電力線(xiàn)共享高清晰視頻

家庭網(wǎng)絡(luò )是指居民用戶(hù)在家庭內部安裝的局域網(wǎng)，這種網(wǎng)絡(luò )能夠將電腦、數字電視、媒體中心、智能設備以及其他數字應用連接在一起，圖1是對未來(lái)家庭網(wǎng)絡(luò )的描述。家庭網(wǎng)絡(luò )為用戶(hù)提供了在連網(wǎng)設備間共享內容的無(wú)限潛力。目前，大多數家庭網(wǎng)絡(luò )為無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )(基于Wi-Fi)。

無(wú)線(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò )擁有足夠帶寬，能夠在電腦間共享互聯(lián)網(wǎng)連接。不過(guò)，與數據傳輸速低且存在突發(fā)性數據通信的互聯(lián)網(wǎng)瀏覽不同的是，高清視頻需要較高的帶寬與可保證的服務(wù)質(zhì)量(QoS)，以確?？山邮艿氖湛大w驗。因此，消費者在安裝共享高清內容的家庭網(wǎng)絡(luò )時(shí)，不得不考慮有線(xiàn)介質(zhì)。

有線(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò )要求用戶(hù)使用CAT5以太網(wǎng)電纜對家庭布線(xiàn)進(jìn)行重新安排，也可利用已有的家庭電纜，如電力線(xiàn)、電話(huà)線(xiàn)或同軸電纜等。表1對不同的家庭網(wǎng)絡(luò )聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了比較分析。

在安裝家庭網(wǎng)絡(luò )時(shí)，用戶(hù)有好幾種技術(shù)可供選擇。使用CAT5以太網(wǎng)電纜對房間進(jìn)行重新布線(xiàn)通常費時(shí)費力，且耗資不菲，通常會(huì )嚴重影響家庭裝飾的美觀(guān)。

消費者在安裝家庭網(wǎng)絡(luò )以共享高清視頻內容時(shí)可以選擇好幾種方法。由于電源插頭隨處可見(jiàn)以及電力線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )安裝的簡(jiǎn)易性特點(diǎn)，通過(guò)家庭電力線(xiàn)使用EoP技術(shù)傳輸高清視頻內容仍然是最具優(yōu)勢的方法之一。

圖1

電力線(xiàn)以太網(wǎng)(EoP)

在EoP系統中，在家庭中傳輸電力的銅線(xiàn)也被用作傳輸數字數據的媒體。通常情況下，系統通過(guò)在電力線(xiàn)承載的交流電信號上添加模塊載波頻實(shí)現數據傳輸功能。將電力線(xiàn)作為通訊媒體的概念始于上世紀70年代。直至上世紀90年代末，EoP技術(shù)仍為低比特率傳輸，只能實(shí)現控制信號的電力線(xiàn)傳輸。
隨著(zhù)能夠消減電力線(xiàn)傳輸噪音的新算法的出現，數字通訊技術(shù)繼續向前邁進(jìn)，使電力線(xiàn)成為具有可行性的高速數字內容承載方式。自上世紀70年代硅晶體管成本大幅下降以來(lái)，此類(lèi)計算密集型算法已經(jīng)能夠在單芯片上實(shí)施。這兩種技術(shù)的進(jìn)步使高帶寬EoP技術(shù)最終成為現實(shí)，并進(jìn)一步轉化為價(jià)格適中的面向居民用戶(hù)市場(chǎng)的產(chǎn)品。

EoP系統始于發(fā)射器，該發(fā)射器將電腦或其他聯(lián)網(wǎng)設備中的數字數據轉換為模擬線(xiàn)性數據，再將模擬線(xiàn)性數據疊加于電力線(xiàn)上。在接收器末端，系統將經(jīng)由電力線(xiàn)輸入的模擬線(xiàn)性數據轉化為數字信號，并將其傳輸至相關(guān)設備(見(jiàn)圖2)。

圖2普通數字通訊系統方塊圖

電力線(xiàn)以太網(wǎng)因具有適用于居民用戶(hù)的特點(diǎn)，而成為具有可行性的取代其他家庭聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新型技術(shù)。其優(yōu)勢如下文所述：

隨處可用：電力線(xiàn)隨處可見(jiàn)。全球電網(wǎng)仍是到目前為止應用范圍最廣的銅線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。電力線(xiàn)技術(shù)將用戶(hù)家庭里的各個(gè)電源插座轉變?yōu)闈撛诘木W(wǎng)絡(luò )端口，將家中已有的基礎設施轉變?yōu)榇x網(wǎng)絡(luò )設備。與遍布各個(gè)房間的多個(gè)電源插座相比，用戶(hù)家中每一個(gè)房間通常只有一個(gè)電話(huà)線(xiàn)端口或一處同軸電纜插座。

安裝、使用簡(jiǎn)易：電力線(xiàn)以太網(wǎng)產(chǎn)品為即插即用設備，免去了對各個(gè)房間重新布線(xiàn)的繁瑣操作與高昂成本。消費者可從商店購買(mǎi)電力線(xiàn)以太網(wǎng)適配器，打開(kāi)包裝，將適配器插入室內任意電源插座即可。這些適配器能夠在電力線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中自動(dòng)彼此搜尋，做好通訊準備。

性能：現在，電力線(xiàn)解決方案的數據傳輸速率已經(jīng)達到200Mbps，具有多種服務(wù)質(zhì)量(QoS)水準。這種帶寬尤其適用于流動(dòng)高清晰與標準清晰視頻。

內容安全：與易受安全攻擊的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )不同，電力線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )提供兩級內容安全性能。惡意用戶(hù)必需首先侵入家庭，將插頭接入電源插座。即使有人做到了這一點(diǎn)，電力線(xiàn)以太網(wǎng)技術(shù)還提供內置加密功能，確保所有通過(guò)電力線(xiàn)交換的數據都具有最高安全級別。

可靠性：大多數無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )設計都支持突發(fā)性互聯(lián)網(wǎng)通信和隨選視頻流動(dòng)，這種設計必需對大量數據進(jìn)行緩存操作。電力線(xiàn)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )以時(shí)分多址技術(shù)(TDMA)為基礎，不同與Wi-Fi網(wǎng)絡(luò )使用的載波偵聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)(CSMA)技術(shù)。時(shí)分多址技術(shù)能夠確保視頻傳輸所需要的帶寬。

通用電力線(xiàn)協(xié)會(huì )的EoP技術(shù)

為了進(jìn)一步了解EoP技術(shù)如何發(fā)揮作用，現在我們對通用電力線(xiàn)協(xié)會(huì )(UPA)開(kāi)發(fā)的EoP技術(shù)進(jìn)行詳細闡釋。UPA數字家庭標準(DHS)規范專(zhuān)為經(jīng)管理和未經(jīng)管理的家庭內部電力線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )而設立。該規范以Master-Slave(主-從)控制架構為基礎，使用對等架構進(jìn)行數據傳輸。圖3是UPA數字家庭標準物理層(PHY)的方塊圖。

圖3 UPA數字家庭標準電力線(xiàn)以太網(wǎng)物理層方塊圖

UPA的EoP技術(shù)怎樣解決常見(jiàn)的電力線(xiàn)通訊難題

尖峰電壓：由于EoP技術(shù)使用電力線(xiàn)作為通訊手段，因此其性能與動(dòng)力性提供的電力質(zhì)量有一定關(guān)系—這是人們對EoP技術(shù)最大的誤解。這一誤解使消費者擔心，電力線(xiàn)上產(chǎn)生的尖峰電壓會(huì )使基于EoP的家庭網(wǎng)絡(luò )受到影響。

事實(shí)上，UPA數字家庭標準物理層在2MHz~32MHz頻率范圍內運行(見(jiàn)圖4)。家用交流電則根據地區的不同通常使用50Hz或60Hz傳輸。使用2MHz~32MHz之間的電力線(xiàn)頻帶，數字數據信號較少受尖峰電壓或50Hz/60Hz頻帶電壓波動(dòng)的影響。

圖4 電力線(xiàn)使用頻帶

電力線(xiàn)噪音：電力線(xiàn)信道產(chǎn)生的噪音是使用電力線(xiàn)作為數據通訊媒介所面臨的最大挑戰，也是用戶(hù)在購買(mǎi)電力線(xiàn)以太網(wǎng)產(chǎn)品時(shí)最大的顧慮。消費者會(huì )問(wèn)，“我把攪拌機或是吹風(fēng)機接入電源后，EoP產(chǎn)品還能保證高清視頻的質(zhì)量嗎？每次打開(kāi)微波爐或洗衣機的時(shí)候，電視上的視頻畫(huà)面會(huì )不會(huì )變得很糟糕？”

UPA的EoP技術(shù)使用下列方法解決電力線(xiàn)的噪音問(wèn)題：
*強大的調制功能
*頻繁信道估算
*自適應比特加載
*前向糾錯

強大的調制功能：UPA的電力線(xiàn)以太網(wǎng)技術(shù)使用調制密度為每副載波2至10比特的1536載波OFDM(正交頻分復用)調制技術(shù)，將其獨立應用于各個(gè)副載波。

頻繁信道估算：電力線(xiàn)信道接收由攪拌機或其他常用家電產(chǎn)生的突發(fā)性噪音。UPA的EoP技術(shù)通過(guò)在發(fā)射器和接收器之間交換訓練數據(training data)進(jìn)行頻繁信道估算。信道估算為EoP設備提供信息，告之哪部分電力線(xiàn)信道噪音水平較高。一旦檢測到噪音，發(fā)射器將進(jìn)行自適應比特加載，以確保電力線(xiàn)頻帶的優(yōu)化使用。

自適應比特加載：自適應比特加載指的是根據每個(gè)載波的信息質(zhì)量參數將每對發(fā)射器/接收器的調制參數進(jìn)行匹配。對每個(gè)載波的信噪比進(jìn)行測量并選擇優(yōu)化調制，以實(shí)現最大傳輸速率，同時(shí)將比特錯誤率(BER)保持在預期水平。這種方法能夠將來(lái)自其他電路連接設備的干擾降到最低。

前向糾錯：前向糾錯法由發(fā)射器發(fā)射足夠多的信息，以便在數據因噪音而丟失的情況下，確保原始發(fā)射數據無(wú)需重新發(fā)射即可在接收器中得到恢復。UPA的數字家庭標準規范使用動(dòng)態(tài)Reed-Solomon編碼實(shí)施前向糾錯。

電力線(xiàn)動(dòng)力：UPA的EoP技術(shù)無(wú)論電力線(xiàn)有無(wú)電力加載都能正常運行。只要給電力線(xiàn)芯片集配以恰當的電源，數字數據傳輸就與電力線(xiàn)電能無(wú)關(guān)。

電力線(xiàn)通訊技術(shù)干擾無(wú)線(xiàn)電通訊：寬帶電力線(xiàn)使用2MHz~32MHz范圍內的電力線(xiàn)頻帶。這一頻率范圍可能被不同的無(wú)線(xiàn)電服務(wù)(如業(yè)余電臺)占用。UPA的EoP技術(shù)提供可編程頻譜開(kāi)口，可用來(lái)避開(kāi)政府規定不得申請使用的頻帶。UPA的數字家庭標準使用一種名為框化OFDM(windowed-OFDM)的調制技術(shù)，能夠進(jìn)行可編程開(kāi)口，在開(kāi)口頻率之外產(chǎn)生的性能損失完全可以忽略不計。

高清服務(wù)質(zhì)量(QoS)需求的帶寬分配：EoP系統應能夠為高清電視提供大量帶寬。即使在存在間歇噪音、鄰近動(dòng)力網(wǎng)絡(luò )干擾或網(wǎng)絡(luò )低優(yōu)先級數據飽和等困難條件下，EoP系統也應提供流暢的視頻傳輸服務(wù)。

UPA數據家庭標準采用通信流量分級與集中式帶寬管理的方式。這種技術(shù)被稱(chēng)為高級動(dòng)態(tài)時(shí)分(ADTDM)MAC，專(zhuān)為具有高性能需求、帶寬供應緊張、通信分級嚴格和QoS要求較高的音頻/視頻傳輸而優(yōu)化設計。根據不同的服務(wù)優(yōu)先級別，電力線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中的所有節點(diǎn)都可無(wú)沖突接入信道。這一優(yōu)先級別可根據應用的不同(包括數據、VoIP、視頻等)而做出調整。

UPA的EoP系統采用主/從架構。在這種架構中，網(wǎng)絡(luò )中的一臺EoP設備被設為主設備，而其他設備都被設為從設備?！爸髟O備”為網(wǎng)絡(luò )中的其他EoP設備分配信息存取時(shí)間。這是將帶寬分配給網(wǎng)絡(luò )中不同通信種類(lèi)的效率最高、最簡(jiǎn)易的方法。UPA的EoP規范具有靈活性，不同的廠(chǎng)商可為特定應用選擇實(shí)施不同的QoS算法。

圖5防止無(wú)線(xiàn)電干擾的頻譜開(kāi)口

內容安全性：UPA的EoP技術(shù)使用168位AES加密技術(shù)為高清視頻和其他通過(guò)電力線(xiàn)傳輸的數字內容提供安全保護。密鑰可由最終用戶(hù)使用簡(jiǎn)單的圖形用戶(hù)界面(GUI)設定，也可由EoP設備隨機產(chǎn)生。

怎樣選擇合適的電力線(xiàn)以太網(wǎng)產(chǎn)品

對于最終用戶(hù)，市場(chǎng)上有數種電力線(xiàn)以太網(wǎng)技術(shù)可供選擇，包括UPA、HD-PLC、HomePlug 1.0、HomePlug1.0 Turbo和HomePlug AV等。下面是用戶(hù)在選擇合適的電力線(xiàn)產(chǎn)品時(shí)應考慮的關(guān)鍵因素：
性能：每個(gè)家庭的電力線(xiàn)布局都有所不同，很難事先斷言電力線(xiàn)以太網(wǎng)設備在各個(gè)家庭中將表現出何種性能。因此，消費者應購買(mǎi)市場(chǎng)上性能最佳的產(chǎn)品，以避免因返工而再次造訪(fǎng)商店。在家庭內部傳輸高清視頻內容，消費者更應選擇數據速率達到150Mbps以上的EoP產(chǎn)品。

技術(shù)完備性：每個(gè)家庭的電力線(xiàn)布局都各不相同，因此，尚未得到大規模應用的電力線(xiàn)技術(shù)能否達到預期的性能水平，許多用戶(hù)都對此疑慮重重。

自2004年EoP技術(shù)面世以來(lái)，UPA的200Mbps芯片集出廠(chǎng)量已達100萬(wàn)片。在歐洲，電信運營(yíng)商(telcos)已將EoP技術(shù)大規模付諸實(shí)施，由此可以證明UPA的EoP產(chǎn)品完全能夠滿(mǎn)足用戶(hù)的使用體驗需求。

UPS 200Mbps EoP解決方案面世三年后，HomePlug AV(200Mbps)開(kāi)始投放市場(chǎng)。截止到本文定稿時(shí)為止，HomePlug AV 200Mbps芯片集與廠(chǎng)商發(fā)布的消費產(chǎn)品尚處于抽樣試驗階段。

目前還沒(méi)有關(guān)于HD-PLC(200 Mbps)技術(shù)出貨量的具體數據，因此無(wú)法與UPA和HomePlug AV進(jìn)行對比。

結語(yǔ)

電力線(xiàn)以太網(wǎng)技術(shù)使用2MHz~32MHz之間的電力線(xiàn)頻帶。大多數國家的政府監管部門(mén)未將這一部分頻帶劃歸商業(yè)用途，但未來(lái)這種情況可能會(huì )有所改變。這樣，電力線(xiàn)技術(shù)就能夠幫助消費者通過(guò)簡(jiǎn)單的軟件更新，使其EoP設備與最新的政府監管政策同步，因此，選擇電力線(xiàn)技術(shù)是用戶(hù)的明智之舉。UPA的EoP技術(shù)即可為用戶(hù)提供這種便利，用戶(hù)可通過(guò)在線(xiàn)下載簡(jiǎn)單易行的軟件更新，將EoP設備更新到與政策要求同步的狀態(tài)。

因為電力線(xiàn)具有使用廣泛、性能優(yōu)異以及簡(jiǎn)便易用等特點(diǎn)，電力線(xiàn)以太網(wǎng)技術(shù)成為簡(jiǎn)便家庭聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的選擇之一。使用電力線(xiàn)以太網(wǎng)產(chǎn)品，用戶(hù)可在電話(huà)與高清電視之間實(shí)現高清內容的無(wú)縫共享。此外，消費者應注意選擇最適合自己需求的EoP產(chǎn)品。