G.hn

ギガビットホームネットワーキング（G.hn）は、最大2Gbit/sの速度をサポートし、電話線、同軸ケーブル、電力線、プラスチック光ファイバーの4種類の従来の配線で動作する有線ホームネットワーキングの仕様です。マルチワイヤ規格の利点には、機器の開発コストの削減と、サービスプロバイダーの導入コストの削減（顧客によるセルフインストールを可能にすることによる）などがあります。^[1]

G.hn は、他の接続技術と比較して、電力線障害に対する耐性が強化されています。これは、産業環境で普及している古いシステムを、業務を革新できる最新の技術と接続する橋渡しの役割を果たします。多くの機械やデバイスがワイヤレスに移行している一方で、有線のレガシー システムは、産業環境での通信に不可欠な存在であり続けています。産業分野では、マシン間のシームレスなやり取りには、迅速で信頼性の高い接続が不可欠です。これがないと、運用が停止したり、サービス品質が低下したりする可能性があります。G.hn は、時間に敏感で安全性が重要なタスクにとって極めて重要なインフラストラクチャであり、重要な通信とネットワークの自動回復機能をサポートする強力な機能を誇ります。^[2]

G.hnは国際電気通信連合の電気通信標準化部門（ITU-T ）の下で開発され、HomeGrid Forumおよび他のいくつかの組織によって推進されました。2009年10月9日に承認されたITU-T勧告（標準のITU用語） G.9960 ^{[3]は、G.hnの}物理層とアーキテクチャを規定しました。データリンク層（勧告G.9961）は2010年6月11日に承認されました。^[4]

これらのインターフェースのいくつかを作成したCEPca、HomePNA、UPAなどの著名な組織は、最新バージョンの標準を支持し、ホームネットワーキング分野でのその可能性と重要性を強調しました。^[5]さらに、ITU-Tは、データレートと信号距離を向上させるために、複数入力、複数出力（MIMO）テクノロジーでテクノロジーを拡張しました。^{[6]この新しい機能は、2012年3月に}G.9963勧告の下で承認されました。

G.hnの開発と推進は、HomeGrid Forumやその他のいくつかの組織によって大きく支援されてきました。^[7]この技術は、ホームネットワークの課題に対処するために設計されただけでなく、当初の範囲を超えた用途も見つかり、ネットワーク分野での汎用性と可能性を示しました。^[8]

G.hnは、高速フーリエ変換（FFT）直交周波数分割多重（OFDM）変調と低密度パリティ検査符号（LDPC）前方誤り訂正（FEC）符号に基づく単一の物理層を規定しています。G.hnには、アマチュア無線帯域やその他の認可無線サービスとの干渉を避けるために、特定の周波数帯域をノッチする機能が含まれています。G.hnには、従来のホームネットワーキング技術^{[9]や、家庭へのアクセスに使用される}VDSL2やその他のタイプのDSLなどの他の有線システムとの干渉を回避するメカニズムも含まれています。

OFDM システムは、送信信号を複数の直交サブキャリアに分割します。G.hn では、サブキャリアのそれぞれがQAMを使用して変調されます。G.hn でサポートされる最大の QAM コンステレーションは 4096-QAM (12 ビット QAM) です。

G.hnメディア アクセス制御は、時分割多重アクセス(TDMA) アーキテクチャに基づいており、「ドメイン マスター」が「ドメイン」内の 1 つ以上のデバイスで使用できる送信機会 (TXOP) をスケジュールします。TXOP には 2 つの種類があります。

• 競合のない送信機会 (CFTXOP) は、一定の期間を持ち、特定の送信機と受信機のペアに割り当てられます。CFTXOP は、サービス品質(QoS) 保証を必要とする特定のアプリケーションに TDMA チャネル アクセスを実装するために使用されます。
• 共有送信機会 (STXOP) は、ネットワーク内の複数のデバイス間で共有されます。STXOP はタイム スロット (TS) に分割されます。TS には 2 つの種類があります。
  • 競合のないタイム スロット (CFTS) は、「暗黙的な」トークン パッシングチャネル アクセスを実装するために使用されます。G.hn では、一連の連続した CFTS が多数のデバイスに割り当てられます。割り当ては「ドメイン マスター」によって実行され、ネットワーク内のすべてのノードにブロードキャストされます。別のデバイスがチャネルの使用を終了した後にどのデバイスが送信できるかを指定する定義済みのルールがあります。すべてのデバイスが「次のデバイス」を認識しているため、デバイス間で「トークン」を明示的に送信する必要はありません。「トークンを渡す」プロセスは暗黙的であり、チャネル アクセス中に衝突が発生しないことを保証します。
  • 競合ベースのタイムスロット (CBTS) は、 CSMA/CARPチャネル アクセスの実装に使用されます。一般に、CSMA システムでは衝突を完全に回避することはできないため、CBTS は厳格なサービス品質要件を持たないアプリケーションにのみ役立ちます。

G.hnのほとんどの要素は、標準でサポートされている3つのメディア（電力線、電話線、同軸ケーブル）すべてに共通ですが、G.hnには各メディア固有の最適化が含まれています。これらのメディア固有のパラメータには次のものがあります。^[10]

• OFDM キャリア間隔: 同軸では 195.31 kHz、電話回線では 48.82 kHz、電力線では 24.41 kHz。
• FEC レート: G.hn の FEC は、コード レート1/2、2/3、5/6、16/18、20/21で動作できます。これらのレートはメディア固有のものではありませんが、よりクリーンなメディア (同軸など) では高いコード レートが使用され、電力線などのノイズの多い環境では低いコード レートが使用されることが予想されます。
• 自動再送要求(ARQ) メカニズム: G.hn は、ARQ (再送信) ありとなしの両方の動作をサポートします。これはメディア固有ではありませんが、ARQ なしの動作はよりクリーンなメディア (同軸など) に適している場合があり、ARQ 動作は電力線などのノイズの多い環境に適していることが予想されます。
• 電力レベルと周波数帯域: G.hn は、メディアごとに異なる電力マスクを定義します。
• MIMOサポート：勧告G.9963には、物理​​的に利用可能な場合、複数のAC線（相、中性線、接地線）を介してG.hn信号を送信するための規定が含まれています。^[6] 2016年7月、^[11] G.9963はツイストペア経由のMIMOサポートを含むように更新されました。

G.hnは、 CCMPプロトコルを使用して、機密性とメッセージの整合性を保証するために、 Advanced Encryption Standard（AES）暗号化アルゴリズム（128ビットのキー長）を使用します。認証とキー交換は、 ITU-T勧告X.1035に従って行われます。^[12]

G.hnはドメイン内のポイントツーポイントセキュリティを規定しており、これは送信機と受信機の各ペアが同じドメイン内の他のデバイスと共有されない固有の暗号化キーを使用することを意味します。たとえば、ノードAliceがノードBobにデータを送信した場合、ノードEve（AliceとBobと同じドメイン内）は簡単に通信を盗聴することはできません。^[13]

G.hn はリレーの概念をサポートしています。リレーでは、1 つのデバイスが 1 つのノードからメッセージを受信し、同じドメイン内の遠く離れた別のノードにそのメッセージを配信できます。リレーは、産業用またはユーティリティ アプリケーションなどの長距離をカバーする必要がある複雑なネットワーク トポロジを持つアプリケーションにとって重要になります。リレーは送信元アドレスと送信先アドレスを読み取ることができますが、メッセージの本体はエンドツーエンドで暗号化されているため、メッセージの内容を読み取ることはできません。

G.hnアーキテクチャにはプロファイルの概念が含まれています。プロファイルは、複雑さのレベルが大きく異なるG.hnノードに対応することを目的としています。G.hnでは、より複雑なプロファイルはより複雑なプロファイルの適切なスーパーセットであるため、異なるプロファイルに基づくデバイスは相互運用できます。^[14]

複雑度の高いプロファイルに基づく G.hn デバイスの例としては、住宅用ゲートウェイやセットトップ ボックスがあります。複雑度の低いプロファイルに基づく G.hn デバイスの例としては、ホーム オートメーション、ホーム セキュリティ、スマート グリッド デバイスがあります。

この図は、G.hn 規格の重要な技術仕様の概要を示しています。これらの技術要素の多くは、さまざまな物理メディア間で一貫していますが、トーン間隔や周波数範囲などの領域では違いが見られます。この統一性は、シリコンメーカーが 3 つのメディアタイプすべてを実装できる単一のチップを製造できるようにするために不可欠であり、コスト削減につながります。現在、G.hn チップセットは 3 つのメディアタイプすべてと互換性があります。この互換性により、システムメーカーは、機器のソフトウェア構成を変更するだけで、あらゆる配線タイプに適応できるデバイスを作成できます。^[15]

G.hn スペクトルは、下の図に示すように媒体によって異なります。

G.hnはOSI参照モデルに従って物理層とデータリンク層を規定する。^[10]

• G.hn データ リンク層 (勧告 G.9961) は、3 つのサブ層に分かれています。
  • アプリケーション プロトコル コンバージェンス (APC) 層は、上位層 (アプリケーション エンティティ) からフレーム (通常はイーサネット形式) を受け取り、それを G.hn APCプロトコル データ ユニット(APDU) にカプセル化します。各 APDU の最大ペイロードは 2 ¹⁴バイトです。
  • 論理リンク制御(LLC) は、暗号化、集約、セグメンテーション、自動再送要求を担当します。このサブレイヤーは、直接接続では通信できない可能性のあるノード間での APDU の「中継」も担当します。
  • チャネル アクセスをスケジュールするメディアアクセス制御(MAC)。
• G.hn 物理層 (勧告 G.9960) は 3 つのサブ層に分かれています。
  • PHY ヘッダーの生成を担当する物理コーディング サブレイヤー (PCS) 。
  • 物理メディアアタッチメント (PMA) は、スクランブルと前方誤り訂正コーディング/デコーディングを担当します。
  • ビットローディングとOFDM 変調を担当する物理媒体依存 (PMD) 。

アプリケーション エンティティとデータ リンク層の間のインターフェイスは A インターフェイスと呼ばれます。データ リンク層と物理層の間のインターフェイスは、メディア独立インターフェイス (MII) と呼ばれます。物理層と実際の伝送メディアの間のインターフェイスは、メディア依存インターフェイス (MDI) と呼ばれます。

HomeGridフォーラムはG.hnを推進する非営利の業界団体です。^[16]

HomeGridフォーラムのメンバーには以下が含まれます: ^[17]

G.hnを推進しているベンダーとしては、MaxLinear、ReadyLinks Inc、Lantiq、devolo AG、マイクロプロセッサメーカーのIntel、^[22]、 システムオンチップベンダーのSigma Designs、^[23]、そして2013年1月に製品を発表したXingteraなどがある。^[24]

G.hn相互運用性の最初のライブ公開デモンストレーションは、2012年1月10日から13日までCESでLantiq、Marvell Technology Group、Metanoia、Sigma Designsによって行われました。^[25]

2009年2月26日、 HomePNAのプレスリリースの中で、AT&T （ U-Verse IPTVサービスの一環として有線ホームネットワークを利用）は、ITU-TがG.hnを含むホームネットワークの標準を作成する作業への支持を表明した。^[26]

AT&TのようなサービスプロバイダーはG.hnを以下の目的で宣伝しました。^[27]

• 配線タイプに関係なく、どの部屋にも接続できます。
• 顧客によるセルフインストールを可能にする
• 診断情報とリモート管理を内蔵
• 複数のシリコンおよび機器サプライヤー

ITU-T研究グループの活動に貢献している他のサービスプロバイダーとしては 、ブリティッシュテレコム、^[28]テレフォニカ、AT&Tなどがある。

2008年4月、ホームグリッドフォーラムの最初の発表で、サービスプロバイダー市場向けのセットトップボックスメーカーであるEchostarが、統一規格への支持を表明した。^[29]

2009年3月、ベスト・バイ（米国最大の家電小売業者）がホームグリッド・フォーラムの取締役会に加わり、G.hnへの支持を表明した。[ ^30]

最大手の家電メーカーの 1 つであるパナソニックも、HomeGrid フォーラムの貢献メンバーです。

2008年にはいくつかのマーケティング会社がG.hnを宣伝し、楽観的な予測を立てた。^{[31] [32] [33]}

2009年7月、HomeGrid ForumとDLNAは連絡協定に署名し、「両組織間の協力と、G.hnをDLNA認定の物理層技術として承認するための準備を整えた」^{[34] 。}

2010年6月、ブロードバンドフォーラムとホームグリッドフォーラムは、G.hn技術を使用した製品のコンプライアンスおよび相互運用性テストプログラムを提供する契約を締結しました。ブロードバンドフォーラムは、ホームグリッドフォーラムのG.hn製品の検証、製品の適合性と相互運用性の促進をサポートし、ホームグリッドフォーラム認定製品の市場投入までの時間を短縮します。^[35] 2011年5月、両組織は共同で最初のオープンG.hnプラグフェストを発表しました。^[36]

ITU G.9970 (G.hnta とも呼ばれる) は、ITU-T によって開発された勧告であり、ホーム ネットワークの一般的なアーキテクチャと、オペレータのブロードバンド アクセス ネットワークへのインターフェイスについて説明しています。

ITU G.9972 (G.cx とも呼ばれる) は、ITU-T によって開発された勧告であり、電力線配線上で動作可能なホーム ネットワーク トランシーバーの共存メカニズムを規定しています。共存メカニズムにより、G.9972 を実装する G.hn デバイスは、G.9972 を実装し、同じ電力線配線上で動作する他のデバイスと共存できるようになります。

ITU G.9991 (G.vlc とも呼ばれる) は、ITU-T によって開発された勧告であり、Li-Fiなどのアプリケーションで使用される高速屋内可視光通信トランシーバーの PHY と DLL を指定します。G.vlc は G.hn の PHY と DLL を再利用し、両方のアプリケーションで同じチップを使用できるようにします。

有線ホームネットワーク技術の主な動機はIPTVであり、特にAT&TのU-Verseのような音声およびデータサービスとトリプルプレイサービスの一部としてサービスプロバイダーによって提供される場合でした。^[37]ホームオートメーションや需要側管理などのスマートグリッドアプリケーションも、低複雑性プロファイルを実装するG.hn準拠のデバイスでターゲットにすることができます。^[38]

1. IPTV : 多くの顧客の家庭では、インターネット アクセスを提供する住宅用ゲートウェイがIPTVセットトップ ボックスの近くに設置されていません。サービス プロバイダーが加入者ごとに複数のセットトップ ボックスを含むサービス パッケージを提供し始めると、このシナリオは非常に一般的になります。G.hn は、既存の家庭配線を使用して、住宅用ゲートウェイを 1 つまたは複数のセットトップ ボックスに接続できます。G.hn を使用すると、IPTV サービス プロバイダーは新しいイーサネットワイヤや802.11ワイヤレス ネットワークをインストールする必要がありません。G.hn はあらゆる種類の家庭配線をサポートしているため、エンド ユーザーは IPTV ホーム ネットワークを自分でインストールでき、サービス プロバイダーのコストを削減できます。^[39]
2. ホーム ネットワーク: Wi-Fiテクノロジは消費者のホーム ネットワークでよく使用されていますが、G.hn もこの用途での使用を目的としています。G.hn は、ワイヤレスの使用が不要な状況 (テレビなどの固定デバイスやネットワーク接続ストレージデバイスを接続する場合など)、ワイヤレスの使用が望ましくない状況 (セキュリティ上の懸念のため)、ワイヤレスの使用が実現不可能な状況 (ワイヤレス信号の範囲が限られているためなど) の消費者にとって適切なソリューションです。
3. 民生用電子機器:民生用電子機器(CE) 製品は、Wi-Fi、 Bluetooth、イーサネットなどのテクノロジーを使用してインターネット接続をサポートできます。従来はコンピューターの使用とは関係のない多くの製品 (テレビやHi-Fi機器など) では、インターネットに接続したり、ホーム ネットワークを使用してコンピューターに接続したりして、デジタル コンテンツにアクセスできます。G.hn は、高精細テレビを表示できる CE 製品に高速接続を提供することを目的としています。電源接続とデータ接続を統合すると、CE デバイスのエネルギーを節約できる可能性があります。CE デバイス (ホーム シアターレシーバーなど) はスタンバイ状態または「ヴァンパイア パワー」で動作することが非常に多いため、電源接続がデータ接続でもある場合、つまりソースを表示していないときにデバイスを確実にオフにできる場合、住宅所有者にとって大きな節約になります。
4. スマートグリッド: G.hn はACおよびDC電力線を含む電線上で動作できるため、スマートグリッドアプリケーションに必要な通信インフラストラクチャを提供できます。包括的なスマートグリッド システムでは、すべてのデバイスがエネルギー節約戦略に参加できるように、家庭や建物内のすべての AC コンセントにアクセスする必要があります。2009 年 9 月、米国国立標準技術研究所は、「NIST スマートグリッド相互運用性標準のフレームワークとロードマップ」の初期草案の一部として、G.hn を「強力な利害関係者の合意があると考えられる」スマートグリッドの標準の 1 つとして含めました。^[40] 2010 年 1 月、G.hn は「実装用に特定された標準」の最終バージョンから削除されました。^[41]

G.hnテクノロジーは、同軸ケーブル、電話線、電力線、光ファイバーなどのさまざまな配線オプションを使用して、さまざまなネットワークタイプ間でのデバイスの接続を容易にします。当初はホームネットワーク用に設計されましたが、その用途は産業シナリオの幅広い範囲にまで拡大しました。^[15]

1. スマート エレベーター:現代のエレベーターには、理想的には IP 経由で通信する多数のセンサーとアクチュエータが装備されています。これらの分散 IP ノード間の通信に G.hn を活用すると、設置時の配線を大幅に削減できます。
2. インテリジェント照明システム:スマート シティの分野では、照明システムは周囲と相互作用するインタラクティブなプラットフォームへと進化しています。これには、街頭標識、照明変調、水質監視、大気センサー、歩行者通信システム、車両充電ステーション、イメージング ユニット、オーディオ システムにリンクされたノードが含まれる可能性があります。
3. 空港の航行灯:適切な信号カプラを使用することで、既存のインフラストラクチャを G.hn PLC プロファイルで再利用でき、通信システムのセットアップが簡素化されます。
4. 充電ステーション:迅速な支払い、ユーザーフレンドリーなクエリ、操作、ステーション監視、クラウドベースの制御を網羅する充電ステーション ネットワークは、既存の電力線インフラストラクチャをデータ転送用に効率的に再利用できます。
5. 産業施設: G.hn コンポーネントは、電源バスを介して産業用制御システムと連携して機能するように統合できます。同軸ケーブルの使用は、厳しい条件でも耐久性があるため、保護導管の必要性が減るため有益であると考えられています。
6. 過酷な条件に対応するファイバー ソリューション: G.hn アクセス システムには産業用プロファイルが備わっており、洪水や極端な温度変動などの厳しい条件でも機能します。

ITU-T が承認した G.hn テクノロジは、住宅やビジネス アプリケーションから産業やスマート グリッドのシナリオまで、マルチギガビット接続のための今日の最も適応性と信頼性に優れたネットワーク バックホールとして際立っています。G.hn は、同軸ケーブル、銅線、電力線、プラスチック光ファイバー、可視光、紫外線、赤外線スペクトルを使用する LiFi 通信システムなど、さまざまなメディアで着実に進化しています。これは、業界のデジタル変革をサポートします。HomeGrid Forum のメンバーは、複数のソースを持つ統合ネットワーク テクノロジである G.hn の世界的な採用を推進しています。

• IEEE1901
• HD-PLC