電力線共享高清晰視頻

家庭網(wǎng)絡(luò)是指居民用戶在家庭內(nèi)部安裝的局域網(wǎng)，這種網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)㈦娔X、數(shù)字電視、媒體中心、智能設(shè)備以及其他數(shù)字應(yīng)用連接在一起，圖1是對未來家庭網(wǎng)絡(luò)的描述。家庭網(wǎng)絡(luò)為用戶提供了在連網(wǎng)設(shè)備間共享內(nèi)容的無限潛力。目前，大多數(shù)家庭網(wǎng)絡(luò)為無線網(wǎng)絡(luò)(基于Wi-Fi)。

無線家庭網(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，與數(shù)據(jù)傳輸速低且存在突發(fā)性數(shù)據(jù)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)，以確保可接受的收看體驗(yàn)。因此，消費(fèi)者在安裝共享高清內(nèi)容的家庭網(wǎng)絡(luò)時(shí)，不得不考慮有線介質(zhì)。

有線家庭網(wǎng)絡(luò)要求用戶使用CAT5以太網(wǎng)電纜對家庭布線進(jìn)行重新安排，也可利用已有的家庭電纜，如電力線、電話線或同軸電纜等。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)行重新布線通常費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且耗資不菲，通常會嚴(yán)重影響家庭裝飾的美觀。

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

圖1

電力線以太網(wǎng)(EoP)

在EoP系統(tǒng)中，在家庭中傳輸電力的銅線也被用作傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的媒體。通常情況下，系統(tǒng)通過在電力線承載的交流電信號上添加模塊載波頻實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能。將電力線作為通訊媒體的概念始于上世紀(jì)70年代。直至上世紀(jì)90年代末，EoP技術(shù)仍為低比特率傳輸，只能實(shí)現(xiàn)控制信號的電力線傳輸。
隨著能夠消減電力線傳輸噪音的新算法的出現(xiàn)，數(shù)字通訊技術(shù)繼續(xù)向前邁進(jìn)，使電力線成為具有可行性的高速數(shù)字內(nèi)容承載方式。自上世紀(jì)70年代硅晶體管成本大幅下降以來，此類計(jì)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(xiàn)實(shí)，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為價(jià)格適中的面向居民用戶市場的產(chǎn)品。

EoP系統(tǒng)始于發(fā)射器，該發(fā)射器將電腦或其他聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬線性數(shù)據(jù)，再將模擬線性數(shù)據(jù)疊加于電力線上。在接收器末端，系統(tǒng)將經(jīng)由電力線輸入的模擬線性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并將其傳輸至相關(guān)設(shè)備(見圖2)。

圖2普通數(shù)字通訊系統(tǒng)方塊圖

電力線以太網(wǎng)因具有適用于居民用戶的特點(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：電力線隨處可見。全球電網(wǎng)仍是到目前為止應(yīng)用范圍最廣的銅線網(wǎng)絡(luò)。電力線技術(shù)將用戶家庭里的各個(gè)電源插座轉(zhuǎn)變?yōu)闈撛诘木W(wǎng)絡(luò)端口，將家中已有的基礎(chǔ)設(shè)施轉(zhuǎn)變?yōu)榇x網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。與遍布各個(gè)房間的多個(gè)電源插座相比，用戶家中每一個(gè)房間通常只有一個(gè)電話線端口或一處同軸電纜插座。

安裝、使用簡易：電力線以太網(wǎng)產(chǎn)品為即插即用設(shè)備，免去了對各個(gè)房間重新布線的繁瑣操作與高昂成本。消費(fèi)者可從商店購買電力線以太網(wǎng)適配器，打開包裝，將適配器插入室內(nèi)任意電源插座即可。這些適配器能夠在電力線網(wǎng)絡(luò)中自動(dòng)彼此搜尋，做好通訊準(zhǔn)備。

性能：現(xiàn)在，電力線解決方案的數(shù)據(jù)傳輸速率已經(jīng)達(dá)到200Mbps，具有多種服務(wù)質(zhì)量(QoS)水準(zhǔn)。這種帶寬尤其適用于流動(dòng)高清晰與標(biāo)準(zhǔn)清晰視頻。

內(nèi)容安全：與易受安全攻擊的無線網(wǎng)絡(luò)不同，電力線網(wǎng)絡(luò)提供兩級內(nèi)容安全性能。惡意用戶必需首先侵入家庭，將插頭接入電源插座。即使有人做到了這一點(diǎn)，電力線以太網(wǎng)技術(shù)還提供內(nèi)置加密功能，確保所有通過電力線交換的數(shù)據(jù)都具有最高安全級別。

可靠性：大多數(shù)無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)必需對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存操作。電力線以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)以時(shí)分多址技術(shù)(TDMA)為基礎(chǔ)，不同與Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)使用的載波偵聽多路訪問(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。

通用電力線協(xié)會的EoP技術(shù)

為了進(jìn)一步了解EoP技術(shù)如何發(fā)揮作用，現(xiàn)在我們對通用電力線協(xié)會(UPA)開發(fā)的EoP技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)闡釋。UPA數(shù)字家庭標(biāo)準(zhǔn)(DHS)規(guī)范專為經(jīng)管理和未經(jīng)管理的家庭內(nèi)部電力線網(wǎng)絡(luò)而設(shè)立。該規(guī)范以Master-Slave(主-從)控制架構(gòu)為基礎(chǔ)，使用對等架構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。圖3是UPA數(shù)字家庭標(biāo)準(zhǔn)物理層(PHY)的方塊圖。

圖3 UPA數(shù)字家庭標(biāo)準(zhǔn)電力線以太網(wǎng)物理層方塊圖

UPA的EoP技術(shù)怎樣解決常見的電力線通訊難題

尖峰電壓：由于EoP技術(shù)使用電力線作為通訊手段，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(fèi)者擔(dān)心，電力線上產(chǎn)生的尖峰電壓會使基于EoP的家庭網(wǎng)絡(luò)受到影響。

事實(shí)上，UPA數(shù)字家庭標(biāo)準(zhǔn)物理層在2MHz~32MHz頻率范圍內(nèi)運(yùn)行(見圖4)。家用交流電則根據(jù)地區(qū)的不同通常使用50Hz或60Hz傳輸。使用2MHz~32MHz之間的電力線頻帶，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號較少受尖峰電壓或50Hz/60Hz頻帶電壓波動(dòng)的影響。

圖4 電力線使用頻帶

電力線噪音：電力線信道產(chǎn)生的噪音是使用電力線作為數(shù)據(jù)通訊媒介所面臨的最大挑戰(zhàn)，也是用戶在購買電力線以太網(wǎng)產(chǎn)品時(shí)最大的顧慮。消費(fèi)者會問，“我把攪拌機(jī)或是吹風(fēng)機(jī)接入電源后，EoP產(chǎn)品還能保證高清視頻的質(zhì)量嗎？每次打開微波爐或洗衣機(jī)的時(shí)候，電視上的視頻畫面會不會變得很糟糕？”

UPA的EoP技術(shù)使用下列方法解決電力線的噪音問題：
*強(qiáng)大的調(diào)制功能
*頻繁信道估算
*自適應(yīng)比特加載
*前向糾錯(cuò)

強(qiáng)大的調(diào)制功能：UPA的電力線以太網(wǎng)技術(shù)使用調(diào)制密度為每副載波2至10比特的1536載波OFDM(正交頻分復(fù)用)調(diào)制技術(shù)，將其獨(dú)立應(yīng)用于各個(gè)副載波。

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

自適應(yīng)比特加載：自適應(yīng)比特加載指的是根據(jù)每個(gè)載波的信息質(zhì)量參數(shù)將每對發(fā)射器/接收器的調(diào)制參數(shù)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(diào)制，以實(shí)現(xiàn)最大傳輸速率，同時(shí)將比特錯(cuò)誤率(BER)保持在預(yù)期水平。這種方法能夠?qū)碜云渌娐愤B接設(shè)備的干擾降到最低。

前向糾錯(cuò)：前向糾錯(cuò)法由發(fā)射器發(fā)射足夠多的信息，以便在數(shù)據(jù)因噪音而丟失的情況下，確保原始發(fā)射數(shù)據(jù)無需重新發(fā)射即可在接收器中得到恢復(fù)。UPA的數(shù)字家庭標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范使用動(dòng)態(tài)Reed-Solomon編碼實(shí)施前向糾錯(cuò)。

電力線動(dòng)力：UPA的EoP技術(shù)無論電力線有無電力加載都能正常運(yùn)行。只要給電力線芯片集配以恰當(dāng)?shù)碾娫?，?shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸就與電力線電能無關(guān)。

電力線通訊技術(shù)干擾無線電通訊：寬帶電力線使用2MHz~32MHz范圍內(nèi)的電力線頻帶。這一頻率范圍可能被不同的無線電服務(wù)(如業(yè)余電臺)占用。UPA的EoP技術(shù)提供可編程頻譜開口，可用來避開政府規(guī)定不得申請使用的頻帶。UPA的數(shù)字家庭標(biāo)準(zhǔn)使用一種名為框化OFDM(windowed-OFDM)的調(diào)制技術(shù)，能夠進(jìn)行可編程開口，在開口頻率之外產(chǎn)生的性能損失完全可以忽略不計(jì)。

高清服務(wù)質(zhì)量(QoS)需求的帶寬分配：EoP系統(tǒng)應(yīng)能夠?yàn)楦咔咫娨曁峁┐罅繋挕＜词乖诖嬖陂g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(shù)據(jù)飽和等困難條件下，EoP系統(tǒng)也應(yīng)提供流暢的視頻傳輸服務(wù)。

UPA數(shù)據(jù)家庭標(biāo)準(zhǔn)采用通信流量分級與集中式帶寬管理的方式。這種技術(shù)被稱為高級動(dòng)態(tài)時(shí)分(ADTDM)MAC，專為具有高性能需求、帶寬供應(yīng)緊張、通信分級嚴(yán)格和QoS要求較高的音頻/視頻傳輸而優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)不同的服務(wù)優(yōu)先級別，電力線網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都可無沖突接入信道。這一優(yōu)先級別可根據(jù)應(yīng)用的不同(包括數(shù)據(jù)、VoIP、視頻等)而做出調(diào)整。

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

圖5防止無線電干擾的頻譜開口

內(nèi)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電力線傳輸?shù)臄?shù)字內(nèi)容提供安全保護(hù)。密鑰可由最終用戶使用簡單的圖形用戶界面(GUI)設(shè)定，也可由EoP設(shè)備隨機(jī)產(chǎn)生。

怎樣選擇合適的電力線以太網(wǎng)產(chǎn)品

對于最終用戶，市場上有數(shù)種電力線以太網(wǎng)技術(shù)可供選擇，包括UPA、HD-PLC、HomePlug 1.0、HomePlug1.0 Turbo和HomePlug AV等。下面是用戶在選擇合適的電力線產(chǎn)品時(shí)應(yīng)考慮的關(guān)鍵因素：
性能：每個(gè)家庭的電力線布局都有所不同，很難事先斷言電力線以太網(wǎng)設(shè)備在各個(gè)家庭中將表現(xiàn)出何種性能。因此，消費(fèi)者應(yīng)購買市場上性能最佳的產(chǎn)品，以避免因返工而再次造訪商店。在家庭內(nèi)部傳輸高清視頻內(nèi)容，消費(fèi)者更應(yīng)選擇數(shù)據(jù)速率達(dá)到150Mbps以上的EoP產(chǎn)品。

技術(shù)完備性：每個(gè)家庭的電力線布局都各不相同，因此，尚未得到大規(guī)模應(yīng)用的電力線技術(shù)能否達(dá)到預(yù)期的性能水平，許多用戶都對此疑慮重重。

自2004年EoP技術(shù)面世以來，UPA的200Mbps芯片集出廠量已達(dá)100萬片。在歐洲，電信運(yùn)營商(telcos)已將EoP技術(shù)大規(guī)模付諸實(shí)施，由此可以證明UPA的EoP產(chǎn)品完全能夠滿足用戶的使用體驗(yàn)需求。

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

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

結(jié)語

電力線以太網(wǎng)技術(shù)使用2MHz~32MHz之間的電力線頻帶。大多數(shù)國家的政府監(jiān)管部門未將這一部分頻帶劃歸商業(yè)用途，但未來這種情況可能會有所改變。這樣，電力線技術(shù)就能夠幫助消費(fèi)者通過簡單的軟件更新，使其EoP設(shè)備與最新的政府監(jiān)管政策同步，因此，選擇電力線技術(shù)是用戶的明智之舉。UPA的EoP技術(shù)即可為用戶提供這種便利，用戶可通過在線下載簡單易行的軟件更新，將EoP設(shè)備更新到與政策要求同步的狀態(tài)。

因?yàn)殡娏€具有使用廣泛、性能優(yōu)異以及簡便易用等特點(diǎn)，電力線以太網(wǎng)技術(shù)成為簡便家庭聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的選擇之一。使用電力線以太網(wǎng)產(chǎn)品，用戶可在電話與高清電視之間實(shí)現(xiàn)高清內(nèi)容的無縫共享。此外，消費(fèi)者應(yīng)注意選擇最適合自己需求的EoP產(chǎn)品。