HTW Dresden, Fakultät Elektrotechnik, Prof. Boden 141. Wissenschaftliches Seminar, 20.04.2010
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G.hnDer neue Heimvernetzungsstandard für die
drahtgebundene Kommunikation
141. Wissenschaftliches Seminar
Prof. Dr.-Ing. Ralf Boden20.04.2010
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Übersicht
Motivation zur G.hn-Standardisierung
Die G.hn Netzarchitektur
Die G.hn Übertragungstechnologie
Potenzielle Anwendungen
Interoperabilität mit anderen Technologien
Resümee
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Was ist und wozu dient G.hn ?
Bezeichnung für nächste Generation der Heimnetzwerktechnologien für die drahtgebundene Kommunikation
Arbeitstitel eines ITU-T Standards:
Architektur und Bitübertragungsschicht am 9. Oktober 2009 verabschiedet G.9960
Sicherungsschicht: Übereinkunft am 15.1.2010, Verabschiedung für Juni 2010 geplant G.9961
ca. Firmen beteiligt (u.a. DS2, Lantiq, Ikanos, Panasonic)
HomeGrid-Forum als Interessenverband (z.B. für Interop.-Zertifizierung)
Zweck: Digitale Vernetzung über Strom-, TV-Koax-, Telefon- u. Cat5-Leitungen mit einheitlicherTechnologie
Datenübertragungsraten bis 1 Gbit/s geplant (aggregierte Rate auf dem Medium)
erste Geräte Ende 2010 erwartet
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Wozu noch drahtgebundene Heimvernetzung?
Drahtlose Übertragungstechnologien im Nahbereich erreichen heute bereits hohe Übertragungsraten
G.802.11n (theoretisch) bis 600 Mbit/s:
Bluetooth 3.0 bis 24 Mbit/s
für Breitbandinternetzugang ausreichend, aber Probleme wie z.B. mangelnde Funkabdeckung, Überlagerung benachbarter Netze bzw. durch andere Technologien etc.
drahtgebundene Technologien bieten nach wie vor höhere Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit und Sicherheit ! IPTV-Anbieter benutzen weiterhin drahtgebundene Lösungen
fast alle Haushaltgeräte besitzen einen Stromanschluss (SmartGrid)
auch optische Technologien (z.B. POF) stellen eine Alternative dar
aber Kabelneuverlegung nötig, Busstrukturen aufwändig
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Wozu noch ein weiterer Standard?
Heute bereits Vielzahl unterschiedlicher Standards zur drahtgebundenen Heimvernetzung vorhanden.
Stromleitungen: Homeplug AV (Homeplug Powerline Alliance), Digital Home Standard (Universal Powerline Association), HD-PLC (Panasonic)
Telefonleitungen: ADSL, VDSL, HomePNA (G.9954)
TV-Koaxialkabel: Multimedia over Coax Alliance, HomePNA
Aber: keine oder nur teilweise Kompatibilität
viele spezialisierte Insellösungen statt globaler Vernetzungsmöglichkeit
Chipsatz- und Gerätehersteller müssen viele unterschiedliche IC- u. Gerätevarianten entwickeln nicht preisoptimal
Verwirrung für Verbraucher
Mit zunehmendem Vernetzungsgrad im Haushalt dringend Vereinheitlichung erforderlich !
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Das Prinzip von G.hn
Bisheriger Ansatz: Optimierung eines Übertragungssystems auf ein bestimmtes Übertragungsmedium
Neuer Ansatz: Entwurf eines einheitlichen Übertragungssystems, das bestmöglich mehrere Medien unterstützt
Medienanpassung nur über Parametrisierung der einheitlichen Funktionsblöcke
Vorteile:
Koexistenz bei gleichzeitiger Übertragung über unterschiedliche Medien vereinfacht
Abbau der Marktfragmentierung, kostengünstiger
einfacher installier- und bedienbar
Außerdem Übertragungstechnologie auf aktuellem Stand der Technik
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Kritik am G.hn-Standard
nicht abwärtskompatibel zu vorherigen Standards (HomePlug AV, MoCA) schwierige Migration
nicht ausreichend „state of the art“ Nachfolgevarianten bisheriger Standards sollen z.T. leistungsfähiger sein (MoCA, HomePlug)
ITU-T repräsentiert zu wenig Interessen der TV-Anbieter
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G.hn Netzarchitektur
Oksman, V., Galli, S.: G.hn: The new ITU-T home networking standard. IEEE Communications Magazine, Okt. 2009.
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Elemente der Netzarchitektur
Domain
besteht aus Knoten, die direkt miteinander kommunizieren können
Domain Master (DM) steuert Medienzugriff
auch indirekte Kommunikation über Relay Access Node möglich
vom DM nicht erreichbare Nodes über DM-Proxy steuerbar
Home Network kann aus mehreren Domains bestehen
mehrere Domains im selben Medium möglich (z.B. Basisband- u. Bandpasskanal, im Ausnahmefall auch im gleichen Kanal)
max. 250 Nodes innerhalb eines Home Networks
Verbindung zwischen Domains über Interdomain Bridges
weitere Bridges zu Alien Networks (Access Networks, Wireless Networks, …)
Global Master koordiniert Domains (z.B. Nebensprechunterdrückung, Routing-Optimierung)
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Beispiel: Home Network mit Residential Gateway
Oksman, V., Galli, S.: G.hn: The new ITU-T home networking standard. IEEE Communications Magazine, Okt. 2009.
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Multi-Kanal Konfigurationen
Gould, L.: Next Generation Home Netorks: ITU-T G.hn and the HomeGrid Forum, Keynote ISPLC2009, Dresden, Mar. 2009.
Multi Port Devices können automatisch das beste Medium für die Kommunikation auswählen
Multi Transceiver Devices können gleichzeitig über mehrere Medien Daten übertragen
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Die übertragungstechnischen Hauptmerkmale
OFDM-Vielträgermodulationsverfahren mit Datenraten bis 1 Gbit/s
automatische Bitzuweisungsalgorithmen für die Subträger
Low Density Parity Check (LDPC) zur Fehlerkorrektur
Wiederholung gestörter Frames mit Selective-Repeat ARQ-Verfahren
MAC-Verfahren mit robusten Prinzipien zur Kollisionsvermeidung
Paketzusammenfassung (aggregation) zur Erhöhung der Durchsatzeffizienz beim Medienzugriff
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G.hn Protocol Stack
http://en.wikipedia.org/wiki/File:G.hn_protocol_stack.001.pngGould, L.: Next Generation Home Netorks: ITU-T G.hn and the HomeGrid Forum, Keynote ISPLC2009, Dresden, Mar. 2009.
Application Protocol Convergence Layer (APC)Einbettung von Anwenderprotokoll-PDUs in G.hn-PDUs (APDU) u. umgekehrt
Logical Link Control (LLC)Verschlüsselung, Aggregierung, Segmentierung, ARQ
Medium Access Control (MAC)Kanalzugriffssteuerung
Physical Coding Sublayer (PCS)Generierung PHY-Header
Physical Medium Attachment (PMA)Scrambling, FEC
Physical Medium Dependent (PMD)Bitallokierung, OFDM
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OFDM-Parametersätze
abgestimmte OFDM-Parametersätze für alle Medien (ebenfalls kompatibel zu herkömmlichen Technologien, z.B. HomePlug)
Abtastfrequenzen sind Teiler einer gemeinsamen Referenzfrequenz
alle Subträgeranzahlen sind Zweierpotenzen
alle Subträgerabstände sind Zweierpotenzen eines Grundabstandes
Wertebereiche für die Parametersätze
Subträgeranzahl: N=2n, n=8-12
Subträgerabstand: FSC=2k24,4140625 kHz, k = 0,1, …, 4
Mittenfrequenz: 50 MHz (Basisband), 150 MHz, 350-2450 MHz (Bandpass)
zyklischer Präfix: kN/32, k = 1,2, …,8
Subträgerbelegung
1…12 bit pro Subträger (Abstimmung zwischen Sender u. Empfänger zur Laufzeit)
Gray-Codierung für fast alle Konstellationen
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OFDM-Bandpläne
Oksman, V., Galli, S.: G.hn: The new ITU-T home networking standard. IEEE Communications Magazine, Okt. 2009.
Bandbreiten herkömmlicher Hausvernetzungsstandards zum Vergleich:
Powerline max. 30 MHz im Basisband
über Koaxleitung max. 45 MHz im Basisband
über Telefonleitung max. 16 MHz (G.9954)
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OFDM-Subträgerraster
ITU-T G.hn Technical Overview. The Homegrid Forum, March 2009.
geringer Subträgerabstand lange Symboldauer lange Guardintervalle zur ISI-Unterdrückung möglich
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Forward Error Correction (1)
Auswahl eines QD-LDPC Codes zur Fehlerkorrektur (abgeleitet von WiMax)
LDPC: Low Density Parity Check Code (R.G.Gallager, 1962)
QC-LDPC: Quasi Cyclic LDPC Verringerung der Komplexität
Auswahlgründe
gute Performance sowohl bei hoher als auch bei geringer Störungsintensität(BLER zwischen 10-2 und 10-8)
durch Parallelisierbarkeit ist Algorithmus auch bei hohen Datenraten anwendbar
erprobte Implementierungen verfügbar (z.B. WiMax, 802.11n, 10G-Ethernet)
systematischer linearer Blockcode
Punktierung zur Verringerung der übertragenen Redundanz
G.9960: Draft text for Recommendation G.9960 Foundation – for consent. TD89 (PLEN/15), Geneva, Dec. 2008.
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Forward Error Correction (2)
Codierungsprinzip:
direkte Weitergabe von u=[u0,u1,…,uk-1] Informationsbits
Berechnung und Anhängen von NM-K Paritätsbits p=[p0,p1,…pNM-K-1]
resultierender Vektor v=[u|p] muss Bedingung vHT=0 erfüllen (0: Zeilenvektor der Dimension NM-K)
bei Dekodierung muss gleiche Bedingung erfüllt werden (iteratives Verfahren mit Näherungslösungen, Belief-Propagation Algorithm, BPA)
Parameter:
Coderaten 1/2, 2/3, 5/6, 16/18, 20/21
Blockgrößen 120 u. 540 BytesG.9960: Draft text for Recommendation G.9960 Foundation – for consent. TD89 (PLEN/15), Geneva, Dec. 2008.
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Forward Error Correction (3)
Performancevergleich QC-LDPC mit convolutional turbo codes (CTC) : (Anzahl der Iterationen am Empfänger in Klammern)
Oksman, V., Galli, S.: G.hn: The new ITU-T home networking standard. IEEE Communications Magazine, Okt. 2009.
Stark gestörter Kanal(QPSK, RC=1/2)
Schwach gestörter Kanal(1024-QAM, RC=16/18)
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Automatische Übertragungswiederholung (ARQ)
ITU-T G.hn Technical Overview. The Homegrid Forum, March 2009.
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G.hn Rahmenformat
Oksman, V., Galli, S.: G.hn: The new ITU-T home networking standard. IEEE Communications Magazine, Okt. 2009.
enthält payloadrelevante PHY-Parameter (z.B. Subträgerbitzuweisung, FEC-Parameter)
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Das MAC-Protokoll
ITU-T G.hn Technical Overview. The Homegrid Forum, March 2009.
Master-/Slave-Prinzip
zeitschlitzorientiert (TDMA)
Domain Master sendet periodisch Media Access Plan Message (MAP)(beschreibt Zuweisung für nächsten MAC-Zyklus)
TXOP = transmission opportunity
CFTXOP = contention free TXOP
STXP = shared TXOP
CFTS = contention free timeslots (token passing mode)
CBTS = contention based timeslots (CSMA mode)
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Beispiel für Token Passing Mode in CFTS
ITU-T G.hn Technical Overview. The Homegrid Forum, March 2009.
vom Domain Master ausgegebener MAP
Zeitschlitzausnutzung entsprechend des tatsächlichen Bedarfs
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CSMA Mode in CBTS
ITU-T G.hn Technical Overview. The Homegrid Forum, March 2009.
am Beginn der CBTS-Periode teilt jeder sendebereiten Station seine Anforderung mit
Prioritätsignalisierungsprotokoll lässt nur Nachrichten mit höchster festgestellter Priorität zu (restliche Nachrichten werden auf nächste CBTS-Periode verschoben)
verbleibende Stationen prüfen vor Sendebeginn, dass Medium noch frei ist
zufällige Auswahl des Zeitschlitzes für den Sendebeginn reduziert Gefahr des gleichzeitigen Sendens
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Sicherheit
Betrieb über „shared medium“ birgt interne und externe Sicherheitsrisiken
extern: Mithören und Einspeisen von Paketen (ohne Zugangsberechtigung)
intern: Belauschen der Kommunikation zwischen anderen Stationen, z.B. innerhalb eines Relay Nodes
Lösungen:
Autentifizierungsprozedur basierend auf Diffie-Hellmann-Algorithmus
Einzelschlüsselvergabe für die paarweise Kommunikation (zentrale Schlüsselvergabestelle, i.A. im Domain Master)
AES-128 als Verschlüsselungsprotokoll
Sicherheitsgrad vergleichbar bzw. stärker wie bei IEEE 802.11n / 802.11i
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Interne und externe Sicherheit
ITU-T G.hn Technical Overview. The Homegrid Forum, March 2009.
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Anwendungen: Smart Grid basierend auf G.hn
Multi-domainHAN
Non-SGG.hn node
Bridge to aliendomain (BB)
SGAnode Utility
AccessMeter
Residenceboundary
ESI
SGHG.hn node
ESCPBC
Non-SGG.hn node
G.hn nodeDM A
Non-SG
SGHG.hn node
SGHG.hn node
SGHG.hn node
EMS
Non-SGG.hn node
SGHG.hn node
Bridge toDomain B
G.hn domain A
G.hn domain B
Non-SGG.hn node
DM B
SGA
Oksman, V.: Use of G.hn transceivers als Smart Grid and EV applications, IEEE document P2030 10-0042-00-0004, Jan. 2010
HAN: Home Area Network
SG: Smart Grid
SGH: SG HAN
EMS: Energy Management System
SGA: Smart Grid Access Node
ESI: Energy System Interface
ESC: Energy Sevice Channel
PBC: Public Broadcast Channel
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Anwendungen: Einbindung von Ladestationen für Elektroautos
Oksman, V.: Use of G.hn transceivers als Smart Grid and EV applications, IEEE document P2030 10-0042-00-0004, Jan. 2010
EV: Electric Vehicle
EVSE: EV Supply Equipment
EFCF: EV Charging Facility
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Verbindung zwischen Ladeeinrichtung und Elektrofahrzeug
Oksman, V.: Use of G.hn transceivers als Smart Grid and EV applications, IEEE document P2030 10-0042-00-0004, Jan. 2010
PHEV: Pluggable High-Voltage EV
Informationsübertragung
Informationen zur Ladesteuerung und –überwachung
Wartungsinformationen (z.B. SW-Update)
Multimediainformationen
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Koexistenz mit anderen Netzwerken
benachbarte G.hn-Netzwerke
Koordination des Ressourcenzugriffs
Alien Inhouse Networks / Access Networks:
Formung (Shaping) des Sendespektrums
Ausmaskieren von OFDM-Subträgern
Kanalwechsel bzw. Wechsel zwischen Bandpass-/Basisbandbereich
TV-Kabelnetze
Erkennung belegter RF-Kanäle und Auswahl eines anderen Kanals
Funksysteme
Ausmaskieren von Subträgern im Bereich von Amateurfunkbändern
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Resümee
höherer Durchsatz u. bessere Übertragungsqualität als bisherige drahtgebundene Übertragungstechnologien im Heimbereich (höhere Bandbreite, adaptives OFDM, LDPC-Fehlerschutz, ARQ, effizientes MAC-Protokoll)
Unterstützung aller im Haus vorhandenen metallischen Leiter
Migrationspfad vorhanden (Koexistenzmechanismen, Dual-Mode-Transceiver)
Sicherheit entspricht Stand der Technik
Internationaler Standard durch Vereinheitlichung günstiges Preis-Leistungsverhältnis zu erwarten
Ethernet-basiert einfache Integration mit optischen Systemen (z.B. PON) und drahtlosen Systemen (z.B. WLAN, Bluetooth, Zigbee) über Layer 2 - Bridges