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基于Cable的高速家庭网络技术
1 引言
随着信息服务日益向宽带化发展,家庭网络正在形成一个巨大的市场,受到网络服务提供商、设备制造商、家电以及IT等各个产业的关注,提供了前所未有的发展机遇。家庭网络不仅仅是一个为了完成家庭内部各种设备资源共享、协同工作的网络,还能通过与外部网络(电信网/Internet/社区网)的连接,实现家庭内部设备与外部网络信息交流的目的,通过丰富多彩的业务和应用使用户享受到舒适、便利、安全等新的生活体验。家庭网络建设可充分利用家庭内部的有线和无线物理介质,包括五类线,电力线,有线电视同轴电缆(Cable),Wi-Fi,UWB等。其中,由于有线电视网络的普及,全国上亿家庭已经铺设了Cable,同时 Cable又可以提供高质、高速的数据传输,因此基于 Cable的高速家庭网络引起越来越多的关注,并产生了多种技术。这些技术基于Cable网络,无需重新铺设五类线;不仅可以实现家庭内部设备互联,也可以在接入网建设到楼道后用于最后100m接人,实现有线电视网双向化改造。
本文将对几种主要的基于Cable的高速家庭网络技术进行介绍,包括MoCA,Wi-FioverCable,EoC和 HomePlugoverCoax等。
2 MOCA
2.1 MoCA联盟介绍
MoCA(MultimediaoverCoaxAlliance,同轴电缆多媒体联盟)是一个开放的行业推动组织,致力于通过家庭中现有的同轴电缆分发数字视频、数据和娱乐产品。 MoCA联盟由Comcast,EchoStar,Entropic Communi- cations,Linksys,摩托罗拉,松下,RadioShack和东芝等公司于2004年共同建立,至今其成员公司已超过50家。
2006年,MoCA联盟发布了MoCAl.0MAC/PHY Spec,对MoCA的物理层和MAC层进行了规范。许多厂家已经提供了内嵌MoCAl.0规范的各种产品,包括机顶盒、路由器、网关、网桥和ONT等。2007年底, MoCA联盟批准通过了MoCA 1.1,可为多媒体业务提供更好的QoS,并且把有效数据速率提高到 175Mbit/s,Entropic公司已开发出符合MoCA1.1标准的芯片组。MoCA联盟发布的标准除了完整的技术规范外,还包括认证测试计划和程序,以供要采用这一规范的公司使用。几家公司已经开始测试这一规范,以确保产品之间的互操作性。Actiontec,Entropic, Linksys,Mototech,摩托罗拉,松下,2Wire和Westell 已经通过了MoCA认证。
2.2技术特征
有线电视在Cable上进行传输时,一般是占用 50~850MHz频段,而MoCA主要利用800 1550MHz 频段来完成数据传输。工作频段可划分为29个频道,每频道带宽为50MHz,步长25MHz。MoCA采用 OFDM和自适应m-QAM调制方式,每频道可提供 270Mbit,s的最大物理传输速率和l35Mbit/s的有效数据速率,MoCA l.1通过聚合功能可提供175Mbit/s的有效速率。每频道使用一个局端设备NC(Network Controller),每个NC可支持31(63)个CPE设备,最大传输距离可达600m。在同一段Cable上可线性叠加 MoCA频道,扩展数据带宽和用户数量。目前,一段 Cable链路上可同时支持4个频道,有效数据速率 >400Mbit/s,并且即将升级到支持8频道,有效传输速率可达1Gbit/s,同时支持的用户数超过500个。
MoCA的双工方式为时分双工TDD,采用时分多址TDMA,所有节点发送和接收都在同一载波上进行。MoCA的MAC协议设计为无冲突的,信道接人完全由NC控制,NC根据每个节点的请求来为其分配传输的时隙。在MoCA网络中,NC处于一个中心地位,除了负责每个节点的传输时隙分配外,还负责新节点的加入、密钥管理等功能。NC由网络中的节点根据一定的原则自动选举产生,并支持备用NC以便在当前NC出现故障时进行快速切换。
MoCA成立之初的一个重要目的是为了在Cable 上传输多媒体业务,因此MoCA具有一套QoS机制来保障各种业务的传输质量。MoCA l.0提供基于优先级的OoS保证,具有3个优先级队列,对视频、语音、游戏等业务进行区分服务。而MoCAl l则提供参数化的 OoS保证,可为业务流预留带宽并进行接入控制,为业务提供严格的QoS保证。此外,MoCA在网络安全、设备远程管理与配置等方面都具有良好的支持。
MoCA技术成熟、标准化程度高,已在北美规模应用,实测可提供lOOMbit/s以上的传输速率,低误码、低时延。它不需要改变已有网络布线,也不用增加新的电缆,可以通过分支分配器传输。用户端也无需专业人士进行安装,不需要对调制解调器进行各种设置。在同一频带内进行双向通信,不需要专门留出上行带宽。其缺点在于成本相对较高,但随着生产厂家及出货量的不断增加,价格也有所下降。
3 Wi-Fi over Cable
Wi.Fi是一种基于802.11系列标准的无线网络技术,它可使用户实现无线接入和共享网络资源。与在空中传输相比,尤其在穿墙的情况下,Wi-Fi信号在 Cable中传输损耗小,覆盖范围大,不存在干扰和被干扰问题,同时具有较好的安全性。因此,利用Wi—Fi同时在Cable和空中进行数据传输,可以作为家庭网络联网的一种技术方案,在不同的场合既保持了无线连接的方便易用,又可通过Cable在保持高速率的情况下增大覆盖范围。图1为采用Wi-FioverCable技术的家庭网络互联示意图。图1中,家庭内部采用802.11g 进行数据和视频分发,传输速率可达54Mbit/s。家中两台电脑共享一个基于Cable的宽带Internet连接,一楼的笔记本电脑通过无线直接连接到STB/AP,而二楼的电脑由于墙壁的阻隔,无法与STB/AP建立高质量的无线连接。利用Wi-FioverCable技术,在二楼通过一个分离器连接了STB和Wi-Fi中继器,扩大了高速 wi-Fi信号的覆盖范围,二楼的电脑由中继器接入网络。此外,二楼的电脑如果具备相应接口的网卡,也可直接以Cable的方式接人。
如果在家庭内部利用Wi-FioverCable技术进行联网覆盖,由于传输距离通常较短,所需分支分配器的数量也较少,传输2.4GHz信号时按照0.5~ldB/m 的线路损耗和20~30dB的分支分配器损耗考虑,也基本能够保持较高的数据传输速率。因此,有些公司的产品直接用Cable承载2 4GHz的Wi-Fi信号,比如 T1。Wi-FioverCable技术同时可用于有线电视网络的双向化改造,此时线路距离较长,分支分配器数量增加,从而导致信号衰减较大,不适合在国内5~ 1000MHz带宽的电缆分配网络中工作。为了克服这一问题,一种解决方案是更换已有设备,采用5~ 2500MHz的分支分配器,可以满足Wi-Fi信号在同轴电缆中高速传输时的衰耗要求。这一方案所用技术成熟且已标准化,但是更换设备工作量大,也造成成本上升和器材浪费。因此,也有的厂家采用变频解决方案,即将2.4GHz信号下变频到900MHz lGHz左右的频段,这一方案的主要支持厂家为Atheros。进行信号下变频后,大大减小了电缆和无源分支分配器的损耗,从而可以利用现有的有线电视网络进行数据传输,无需更换现有网络设备。变频解决方案的缺点是标准化较差,不同厂家的设备存在互通问题;用户端设备接口也需要定制,不能利用原有Wi-Fi网卡或内置在Notebook中的Wi-Fi模块。
以802.119/noverCable为例,物理层采用OFDM,调制方式为自适应BPSK,QPSK,m-QAM调制。Wi-Fi overCable的频带利用情况如图2所示。若采用标准的非变频方案,工作频率为2.4GHz;若采用下变频方案,工作频率为900MHz左右,视不同厂家具体实现方案而定。每信道带宽为20/40MHz,可支持l3个信道。
Wi-FioverCable若采用802.11n技术,目前物理层速率可确保l08Mbit/s,最高可达300Mbit/s。但需要说明的是,在Wi-Fi技术中,各层协议开销所占带宽也较大,实际的数据速率可能只有一半左右。MAC协议仍采用Wi-Fi的CSMA/CA,这是基于竞争的TDMA 多址接人协议。双工方式为时分双工。
作者:陆洋 周永红 来源:泰尔网
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