HomePlug AV

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
    • 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

在这里插入图片描述
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

在这里插入图片描述
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

在这里插入图片描述
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

在这里插入图片描述
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OFDMMIMO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

在这里插入图片描述

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

在这里插入图片描述

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)

在这里插入图片描述

信号和噪声

在这里插入图片描述
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

在这里插入图片描述
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

在这里插入图片描述

Homeplug AV物理速率

1.8M~7.5MHz~7.5MHz~65MHz备注
最大速率198Mbps/150Mbps225Mbps/171Mbps690Mbps/613Mbps表格中的速率为FEC前/FEC后速率
Standard ROBO5Mbps5.7Mbps18Mbps
HS ROBO10Mbps11.4Mbps36Mbps
Mini ROBO3.8Mbps4.3Mbps13Mbps

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

在这里插入图片描述

MAC层数据层次结构

在这里插入图片描述
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。

在这里插入图片描述

Homeplug AV MAC简介

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

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

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

在这里插入图片描述

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

在这里插入图片描述

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