下一代家庭寬帶互聯(lián)技術(shù)簡述

1、下一代家庭寬帶互聯(lián)技術(shù)簡述Introduction of next generation broadband home interworking technologies Xu Ming ， Zhu Yue ， Ma Zhuang ， Zhang WeiliangZTE Corporation ， Shanghai ， 202103 ， China： This dissertation analyzes the current status and related technologies of broadband homeinterworking ， and summarizes the c

2、onvergence 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)的開展 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)共享開展， 家庭網(wǎng)絡(luò)的這種開展 趨勢不但對 家庭互聯(lián)技術(shù)的多樣性提出了要求， 同時(shí)也對家庭網(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

3、五類線接口， 為電視機(jī)臨時(shí)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(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 等移動終端的始終在線等 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、 線、同軸、電力線、無 線等，是布線不能完各種家庭互聯(lián)介質(zhì)各有優(yōu)缺點(diǎn)，例如五類線技術(shù)成熟，但 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 線、同軸

4、、電力線的 ITU-T G.hn12 、可用于電力線 的 IEEE 19013 、可用于同軸的 MoCA45 、基于無線的 IEEE 802.11678 可用于五類線、同軸、電力線、無線的 IEEE P1905.19 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.hnITU-T G.hn 標(biāo)準(zhǔn)于 2021 年 6 月正式通過 3 個主要標(biāo)準(zhǔn)：G.9960 ( Architecture and PHYlayer ) 、 G.9961 ( DLLlayer ) 、G.9972 ( Coexistence ) ，2021 年 12 月通過了 G.9962( Manag

5、emen ) 、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、 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 由一個或多個域組成， 不同域之間通過域間網(wǎng)橋WLAN 以太網(wǎng)(IDB ) 實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，通過網(wǎng)橋連接外部域 ( 如一個 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 域間協(xié) 調(diào)各種資源，如帶寬預(yù)留、流量優(yōu)先級和運(yùn)行特性等，并 且傳遞由遠(yuǎn)程 管理系統(tǒng) (如 Br

6、oadband Forum TR-069 )發(fā)起的 相關(guān)功能。一個 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 1901IEEE 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 HomePlugAV 和 HD-PLC 為根底， 并擴(kuò)展 了 TDMA QoS 鄰居網(wǎng)絡(luò)共存、 平安增強(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， 2021 年 9 月 20 日標(biāo)準(zhǔn)正式通過。目前 HomePlug AV2 和

7、 第三代 HD-PLC 正在不斷 改良中。IEEE 1901 網(wǎng)絡(luò)由 BSS ( Basis Service Set )組成，如圖 2 所示， 每個 BSS 由多個站點(diǎn) STA 組成，其中的一個站點(diǎn)為 B(BSS manager )。STA 能力分為 Level-0 、 1、2 三個等級， 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)識符 )、支 持 CSMA-Only 工作模式，可以被動接受鄰居網(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)

8、對點(diǎn)通信。 BM 除了 支持普通 STA 的功能外，還要 承當(dāng) BSS 平安認(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 能力， 承當(dāng)系統(tǒng)的前向糾錯功能。Win dowed 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(shí)現(xiàn)方式有：重復(fù)屢次、組播轉(zhuǎn)

9、單播和代理確認(rèn)，重復(fù)屢次方式簡單，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 定義了三種平安模式： 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)級技術(shù)進(jìn)行集中認(rèn)證控制。IEEE 1901 定義了 ISP ( Inter-System Proto

10、col)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)簡單分配時(shí)隙，實(shí)現(xiàn) 簡單 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 ， NoAcces ， No In-home2.3MoCA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 v

11、1.0 標(biāo)準(zhǔn)，MAC 層速率 135Mbps 。2007 年底， MoCA 聯(lián)盟批準(zhǔn)通過了 MoCAI.1 標(biāo)準(zhǔn)，把 MAC! 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)證測試方案和程序， 用于設(shè)備互操 作認(rèn)證。 2021 年， MoCA 發(fā)布了 MoCA2.Q 支持多信道 Bon di ng ， 將 MAC 層速率提升 到 400Mbps 以上。MoCA 一般使用 860? 1500MH 瀕段，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(shè)備節(jié)點(diǎn)。 MoCA 采用 RS 編碼 和 bitloaded

12、 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)射信號質(zhì)量， 簡單的 FEC(forward error correction ) 就可 以得到視頻質(zhì)量的 BER OFDMI 個載波最高可進(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 64QAIM 32QAM 16QAM 8QAM QPSK BPSK 調(diào)制方式。MoCA 采用動態(tài)發(fā)射功率控制 (dyn amic tran sm

13、itter power control )用來優(yōu)化發(fā)射功率。 MoCA t 幾個等級的功率控制，使 用開環(huán)機(jī) 制，在許可期間有一個粗的功率調(diào)整。在位加載bitloading )的時(shí)候有一個精細(xì)的功率調(diào)整。最后，一個周期性的閉環(huán)過程用來調(diào)整功率等級，保證包過失率最小MoCA 使用 TDMA 調(diào)度資源， 支持兩種基于優(yōu)先級和參數(shù)化兩種 QoS 調(diào)度 方法， 采用 Probing 機(jī)制優(yōu)化每個連接的性能。2.4IEEE 802.11 系列IEEE 802 標(biāo)準(zhǔn)化委員會于 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 勺相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，主要包 括物理層

14、 和MACg,并用于解決不同 WLAf設(shè)備之間的兼容性問 題。經(jīng)過二十多 年的開展， IEEE 802.11 標(biāo)準(zhǔn)工作組開展完善了 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 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 等根底協(xié)議已經(jīng)進(jìn)入了郵件投票 或者贊助 商投票階段，目前活動比擬積極的工作組為 802.11ai(Fast Initial Link Setup ) , 802.11ah (Sub

15、 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的傳 輸，支持 2.4/5/60 GHz 多頻帶之間的快速會話轉(zhuǎn)換，支持統(tǒng)一 靈活的 beamforming ，支持無壓縮視頻的

16、傳輸。2.5IEEE P1905.1IEEE P1905.1 工作組于 2021 年 12 月一致通過了異構(gòu)技術(shù) 會聚 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)和控制效勞 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)

17、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 等移動設(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 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(shù)不 變，抽象層可以會聚可用的帶寬，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

18、合家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能夠與升級后 的 IEEE P1905.1 兼容設(shè)備進(jìn)行簡易的自動配置和認(rèn)證過程，并 為新設(shè)備參加網(wǎng)絡(luò)、平安鏈路建立、 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， 可以增加整個家庭 網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn) 定性，兩個 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 鏈路以防止網(wǎng)絡(luò)中斷，增加 用戶體驗(yàn)。IEEE P1905.1 標(biāo)準(zhǔn)提供的 AP 自動配置過程如圖 6 所示，

19、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 ， 相同的平安機(jī)制和加密密鑰。效勞提供商使用 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，獲得網(wǎng)絡(luò)性能診斷信息。 數(shù)據(jù)庫中的 拓?fù)湫畔ⅲ?用戶可以本地獲取， 效勞提供商也可以