電力線寬帶網(wǎng)絡(luò)設(shè)備設(shè)計(jì)

摘    要：本文闡述了使用電力線作為傳輸媒質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備設(shè)計(jì)方法，討論了電力線網(wǎng)絡(luò)通信的應(yīng)用原理、系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件處理。
關(guān)鍵詞:電力線通信；網(wǎng)絡(luò)適配器；網(wǎng)橋

電力線網(wǎng)是現(xiàn)代社會(huì)覆蓋面最大的網(wǎng)絡(luò)。如能利用電力線作為網(wǎng)絡(luò)傳輸媒介，使電力線和信號(hào)線合一，則不必另外布設(shè)網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)同時(shí)進(jìn)行話音、數(shù)據(jù)和電力傳輸。
本文設(shè)計(jì)了用于電力線寬帶網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)備：電力線網(wǎng)絡(luò)適配器及以太網(wǎng)—電力線網(wǎng)橋。
1．電力線網(wǎng)絡(luò)適配器：數(shù)據(jù)傳輸速率為2.5~12Mbps；單個(gè)變壓器內(nèi)最大連接節(jié)點(diǎn)數(shù)為25；最大傳輸距離100m。
利用該適配器可組成對(duì)等計(jì)算機(jī)電力線寬帶傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的文件共享和數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)連接于電力線寬帶網(wǎng)上的打印機(jī)或其他設(shè)備的共享。
2. 以太網(wǎng)-電力線網(wǎng)橋
該網(wǎng)橋主要應(yīng)用于以太網(wǎng)設(shè)備與電力線寬帶網(wǎng)(PLBN)設(shè)備之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。網(wǎng)橋的一端接入以太網(wǎng)設(shè)備，如:交換機(jī)、HUB、網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)、網(wǎng)絡(luò)磁盤驅(qū)動(dòng)器及使用以太網(wǎng)卡(NLC)的PC機(jī)，另一端則通過(guò)電力線與電力線寬帶網(wǎng)連接。該網(wǎng)橋?qū)儆诩床寮从迷O(shè)備，不需任何配置。目前單臺(tái)設(shè)備帶寬為2.5~12Mbps。

電力線寬帶數(shù)字傳輸原理
由于電力線傳輸?shù)墓逃腥觞c(diǎn)——射頻干擾、載波頻率較低、受用電設(shè)備負(fù)載的影響較大等原因，技術(shù)上要實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)通信比較困難。電力線寬帶傳輸主要有兩個(gè)重要的技術(shù)問題要解決：一是高速傳輸數(shù)據(jù)的信號(hào)調(diào)制/解調(diào)技術(shù)，其次是如何對(duì)應(yīng)OSI的七層模型建立起電力線網(wǎng)的分層結(jié)構(gòu)。PLBN的OSI層由數(shù)字電力線、電力線交換和PLBN應(yīng)用語(yǔ)言構(gòu)成。
電力線通信的數(shù)據(jù)傳輸速率在1Kbps~20Mbps之間，其使用的頻帶受電力線的特性和調(diào)制技術(shù)所限，通常在2~20MHz以內(nèi)。隨著數(shù)據(jù)傳輸速率的提高，主要發(fā)展了三類信號(hào)調(diào)制技術(shù)：FSK、擴(kuò)頻技術(shù)和OFDM。

電力線寬帶網(wǎng)絡(luò)適配器的結(jié)構(gòu)
該適配器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由電力線網(wǎng)絡(luò)控制器與電力線數(shù)據(jù)存取接口(PDAI)組成。
電力線網(wǎng)絡(luò)控制器
電力線網(wǎng)絡(luò)控制器由內(nèi)核采用與8051 指令兼容的微處理器及數(shù)據(jù)收發(fā)器組成，具有網(wǎng)絡(luò)的MAC/PHY層的控制功能。使用外加的ROM存儲(chǔ)程序以完成電力線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議控制、數(shù)據(jù)的調(diào)制/解調(diào)等功能。該處理器的程序存儲(chǔ)和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間均為64K字節(jié)，內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為256字節(jié)，寄存器區(qū)為配合電力線網(wǎng)絡(luò)通信而增加了幾個(gè)特殊的寄存器，如DPS(數(shù)據(jù)指針選擇)、WDTCR(看門狗時(shí)標(biāo)控制)等。該芯片內(nèi)部帶有2K字節(jié)緩沖區(qū)的RAM，具有較強(qiáng)的安全及出錯(cuò)檢測(cè)能力，如32字節(jié)的加密陣列，256位密鑰，數(shù)據(jù)包級(jí)認(rèn)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(wǎng)絡(luò)控制器的框圖。
控制器與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)操作包括兩方面：將數(shù)據(jù)分成獨(dú)立的數(shù)據(jù)包；對(duì)來(lái)自其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行分發(fā)或接收。這些操作多由控制器自動(dòng)進(jìn)行，對(duì)編程者都是透明的，編程時(shí)只需對(duì)數(shù)據(jù)包在傳遞給控制器之前進(jìn)行格式處理，大大減輕了數(shù)據(jù)封包/解包的編程工作。
在電力線網(wǎng)絡(luò)控制器內(nèi)置了用于數(shù)據(jù)信號(hào)調(diào)制/解調(diào)及轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)發(fā)送器和接收器，數(shù)據(jù)發(fā)送使用4個(gè)通道同時(shí)發(fā)送到PDAI 。數(shù)據(jù)的每一個(gè)字節(jié)在完成了并行—串行轉(zhuǎn)換之后，可以選用兩種調(diào)制方式——BPSK或QPSK進(jìn)行PSK編碼。
 數(shù)據(jù)接收器為并行4通道接收器，用于接收來(lái)自PDAI的4路電力線載波數(shù)據(jù)，每一個(gè)接收通道內(nèi)均有獨(dú)立的緩存，8051 微控制器在開始初始化接收工作后，數(shù)據(jù)包的接收由接收器完成。
電力線數(shù)據(jù)存取接口
PDAI是電力線與電力線網(wǎng)絡(luò)控制器的連接部分，主要完成信號(hào)的變換、功放、濾波等工作。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。
數(shù)據(jù)接收部分：按照OFDM調(diào)制方式，數(shù)據(jù)利用4個(gè)頻率通道進(jìn)行調(diào)制。來(lái)自電力線的數(shù)據(jù)由帶通濾波器進(jìn)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(gè)通道使用不同的頻率(頻率范圍為13.8MHz~18.9MHz)進(jìn)行混合得到10.7MHz的中頻信號(hào)。信號(hào)經(jīng)陶瓷濾波器濾波后，由限幅器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。
數(shù)據(jù)發(fā)送部分：先由高速DAC將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)一個(gè)頻率為2~10MHz的多階LC帶通濾波器濾波后，通過(guò)差分驅(qū)動(dòng)的功率放大直接送到電力線信號(hào)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(wǎng)絡(luò)適配器的軟件功能處理
電力線網(wǎng)絡(luò)適配器的軟件功能處理主要涉及三個(gè)方面：用于控制適配器工作及網(wǎng)絡(luò)底層協(xié)議處理能力的嵌入式程序; Windows下網(wǎng)絡(luò)適配器及USB驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā); Windows 下電力線網(wǎng)絡(luò)管理程序等。嵌入式程序使用了Keil C51 調(diào)試平臺(tái)，并定義了相應(yīng)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(tái)。
嵌入式程序的開發(fā)主要由實(shí)現(xiàn)電力線交換協(xié)議的PLX庫(kù)及其相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)MAC的處理和網(wǎng)絡(luò)適配器的控制程序組成。主要利用PLX庫(kù)的固件接口來(lái)實(shí)現(xiàn)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(yǔ)言建立了PLX庫(kù)。在PLX中幾個(gè)主要處理功能是數(shù)據(jù)報(bào)偵聽、集中式令牌傳遞和陣容卡維護(hù)。
驅(qū)動(dòng)程序主要有以下幾個(gè)部分組成：客戶/服務(wù)器驅(qū)動(dòng)程序、USB接口驅(qū)動(dòng)程序、以太網(wǎng)模擬驅(qū)動(dòng)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(wǎng)絡(luò)適配器硬件驅(qū)動(dòng)程序及能夠使電力線寬帶網(wǎng)更好地發(fā)揮作用的管理程序的安裝；完成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)各個(gè)參數(shù)的配置。
管理程序提供文件共享、Internet共享、打印機(jī)共享設(shè)置向?qū)?。在一個(gè)電力變壓器內(nèi)，由于同一相位電源線的用戶在使用PLBN技術(shù)進(jìn)行通信時(shí)，無(wú)法利用傳統(tǒng)方式進(jìn)行計(jì)算機(jī)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(shè)置向?qū)У膶?dǎo)引下利用32個(gè)字符建立專用網(wǎng)絡(luò)名，組成不同的專用網(wǎng)絡(luò)。另外，為方便用戶進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)單測(cè)試，還提供了幾個(gè)工具，如可以利用PLX和IP協(xié)議進(jìn)行連同測(cè)試PING實(shí)用程序以及對(duì)PLBN的服務(wù)器、USB、NDIS驅(qū)動(dòng)程序和網(wǎng)絡(luò)適配器的診斷程序。

結(jié)語(yǔ)
家庭電力線聯(lián)網(wǎng)存在很多技術(shù)難題。PLBN的電力線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不僅克服所有這些技術(shù)難題，而且也提供了可伸縮性、優(yōu)良的服務(wù)質(zhì)量和應(yīng)用層服務(wù)?！?/P>

參考文獻(xiàn)
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作者簡(jiǎn)介：
劉榕和，現(xiàn)任職于廈門信息中心總工室，高級(jí)工程師；主要從事寬帶無(wú)線通信及信息安全設(shè)備的研發(fā)工作。