下一代家庭寬帶互聯(lián)技術(shù)簡(jiǎn)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(shù)，總結(jié)下一代家庭寬帶互聯(lián)技術(shù)的融合發(fā)展趨勢(shì)?！娟P(guān)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(shù)的發(fā)展

從早期的單一接入設(shè)備連接單一終端開始，家庭網(wǎng)絡(luò)逐步向多終端互聯(lián)、多業(yè)務(wù)共享發(fā)展，家庭網(wǎng)絡(luò)的這種發(fā)展趨勢(shì)不但對(duì)家庭互聯(lián)技術(shù)的多樣性提出了要求，同時(shí)也對(duì)家庭網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)的高帶寬、高可靠性也提出了較高的要求。例如，家庭電視機(jī)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(jī)后面缺少五類線接口，為電視機(jī)臨時(shí)部署五類線會(huì)給用戶帶來很大的麻煩，需要考慮通過其他互聯(lián)介質(zhì)實(shí)現(xiàn)電視機(jī)與網(wǎng)絡(luò)的連接，其中電力線、無線是可選介質(zhì)。另外，多房間的視頻分發(fā)，平板電腦、智能手機(jī)等移動(dòng)終端的始終在線等應(yīng)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(zhì)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(zhì)各有優(yōu)缺點(diǎn)，例如五類線技術(shù)成熟，但是布線不能完全覆蓋家庭，而且早期家庭的電視機(jī)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(zhì)的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

在不同的家庭互聯(lián)介質(zhì)上，可以應(yīng)用多種互聯(lián)技術(shù)，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(xì)介紹各種互聯(lián)技術(shù)。

二、家庭寬帶互聯(lián)技術(shù)總覽

2.1ITU-T G.hn

ITU-T G.hn標(biāo)準(zhǔn)于2010年6月正式通過3個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)：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(bǔ)（鄰居網(wǎng)絡(luò)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(shù)，在三種介質(zhì)上提供統(tǒng)一的PHY、MAC、管理平面和API，支持三種介質(zhì)融合組網(wǎng)。ITU-T G. hn網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，可以由一個(gè)或多個(gè)域組成，不同域之間通過域間網(wǎng)橋（IDB）實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，通過網(wǎng)橋連接外部域（如一個(gè)WLAN/以太網(wǎng)家庭網(wǎng)絡(luò)或DSL/PON接入網(wǎng)絡(luò)），其中全局管理功能負(fù)責(zé)在各個(gè)域間協(xié)調(diào)各種資源，如帶寬預(yù)留、流量?jī)?yōu)先級(jí)和運(yùn)行特性等，并且傳遞由遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)（如Broadband Forum TR-069）發(fā)起的相關(guān)功能。一個(gè)ITU-T G.hn域中的節(jié)點(diǎn)一般工作在同一種介質(zhì)上，其中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為域主節(jié)點(diǎn)，控制域內(nèi)的成員及資源。

2.2IEEE 1901

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

IEEE 1901網(wǎng)絡(luò)由BSS（Basis Service Set）組成，如圖2所示，每個(gè)BSS由多個(gè)站點(diǎn)STA組成，其中的一個(gè)站點(diǎn)為BM（BSS manager）。

STA能力分為L(zhǎng)evel-0、1、2三個(gè)等級(jí)，Level-0能力包括：關(guān)聯(lián)并認(rèn)證新STA、為新STA分配TEI（終端設(shè)備標(biāo)識(shí)符）、支持CSMA-Only工作模式，可以被動(dòng)接受鄰居網(wǎng)絡(luò)的資源調(diào)配，Level1、2能力支持TDMA、協(xié)調(diào)鄰居網(wǎng)絡(luò)等功能。所有STA必須具有成為BM的能力，BSS內(nèi)部各STA支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。BM除了支持普通STA的功能外，還要承擔(dān)BSS安全認(rèn)證、QoS資源調(diào)度、鄰居網(wǎng)絡(luò)等工作。

IEEE 1901標(biāo)準(zhǔn)采用了Turbo編碼和Windowed OFDM調(diào)制，以及Turbo-CC編碼和Wavelet OFDM調(diào)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(cuò)能力，承擔(dān)系統(tǒng)的前向糾錯(cuò)功能。Windowed OFDM具有靈活的頻譜開槽能力，Wavelet OFDM的優(yōu)勢(shì)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(shí)現(xiàn)方式有：重復(fù)多次、組播轉(zhuǎn)單播和代理確認(rèn)，重復(fù)多次方式簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是無法確認(rèn)接收是否成功，組播轉(zhuǎn)單播方式可以確認(rèn)接收是否成功，但是帶寬浪費(fèi)明顯，代理確認(rèn)綜合考慮了帶寬效率和確認(rèn)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(jié)合了CBC和CTR加密模式的優(yōu)點(diǎn)，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(jí)技術(shù)進(jìn)行集中認(rèn)證控制。

IEEE 1901定義了ISP（Inter-System Protocol）和CXP（Coexistence Protocol）兩種共存機(jī)制，其中ISP允許符合1901 Access、1901 wavelet、1901 FFT和ITU-T G.hn等采用OFDM調(diào)制的設(shè)備實(shí)現(xiàn)共存，按照共存系統(tǒng)簡(jiǎn)單分配時(shí)隙，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的資源共享。CXP可以協(xié)調(diào)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(zhì)傳遞多媒體視頻信息。2006年3月，MoCA發(fā)布MAC/PHY v1.0標(biāo)準(zhǔn)，MAC層速率135Mbps。

2007年底，MoCA聯(lián)盟批準(zhǔn)通過了MoCA1.1標(biāo)準(zhǔn)，把MAC層速率提高到175Mbps，并為多媒體業(yè)務(wù)提供更好的QoS。除技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之外，MoCA還發(fā)布了認(rèn)證測(cè)試計(jì)劃和程序，用于設(shè)備互操作認(rèn)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(gè)信道帶寬為50MHz，共有15個(gè)頻道，每個(gè)信道最多支持32個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)。MoCA采用RS編碼和bitloaded OFDM調(diào)制，bitloaded OFDM采用預(yù)均衡（Pre-Equlization）和多音頻調(diào)制（multi-tone modulation），預(yù)均衡可以用于補(bǔ)償發(fā)射機(jī)中的線性和非線性失真，以獲得優(yōu)化發(fā)射信號(hào)質(zhì)量，簡(jiǎn)單的FEC（forward error correction）就可以得到視頻質(zhì)量的BER。OFDM每個(gè)載波最高可進(jìn)行256QAM調(diào)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(diào)制方式。

MoCA采用動(dòng)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(gè)等級(jí)的功率控制，使用開環(huán)機(jī)制，在許可期間有一個(gè)粗的功率調(diào)整。在位加載（bitloading）的時(shí)候有一個(gè)精細(xì)的功率調(diào)整。最后，一個(gè)周期性的閉環(huán)過程用來調(diào)整功率等級(jí)，保證包差錯(cuò)率最小。MoCA使用TDMA調(diào)度資源，支持兩種基于優(yōu)先級(jí)和參數(shù)化兩種QoS調(diào)度方法，采用Probing機(jī)制優(yōu)化每個(gè)連接的性能。

2.4IEEE 802.11系列

IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)于1990年成立IEEE 802.11無線局域網(wǎng)（WLAN）標(biāo)準(zhǔn)工作組，負(fù)責(zé)制定WLAN的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，主要包括物理層和MAC層，并用于解決不同WLAN設(shè)備之間的兼容性問題。經(jīng)過二十多年的發(fā)展，IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)工作組發(fā)展完善了一系列標(biāo)準(zhǔn)，其中具有較大影響力以及應(yīng)用較為廣泛的是802.11a、802.11b、802.11g、802.11n等，這些技術(shù)之間的對(duì)比情況見表2。

目前，IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)工作組的主要工作及進(jìn)展如圖3所示，其中802.11ac和802.11ad等基礎(chǔ)協(xié)議已經(jīng)進(jìn)入了郵件投票或者贊助商投票階段，目前活動(dòng)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(jié)合了包括Spatial Multiplexing MIMO（空間多路復(fù)用多入多出）、OFDM、20和40MHz信道、雙頻帶（2.4GHz和5GHz）等多種技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)600Mbps的速率，同時(shí)又能與以前的IEEE 802.11b/g設(shè)備通信。

802.11ad工作在60GHz（典型范圍在57-66GHz范圍內(nèi)），帶寬可達(dá)6.7Gbps，用于實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部無線高清音視頻信號(hào)的傳輸，支持2.4/5/60 GHz多頻帶之間的快速會(huì)話轉(zhuǎn)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(gòu)技術(shù)匯聚數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)（Convergent Digital Home Network for Heterogeneous Technologies）的P1905.1標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備提供通用的數(shù)據(jù)和控制服務(wù)訪問點(diǎn)，提升產(chǎn)品互操作性；有線和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合改善家庭網(wǎng)絡(luò)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(jī)、網(wǎng)絡(luò)接取儲(chǔ)存設(shè)備、藍(lán)光光驅(qū)、電視、機(jī)上盒或是寬帶路由器等固定式裝置，以及筆記本計(jì)算機(jī)、平板設(shè)備、智能手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備，可以提供家用的單一復(fù)合式網(wǎng)絡(luò)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L(zhǎng)LC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(shù)不變，抽象層可以匯聚可用的帶寬，實(shí)現(xiàn)無縫的融合。具體框架如圖4所示：

支持IEEE P1905.1標(biāo)準(zhǔn)的混合家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能夠與升級(jí)后的IEEE P1905.1兼容設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)易的自動(dòng)配置和認(rèn)證過程，并為新設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)、安全鏈路建立、QoS和網(wǎng)絡(luò)管理提供統(tǒng)一的建立過程。智能的路徑選擇和故障轉(zhuǎn)移功能，可以增加整個(gè)家庭網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，兩個(gè)IEEE P1905.1的設(shè)備通過兩種底層鏈路接口連接的路徑選擇應(yīng)用場(chǎng)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(biāo)清視頻流，實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。當(dāng)一條鏈路下降或擁塞時(shí)，可以無縫地切換到備用鏈路以避免網(wǎng)絡(luò)中斷，增加用戶體驗(yàn)。

IEEE P1905.1標(biāo)準(zhǔn)提供的AP自動(dòng)配置過程如圖6所示，設(shè)備a是支持PLC和WiFi的家庭網(wǎng)關(guān)，設(shè)備b是PLC設(shè)備，設(shè)備c是支持PLC和WiF的擴(kuò)展設(shè)備。當(dāng)設(shè)備c連接到家庭網(wǎng)絡(luò)時(shí)，使用IEEE P1905.1的有線鏈路進(jìn)行IEEE P1905.1的認(rèn)證。一旦設(shè)備c的抽象層被認(rèn)證過后，就可以自動(dòng)地從網(wǎng)關(guān)上獲取需要的WiFi參數(shù)并配置WiFi接口，為網(wǎng)關(guān)提供擴(kuò)展的覆蓋范圍，使用與網(wǎng)關(guān)相同的SSID，相同的安全機(jī)制和加密密鑰。

服務(wù)提供商使用TR-069接入IEEE P1905.1的家庭網(wǎng)關(guān)，可以查詢網(wǎng)關(guān)上IEEE P1905.1數(shù)據(jù)庫(kù)，獲得網(wǎng)絡(luò)性能診斷信息。數(shù)據(jù)庫(kù)中的拓?fù)湫畔?，用戶可以本地獲取，服務(wù)提供商也可以遠(yuǎn)程獲取拓?fù)湫畔⒂糜诒O(jiān)控和故障管理。

HomePlug聯(lián)盟對(duì)IEEE 1901電力線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)將涵蓋在IEEE P1905.1標(biāo)準(zhǔn)中表示歡迎，也承諾將支持未來復(fù)合式網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的認(rèn)證、互通性以及推廣。IEEE P1905.1已經(jīng)獲得產(chǎn)業(yè)界跨領(lǐng)域的廠商支持，包括服務(wù)供貨商、產(chǎn)品制造商與芯片廠商。由于該標(biāo)準(zhǔn)是以軟件層的形式存在，上市時(shí)程預(yù)期會(huì)縮短。

三、小結(jié)

在所有的有線寬帶家庭互聯(lián)技術(shù)中，G.hn是唯一一個(gè)定義了適用多種互聯(lián)介質(zhì)的物理層和MAC層標(biāo)準(zhǔn)，這反映了ITU-T融合家庭互聯(lián)、統(tǒng)一家庭互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)的決心。IEEE P1905.1從另外一個(gè)角度，以IEEE相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)802.3（Ethernet）、IEEE 1901（Homeplug AV）、802.11（WLAN）為基礎(chǔ)，融合了北美標(biāo)準(zhǔn)MoCA，在這些互聯(lián)技術(shù)基礎(chǔ)上，定義了一個(gè)抽象層，實(shí)現(xiàn)這些互聯(lián)技術(shù)在家庭內(nèi)部的融合組網(wǎng)，不僅可以進(jìn)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(gòu)互聯(lián)技術(shù)的融合組網(wǎng)提供了很好的思路。各種家庭互聯(lián)技術(shù)之間的比較如表3所示。

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

參考文獻(xiàn)

[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

[3] IEEE 1901， IEEE Standard for Broadband over Power Line Networks： Medium Access Control and Physical Layer Specifications

[4] MoCA 1.1， MoCA MAC/PHY SPECIFICATION v1.1

[5] MoCA 2.0， MoCA MAC/PHY SPECIFICATION v2.0

[6] IEEE 802.11-2007， Wireless LAN Medium Access Control （MAC） and Physical Layer （PHY） Specifications

[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