目录
- HomePlug AV的基本概念
- 基本术语
- 网络概念
- 网络实例
- HomePlug AV物理层(PHY)
- HomePlug AV OFDM收发器架构
- PHY的调制模式
- FC调制和ROBO调制
- 物理层的特点
- OFDM频域/时域转换
- 开窗/槽式OFDM
- 信号和噪声
- PHY发送控制——信道自适应
- PHY帧格式(Symbol)
- PPDU物理协议数据单元帧格式描述
- Homeplug AV物理速率
- HOMEPLUG AV媒体访问控制(MAC)
- MAC层数据平面
- MAC层数据层次结构
- MAC调度
- Homeplug AV MAC简介
- Ⅰ
- Ⅱ
- Ⅲ
- MAC帧
- MSDU MAC业务数据单元
- MAC帧格式(MPDU)
- MAC成帧过程
HomePlug AV的基本概念
基本术语
- Station(STA):一个STA(站点,对应于EoC中的Slave,终端或者CNU)是在网络中和电力线连接可以发送或者接收数据流的设备。
- Central Coordinator(CCo):中央协调器(对应EoC的头端,集中器或者CLT)是带有超级功能的STA:
- Beacon Generation, association and authentication of STAs
- provisioning of Temminal Equipment ldentifiers (TEls) which are short formdevice addresses
- provisioning of Global Link ldentifiers (GLIDs)
- coordination of medium allocation within a network and with
neighboring networks - provides admission control and scheduling (preferred CCo-in V2.0
only)
网络概念
- Physical Network(PhyNet)物理网络: 对应一个给定的STA或者Cco,其物理网络的概念是能和这个指定的STA或者Cco直接物理通信的所有站点集合。也就是说,不需要中继就能直接通信,相互能 “看见” 的站点的集合。
- AV In-Home Logical Network(AVLN):家庭AV逻辑网络,是指共享同一个“网络成员密钥Network Membership Key(NMK)”的站点集合。在一个AVLAN中由一个单独的中央协调器Cco来管理所有的STA。(相当于EoC网络中一个头端管理下面的终端,都是由相同的网络密钥)。
网络实例
网络A:
- 所有的STA都可以互相通信,所有的STA都在同一个物理网络PhyNet{A, B, C, D, CCo1}
- 一个AVLN家庭AV逻辑网络
网络B:
- 多个(2个)物理网络PhyNets:
- CCo1的PhyNet是{CCO1,A,B}
- CCo2的PhyNet是{C,D,CCo2}
- 两个AVLN的两个Cco可以互相通信,形成neighboring networks邻居网络
网络C:
- CCo1的物理网络PhyNet不包括站点D(D是一个隐藏STA:a hidden STA-D不在Cco的物理网络,但是Cco的物理网络至少有一个站点STA C能和STA D通信。即STA D的物理网络至少有一个站点在CCo1内。
- 一个AVLN家庭AV逻辑网络。
AVLN内部通信规则:
属于同一个AVLN网络的两个STA,是可以互相通信的,即使他们不在同一物理网络中。如上图网络C中的,A、B和C、D不在同一网络,但也是可以相互通信的。但是在上图网络C中,C、D站点都不能直接接收到A或者B的广播信息。
在网络C中,C需要充当Proxy Cco功能,使得D可以被CCo1管理
STAs作为桥设备和其他网络,如:以太网、PCI、WIFI等网络连接
HomePlug AV物理层(PHY)
HomePlug AV OFDM收发器架构
OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing, 正交频分复用) 是一种多载波调制技术。因其能有效对抗频率选择性衰落,克服信号符号间干扰 (inter-symbol interference) ,可以将OFDM与MIMO进行高效结合,实现高速数据传输。
PHY的调制模式
- 采用OFDM调制。(频率选择性强,抗窄频段干扰,抗脉冲干扰能力强)
- 子载波频率间隔为24.414KHz,频段1.8M~30M,并可向上扩展到50MHz、75MHz、100MHz
- 支持BPSK、QPSK、8QAM、16QAM、64QAM、256QAM、1024QAM、4096QAM
- 支持的FEC速率为 1/2、16/21、8/9
- 特殊报文采用特殊的调制和编码方式(提高可靠性)
- STD-RoBo(Robust Mode) 4Copies
- Mini-RoBo(5 Copies, PB136)
- HS-RoBo(2Copies)
- FC(AV是标准128bit)采用的是标准QPSK编码,一个Symbol传输,采用交织和多份Copies,也可以选择采用2个Symbol传输。
FC调制和ROBO调制
FC采用单独的编码( 1/2 FEC),使用更多的拷贝方式,使得数据传输更可靠。
缺省采用ROBO模式的报文
- Beacon信标报文和广播、多播数据报文
- 建立会话
- 管理报文MME
物理层的特点
开窗式OFDM调制
- 前导波形,帧控制和有效负荷都采用功率陷波方式,相当于OFDM开槽/开窗,把一些与业余无线电,广播相冲突的频道陷波掉,且不需要增加额外的滤波器。
- 1.8M~30MHz共1155个子载波,去掉无线电干扰等频段后共917子载波;可扩展到50MHz、100MHz频段。
- 子载波的调制模式:BPSK to 4096QAM
- 每个子载波根据信噪比情况采用最佳调制方式
- FC帧控制,信标和负荷都采用增强型FEC前向纠错技术
- FC采用16bytes(128bit),Beacon信标采用136Bytes,Payload负荷采用520Bytes数据块:FC采用多份拷贝模式,Beacon采用ROBO模式。
- 接近理论的性能数据(0.5dB from Shannon Capacity)
- 交织模式(Interleave)克服脉冲噪声和其他电力线噪声的影响
- FC帧控制帧,Beacon信标帧和ROBO模式传输报文采用空间分集方式(多份拷贝)提高可靠性
- 兼容HomePlug1.0标准,支持HP1.0和AV的混合模式
- HomePlugAV支持大于200Mbps物理速率,新一代的AV已经达600Mbps的物理速率
- 家庭网络In-home和接入网Access BPL采用统一的PHY技术
OFDM频域/时域转换
开窗/槽式OFDM
缺省的北美子载波模板开窗图(2-28MHz,917个子载波)
信号和噪声
每个子载波(又称为OFDM通道)可根据信噪比分配 2、3、4、6、8 or 10 bits
包含广播和多播的ROBO模式或者MME管理
200Mbps的物理速率,150Mbps以上有效速率(FEC解调后的速率)
接近香农理论的Turbo FEC性能
PHY发送控制——信道自适应
由于交流电力线的噪声随交流电周期同步,不同的相位噪声不同,如峰值附近噪声最大,因此,把一个Beacon周期分为不同的时间片Slot,每个时间片单独进行信道评估,进行信道训练,获取bit分配图(Tone Map),以获取最优性能,否则只能按照最初噪声来适应线路。
PHY发送,以PB块为分隔,重传ARQ也是以PB是否正确来决定是否重传。FC采用一个OFDM Symbol,且采用ROBO模式明文传输,以便其他STA也都能侦听到此信号。FC后面可以跟多个PB数据块
PB块的传输时间(要用多少Symbol),由Bit Allocation来决定
PHY帧格式(Symbol)
两种报文:PPDU
- 带FC + Payload(Long PPDU)
- 仅带FC(Short PPDU)
关于Payload PPDU净荷数据
- 数据帧
- 管理帧MME
PPDU帧格式(PHY Protocol Data Unit)
- Hybrid模式:Preamble + 1.0 FC + AVFC
- AV模式:Preamble + AV FC
PPDU物理协议数据单元帧格式描述
- PPDU(PHY Protocol Data Unit):是指由物理层产生的直接发送到电力线上的物理实体
- PPDU帧结构包含AV前导码Preamble,AV的帧控制字FC和AV的净荷
Homeplug AV物理速率
1.8M~ | 7.5MHz~ | 7.5MHz~65MHz | 备注 | |
---|---|---|---|---|
最大速率 | 198Mbps/150Mbps | 225Mbps/171Mbps | 690Mbps/613Mbps | 表格中的速率为FEC前/FEC后速率 |
Standard ROBO | 5Mbps | 5.7Mbps | 18Mbps | |
HS ROBO | 10Mbps | 11.4Mbps | 36Mbps | |
Mini ROBO | 3.8Mbps | 4.3Mbps | 13Mbps |
Homeplug AV最高调制是1024QAM,FEC最高是16/21
P1901标准支持4096QAM,FEC最高是8/9
HOMEPLUG AV媒体访问控制(MAC)
MAC层数据平面
MAC层数据层次结构
MAC层通过Frame Control(FC)字段来控制MPDU的类型,同时也通知物理层按照不同的模式采用不同的调制方式、速率等等
- Beacon;136Bytes的Beacon MPDU
- SoF
- SACK,不包含具体数据,只有FC帧
- RTS/CTS,SACK和RTS/CTS都是不包含具体数据的帧,只有FC帧
- Sound
MAC调度
Homeplug是采用基于Beacon的周期信道接入访问机制。(Beacon周期等于AC时钟周期的两倍)。按照Beacon来做调度,基于Beacon周期的接入访问控制机制来处理的。
Homeplug AV MAC简介
Ⅰ
支持直接封装以太网报文传输(Ethernet Over PLC)
MAC层的帧结构是按照高效传输和重传设计的
- 需要容忍脉冲噪声带来的高误码率
- 物理层的传输错误是基于FEC数据块的 => 仅需重传破坏的FEC数据块,重传仅发生在物理层
成帧的基本方法
- 基于以太网报文的目的地址(Destination Address)和QOS要求,把以太网报文汇集成不同的MAC帧流MAC Frame Streams
- 每类MAC帧流分割为512字节数据块,作为一个独立的FEC块
- 每一块数据块都有对应的系列号,使得如果数据块丢失或者破坏都可以单独重传,接收端也按照顺序重组MAC帧,并按照正确的顺序送到上层主机接口
分段数据的加密
- 减小加密开销,不需要额外的开销
- 加密是作为物理数据流的一部分,简化设计
Ⅱ
系统采用标准的IEEE 48-bit MAC地址编码方式
支持电力线网络和其他网络,如:以太网、PCI等设备的桥接功能
MAC支持物理层自适应速率
信道评估是由MAC层实体按照信道的条件最优化其物理调制参数
Automatic Repeat Request(ARQ)自动重传保证MAC层的单播可靠传输
部分应答 “Partial ARQ” 提高主播和广播的可靠性,使得发送端知道至少有一个终端接收到数据报文
数据分段减小在物理速率低的情况下的最大传输时间,提高QoS能力
Ⅲ
CCo集中协调器集中管理网络
网络接入的三种工作模式:
- Beacon信标:非冲突模式 Non-contention. Cco在特定的时隙发送 Beacon
- 冲突避免模式Contention-free:QOS保证,只有分配的STA才能发送数据
- CSMA载波检测多路复用:竞争Contention-based. 基于用户数据和MME报文的优先级调度
Beacon信标周期分为不同的 Regions
- 有Beacon信标统一调度
- 在同一 Regions 进一步分配调度
- 信标周期和交流同步
MAC帧
两种帧(2Octet MACHeader)MSDU(MAC Service Data Unit,MAC业务数据单元)
- 普通数据帧,以太网数据报文
- 管理帧,MME信息
MPDU(MAC Protocol Data Unit,MAC协议数据单元)
- FC帧(指示)
- 数据帧
MSDU MAC业务数据单元
“MSDU"是指需要MAC层传输的数据信息。实际就是不包含CRC的以太网净荷报文。
无连接connectionless的MSDU包含一个MSDU负荷报文或者一个MME报文。对于无连接的MSDU通过对MSDU负荷报文增加一个MAC帧控制头Frame Header和在尾部证据校验Integrity Check Value(ICV)形成MAC层数据报MPDU
HomePlug AV在发送所有的MME管理报文都是采用无连接方式,并且是形成单独的MME数据流(MAC帧流)。
MAC帧头MAC Frame Header表明传输的是MME管理报文还是MSDU净荷报文。这个信息是作为MAC层分段Segment时形成不同的MAC数据流。(按照目的地址和QOS要求)
MME报文不能采用有连接方式传输。connection-based
MAC帧格式(MPDU)
MAC帧
- MSDU和MAC帧是一一对应的
- MAC帧的帧头Frame Header包含帧类别和帧长度
- ATS is the Arrival Time Stamp
- MSDU payload is the Ethernet frame
- ICV is Integrity Check Value
MAC成帧过程
- 连接:连接是指一个STA和一个或者多个STA之间的上层主机接口建立的数据传输流,是相关的MSDU的集合。连接可以是单向的也可以是双向的。
- 无连接的数据流只能和同一目的的MME报文结合
- MAC帧由MSDU产生,属于同一数据流的多个MAC帧形成MAC帧流