EMoC：G.hn 技术特点

1. G.hn的网络结构
        一个G.hn网络由一个或多个域组成。一个域由彼此直接通信和连接的所有节点组成。这样在同一网络的不同域之间除了路由临近的线路间的串扰以外是没有干扰的。一个域有一个节点作为域主控机（DM），其他所有节点的运行都受其控制，包括加入域的接纳、带宽预留、注册及其他运行管理。当一个DM失效时，域中的另一个节点可立即取而代之，恢复控制。DM协调网络中所有节点的传输时间，从而避免节点之间的干扰。这比协调共享同一媒质的几个域之间的传输简单得多，又有效得多。后者当媒质被邻近的网络共享（例如许多装置通过电力线敷设）时仍旧是必要的。用户可以在同一媒质上建立多个域，比如电力线上的基带模式和通带模式，或同轴电缆上的不同射频频道。




图1  G.hn网络模型、域结构和节点协议参考模型


        如图1所示，同一网络中的不同域靠域间网桥连接。这就允许任何域中的节点“看”到任何其他域中的任何节点。任何域也可被桥接到有线或无线的异种网络，例如DSL、PLC接入、WLAN和其他家庭网络。




图2  与住宅接入网相连的家庭网络拓扑示例图

        一个家庭网络的例子如图2所示。该网络包含三个域：同轴域、电力线域、电话线域，每个由它自己的DM控制。相连的异种网络有WLAN、USB2、以太网和住宅接入网。一个住宅网关桥接电力线域和同轴域，并把G.hn网桥接到异种网络。每个G.hn节点运行在它所连接的媒质，它可以直接与它所在的域中的任一节点通信，并通过域间网桥与其他域中的节点通信。与异种网络，包括宽带接入网中的节点通信是通过住宅网关进行的。
        G.hn也允许多端口设备通过不同的端口和不同的媒质通信。因为任何设备总要插接到一个电源接口，设计一个双端口（例如一个电力线端口、一个同轴电缆端口）设备看来是一个电力线连接的自然的扩展。多端口功能可以提高数据率和扩大网络覆盖面，因为数据流量可以由不同的媒质分担。从应用的观点看，一个多端口设备是单一的网络实体，对通过不同物理接口的网络流量的处理在逻辑
链路控制（LLC）子层进行。当同一网络中两个以上的域运行在同一频带时，它们可能需要相互协调以避免过量的串扰（例如电力线域常常影响电话线域），或者为了网络性能的优化需要通过多个域来配置路由，这种跨域协调的责任由全局主控机（GM）来承担。
        GM从各个域和外部管理实体收集统计值，为每个域推导出合适的参量（发送功率、定时信息、带宽计划等），通知该域的DM。DM再把这些参量通知域中的所有节点。
        G.hn网络的一个重要特性是它与其他网络的共存机制，这包括
1）与邻近的G.hn网络的共存：相互协调传输和资源共享；
2）与异种家庭网络和接入网的共存：支持系统间协议（ISP），这是一个正在被IEEE 1901 WG和ITU-T开发的简单共存机制；
3）与异种家庭网络和接入网的共存：不支持ISP，但是把频谱上移到通带或不同的射频频道。另外，同时作为G.hn节点和异种网节点运行的双模设备能够方便G.hn网络与非ISP相邻异种网络（如HomePlugAV, HD-PLC, UPA）的共存；
4）与同轴射频系统的共存：通过一个频率捷变机制，一旦异种网射频信号被检测到，DM将把所用的节点移到另一个射频频道；
5）与射频业务的共存：避免把频率安排到国际业余无线电频段和关闭或缩减所有干扰子载波的功率。

2. G.hn物理层
        G.hn采用窗口OFDM传输方式。针对不同类型的铜线使用下列可编程参量族：
子载波数，N＝2n, n=8~12
子载波频率间隔，FSC＝2k×24.4140625 kHz, k=0,1…,4
中心频率，FC
        窗口尺寸选择媒质依赖参量的数值时有下列考虑：
1）子载波频率间隔基于信道特性来选取；
2）调制器设计将大大简化，如果所有子载波频率间隔的值都取为一个基础数值乘2的整数幂；所有子载波数都取为2的整数幂；所有取样频率的值都取为一个共同的参考频率的整除；
3）把子载波频率间隔和取样频率的值取得与用在传统技术中的值一样可以简化双模设备的实现（例如G.hn/HomePlug）。
OFDM 参量和频带规划
        G.hn定义了基带、通带与射频的频道规划，如图6所示，其中基带（2～100MHz）用于所有媒质，通带（100～200MHz）仅用于电力线，RF频带（300～2500MHz）仅用于同轴电缆。
        对于每一特定的媒质和频带规划，G.hn仅仅定义一组OFDM参数，结果重叠的频带规划使用同一个子载波频率间隔，这个规则，加上对每一媒质统一的缺省前导结构和物理层帧头，对实现互通性十分方便。用在每一频道规划的子载波数依赖于媒质，其值从256到4096。对于净负荷的循环前缀（CP）长度有8个可选的值：k×N/32,k=1,2,…,8。为实现基带、通带与RF频带的运行，G.hn建议一个通带OFDM调制器级联一个RF调制器。通带部分包含离散傅立叶反变换（IDFT）、CP、取窗口和上变频。




图3  用于不同媒质的G.hn频带规划

        在开发G.hn标准的过程中，重要的发现是标度一个OFDM系统，最佳的子载波数目总是2的整数幂，这对于所有三种媒质都是如此，尽管电力线、电话线、同轴电缆有不同的特性。对于三种媒质的家庭网络信道，研究揭示它们的方均根延迟扩展（电力线1.75μs ,电话线0.39μs ,同轴电缆46ns）相互呈倍数关系，而该倍数逼近2的整数幂！因为方均根延迟扩展是优化CP长度的关键参量，这就自然得出结论，以2的整数幂来标度三类家庭网络布线的OFDM方案，既保证性能最优，又简单易行。
        G.hn定义了灵活的码元加载方案，所有子载波承载的码元数范围都是1～12bit。对于所有偶数比特星座图和几乎所有奇数比特星座图上各点的符号映射都采用Gray码方式。对网络中每个连接的符号映射能够由发送机和接收机进行谈判，使每一子载波上所调制的数据比特数恰好达到该频点上信噪比所容许的上限值。这种对于宽广范围内频道频率响应和噪声谱密度灵活适配的OFDM调制技术，称作自适应星座图多频调制（ACMT），是网络吞吐量的重要保证。


基于 QC-LDPC码的先进的前向纠错        
G.hn选择了QC-LDPC码作为必备的前向纠错（FEC）手段。选择的QC-LDPC码是定义在IEEE 802.16e（WiMAX）标准中的码字的子集，具有5个编码率（1/2,2/3, 5/6, 16/18, 20/21）和2个块长120和540 byte。三个校验矩阵用于编码率1/2,2/3和5/6，另外两个高的编码率依靠穿插5/6 编码来获得。FEC参数范围与码元加载功能一起被设计来适合重传方案：对于经常需要重传的媒质（如电力线），FEC与码元加载能够优化到使块错误率（BLER）达10-2，而对于很少需要重传
的媒质，优化过程可使块错误率（BLER）达10-8。


物理层帧结构        G.hn定义的物理层帧结构由前导、帧头和有效负荷组成




图4. 物理层帧结构

3. G.hn数据链路层
媒质访问方法        G.hn定义了同步的媒质访问，即域中的传输由DM协调，与MAC周期同步。MAC周期则与电网同步，以对付由电气设备和插入电力线的电器所造成的信道响应和噪声的周期时变特性。每一MAC 周期被分成提供发送机会（TXOP）的时间区间，这些发送机会是由DM安排给域中节点的。DM安排至少一个TXOP来发送媒质访问计划（MAP）帧，它描述了安排给一个或几个后续MAC周期的TXOP的边界，后者保护MAP免遭冲激噪声擦除。其他TXOP被DM安排给那些要求发送应用数据的节点。应用数据包括视频业务、数据业务和VoIP等。域中的所有节点与MAC周期同步，阅读和解释MAP，仅在DM安排给它的TXOP中发送。这样，对特定的连接数据碰撞能够被避免。DM根据从节点来的申请和可用带宽设置XTOP的顺序、类型和时间长度。由于媒质特征或用户应用变化，或域中的节点数变化，调度可能从一个MAC周期到另一个MAC周期发生变化。
        为对付不同的应用，定义了三类TXOP：
        无竞争TXOP（CFTXOP）—实现纯粹的TDMA。在这种TXOP中仅仅一个节点能够发送。目标业务为固定带宽和严格QoS的业务（如视频业务）；带被管时隙的共享TXOP（STXOP）—实现被管理的CSMA/CA，相似于ITU-T G.9954。用于带宽可变而QoS是一个问题的业务（如VoIP、游戏、交互
式视频业务）；
        基于竞争的TXOP（CBTXOP）—这是共享式TXOP。基于帧的优先级，节点可在其中竞争传输机会，相似于HomePlugAV。一般用于带各种优先级的尽力而为业务。


安全        因为G.hn是为共享媒质制订的，它必须对付来自外部和内部的威胁。对外部威胁，基于Diffie-Hellman算法和应用AES-128的CCM认证码算法，G.hn定义了用户认证过程。对于内部威胁，G.hn定义了成对安全措施：一个特定的密钥授予通信的双方，不被其他节点知道。G.hn的期望安全等级与新近定义给IEEE 802.11n的相同或更高。

4. 结论
        在纷乱的家庭网络领域，过去只有由一些工业联盟制订的标准，它们主要对一种特定的媒质有效，统一性较差，导致市场上产品品种很多，性能不够完善，彼此不能互通。IEEE P1901标准草案与ITU-T G.hn标准的出现无疑是一个技术规范化、市场规范化的好的开端。前者力图统一用于家庭网络的电力线通信技术，后者更力图统一电话线、同轴电缆和电力线家庭网络技术于一体，提供一个综合的解决方案。ITU-T还在推动G.hn标准设备能与采用諸如IEEE P1901等其他技术的设备共存的新标准G.9972；而支持智能电网（SmartGrid）和低速率设备应用的G.hn延伸标准G.hnem等也已完成，形成了一个覆盖宽带和窄带的完整标准系列。

好资料学习了！