EMoC：ITU G.hn 概述

前言

家庭网络技术在二十世纪90年代首先提出，为了提供标准的以太网络联接而无需重新部署双绞线。现在有几种家庭网络技术可以利用，如MoCA、HomePNA、HomePLUG和WiFi等，尤以基于IEEE 802.11系列标准的无线局域网技术使用最为广泛。

基于电力线媒介的电力线网络技术有HD-PLC标准（高清电力线通信联盟High-Definition Power Line Communication Alliance（以Panasonic为代表）、HomePLUG标准（HomePlug电力线联盟，以Intellon和Spidcom为代表）和UPA（通用电力线委员会Universal Powerline Association）。

从2005年开始，IEEE P1901工作组开始致力于发展高速（> 100 Mb/s，＜100 MHz）适用于家庭和接入应用联网标准；G.9954是ITU-T推出的基于电话线和同轴电缆的家庭联网标准，而MoCA是同轴多媒体联盟推出的家庭联网技术。针对同一类似应用存在如此多的标准和技术各自为政，实际上严重制约了家庭网络和最后100米双向接入技术的推广和大规模使用。

ITU-T也意识到这个重要问题，从2006年开始ITU-T开始了G.hn项目计划，该计划目的是发展下一代家庭联网技术标准，适用电话线、电力线、同轴电缆等介质，速率达到1Gb/s。在2008年12月 G.hn孕育而生，在PHY/MAC等关键技术问题上达成共识，新标准业已诞生，相关的芯片已经量产。

G.hn标准的先进性

G.hn标准包括G.9960和G.9970等一系列标准，目标是形成下一代统一的家庭联网技术标准，支持电话线、电力线、同轴电缆三种介质，传输速率达到1Gbps，具有良好的向下兼容性，将来可以集成到电视机、机顶盒、家庭网关、个人电脑和网络存储等设备，真正形成融合的网络技术。

G.hn标准的先进性主要有以下几个方面：

1、        采用基于快速傅里叶变换（fast Fourier transform (FFT)）的OFDM调制技术（FFT-OFDM）和QC-LDPC FEC（类循环低密度奇偶校验码Quasi-Cyclic(QC) low-density parity-check code(LDPC)）为基础的PHY，确保有很强的抗干扰性能；
2、        支持先进、高效的4096QAM调制方式，确保高速网络流量；
3、        基于TDMA架构的MAC，局端支持多达250个终端节点，完全满足多用户和全业务接入要求；
4、        网络速率跨越式提高到1Gbps，真正适合NGB双向接入网的技术要求；
5、        兼容电话线、电力线、同轴电缆三种介质，真正可以做到“No New Wire”,极大方便网路敷设！
6、        分别针对电话线、电力线、同轴电缆三种介质优化，确保在任何一种介质上的传输效率和抗干扰性能达到最优的平衡和优化，主要优化参数如下：
a.        OFDM载波间距：195.31（同轴电缆），48.82 kHz（电话线），24.41 kHz（电力线）。
b.        FEC编码率：G.hn的FEC可以工作在以下多种编码率：1/2、2/3、5/6、16/18和20/21。较高的编码率用于较“干净”的介质（如同轴电缆），较低的编码率用于噪声较大的介质环境（如：电力线）。
c.        ARQ机制：G.hn支持ARQ和非ARQ两种模式，一般非ARQ或较少的ARQ比较适合较“干净”的介质（如同轴电缆），ARQ模式适合噪声较大的介质环境（如：电力线）。
d.        功率电平和频道：G.hn为每种介质定义了不同的功率谱和频带，与通信介质更好的匹配。

G.hn同轴电缆双向接入性能初探

基于G.hn的网络速率
G.hn系列标准支持电话线、电力线、同轴电缆三种介质，传输速率达到1Gbps。然而大家最关心的还是G.hn在同轴电缆上的性能到底能达到什么水平呢？根据图二G.hn的几种频谱标准规定，假设用100MHz带宽，实际使用2-90MHz，OFDM 450个载波；假设CNR足够高允许4096QAM调制解调，可以达到12bits/载波；LDPC FEC 编码率采用最高的20/21，OFDM 保护间隔1.28μs（缺省值），OFDM 符号总时长为6.4μs（载荷时长5.12μs）；我们得出总线速为：450*12/[6.4μs] = 843.75 Mbit/s（此时以太网的实际吞吐率达到762.05 Mbps）。

若保护间隔时长取最短值0.12μs（针对同轴电缆介质），G.hn 可以达到线速率是：450*12/[5.12μs + 0.16μs] = 1.022Gbit/s。当然若采用高频200MHz 带宽方案，网络带宽还可以翻番，达到2.044Gbit/s。

如果采用50MHz 带宽，G.hn 可以达到的线速率为：256*12/[5.12μs + 0.16μs] = 581Mbit/s因此可见，基于G.hn 的网络速率数倍于现有的各种接入网络技术，就网络速度而言完全达到或接近GEPON 的水平，就EPON+EOC 整体技术解决方案而言再合适不过了！


图一、G.hn的几种频谱标准



表1、G.hn 频带参数表

通信介质        应用层吞吐率        物理层速率
电力线        400+ Mbps        700-800 Mbps
电话线        500+ Mbps        650-850 Mbps
同轴电缆        600+ Mbps        900-1200 Mbps
表2、G.hn 网络速率（基于样机测试而非理论模拟）


图二、4096QAM 调制的CNR 要求


G.hn 在噪声环境下的通信可靠性
为了保证网络通信的可靠性，G.hn 采用多种技术保证机制。

首先，G.hn 采用了最先进的QC-LDPC FEC（基于类循环低密度奇偶校验码）的前向纠错编码技术， 分别有五种编码率：1/2、 2/3、5/6、16/18、20/21 和两种块大小（Block Size）：120 和540bytes （960 和4320 bits）。之所以采用QC-LDPC 是因为在速率很高的情况下，可以有最低的块误码率（Block Error Rate）和更好的扩展性，在相同复杂度情况下可以取得更高的吞吐率；当码字在2kbits 以上时，QC-LDPC 的表现好于DB-CTC（Duo Binary Convolutional Turbo Codes）；同时LDPC 的解码器易于实现对于兼容三种通信介质的情况下芯片的实现较有利，如10GBase-T Ethernet、DVB-C2、DVB-T2、DVB-S2、WIMAX（802.16e）和802.11n 等均采用了LDPC 的前向纠错编码技术。

图三、G.hn 芯片架构（有通用PHY 处理模块和三种专用处理单元）

其次，G.hn 采用了可选择的ARQ (Automatic Repeat Request)机制，在网络传输出现太多错误（误码）情况下重发数据帧来保证网络通信的可靠性。G.hn 支持ARQ 和非ARQ 两种模式，一般非ARQ 或较少的ARQ 比较适合较“干净”的介质（如同轴电缆），ARQ 模式适合噪声较大的介质环境（如：电力线）。

第三，在电力线噪声严重的通信介质上，采取与交流工频同步机制来消除“可预测的”周期性噪声的干扰。

第四，G.hn 兼容电话线、电力线、同轴电缆三种介质，分别针对电话线、电力线、同轴电缆三种介质进行通信参数优化，确保在任何一种介质上的传输效率和抗干扰性能达到最佳的平衡和优化，如①FEC 编码率：G.hn 的FEC 可以工作在以下多种编码率：1/2、2/3、5/6、16/18 和20/21。较高的编码率用于较“干净”的介质（如同轴电缆），较低的编码率用于噪声较大的介质环境（如：电力线），如图三所示。

第五，G.hn 考虑了多种网络情况，规划了七种频道和带宽，可以根据三种通信介质和实际网络的具体情况（网络的衰减、噪声大小和分布等）选用最合适的频道和带宽，以提高网络通信的可靠性。
G.hn 网络体系架构
G.hn 兼容电话线、电力线、同轴电缆三种介质，为了有效管理G.hn 网络，将基于同一通信介质（如同轴电缆）的网络划分为一个域（domain），如图五所示，共有三个域：基于电力线的第一个域、基于同轴电缆的第二个域和基于电话线的第三个域。域与域之间可以通过内部域桥（IDB：Inter Domain Bridge）级联起来，也可以在多个域中设全局局端（global Master）；其可以与其他有线（EPON）和无线网络桥接。

图四、G.hn 网络体系架构（有三个域）

G.hn 的MAC 和QoS 保证机制
G.hn 的MAC 是基于TDMA 模式的。在一个网络域中，域的局端（domain master）协调安排每个或多个从设备（domain master 或domain slave）的传输机会（TXOPs：Transmission Opportunities），TXOP分两种：免竞争的传输机会（CFTXOP：Contention-Free Transmission Opportunities）和共享的传输机会（STXOP：Shared Transmission Opportunities）。

CFTXOP 有固定的时长在指定的domain device 和domain master 之间，用来实现TDMA 模式的信道（channel）接入控制和协调，为需要QoS 保证的、指定的应用服务，如图六所示。


图五、G.hn 的MAC 机制示意图

STXOP 是与域中多个域设备（domain device）共享，划分为时隙（TS：Time Slots），时隙分两种： 免竞争的时隙（CFTS：Contention-Free Time Slots）和基于竞争的时隙（CBTS：Contention-Based Time Slots）。

CFTS 是用来实现“令牌通过式（token passing）”信道的接入控制和协调。在G.hn 的网络中，一系列连续的CFTS 由域局端设备（domain master）分配到许多域设备（domain device）中，并广播到网络中的所有节点，这些预先定义的规则（指CFTS）指定一个设备使用完某个通道后另一个设备才可以发送数据，所有的设备都知道“谁是下一个要发送数据的设备”，因此无需明确地在设备之间发送“令牌” 仍可以确保信道没有碰撞地可靠工作。

CBTS 是用来实现CSMA/CARP 模式的信道接入。一般来说，CSMA 系统不能完全避免碰撞，因此CBTS 仅仅用来为没有严格QoS要求的应用服务的。

CSMA/CARP 与CSMA/CA 略有不同，CSMA/CARP 带有分辨业务优先级的功能。媒体接入规划（MAP：Media Access Plan）从局端发出的下一个MAC 循环的调度（表）。图七所示，G.hn 的帧结构示意图可见，通过PHY 帧的前导字节（Preamble）设定与通信介质相关的参数，设有专门的信道评估字节（channel estimation）等，保证不同介质的通信质量、可靠性和兼容性。

通过上述MAC 机制可以实现灵活的多种带宽管理，可靠的QoS 保证（带宽、时延、抖动和丢包率等），信道的高效利用，很好地满足了多用户和全业务接入技术要求。


图六、G.hn 的帧结构示意图

G.hn同轴电缆双向接入网
G.hn通过ITU多年的工作已经形成系列化标准（如图八所示），其中G.9960已经于2009年10月9日得到批准，G.9961于2010年1月达成共识，将于2010年6月份批准正式颁布，G.9970于2008年12月12日达成一致（书面文件）且于2009年1月13日批准，G.9972也于2009年10月9日达成一致处于批准阶段。

按照图八所示的路线图，2010年下半年将有相关的芯片投入市场，目前已经有芯片厂家推出产品可供设备制造厂设计和测试（如图九所示）。



图七、G.hn的相关标准


图八、G.hn应用路线图

太深奥了楼主