雷震洲
信息產(chǎn)業(yè)部電信研究院教授級高級工程師
摘要：智能家庭（Smart Home）的概念要求下一代家用器具具備高度的通信能力，成為信息家電（IA）。如何提供連接這些信息家電的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施是一個關(guān)鍵問題。對幾種備選家庭聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的性能進行比較，指出電力線可用于建家庭通信網(wǎng)，并在此基礎(chǔ)上，以北美住宅用戶的電力線拓?fù)錇槔f明了電力線通信的應(yīng)用，提出了電力線通信設(shè)計中的三個關(guān)鍵問題，最后對電力線通信的發(fā)展前景進行了展望。
關(guān)鍵詞：信息家電，電力線通信，聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，無線網(wǎng)
隨著智能家庭（Smart Home）概念的推出與實施，許多下一代的家用器具將具備高度的通信能力，成為信息家電（IA）。不僅它們之間能夠相互通信，而且它們與外界也能通信。2001年4月 7日，IBM曾宣布生產(chǎn)支持Java的空調(diào)設(shè)備的計劃。這種空調(diào)設(shè)備在有問題時能向制造廠家發(fā)送電子郵件，還允許用戶在遠(yuǎn)地向它發(fā)送指令，以調(diào)節(jié)溫度或關(guān)閉空調(diào)設(shè)備。不久，信息家電中有許多將具有多媒體通信能力。所以，為這些信息家電提供多媒體通信對未來的智能家庭是十分重要的。
如何提供連接這些信息家電的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施是一個關(guān)鍵問題。對于家庭應(yīng)用，此基礎(chǔ)設(shè)施必須易于安置，安裝和維護費用低廉并且性能良好。戶主往往不是網(wǎng)絡(luò)專家，典型的高性能網(wǎng)絡(luò)對日常生活用途來講顯然過于復(fù)雜。目前已有多種聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可用于智能家庭，以太網(wǎng)就是其中之一，可以在住宅內(nèi)敷設(shè)UTP－5類線聯(lián)網(wǎng)。還有各種無線網(wǎng)也能用于家庭聯(lián)網(wǎng)，如802.11x、藍(lán)牙和HomeRF 等，只要在住宅內(nèi)安裝多個互連的無線接入點（WAP）和基站即可。但是，在無線網(wǎng)中，信息家電本身也需要具備無線通信能力，安裝不是很簡單，故上述三種無線網(wǎng)絡(luò)都需要花錢請外部人員來建網(wǎng)。用電話線也可建網(wǎng)，如Home PNA等，但因受電話線插口的限制將失去移動性。
近年來有人提出直接使用住宅內(nèi)的電力線與插座作為數(shù)據(jù)通信的媒介，并一直在開展這方面的研究工作。電力線通信（PLC）技術(shù)最先是由瑞士Ascom公司提出的，利用類似Cable Modem的方式在電力線上提供寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。電力公司可以建立一些由多個用戶共享的寬帶連接節(jié)點。不同之處是PLC技術(shù)使用的是與插座直接相連的現(xiàn)有電力線，不需要電話線，只要用一個PLC適配器插入插座即可。
用電力線作為網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施相對于其它技術(shù)具備諸多優(yōu)點。首先，由于信息家電可以通過電力線進行通信，故無需另外布線。其次，在一個住宅內(nèi)通常有多個（4～5個）接入點（電源插座）。用戶可以用同一技術(shù)建家庭LAN，把PC機、打印機、掃描儀以及他們想連接的任何設(shè)備連接起來。目前，按HomePlug1.0標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電力線通信可以提供14Mbit/s的數(shù)據(jù)速率，足夠信息家電日常使用。PLC還內(nèi)含一個QoS協(xié)議，使它能夠適用于實時應(yīng)用。將來的PLC協(xié)議還可能提供100Mbit/s 的速率，以支持高質(zhì)量數(shù)字多媒體應(yīng)用。最后，建電力線通信網(wǎng)的成本比其它技術(shù)低。隨著產(chǎn)量的擴大，估計HomePlug網(wǎng)卡的價格將是無線網(wǎng)卡的一半左右，雖然目前它們的售價相當(dāng)（約70美元）。另外，802.11b基站的成本也很高（150美元以上）。100Baset以太網(wǎng)的性能價格比雖然最高，但需要新的纜線和昂貴的安裝費用。
由于電力線不是為傳送高頻信號而設(shè)計的，因此其電氣和頻率響應(yīng)要求不像通信電纜那么重要。由于信道含有噪聲和干擾，電力線不適合傳輸信號。構(gòu)成電力線的導(dǎo)體也是多種多樣的，因此會遇到許多不同的特性阻抗。再加上消費者負(fù)荷方式和類型各不相同，使網(wǎng)絡(luò)終端阻抗隨頻率與時間而變。阻抗不匹配將造成多徑效應(yīng)，在某些頻率上形成深衰落。這些信道缺陷使得在電力線上進行信號調(diào)制十分困難。但是隨著信號調(diào)制技術(shù)、數(shù)字信號處理和差錯控制編碼技術(shù)的進步，信道不完善的限制減到最小，使電力線通信已經(jīng)成為可能。
將現(xiàn)有電力線用作傳輸媒介以支持信息家電是一種重疊的通信系統(tǒng)，為了得到可接受的通信服務(wù)水平，必須要仔細(xì)設(shè)計。例如，邊看電視邊從網(wǎng)站下載時必須要求電視信號沒有時延抖動。目前的研究表明，第一代PLC的原始數(shù)據(jù)速率約為14Mbit/s，在對傳輸損傷進行補償和糾錯以后，有效數(shù)據(jù)速率只有10 Mbit/s左右。目前正在開發(fā)工作在100 Mbit/s、平均吞吐量為30～60Mbit/s的 PLC芯片。
從市場的角度看，由于成本低、易于使用，PLC家庭聯(lián)網(wǎng)正在變得越來越有吸引力，潛在市場是巨大的。Yankee Group估計，在美國至少有2 100萬個住宅對家庭聯(lián)網(wǎng)感興趣，在2003年可能有1240萬個住宅會安裝家庭網(wǎng)絡(luò)。按照Parks Associates的預(yù)測，到2004年美國將有3000萬個住宅具有快速互聯(lián)網(wǎng)連接，其中1700萬個住宅計劃安裝家庭網(wǎng)絡(luò)。目前，PLC技術(shù)正準(zhǔn)備走向商用。歐洲已對PLC技術(shù)進行過相當(dāng)長時間的試驗，在亞洲的試驗則剛剛開始。2002年８月，香港 PowerCom Network公司（Cheung Kong Enterprises）與中國CLP TeleCom的合資公司）成立，與Hutchison Global Crossing合作開發(fā)專有的PLC服務(wù)。在新加坡，一家地區(qū)性ISP公司 Pacific Internet與SP Telecom合作，在2002年10月末完成了PLC演示，但何時商用未定。中國國家電力通信中心自2001年12月開始進行電力線上網(wǎng)的小規(guī)模試驗工作，所用設(shè)備是由福建電力試驗研究院提供的。
一、電力線通信的應(yīng)用
這里以北美住宅用戶的電力線拓?fù)錇槔�，它是一種類似樹狀的拓?fù)�，一般有兩條電力線干線，分別為110V和220V。每條干線分為若干支線。電力線通信的目的是在這些支線和干線上傳輸數(shù)據(jù)分組。電力線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼捌?a class="channel_keylink" href="/search.asp">電源插座用作接入點的方便性使電力線成為智能家庭網(wǎng)絡(luò)的一種很好的候選技術(shù)。
關(guān)于典型信息家電設(shè)備的主要用途與所產(chǎn)生的業(yè)務(wù)模式的調(diào)查，提出了一些目前和未來的PLC應(yīng)用。例如，當(dāng)數(shù)字電視上出現(xiàn)商業(yè)廣告時，用戶可以通過電力線把產(chǎn)品信息下載到計算機上。此后，用戶還可以從計算機向供貨商發(fā)送訂購信息或者利用已經(jīng)下載的URL去瀏覽產(chǎn)品網(wǎng)頁，獲得更詳細(xì)的信息。用戶還可以通過電力線把音樂或視像錄制下來。例如，當(dāng)在電視上或某個音樂頻道上播放音樂時，用戶可以通過電力線直接把音樂錄制到MP3播放器上。另一種可能的應(yīng)用是把數(shù)字視像直接錄入PC機或數(shù)字VCR內(nèi)。
利用電力線通信網(wǎng)還可以方便地完成信息家電的一些其它應(yīng)用。例如，電冰箱可以根據(jù)內(nèi)部庫存情況通過電力線訂購食品或者向微波爐發(fā)送烹飪指令。智能電爐能向空調(diào)設(shè)備發(fā)送預(yù)計的環(huán)境溫度信息，讓空調(diào)設(shè)備重新調(diào)節(jié)溫度，保持室溫舒適。
PLC上的應(yīng)用不止是對新式信息家電而言的。PLC作為家庭網(wǎng)絡(luò)，還非常便于在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理設(shè)備（如PC機等）與計算機外設(shè)之間交換數(shù)據(jù)。信息家電也可與計算機進行對話。例如，利用PLC 網(wǎng)絡(luò)可以很方便地從電視機或VCR向PC機發(fā)送多媒體數(shù)據(jù)。PLC還可以用于住宅安全方面，利用裝在門口的攝像機把圖像傳送至電視機。
對由典型信息家電應(yīng)用產(chǎn)生的日常業(yè)務(wù)量做出了估算。這些估算值多半基于信息大小。例如，在第1行中電冰箱發(fā)送到微波爐的指令大小是根據(jù)烹飪食品所需的步驟（1byte）、每步烹飪時間（每步4byte）、每步的功率電平（2byte）和分組報頭的大小來估算的，整個指令為160byte。第7行是從計算機向MP3播放器存儲數(shù)字音樂的例子。根據(jù)歌集中歌曲數(shù)量、1首歌曲的長度（5min）、編碼數(shù)據(jù)速率（128kbit/s）和分組報頭的大小估算得到業(yè)務(wù)量為50MB。每一事件發(fā)生的頻次和時間周期也列于表內(nèi)。利用這些數(shù)據(jù)和典型的事件并發(fā)動態(tài)情況，就可以獲得典型住宅一天的電力線網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)流。
目前，PLC家庭網(wǎng)絡(luò)必須借助其它技術(shù)來向互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)以及與移動設(shè)備通信。美國大多數(shù)住宅最終將裝用像DSL或Cable Modem之類的寬帶連接。為了使PLC設(shè)備能夠共享寬帶互聯(lián)網(wǎng)連接，可以在PLC網(wǎng)上添加一個PLC互聯(lián)網(wǎng)路由器，如圖1（b）所示。圖中臺式計算機用作數(shù)據(jù)中心。需要與互聯(lián)網(wǎng)上其它設(shè)備通信的設(shè)備將通過電力線向此臺式計算機發(fā)送數(shù)據(jù)，由它來決定是否向互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)。在將來，信息家電選路設(shè)備也許可以不要。研究人員正在開發(fā)利用外部配電線讓PLC家庭網(wǎng)絡(luò)直接與其它住宅、電力廠和互聯(lián)網(wǎng)對話的解決方案。這種用于互聯(lián)網(wǎng)接入的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施對發(fā)展中國家特別有吸引力，因為不需要額外的支出。
為了支持與移動設(shè)備的數(shù)據(jù)交換，PLC網(wǎng)絡(luò)需要與無線網(wǎng)絡(luò)進行合作。最容易的辦法是使 802.11x的基站與PLC兼容，把基站看做裝有PLC芯片的普通信息家電（見圖1（b））。然后，移動設(shè)備就可以與掛在電力線上的設(shè)備進行對話。在需要通信但因覆蓋范圍大需要多個互連的無線接入點時，這一方案特別理想，因為無需增添新線，利用現(xiàn)有的電力線基礎(chǔ)設(shè)施即可完成互連，出現(xiàn)故障時還可向無線接入點供電。
二、PLC的設(shè)計問題
電力線是用來傳送50或60Hz信號的，而不是為傳送高頻信號（如在HomePlug 1.0協(xié)議中使用的20MHz通信信號）而設(shè)計的。電力線信道有點像無線信道：兩者都易受到噪聲、衰落、多徑和干擾的影響。電力線噪聲來自運轉(zhuǎn)的電氣設(shè)備，衰落、多徑和干擾則由電力線信道的不完善而造成。為了應(yīng)對這些問題，必須要有相應(yīng)的調(diào)制技術(shù)和編碼技術(shù)。下面主要談?wù)勗谛盘栒{(diào)制、媒體接入控制（MAC）層協(xié)議和保密三方面的問題。
（1）信號調(diào)制
為了把信號調(diào)制到電力線上去，我們可以使用許多在無線通信中廣泛使用的技術(shù)。對于低速率通信，可以使用的調(diào)制技術(shù)包括移相鍵控（PSK）、移頻鍵控（FSK）、最小偏移鍵控（MSK）、高斯最小偏移鍵控（GMSK）等。對于高速率通信，可以使用多相移相鍵控（MPSK）、多元正交調(diào)幅（MQAM）、多元移頻鍵控（MFSK）和正交頻分復(fù)用（OFDM）等。
在HomePlug電力線設(shè)備中應(yīng)采用OFDM，因為OFDM使用多載波調(diào)制，對抗噪聲和多徑特別有效。在無線網(wǎng)中使用OFDM的主要問題是當(dāng)用戶移動時因多普勒效應(yīng)造成的頻率偏移使性能惡化。但由于電力線網(wǎng)絡(luò)中沒有移動設(shè)備，因此沒有多普勒效應(yīng)。另一問題是時間偏移，這可以通過偏移估算和補償來減小。由于按照HomePlug標(biāo)準(zhǔn)，電力線信道的帶寬被限于25MHz以下，因此擴頻調(diào)制的效果受到限制。在電力線上采用單載波調(diào)制也是可以的，但需要使用均衡器來減小時延擴散效應(yīng)，從而使成本加大。
為了應(yīng)對信道條件變化大的情況，PLC的物理層必須是自適應(yīng)的，能夠巧妙地使用調(diào)制和編碼方案，需要時可以降低數(shù)據(jù)速率。此外，對關(guān)鍵的協(xié)議管理信息需要高保真度的前向糾錯（FEC）編碼，以保證協(xié)議在最壞情況下正常工作。
（2）MAC層協(xié)議
在PLC家庭網(wǎng)絡(luò)中，電力線可以被多個設(shè)備同時接入。為了決定哪個設(shè)備有權(quán)發(fā)送數(shù)據(jù)，需要 MAC層協(xié)議�，F(xiàn)有許多可以在電力線網(wǎng)絡(luò)上使用的協(xié)議。載波檢測多址／碰撞避免（CSMA/CA）、時分多址（TDMA）以及諸如TDMA＋CSMA等混合協(xié)議都是可以選用的協(xié)議。最常用的有線ＭＡＣ協(xié)議——載波檢測多址／碰撞檢測（CSMA／CD）雖然也可用于電力線網(wǎng)絡(luò)，但是由于電力線中的噪聲變動很大，使碰撞檢測變得非常困難。這一特性很像無線網(wǎng)，所以有人在電力線網(wǎng)絡(luò)上使用CSMA/CA協(xié)議，就像在IEEE 802.11中建議的那樣。
使用TDMA的好處是它對接入時延有上限，因此QoS有保證。但是在電力線網(wǎng)絡(luò)中，在設(shè)備之間產(chǎn)生同步時鐘信號比較困難。其它混合協(xié)議，如TDMA＋CSMA雖然具備QoS能力，但網(wǎng)絡(luò)效率以及 TDMA時隙與CSMA/CA時隙之間的信標(biāo)產(chǎn)生問題尚未解決。HomePlug 1.0也提供一定水平的QoS支持，是以多個優(yōu)先級方式實現(xiàn)的，可與虛擬LAN的標(biāo)簽一起使用。
（3）保密
電力線網(wǎng)絡(luò)的保密問題對其實用性是十分重要的。像無線網(wǎng)一樣，電力線網(wǎng)絡(luò)的信道應(yīng)該被處理為開放的，像所有開放信道一樣，沒有任何東西能阻止設(shè)備接收信號。為了提供安全的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，HomePlug電力線聯(lián)盟定義了一種56bit的數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)（DES）加密機制。一旦信號被加密，采用不同密鑰的設(shè)備無法對它解密，從而得到保密。但是當(dāng)在辦公室環(huán)境或公寓大樓和酒店采用電力線網(wǎng)絡(luò)時，可能需要更強的加密保護。這種加密保護應(yīng)在物理層中加以實施，以使黑客不能輕易破譯。
三、結(jié) 語
將來，出現(xiàn)在智能家庭中的信息家電一定會使我們的生活比以往任何時候都舒適得多。但是能夠在信息家電之間支持多媒體業(yè)務(wù)和常規(guī)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施是十分關(guān)鍵的一個部分。
