技 术 专 题: HOMEPLUG AV
什么是HOMEPLUG AV?
    简 介
    2000年3月,由Cisco、HP、Motorola及Intel等数十家企业共同成立HomePlug Powerline Alliance (家庭电力线网络联盟),以电力线架设局域网络的构想终于有了一致的标准和具体的进度。家庭电力线网络联盟随后在2001年6月发表电力线网络的第一份标准-HomePlug 1.0。
    2003年2月开始Homeplug AV制定工作,2005年8月,家庭电力线网络联盟批准了新的Homeplug AV 标准。Homeplug AV是家庭电力线网络联盟为了满足家庭数字多媒体传输的需要而制定的标准,能实现在电力线、电话线、以及同轴电缆上数据传输。作为下一代PLC宽带家庭网络技术规范,Homeplug AV是PLC有关音频-视频宽带家庭网络的技术规范,它支持多个数据和视频流的分配,包括遍布整个家庭的高清晰度电视(HDTV)和标准清晰度电视(SDTV),支持家庭娱乐应用,包括HDTV和家庭影院。
    Homeplug AV的目的是在家庭内部的电力线上构筑高质量、多路媒体流、面向娱乐的网络,专门用来满足家庭数字多媒体传输的需要。它采用先进的物理层和MAC层技术,提供200Mbps级的电力线网络,用于传输视频、音频和数据。

Homeplug AV产生背景
    Homeplug AV是由宽带电力线接入转变而来的,电力线是一种连接到家庭的宽带接入技术,它利用现有交流配电网的中、低压电力线路,传输和接入因特网的宽带数据业务。
    交流电力线是一种最困难的有线通信媒介,主要干扰通信传输和劣化通信信号的因素是各种来源众多的不可预知的干扰、衰减和失真,包括宽范围的阻抗变化、高衰减电平、多路径时延传播等等。例如:开关电源、电灯、电刷的火花噪声,静电噪声,电机、微波、变压器等引入的噪声;分支线路、配电盘、断路器、电感加热器等带来的衰减;不恒定的非线性电力负荷、阻抗失配等带来的失真。又如,因为电路分支和负载的互连几乎是随机的,因而家中任何两个电源插座之间的通路具有不可预知的传递函数,所以通路的幅度和相位响应随频率呈宽范围变化,幅值响应可能超过允许范围(其变化从几个dB到80dB以上);而且,在各种用电设备开机和关机时,通道响应还会随时间变化……
    因此HOMEPLUG AV技术就产生了,用同轴电缆代替电力线,信道起伏状态改善很多。物理层在2 ~ 28MHz频带范围内采用917个子载波和BPSK~1024QAM的调制方式,使物理传输速率达到200Mbps,信息速率可达150Mbps 。具有Tubo卷积码前向纠错、通道预估和自适应调制的能力。MAC层采用TDMA和CSMA/CA(载波侦听多址访问/冲突避免协议,前者用于支持高QoS连接,后者用于尽力而为和分优先级的业务。

Homeplug AV技术特征
    Homeplug AV能提供一种方便且低成本的方法,不用重新布线就能在家庭中分配HDTV。Homeplug AV 规格的目标包括提供高质量视频分配的最佳解决方案,并具有安全可靠的连接和内部的服务质量(QoS)保证,以确保广大用户体验到与其它家庭网络相比的价格竞争力。 HomePlugAV 兼容HomePlug 1.0。
    Homeplug AV的设计满足更高的带宽和更低的时延需求,以支持几个同时并发的HDTV和VoIP流,并且能同时使用家中90%的电源插座。其应用目标是家庭影院和数据网络环境下的家庭音-视频分配。为此, Homeplug AV在给定的频率范围内把香农定律用到了极限,它能在PHY层提供200Mbps等级的服务,考虑开销后,MAC层也能支持100Mbps以上的速率。
    Homeplug AV在物理层采用具有高级前向纠错、通道预估和自适应能力的OFDM。而在MAC层则综合使用具有QoS保证的TDMA时分多址有序接入和CSMA竞争接入两种方式,并通过快速自动重发请求(ARQ)可靠传送。
    Homeplug AV支持TDMA和FDMA,即兼容时分多址和频分多址,以便兼容BPL宽带接入。
    Homeplug AV协议栈支持多种上层协议,如802.3、 IP and UPNP。

Homeplug AV 结构模式

Homeplug AV的物理层
    Homeplug AV的物理层使用OFDM调制方式,它是将待发送的信息码元通过串并变换,降低速率,从而增大码元周期,以削弱多径干扰的影响。同时它使用循环前缀(CP)作为保护间隔,大大减少甚至消除了码间干扰,并且保证了各信道间的正交性,从而大大减少了信道间干扰。OFDM中各个子载波频谱有1/2重叠正交,这样提高了OFDM调制方式的频谱利用率。在接收端通过相关解调技术分离出各载波,同时消除码间干扰的影响。
    Homeplug AV在2-28MHz频段使用917个子载波;功率谱密度可编程,以满足不同国家的频率管制;每个子载波可以单独进行BPSK、QPSK、8QAM、16QAM、64QAM、256QAM和1024QAM 调制;采用Turbo FEC错误校验;物理层线路速率达到200Mbps,净荷为150Mbps,接近电力线信道的通信容量。

Homeplug AV的MAC层
    Homeplug AV设计了十分高效的MAC层,MAC层都采用Master-Slave 结构,支持基于工频周期同步机制的TDMA和CSMA。TDMA面向连接,提供QoS保障,确保带宽预留、高可靠性和严格的时延抖动控制。CSMA面向优先级,提供四级优先级,确保即插即用。工频周期同步机制确保良好的抗工频周期同步噪声的信道适应能力,如调光灯、充电器等产生的谐波。基于128位AES严格加密。中央协调者CCo(Central Coordinator)控制所在电力线网络设备的活动,并协调同相邻电力线网络的共存,以支持电力线宽带接入、多电力线网络运行和隐藏节点服务。
    MAC层的工作方式为CSMA,其工作原理是: 发送数据前先监听信道是否空闲,若空闲则立即发送数据,在发送数据时,边发送边继续监听,若监听到冲突,则立即停止发送数据,等待一段时间再重新尝试。由于采用了CSMA机制,当网络中HomePlug设备节点增加时,碰撞的几率会增加,数据传输的速率也会大大降低。所以在节点设备较少的家庭联网场合,它仍是一种很实用、很方便的技术,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,但同时也增强了该方案的抗干扰性能。
    Homeplug AV在同轴电缆上的传输完全采用HomePlug协议,只是修改了前端耦合等电路设计。同轴电缆的传输性能要好于电力线,像电磁兼容等原来在电力线上比较难以处理的问题也得到了很好的解决,数据流量性能也好于在电力线上传输的性能。金钱猫的双向网改方案便是利用同轴电缆的这一优质特性来进行网络改造。由于HomePlugAV在同轴电缆上的传输为多载波的OFDM有源调制方式,工作在2-28 MHz频段。虽然抗干扰较强,但当1点对多点通信时,也是要受到汇聚噪声的影响。


    Homeplug AV 工作方式
    双向网改造其物理层采用的是具有高级前向纠错、通道预估和自适应能力的OFDM调制方式,而在MAC层则综合使用具有QoS保证的TDMA时分多址有序接入和CSMA竞争接入两种方式,并通过快速自动重发请求(ARQ)可靠传送。
    基于Homeplug AV的金钱猫EOC产品去除低频干扰的频率后,在7.5-30MHz频段使用917个子载波;功率谱密度可编程,以满足不同国家的频率管制;每个子载波可以单独进行BPSK、QPSK、8QAM、16QAM、64QAM、256QAM和1024QAM 调制;采用Trbo FEC错误校验;物理层线路速率达到200Mbps,净荷为150Mbps,前同步码可被HomePlug 1.0设备检测,从而实现两者共存,但互操作是可选项。
    Homeplug AV的物理层使用OFDM调制方式,它是将待发送的信息码元通过串并变换,降低速率,从而增大码元周期,以削弱多径干扰的影响。同时它使用循环前缀(CP)作为保护间隔,大大减少甚至消除了码间干扰,并且保证了各信道间的正交性,从而大大减少了信道间干扰。当然,这样做也付出了带宽的代价,并带来了能量损失:CP越长,能量损失就越大。OFDM中各个子载波频谱有1/2重叠正交,这样提高了OFDM调制方式的频谱利用率。在接收端通过相关解调技术分离出各载波,同时消除码间干扰的影响。

主要应用目标
    分配高清晰度电视(HDTV)和标准清晰度电视(SDTV)
    交互式电视(IPTV)
    WiFi,UWB 和 无线 USB 的干线传送
    宽带高速率数据分配
    共享宽带因特网接入
    音频和视频流及其传送
    扩充无线LAN网的覆盖
    网络电话VoIP
    PC文件和应用共享
    打印机和外设共享
    网络和在线游戏
    保安监视

Homeplug AV 优缺点

优点
    系统工作于低频段,链路衰减较小,覆盖范围较大、可以通过分支分配器、放大器;
    由于采用1024QAM调制,系统总吞吐率较高,小字节(64字节)下仍然较好,可以达到19Mbps; 由于采用较多的抗干扰技术,系统在有线电视仿真网中抗干扰能力较强; 
    Intellon是最大的PLC芯片厂商,最近以2.4亿美金的价格被Atheros收购,而Atheros是在无线WIFI领域的领导厂商,具有雄厚的实力;2011年,Qualcomm公司又以31亿美元收购了Atheros。
    现网运营客户反映良好;
    缺点
    低频段频谱资源有限,系统不支持多信道工作,系统可扩展性不高,但是因为有后续的P1901芯片可以提供无缝升级,因此此问题不再明显;
    原芯片厂家不是提供交钥匙方案,因此系统软件需要自己开发的工作量较大,但这样反而设置了一定的门槛限制了研发实力较弱的小厂家进入,防止低层次竞争,目前使用Homeplug AV方案一般是较大的厂家,例如福建金钱猫电子科技有限公司。福建金钱猫是国内第一家开始研发基于homeplug AV芯片EOC技术的厂家,拥有雄厚的综合实力去进行开发应用。

Homeplug AV 未来发展方向
    Homeplug AV不仅是带宽更宽,而且稳定性也大幅提升,未来通过大规模采用Homeplug AV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。
    

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