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Fakultät Elektrotechnik

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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




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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


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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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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Performancevergleich QC-LDPC mit convolutional turbo codes (CTC) : (Anzahl der Iterationen am Empfänger in Klammern)


Stark gestörter Kanal(QPSK, RC=1/2)

Schwach gestörter Kanal(1024-QAM, RC=16/18)



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Automatische Übertragungswiederholung (ARQ)




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G.hn Rahmenformat


enthält payloadrelevante PHY-Parameter (z.B. Subträgerbitzuweisung, FEC-Parameter)



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Das MAC-Protokoll


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


vom Domain Master ausgegebener MAP

Zeitschlitzausnutzung entsprechend des tatsächlichen Bedarfs



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CSMA Mode in CBTS


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




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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


EV: Electric Vehicle

EVSE: EV Supply Equipment

EFCF: EV Charging Facility



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Verbindung zwischen Ladeeinrichtung und Elektrofahrzeug


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

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