電力線通信技術(shù)第七章

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1、第七章目錄 7.1 電力線通信協(xié)議的設(shè)計(jì) 7.2 設(shè) 備 協(xié) 調(diào) 7.3 基于電力線的家庭網(wǎng)關(guān) 7.1 電力線通信協(xié)議的設(shè)計(jì) 7.2 設(shè) 備 協(xié) 調(diào) 7.3 基于電力線的家庭網(wǎng)關(guān)第七章目錄 7.1 電力線通信協(xié)議的設(shè)計(jì) 在大多數(shù)情況下，為了實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)互通和信息交換，電力線網(wǎng)絡(luò)需要與其他機(jī)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)互連。但在實(shí)際應(yīng)用中，不同低層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、不同的廠商設(shè)備種類繁多，實(shí)現(xiàn)方式差異很大，導(dǎo)致了互連的復(fù)雜性。要實(shí)現(xiàn)來自不同網(wǎng)絡(luò)、不同制造商設(shè)備在不同層次上靈活的互連，整個(gè)通信網(wǎng)必須提供一種體系架構(gòu)、定義標(biāo)準(zhǔn)的接口，以隱藏不同低層物理網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)和差異，將不同的網(wǎng)絡(luò)集成為一個(gè)協(xié)作的整體，使得任意兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在這

2、個(gè)體系結(jié)構(gòu)下，只要在某一共同的層次上遵守相同的通信協(xié)議，就可以實(shí)現(xiàn)在該層次上的互聯(lián)互通。 電力線通信劃分 頻率帶寬角度劃分：窄帶PLC（NB-PLC）和寬帶PLC（BB-PLC） ； 通信速率角度劃分：低速PLC（LS-PLC）和高速PLC（HS-PLC）； 電壓等級(jí)角度劃分：高壓配電線（35kV以上）、中壓配電線（30kV/10kV）和低壓配電線（低于380V）。 7.1.1 協(xié)議模型分析 1OSI模型的基本原理國際標(biāo)準(zhǔn)化組織OSI于1979年年底公布了開放系統(tǒng)互連參考模型OSI/RM（Reference Model of Open System Interconnection），所謂開放系

3、統(tǒng)是指遵從國際標(biāo)準(zhǔn)能夠通過互連而相互作用的系統(tǒng)，OSI/RM為開放系統(tǒng)互連提供了一種功能結(jié)構(gòu)框架，是開發(fā)各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。它將網(wǎng)絡(luò)分為七層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話層、表示層和應(yīng)用層。通過嚴(yán)格遵守OSI模型，不同的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之間可以輕易實(shí)現(xiàn)互操作， 7.1.1 協(xié)議模型分析 1OSI模型的基本原理 7.1.1 協(xié)議模型分析 1OSI模型的基本原理OSI網(wǎng)絡(luò)模型各層的主要功能與作用：物理層（Physical Layer）：通信信道上比特位的傳輸。它確保從源設(shè)備發(fā)送的比特位能準(zhǔn)確地傳輸?shù)侥康脑O(shè)備。鏈路層（Data Link Layer）：介質(zhì)訪問的方法和數(shù)據(jù)的編碼，以確保在單

4、個(gè)通信信道上介質(zhì)的有效使用。物理層中的比特位被封裝成數(shù)據(jù)幀，規(guī)定何時(shí)源設(shè)備能夠發(fā)送數(shù)據(jù)幀，以及目的設(shè)備如何接收數(shù)據(jù)幀和檢測傳輸差錯(cuò)，還定義了優(yōu)先機(jī)制來確保重要消息的傳輸。網(wǎng)絡(luò)層（Network Layer）：把消息包從源設(shè)備路由傳送到目的設(shè)備。它定義了設(shè)備的命名和地址以保證消息包 能夠正確地傳輸，還定義了源設(shè)備和目的設(shè)備處于不同的通信信道時(shí)消息包的路由方法。 7.1.1 協(xié)議模型分析 1OSI模型的基本原理傳輸層（Transport Layer）：確保消息包的可靠傳輸。使用一種確認(rèn)服務(wù)在發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備之間交換消息包。發(fā)送設(shè)備在給接收設(shè)備發(fā)送一次消息包后，等待從接收設(shè)備返回的確認(rèn)信息，在一定

5、時(shí)間內(nèi)沒有收到確認(rèn)信息，發(fā)送方將重發(fā)一次。同時(shí)還定義了由于確認(rèn)信息的丟失而產(chǎn)生的重復(fù)發(fā)送消息包的檢測和丟棄。會(huì)話層（Session Layer）：將控制信息加入到下層的交換數(shù)據(jù)中。它支持的遠(yuǎn)程功能讓客戶得到遠(yuǎn)程的服務(wù)，讓接收方從消息包中判斷發(fā)送方是否有權(quán)發(fā)送該消息包。 7.1.1 協(xié)議模型分析 1OSI模型的基本原理表示層（Presentation Layer）：將下層的交換數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。消息被編碼成為網(wǎng)絡(luò)變量，應(yīng)用消息或外部幀。標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)變量類型提供網(wǎng)絡(luò)變量的互操作編碼。應(yīng)用層（Application Layer）：在下層的交換數(shù)據(jù)中添加應(yīng)用功能。標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象通過從下層交換數(shù)據(jù)的公共語義解釋來提高

6、互操作性。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)變量更新時(shí)，公共語義解釋能夠讓不同的應(yīng)用進(jìn)程進(jìn)行公共動(dòng)作，它還定義了文件傳輸協(xié)議，規(guī)定了進(jìn)程之間進(jìn)行的數(shù)據(jù)流傳輸。 7.1.1 協(xié)議模型分析2現(xiàn)有的家庭總線協(xié)議協(xié)議是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的基礎(chǔ)，隨著家庭、樓宇自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，自20世紀(jì)90年代以來，誕生了眾多面向家庭網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議。目前國際上應(yīng)用較為廣泛并且相對(duì)成熟的協(xié)議有十余種，如美國的X-10、LonTalk、CEBus標(biāo)準(zhǔn)，歐洲的EIB標(biāo)準(zhǔn)，日本的HBS標(biāo)準(zhǔn)等。由于目前不同系統(tǒng)的協(xié)議之間不兼容，還沒有一種協(xié)議在應(yīng)用中占有絕對(duì)優(yōu)勢，下面是關(guān)于這些協(xié)議的討論和對(duì)比。 7.1.1 協(xié)議模型分析2現(xiàn)有的家庭總線協(xié)議（1）X-10協(xié)議X-

7、10是利用電力線載波方式進(jìn)行家庭自動(dòng)化信息傳輸?shù)膮f(xié)議，該協(xié)議無須重新布線，對(duì)于要求成本低廉的應(yīng)用是最好的選擇。X-10采用調(diào)制方式傳送，有較高的抗干擾能力，可靠性較高，但傳送速率較慢，只適于低速網(wǎng)控制。 7.1.1 協(xié)議模型分析2現(xiàn)有的家庭總線協(xié)議（1）X-10協(xié)議X-10是以50Hz或60Hz為載波，再用120kHz的脈沖調(diào)制發(fā)展出來的控制技術(shù)，信號(hào)的傳輸是利用市電電源的正弦信號(hào)的過零點(diǎn)來進(jìn)行的。X-10協(xié)議出現(xiàn)較早，與后來出現(xiàn)的復(fù)雜的總線協(xié)議相比，結(jié)構(gòu)比較簡單，120kHz的電力載波的帶寬有限，不能傳送大量的信息，120kHz的電力載波也易受干擾。X-10的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低，因此被廣

8、泛應(yīng)用于家庭應(yīng)用場合，如安全監(jiān)控、家用電器控制、室內(nèi)照明控制、住宅儀表數(shù)字讀取等方面。 7.1.1 協(xié)議模型分析2現(xiàn)有的家庭總線協(xié)議（2）LonTaIk協(xié)議LON（Local Operating Network）是美國Echelon公司于1991年推出的局部操作網(wǎng)絡(luò)，為集散式監(jiān)控系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的實(shí)現(xiàn)手段。LonTalk協(xié)議由各種允許網(wǎng)絡(luò)上不同設(shè)備間彼此智能通信的底層協(xié)議組成，提供一整套通信服務(wù)，這使得設(shè)備中的應(yīng)用程序能夠在網(wǎng)絡(luò)上同其他設(shè)備發(fā)送和接收報(bào)文，而無需知道網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或者網(wǎng)絡(luò)的名稱、地址或其他設(shè)備的功能。在LonTalk協(xié)議的協(xié)調(diào)下，以往那些孤立的系統(tǒng)和產(chǎn)品融為一體，形成了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)控

9、制系統(tǒng)。它最大的特點(diǎn)是對(duì)OSI七層協(xié)議的支持，是直接面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議。通信介質(zhì)不受限制，包 括電力線、雙絞線、無線（RF）、紅外（IR），以及同軸電纜和光纖，并可在同一網(wǎng)絡(luò)中混合使用。 7.1.1 協(xié)議模型分析2現(xiàn)有的家庭總線協(xié)議（3）CEBus協(xié)議CEBus總線是為家庭消費(fèi)類電子產(chǎn)品而制定的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，物理層是開放的，支持多種通信介質(zhì)，其中以電力線的應(yīng)用最為廣泛。它的總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以是總線形、星形、樹形或混合型，總線中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的地位都是平等的，不需要一個(gè)主控設(shè)備。CEBus協(xié)議對(duì)OSI網(wǎng)絡(luò)參考模型做了簡化，僅包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。對(duì)于多節(jié)點(diǎn)競爭訪問網(wǎng)絡(luò)資源的解決方法是

10、采用沖突檢測和沖突分辨協(xié)議（CSMA/CDCR），網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的控制關(guān)系通過綁定來實(shí)現(xiàn)。 7.1.1 協(xié)議模型分析2現(xiàn)有的家庭總線協(xié)議（3）CEBus協(xié)議CEBus總線是為家庭消費(fèi)類電子產(chǎn)品而制定的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，物理層是開放的，支持多種通信介質(zhì)，其中以電力線的應(yīng)用最為廣泛。它的總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以是總線形、星形、樹形或混合型，總線中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的地位都是平等的，不需要一個(gè)主控設(shè)備。CEBus協(xié)議對(duì)OSI網(wǎng)絡(luò)參考模型做了簡化，僅包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。對(duì)于多節(jié)點(diǎn)競爭訪問網(wǎng)絡(luò)資源的解決方法是采用沖突檢測和沖突分辨協(xié)議（CSMA/CDCR），網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的控制關(guān)系通過綁定來實(shí)現(xiàn)。 7.1.

11、1 協(xié)議模型分析2現(xiàn)有的家庭總線協(xié)議（4）EIB協(xié)議歐洲安裝總線（European Installing Bus，EIB）是一個(gè)在歐洲占主導(dǎo)地位的樓宇自動(dòng)化和家庭自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)，是由Siemens、ABB等一些知名企業(yè)首先提出的，出現(xiàn)較晚但是發(fā)展比較迅速。與CEBus類似，EIB也是一個(gè)開放的協(xié)議，同樣采用雙絞線、電力線、同軸電纜等通信介質(zhì)，其中應(yīng)用較為廣泛的是雙絞線和電力線。EIB通信協(xié)議遵循OSI七層模型。在介質(zhì)訪問子層，EIB采用帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問（CSMA/CA）協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)層主要用來設(shè)置節(jié)點(diǎn)間通信所經(jīng)過的路由器的最大數(shù)目。傳輸層支持面向連接和面向非連接的兩種服務(wù)。 7.1.1 協(xié)

12、議模型分析2現(xiàn)有的家庭總線協(xié)議（5）HBS協(xié)議HBS的全稱是家庭總線系統(tǒng)（Home Bus System），它是由日本電子工業(yè)聯(lián)合會(huì)/無線工程電子協(xié)會(huì)HBS標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)于1997年制定的。HBS以雙絞線和同軸電纜為通訊介質(zhì)，介質(zhì)的最大長度為200 m。HBS有控制通道和信息通道之分，控制通道用于低速數(shù)據(jù)的傳輸，信息通道用于高速數(shù)據(jù)的傳輸。控制通道最多可以有64個(gè)節(jié)點(diǎn)，傳輸速率為9.6kbps。 7.1.1 協(xié)議模型分析2現(xiàn)有的家庭總線協(xié)議（5）HBS協(xié)議HBS對(duì)OSI七層模型做了精簡，由三層結(jié)構(gòu)組成，分別為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層，類似現(xiàn)場總線。在介質(zhì)訪問子層，HBS采用帶碰撞檢測的載波偵聽多

13、路訪問協(xié)議（CSMA/CD）。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)層的規(guī)定，HBS的子網(wǎng)之間由路由器連接，HBS的子網(wǎng)和其他網(wǎng)之間用網(wǎng)關(guān)連接。但是，HBS不支持電力線和無線傳輸，這些不足限制了它的使用范圍。 7.1.1 協(xié)議模型分析 3各種總線協(xié)議的分析比較從OSI網(wǎng)絡(luò)模型與各種應(yīng)用于家庭自動(dòng)化的網(wǎng)絡(luò)，可以看出，幾乎所有的協(xié)議都是以O(shè)SI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的參考模型為樣本，根據(jù)行業(yè)的應(yīng)用特點(diǎn)，進(jìn)行剪裁與修改的。從體系結(jié)構(gòu)上可以看出，可應(yīng)用于低壓電力線的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議大都只有三層或是四層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層（或應(yīng)用層包含網(wǎng)絡(luò)層）。國外的這些協(xié)議在歐美國家占有絕對(duì)優(yōu)勢，在我國應(yīng)用起來還有相當(dāng)大的困難，但是可以參考這些協(xié)議得出

14、一些結(jié)論，國外的協(xié)議從可靠性的角度出發(fā)，都會(huì)考慮以下一些重要功能： 7.1.1 協(xié)議模型分析 3各種總線協(xié)議的分析比較 數(shù)據(jù)丟失與重傳機(jī)制。協(xié)議必須提供可靠性，如果出現(xiàn)報(bào)文丟失時(shí)，必須有錯(cuò)誤恢復(fù)機(jī)制。前述幾種協(xié)議及模型，都是采用了AQR重傳機(jī)制來恢復(fù)報(bào)文丟失。接收端發(fā)送確認(rèn)（ACK）報(bào)文來通知另一端數(shù)據(jù)接收成功。 信息編碼與差錯(cuò)控制。在實(shí)際信道傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí)，由于信道的傳輸特性不理想及加性噪聲的影響，所收到的信號(hào)會(huì)不可避免地發(fā)生錯(cuò)誤。在采取適當(dāng)?shù)挠布O(shè)備以獲得好的信道性能后，則可進(jìn)一步采取信道編碼，即差錯(cuò)控制編碼的方法，進(jìn)一步提高通信的質(zhì)量。 連接管理與網(wǎng)絡(luò)尋址。連接管理功能涉及連接狀態(tài) 的建

15、立與關(guān)閉，以及在出現(xiàn)異常情況時(shí)的處理。網(wǎng)絡(luò)尋址是將信息正確傳送到目的地，是通信介質(zhì)信道的共享處理機(jī)制。 7.1.2 低壓電力線載波通信協(xié)議的設(shè)計(jì) 1協(xié)議的基本要求制定數(shù)據(jù)通信協(xié)議（DCP）規(guī)范的方法依賴于最新的標(biāo)準(zhǔn)和服務(wù)實(shí)體的集合。組成協(xié)議層的不同服務(wù)實(shí)體的方法要保證整個(gè)系統(tǒng)的平衡性和穩(wěn)定性。協(xié)議的選擇取決于以下各種因素：尋求在低波特率和高傳輸次數(shù)下的高效率；尋求通往集中器節(jié)點(diǎn)的最佳通道；電力線信道作為通信信道的干擾；對(duì)網(wǎng)絡(luò)互連的要求比較低，但管理自動(dòng)化功能要好； 成本比較低。 7.1.2 低壓電力線載波通信協(xié)議的設(shè)計(jì) 1協(xié)議的基本要求局域網(wǎng)協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)在很大程度上取決于網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和訪問方式

16、，例如，CSMA/CD總線網(wǎng)絡(luò)和令牌總線網(wǎng)絡(luò)具有同樣的物理結(jié)構(gòu)，卻可以采用不同的訪問方式，從而產(chǎn)生不同的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于PLC網(wǎng)絡(luò)，目前只是針對(duì)網(wǎng)絡(luò)的載波頻率、調(diào)制方式、信號(hào)編碼等做了初步規(guī)定，還沒有專門針對(duì)PLC的網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)建立專門的MAC協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)有的通信協(xié)議DL/T 645主要目的是用于本地?cái)?shù)據(jù)交換，不能很好地滿足網(wǎng)絡(luò)通信的要求。因此，本文在此協(xié)議的基礎(chǔ)上，對(duì)部分內(nèi)容 做了擴(kuò)充，主要體現(xiàn)在幀格式中對(duì)中繼路由表的支持和物理地址設(shè)置兩個(gè)方面。 7.1.2 低壓電力線載波通信協(xié)議的設(shè)計(jì) 2數(shù)據(jù)傳輸原理一般來說，通信協(xié)議需要滿足幾個(gè)要求：獨(dú)立于物理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；獨(dú)立于硬件設(shè)計(jì)；獨(dú)立于調(diào)制方案。網(wǎng)絡(luò)

17、通信由“啟動(dòng)方”（集中器）對(duì)其下屬的所有“服務(wù)器”（采集器）進(jìn)行組織和管理。只有當(dāng)“啟動(dòng)方”發(fā)出請求時(shí)，“服務(wù)器”才可以訪問介質(zhì)。路由協(xié)議嵌于“啟動(dòng)方”（集中器）的應(yīng)用進(jìn)程中，在比 較惡劣的傳輸環(huán)境下（如高噪聲、強(qiáng)衰減等），必須能夠提供中繼機(jī)制來保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的有效通信。 7.1.2 低壓電力線載波通信協(xié)議的設(shè)計(jì)3PLC通訊協(xié)議模型（1）物理層物理層有兩個(gè)目的：提供設(shè)備與物理傳輸介質(zhì)（電力線）之間的接口；通過傳送二進(jìn)制碼元完成從數(shù)據(jù)源到目的地址的數(shù)據(jù)傳輸。電力線并不是一種特別適合通信的媒介，干擾和噪聲都比較大，信道環(huán)境惡劣。數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼{(diào)制方法和編碼方式都會(huì)影響其可靠性。 7.1.2 低壓電力線載

18、波通信協(xié)議的設(shè)計(jì)3PLC通訊協(xié)議模型（2）數(shù)據(jù)鏈路層（添加MAC層和RLC內(nèi)容）在低壓電力線載波自動(dòng)抄表的系統(tǒng)中，鏈路層采用主從結(jié)構(gòu)的半雙工通信方式。載波集中器為主站，采集器或其他數(shù)據(jù)采集終端為從站，采集器都有自己的地址編碼。通信鏈路的建立和解除均由主站發(fā)出的信息幀來控制。每幀由幀同步頭、從站地址域（被叫地址）、控制碼、數(shù)據(jù)長度域、數(shù)據(jù)域、幀信息校驗(yàn)碼6個(gè)域組成。每部分由若干字節(jié)組成。 7.1.2 低壓電力線載波通信協(xié)議的設(shè)計(jì)3PLC通訊協(xié)議模型（3）應(yīng)用層應(yīng)用層定義了具體命令，包括主站請求和從站應(yīng)答兩個(gè)方面。應(yīng)用層協(xié)議主要完成電力線抄表系統(tǒng)的讀數(shù)據(jù)、寫數(shù)據(jù)命令，還可以進(jìn)行廣播校時(shí)、寫設(shè)備地址

19、、修改密碼等。 7.1.2 低壓電力線載波通信協(xié)議的設(shè)計(jì)3PLC通訊協(xié)議模型（4）網(wǎng)絡(luò)管理這種分層通信結(jié)構(gòu)需要增加一個(gè)管理通信參數(shù)和分配通信資源的標(biāo)準(zhǔn)。這些資源和參數(shù)由MIB（管理信息數(shù)據(jù)庫）數(shù)據(jù)庫中的特定對(duì)象表示。此時(shí)，可以把其他信號(hào)比較好的采集器作為中繼，通過迂回路由實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，提高接收成功率。 7.1.3 MAC層結(jié)構(gòu) PLC網(wǎng)絡(luò)的MAC通信協(xié)議是一個(gè)非常重要的協(xié)議，在很大程度上影響了PLC網(wǎng)絡(luò)的性能，特別是數(shù)據(jù)傳輸速率。MAC層的基本任務(wù)是控制連接到一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)上的使用所謂的共享傳輸媒質(zhì)的多個(gè)用戶的接入，以及來自不同用戶的各種電信服務(wù)的信息流的組織。一般來說，對(duì)于任何電信網(wǎng)絡(luò)來說M

20、AC的功能可以劃分為以下幾個(gè)：多路訪問方案；資源共享；傳輸控制。 7.1.3 MAC層結(jié)構(gòu) 1MAC層技術(shù)要求這里我們將描述寬帶電力線通信接入網(wǎng)的MAC層特點(diǎn)，詳細(xì)說明PLC MAC層的技術(shù)要求。 7.1.3 MAC層結(jié)構(gòu) 1MAC層技術(shù)要求（1）PLC MAC層的特點(diǎn) MAC層是所有的具有共享傳輸媒質(zhì)的電信系統(tǒng)的一般協(xié)議架構(gòu)的一個(gè)重要組成部分，有多種不同的實(shí)現(xiàn)。MAC層協(xié)議的開發(fā)需要根據(jù)特定的通信網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，包括通信網(wǎng)絡(luò)的詳細(xì)的傳輸特點(diǎn)、使用環(huán)境和使用目的等。電力線通信接入網(wǎng)的特殊性體現(xiàn)在它特殊的傳輸媒質(zhì)（如低壓供電網(wǎng)絡(luò)），在供電網(wǎng)上由于大量噪聲干擾的存在只能提供有限的數(shù)據(jù)傳輸速率。另一方面

21、，為了確保和其他接入技術(shù)的競爭力，電力線通信必須要提供一個(gè)廣泛的電信服務(wù)并且要確保一個(gè)令人 滿意的QoS。 7.1.3 MAC層結(jié)構(gòu) 1MAC層技術(shù)要求（1）PLC MAC層的特點(diǎn)以下的四個(gè)因素直接影響到PLC MAC層和它的協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒏蓴_噪聲、電信服務(wù)和應(yīng)用傳輸系統(tǒng)， 7.1.3 MAC層結(jié)構(gòu) 1MAC層技術(shù)要求（2）PLC MAC層的要求多路訪問和MAC層協(xié)議資源共享策略是MAC層核心，如下圖所示。正如上面所討論的，多路訪問就是將構(gòu)建一個(gè)將傳輸資源分割成接入片段，它依賴于物理層的實(shí)際傳輸系統(tǒng)及其特點(diǎn)。在我們考慮的PLC系統(tǒng)中，多路訪問必須要適用于我們所使用的PLC網(wǎng)絡(luò)（如擴(kuò)頻或OFD

22、M）。另一方面，MAC的任務(wù)是采用相同共享網(wǎng)絡(luò)資源的多個(gè)用戶的接入組織，這就要靠由多接入方案指定的接入片段的管理來保證。因此，MAC 層協(xié)議必須適合于所采用的多路訪問方案。 7.1.3 MAC層結(jié)構(gòu) 1MAC層技術(shù)要求（2）PLC MAC層的要求 7.1.3 MAC層結(jié)構(gòu) 2多路訪問方案在實(shí)際應(yīng)用中，在兩個(gè)使用相同傳輸媒質(zhì)的不同信號(hào)之間不可能達(dá)到這么精確正交。但是，如果不同信號(hào)之間的影響足夠小的話，在通信系統(tǒng)中還是可以接受的。目前在各種通信系統(tǒng)中一般采用如下所列的三種多路訪問方案：時(shí)分多址TDMA，Time Division Multiple Access；頻分多址FDMA，F(xiàn)requency

23、 Division Multiple Access；碼分多址CDMA，Code Division Multiple Access 。這三個(gè)基本的多路訪問方案在應(yīng)用中也可以有各種各樣的組合。 7.1.3 MAC層結(jié)構(gòu) 2多路訪問方案（1）TDMA在TDMA方案中，時(shí)間軸被分為所謂的“時(shí)隙”，這代表了由多路訪問方案所提供的傳輸資源的接入部分（如下圖所示）。每一個(gè)時(shí)隙確保一個(gè)預(yù)先確定的數(shù)據(jù)單元的傳輸，這個(gè)數(shù)據(jù)單元可以是語音樣本、數(shù)據(jù)包等各種不同的信息。一般來說一個(gè)時(shí)隙只供一個(gè)用戶使用。和TDMA一致，在時(shí)隙內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單元使用全部傳輸媒質(zhì)的可獲得的頻譜來傳輸。如果沒有時(shí)隙的分割，在時(shí)域的資源分割是無

24、法非常理想地實(shí)現(xiàn)的，因此要在兩個(gè)時(shí)隙之間采用所謂的“保護(hù)間隔”，來確保兩個(gè)相鄰的時(shí)隙間的數(shù)據(jù)不會(huì)相 互干擾。在一個(gè)TDMA系統(tǒng)中，時(shí)隙可以是固定的也可以是變化的持續(xù)時(shí)間。相應(yīng)地，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)數(shù)據(jù)單元的長度可以是固定的大小，也可以是變化的。在TDMA系統(tǒng)中，時(shí)隙一般用幀來組織。 7.1.3 MAC層結(jié)構(gòu) 2多路訪問方案（1）TDMA 7.1.3 MAC層結(jié)構(gòu) 2多路訪問方案（2）OFDM/TDMA OFDM/TDMA中，在一段時(shí)間內(nèi)將全部的帶寬資源（所有子載波）分配給一個(gè)特定的用戶，即在單個(gè)TDMA幀內(nèi)，所有子載波在幾個(gè)時(shí)隙內(nèi)為某個(gè)用戶獨(dú)占。這種OFDM/TDMA的時(shí)間帶寬資源分配方式可以看做將全

25、部資源（時(shí)間、帶寬）在時(shí)間軸上進(jìn)行分割，如下圖所示。在以時(shí)間和頻率為坐標(biāo)軸的二維平面中，圖中的各個(gè)時(shí)隙表示分配給不同用戶的時(shí)間資源。每個(gè)用戶在各自所占用的OFDM符號(hào)內(nèi)擁有全部帶 寬資源（全部子載波），這是一種以時(shí)間區(qū)分用戶的多址接入方式。 7.1.3 MAC層結(jié)構(gòu) 2多路訪問方案（2）OFDM/TDMA 7.1.3 MAC層結(jié)構(gòu) 2多路訪問方案（3）FDMA DMA將可使用的總的頻譜資源劃分為不同的部分分配給不同的用戶接入。 FDMA提供了很多傳輸信道，代表著網(wǎng)絡(luò)資源的接入方式，如下圖所示。信道的數(shù)據(jù)率和分配給信道的頻帶寬度有關(guān)。和TDMA系統(tǒng)一樣，將頻率動(dòng)態(tài)地分配給特定的傳輸信道，F(xiàn)DMA

26、系統(tǒng)也可以實(shí)現(xiàn)固定的或變化的數(shù)據(jù)率。為了確保各個(gè)子信道之間的正交關(guān)系，在FDMA頻帶之間要保留一個(gè)保護(hù)間隔。 7.1.3 MAC層結(jié)構(gòu) 2多路訪問方案（3）FDMA 7.1.3 MAC層結(jié)構(gòu) 2多路訪問方案（4）OFDMA OFDMA將傳輸帶寬劃分成正交的子載波集，通過將不同的子載波集分配給不同的用戶，可用帶寬資源可以靈活地在不同的終端之間共享，從而避免了不同用戶間的多址干擾（MAI）。如下圖所示，CH代表不同的子載波集，它們在頻率上是正交的。OFDMA方案可以看做將資源（時(shí)間、帶寬）在頻率上進(jìn)行分割，從而實(shí)現(xiàn)多用戶接入，是一種以頻率來區(qū)分用戶的多址接入方式。 7.1.3 MAC層結(jié)構(gòu) 2多路

27、訪問方案（4）OFDMA OFDMA方案將所有載波的確定子集分配給每個(gè)用戶。這種分配表現(xiàn)為一種純粹的數(shù)字化子載波管理，這種子載波分配不是固定的，可以采取自適應(yīng)方式。對(duì)于有效的多址接入方案，當(dāng)其進(jìn)行時(shí)間和帶寬資源分配時(shí)應(yīng)滿足高度適應(yīng)性。具體表現(xiàn)在：一方面，應(yīng)選擇頻率選擇性信道的特性，這一點(diǎn)在電力線通信系統(tǒng)中要特別的注意；另一方面，要滿足用戶對(duì)不同的或可變的數(shù)據(jù)速率的需求。OFDMA系統(tǒng)中，這種適應(yīng)性可由恰當(dāng)選擇與每個(gè)用戶相關(guān)的子載波而得到滿足 。 7.1.3 MAC層結(jié)構(gòu) 2多路訪問方案（4）OFDMA 7.1.3 MAC層結(jié)構(gòu) 2多路訪問方案（4）OFDMA每個(gè)用戶經(jīng)歷不同的信道的干擾，可以通

28、過只將具有高信噪比的子載波，也就是通信條件比較好的子載波分配給每個(gè)用戶來實(shí)現(xiàn)。而且特定用戶的子信道數(shù)數(shù)目可以依據(jù)要求的數(shù)據(jù)速率進(jìn)行變化。OFDMA上行鏈路的基帶系統(tǒng)模型如下圖所示，在系統(tǒng)中共有ML個(gè)子載波，分配給M個(gè)用戶，每個(gè)用戶有L個(gè)子載波。首先對(duì)m（m=0，1，2，M1）個(gè)用戶的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，之后將已編碼的比特序列映射成L個(gè)復(fù)調(diào)制符號(hào) ，l=0，1，再分配到該用戶的L個(gè)子載波 上。 7.1.3 MAC層結(jié)構(gòu) 2多路訪問方案（4）OFDMA 7.1.3 MAC層結(jié)構(gòu) 2多路訪問方案（5）CDMA電力線信道的時(shí)間彌散性會(huì)限制電力線信道傳輸速率的提高。這是因?yàn)樵陔娏€環(huán)境中，由于存在多徑效應(yīng)

29、，到達(dá)接收機(jī)的信號(hào)是由一些通過不同路徑到達(dá)的信號(hào)的疊加而成的。這些幅度和時(shí)延不同的信號(hào)互相疊加造成接收信號(hào)的失真。特別是在高速數(shù)據(jù)傳輸中，當(dāng)路徑的時(shí)延擴(kuò)展大于傳輸數(shù)據(jù)周期時(shí)，信號(hào)間的干擾更加嚴(yán)重。另外，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸速率較高時(shí)，信號(hào)占用的頻帶變寬；當(dāng)信號(hào)帶寬接近或大于信道相干帶寬時(shí)，信道的時(shí)間彌散將對(duì)接收信號(hào)造成頻率選擇性 衰落。因此在復(fù)雜多變的電力線信道中，需要設(shè)計(jì)出性能良好的能夠抗多徑干擾的技術(shù)，對(duì)信道具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力。 7.1.3 MAC層結(jié)構(gòu) 3資源共享策略資源共享策略MAC協(xié)議的任務(wù)就是組織共享網(wǎng)絡(luò)資源多個(gè)用戶的接入，這是通過管理多路訪問方案所提供的網(wǎng)絡(luò)資源的接入來實(shí)現(xiàn)的。下行方向的傳

30、輸是比較容易實(shí)現(xiàn)的，這是因?yàn)檫@時(shí)的傳輸完全是由基站控制的。在下行傳輸時(shí)，基站向一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)用戶傳輸數(shù)據(jù)，或者基站向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送廣播數(shù)據(jù)。不管什么情況，在傳輸媒質(zhì)上只有來自基站的數(shù)據(jù)包，各個(gè)用戶之間也不存在同步問題。 7.1.3 MAC層結(jié)構(gòu) 3資源共享策略（1）ALOHA協(xié)議（2）CSMA協(xié)議家族（3）ISMA協(xié)議 7.1.3 MAC層結(jié)構(gòu) 4MAC層協(xié)議分析 MAC層協(xié)議主要分為兩大類：固定接入?yún)f(xié)議和動(dòng)態(tài)接入?yún)f(xié)議。固定接入?yún)f(xié)議（如下圖所示）在整個(gè)連接過程中給每個(gè)用戶分配了一個(gè)固定的傳輸容量，預(yù)先分配給用戶的網(wǎng)路容量和用戶的需求是沒有關(guān)系的。在固定接入?yún)f(xié)議中，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)

31、傳輸波谷，而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上突然有大量的數(shù)據(jù)流出現(xiàn)，并且分配的網(wǎng)絡(luò)容量無法滿足需要時(shí)就會(huì)出現(xiàn)傳輸峰值，從而引起額外的延遲，降低數(shù)據(jù)吞吐率。正是由于這個(gè)原因，固定接入?yún)f(xié)議只適合于連續(xù)的通信，而不適合有突發(fā)數(shù)據(jù)流的通信，典型的情況就是滿足各 種不同數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕尤刖W(wǎng)，如寬帶電力線網(wǎng)絡(luò)。 7.1.3 MAC層結(jié)構(gòu) 4MAC層協(xié)議分析 7.1.3 MAC層結(jié)構(gòu) 4MAC層協(xié)議分析和固定接入方式不同，動(dòng)態(tài)接入?yún)f(xié)議適合于數(shù)據(jù)傳輸，在大部分情況下它能保證各種電信業(yè)務(wù)的QoS。動(dòng)態(tài)接入?yún)f(xié)議又分為兩種類型：爭奪協(xié)議和仲裁協(xié)議（如下圖所示）。由爭奪協(xié)議的原理可以知道，網(wǎng)絡(luò)用戶是隨機(jī)的接入傳輸媒質(zhì)的，這可能使不同用戶傳輸?shù)臄?shù)

32、據(jù)單元發(fā)生沖突。由于網(wǎng)絡(luò)中的終端不知道其他終端的傳輸需求，所以當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)終端在同一時(shí)間開始傳輸它們的數(shù)據(jù)包就可能發(fā)生沖突。而仲裁協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)終端之間提供了一種協(xié)調(diào)機(jī)制，確保各個(gè)終端可以以專線方式接入網(wǎng)絡(luò)，這樣就可以避免沖突的發(fā) 生。但是，仲裁過程占用了額外的時(shí)間，在網(wǎng)絡(luò)中引起了更長的傳輸延遲。 7.1.3 MAC層結(jié)構(gòu) 4MAC層協(xié)議分析 7.1.3 MAC層結(jié)構(gòu) 5雙工模式的傳輸控制雙工模式定義了上行和下行傳輸方向的組織方式，即數(shù)據(jù)分別從基站到網(wǎng)絡(luò)站和其相反方向，即從網(wǎng)絡(luò)站到基站。多路訪問提供傳輸資源的可訪問部分被分為兩部分，一部分用于下行數(shù)據(jù)傳輸，另一部分用于上行傳輸。網(wǎng)絡(luò)資源的上下行劃分

33、可以分兩種模式： FDD：頻分雙工； TDD：時(shí)分雙工。 7.1 電力線通信協(xié)議的設(shè)計(jì) 7.2 設(shè) 備 協(xié) 調(diào) 7.3 基于電力線的家庭網(wǎng)關(guān)第七章目錄 7.2.1 耦合技術(shù)在配電網(wǎng)電力線載波通信系統(tǒng)中，主要的載波信號(hào)耦合方式有電容耦合、電感耦合及天線耦合等幾種方式。天線耦合方式是由以在電力線下邊平行懸掛適當(dāng)長度（120m）的線路為天線及相應(yīng)的調(diào)諧裝置組成的，由于該方式耦合效率很低，所以使用很少。電容耦合是采用耦合電容器為主要元件的耦合方式，用一高頻電容來連接高頻載波信號(hào)的輸入/輸出端與電力線接入點(diǎn)（電源插座、配電開關(guān)母線等），電容耦合裝置屬于一種直接耦合裝置，將高頻載波信號(hào)直接注入到電網(wǎng)，同時(shí)

34、從電力線上接收高頻載波信號(hào)。 7.2.1 耦合技術(shù) 7.2.1 耦合技術(shù)介紹完低壓電容耦合電路，我們再來簡單了解下中壓電容耦合技術(shù)。 7.2.2 用戶端設(shè)備用戶端設(shè)備通常稱為電力調(diào)制解調(diào)器，又稱為電力貓。電力貓一般提供兩個(gè)接口：一個(gè)是數(shù)據(jù)接口，直接和用戶的計(jì)算機(jī)相接，接口的種類通常是以太網(wǎng)接口或者USB接口；另一個(gè)接口就是電源接口，在給電力調(diào)制解調(diào)器供電的同時(shí)還用來傳輸數(shù)據(jù)信息。 7.2.2 用戶端設(shè)備調(diào)制解調(diào)部分由數(shù)字信號(hào)處理單元和相應(yīng)的外圍電路組成。數(shù)字信號(hào)處理單元負(fù)責(zé)同用戶設(shè)備間的雙向通信、MAC層協(xié)議，并對(duì)來自用戶的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、調(diào)制，然后送往外圍電路進(jìn)行/數(shù)模轉(zhuǎn)換、放大、濾波，或?qū)?/p>

35、自外圍電路經(jīng)濾波、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、解碼，然后送往用戶設(shè)備。 7.2.2 用戶端設(shè)備這是一個(gè)單芯片調(diào)制解調(diào)器方案，INT6300的內(nèi)核為ARM926EJ-S的32位RISC處理器。系統(tǒng)軟件存儲(chǔ)在大容量的SPI FLASH中，可以進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)代碼存放在SPI FLASH中，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行，將程序復(fù)制到SDRAM中。設(shè)置INT6300的工作模式為MI MAC工作模式，與REALTEK公司的PHY CHIP相連，提供RJ-45接口連接到用戶的網(wǎng)口上。 7.2.3 局端設(shè)備局端設(shè)備根據(jù)其功能的不同，通常分為電力網(wǎng)橋、電力交換機(jī)和電力路由器，目前應(yīng)用較多的還是電力網(wǎng)橋，通常會(huì)

36、有多個(gè)接口。一個(gè)或多個(gè)耦合接口用來從電力線上以非接觸方式提取由用戶端電力調(diào)制解調(diào)器發(fā)送的信號(hào)，同時(shí)把數(shù)據(jù)信號(hào)加載到電力線上。另外有一個(gè)或多個(gè)以太網(wǎng)接口，用于和其他的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（如普通的以太網(wǎng)交換機(jī)、路由器）相連。 7.1 電力線通信協(xié)議的設(shè)計(jì) 7.2 設(shè) 備 協(xié) 調(diào) 7.3 基于電力線的家庭網(wǎng)關(guān)第七章目錄 7.3 基于電力線的家庭網(wǎng)關(guān)家庭網(wǎng)關(guān)是智能家居的心臟，通過家庭網(wǎng)關(guān)，用戶可以和智能家居中的各子系統(tǒng)進(jìn)行快速溝通。通過這個(gè)媒介平臺(tái)，構(gòu)成與外界的通信通道，以實(shí)現(xiàn)與家庭以外的世界溝通信息，滿足遠(yuǎn)程控制、監(jiān)測和交換信息的需求。 7.3.1 電力線家庭網(wǎng)關(guān)的功能 1信息網(wǎng)絡(luò)化 2管理智能化 3節(jié)能環(huán)保

37、化 4居住安全化 5運(yùn)行自動(dòng)化 6操作簡單化 7個(gè)性化、模塊化 7.3.1 電力線家庭網(wǎng)關(guān)的功能 1信息網(wǎng)絡(luò)化 2管理智能化 3節(jié)能環(huán)?；?4居住安全化 5運(yùn)行自動(dòng)化 6操作簡單化 7個(gè)性化、模塊化 7.3.1 電力線家庭網(wǎng)關(guān)的功能 1信息網(wǎng)絡(luò)化 2管理智能化 3節(jié)能環(huán)?；?4居住安全化 5運(yùn)行自動(dòng)化 6操作簡單化 7個(gè)性化、模塊化 7.3.2 電力線家庭網(wǎng)關(guān)的特點(diǎn) 1模塊化、可獨(dú)立式設(shè)備 2設(shè)備兼容、分步實(shí)施 3可兼顧大量存在的非智能家電 4方便將來需要用電視上網(wǎng)的用戶 7.3.3 電力線家庭網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)要求家庭網(wǎng)關(guān)作為住宅設(shè)備有其固有的特性，在設(shè)計(jì)時(shí)我們應(yīng)注意家庭內(nèi)部組網(wǎng)技術(shù)的特點(diǎn)：連接對(duì)象

38、的復(fù)雜性，在家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部存在著音響、可視電話等高速率數(shù)據(jù)設(shè)備，冰箱、洗衣機(jī)、PDA等中速率數(shù)據(jù)設(shè)備，同時(shí)還存在三表抄送、防火防盜警報(bào)等低速率數(shù)據(jù)設(shè)備?；陂_放的標(biāo)準(zhǔn)，包括技術(shù)文檔和體系結(jié)構(gòu)的開放性。兼容廣泛的連接技術(shù)。用戶的需求，低價(jià)、易用、高可靠、靈活且可擴(kuò)展，良好的兼容性，支持多種應(yīng)用。 7.3.4 電力線家庭網(wǎng)關(guān)的基本組成一般說來，家庭網(wǎng)關(guān)包括5個(gè)功能模塊： 接入功能模塊：家庭網(wǎng)關(guān)的接入功能主要實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)與電信網(wǎng)絡(luò)的連接。 連網(wǎng)功能模塊：家庭網(wǎng)關(guān)的連網(wǎng)功能主要實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部的用戶終端設(shè)備之間的連接，包括計(jì)算機(jī)和具有連網(wǎng)功能的家用電器。 傳送功能模塊：家庭網(wǎng)關(guān)的傳送功能主要實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部

39、設(shè)備與電信網(wǎng)絡(luò)之間的IP包的傳送。 7.3.4 電力線家庭網(wǎng)關(guān)的基本組成 核心功能模塊：核心功能包括地址功能、QoS功能、安全功能、遠(yuǎn)程管理功能、本地管理功能。地址功能主要實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)關(guān)自身IP地址獲得以及支持家庭內(nèi)部終端獲得IP地址，Qos功能主要實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)流的分級(jí)處理及轉(zhuǎn)發(fā)，安全功能主要防止外部網(wǎng)絡(luò)對(duì)家庭網(wǎng)絡(luò)的非法訪問以及內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的非法接入，遠(yuǎn)程管理主要實(shí)現(xiàn)運(yùn)營商對(duì)家庭網(wǎng)關(guān)的遠(yuǎn)程管理與控制，本地管理主要實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)關(guān)的本地登錄管理與控制。 業(yè)務(wù)功能模塊：業(yè)務(wù)功能模塊與公共電信網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)相關(guān)，由于業(yè)務(wù)的種類很多，所以具備業(yè)務(wù)功能的家庭網(wǎng)關(guān)有很多類型，其具備的功能也與特定的業(yè)務(wù)相關(guān)。業(yè)務(wù)功能模塊是可選的。 7.3.4 電力線家庭網(wǎng)關(guān)的基本組成 思考題 1你認(rèn)為未來的家庭網(wǎng)關(guān)應(yīng)該具有怎樣的功能特點(diǎn)？ 2描述你心中理想的家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成。 3電力線家庭網(wǎng)關(guān)的基本組成有哪些？各部分的功能是什么？ 4現(xiàn)有的家庭總線協(xié)議有哪些？有什么特點(diǎn)？