錯誤。
競爭分辨協議包括一個隨機退出算法，以便將在通道繁忙時排隊（或由於衝突而被重新傳輸）的訊框的傳輸時間進行分散，同時也提供一個確保用戶根據它們的優先級別來獲得通道存取權的途徑。
當某一節點完成傳輸時，其它有排隊數據包需要傳輸的節點用信號示意它們的優先級（在圖3中是以PRS0和PRS1表示）。
用於此一目的的信號使用開?
關鍵控，即使同時還有多個用戶示意不同的優先級，其設計也使得具有最高優先級的用戶可被輕鬆檢測到。
時隙選擇
如果正在排隊的訊框需要傳送，在競爭分辨窗口中具有最高優先級的節點要選擇一個時隙，如果在前一個時隙中沒有其它節點開始傳輸，則它將發起一次傳輸作業。
每個節點都隨機地選擇自己的時隙，儘管嘗試獲得通道使用權的努力常常會失敗。
如果某一節點在先前的一個競爭分辨窗口中先佔用了一個時隙，則它將繼續從停止的地方開始計算時隙，而非重新選擇一個新的隨機數值。
這種做法提高了存取機制的公平性。
當某一節點想開始傳輸卻未能識別來自另一節點的前導序列，或者競爭分辨窗口中最早被選擇的時隙被一個以上的節點所選擇時，便會產生衝突。
前導序列設計的魯棒性足以保証使其誤碼概率很低，因而由此引起的衝突影響很小，第二種原因才是產生衝突的主要根源。
分割和重組用於提高公平性和可靠性，並用來減小延遲。
MAC也包含了一些特性，使得在沒有較高優先級訊框與其它節點排隊時允許多個數據段以最小的延遲進行傳輸，它還提供了一種‘無競爭存取’能力，此時對通道的存取可從一個節點傳遞到另一個節點。
一種常見的誤解是：
基於競爭的存取機制在理論上有可能會導致無限制的延遲。
實際HomePlug的MAC層中，藉由丟棄無法在應用服務要求的時間內傳遞的數據包這一措施，對延遲進行了限制。
據顯示，採用這種方法時，丟棄的HomePlug數據包的比例足夠低，因而可為VoIP或媒體流等低延遲應用所接受。
這個特徵與優先級類別相結合，使HomePlug非常適合於具有QoS要求的應用。
當客戶首次加入一個邏輯網路時，通常要執行通道自適應作業，此後當出現作業超時或檢測出通道傳遞函數的變化（變好或變差）時，也可能需要執行通道自適應作業。
任何一個節點都可與它所在的邏輯網路上的任一其它節點發起一次通道自適應對話。
這種自適應是一個雙向的過程，它使得每一節點都向另一節點指出將在後續的有效數據傳輸中使用的載波、調變方式和FEC編碼。
在MAC層中使用的56位元數據加密標準（DES）可保証隱私性。
同一給定邏輯網路上的所有節點都共享一個公共的加密密鑰。
密鑰管理系統的特點使其可向缺乏I/O能力的節點分發密鑰。
關於HomePlug電力線聯盟
HomePlug電力線聯盟是一個非營利性的機構，其成立是為了給高速家庭電力線聯網產品和服務制定開放規範提供一個論壇。
該聯盟成員必須簽署‘採納者?
參與者協議’，並繳納會員費用。
升级会员 