JavaScript is currently disabled.Please enable it for a better experience of Jumi.
Använd elnätet för att distribuera HD-video hemma, skriver Ashish Garg och Uzma Hussain Barlaskar på Cypress Semiconductor.
Image Image
Ashish Garg (Den här e-postadressen skyddas mot spambots. Du måste tillåta JavaScript för att se den.) är chef för strategisk marknadsföring på Cypress Semiconductor, och deltar i arbetet med framtidens produktplaner utifrån studier av tekniktrender och kommande marknader. Han har tidigare arbetat med såväl teknik som marknadsföring inom Altera, Texas Instruments och Sun Microsystems.

Uzma Hussain Barlaskar (Den här e-postadressen skyddas mot spambots. Du måste tillåta JavaScript för att se den.) är teknisk marknadsföringsingenjör på samma företag. Hon läser samtidigt in en examen i datavetenskap i Indien.
ImageNätverk i hemmen är nästa stora utmaning inom konsumentteknik. Hemanvändare av musik, video och annan multimedia börjar nu vilja dela allt detta innehåll mellan olika apparater (pc, spelkonsoler, hi-fi, mediaservrar) över bredbandiga nätverk som ger en garanterad tjänstekvalitet (QoS, Quality of Service).

Trådlösa hemnät, som vanligen använder wifi-teknik, räcker inte till för detta. Wifi är bra för att dela på Internetanslutningar mellan datorer, där nätverkstrafiken är lätt och förekommer skurvis. Men HD-video (High-Definition, även kallad högskarp video) kräver större bandbredd och förutsägbar tjänstekvalitet för att ge en acceptabel tittarupplevelse. Bara kabelmedier kan erbjuda detta.
Image
Figur 1: Jämförelse mellan olika alterntiv för trådbundna nätverk (ur Heavy Reading, Maj 2006)


En användare har flera möjligheter att välja bland vid installation av ett hemnätverk, se figur 1. Ethernet över elnätet (EoP, Ethernet-over-Powerline) håller på att utvecklas till det mest praktiska alternativet för hemnät, av flera skäl:

o Elnätet finns överallt - den nya tekniken gör alla eluttag i hemmet till potentiella nätverksportar.

o Produkterna för Ethernet-over-Powerline är plug-and-play-enheter, och de kräver ingen ändrad ledningsdragning.

o Idag finns elnätsprodukter som erbjuder datahastigheter upp till 200 Mbit/s och flera kvalitetsnivåer. Detta gör dem väl lämpade för strömmande standard- och HD-video.

o Ethernet över elnätet erbjuder två nivåer för skydd av innehållet. Illasinnade användare måste först bryta sig in i hemmet och ansluta sig till ett eluttag. Därefter måste de knäcka den inbyggda krypteringen i EoP-tekniken.

o TDMA-teknologin (Time Division Multiple Access) som EoP baseras på ger garanterad bandbredd för videoöverföring.

I EoP-system utnyttjas de kopparledningar som används för att distribuera elström i hemmet som medium för att överföra digitala data. Systemet fungerar normalt så att man överlagrar en modulerad bärfrekvens på den växelspänning som överförs av ledningen. Konceptet att använda elledningar som medium för dataöverföring har funnits sedan 1970-talet. Men ända fram till sent på 1990-talet erbjöd EoP-teknologin så låg bithastighet att bandbredden bara räckte till för att överföra styrsignaler.

Nu har nya algoritmer för att lösa problemen med störningar på ledningarna gjort elnätet till en användbar höghastighetsbärare av digitalt material. Samtidigt har halvledarna blivit så billiga att dessa beräkningsintensiva algoritmer kan implementeras på ett enda chips, med pris lågt nog för massmarknader.
Image
Figur 2: Generellt blocksystem för ett digitalt kommunikationssystem


Ett EoP-system startar med en sändare som omvandlar digitala data från en pc eller någon annan nätverksansluten enhet till analoga linjedata, som sedanöverförs över elledningarna. På mottagarsidan omvandlas de analoga linjedata som tagits emot till digitala data, vilka överförs till lämplig enhet, se figur 2.

En version av EoP som utvecklats av Universal Powerline Association (UPA) är den så kallade DHS-specifikationen (Digital Home Standard). Den har utformats för både "managed" och "un-managed" elnätsbaserade nätverk i hemmet. Den bygger på en master-slave-baserad styrarkitektur och använder en peer-to-peer-arkitektur för dataöverföring, se figur 3.
Image
Figur 3: Blockshema för det fysiska lagret (PHY) i DHS.


Liksom all teknik för höghastighetskommunikation över elnätet måste DHS lösa en hel del stora och uppenbara konstruktionsproblem. Exempel är:

Spänningsspikar: Den största missuppfattningen om EoP-tekniken är att eftersom den använder elnätet som kommunikationsväg är dess prestanda beroende av kvaliteten på den elektricitet som nätet är byggt för. Men DHS fysiska enheter arbetar i frekvensområdet 2-32 MHz, medan frekvensen på den vanliga nätspänningen normalt bara är 50 eller 60 Hz. Genom att man använder ett så högt område av spektrum blir de digitala datasignalerna mindre känsliga för spikar och fluktuationer i nätspänningen.

Störningar på elnätet: Störningar är det största hindret för att använda elnätet för dataöverföring. En EoP-produkt måste leverera HD-video med hög kvalitet även om någon ansluter en hushållsapparat eller hårtork till nätet.

I DHS används fyra metoder för att lösa störningsproblem:

1. Robust modulering

2. Regelbunden kanalestimering

3. Adaptiv "bit loading"

4. Felkorrigering med FEC (Forward Error Correction)

1. Robust modulering: UPA:s teknologi använder OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) med 1 536 bärvågor, och med modulationstätheter från 2 till 10 bitar per underbärvåg, oberoende anbringad till varje underbärvåg.

2. Regelbunden kanalestimering: De störningar som elnätskanalen utsätts för uppträder ofta skurvis, eftersom de mest kommer från hushållsapparater som elvispar och mikrovågsugnar som används oregelbundet. UPA:s version av EoP utför regelbundet en kanalestimering, där "övningsdata" utväxlas mellan sändare och mottagare. Härigenom får EoP-enheterna information om vilka delar av elnätskanalen som bidrar med störst mängd störningar. När störningar har upptäckts använder sändarna adaptiv "bit loading" för att garantera att elnätets spektrum utnyttjas optimalt.

3. Adaptiv "bit loading": Systemet anpassar modulationsparametrarna för varje par av sändare/mottagare i realtid, utifrån kanalkvalitetsparametrarna hos varje bärvåg. Signal-brusförhållandet mäts för varje bärvåg, och sedan väljs en modulation som maximerar överföringshastighet med bibehållande av den önskade bitfelsfrekvensen. Härigenom minimeras interferensen från andra enheter.

4. Felkorrigering med FEC: Med dessa metoder sänds tillräckligt mycket information ut från sändaren så att mottagaren, om den skulle förlora data på grund av störningar, kan återskapa utsända originaldata utan att omsändning krävs. UPA:s DHS-specifikation använder dynamiska Reed-Solomon-koder för att implementera FEC.

Interferens med radiokommunikation: Vid bredbandig kommunikation över elnätet används frekvenser i området 2-32 MHz. Dessa frekvenser har på sina håll även upplåtits för amatörradio och andra radiotjänster. UPA:s EoP-teknik har programmerbara "spektrumspärrar" som kan användas för att undvika dessa olicensierade frekvenser. Den metod som används kallas "windowed-OFDM modulation" som ger tillgång till programmerbara bandspärrfilter med försumbara förluster utanför de spärrade frekvenserna.

Allokering av bandbredd för att klara kvalitetskraven: HD-tv kräver enorm bandbredd. Systemet måste överföra videosignalen jämnt, även under svåra förhållanden med intermittenta störningar, interferenser från närliggande elnät och nätverk som fylls av data med låg prioritet. DHS använder trafikklassificering och centraliserad bandbreddstilldelning för att uppnå detta. Denna teknologi, även kallad Advanced Dynamic Time Division MAC (ADTDM) är optimerad för distribution av ljud och video, där höga prestanda, stringent reservering av bandbredd, strikt trafikprioritering och tjänstekvalitet har avgörande betydelse. Alla noder i det elnätsbaserade datanätet tilldelas kollisionsfri access till kanalen i förhållande till olika tjänsteprioriteringar. Dessa prioriteringar kan anpassas för att passa olika applikationer, som data, telefoni (VoIP, voice over IP) och beställvideo.

UPAs EoP-system använder också en master/slave-arkitektur, där en av EoP-enheterna i nätverket väljs som master medan alla övriga tilldelas rollen som slavar. Master-enheten allokerar accesstid till kanalen åt andra EoP-enheter i nätverket. Detta är den enklaste och mest effektiva metoden att garantera att olika typer av trafik allokeras bandbredd i nätverket.

Innehållssäkerhet: UPA:s specifikation använder 168-bits AES-kryptering för att ge säker distribution av innehållet.

Det finns förvisso andra valmöjligheter för att implementera Ethernet i elnätet. EoP-teknik finns tillgänglig i många olika varianter, däribland. UPA, HD-PLC, HomePlug 1.0, HomePlug 1.0 Turbo och HomePlug AV. Viktiga faktorer att ta hänsyn till vid valet mellan dessa specifikationer är:

Prestanda: För distribution av HD-videoinnehåll i hemmet krävs en datahastighet på åtminstone 150 Mbit/s. UPA, HD-PLC och HomePlug AV ger 200 Mbit/s datatakt. Äldre teknik som HomePlug 1.0 och HomePlug 1.0 Turbo erbjuder mer modesta datahastigheter (14 respektive 85 Mbit/s).

Teknikmognad: Mer än en miljon chipset för UPAs 200 Mbit/s har levererats sedan tekniken introducerades 2004. Att tekniken använts telekomleverantörer i Europa indikerar dess användbarhet.

HomePlug AV lanserades tre år efter UPA:s DHS. Chipsatser för 200 Mbit/s HomePlug AV levereras nu som provexemplar, och konsumentprodukter väntas presenteras av tillverkarna tidigt under 2007.

Inga uppgifter finns tillgängliga om volymleveranser av 200 Mbit/s HD-PLC-teknologin.

Att Ethernet över elnätet är en praktiskt användbar teknik har bevisats av att den med framgång använts i konsumentprodukter i Europa och på andra platser. För konsumenter är elnätet det i särklass billigaste och mest praktiska mediet i hemmet för att få stor bandbredd till vilken apparat som helst, i vilket rum som helst.

Allt som återstår är att se vilken av de konkurrerande teknologierna som ger minst 150 Mbit/s bandbredd som kommer att vinna jakten mot marknadsdominans.

Image
Figur 4: Spektral notch-teknik (bandspärrfilter) hindrar interferens med radiotrafik.

MER LÄSNING:
 
SENASTE KOMMENTARER
Kommentarer via Disqus