電力線通信技術(shù)第七章

1、第七章目錄 7.1 電力線通信協(xié)議的設(shè)計 7.2 設(shè) 備 協(xié) 調(diào) 7.3 基于電力線的家庭網(wǎng)關(guān) 7.1 電力線通信協(xié)議的設(shè)計 7.2 設(shè) 備 協(xié) 調(diào) 7.3 基于電力線的家庭網(wǎng)關(guān)第七章目錄7.1 電力線通信協(xié)議的設(shè)計 在大多數(shù)情況下，為了實現(xiàn)業(yè)務(wù)互通和信息交換，電力線網(wǎng)絡(luò)需要與其他機構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)互連。但在實際應(yīng)用中，不同低層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、不同的廠商設(shè)備種類繁多，實現(xiàn)方式差異很大，導(dǎo)致了互連的復(fù)雜性。要實現(xiàn)來自不同網(wǎng)絡(luò)、不同制造商設(shè)備在不同層次上靈活的互連，整個通信網(wǎng)必須提供一種體系架構(gòu)、定義標準的接口，以隱藏不同低層物理網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)細節(jié)和差異，將不同的網(wǎng)絡(luò)集成為一個協(xié)作的整體，使得任意兩個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在這個

2、體系結(jié)構(gòu)下，只要在某一共同的層次上遵守相同的通信協(xié)議，就可以實現(xiàn)在該層次上的互聯(lián)互通。電力線通信劃分 頻率帶寬角度劃分：窄帶PLC（NB-PLC）和寬帶PLC（BB-PLC） ； 通信速率角度劃分：低速PLC（LS-PLC）和高速PLC（HS-PLC）； 電壓等級角度劃分：高壓配電線（35kV以上）、中壓配電線（30kV/10kV）和低壓配電線（低于380V）。 7.1.1 協(xié)議模型分析協(xié)議模型分析 1OSI模型的基本原理國際標準化組織OSI于1979年年底公布了開放系統(tǒng)互連參考模型OSI/RM（Reference Model of Open System Interconnection），所

3、謂開放系統(tǒng)是指遵從國際標準能夠通過互連而相互作用的系統(tǒng)，OSI/RM為開放系統(tǒng)互連提供了一種功能結(jié)構(gòu)框架，是開發(fā)各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標準的基礎(chǔ)。它將網(wǎng)絡(luò)分為七層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層、表示層和應(yīng)用層。通過嚴格遵守OSI模型，不同的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之間可以輕易實現(xiàn)互操作，7.1.1 協(xié)議模型分析協(xié)議模型分析 1OSI模型的基本原理7.1.1 協(xié)議模型分析協(xié)議模型分析 1OSI模型的基本原理OSI網(wǎng)絡(luò)模型各層的主要功能與作用：物理層（Physical Layer）：通信信道上比特位的傳輸。它確保從源設(shè)備發(fā)送的比特位能準確地傳輸?shù)侥康脑O(shè)備。鏈路層（Data Link Layer）：介質(zhì)訪問的

4、方法和數(shù)據(jù)的編碼，以確保在單個通信信道上介質(zhì)的有效使用。物理層中的比特位被封裝成數(shù)據(jù)幀，規(guī)定何時源設(shè)備能夠發(fā)送數(shù)據(jù)幀，以及目的設(shè)備如何接收數(shù)據(jù)幀和檢測傳輸差錯，還定義了優(yōu)先機制來確保重要消息的傳輸。網(wǎng)絡(luò)層（Network Layer）：把消息包從源設(shè)備路由傳送到目的設(shè)備。它定義了設(shè)備的命名和地址以保證消息包能夠正確地傳輸，還定義了源設(shè)備和目的設(shè)備處于不同的通信信道時消息包的路由方法。7.1.1 協(xié)議模型分析協(xié)議模型分析 1OSI模型的基本原理傳輸層（Transport Layer）：確保消息包的可靠傳輸。使用一種確認服務(wù)在發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備之間交換消息包。發(fā)送設(shè)備在給接收設(shè)備發(fā)送一次消息包后，

5、等待從接收設(shè)備返回的確認信息，在一定時間內(nèi)沒有收到確認信息，發(fā)送方將重發(fā)一次。同時還定義了由于確認信息的丟失而產(chǎn)生的重復(fù)發(fā)送消息包的檢測和丟棄。會話層（Session Layer）：將控制信息加入到下層的交換數(shù)據(jù)中。它支持的遠程功能讓客戶得到遠程的服務(wù)，讓接收方從消息包中判斷發(fā)送方是否有權(quán)發(fā)送該消息包。7.1.1 協(xié)議模型分析協(xié)議模型分析 1OSI模型的基本原理表示層（Presentation Layer）：將下層的交換數(shù)據(jù)進行編碼。消息被編碼成為網(wǎng)絡(luò)變量，應(yīng)用消息或外部幀。標準網(wǎng)絡(luò)變量類型提供網(wǎng)絡(luò)變量的互操作編碼。應(yīng)用層（Application Layer）：在下層的交換數(shù)據(jù)中添加應(yīng)用功能。

6、標準對象通過從下層交換數(shù)據(jù)的公共語義解釋來提高互操作性。當網(wǎng)絡(luò)變量更新時，公共語義解釋能夠讓不同的應(yīng)用進程進行公共動作，它還定義了文件傳輸協(xié)議，規(guī)定了進程之間進行的數(shù)據(jù)流傳輸。7.1.1 協(xié)議模型分析協(xié)議模型分析2現(xiàn)有的家庭總線協(xié)議協(xié)議是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的基礎(chǔ)，隨著家庭、樓宇自動化技術(shù)的發(fā)展，自20世紀90年代以來，誕生了眾多面向家庭網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議。目前國際上應(yīng)用較為廣泛并且相對成熟的協(xié)議有十余種，如美國的X-10、LonTalk、CEBus標準，歐洲的EIB標準，日本的HBS標準等。由于目前不同系統(tǒng)的協(xié)議之間不兼容，還沒有一種協(xié)議在應(yīng)用中占有絕對優(yōu)勢，下面是關(guān)于這些協(xié)議的討論和對比。7.1.1

7、協(xié)議模型分析協(xié)議模型分析2現(xiàn)有的家庭總線協(xié)議（1）X-10協(xié)議協(xié)議X-10是利用電力線載波方式進行家庭自動化信息傳輸?shù)膮f(xié)議，該協(xié)議無須重新布線，對于要求成本低廉的應(yīng)用是最好的選擇。X-10采用調(diào)制方式傳送，有較高的抗干擾能力，可靠性較高，但傳送速率較慢，只適于低速網(wǎng)控制。7.1.1 協(xié)議模型分析協(xié)議模型分析2現(xiàn)有的家庭總線協(xié)議（1）X-10協(xié)議協(xié)議X-10是以50Hz或60Hz為載波，再用120kHz的脈沖調(diào)制發(fā)展出來的控制技術(shù)，信號的傳輸是利用市電電源的正弦信號的過零點來進行的。X-10協(xié)議出現(xiàn)較早，與后來出現(xiàn)的復(fù)雜的總線協(xié)議相比，結(jié)構(gòu)比較簡單，120kHz的電力載波的帶寬有限，不能傳送大量

8、的信息，120kHz的電力載波也易受干擾。X-10的特點是結(jié)構(gòu)簡單、價格低，因此被廣泛應(yīng)用于家庭應(yīng)用場合，如安全監(jiān)控、家用電器控制、室內(nèi)照明控制、住宅儀表數(shù)字讀取等方面。7.1.1 協(xié)議模型分析協(xié)議模型分析2現(xiàn)有的家庭總線協(xié)議（2）LonTaIk協(xié)議協(xié)議LON（Local Operating Network）是美國Echelon公司于1991年推出的局部操作網(wǎng)絡(luò)，為集散式監(jiān)控系統(tǒng)提供了強大的實現(xiàn)手段。LonTalk協(xié)議由各種允許網(wǎng)絡(luò)上不同設(shè)備間彼此智能通信的底層協(xié)議組成，提供一整套通信服務(wù)，這使得設(shè)備中的應(yīng)用程序能夠在網(wǎng)絡(luò)上同其他設(shè)備發(fā)送和接收報文，而無需知道網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)或者網(wǎng)絡(luò)的名稱、地址

9、或其他設(shè)備的功能。在LonTalk協(xié)議的協(xié)調(diào)下，以往那些孤立的系統(tǒng)和產(chǎn)品融為一體，形成了一個網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。它最大的特點是對OSI七層協(xié)議的支持，是直接面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議。通信介質(zhì)不受限制，包括電力線、雙絞線、無線（RF）、紅外（IR），以及同軸電纜和光纖，并可在同一網(wǎng)絡(luò)中混合使用。7.1.1 協(xié)議模型分析協(xié)議模型分析2現(xiàn)有的家庭總線協(xié)議（3）CEBus協(xié)議協(xié)議CEBus總線是為家庭消費類電子產(chǎn)品而制定的協(xié)議標準，物理層是開放的，支持多種通信介質(zhì)，其中以電力線的應(yīng)用最為廣泛。它的總線網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)可以是總線形、星形、樹形或混合型，總線中的每個節(jié)點的地位都是平等的，不需要一個主控設(shè)備。CEBus協(xié)議

10、對OSI網(wǎng)絡(luò)參考模型做了簡化，僅包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。對于多節(jié)點競爭訪問網(wǎng)絡(luò)資源的解決方法是采用沖突檢測和沖突分辨協(xié)議（CSMA/CDCR），網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的控制關(guān)系通過綁定來實現(xiàn)。7.1.1 協(xié)議模型分析協(xié)議模型分析2現(xiàn)有的家庭總線協(xié)議（3）CEBus協(xié)議協(xié)議CEBus總線是為家庭消費類電子產(chǎn)品而制定的協(xié)議標準，物理層是開放的，支持多種通信介質(zhì)，其中以電力線的應(yīng)用最為廣泛。它的總線網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)可以是總線形、星形、樹形或混合型，總線中的每個節(jié)點的地位都是平等的，不需要一個主控設(shè)備。CEBus協(xié)議對OSI網(wǎng)絡(luò)參考模型做了簡化，僅包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。對于多節(jié)點競

11、爭訪問網(wǎng)絡(luò)資源的解決方法是采用沖突檢測和沖突分辨協(xié)議（CSMA/CDCR），網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的控制關(guān)系通過綁定來實現(xiàn)。7.1.1 協(xié)議模型分析協(xié)議模型分析2現(xiàn)有的家庭總線協(xié)議（4）EIB協(xié)議協(xié)議歐洲安裝總線（European Installing Bus，EIB）是一個在歐洲占主導(dǎo)地位的樓宇自動化和家庭自動化標準，是由Siemens、ABB等一些知名企業(yè)首先提出的，出現(xiàn)較晚但是發(fā)展比較迅速。與CEBus類似，EIB也是一個開放的協(xié)議，同樣采用雙絞線、電力線、同軸電纜等通信介質(zhì)，其中應(yīng)用較為廣泛的是雙絞線和電力線。EIB通信協(xié)議遵循OSI七層模型。在介質(zhì)訪問子層，EIB采用帶沖突檢測的載波偵聽多路訪

12、問（CSMA/CA）協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)層主要用來設(shè)置節(jié)點間通信所經(jīng)過的路由器的最大數(shù)目。傳輸層支持面向連接和面向非連接的兩種服務(wù)。7.1.1 協(xié)議模型分析協(xié)議模型分析2現(xiàn)有的家庭總線協(xié)議（5）HBS協(xié)議協(xié)議HBS的全稱是家庭總線系統(tǒng)（Home Bus System），它是由日本電子工業(yè)聯(lián)合會/無線工程電子協(xié)會HBS標準委員會于1997年制定的。HBS以雙絞線和同軸電纜為通訊介質(zhì)，介質(zhì)的最大長度為200 m。HBS有控制通道和信息通道之分，控制通道用于低速數(shù)據(jù)的傳輸，信息通道用于高速數(shù)據(jù)的傳輸?？刂仆ǖ雷疃嗫梢杂?4個節(jié)點，傳輸速率為9.6kbps。7.1.1 協(xié)議模型分析協(xié)議模型分析2現(xiàn)有的家庭總線協(xié)

13、議（5）HBS協(xié)議協(xié)議HBS對OSI七層模型做了精簡，由三層結(jié)構(gòu)組成，分別為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層，類似現(xiàn)場總線。在介質(zhì)訪問子層，HBS采用帶碰撞檢測的載波偵聽多路訪問協(xié)議（CSMA/CD）。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)層的規(guī)定，HBS的子網(wǎng)之間由路由器連接，HBS的子網(wǎng)和其他網(wǎng)之間用網(wǎng)關(guān)連接。但是，HBS不支持電力線和無線傳輸，這些不足限制了它的使用范圍。7.1.1 協(xié)議模型分析協(xié)議模型分析3各種總線協(xié)議的分析比較從OSI網(wǎng)絡(luò)模型與各種應(yīng)用于家庭自動化的網(wǎng)絡(luò)，可以看出，幾乎所有的協(xié)議都是以O(shè)SI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的參考模型為樣本，根據(jù)行業(yè)的應(yīng)用特點，進行剪裁與修改的。從體系結(jié)構(gòu)上可以看出，可應(yīng)用于低壓電力線的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

14、大都只有三層或是四層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層（或應(yīng)用層包含網(wǎng)絡(luò)層）。國外的這些協(xié)議在歐美國家占有絕對優(yōu)勢，在我國應(yīng)用起來還有相當大的困難，但是可以參考這些協(xié)議得出一些結(jié)論，國外的協(xié)議從可靠性的角度出發(fā)，都會考慮以下一些重要功能：7.1.1 協(xié)議模型分析協(xié)議模型分析3各種總線協(xié)議的分析比較 數(shù)據(jù)丟失與重傳機制。協(xié)議必須提供可靠性，如果出現(xiàn)報文丟失時，必須有錯誤恢復(fù)機制。前述幾種協(xié)議及模型，都是采用了AQR重傳機制來恢復(fù)報文丟失。接收端發(fā)送確認（ACK）報文來通知另一端數(shù)據(jù)接收成功。 信息編碼與差錯控制。在實際信道傳輸數(shù)字信號時，由于信道的傳輸特性不理想及加性噪聲的影響，所收到的信號會

15、不可避免地發(fā)生錯誤。在采取適當?shù)挠布O(shè)備以獲得好的信道性能后，則可進一步采取信道編碼，即差錯控制編碼的方法，進一步提高通信的質(zhì)量。 連接管理與網(wǎng)絡(luò)尋址。連接管理功能涉及連接狀態(tài)的建立與關(guān)閉，以及在出現(xiàn)異常情況時的處理。網(wǎng)絡(luò)尋址是將信息正確傳送到目的地，是通信介質(zhì)信道的共享處理機制。7.1.2 低壓電力線載波通信協(xié)議的設(shè)計低壓電力線載波通信協(xié)議的設(shè)計1協(xié)議的基本要求制定數(shù)據(jù)通信協(xié)議（DCP）規(guī)范的方法依賴于最新的標準和服務(wù)實體的集合。組成協(xié)議層的不同服務(wù)實體的方法要保證整個系統(tǒng)的平衡性和穩(wěn)定性。協(xié)議的選擇取決于以下各種因素：尋求在低波特率和高傳輸次數(shù)下的高效率；尋求通往集中器節(jié)點的最佳通道；電力

16、線信道作為通信信道的干擾；對網(wǎng)絡(luò)互連的要求比較低，但管理自動化功能要好；成本比較低。7.1.2 低壓電力線載波通信協(xié)議的設(shè)計低壓電力線載波通信協(xié)議的設(shè)計1協(xié)議的基本要求局域網(wǎng)協(xié)議的標準在很大程度上取決于網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)和訪問方式，例如，CSMA/CD總線網(wǎng)絡(luò)和令牌總線網(wǎng)絡(luò)具有同樣的物理結(jié)構(gòu)，卻可以采用不同的訪問方式，從而產(chǎn)生不同的協(xié)議標準。對于PLC網(wǎng)絡(luò)，目前只是針對網(wǎng)絡(luò)的載波頻率、調(diào)制方式、信號編碼等做了初步規(guī)定，還沒有專門針對PLC的網(wǎng)絡(luò)特點建立專門的MAC協(xié)議標準?，F(xiàn)有的通信協(xié)議DL/T 645主要目的是用于本地數(shù)據(jù)交換，不能很好地滿足網(wǎng)絡(luò)通信的要求。因此，本文在此協(xié)議的基礎(chǔ)上，對部分內(nèi)容

17、做了擴充，主要體現(xiàn)在幀格式中對中繼路由表的支持和物理地址設(shè)置兩個方面。7.1.2 低壓電力線載波通信協(xié)議的設(shè)計低壓電力線載波通信協(xié)議的設(shè)計2數(shù)據(jù)傳輸原理一般來說，通信協(xié)議需要滿足幾個要求：獨立于物理網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)；獨立于硬件設(shè)計；獨立于調(diào)制方案。網(wǎng)絡(luò)通信由“啟動方”（集中器）對其下屬的所有“服務(wù)器”（采集器）進行組織和管理。只有當“啟動方”發(fā)出請求時，“服務(wù)器”才可以訪問介質(zhì)。路由協(xié)議嵌于“啟動方”（集中器）的應(yīng)用進程中，在比較惡劣的傳輸環(huán)境下（如高噪聲、強衰減等），必須能夠提供中繼機制來保證整個網(wǎng)絡(luò)的有效通信。7.1.2 低壓電力線載波通信協(xié)議的設(shè)計低壓電力線載波通信協(xié)議的設(shè)計3PLC通訊協(xié)議

18、模型（1）物理層）物理層物理層有兩個目的：提供設(shè)備與物理傳輸介質(zhì)（電力線）之間的接口；通過傳送二進制碼元完成從數(shù)據(jù)源到目的地址的數(shù)據(jù)傳輸。電力線并不是一種特別適合通信的媒介，干擾和噪聲都比較大，信道環(huán)境惡劣。數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼{(diào)制方法和編碼方式都會影響其可靠性。7.1.2 低壓電力線載波通信協(xié)議的設(shè)計低壓電力線載波通信協(xié)議的設(shè)計3PLC通訊協(xié)議模型（2）數(shù)據(jù)鏈路層（添加）數(shù)據(jù)鏈路層（添加MAC層和層和RLC內(nèi)容）內(nèi)容）在低壓電力線載波自動抄表的系統(tǒng)中，鏈路層采用主從結(jié)構(gòu)的半雙工通信方式。載波集中器為主站，采集器或其他數(shù)據(jù)采集終端為從站，采集器都有自己的地址編碼。通信鏈路的建立和解除均由主站發(fā)出的信息幀

19、來控制。每幀由幀同步頭、從站地址域（被叫地址）、控制碼、數(shù)據(jù)長度域、數(shù)據(jù)域、幀信息校驗碼6個域組成。每部分由若干字節(jié)組成。7.1.2 低壓電力線載波通信協(xié)議的設(shè)計低壓電力線載波通信協(xié)議的設(shè)計3PLC通訊協(xié)議模型（3）應(yīng)用層）應(yīng)用層應(yīng)用層定義了具體命令，包括主站請求和從站應(yīng)答兩個方面。應(yīng)用層協(xié)議主要完成電力線抄表系統(tǒng)的讀數(shù)據(jù)、寫數(shù)據(jù)命令，還可以進行廣播校時、寫設(shè)備地址、修改密碼等。7.1.2 低壓電力線載波通信協(xié)議的設(shè)計低壓電力線載波通信協(xié)議的設(shè)計3PLC通訊協(xié)議模型（4）網(wǎng)絡(luò)管理）網(wǎng)絡(luò)管理這種分層通信結(jié)構(gòu)需要增加一個管理通信參數(shù)和分配通信資源的標準。這些資源和參數(shù)由MIB（管理信息數(shù)據(jù)庫）數(shù)據(jù)

20、庫中的特定對象表示。此時，可以把其他信號比較好的采集器作為中繼，通過迂回路由實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，提高接收成功率。7.1.3 MAC層結(jié)構(gòu)層結(jié)構(gòu)PLC網(wǎng)絡(luò)的MAC通信協(xié)議是一個非常重要的協(xié)議，在很大程度上影響了PLC網(wǎng)絡(luò)的性能，特別是數(shù)據(jù)傳輸速率。MAC層的基本任務(wù)是控制連接到一個通信網(wǎng)絡(luò)上的使用所謂的共享傳輸媒質(zhì)的多個用戶的接入，以及來自不同用戶的各種電信服務(wù)的信息流的組織。一般來說，對于任何電信網(wǎng)絡(luò)來說MAC的功能可以劃分為以下幾個：多路訪問方案；資源共享；傳輸控制。7.1.3 MAC層結(jié)構(gòu)層結(jié)構(gòu)1MAC層技術(shù)要求這里我們將描述寬帶電力線通信接入網(wǎng)的MAC層特點，詳細說明PLC MAC層的技術(shù)要

21、求。7.1.3 MAC層結(jié)構(gòu)層結(jié)構(gòu)1MAC層技術(shù)要求（1）PLC MAC層的特點層的特點MAC層是所有的具有共享傳輸媒質(zhì)的電信系統(tǒng)的一般協(xié)議架構(gòu)的一個重要組成部分，有多種不同的實現(xiàn)。MAC層協(xié)議的開發(fā)需要根據(jù)特定的通信網(wǎng)絡(luò)的特點，包括通信網(wǎng)絡(luò)的詳細的傳輸特點、使用環(huán)境和使用目的等。電力線通信接入網(wǎng)的特殊性體現(xiàn)在它特殊的傳輸媒質(zhì)（如低壓供電網(wǎng)絡(luò)），在供電網(wǎng)上由于大量噪聲干擾的存在只能提供有限的數(shù)據(jù)傳輸速率。另一方面，為了確保和其他接入技術(shù)的競爭力，電力線通信必須要提供一個廣泛的電信服務(wù)并且要確保一個令人滿意的QoS。7.1.3 MAC層結(jié)構(gòu)層結(jié)構(gòu)1MAC層技術(shù)要求（1）PLC MAC層的特點層的

22、特點以下的四個因素直接影響到PLC MAC層和它的協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)拓撲、干擾噪聲、電信服務(wù)和應(yīng)用傳輸系統(tǒng)，7.1.3 MAC層結(jié)構(gòu)層結(jié)構(gòu)1MAC層技術(shù)要求（2）PLC MAC層的要求層的要求多路訪問和MAC層協(xié)議資源共享策略是MAC層核心，如下圖所示。正如上面所討論的，多路訪問就是將構(gòu)建一個將傳輸資源分割成接入片段，它依賴于物理層的實際傳輸系統(tǒng)及其特點。在我們考慮的PLC系統(tǒng)中，多路訪問必須要適用于我們所使用的PLC網(wǎng)絡(luò)（如擴頻或OFDM）。另一方面，MAC的任務(wù)是采用相同共享網(wǎng)絡(luò)資源的多個用戶的接入組織，這就要靠由多接入方案指定的接入片段的管理來保證。因此，MAC層協(xié)議必須適合于所采用的多路訪問方

23、案。7.1.3 MAC層結(jié)構(gòu)層結(jié)構(gòu)1MAC層技術(shù)要求（2）PLC MAC層的要求層的要求7.1.3 MAC層結(jié)構(gòu)層結(jié)構(gòu)2多路訪問方案在實際應(yīng)用中，在兩個使用相同傳輸媒質(zhì)的不同信號之間不可能達到這么精確正交。但是，如果不同信號之間的影響足夠小的話，在通信系統(tǒng)中還是可以接受的。目前在各種通信系統(tǒng)中一般采用如下所列的三種多路訪問方案：時分多址TDMA，Time Division Multiple Access；頻分多址FDMA，F(xiàn)requency Division Multiple Access；碼分多址CDMA，Code Division Multiple Access。這三個基本的多路訪問方案在

24、應(yīng)用中也可以有各種各樣的組合。7.1.3 MAC層結(jié)構(gòu)層結(jié)構(gòu)2多路訪問方案（1）TDMA在TDMA方案中，時間軸被分為所謂的“時隙”，這代表了由多路訪問方案所提供的傳輸資源的接入部分（如下圖所示）。每一個時隙確保一個預(yù)先確定的數(shù)據(jù)單元的傳輸，這個數(shù)據(jù)單元可以是語音樣本、數(shù)據(jù)包等各種不同的信息。一般來說一個時隙只供一個用戶使用。和TDMA一致，在時隙內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單元使用全部傳輸媒質(zhì)的可獲得的頻譜來傳輸。如果沒有時隙的分割，在時域的資源分割是無法非常理想地實現(xiàn)的，因此要在兩個時隙之間采用所謂的“保護間隔”，來確保兩個相鄰的時隙間的數(shù)據(jù)不會相互干擾。在一個TDMA系統(tǒng)中，時隙可以是固定的也可以是變化

25、的持續(xù)時間。相應(yīng)地，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)數(shù)據(jù)單元的長度可以是固定的大小，也可以是變化的。在TDMA系統(tǒng)中，時隙一般用幀來組織。7.1.3 MAC層結(jié)構(gòu)層結(jié)構(gòu)2多路訪問方案（1）TDMA7.1.3 MAC層結(jié)構(gòu)層結(jié)構(gòu)2多路訪問方案（2）OFDM/TDMAOFDM/TDMA中，在一段時間內(nèi)將全部的帶寬資源（所有子載波）分配給一個特定的用戶，即在單個TDMA幀內(nèi)，所有子載波在幾個時隙內(nèi)為某個用戶獨占。這種OFDM/TDMA的時間帶寬資源分配方式可以看做將全部資源（時間、帶寬）在時間軸上進行分割，如下圖所示。在以時間和頻率為坐標軸的二維平面中，圖中的各個時隙表示分配給不同用戶的時間資源。每個用戶在各自所占用的O

26、FDM符號內(nèi)擁有全部帶寬資源（全部子載波），這是一種以時間區(qū)分用戶的多址接入方式。7.1.3 MAC層結(jié)構(gòu)層結(jié)構(gòu)2多路訪問方案（2）OFDM/TDMA7.1.3 MAC層結(jié)構(gòu)層結(jié)構(gòu)2多路訪問方案（3）FDMADMA將可使用的總的頻譜資源劃分為不同的部分分配給不同的用戶接入。FDMA提供了很多傳輸信道，代表著網(wǎng)絡(luò)資源的接入方式，如下圖所示。信道的數(shù)據(jù)率和分配給信道的頻帶寬度有關(guān)。和TDMA系統(tǒng)一樣，將頻率動態(tài)地分配給特定的傳輸信道，F(xiàn)DMA系統(tǒng)也可以實現(xiàn)固定的或變化的數(shù)據(jù)率。為了確保各個子信道之間的正交關(guān)系，在FDMA頻帶之間要保留一個保護間隔。7.1.3 MAC層結(jié)構(gòu)層結(jié)構(gòu)2多路訪問方案（3）

27、FDMA7.1.3 MAC層結(jié)構(gòu)層結(jié)構(gòu)2多路訪問方案（4）OFDMAOFDMA將傳輸帶寬劃分成正交的子載波集，通過將不同的子載波集分配給不同的用戶，可用帶寬資源可以靈活地在不同的終端之間共享，從而避免了不同用戶間的多址干擾（MAI）。如下圖所示，CH代表不同的子載波集，它們在頻率上是正交的。OFDMA方案可以看做將資源（時間、帶寬）在頻率上進行分割，從而實現(xiàn)多用戶接入，是一種以頻率來區(qū)分用戶的多址接入方式。7.1.3 MAC層結(jié)構(gòu)層結(jié)構(gòu)2多路訪問方案（4）OFDMAOFDMA方案將所有載波的確定子集分配給每個用戶。這種分配表現(xiàn)為一種純粹的數(shù)字化子載波管理，這種子載波分配不是固定的，可以采取自適

28、應(yīng)方式。對于有效的多址接入方案，當其進行時間和帶寬資源分配時應(yīng)滿足高度適應(yīng)性。具體表現(xiàn)在：一方面，應(yīng)選擇頻率選擇性信道的特性，這一點在電力線通信系統(tǒng)中要特別的注意；另一方面，要滿足用戶對不同的或可變的數(shù)據(jù)速率的需求。OFDMA系統(tǒng)中，這種適應(yīng)性可由恰當選擇與每個用戶相關(guān)的子載波而得到滿足。7.1.3 MAC層結(jié)構(gòu)層結(jié)構(gòu)2多路訪問方案（4）OFDMA7.1.3 MAC層結(jié)構(gòu)層結(jié)構(gòu)2多路訪問方案（4）OFDMA每個用戶經(jīng)歷不同的信道的干擾，可以通過只將具有高信噪比的子載波，也就是通信條件比較好的子載波分配給每個用戶來實現(xiàn)。而且特定用戶的子信道數(shù)數(shù)目可以依據(jù)要求的數(shù)據(jù)速率進行變化。OFDMA上行鏈路

29、的基帶系統(tǒng)模型如下圖所示，在系統(tǒng)中共有ML個子載波，分配給M個用戶，每個用戶有L個子載波。首先對m（m=0，1，2，M1）個用戶的輸入數(shù)據(jù)進行編碼，之后將已編碼的比特序列映射成L個復(fù)調(diào)制符號 ，l=0，1，再分配到該用戶的L個子載波上。7.1.3 MAC層結(jié)構(gòu)層結(jié)構(gòu)2多路訪問方案（4）OFDMA7.1.3 MAC層結(jié)構(gòu)層結(jié)構(gòu)2多路訪問方案（5）CDMA電力線信道的時間彌散性會限制電力線信道傳輸速率的提高。這是因為在電力線環(huán)境中，由于存在多徑效應(yīng)，到達接收機的信號是由一些通過不同路徑到達的信號的疊加而成的。這些幅度和時延不同的信號互相疊加造成接收信號的失真。特別是在高速數(shù)據(jù)傳輸中，當路徑的時延擴

30、展大于傳輸數(shù)據(jù)周期時，信號間的干擾更加嚴重。另外，當數(shù)據(jù)傳輸速率較高時，信號占用的頻帶變寬；當信號帶寬接近或大于信道相干帶寬時，信道的時間彌散將對接收信號造成頻率選擇性衰落。因此在復(fù)雜多變的電力線信道中，需要設(shè)計出性能良好的能夠抗多徑干擾的技術(shù)，對信道具有很強的適應(yīng)能力。7.1.3 MAC層結(jié)構(gòu)層結(jié)構(gòu)3資源共享策略資源共享策略MAC協(xié)議的任務(wù)就是組織共享網(wǎng)絡(luò)資源多個用戶的接入，這是通過管理多路訪問方案所提供的網(wǎng)絡(luò)資源的接入來實現(xiàn)的。下行方向的傳輸是比較容易實現(xiàn)的，這是因為這時的傳輸完全是由基站控制的。在下行傳輸時，基站向一個或多個網(wǎng)絡(luò)用戶傳輸數(shù)據(jù)，或者基站向整個網(wǎng)絡(luò)發(fā)送廣播數(shù)據(jù)。不管什么情況，

31、在傳輸媒質(zhì)上只有來自基站的數(shù)據(jù)包，各個用戶之間也不存在同步問題。7.1.3 MAC層結(jié)構(gòu)層結(jié)構(gòu)3資源共享策略（1）ALOHA協(xié)議協(xié)議（2）CSMA協(xié)議家族協(xié)議家族（3）ISMA協(xié)議協(xié)議7.1.3 MAC層結(jié)構(gòu)層結(jié)構(gòu)4MAC層協(xié)議分析MAC層協(xié)議主要分為兩大類：固定接入?yún)f(xié)議和動態(tài)接入?yún)f(xié)議。固定接入?yún)f(xié)議（如下圖所示）在整個連接過程中給每個用戶分配了一個固定的傳輸容量，預(yù)先分配給用戶的網(wǎng)路容量和用戶的需求是沒有關(guān)系的。在固定接入?yún)f(xié)議中，當網(wǎng)絡(luò)上沒有數(shù)據(jù)傳輸時，就會出現(xiàn)傳輸波谷，而當網(wǎng)絡(luò)上突然有大量的數(shù)據(jù)流出現(xiàn)，并且分配的網(wǎng)絡(luò)容量無法滿足需要時就會出現(xiàn)傳輸峰值，從而引起額外的延遲，降低數(shù)據(jù)吞吐率。正是

32、由于這個原因，固定接入?yún)f(xié)議只適合于連續(xù)的通信，而不適合有突發(fā)數(shù)據(jù)流的通信，典型的情況就是滿足各種不同數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕尤刖W(wǎng)，如寬帶電力線網(wǎng)絡(luò)。7.1.3 MAC層結(jié)構(gòu)層結(jié)構(gòu)4MAC層協(xié)議分析7.1.3 MAC層結(jié)構(gòu)層結(jié)構(gòu)4MAC層協(xié)議分析和固定接入方式不同，動態(tài)接入?yún)f(xié)議適合于數(shù)據(jù)傳輸，在大部分情況下它能保證各種電信業(yè)務(wù)的QoS。動態(tài)接入?yún)f(xié)議又分為兩種類型：爭奪協(xié)議和仲裁協(xié)議（如下圖所示）。由爭奪協(xié)議的原理可以知道，網(wǎng)絡(luò)用戶是隨機的接入傳輸媒質(zhì)的，這可能使不同用戶傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單元發(fā)生沖突。由于網(wǎng)絡(luò)中的終端不知道其他終端的傳輸需求，所以當兩個或多個終端在同一時間開始傳輸它們的數(shù)據(jù)包就可能發(fā)生沖突。而仲裁協(xié)

33、議在網(wǎng)絡(luò)終端之間提供了一種協(xié)調(diào)機制，確保各個終端可以以專線方式接入網(wǎng)絡(luò)，這樣就可以避免沖突的發(fā)生。但是，仲裁過程占用了額外的時間，在網(wǎng)絡(luò)中引起了更長的傳輸延遲。7.1.3 MAC層結(jié)構(gòu)層結(jié)構(gòu)4MAC層協(xié)議分析7.1.3 MAC層結(jié)構(gòu)層結(jié)構(gòu)5雙工模式的傳輸控制雙工模式定義了上行和下行傳輸方向的組織方式，即數(shù)據(jù)分別從基站到網(wǎng)絡(luò)站和其相反方向，即從網(wǎng)絡(luò)站到基站。多路訪問提供傳輸資源的可訪問部分被分為兩部分，一部分用于下行數(shù)據(jù)傳輸，另一部分用于上行傳輸。網(wǎng)絡(luò)資源的上下行劃分可以分兩種模式：FDD：頻分雙工；TDD：時分雙工。 7.1 電力線通信協(xié)議的設(shè)計 7.2 設(shè) 備 協(xié) 調(diào) 7.3 基于電力線的家

34、庭網(wǎng)關(guān)第七章目錄7.2.1 耦合技術(shù)耦合技術(shù)在配電網(wǎng)電力線載波通信系統(tǒng)中，主要的載波信號耦合方式有電容耦合、電感耦合及天線耦合等幾種方式。天線耦合方式是由以在電力線下邊平行懸掛適當長度（120m）的線路為天線及相應(yīng)的調(diào)諧裝置組成的，由于該方式耦合效率很低，所以使用很少。電容耦合是采用耦合電容器為主要元件的耦合方式，用一高頻電容來連接高頻載波信號的輸入/輸出端與電力線接入點（電源插座、配電開關(guān)母線等），電容耦合裝置屬于一種直接耦合裝置，將高頻載波信號直接注入到電網(wǎng)，同時從電力線上接收高頻載波信號。7.2.1 耦合技術(shù)耦合技術(shù)7.2.1 耦合技術(shù)耦合技術(shù)介紹完低壓電容耦合電路，我們再來簡單了解下中

35、壓電容耦合技術(shù)。7.2.2 用戶端設(shè)備用戶端設(shè)備用戶端設(shè)備通常稱為電力調(diào)制解調(diào)器，又稱為電力貓。電力貓一般提供兩個接口：一個是數(shù)據(jù)接口，直接和用戶的計算機相接，接口的種類通常是以太網(wǎng)接口或者USB接口；另一個接口就是電源接口，在給電力調(diào)制解調(diào)器供電的同時還用來傳輸數(shù)據(jù)信息。7.2.2 用戶端設(shè)備用戶端設(shè)備調(diào)制解調(diào)部分由數(shù)字信號處理單元和相應(yīng)的外圍電路組成。數(shù)字信號處理單元負責同用戶設(shè)備間的雙向通信、MAC層協(xié)議，并對來自用戶的數(shù)據(jù)進行編碼、調(diào)制，然后送往外圍電路進行/數(shù)模轉(zhuǎn)換、放大、濾波，或?qū)碜酝鈬娐方?jīng)濾波、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號進行解調(diào)、解碼，然后送往用戶設(shè)備。7.2.2 用戶端設(shè)備用

36、戶端設(shè)備這是一個單芯片調(diào)制解調(diào)器方案，INT6300的內(nèi)核為ARM926EJ-S的32位RISC處理器。系統(tǒng)軟件存儲在大容量的SPI FLASH中，可以進行設(shè)置，當系統(tǒng)啟動時，啟動代碼存放在SPI FLASH中，當系統(tǒng)運行，將程序復(fù)制到SDRAM中。設(shè)置INT6300的工作模式為MI MAC工作模式，與REALTEK公司的PHY CHIP相連，提供RJ-45接口連接到用戶的網(wǎng)口上。7.2.3 局端設(shè)備局端設(shè)備局端設(shè)備根據(jù)其功能的不同，通常分為電力網(wǎng)橋、電力交換機和電力路由器，目前應(yīng)用較多的還是電力網(wǎng)橋，通常會有多個接口。一個或多個耦合接口用來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，同時把數(shù)據(jù)信號加載到電力線上。另外有一個或多個以太網(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、路由器）相連。 7.1 電力線通信協(xié)議的設(shè)計 7.2 設(shè) 備 協(xié) 調(diào) 7