HomePlug AV

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