電力線家庭網絡研究論文

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摘要：提出了一種將Ethernet技術嫁接到電力線上，實現基于電力線的家庭局域網絡的構思。介紹了實現這種構思的太網——電力線信號中繼方案，為家庭網絡的實現提供了新的思路和實現手段。

關鍵詞：家庭網絡電力線載波通訊以太網PowerPacket

隨著科技的進步，網絡已經開始涉及人們生活的方方面面。將網絡延伸到家庭，實現家庭網絡化、家用電器的上網和家庭的智能化等，越來越受到國內外眾多公司和開發商的關注并已成為網絡技術發展、競爭的又一新目標。家庭電器、各種家庭設備和計算機之間互聯，實現Internet的接入是未來家庭網絡的發展趨勢。

1家庭網絡的實現技術

家庭網絡的提出已有多年。目前國際上比較成熟和流行的有幾種解決方案都基于不同的物理媒介，實現家庭內部的網絡互聯，具有各自的特點和不足之處。

（1）NoNewWire：電話線、電力線。

（2）NewWires：以太網、光纖、USB、IEEE1394。

（3）Wireless：家庭射頻、藍牙技術、無線以太網（IEEE802.11）。

電話線和電力線技術，在構建家庭網絡中，因安裝方便、維護簡單、成本低等特點被許多家庭網絡設備制造商看好。但是由于電話線、電力線不是專門為信號傳輸設計的，傳輸質量無法保證，容量受到其他信號的干擾，帶寬有限，網絡的安全問題很難保證。

以太網、不纖技術是非常成熟的技術。將它引入到家庭網絡中，可以保證信號傳輸的質量。光纖有很高的帶寬，對于實現未來家庭網絡的多媒體應用有非常大的潛力。但是一般家庭不會在設計時預先輔助設以太網線或是光纖，所以必須在構建網絡時重新布線，而且對于需要接入家庭網絡的設備，必須要安裝在鋪設好的信號線附近，安裝比較復雜。

無線家庭網絡也是目前一種比較好的解決方案，它不需要重新架線，但是帶寬和成本的比率很低。

為使家庭網絡能真正走進普通家庭，必須在考慮通訊質量的同時。兼顧成本。因此，可以考慮將各種解決方案融合，建立基于不同媒介的家庭網絡系統。

目前寬帶進入家庭有兩種接入方式：ADSL和Ethernet。而Ethernet接入與ADSL相比有更好的擴展性、更高的帶寬。目前，中國網通公司就是運用此技術提供寬帶服務的。家庭中，如何將Ethernet最便捷和高效地延伸到各個角落是家庭網絡要解決的主要問題。在家庭環境下，將電力線作為近距離高速數據傳輸的媒介來解決這個問題有很大的優勢。首先，它在家庭的分布最廣、接入容易。在家庭各個房間都安裝有電源插座，可以作為網絡的接入點。對于需要接入網絡的設備放置沒特殊要求，凡是需要電源的網絡設備就可以通過它的電源插座接入家庭網絡。而實現這些只需要在電源插頭上接上一個信號的中繼裝置。其次，成本低、安裝方便正是家庭網絡所追求的。通過電力線傳輸信號，不必再輔設額外的通訊線，這點對于剛裝修好的家庭尤為重要。最后，它適應多種接口的接入。將接入家庭的Ethernet信號。通過特殊的中斷裝置傳送到電力線上，在家庭網絡設備端，通過同樣的中繼裝置再將電力線上的信號還原成Ethernet信號，或是通過建有其它接口的中繼裝置（如USB接口）將來自電力線的數據從特定接口傳給家庭設備（如上網家電），實現家庭設備的互聯。此技術中，最為關鍵的就是不同媒介之間的中繼裝置。

2網絡中繼裝置的實現

2.1基于電力線的高速信號傳輸技術

使用Intellon公司的PowerPacket技術，可以實現在電力線上的傳輸帶寬達到14Mbps，而這種技術將來可以在電力線上實現100Mbps的傳輸速率。這為未來家庭網絡向多媒體應用方向發展提供了支持。為實現基于電力線的高速信號傳輸，Intellon公司采用了其新的專利技術——正交頻分多路調制（OFDM）技術。它可以自適應地調整載波頻率，避開受干擾嚴重的頻率；多載波同時傳輸，實現高速的數據傳輸。Intellon公司新推出的INT5130和INT1000就是采用這種技術的專用于低壓電力線信號高速傳輸的芯片。

2.2實現方案及工作過程

家庭網絡組網如圖1所示。網絡接入服務營運商將10Mbps以太網接到每個家庭，實現寬帶到戶即Ethernet1段。中繼器實現以太網數據包的檢測、緩沖和轉發，實現兩邊所連接的不同段的網絡狀態的傳播。通過中繼器可以實現用電力線子網將兩個以太網段相連接，在任一網段之間實現數據包的透明傳輸。當Ethernet1上的數據由中繼器的以太網端口接收后，中繼器將做出判斷，緩沖接收到的數據，再從電力線端口發送出去。同時，以太網端口和電力線端口都符合CSMA/CD規范。

中繼裝置的電力線端有MAC控制，但有別于以太網的MAC。它是一個比以太網MAC更低層次的MAC，如圖2所示。它將以太網的MAC包視為數據包，再對它進行一次封裝，將電力線MAC的信息封裝到新的數據包中，然后在電力線上傳輸。電力線端口的INT5130中內建有RISC，可以實現以太網數據包的Bridge功能，它使用一種源識別交換（source-awarebridging）技術。當一個節點需要發送以太網包，可以確定這個包的目標點是否在電力線上。如果不在本電力線段，而是需要中繼裝置進行轉發，它會以中繼器的地址為目標地址進行發送。在中斷裝置收到這個包后，會自動判斷是否需要處理SA和DA。中繼器的INT5130芯片內部有一個地址列表，提供BDA（BridgedDestinationAddress）信息。它把從MII口收到的以太網包的SA和自己的地址（BA）比較，如果不相同，則說明這個包是從其他節點發送的。在圖1中可以認為是從Ethernet1段上的節點A發送的，它的SA為SA1，INT5130自動將這個SA1加入到BDA表中然后通過ChannelEstimationResponse數據幀，將它的地址BA和它的BDA表發送給電力線上的其他節點。這樣其他節點就知道如果要發送DA=SA1的包就需要向地址為BA的中繼裝置發送。而在發送前先對這個數據包進行修改，在保留原來SA和DA的基礎上，封裝進新的DA=BA、SA=本節點地址。這樣在中繼裝置收到后，去掉由電力線上發送節點添加的信息，還原成原來的數據包，再從以太網端口發送到以太風上去。

由于將電力線作為傳輸媒介，因此每個連接到電力線上的網絡設備都可以將收到其他設備發出信號。為解決網絡的安全問題，INT5130會將信號加密發送，在接收端再解密。收發雙方有相同的密碼鑰匙才可以互相通訊。而且，一個設備可以有多個密碼鑰匙，可以通過網絡配置這些密碼。可以實現同時與不同設備的通訊，而互不干擾。

有了這些技術。INT5130可以實現通過家庭電力線以帶寬共計方式接入Internet、Internet應用、PC文件和應用共享、打印機共享、網絡游戲等。

2.3中繼裝置原理與構成

整個中繼裝置分為三個主要模塊：以太網接口模塊、電力線接口模塊和中央控制模塊。以太網接口模塊的主要功能是檢測以太網段的狀態，接收從以太網上傳來的數據包并發送從中內控制模塊傳來的數據。電力線接口功能是檢測電力線狀態，對于要發送的數據進行加密、調制、放大后發送到電力線上；在接收數據時將根據收到信號的強度自動調節前端放大的增益，自動適應電力線上的環境變化；然后將經過解調和解密，將還原的數據傳給中央控制模塊。中央控制模塊是實現數據交換控制，控制數據鍵路狀態的中心。

中繼裝置的組成如圖3所示。在以太網端，采用一般通用的以太網物理收發器，實現以太網信號的收發。這里可以考慮采用DAVICOM的DM9161，10MB/100MB自適應收發器，完全兼容IEEE802.3MII接口。

在電力線端，采用Intellon公司的INT5130和INT1000套片。它實現電力線上以太網數據幀的傳輸，內建PowerPacket電力線MAC和電力線收發器、802.3MII接口和其他的算法控制模塊。

中繼裝置的中央控制模塊由FPGA實現。這樣既可以便于對將來新接口的兼容升級，也考慮到家庭網絡的發展迅速，以太家庭網絡對于可擴展性的高要求。將中央控制模塊放在FPGA中實現，可以實現多種家庭網絡通信。如Ethernet-Power-line-Ethernet;Ethernet-Power-line-USB；Ethernet-Power-line-WirelessNet等。

FPGA可以采用Altera公司的ACEX系列或是Xilinx的SpartanII。這兩個系列的FPGA容量大、價格低，適合應用在家庭網絡產品中。FPGA中需要實現與兩個接口模塊交互的控制接口，這可以由兩個接口狀態機實現。由于外圍的接口芯片都采用了MII接口，所以必須在FPGA中實現MII使其與接口芯片實現數據傳輸和接口控制。中心控制由另一個狀態機實現，它接收來自兩個接口狀態機的輸入信號，作出狀態判斷，然后對相應的接口狀態機發送控制信號。它需要實現輸入的以太網數據的緩存，然后在判斷出是一個有效的以太網幀后，開始向其它端口發送這個數據幀。在發送和接收的同時必須監視接口的狀態，如果發生沖突，必須暫停所有的發送，然后開始發送以太網協議中規定的JAM幀，實現沖突的傳播，保證在網絡上同一個時間只有一個發送者擁有網絡。為保證網絡的自適應性，可以考慮在接收端發生沖突的概率P>設定值時，將這個端口暫時封閉。這樣可以避免另一端的網絡受到影響而沖突頻繁。在延遲一定時間后，再將這個端口開啟。在設計中還需注意數據包不能在中繼裝置中造成很大的延時，所以中央控制模塊要盡可能快地將數據包發送出去。所以當檢測到一個有效的以太網數據幀頭，就可以開始發送數據。

對于可擴展性和兼容性要求不高的場合，可以考慮用專用的Ethernetrepeater芯片替代FPGA實現的央控制器功能。

基于家庭網絡的設備都必須要求具備：安裝方便，結構簡單、升級性好、安全可靠、成本低廉。本文介紹的這種新型的家庭網絡中繼設備正是基于這種考慮而設計的。將電力線作為家庭網絡信號傳輸的載體，大大便捷了網絡的安裝，增加了接入的手段和接入點。采用PowerPacket技術還提供了在短距離內實現高速的數據傳佃蝗，為家庭網絡實現多媒體應用提供了可能。在硬件接口上采用了標準的以太網接口和電力線接口芯片，完全兼容IEEE標準和HomePlug，中央控制完全由FPGA實現，既滿足成本低廉的要求，又能提供很好的升級和維護性能，可以根據用戶的要求和實際情況調制控制模式和新增接口。