電力線共享高清晰視頻

家庭網絡是指居民用戶在家庭內部安裝的局域網，這種網絡能夠將電腦、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是對未來家庭網絡的描述。家庭網絡為用戶提供了在連網設備間共享內容的無限潛力。目前，大多數家庭網絡為無線網絡(基于Wi-Fi)。

無線家庭網絡擁有足夠帶寬，能夠在電腦間共享互聯網連接。不過，與數據傳輸速低且存在突發性數據通信的互聯網瀏覽不同的是，高清視頻需要較高的帶寬與可保證的服務質量(QoS)，以確保可接受的收看體驗。因此，消費者在安裝共享高清內容的家庭網絡時，不得不考慮有線介質。

有線家庭網絡要求用戶使用CAT5以太網電纜對家庭布線進行重新安排，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對不同的家庭網絡聯網技術進行了比較分析。

在安裝家庭網絡時，用戶有好幾種技術可供選擇。使用CAT5以太網電纜對房間進行重新布線通常費時費力，且耗資不菲，通常會嚴重影響家庭裝飾的美觀。

消費者在安裝家庭網絡以共享高清視頻內容時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絡安裝的簡易性特點，通過家庭電力線使用EoP技術傳輸高清視頻內容仍然是最具優勢的方法之一。

圖1

電力線以太網(EoP)

在EoP系統中，在家庭中傳輸電力的銅線也被用作傳輸數字數據的媒體。通常情況下，系統通過在電力線承載的交流電信號上添加模塊載波頻實現數據傳輸功能。將電力線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技術仍為低比特率傳輸，只能實現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，數字通訊技術繼續向前邁進，使電力線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，此類計算密集型算法已經能夠在單芯片上實施。這兩種技術的進步使高帶寬EoP技術最終成為現實，并進一步轉化為價格適中的面向居民用戶市場的產品。

EoP系統始于發射器，該發射器將電腦或其他聯網設備中的數字數據轉換為模擬線性數據，再將模擬線性數據疊加于電力線上。在接收器末端，系統將經由電力線輸入的模擬線性數據轉化為數字信號，并將其傳輸至相關設備(見圖2)。

圖2普通數字通訊系統方塊圖

電力線以太網因具有適用于居民用戶的特點，而成為具有可行性的取代其他家庭聯網技術的新型技術。其優勢如下文所述：

隨處可用：電力線隨處可見。全球電網仍是到目前為止應用范圍最廣的銅線網絡。電力線技術將用戶家庭里的各個電源插座轉變為潛在的網絡端口，將家中已有的基礎設施轉變為待選網絡設備。與遍布各個房間的多個電源插座相比，用戶家中每一個房間通常只有一個電話線端口或一處同軸電纜插座。

安裝、使用簡易：電力線以太網產品為即插即用設備，免去了對各個房間重新布線的繁瑣操作與高昂成本。消費者可從商店購買電力線以太網適配器，打開包裝，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網絡中自動彼此搜尋，做好通訊準備。

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

內容安全：與易受安全攻擊的無線網絡不同，電力線網絡提供兩級內容安全性能。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，電力線以太網技術還提供內置加密功能，確保所有通過電力線交換的數據都具有最高安全級別。

可靠性：大多數無線網絡設計都支持突發性互聯網通信和隨選視頻流動，這種設計必需對大量數據進行緩存操作。電力線以太網網絡以時分多址技術(TDMA)為基礎，不同與Wi-Fi網絡使用的載波偵聽多路訪問(CSMA)技術。時分多址技術能夠確保視頻傳輸所需要的帶寬。

通用電力線協會的EoP技術

為了進一步了解EoP技術如何發揮作用，現在我們對通用電力線協會(UPA)開發的EoP技術進行詳細闡釋。UPA數字家庭標準(DHS)規范專為經管理和未經管理的家庭內部電力線網絡而設立。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以太網物理層方塊圖

UPA的EoP技術怎樣解決常見的電力線通訊難題

尖峰電壓：由于EoP技術使用電力線作為通訊手段，因此其性能與動力性提供的電力質量有一定關系—這是人們對EoP技術最大的誤解。這一誤解使消費者擔心，電力線上產生的尖峰電壓會使基于EoP的家庭網絡受到影響。

事實上，UPA數字家庭標準物理層在2MHz~32MHz頻率范圍內運行(見圖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之間的電力線頻帶，數字數據信號較少受尖峰電壓或50Hz/60Hz頻帶電壓波動的影響。

圖4 電力線使用頻帶

電力線噪音：電力線信道產生的噪音是使用電力線作為數據通訊媒介所面臨的最大挑戰，也是用戶在購買電力線以太網產品時最大的顧慮。消費者會問，“我把攪拌機或是吹風機接入電源后，EoP產品還能保證高清視頻的質量嗎？每次打開微波爐或洗衣機的時候，電視上的視頻畫面會不會變得很糟糕？”

UPA的EoP技術使用下列方法解決電力線的噪音問題：
*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的電力線以太網技術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，將其獨立應用于各個副載波。

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

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

前向糾錯：前向糾錯法由發射器發射足夠多的信息，以便在數據因噪音而丟失的情況下，確保原始發射數據無需重新發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態Reed-Solomon編碼實施前向糾錯。

電力線動力：UPA的EoP技術無論電力線有無電力加載都能正常運行。只要給電力線芯片集配以恰當的電源，數字數據傳輸就與電力線電能無關。

電力線通訊技術干擾無線電通訊：寬帶電力線使用2MHz~32MHz范圍內的電力線頻帶。這一頻率范圍可能被不同的無線電服務(如業余電臺)占用。UPA的EoP技術提供可編程頻譜開口，可用來避開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，能夠進行可編程開口，在開口頻率之外產生的性能損失完全可以忽略不計。

高清服務質量(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、鄰近動力網絡干擾或網絡低優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。

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。這種技術被稱為高級動態時分(ADTDM)MAC，專為具有高性能需求、帶寬供應緊張、通信分級嚴格和QoS要求較高的音頻/視頻傳輸而優化設計。根據不同的服務優先級別，電力線網絡中的所有節點都可無沖突接入信道。這一優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，網絡中的一臺EoP設備被設為主設備，而其他設備都被設為從設備。“主設備”為網絡中的其他EoP設備分配信息存取時間。這是將帶寬分配給網絡中不同通信種類的效率最高、最簡易的方法。UPA的EoP規范具有靈活性，不同的廠商可為特定應用選擇實施不同的QoS算法。

圖5防止無線電干擾的頻譜開口

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

怎樣選擇合適的電力線以太網產品

對于最終用戶，市場上有數種電力線以太網技術可供選擇，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品時應考慮的關鍵因素：
性能：每個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設備在各個家庭中將表現出何種性能。因此，消費者應購買市場上性能最佳的產品，以避免因返工而再次造訪商店。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產品。

技術完備性：每個家庭的電力線布局都各不相同，因此，尚未得到大規模應用的電力線技術能否達到預期的性能水平，許多用戶都對此疑慮重重。

自2004年EoP技術面世以來，UPA的200Mbps芯片集出廠量已達100萬片。在歐洲，電信運營商(telcos)已將EoP技術大規模付諸實施，由此可以證明UPA的EoP產品完全能夠滿足用戶的使用體驗需求。

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

目前還沒有關于HD-PLC(200 Mbps)技術出貨量的具體數據，因此無法與UPA和HomePlug AV進行對比。

結語

電力線以太網技術使用2MHz~32MHz之間的電力線頻帶。大多數國家的政府監管部門未將這一部分頻帶劃歸商業用途，但未來這種情況可能會有所改變。這樣，電力線技術就能夠幫助消費者通過簡單的軟件更新，使其EoP設備與最新的政府監管政策同步，因此，選擇電力線技術是用戶的明智之舉。UPA的EoP技術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設備更新到與政策要求同步的狀態。

因為電力線具有使用廣泛、性能優異以及簡便易用等特點，電力線以太網技術成為簡便家庭聯網技術的選擇之一。使用電力線以太網產品，用戶可在電話與高清電視之間實現高清內容的無縫共享。此外，消費者應注意選擇最適合自己需求的EoP產品。