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利用電力線乙太網路傳輸高解析視訊串流的技術考量

上網時間: 2008年09月05日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:電力線乙太網路  高解析視訊  EoP 

家庭連網可能是未來消費領域最大的技術挑戰。目前,音樂、視訊以及其他多媒體內容的家庭用戶希望能夠在位於寬頻網路上的多種設備(電腦、遊戲機、Hi-Fi、多媒體伺服器等)之間共享內容,並確保服務品質(QoS)。

通常,採用Wi-Fi無線家庭網路不足以擔當此任。Wi-Fi適合於電腦之間的網際網路連接共享,這類的網路流量比較小且是突發型的。然而高解析(HD)視訊需要高頻寬和可預測的服務品質,以便提供一個可接受的觀看體驗。只有有線媒介才可提供這種體驗。

當用戶配置家庭網路時有幾種選擇(圖1)。相對於其他幾種家庭連網技術,電力線乙太網路(EoP)是新興的且最可行的解決方案。原因如下:電力線無處不在,電力線技術將用戶家中的每一個電源插座轉變成一個潛在的網路介面;電力線乙太網路產品是即插即用性設備,無須重新連線;如今的電力線產品已可以提供高達200Mbps的數據率,以及多種QoS等級。這使得其適於分發高解析和標準解析度視訊串流。

圖1:幾種有線家庭連網方案的比較。
圖1:幾種有線家庭連網方案的比較。

電力線網路可以提供兩個等級的內容安全:惡意用戶首先必須破門而入並將插頭插進電源插座,然後還必須克服內建在EoP中的加密。此外,EoP採用的時分多址(TDMA)技術確保了視訊傳輸頻寬。

EoP通訊

在EoP系統中,將電源分送到各個房間的銅線也是傳輸數據的媒介。通常,系統對電力線承載的AC訊號上疊加調變後的載波頻率。

利用電力線作為數據通訊媒介的想法大概出現在上世紀70年代。但一直到了90年代後期,該技術才僅僅能夠提供傳輸控制訊號所需的傳輸速率。然而如今,克服電力線上雜訊的新演算法已經使電力線成為可行的高速數位內容載體。同時,半導體運算能力的實現成本也變得非常低廉,使得這些運算能力強大的演算法可以在一個大眾市場可以接受的具有成本效益的單晶片中實現,在EoP系統中,利用一個發射器將來自電腦或者任何連網設備的數位訊號轉換成類比線路數據,然後將其與電力線上的訊號疊加到一起。在接收端,將透過電力線傳輸的類比線路數據轉換回數位訊號,再送到合適的設備(見圖2)。

圖2:通用數位通訊系統架構圖。
圖2:通用數位通訊系統架構圖。

由通用電力線聯盟(UPA)制訂的EoP標準,即所謂的數位家庭標準(DHS),是為受控的和不受控的家庭電力線網路設計。該標準基於主從控制架構,並利用對等結構進行數據傳輸(見圖3)。

圖3:DHS實體層(PHY)架構圖。
圖3:DHS實體層(PHY)架構圖。

電力線通訊常見的問題

與其他任何高速電力線通訊技術一樣,DHS必須解決存在的設計挑戰。這些挑戰包括:

電壓突波:有關EoP技術的一個最大誤解就是由於該技術採用了電力線進行通訊,通訊品質與電力線上的電源品質有關。但DHS PHY層工作在2-32MHz的頻率範圍內,而交流電的工作頻率分佈在50Hz或60Hz上。採用2~32MHz頻譜,確保數據訊號不容易受電壓突波或50Hz/60Hz頻段中波動的影響。

電力線上的雜訊:雜訊是電力線作為數據通訊媒介的最大障礙。EoP產品必須提供高品質的高解析視訊,即使是用戶在家中的插座中插入一台攪拌機或者吹風機時也是如此。

DHS採用以下四種方法來解決雜訊問題:穩健調變(Robust modulation);頻繁的訊息通道估計;自適應位元加載;前向糾錯。

1.穩健調變:UPA的技術採用1,536個載波正交頻分多工(OFDM)調變,調變密度為每子載波2-10位元,每個子載波的調變彼此獨立。

2.頻繁的訊息通道估計:電力線訊息通道中的雜訊通常是突發性的,大多來自家電的干擾,例如攪拌機和微波爐。UPA版本的EoP執行頻繁的訊息通道估計,在發射器和接收器之間交換訓練數據。訊息通道估計為EoP設備提供有關哪個訊息通道對電力線訊息通道的雜訊貢獻最大的相關資訊。一旦檢測到雜訊,發射器執行自適應數據位元加載(adaptive bit loading)確保電力線頻譜的最佳利用。

3.自適應位元加載:自適應位元加載指的是根據每個載波的訊息通道品質參數來即時地調整發射/接收對的調變參數。測量每個載波的訊息雜訊比,並選擇最佳的調變,最終在保證所要求的誤碼率(BER)的條件下,實現最大的傳輸速率。這樣,將把來自每個連接設備的雜訊減到最小。

4.前向糾錯方法從發射器發射足夠的資訊,在由於雜訊引起數據丟失的情況下,在接收端可以恢復原始的發射數據,而無須對這些數據進行重傳。UPA的DHS規格採用動態Reed-Solomon編碼來實現前向糾錯。

無線通訊干擾:寬頻電力線通訊採用2-32MHz頻段的頻譜。這些頻率可能已經分配給其他的無線服務,包括業餘無線電。UPA EoP技術提供可編程的‘頻譜開槽’(spectral notching)能力,用來避免使用沒有經過批准的頻率。UPA DHS採用一個稱作為窗口式OFDM調變的技術,該技術提供可編程的開槽,對槽外的頻率沒有什麼性能損失。

滿足QoS要求的頻寬分配:HD視訊需要大的頻寬。即使是在困難的情況下,比如存在斷續雜訊、來自相鄰電力線網路的干擾,或者網路被低優先級的數據所飽和,系統也必須能夠提供平穩的視訊分發。

為了實現這一點,DHS採用流量分級和中央頻寬管理。該技術就是眾所周知的先進動態時分MAC(ADTDM),是專門為高性能、嚴格的頻寬佔用、嚴格的流量優先級分類以及QoS都極為重要的音視訊分發應用而最佳化的。根據不同的服務優先級,電力線網路中的所有節點都可以無衝突地接取訊息通道。可以對優先級進行調整來適用於包括數據、VoIP和視訊點播等不同的應用。

UPA EoP系統還採用了主從架構,這種架構中,網路上的一台EoP設備被選作為主設備,而其他所有設備都作為從設備。主設備為網路上的其他EoP設備分配訊息通道接取時間。這是確保為網路上的不同服務類型分配合適頻寬的最有效(且最簡單)的方法。

內容安全:UPA規格採用168位元AES加密來提供安全的內容分發。

圖4:利用頻譜開槽防止來自其他發射訊號的干擾。
圖4:利用頻譜開槽防止來自其他發射訊號的干擾。

實現EoP的其他方法

EoP技術可以用幾種方式實現,包括UPA、HD-PLC、HomePlug 1.0、HomePlug 1.0 Turbo和HomePlug AV。當選擇電力線規格時需要考慮的幾個重要因素是:

性能:要在家庭中分發HD視訊節目,至關重要的是數據率至少要達到150MHz。UPA、HD-PLC和HomePlug AV能夠提供200Mbps的流量。而HomePlug 1.0和HomePlug 1.0 Turbo這類的舊技術只能提供有限的數據率(分別是14Mbps和85Mbps)。

技術成熟度:UPA的200Mbps晶片組自2004年推出以來的出貨量達到100多萬片。該技術已經為一些歐洲電信服務供應商採用,證明了該技術的可行性和成熟度。

HomePlug AV的推出比UPA的DHS晚三年。HomePlug AV 200Mbps晶片目前正提供樣片。而HD-PLC (200Mbps)目前還沒有量產資料。

本文小結

EoP的性能透過歐洲以及其他地區的大量消費電子產品部署而已經得到了驗證。對於用戶來說,要將高頻寬提供給任意房間的任意設備,EoP是迄今為止最便宜和最方便的解決方案。剩下來的是要看究竟哪一種至少能夠提供150Mbps的競爭技術能夠贏得這場競爭而取得市場優勢。

作者:

Ashish Garg

策略行銷經理

aog@cypress.com

Uzma Hussain Barlaskar

技術行銷工程師

uhb@cypress.com

Cypress半導體公司





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