基于Cable的高速家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

1 引言

隨著信息服務(wù)日益向?qū)拵Щ�發(fā)展，家庭網(wǎng)絡(luò)正在形成一個(gè)巨大的市場，受到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商、設(shè)備制造商、家電以及IT等各個(gè)產(chǎn)業(yè)的關(guān)注，提供了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。家庭網(wǎng)絡(luò)不僅僅是一個(gè)為了完成家庭內(nèi)部各種設(shè)備資源共享、協(xié)同工作的網(wǎng)絡(luò)，還能通過與外部網(wǎng)絡(luò)(電信網(wǎng)／Internet／社區(qū)網(wǎng))的連接，實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部設(shè)備與外部網(wǎng)絡(luò)信息交流的目的，通過豐富多彩的業(yè)務(wù)和應(yīng)用使用戶享受到舒適、便利、安全等新的生活體驗(yàn)。家庭網(wǎng)絡(luò)建設(shè)可充分利用家庭內(nèi)部的有線和無線物理介質(zhì)，包括五類線，電力線，有線電視同軸電纜(Cable)，Wi-Fi，UWB等。其中，由于有線電視網(wǎng)絡(luò)的普及，全國上億家庭已經(jīng)鋪設(shè)了Cable，同時(shí) Cable又可以提供高質(zhì)、高速的數(shù)據(jù)傳輸，因此基于 Cable的高速家庭網(wǎng)絡(luò)引起越來越多的關(guān)注，并產(chǎn)生了多種技術(shù)。這些技術(shù)基于Cable網(wǎng)絡(luò)，無需重新鋪設(shè)五類線；不僅可以實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部設(shè)備互聯(lián)，也可以在接入網(wǎng)建設(shè)到樓道后用于最后100m接人，實(shí)現(xiàn)有線電視網(wǎng)雙向化改造。

本文將對幾種主要的基于Cable的高速家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行介紹，包括MoCA，Wi-FioverCable，EoC和 HomePlugoverCoax等。

2 MOCA

2．1 MoCA聯(lián)盟介紹

MoCA(MultimediaoverCoaxAlliance，同軸電纜多媒體聯(lián)盟)是一個(gè)開放的行業(yè)推動組織，致力于通過家庭中現(xiàn)有的同軸電纜分發(fā)數(shù)字視頻、數(shù)據(jù)和娛樂產(chǎn)品。 MoCA聯(lián)盟由Comcast，EchoStar，Entropic Communi- cations，Linksys，摩托羅拉，松下，RadioShack和東芝等公司于2004年共同建立，至今其成員公司已超過50家。

2006年，MoCA聯(lián)盟發(fā)布了MoCAl.0MAC／PHY Spec，對MoCA的物理層和MAC層進(jìn)行了規(guī)范。許多廠家已經(jīng)提供了內(nèi)嵌MoCAl.0規(guī)范的各種產(chǎn)品，包括機(jī)頂盒、路由器、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)橋和ONT等。2007年底， MoCA聯(lián)盟批準(zhǔn)通過了MoCA 1.1，可為多媒體業(yè)務(wù)提供更好的QoS，并且把有效數(shù)據(jù)速率提高到 175Mbit／s，Entropic公司已開發(fā)出符合MoCA1.1標(biāo)準(zhǔn)的芯片組。MoCA聯(lián)盟發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)除了完整的技術(shù)規(guī)范外，還包括認(rèn)證測試計(jì)劃和程序，以供要采用這一規(guī)范的公司使用。幾家公司已經(jīng)開始測試這一規(guī)范，以確保產(chǎn)品之間的互操作性。Actiontec，Entropic， Linksys，Mototech，摩托羅拉，松下，2Wire和Westell 已經(jīng)通過了MoCA認(rèn)證。

2．2技術(shù)特征

有線電視在Cable上進(jìn)行傳輸時(shí)，一般是占用 50～850MHz頻段，而MoCA主要利用800 1550MHz 頻段來完成數(shù)據(jù)傳輸。工作頻段可劃分為29個(gè)頻道，每頻道帶寬為50MHz，步長25MHz。MoCA采用 OFDM和自適應(yīng)m-QAM調(diào)制方式，每頻道可提供 270Mbit，s的最大物理傳輸速率和l35Mbit／s的有效數(shù)據(jù)速率，MoCA l.1通過聚合功能可提供175Mbit／s的有效速率。每頻道使用一個(gè)局端設(shè)備NC(Network Controller)，每個(gè)NC可支持31(63)個(gè)CPE設(shè)備，最大傳輸距離可達(dá)600m。在同一段Cable上可線性疊加 MoCA頻道，擴(kuò)展數(shù)據(jù)帶寬和用戶數(shù)量。目前，一段 Cable鏈路上可同時(shí)支持4個(gè)頻道，有效數(shù)據(jù)速率 >400Mbit／s，并且即將升級到支持8頻道，有效傳輸速率可達(dá)1Gbit／s，同時(shí)支持的用戶數(shù)超過500個(gè)。

MoCA的雙工方式為時(shí)分雙工TDD，采用時(shí)分多址TDMA，所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收都在同一載波上進(jìn)行。MoCA的MAC協(xié)議設(shè)計(jì)為無沖突的，信道接人完全由NC控制，NC根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的請求來為其分配傳輸?shù)臅r(shí)隙。在MoCA網(wǎng)絡(luò)中，NC處于一個(gè)中心地位，除了負(fù)責(zé)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸時(shí)隙分配外，還負(fù)責(zé)新節(jié)點(diǎn)的加入、密鑰管理等功能。NC由網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)根據(jù)一定的原則自動選舉產(chǎn)生，并支持備用NC以便在當(dāng)前NC出現(xiàn)故障時(shí)進(jìn)行快速切換。

MoCA成立之初的一個(gè)重要目的是為了在Cable 上傳輸多媒體業(yè)務(wù)，因此MoCA具有一套QoS機(jī)制來保障各種業(yè)務(wù)的傳輸質(zhì)量。MoCA l.0提供基于優(yōu)先級的OoS保證，具有3個(gè)優(yōu)先級隊(duì)列，對視頻、語音、游戲等業(yè)務(wù)進(jìn)行區(qū)分服務(wù)。而MoCAl l則提供參數(shù)化的 OoS保證，可為業(yè)務(wù)流預(yù)留帶寬并進(jìn)行接入控制，為業(yè)務(wù)提供嚴(yán)格的QoS保證。此外，MoCA在網(wǎng)絡(luò)安全、設(shè)備遠(yuǎn)程管理與配置等方面都具有良好的支持。

MoCA技術(shù)成熟、標(biāo)準(zhǔn)化程度高，已在北美規(guī)模應(yīng)用，實(shí)測可提供lOOMbit／s以上的傳輸速率，低誤碼、低時(shí)延。它不需要改變已有網(wǎng)絡(luò)布線，也不用增加新的電纜，可以通過分支分配器傳輸。用戶端也無需專業(yè)人士進(jìn)行安裝，不需要對調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行各種設(shè)置。在同一頻帶內(nèi)進(jìn)行雙向通信，不需要專門留出上行帶寬。其缺點(diǎn)在于成本相對較高，但隨著生產(chǎn)廠家及出貨量的不斷增加，價(jià)格也有所下降。

3 Wi-Fi over Cable

Wi．Fi是一種基于802.11系列標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它可使用戶實(shí)現(xiàn)無線接入和共享網(wǎng)絡(luò)資源。與在空中傳輸相比，尤其在穿墻的情況下，Wi-Fi信號在 Cable中傳輸損耗小，覆蓋范圍大，不存在干擾和被干擾問題，同時(shí)具有較好的安全性。因此，利用Wi—Fi同時(shí)在Cable和空中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可以作為家庭網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)的一種技術(shù)方案，在不同的場合既保持了無線連接的方便易用，又可通過Cable在保持高速率的情況下增大覆蓋范圍。圖1為采用Wi-FioverCable技術(shù)的家庭網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)示意圖。圖1中，家庭內(nèi)部采用802.11g 進(jìn)行數(shù)據(jù)和視頻分發(fā)，傳輸速率可達(dá)54Mbit／s。家中兩臺電腦共享一個(gè)基于Cable的寬帶Internet連接，一樓的筆記本電腦通過無線直接連接到STB／AP，而二樓的電腦由于墻壁的阻隔，無法與STB／AP建立高質(zhì)量的無線連接。利用Wi-FioverCable技術(shù)，在二樓通過一個(gè)分離器連接了STB和Wi-Fi中繼器，擴(kuò)大了高速 wi-Fi信號的覆蓋范圍，二樓的電腦由中繼器接入網(wǎng)絡(luò)。此外，二樓的電腦如果具備相應(yīng)接口的網(wǎng)卡，也可直接以Cable的方式接人。

如果在家庭內(nèi)部利用Wi-FioverCable技術(shù)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)覆蓋，由于傳輸距離通常較短，所需分支分配器的數(shù)量也較少，傳輸2.4GHz信號時(shí)按照0.5～ldB／m 的線路損耗和20～30dB的分支分配器損耗考慮，也基本能夠保持較高的數(shù)據(jù)傳輸速率。因此，有些公司的產(chǎn)品直接用Cable承載2 4GHz的Wi-Fi信號，比如 T1。Wi-FioverCable技術(shù)同時(shí)可用于有線電視網(wǎng)絡(luò)的雙向化改造，此時(shí)線路距離較長，分支分配器數(shù)量增加，從而導(dǎo)致信號衰減較大，不適合在國內(nèi)5～ 1000MHz帶寬的電纜分配網(wǎng)絡(luò)中工作。為了克服這一問題，一種解決方案是更換已有設(shè)備，采用5～ 2500MHz的分支分配器，可以滿足Wi-Fi信號在同軸電纜中高速傳輸時(shí)的衰耗要求。這一方案所用技術(shù)成熟且已標(biāo)準(zhǔn)化，但是更換設(shè)備工作量大，也造成成本上升和器材浪費(fèi)。因此，也有的廠家采用變頻解決方案，即將2.4GHz信號下變頻到900MHz lGHz左右的頻段，這一方案的主要支持廠家為Atheros。進(jìn)行信號下變頻后，大大減小了電纜和無源分支分配器的損耗，從而可以利用現(xiàn)有的有線電視網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，無需更換現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。變頻解決方案的缺點(diǎn)是標(biāo)準(zhǔn)化較差，不同廠家的設(shè)備存在互通問題；用戶端設(shè)備接口也需要定制，不能利用原有Wi-Fi網(wǎng)卡或內(nèi)置在Notebook中的Wi-Fi模塊。

以802.119／noverCable為例，物理層采用OFDM，調(diào)制方式為自適應(yīng)BPSK，QPSK，m-QAM調(diào)制。Wi-Fi overCable的頻帶利用情況如圖2所示。若采用標(biāo)準(zhǔn)的非變頻方案，工作頻率為2.4GHz；若采用下變頻方案，工作頻率為900MHz左右，視不同廠家具體實(shí)現(xiàn)方案而定。每信道帶寬為20／40MHz，可支持l3個(gè)信道。

Wi-FioverCable若采用802.11n技術(shù)，目前物理層速率可確保l08Mbit／s，最高可達(dá)300Mbit／s。但需要說明的是，在Wi-Fi技術(shù)中，各層協(xié)議開銷所占帶寬也較大，實(shí)際的數(shù)據(jù)速率可能只有一半左右。MAC協(xié)議仍采用Wi-Fi的CSMA／CA，這是基于競爭的TDMA 多址接人協(xié)議。雙工方式為時(shí)分雙工。