電力線寬帶網絡設備設計

摘    要：本文闡述了使用電力線作為傳輸媒質的網絡設備設計方法，討論了電力線網絡通信的應用原理、系統(tǒng)的硬件結構和軟件處理。
關鍵詞:電力線通信；網絡適配器；網橋

電力線網是現代社會覆蓋面最大的網絡。如能利用電力線作為網絡傳輸媒介，使電力線和信號線合一，則不必另外布設網絡線，家用的普通電源插座便成為通信接口，可使電力線通信網絡同時進行話音、數據和電力傳輸。
本文設計了用于電力線寬帶網絡通信的設備：電力線網絡適配器及以太網—電力線網橋。
1．電力線網絡適配器：數據傳輸速率為2.5~12Mbps；單個變壓器內最大連接節(jié)點數為25；最大傳輸距離100m。
利用該適配器可組成對等計算機電力線寬帶傳輸網絡，實現多臺計算機之間的文件共享和數據交換，實現連接于電力線寬帶網上的打印機或其他設備的共享。
2. 以太網-電力線網橋
該網橋主要應用于以太網設備與電力線寬帶網(PLBN)設備之間的協(xié)議轉換。網橋的一端接入以太網設備，如:交換機、HUB、網絡打印機、網絡磁盤驅動器及使用以太網卡(NLC)的PC機，另一端則通過電力線與電力線寬帶網連接。該網橋屬于即插即用設備，不需任何配置。目前單臺設備帶寬為2.5~12Mbps。

電力線寬帶數字傳輸原理
由于電力線傳輸的固有弱點——射頻干擾、載波頻率較低、受用電設備負載的影響較大等原因，技術上要實現高速的數據通信比較困難。電力線寬帶傳輸主要有兩個重要的技術問題要解決：一是高速傳輸數據的信號調制/解調技術，其次是如何對應OSI的七層模型建立起電力線網的分層結構。PLBN的OSI層由數字電力線、電力線交換和PLBN應用語言構成。
電力線通信的數據傳輸速率在1Kbps~20Mbps之間，其使用的頻帶受電力線的特性和調制技術所限，通常在2~20MHz以內。隨著數據傳輸速率的提高，主要發(fā)展了三類信號調制技術：FSK、擴頻技術和OFDM。

電力線寬帶網絡適配器的結構
該適配器結構如圖1所示，主要由電力線網絡控制器與電力線數據存取接口(PDAI)組成。
電力線網絡控制器
電力線網絡控制器由內核采用與8051 指令兼容的微處理器及數據收發(fā)器組成，具有網絡的MAC/PHY層的控制功能。使用外加的ROM存儲程序以完成電力線網絡的協(xié)議控制、數據的調制/解調等功能。該處理器的程序存儲和外部數據存儲空間均為64K字節(jié)，內部數據存儲器為256字節(jié)，寄存器區(qū)為配合電力線網絡通信而增加了幾個特殊的寄存器，如DPS(數據指針選擇)、WDTCR(看門狗時標控制)等。該芯片內部帶有2K字節(jié)緩沖區(qū)的RAM，具有較強的安全及出錯檢測能力，如32字節(jié)的加密陣列，256位密鑰，數據包級認證，16位硬件CRC。該芯片在硬件上提供了電力線交換的嵌入式協(xié)議。圖2給出了電力線網絡控制器的框圖。
控制器與網絡相關操作包括兩方面：將數據分成獨立的數據包；對來自其他節(jié)點的數據包進行分發(fā)或接收。這些操作多由控制器自動進行，對編程者都是透明的，編程時只需對數據包在傳遞給控制器之前進行格式處理，大大減輕了數據封包/解包的編程工作。
在電力線網絡控制器內置了用于數據信號調制/解調及轉換的數據發(fā)送器和接收器，數據發(fā)送使用4個通道同時發(fā)送到PDAI 。數據的每一個字節(jié)在完成了并行—串行轉換之后，可以選用兩種調制方式——BPSK或QPSK進行PSK編碼。
 數據接收器為并行4通道接收器，用于接收來自PDAI的4路電力線載波數據，每一個接收通道內均有獨立的緩存，8051 微控制器在開始初始化接收工作后，數據包的接收由接收器完成。
電力線數據存取接口
PDAI是電力線與電力線網絡控制器的連接部分，主要完成信號的變換、功放、濾波等工作。其結構如圖3所示。
數據接收部分：按照OFDM調制方式，數據利用4個頻率通道進行調制。來自電力線的數據由帶通濾波器進行濾波，每一通道的中心頻率都是不同的。中頻部分使用Motorola公司的寬帶中頻電路MC13158。每一個通道使用不同的頻率(頻率范圍為13.8MHz~18.9MHz)進行混合得到10.7MHz的中頻信號。信號經陶瓷濾波器濾波后，由限幅器轉換為數字信號。
數據發(fā)送部分：先由高速DAC將數據轉換成模擬信號，經過一個頻率為2~10MHz的多階LC帶通濾波器濾波后，通過差分驅動的功率放大直接送到電力線信號耦合變壓器，該耦合變壓器保證了適配器的低壓部分與電力線電壓隔離，從而保證使用者的安全。

網絡適配器的軟件功能處理
電力線網絡適配器的軟件功能處理主要涉及三個方面：用于控制適配器工作及網絡底層協(xié)議處理能力的嵌入式程序; Windows下網絡適配器及USB驅動程序的開發(fā); Windows 下電力線網絡管理程序等。嵌入式程序使用了Keil C51 調試平臺，并定義了相應的芯片文件和寄存器文件。 Windows 下的程序則使用VC++ 1.52 (考慮到16位程序的兼容性)及 VC++ 6.0平臺。
嵌入式程序的開發(fā)主要由實現電力線交換協(xié)議的PLX庫及其相關的網絡MAC的處理和網絡適配器的控制程序組成。主要利用PLX庫的固件接口來實現電力線交換，以及完成諸如系統(tǒng)初始化、USB的控制、各工作狀態(tài)的顯示等控制功能。本文用8051 匯編語言建立了PLX庫。在PLX中幾個主要處理功能是數據報偵聽、集中式令牌傳遞和陣容卡維護。
驅動程序主要有以下幾個部分組成：客戶/服務器驅動程序、USB接口驅動程序、以太網模擬驅動程序和映射表模塊。
安裝及管理程序
安裝程序主要完成Windows 9X/ Me/NT/2000 操作系統(tǒng)下網絡適配器硬件驅動程序及能夠使電力線寬帶網更好地發(fā)揮作用的管理程序的安裝；完成網絡系統(tǒng)各個參數的配置。
管理程序提供文件共享、Internet共享、打印機共享設置向導。在一個電力變壓器內，由于同一相位電源線的用戶在使用PLBN技術進行通信時，無法利用傳統(tǒng)方式進行計算機之間的隔離，為此，在PLX中還提供32字節(jié)密碼矩陣的加密算法，用戶可以在設置向導的導引下利用32個字符建立專用網絡名，組成不同的專用網絡。另外，為方便用戶進行網絡的簡單測試，還提供了幾個工具，如可以利用PLX和IP協(xié)議進行連同測試PING實用程序以及對PLBN的服務器、USB、NDIS驅動程序和網絡適配器的診斷程序。

結語
家庭電力線聯網存在很多技術難題。PLBN的電力線聯網技術不僅克服所有這些技術難題，而且也提供了可伸縮性、優(yōu)良的服務質量和應用層服務。■

參考文獻
 1  Grayson Evans. The CEBus Communication Standard, Part 2.  Communication Systems Design, March 1996
2  D. Radford. Spread-spectrum Data Leap Through AC Power Wiring. IEEE Spectrum, Nov. 1996, pp. 48-53
3  Muller &&. Huber, J.B., (1997). OFDM with Reduced Peak-to-Average Power Ratio by Optimum Combination of Partial Transmit Sequence, Electronic Letters, Vol. 33, No.5 , February, pp. 368-369

作者簡介：
劉榕和，現任職于廈門信息中心總工室，高級工程師；主要從事寬帶無線通信及信息安全設備的研發(fā)工作。