雷震洲
信息产业部电信研究院教授级高级工程师
摘要：智能家庭（Smart Home）的概念要求下一代家用器具具备高度的通信能力，成为信息家电（IA）。如何提供连接这些信息家电的网络基础设施是一个关键问题。对几种备选家庭联网技术的性能进行比较，指出电力线可用于建家庭通信网，并在此基础上，以北美住宅用户的电力线拓扑为例，说明了电力线通信的应用，提出了电力线通信设计中的三个关键问题，最后对电力线通信的发展前景进行了展望。
关键词：信息家电，电力线通信，联网技术，无线网
随着智能家庭（Smart Home）概念的推出与实施，许多下一代的家用器具将具备高度的通信能力，成为信息家电（IA）。不仅它们之间能够相互通信，而且它们与外界也能通信。2001年4月 7日，IBM曾宣布生产支持Java的空调设备的计划。这种空调设备在有问题时能向制造厂家发送电子邮件，还允许用户在远地向它发送指令，以调节温度或关闭空调设备。不久，信息家电中有许多将具有多媒体通信能力。所以，为这些信息家电提供多媒体通信对未来的智能家庭是十分重要的。
如何提供连接这些信息家电的网络基础设施是一个关键问题。对于家庭应用，此基础设施必须易于安置，安装和维护费用低廉并且性能良好。户主往往不是网络专家，典型的高性能网络对日常生活用途来讲显然过于复杂。目前已有多种联网技术可用于智能家庭，以太网就是其中之一，可以在住宅内敷设UTP－5类线联网。还有各种无线网也能用于家庭联网，如802.11x、蓝牙和HomeRF 等，只要在住宅内安装多个互连的无线接入点（WAP）和基站即可。但是，在无线网中，信息家电本身也需要具备无线通信能力，安装不是很简单，故上述三种无线网络都需要花钱请外部人员来建网。用电话线也可建网，如Home PNA等，但因受电话线插口的限制将失去移动性。
近年来有人提出直接使用住宅内的电力线与插座作为数据通信的媒介，并一直在开展这方面的研究工作。电力线通信（PLC）技术最先是由瑞士Ascom公司提出的，利用类似Cable Modem的方式在电力线上提供宽带数据业务。电力公司可以建立一些由多个用户共享的宽带连接节点。不同之处是PLC技术使用的是与插座直接相连的现有电力线，不需要电话线，只要用一个PLC适配器插入插座即可。
用电力线作为网络基础设施相对于其它技术具备诸多优点。首先，由于信息家电可以通过电力线进行通信，故无需另外布线。其次，在一个住宅内通常有多个（4～5个）接入点（电源插座）。用户可以用同一技术建家庭LAN，把PC机、打印机、扫描仪以及他们想连接的任何设备连接起来。目前，按HomePlug1.0标准规定的电力线通信可以提供14Mbit/s的数据速率，足够信息家电日常使用。PLC还内含一个QoS协议，使它能够适用于实时应用。将来的PLC协议还可能提供100Mbit/s 的速率，以支持高质量数字多媒体应用。最后，建电力线通信网的成本比其它技术低。随着产量的扩大，估计HomePlug网卡的价格将是无线网卡的一半左右，虽然目前它们的售价相当（约70美元）。另外，802.11b基站的成本也很高（150美元以上）。100Baset以太网的性能价格比虽然最高，但需要新的缆线和昂贵的安装费用。
由于电力线不是为传送高频信号而设计的，因此其电气和频率响应要求不像通信电缆那么重要。由于信道含有噪声和干扰，电力线不适合传输信号。构成电力线的导体也是多种多样的，因此会遇到许多不同的特性阻抗。再加上消费者负荷方式和类型各不相同，使网络终端阻抗随频率与时间而变。阻抗不匹配将造成多径效应，在某些频率上形成深衰落。这些信道缺陷使得在电力线上进行信号调制十分困难。但是随着信号调制技术、数字信号处理和差错控制编码技术的进步，信道不完善的限制减到最小，使电力线通信已经成为可能。
将现有电力线用作传输媒介以支持信息家电是一种重叠的通信系统，为了得到可接受的通信服务水平，必须要仔细设计。例如，边看电视边从网站下载时必须要求电视信号没有时延抖动。目前的研究表明，第一代PLC的原始数据速率约为14Mbit/s，在对传输损伤进行补偿和纠错以后，有效数据速率只有10 Mbit/s左右。目前正在开发工作在100 Mbit/s、平均吞吐量为30～60Mbit/s的 PLC芯片。
从市场的角度看，由于成本低、易于使用，PLC家庭联网正在变得越来越有吸引力，潜在市场是巨大的。Yankee Group估计，在美国至少有2 100万个住宅对家庭联网感兴趣，在2003年可能有1240万个住宅会安装家庭网络。按照Parks Associates的预测，到2004年美国将有3000万个住宅具有快速互联网连接，其中1700万个住宅计划安装家庭网络。目前，PLC技术正准备走向商用。欧洲已对PLC技术进行过相当长时间的试验，在亚洲的试验则刚刚开始。2002年８月，香港 PowerCom Network公司（Cheung Kong Enterprises）与中国CLP TeleCom的合资公司）成立，与Hutchison Global Crossing合作开发专有的PLC服务。在新加坡，一家地区性ISP公司 Pacific Internet与SP Telecom合作，在2002年10月末完成了PLC演示，但何时商用未定。中国国家电力通信中心自2001年12月开始进行电力线上网的小规模试验工作，所用设备是由福建电力试验研究院提供的。
一、电力线通信的应用
这里以北美住宅用户的电力线拓扑为例，它是一种类似树状的拓扑，一般有两条电力线干线，分别为110V和220V。每条干线分为若干支线。电力线通信的目的是在这些支线和干线上传输数据分组。电力线网络拓扑及其电源插座用作接入点的方便性使电力线成为智能家庭网络的一种很好的候选技术。
关于典型信息家电设备的主要用途与所产生的业务模式的调查，提出了一些目前和未来的PLC应用。例如，当数字电视上出现商业广告时，用户可以通过电力线把产品信息下载到计算机上。此后，用户还可以从计算机向供货商发送订购信息或者利用已经下载的URL去浏览产品网页，获得更详细的信息。用户还可以通过电力线把音乐或视像录制下来。例如，当在电视上或某个音乐频道上播放音乐时，用户可以通过电力线直接把音乐录制到MP3播放器上。另一种可能的应用是把数字视像直接录入PC机或数字VCR内。
利用电力线通信网还可以方便地完成信息家电的一些其它应用。例如，电冰箱可以根据内部库存情况通过电力线订购食品或者向微波炉发送烹饪指令。智能电炉能向空调设备发送预计的环境温度信息，让空调设备重新调节温度，保持室温舒适。
PLC上的应用不止是对新式信息家电而言的。PLC作为家庭网络，还非常便于在传统数据处理设备（如PC机等）与计算机外设之间交换数据。信息家电也可与计算机进行对话。例如，利用PLC 网络可以很方便地从电视机或VCR向PC机发送多媒体数据。PLC还可以用于住宅安全方面，利用装在门口的摄像机把图像传送至电视机。
对由典型信息家电应用产生的日常业务量做出了估算。这些估算值多半基于信息大小。例如，在第1行中电冰箱发送到微波炉的指令大小是根据烹饪食品所需的步骤（1byte）、每步烹饪时间（每步4byte）、每步的功率电平（2byte）和分组报头的大小来估算的，整个指令为160byte。第7行是从计算机向MP3播放器存储数字音乐的例子。根据歌集中歌曲数量、1首歌曲的长度（5min）、编码数据速率（128kbit/s）和分组报头的大小估算得到业务量为50MB。每一事件发生的频次和时间周期也列于表内。利用这些数据和典型的事件并发动态情况，就可以获得典型住宅一天的电力线网络的业务流。
目前，PLC家庭网络必须借助其它技术来向互联网发送数据以及与移动设备通信。美国大多数住宅最终将装用像DSL或Cable Modem之类的宽带连接。为了使PLC设备能够共享宽带互联网连接，可以在PLC网上添加一个PLC互联网路由器，如图1（b）所示。图中台式计算机用作数据中心。需要与互联网上其它设备通信的设备将通过电力线向此台式计算机发送数据，由它来决定是否向互联网发送数据。在将来，信息家电选路设备也许可以不要。研究人员正在开发利用外部配电线让PLC家庭网络直接与其它住宅、电力厂和互联网对话的解决方案。这种用于互联网接入的网络基础设施对发展中国家特别有吸引力，因为不需要额外的支出。
为了支持与移动设备的数据交换，PLC网络需要与无线网络进行合作。最容易的办法是使 802.11x的基站与PLC兼容，把基站看做装有PLC芯片的普通信息家电（见图1（b））。然后，移动设备就可以与挂在电力线上的设备进行对话。在需要通信但因覆盖范围大需要多个互连的无线接入点时，这一方案特别理想，因为无需增添新线，利用现有的电力线基础设施即可完成互连，出现故障时还可向无线接入点供电。
二、PLC的设计问题
电力线是用来传送50或60Hz信号的，而不是为传送高频信号（如在HomePlug 1.0协议中使用的20MHz通信信号）而设计的。电力线信道有点像无线信道：两者都易受到噪声、衰落、多径和干扰的影响。电力线噪声来自运转的电气设备，衰落、多径和干扰则由电力线信道的不完善而造成。为了应对这些问题，必须要有相应的调制技术和编码技术。下面主要谈谈在信号调制、媒体接入控制（MAC）层协议和保密三方面的问题。
（1）信号调制
为了把信号调制到电力线上去，我们可以使用许多在无线通信中广泛使用的技术。对于低速率通信，可以使用的调制技术包括移相键控（PSK）、移频键控（FSK）、最小偏移键控（MSK）、高斯最小偏移键控（GMSK）等。对于高速率通信，可以使用多相移相键控（MPSK）、多元正交调幅（MQAM）、多元移频键控（MFSK）和正交频分复用（OFDM）等。
在HomePlug电力线设备中应采用OFDM，因为OFDM使用多载波调制，对抗噪声和多径特别有效。在无线网中使用OFDM的主要问题是当用户移动时因多普勒效应造成的频率偏移使性能恶化。但由于电力线网络中没有移动设备，因此没有多普勒效应。另一问题是时间偏移，这可以通过偏移估算和补偿来减小。由于按照HomePlug标准，电力线信道的带宽被限于25MHz以下，因此扩频调制的效果受到限制。在电力线上采用单载波调制也是可以的，但需要使用均衡器来减小时延扩散效应，从而使成本加大。
为了应对信道条件变化大的情况，PLC的物理层必须是自适应的，能够巧妙地使用调制和编码方案，需要时可以降低数据速率。此外，对关键的协议管理信息需要高保真度的前向纠错（FEC）编码，以保证协议在最坏情况下正常工作。
（2）MAC层协议
在PLC家庭网络中，电力线可以被多个设备同时接入。为了决定哪个设备有权发送数据，需要 MAC层协议。现有许多可以在电力线网络上使用的协议。载波检测多址／碰撞避免（CSMA/CA）、时分多址（TDMA）以及诸如TDMA＋CSMA等混合协议都是可以选用的协议。最常用的有线ＭＡＣ协议——载波检测多址／碰撞检测（CSMA／CD）虽然也可用于电力线网络，但是由于电力线中的噪声变动很大，使碰撞检测变得非常困难。这一特性很像无线网，所以有人在电力线网络上使用CSMA/CA协议，就像在IEEE 802.11中建议的那样。
使用TDMA的好处是它对接入时延有上限，因此QoS有保证。但是在电力线网络中，在设备之间产生同步时钟信号比较困难。其它混合协议，如TDMA＋CSMA虽然具备QoS能力，但网络效率以及 TDMA时隙与CSMA/CA时隙之间的信标产生问题尚未解决。HomePlug 1.0也提供一定水平的QoS支持，是以多个优先级方式实现的，可与虚拟LAN的标签一起使用。
（3）保密
电力线网络的保密问题对其实用性是十分重要的。像无线网一样，电力线网络的信道应该被处理为开放的，像所有开放信道一样，没有任何东西能阻止设备接收信号。为了提供安全的网络环境，HomePlug电力线联盟定义了一种56bit的数据加密标准（DES）加密机制。一旦信号被加密，采用不同密钥的设备无法对它解密，从而得到保密。但是当在办公室环境或公寓大楼和酒店采用电力线网络时，可能需要更强的加密保护。这种加密保护应在物理层中加以实施，以使黑客不能轻易破译。
三、结 语
将来，出现在智能家庭中的信息家电一定会使我们的生活比以往任何时候都舒适得多。但是能够在信息家电之间支持多媒体业务和常规数据业务的基础设施是十分关键的一个部分。
