HomePNA

MBd oznacza 1 mln bodów (Bd), a bod jest jednostką modulacji – dawniej telegraficznej. Dzisiaj bod odnosi się do liczby stanów znamiennych transmitowanych w sekundzie. Takie stany – na przykład zmiana amplitudy lub fazy w skrętce czy światła w światłowodzie – występują w pewnych odstępach czasu. Szybkość modulacji jest właśnie odwrotnością odstępu jednostkowego. I tak przy odstępie 0,001 s szybkość modulacji wyniesie 1/0,001 s = 1000 Bd. Kiedy stan znamienny reprezentują tylko „1” lub „0”, to wtedy i tylko wtedy 1 Bd = 1 b/s. Na ogół bod (baud) jest mylony z b/s. Wspomniane zdarzenia, nazywane też momentami i symbolami, można tak dobierać, że będą przenosiły nie po jednym bicie, lecz po kilka, a nawet kilkanaście. Tak na przykład w protokole modulacji 4-QAM na jeden stan znamienny przypadają 4 bity: 3 ze zmian fazy i 1 ze zmiany amplitudy. Te 4 bity dają w sumie 16 kombinacji binarnych od 0000 do 1111, wobec czego zamiast bitu można przesłać aż pół bajta. Z kolej 256-QAM daje 8 bitów na symbol, czyli pełny bajt. Teoretycznym i jednocześnie praktycznym kresem modulacji kwadraturowej jest 1034-QAM.

Początek sieci HomePNA przypada na rok 1998, kiedy to 11 firm – 3Com, AMD, AT&T, Compaq, Epigram, Hewlett-Packard, IBM, Intel, Lucent Technologies, Conexant i Tut Systems – utworzyło Home Phoneline Networking Alliance, w skrócie HomePNA lub HPNA. Grupa ta wprowadziła technologię sieci domowych opartych na istniejącym okablowaniu telefonicznym. Względy ekonomiczne – takie sieci nie wymagają nowego okablowania – odegrały tu niebagatelną rolę. Pierwsza generacje sieci HomePNA (wersja 1.0) była oparta na specyfikacjach opracowanych przez Tut System i zapewniała przepływność 1 Mb/s. Działa ona nadal w pasmie 5,5–9,5 MHz, przy czym częstotliwość nośnej wynosi 7,5 MHz.

Protokoły HomePNA są silnie spowinowacone z Ethernetem, jako że specjaliści ze stowarzyszenia wybrali ramkowanie 802.3 i metodę dostępu CSMA/CD. Stowarzyszenie HomePNA wkrótce uzupełniło je kilkoma innymi wartościowymi protokołami, dzięki którym sieci domowe są teraz synonimem nowoczesności.

Ważną kwestią dla sieci domowych, opartych na okablowaniu telefonicznym, jest modulacja i demodulacja, czyli sposób, w jaki dane są wysyłane i odbierane. Technologia HPNA 1.0 używa modulacji PPM (Pulse Position Modulation) ze skutecznością widmową 0,16 b/Bd, co w rezultacie daje przepływność 1 Mb/s. Systemy drugiej generacji mają przepływność wyższą o rząd. Okazuje się, że 10 Mb/s jest już niemal minimalną przepływnością. Znane technologie dostępu, takie jak ADSL i modem kablowy DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Standard), wymagają sieci domowej o przepływności 6 Mb/s lub wyższej. Z myślą o aplikacjach multimedialnych stowarzyszenie HomePNA poszerzyło wersję 2.0 o podsystem zapewniający przepływność 32 Mb/s w podobnym pasmie co HPNA 1.0 i kompatybilny z przyszłą wersją 100 Mb/s.

Bardzo ważną własnością sieci domowych jest wsparcie jakości usług. HomePNA 1.0 nie wspiera QoS, niezbędnego przy aplikacjach, takich np. jak VoIP. Wynika to z faktu, że początkowo producentom promującym sieci domowe przyświecała idea współdzielenia zasobów przez wiele komputerów osobistych. Chodziło głównie o dostęp do Internetu, plików i drukarek. Z czasem jednak aplikacje multimedialne zrewidowały tę strategię. Dziś już wiadomo, że środowisko sieci domowych będzie zdominowane przez cyfrowy głos oraz transmisje audio i wideo. Niedawno Lucent Technologies wprowadził Voice over DSL, który promuje jako The Key to Next Generation Voice/Data Services. W tym kluczu do nowej generacji jest już interfejs do HomePNA.

System HPNA 2.0

W HomePNA ma też zastosowanie schemat modulacji QPSK (Quadrature Phase Shift Keying). Wtedy dwa bity są transmitowane w jednej zmianie fazy. Dwa bity to cztery kombinacje: 00, 01, 11 i 10. Kolejność duobitów jest ustalona zgodnie z kodem Graya, ażeby w razie błędu podczas odtwarzania jednej z czterech możliwych tu zmian fazy doszło jedynie do przekłamania jednego bitu.

Niewątpliwe niedostatki pierwszej wersji zostały zrekompensowane pojawieniem się jej następczyni – HomePNA 2.0. Norma została opracowana na podstawie specyfikacji firm Epigram i Lucent Technologies. Epigram niebawem została przejęta przez Broadcom Corporation, zajmujący się też 10 Gigabit Ethernetem. Nowy system charakteryzuje się 8 poziomami priorytetu, kodowaniem FDQAM (Frequency Diverse Quadrature Amplitude Modulation), zaimplementowanym mechanizmem kasowania echa, funkcjami WOL (Wake On LAN) itp.

Rysunek powyżej prezentuje system HomePNA 2.0 z punktu widzenia stosu sieciowego i widma częstotliwości. System jest wielopunktową siecią pakietową, w której stosuje się również metodę dostępu CSMA/CD. Wspiera ona transmisję unicast, mulicast i broadcast. Na pierwszy rzut oka wygląda jak Ethernet, chociaż w rzeczywistości pod paroma względami różni się in plus od 10Base-2 i 10Base-T. Po pierwsze i najważniejsze: HPNA 2.0 nie narzuca żadnych restrykcji odnośnie typu kabli, ich topologii lub zakończeń. Po drugie – podobnie jak 10Base-2, ale w przeciwieństwie do 10Base-T – HPNA 2.0 stosuje współdzielone medium fizyczne bez potrzeby instalowania przełącznika lub huba. Na dodatek 10Base-T wymaga dla połączenia typu punkt–punkt dwu par dedykowanych kabli kat. 3 lub 5.

Początkowo były dwie ramki. Jedna po adresie źródłowym zawierała pole Length, a druga – DIX – pole dla typu protokołu, do którego należała zawartość pola Dane, na przykład datagram IP. Teraz obydwa typy ramek są zdefiniowane w jednym dokumencie – IEEE 802.3. Preambuła Pre składa się z 7 jednakowych sekwencji 10101010, umożliwiających zsynchronizowanie się odbiorcy z nadawcą. Pole SFD (Start of Frame Delimiter) jest z kolei sekwencją 10101011, a więc kończącą się dwiema jedynkami. Dzięki tym jedynkom węzeł docelowy uzyskuje synchronizację ramki, rozpoczynającej się w istocie jego adresem MAC. Dwubajtowe pole Typ/Długość (w oryginale Type/Length) określa albo długość ramki w bajtach, lub – kiedy długość przekracza 1536 bajtów – typ ramki. Natomiast Pad – dopełnienie – jest używane tylko wówczas, kiedy ramkę trzeba dopełnić do niezbędnego minimum, czyli do 64 bajtów. Na tej ramce opiera się, jak już wspomniano, ramka protokołu HomePNA. Preambuła i Pre nie są integralnymi częściami ramki IEEE 802.3. Dostęp do medium Ethernetu można sprowadzić do następujących punktów: 1. Jeśli medium nie jest zajęte, to może nadawać każdy węzeł. 2. Kiedy nośnik transmisyjny jest zajęty przez jeden z węzłów – trzeba czekać na zakończenie transmisji. 3. Jeśli doszło do kolizji, to stacja musi wysłać 4-bajtową ramkę Jam, odczekać pewien losowo wybrany okres, po czym przejść do pkt. 1. Oczywiście kolizja niszczy wszystkie informacje uczestniczących w niej ramek. Po jednej kolizji może dojść do kolejnej itd. Dlatego HomePNA charakteryzuje się też skuteczniejszą, nowocześniejszą metodą unikania kolizji.

Warstwa fizyczna

W warstwie fizycznej protokół HomePNA 2.0 jest multipleksowany w tym samym przewodzie co telefonia analogowa i ADSL bez rozgałęźnika POTS. Jest to multipleksowanie z podziałem częstotliwości. Telefonia analogowa używa niższej części tego widma – poniżej 35 kHz, a modemy ADSL w wersjach G. Lite i G. Heavy – do 1,1 MHz. HPNA wyselekcjonowała dla swoich sieci pasmo 4–10 MHz z kilku powodów. Dolna granica umożliwia stosowanie filtrów redukujących interferencje między HomePNA i ADSL. Z kolei górna granica wynikła z modelowania kilku tysięcy sieci z telefonami na wspólnym przewodzie; duży udział w tych badaniach miały laboratoria Hewlett-Packarda. Przesłuch między liniami telefonicznymi zwiększa się wraz z częstotliwością. Zakres 4–10 MHz zazębia się tylko z częstotliwościowym pasmem radia amatorskiego o krótkim zasięgu, dochodzącym zwykle do kilkudziesięciu metrów. Upraszcza to filtrowanie na wejściu i wyjściu.

O ile HPNA 1.0 stosuje PPM, o tyle druga wersja korzysta z modulacji kwadraturowej QAM (Quadrature Amplitude Modulation) – w celu zwiększenia zarówno przepływności w tym samym pasmie, jak i odporności na zakłócenia. W kodowanym pakiecie przypada 2–8 bitów na symbol. Jednak w nagłówku pakietu symbol zawsze reprezentuje 2 bity. Dzięki temu każdy odbiornik może przynajmniej zdemodulować nagłówek pakietów.

HomePNA ma ustaloną częstotliwość nośnej (7 MHz) i może operować z szybkością modulacji wynoszącą 2–4 MBd. Kodowanie, o czym była już mowa, może zapewnić 2–8 bitów na symbol. W efekcie największa przepływność może wynieść 32 Mb/s. Za podstawową szybkość modulacji przyjmuje się jednak 2 MBd. W praktyce dla osiągnięcie wydajności odpowiadającej 10Base-T wystarcza, ażeby w pakiecie przypadało 6 bitów na symbol.

Podczas transmisji poniżej 2 MBd może dojść w niesprzyjających warunkach do takich sytuacji, że odbiorniki nie będą rozpoznawały niektórych pakietów. Dlatego HomePNA 2.0 wprowadziła nowy schemat modulacji – algorytm FDQAM (Frequency Diverse Quadrature Amplitude Modulation), jak gdyby poszerzający rodzinę algorytmów QAM. FDQAM – oprócz tego, że umożliwia włączenie do nagłówka pakietów informacji określających poziomy priorytetu – charakteryzuje się też większą odpornością na szumy.

Priorytet dostępu umożliwia programowe zdefiniowanie klas usług, takich jak niskie opóźnienie, sterowanie pasmem czy gwarantowanie pasma. Ramki głosu będą mogły mieć pierwszeństwo przed ramkami danych. Klasyczny Ethernet nie ma jednak takich mechanizmów. HomePNA 2.0 osiągnęła to przez organizowanie następujących po sobie czasowych odstępów międzyramkowych w uporządkowanej serii szczelin priorytetów. Kiedy więc węzeł W0 kończy transmisję, wszystkie stacje o priorytecie niższym od siedmiu czekają na rozpoczęcie transmisji przez W2 (pakiety VoIP) i co najważniejsze – bez kolizji. Po transmisji W2 ruch żadnej ze stacji nie ma wyższego priorytetu niż jeden, wobec czego węzeł W0 znowu zyskuje dostęp do kanału w następnej transmisji. Jak wspomniano, HomePNA 2.0 używa nowego algorytmu rozstrzygania kolizji w obszarze znanych priorytetów. Każda stacja prowadzi rejestr poziomów odczekania i niezwłocznie po kolizji zwiększa losowo jego zawartość o 0, 1 lub 2. W trakcie cyklu rozstrzygania kolizji stacje przyrostowo ustalają pewien częściowy porządek. Ostatecznie pozostanie tylko jedna stacja o najniższym czasie odczekiwania i ona zyskuje dostęp do kanału. W dolnej części rysunku widzimy: węzły W0 i W1 wchodzą w cykl rozwiązywania kolizji. W0 wybiera zwiększenie czasu odczekiwania o 2, a W2 o 0. Ażeby zoptymalizować częściowe uporządkowanie, eliminujące poziom zerowy, stacje wysyłają specjalny sygnał bezpośrednio po kolizji. Sygnał ten odzwierciedla wybrany czas odczekiwania (na dole rysunku – 0 i 2). Wszystkie stacje obserwują te sygnały i przeprowadzają własne obliczanie. W ten sposób określają nowy częściowy porządek. W tym przypadku węzeł W0 zwiększa poziom oczekiwania o 1, ponieważ wykrył sygnał odczekania oznaczający zero w S0, a żadna ze stacji nie wymieniła go w S1.

Format ramki

Struktura ramki HomePNA widnieje na rysunku powyżej. Pierwsza w kolejności 64-symbolowa preambuła, oprócz umożliwienia dostrojenia się odbiorcy do nadawcy, wspiera też detekcję kolizji i regulację wzmocnienia. Następne pole – FC (Frame Control) – zawiera informacje sterujące ramki i składa się z dwóch 8-bitowych części, z których pierwsza przenosi typ ramki, a druga specyfikuje typ modulacji. Dalej rozciąga się typowa struktura ethernetowa, a za nią zakończenie właściwe HPNA: 8-bitowy nagłówek CRC, PAD (padding – dopełnienie w razie etykietowania pakietów) i sekwencja kończąca ramkę, czyli EOF (End Of Frame).

MAC (Media Access Control)

HPNA 2.0 wprowadza osiem poziomów priorytetu i używa nowego algorytmu unikania kolizji – DFPQ (Distributed Fair Priority Queuing). Głos w telefonii klasycznej nie toleruje dużych opóenień, a dodatkowo aplikacje wideo lub audio wymagają usług z gwarantowanym pasmem. W ethernetowej warstwie MAC nie ma gwarantowanych usług czasu rzeczywistego. Tak więc pewne trzy węzły – przykładowo: W1, W2 i W3 – mogłyby rywalizować o dostęp do sieci. Węzeł W2 transmituje pakiet VoIP (Voice over IP). Co się wtedy może zdarzyć?

Na początku W0 uzyskuje dostęp do kabla i zaczyna transmitować ramkę (TX). Podczas transmisji W2 pakietuje próbkę głosu i jest gotowy do transmisji, ale musi ją odroczyć przez wzgląd na W0. Po zakończeniu transmisji W0 ma drugi pakiet gotowy do wysłania i kiedy W0 i W2 rywalizują o dostęp (w konsekwencji powstają kolizje), W2 losowo wybiera dłuższy czas oczekiwania niż W0. Węzeł W0 ponownie zyskuje dostęp i transmituje. W tym czasie stacja W1 staje się aktywna i odracza start w oczekiwaniu na zakończenie nadawania przez W0. Teraz, kiedy W2 przystępuje do transmitowania, koliduje z W1. Możliwy rezultat: W1 skorzysta na kolizji, a W2 znowu wydłuży czas odczekiwania. W ten sposób kolejkowanie może okazać się bardzo niekorzystne dla W2 z pakietowanym głosem. Jeżeli W0 i W1 są komputerami osobistymi zaangażowanymi w transfer plików, to wtedy mogą one emitować spory wolumen danych i spowodować błędy w transmisji VoIP W2.

Opisany problem rozwiązuje wprowadzenie różnych poziomów priorytetu dostępu, umożliwiających programowe definiowanie różnych klas usług, takich jak kontrolowane opóźnienie, sterowanie pasmem, gwarantowanie pasma oraz innych. W takim systemie stacji VoIP można przypisać wyższy priorytet niż transmitującej pakiety danych. HomePNA 2.0 osiąga to przez wprowadzenie do szczelin priorytetów czasowych odstępów międzyramkowych. Kiedy W0 kończy transmisję, wszystkie stacje w sieci, z niższym priorytetem od siedmiu, czekają na rozpoczęcie transmisji przez W2 (bez kolizji). Po transmisji W2 żadna ze stacji nie ma ruchu z wyższym priorytetem niż jeden, tak więc W0 znowu zyskuje dostęp do kanału w następnej transmisji.

Jak wspomniano, HomePNA 2.0 używa nowego algorytmu rozstrzygania problemów kolizji. Każda stacja utrzymuje rejestr czasu odczekiwania i po kolizji, i losowo zwiększa jego zawartość o 0, 1 lub 2. W okresie kolizyjnym stacje przyrostowo ustalają tzw. Częściowy porządek. W efekcie pozostanie tylko jedna stacja o najniższym czasie odczekiwania i ona właśnie uzyska dostęp do nośnika transmisyjnego.

W przykładzie w załączonym rysunku węzły W0 i W1 wchodzą w okres rozwiązywania kolizji. W0 wybiera zwiększenie czasu odczekiwania o 2, a W2 o 0. Ażeby zoptymalizować wspomniane częściowe uporządkowanie, eliminujące zerowy poziom, stacje bezpośrednio po kolizji wysyłają specjalny sygnał. Zawiera on wybrany przez stacje czas oczekiwania – w dolnej części rysunku to 0 i 2. Wszystkie stacje śledzą te sygnały i przeprowadzają własne obliczanie. Dzięki nim mogą określić nowe częściowe uporządkowanie. W tym przypadku węzeł W0 zwiększa poziom oczekiwania o 1, ponieważ wykrył sygnał odczekania oznaczający zero w S0, a żadna ze stacji nie wpisała go do S1. W praktyce protokół HomePNA 2.0, w przeciwieństwie do Ethernetu, jest bardzo stabilny, nawet przy nasyconej sieci.

Jedną z głównych przyczyn obniżania się przepływności sieci są zakłócenia impulsowe. Na szczęście impulsy zakłócające są krótkotrwałe i niszczą zwykle pojedyncze pakiety, a nie cały strumień. Spośród różnych metod eliminowania tego niekorzystnego zjawiska dla HomePNA wybrano kodowanie zgodne z protokołem LARQ (Limited Automatic Repeat reQuest). Ponieważ LARQ jest implementowany programowo w warstwie 2 i funkcjonuje w jednym segmencie sieci – jest bardzo skuteczny, co widać

Protokoły warstwy łącza danych

Oprócz kodowania LARQ (Limited Automatic Repeat ReQuest), którego ważne skutki pokazano na rysunku po prawej, HPNA 2.0 stosuje w warstwie łącza danych mechanizm integralności łącza. Protokół ten może być implementowany zarówno sprzętowo, jak i programowo – jako sterownik. Jego zaletą jest dostarczanie użytkownikowi końcowemu prostej i szybkiej metody poznawania i kompletowania podstawowej wiedzy o połączeniu. Ramki integralności łącza są wysyłane raz na sekundę. Duże natężenie ruchu w kablu sieciowym może ograniczyć ich liczbę.

1. Od marca 1999 funkcjonuje stowarzyszenie OSGI (Open Service Gateway specification), założone przez 15 znanych firm, z których wiele dało się dobrze poznać w Polsce: Alcatel, Ericsson, IBM, Lucent, Motorola, Nortel Networks, Oracle, Sun Microsystems czy Sybase. Specyfikacje tego gremium wzbogacają prawie wszystkie normy dla sieci domowych: Bluetooth, CEBus, HAVi, HomePNA, UPnP, HomeRF, Jini, LonWorks i VESA.
2. Conexat System – firma o dużych tradycjach i mało znanej nazwie (wydzieliła się w 1999 r. z Rockwell International) – wyprodukowała układ scalony integrujący 4 różne technologie: ADSL, V92, HomePNA i Ethernet.
3. Instytut ITU (International Telecommunication Union) zdecydował się normalizować HomePNA razem z xDSL. Projekt został nazwany G.pnt (phone-line networking transceivers). Normalizowanie obydwu technologii przez wspólną grupę ST15Q4 (Study Group 15 Question 4) ma niewątpliwy wpływ na ich wzajemną kompatybilność. Samo HomePNA zrzesza dziś ponad 160 instytucji. Europę reprezentuje 20 państw.