孫國(guó)冉 北京杰智訊通訊設(shè)備有限公司
摘 要 高速電力線通信技術(shù)可以在電力線上傳遞高達(dá)100Mbps以上的數(shù)據(jù)信號(hào)。本文對(duì)高速電力線通信中的關(guān)鍵技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行了介紹，并說(shuō)明如何利用這些設(shè)備構(gòu)建家庭或辦公局域網(wǎng)，以及組網(wǎng)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到的問(wèn)題和相應(yīng)的解決辦法。
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關(guān)鍵詞 高速電力線通信 PLC OFDM 電力線調(diào)制解調(diào)器 電力線網(wǎng)橋 局域網(wǎng)
一、前言
一塊辦公區(qū)，沒(méi)有進(jìn)行以太網(wǎng)布線，但辦公計(jì)算機(jī)之間要相互通信，又不想開(kāi)墻鑿壁，重新布線，該怎么辦？
在家里想要幾個(gè)人聯(lián)網(wǎng)打游戲，或者幾臺(tái)機(jī)器想通過(guò)其中一個(gè)接到ADSL上，同時(shí)上網(wǎng)，又不想拉上一堆亂七八糟的網(wǎng)線，怎樣實(shí)現(xiàn)？
你可能想：使用無(wú)線局域網(wǎng)！也許可以。不過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)保密性比較差，管理不善，容易被別人侵入，作為辦公網(wǎng)應(yīng)用，存在安全隱患。在家庭中使用，因?yàn)樵O(shè)備質(zhì)量參差不起，如果無(wú)線設(shè)備的功率很小，因?yàn)榉课葜虚g有水泥墻，信號(hào)可能比較差，通信不穩(wěn)定。如果信號(hào)很強(qiáng)，有可能對(duì)人體有害。況且一套無(wú)線設(shè)備購(gòu)置下來(lái)，也是一筆不小的開(kāi)銷(xiāo)。有沒(méi)有其他更加安全、可靠的方式在十分鐘以內(nèi)構(gòu)建起一個(gè)局域網(wǎng)呢？有！就是利用高速電力線通信技術(shù)來(lái)快速構(gòu)建局域網(wǎng)。
二、高速電力線通信技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)介
電力線通信技術(shù)的英文簡(jiǎn)稱為PLC（Power Line Communication），是指利用電力線傳輸數(shù)據(jù)和話音信號(hào)的一種通信方式。利用電力線通信，已經(jīng)有幾十年的發(fā)展歷史，如在中高壓輸電網(wǎng)（35kV以上）上通過(guò)電力載波機(jī)利用較低的頻率（9-490kHz）傳遞低速數(shù)據(jù)或話音。在低壓（220V）配電網(wǎng)，PLC技術(shù)主要用于負(fù)荷控制、遠(yuǎn)程抄表和家居自動(dòng)化，其傳輸速率一般為1200bps或更低，因此稱為低速PLC。通常把傳輸速率在1Mbps以上的電力線通信技術(shù)稱之為高速PLC，直到最近幾年，由于技術(shù)上的突破性進(jìn)展，才開(kāi)始出現(xiàn)成熟的產(chǎn)品，投入實(shí)際的應(yīng)用。這一領(lǐng)域中比較有代表性的公司如芯片級(jí)廠商：美國(guó)的Intellon、法國(guó)Easyplug 公司、以色列的ITRAN、西班牙的DS2。設(shè)備廠商如美國(guó)的ASOKA、韓國(guó)的Xeline公司、瑞士的ASCOM公司等。產(chǎn)品的傳輸速率從1Mbps發(fā)展到2Mbps、14Mbps、45Mbps、100Mbps，甚至200Mbps。國(guó)內(nèi)中國(guó)電科院、福建電科院一直在進(jìn)行相關(guān)的技術(shù)研究，而北京杰智訊等一批設(shè)備生產(chǎn)廠家陸續(xù)研發(fā)生產(chǎn)了系列產(chǎn)品，并在不少地方得到了應(yīng)用。
三、高速電力線通信中的相關(guān)技術(shù)
在電力線上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞最主要的問(wèn)題是克服電力線上存在的各種各樣的噪聲。電力線上連接的設(shè)備數(shù)量、種類比較多，通常會(huì)產(chǎn)生各種特性不同的干擾信號(hào)；電力線的分支很多、每個(gè)分支的負(fù)載情況不同。這些因素導(dǎo)致電力線信道的通信特征隨時(shí)間、位置和負(fù)載在不停地變化。傳統(tǒng)的ASK、PSK或FSK在這樣的環(huán)境下都很難取得理想的高速通信效果，解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵是選擇一個(gè)健壯性好的調(diào)制解調(diào)技術(shù)。
在大量研究的基礎(chǔ)上，逐漸鎖定OFDM（正交頻分復(fù)用）作為電力線通信中的調(diào)制解調(diào)技術(shù)，該技術(shù)也是HomePlug電力線聯(lián)盟執(zhí)行規(guī)范HomePlug1.x中的核心。規(guī)范中規(guī)定，高速電力線通信的使用的頻段為4.3到20.9MHz，OFDM把這段頻率分成多個(gè)子波，最多可達(dá)84個(gè)，然后把數(shù)據(jù)調(diào)制到每個(gè)子波上。多個(gè)載波可以同時(shí)使用，每個(gè)載波傳遞一路低速信息，在接受端對(duì)信息進(jìn)行組合恢復(fù)。如果發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)速率為B,同時(shí)使用N個(gè)載波，每個(gè)載波的實(shí)際速率就是1/N *B。這樣，可以從多個(gè)載波中根據(jù)實(shí)際環(huán)境，選擇通信質(zhì)量最好的載波進(jìn)行利用。在存在噪聲的情況下，盡管某些載波可能受到影響，不能正常通信，但是仍有其他的載波可以利用，通信不會(huì)中斷。同時(shí)使用前向糾錯(cuò)技術(shù)增強(qiáng)每個(gè)載波的可靠性。
高速電力線通信技術(shù)中，媒體訪問(wèn)控制（MAC）協(xié)議是CSMA/CA的一個(gè)變種，類似于802.11中采用的MAC協(xié)議，并使用虛擬載波偵測(cè)技術(shù)有效地減少?zèng)_突。
目前高速電力線通信技術(shù)支持的速率有2M、14M、45M、100M、200M等多種，但真正商用的產(chǎn)品基本上都是14M的產(chǎn)品。
電力線通信是共享介質(zhì)的通信方式，為保證數(shù)據(jù)傳遞的安全性，所有的數(shù)據(jù)傳遞都要進(jìn)行加密。不同廠家的產(chǎn)品支持的加密方式、算法不盡相同，如杰智訊電力線通信產(chǎn)品使用的是56位長(zhǎng)的DES算法，既可滿足通信安全性的要求，又使設(shè)備具有較好的性能。另外杰智訊電力線調(diào)制解調(diào)器還支持802.1Q VLAN功能，可以把PLC設(shè)備分到不同的VLAN中，只有屬于同一個(gè)VLAN的PLC設(shè)備之間才能直接通信，當(dāng)電力線通信終端收到不同VLAN中的設(shè)備發(fā)送的信息時(shí)，直接丟棄，這樣可以有效地防止非法用戶的數(shù)據(jù)偵聽(tīng)。
四、高速電力線通信設(shè)備分類
高速電力線通信技術(shù)是一種寬帶接入技術(shù)，其對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品，和其他的通信設(shè)備分類方式類似，分成用戶端設(shè)備和局端設(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(lái)傳輸數(shù)據(jù)信息。
而局端設(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)有多個(gè)接口。一個(gè)或多個(gè)耦合接口用來(lái)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。電源接口只用來(lái)提供電源，并不傳遞數(shù)據(jù)信號(hào)。電力網(wǎng)橋本身沒(méi)有數(shù)據(jù)交換的能力。電力交換機(jī)和普通以太網(wǎng)交換機(jī)的功能類似，但具有多個(gè)從電力線上收發(fā)信號(hào)的耦合接口，并且能根據(jù)數(shù)據(jù)鏈路層信息對(duì)來(lái)自不同耦合接口的數(shù)據(jù)進(jìn)行交換。電力路由器的功能和普通的路由器類似，但具有多個(gè)從電力線上收發(fā)信號(hào)的耦合接口，并且能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)層信息對(duì)來(lái)自不同耦合接口的數(shù)據(jù)進(jìn)行路由選擇和交換。
五、構(gòu)建局域網(wǎng)的基本方式
局域網(wǎng)的主要功能就是在較小的范圍內(nèi)把計(jì)算機(jī)或其他的終端設(shè)備連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)彼此間的相互通信。在辦公室或者家里，只要已經(jīng)布好了電源線，把高速電力線通信調(diào)制解調(diào)器向電源插銷(xiāo)板上一插，然后把計(jì)算機(jī)等終端設(shè)備通過(guò)以太網(wǎng)線或者USB接口線連接到調(diào)制解調(diào)器上，配上合適的IP地址，計(jì)算機(jī)之間就能夠相互通信了，局域網(wǎng)構(gòu)建完畢。如果使用的是USB接口，需要在計(jì)算機(jī)上安裝驅(qū)動(dòng)程序，如果使用的是以太網(wǎng)接口，驅(qū)動(dòng)程序都不需要安裝。
如果想把這個(gè)局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，就要用到電力網(wǎng)橋或其他局端設(shè)備。通常把電力網(wǎng)橋放在樓宇或者樓層的配電間內(nèi)，把它的電力線耦合接口通過(guò)5類線以非接觸耦合方式把電源線上的數(shù)據(jù)通信信號(hào)提取下來(lái)，另一個(gè)以太網(wǎng)端口和樓宇內(nèi)的以太網(wǎng)交換機(jī)相連，如果樓宇內(nèi)以太網(wǎng)交換機(jī)已經(jīng)連接到互聯(lián)網(wǎng)上，經(jīng)過(guò)上述的連接，辦公或者家庭以太網(wǎng)就連接到了互聯(lián)網(wǎng)上。
采用電力線通信設(shè)備構(gòu)建局域網(wǎng)的組網(wǎng)圖如圖1所示：
六、高速電力線通信中經(jīng)常遇到的問(wèn)題
和任何其他的技術(shù)一樣，高速電力線通信設(shè)備在使用的過(guò)程中也會(huì)碰到一些問(wèn)題，這里列出幾個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)題。
1. 干擾問(wèn)題
高速電力線通信最常遇到問(wèn)題就是干擾問(wèn)題。電力線上連接的電器種類很多，產(chǎn)生的噪聲種類也就很多，特性各異。主要噪聲源有：
• 個(gè)別設(shè)備上的開(kāi)關(guān)電源，如有些電腦主機(jī)、復(fù)印機(jī)、打印機(jī)等辦公設(shè)備的電源；
• 劣質(zhì)手機(jī)充電器；
• 使用可控硅的調(diào)光臺(tái)燈；
• 變頻空調(diào)、變頻洗衣機(jī)等新型家電；
• 高頻噪聲源：沖擊鉆、切割機(jī)等等。
通常，這些設(shè)備的存在不會(huì)影響正常的通信。如果設(shè)備質(zhì)量問(wèn)題產(chǎn)生的噪聲干擾太強(qiáng)，通信不穩(wěn)定，可用排除法找到干擾源，用濾波插座予以隔離。
2. 帶濾波的插銷(xiāo)板
高速電力線通信使用4.3M-20.9MHz的頻段傳遞信號(hào)。有些規(guī)格的插座本身帶有濾波功能。如果把調(diào)制解調(diào)器或者橋接器接到這樣的插座上，有可能會(huì)影響正常的電力線通信。遇到這種情況，只要換成普通的插座就可以了。
七、小結(jié)
綜上所述，采用高速電力線通信技術(shù)構(gòu)建局域網(wǎng)具有如下特點(diǎn)：
（1）快。線路是既有的，只要把設(shè)備插上就馬上能夠使用了。
（2）易。幾乎不用任何配置，操作十分簡(jiǎn)單。
（3）省。省心，不用為布線費(fèi)心，也就不用在使用后，收拾臨時(shí)拉扯的線路。
典型的使用環(huán)境：
（1）租賃的辦公室。不想為租賃的辦公室布線，又需要搭建辦公網(wǎng)，可采用高速電力線通信設(shè)備搭建。
（2）展臺(tái)。現(xiàn)在的展臺(tái)，特別是通信展中的展臺(tái)，常需要臨時(shí)搭建局域網(wǎng)，采用以太網(wǎng)方式，每次都要在布線上花費(fèi)很多時(shí)間，采用高速電力線通信設(shè)備構(gòu)建局域網(wǎng)，方便快捷，充分體現(xiàn)快、易、省的特點(diǎn)。
（3）家庭聯(lián)網(wǎng)。大部分家庭中沒(méi)有布置。
隨著高速電力線通信技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，相關(guān)的產(chǎn)品會(huì)越來(lái)越便宜，種類越來(lái)越豐富，必將成為構(gòu)建家庭和辦公局域網(wǎng)的理想選擇。
