下一代家庭寬帶互聯(lián)技術簡述

【摘要】本文分析家庭互聯(lián)的現(xiàn)狀和主要寬帶互聯(lián)技術，總結下一代家庭寬帶互聯(lián)技術的融合發(fā)展趨勢?！娟P鍵詞】G.hn1901MoCAWLAN融合

Introduction of next generation broadband home interworking technologies Xu Ming， Zhu Yue， Ma Zhuang， Zhang Weiliang

ZTE Corporation， Shanghai， 201203， China

Abstract： This dissertation analyzes the current status and related technologies of broadband home interworking， and summarizes the convergence trend of next generation home interworking technologies.

Keywords： G.hn，1901，MoCA，WLAN，convergence

一、家庭終端和互聯(lián)技術的發(fā)展

從早期的單一接入設備連接單一終端開始，家庭網(wǎng)絡逐步向多終端互聯(lián)、多業(yè)務共享發(fā)展，家庭網(wǎng)絡的這種發(fā)展趨勢不但對家庭互聯(lián)技術的多樣性提出了要求，同時也對家庭網(wǎng)絡互聯(lián)技術的高帶寬、高可靠性也提出了較高的要求。例如，家庭電視機不再局限于連接同軸的有線電視，可以播放IPTV，可以播放互聯(lián)網(wǎng)視頻，但是電視機后面缺少五類線接口，為電視機臨時部署五類線會給用戶帶來很大的麻煩，需要考慮通過其他互聯(lián)介質實現(xiàn)電視機與網(wǎng)絡的連接，其中電力線、無線是可選介質。另外，多房間的視頻分發(fā)，平板電腦、智能手機等移動終端的始終在線等應用需求，都給家庭互聯(lián)帶來較大的挑戰(zhàn)。

家庭互聯(lián)介質主要包括五類線、電話線、同軸、電力線、無線等，各種家庭互聯(lián)介質各有優(yōu)缺點，例如五類線技術成熟，但是布線不能完全覆蓋家庭，而且早期家庭的電視機后面普遍未安裝五類線接口；無線無需布線，但是穿墻能力弱，穩(wěn)定性不好。各種家庭互聯(lián)介質的優(yōu)缺點如表1所示。

在不同的家庭互聯(lián)介質上，可以應用多種互聯(lián)技術，如可用于電話線、同軸、電力線的ITU-T G.hn[1][2]、可用于電力線的IEEE 1901[3]、可用于同軸的MoCA[4][5]、基于無線的IEEE 802.11[6][7][8]、可用于五類線、同軸、電力線、無線的IEEE P1905.1[9]等。下面詳細介紹各種互聯(lián)技術。

二、家庭寬帶互聯(lián)技術總覽

2.1ITU-T G.hn

ITU-T G.hn標準于2010年6月正式通過3個主要標準：G.9960（Architecture and PHY layer）、G.9961（DLL layer）、G.9972（Coexistence），2011年12月通過了G.9962（Management）、G.9963（MIMO）和G.9961增補（鄰居網(wǎng)絡干擾減輕）。

ITU-T G.hn是一種支持電力線、電話線、同軸電纜的家庭寬帶互聯(lián)技術，在三種介質上提供統(tǒng)一的PHY、MAC、管理平面和API，支持三種介質融合組網(wǎng)。ITU-T G. hn網(wǎng)絡結構模型如圖1所示，可以由一個或多個域組成，不同域之間通過域間網(wǎng)橋（IDB）實現(xiàn)互聯(lián)，通過網(wǎng)橋連接外部域（如一個WLAN/以太網(wǎng)家庭網(wǎng)絡或DSL/PON接入網(wǎng)絡），其中全局管理功能負責在各個域間協(xié)調各種資源，如帶寬預留、流量優(yōu)先級和運行特性等，并且傳遞由遠程管理系統(tǒng)（如Broadband Forum TR-069）發(fā)起的相關功能。一個ITU-T G.hn域中的節(jié)點一般工作在同一種介質上，其中的一個節(jié)點作為域主節(jié)點，控制域內的成員及資源。

2.2IEEE 1901

IEEE 1901是IEEE標準組織制定的電力線通信標準，適用家庭內部互聯(lián)以及寬帶接入，以HomePlug AV和HD-PLC為基礎，并擴展了TDMA、QoS、鄰居網(wǎng)絡共存、安全增強等新特性，支持2-30、2-50MHz頻段，物理層速率可達500Mbps，于2007年發(fā)布初稿，2010年9月20日標準正式通過。目前HomePlug AV2和第三代HD-PLC正在不斷改進中。

IEEE 1901網(wǎng)絡由BSS（Basis Service Set）組成，如圖2所示，每個BSS由多個站點STA組成，其中的一個站點為BM（BSS manager）。

STA能力分為Level-0、1、2三個等級，Level-0能力包括：關聯(lián)并認證新STA、為新STA分配TEI（終端設備標識符）、支持CSMA-Only工作模式，可以被動接受鄰居網(wǎng)絡的資源調配，Level1、2能力支持TDMA、協(xié)調鄰居網(wǎng)絡等功能。所有STA必須具有成為BM的能力，BSS內部各STA支持點對點通信。BM除了支持普通STA的功能外，還要承擔BSS安全認證、QoS資源調度、鄰居網(wǎng)絡等工作。

IEEE 1901標準采用了Turbo編碼和Windowed OFDM調制，以及Turbo-CC編碼和Wavelet OFDM調制，分別兼容現(xiàn)有的HomePlug AV和HD-PLC。Turbo編碼具有良好的編碼效率和糾錯能力，承擔系統(tǒng)的前向糾錯功能。Windowed OFDM具有靈活的頻譜開槽能力，Wavelet OFDM的優(yōu)勢是可以提高頻率開槽效率，提高信噪比，降低系統(tǒng)功耗。

IEEE 1901的組播的實現(xiàn)方式有：重復多次、組播轉單播和代理確認，重復多次方式簡單，缺點是無法確認接收是否成功，組播轉單播方式可以確認接收是否成功，但是帶寬浪費明顯，代理確認綜合考慮了帶寬效率和確認因素。

IEEE1901定義了三種安全模式：DSNA，PSNA，RSNA。DSNA和PSNA采用了CBC加密模式，兩者方式的區(qū)別是加密處理的包封裝流程不同。RSNA采用了CCM加密模式，結合了CBC和CTR加密模式的優(yōu)點，在加密、包完整性、身份鑒別等方面更加完善，其中可以選擇802.1x等企業(yè)級技術進行集中認證控制。

IEEE 1901定義了ISP（Inter-System Protocol）和CXP（Coexistence Protocol）兩種共存機制，其中ISP允許符合1901 Access、1901 wavelet、1901 FFT和ITU-T G.hn等采用OFDM調制的設備實現(xiàn)共存，按照共存系統(tǒng)簡單分配時隙，實現(xiàn)簡單的資源共享。CXP可以協(xié)調滿足共存系統(tǒng)的具體資源需求，提高各類協(xié)議的資源共享效率，支持4種模式：FDM，TDM，No Acces，No In-home。

2.3MoCA

MoCA（Multimedia over Coax Alliance，同軸電纜多媒體聯(lián)盟）成立于2004年1月，以同軸電纜為介質傳遞多媒體視頻信息。2006年3月，MoCA發(fā)布MAC/PHY v1.0標準，MAC層速率135Mbps。

2007年底，MoCA聯(lián)盟批準通過了MoCA1.1標準，把MAC層速率提高到175Mbps，并為多媒體業(yè)務提供更好的QoS。除技術標準之外，MoCA還發(fā)布了認證測試計劃和程序，用于設備互操作認證。2010年，MoCA發(fā)布了MoCA2.0，支持多信道Bonding，將MAC層速率提升到400Mbps以上。

MoCA一般使用860～1500MHz頻段，每個信道帶寬為50MHz，共有15個頻道，每個信道最多支持32個設備節(jié)點。MoCA采用RS編碼和bitloaded OFDM調制，bitloaded OFDM采用預均衡（Pre-Equlization）和多音頻調制（multi-tone modulation），預均衡可以用于補償發(fā)射機中的線性和非線性失真，以獲得優(yōu)化發(fā)射信號質量，簡單的FEC（forward error correction）就可以得到視頻質量的BER。OFDM每個載波最高可進行256QAM調制，隨著鏈路損耗的加大或鏈路SNR的降低，依次降低為64QAM、32QAM、16QAM、8QAM、QPSK、BPSK調制方式。

MoCA采用動態(tài)發(fā)射功率控制（dynamic transmitter power control）用來優(yōu)化發(fā)射功率。MoCA有幾個等級的功率控制，使用開環(huán)機制，在許可期間有一個粗的功率調整。在位加載（bitloading）的時候有一個精細的功率調整。最后，一個周期性的閉環(huán)過程用來調整功率等級，保證包差錯率最小。MoCA使用TDMA調度資源，支持兩種基于優(yōu)先級和參數(shù)化兩種QoS調度方法，采用Probing機制優(yōu)化每個連接的性能。

2.4IEEE 802.11系列

IEEE 802標準化委員會于1990年成立IEEE 802.11無線局域網(wǎng)（WLAN）標準工作組，負責制定WLAN的相關標準，主要包括物理層和MAC層，并用于解決不同WLAN設備之間的兼容性問題。經(jīng)過二十多年的發(fā)展，IEEE 802.11標準工作組發(fā)展完善了一系列標準，其中具有較大影響力以及應用較為廣泛的是802.11a、802.11b、802.11g、802.11n等，這些技術之間的對比情況見表2。

目前，IEEE 802.11標準工作組的主要工作及進展如圖3所示，其中802.11ac和802.11ad等基礎協(xié)議已經(jīng)進入了郵件投票或者贊助商投票階段，目前活動比較積極的工作組為802.11ai（Fast Initial Link Setup），802.11ah（Sub 1GHz）等工作組。

802.11n結合了包括Spatial Multiplexing MIMO（空間多路復用多入多出）、OFDM、20和40MHz信道、雙頻帶（2.4GHz和5GHz）等多種技術，可實現(xiàn)高達600Mbps的速率，同時又能與以前的IEEE 802.11b/g設備通信。

802.11ad工作在60GHz（典型范圍在57-66GHz范圍內），帶寬可達6.7Gbps，用于實現(xiàn)家庭內部無線高清音視頻信號的傳輸，支持2.4/5/60 GHz多頻帶之間的快速會話轉換，支持統(tǒng)一靈活的beamforming，支持無壓縮視頻的傳輸。

2.5IEEE P1905.1

IEEE P1905.1工作組于2011年12月一致通過了異構技術匯聚數(shù)字家庭網(wǎng)絡（Convergent Digital Home Network for Heterogeneous Technologies）的P1905.1標準草案。IEEE P1905.1定義的軟件抽象層，可以為IEEE 1901（HomePlug）、IEEE 802.11（Wi-Fi）、IEEE 802.3（以太網(wǎng)）及MoCA 1.1的兼容設備提供通用的數(shù)據(jù)和控制服務訪問點，提升產(chǎn)品互操作性；有線和無線網(wǎng)絡技術的結合改善家庭網(wǎng)絡的容量、覆蓋范圍和穩(wěn)定性。將該軟件抽象層整合至游戲機、網(wǎng)絡接取儲存設備、藍光光驅、電視、機上盒或是寬帶路由器等固定式裝置，以及筆記本計算機、平板設備、智能手機等移動設備，可以提供家用的單一復合式網(wǎng)絡方案。

IEEE P1905.1的軟件抽象層位于OSI七層模型第二層中的MAC和LLC層之間，為LLC層提供統(tǒng)一的接口，MAC層和PHY層保持IEEE 1901、IEEE 802.11、IEEE 802.3以及MoCA 1.1的技術不變，抽象層可以匯聚可用的帶寬，實現(xiàn)無縫的融合。具體框架如圖4所示：

支持IEEE P1905.1標準的混合家庭網(wǎng)絡設備能夠與升級后的IEEE P1905.1兼容設備進行簡易的自動配置和認證過程，并為新設備加入網(wǎng)絡、安全鏈路建立、QoS和網(wǎng)絡管理提供統(tǒng)一的建立過程。智能的路徑選擇和故障轉移功能，可以增加整個家庭網(wǎng)絡的穩(wěn)定性，兩個IEEE P1905.1的設備通過兩種底層鏈路接口連接的路徑選擇應用場景如圖5所示，可以使用數(shù)據(jù)速率高的鏈路來傳輸高清視頻流，數(shù)據(jù)速率低的鏈路傳輸標清視頻流，實現(xiàn)負載均衡。當一條鏈路下降或擁塞時，可以無縫地切換到備用鏈路以避免網(wǎng)絡中斷，增加用戶體驗。

IEEE P1905.1標準提供的AP自動配置過程如圖6所示，設備a是支持PLC和WiFi的家庭網(wǎng)關，設備b是PLC設備，設備c是支持PLC和WiF的擴展設備。當設備c連接到家庭網(wǎng)絡時，使用IEEE P1905.1的有線鏈路進行IEEE P1905.1的認證。一旦設備c的抽象層被認證過后，就可以自動地從網(wǎng)關上獲取需要的WiFi參數(shù)并配置WiFi接口，為網(wǎng)關提供擴展的覆蓋范圍，使用與網(wǎng)關相同的SSID，相同的安全機制和加密密鑰。

服務提供商使用TR-069接入IEEE P1905.1的家庭網(wǎng)關，可以查詢網(wǎng)關上IEEE P1905.1數(shù)據(jù)庫，獲得網(wǎng)絡性能診斷信息。數(shù)據(jù)庫中的拓撲信息，用戶可以本地獲取，服務提供商也可以遠程獲取拓撲信息用于監(jiān)控和故障管理。

HomePlug聯(lián)盟對IEEE 1901電力線網(wǎng)絡標準將涵蓋在IEEE P1905.1標準中表示歡迎，也承諾將支持未來復合式網(wǎng)絡產(chǎn)品的認證、互通性以及推廣。IEEE P1905.1已經(jīng)獲得產(chǎn)業(yè)界跨領域的廠商支持，包括服務供貨商、產(chǎn)品制造商與芯片廠商。由于該標準是以軟件層的形式存在，上市時程預期會縮短。

三、小結

在所有的有線寬帶家庭互聯(lián)技術中，G.hn是唯一一個定義了適用多種互聯(lián)介質的物理層和MAC層標準，這反映了ITU-T融合家庭互聯(lián)、統(tǒng)一家庭互聯(lián)標準的決心。IEEE P1905.1從另外一個角度，以IEEE相關標準802.3（Ethernet）、IEEE 1901（Homeplug AV）、802.11（WLAN）為基礎，融合了北美標準MoCA，在這些互聯(lián)技術基礎上，定義了一個抽象層，實現(xiàn)這些互聯(lián)技術在家庭內部的融合組網(wǎng)，不僅可以進行路徑優(yōu)選提高可靠性，還可以多路徑綁定提高帶寬，為多種異構互聯(lián)技術的融合組網(wǎng)提供了很好的思路。各種家庭互聯(lián)技術之間的比較如表3所示。

家庭終端的多樣性、移動性以及視頻業(yè)務高速發(fā)展，對家庭網(wǎng)絡的覆蓋、帶寬提出了很高的要求，某一種家庭互聯(lián)技術將很難滿足所有的要求，家庭互聯(lián)技術的融合組網(wǎng)將是打造家庭網(wǎng)絡穩(wěn)定、可靠200Mbps帶寬的基礎，也是家庭網(wǎng)絡未來的發(fā)展方向。

參考文獻

[1] ITU-T G.9960， Unified high-speed wire-line based home networking transceivers - System architecture and physical layer specification

[2] ITU-T G.9961， Unified high-speed wire-line based home networking transceivers - Data link layer specification

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[7] Draft P802.11ac_D2.0， Wireless LAN Medium Access Control （MAC） and Physical Layer （PHY） specifications

[8] Draft P802.11ad_D4.0， Wireless LAN Medium Access Control （MAC） and Physical Layer （PHY） Specifications

[9] IEEE P1905.1， Draft Standard for Convergent Digital Home Network for Heterogeneous Technologies