雷震洲
信息產業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絡基礎設施是一個關鍵問題。對幾種備選家庭聯網技術的性能進行比較，指出電力線可用于建家庭通信網，并在此基礎上，以北美住宅用戶的電力線拓撲為例，說明了電力線通信的應用，提出了電力線通信設計中的三個關鍵問題，最后對電力線通信的發展前景進行了展望。
關鍵詞：信息家電，電力線通信，聯網技術，無線網
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曾宣布生產支持Java的空調設備的計劃。這種空調設備在有問題時能向制造廠家發送電子郵件，還允許用戶在遠地向它發送指令，以調節溫度或關閉空調設備。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絡基礎設施是一個關鍵問題。對于家庭應用，此基礎設施必須易于安置，安裝和維護費用低廉并且性能良好。戶主往往不是網絡專家，典型的高性能網絡對日常生活用途來講顯然過于復雜。目前已有多種聯網技術可用于智能家庭，以太網就是其中之一，可以在住宅內敷設UTP－5類線聯網。還有各種無線網也能用于家庭聯網，如802.11x、藍牙和HomeRF 等，只要在住宅內安裝多個互連的無線接入點（WAP）和基站即可。但是，在無線網中，信息家電本身也需要具備無線通信能力，安裝不是很簡單，故上述三種無線網絡都需要花錢請外部人員來建網。用電話線也可建網，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的電力線與插座作為數據通信的媒介，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據業務。電力公司可以建立一些由多個用戶共享的寬帶連接節點。不同之處是PLC技術使用的是與插座直接相連的現有電力線，不需要電話線，只要用一個PLC適配器插入插座即可。
用電力線作為網絡基礎設施相對于其它技術具備諸多優點。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，在一個住宅內通常有多個（4～5個）接入點（電源插座）。用戶可以用同一技術建家庭LAN，把PC機、打印機、掃描儀以及他們想連接的任何設備連接起來。目前，按HomePlug1.0標準規定的電力線通信可以提供14Mbit/s的數據速率，足夠信息家電日常使用。PLC還內含一個QoS協議，使它能夠適用于實時應用。將來的PLC協議還可能提供100Mbit/s 的速率，以支持高質量數字多媒體應用。最后，建電力線通信網的成本比其它技術低。隨著產量的擴大，估計HomePlug網卡的價格將是無線網卡的一半左右，雖然目前它們的售價相當（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計的，因此其電氣和頻率響應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。構成電力線的導體也是多種多樣的，因此會遇到許多不同的特性阻抗。再加上消費者負荷方式和類型各不相同，使網絡終端阻抗隨頻率與時間而變。阻抗不匹配將造成多徑效應，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制十分困難。但是隨著信號調制技術、數字信號處理和差錯控制編碼技術的進步，信道不完善的限制減到最小，使電力線通信已經成為可能。
將現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，為了得到可接受的通信服務水平，必須要仔細設計。例如，邊看電視邊從網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的原始數據速率約為14Mbit/s，在對傳輸損傷進行補償和糾錯以后，有效數據速率只有10 Mbit/s左右。目前正在開發工作在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家庭聯網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網感興趣，在2003年可能有1240萬個住宅會安裝家庭網絡。按照Parks Associates的預測，到2004年美國將有3000萬個住宅具有快速互聯網連接，其中1700萬個住宅計劃安裝家庭網絡。目前，PLC技術正準備走向商用。歐洲已對PLC技術進行過相當長時間的試驗，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合作開發專有的PLC服務。在新加坡，一家地區性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的小規模試驗工作，所用設備是由福建電力試驗研究院提供的。
一、電力線通信的應用
這里以北美住宅用戶的電力線拓撲為例，它是一種類似樹狀的拓撲，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據分組。電力線網絡拓撲及其電源插座用作接入點的方便性使電力線成為智能家庭網絡的一種很好的候選技術。
關于典型信息家電設備的主要用途與所產生的業務模式的調查，提出了一些目前和未來的PLC應用。例如，當數字電視上出現商業廣告時，用戶可以通過電力線把產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送訂購信息或者利用已經下載的URL去瀏覽產品網頁，獲得更詳細的信息。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。另一種可能的應用是把數字視像直接錄入PC機或數字VCR內。
利用電力線通信網還可以方便地完成信息家電的一些其它應用。例如，電冰箱可以根據內部庫存情況通過電力線訂購食品或者向微波爐發送烹飪指令。智能電爐能向空調設備發送預計的環境溫度信息，讓空調設備重新調節溫度，保持室溫舒適。
PLC上的應用不止是對新式信息家電而言的。PLC作為家庭網絡，還非常便于在傳統數據處理設備（如PC機等）與計算機外設之間交換數據。信息家電也可與計算機進行對話。例如，利用PLC 網絡可以很方便地從電視機或VCR向PC機發送多媒體數據。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用產生的日常業務量做出了估算。這些估算值多半基于信息大小。例如，在第1行中電冰箱發送到微波爐的指令大小是根據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播放器存儲數字音樂的例子。根據歌集中歌曲數量、1首歌曲的長度（5min）、編碼數據速率（128kbit/s）和分組報頭的大小估算得到業務量為50MB。每一事件發生的頻次和時間周期也列于表內。利用這些數據和典型的事件并發動態情況，就可以獲得典型住宅一天的電力線網絡的業務流。
目前，PLC家庭網絡必須借助其它技術來向互聯網發送數據以及與移動設備通信。美國大多數住宅最終將裝用像DSL或Cable Modem之類的寬帶連接。為了使PLC設備能夠共享寬帶互聯網連接，可以在PLC網上添加一個PLC互聯網路由器，如圖1（b）所示。圖中臺式計算機用作數據中心。需要與互聯網上其它設備通信的設備將通過電力線向此臺式計算機發送數據，由它來決定是否向互聯網發送數據。在將來，信息家電選路設備也許可以不要。研究人員正在開發利用外部配電線讓PLC家庭網絡直接與其它住宅、電力廠和互聯網對話的解決方案。這種用于互聯網接入的網絡基礎設施對發展中國家特別有吸引力，因為不需要額外的支出。
為了支持與移動設備的數據交換，PLC網絡需要與無線網絡進行合作。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，移動設備就可以與掛在電力線上的設備進行對話。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，利用現有的電力線基礎設施即可完成互連，出現故障時還可向無線接入點供電。
二、PLC的設計問題
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協議中使用的20MHz通信信號）而設計的。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的電氣設備，衰落、多徑和干擾則由電力線信道的不完善而造成。為了應對這些問題，必須要有相應的調制技術和編碼技術。下面主要談談在信號調制、媒體接入控制（MAC）層協議和保密三方面的問題。
（1）信號調制
為了把信號調制到電力線上去，我們可以使用許多在無線通信中廣泛使用的技術。對于低速率通信，可以使用的調制技術包括移相鍵控（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）、多元正交調幅（MQAM）、多元移頻鍵控（MFSK）和正交頻分復用（OFDM）等。
在HomePlug電力線設備中應采用OFDM，因為OFDM使用多載波調制，對抗噪聲和多徑特別有效。在無線網中使用OFDM的主要問題是當用戶移動時因多普勒效應造成的頻率偏移使性能惡化。但由于電力線網絡中沒有移動設備，因此沒有多普勒效應。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標準，電力線信道的帶寬被限于25MHz以下，因此擴頻調制的效果受到限制。在電力線上采用單載波調制也是可以的，但需要使用均衡器來減小時延擴散效應，從而使成本加大。
為了應對信道條件變化大的情況，PLC的物理層必須是自適應的，能夠巧妙地使用調制和編碼方案，需要時可以降低數據速率。此外，對關鍵的協議管理信息需要高保真度的前向糾錯（FEC）編碼，以保證協議在最壞情況下正常工作。
（2）MAC層協議
在PLC家庭網絡中，電力線可以被多個設備同時接入。為了決定哪個設備有權發送數據，需要 MAC層協議。現有許多可以在電力線網絡上使用的協議。載波檢測多址／碰撞避免（CSMA/CA）、時分多址（TDMA）以及諸如TDMA＋CSMA等混合協議都是可以選用的協議。最常用的有線ＭＡＣ協議——載波檢測多址／碰撞檢測（CSMA／CD）雖然也可用于電力線網絡，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，所以有人在電力線網絡上使用CSMA/CA協議，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。但是在電力線網絡中，在設備之間產生同步時鐘信號比較困難。其它混合協議，如TDMA＋CSMA雖然具備QoS能力，但網絡效率以及 TDMA時隙與CSMA/CA時隙之間的信標產生問題尚未解決。HomePlug 1.0也提供一定水平的QoS支持，是以多個優先級方式實現的，可與虛擬LAN的標簽一起使用。
（3）保密
電力線網絡的保密問題對其實用性是十分重要的。像無線網一樣，電力線網絡的信道應該被處理為開放的，像所有開放信道一樣，沒有任何東西能阻止設備接收信號。為了提供安全的網絡環境，HomePlug電力線聯盟定義了一種56bit的數據加密標準（DES）加密機制。一旦信號被加密，采用不同密鑰的設備無法對它解密，從而得到保密。但是當在辦公室環境或公寓大樓和酒店采用電力線網絡時，可能需要更強的加密保護。這種加密保護應在物理層中加以實施，以使黑客不能輕易破譯。
三、結 語
將來，出現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務和常規數據業務的基礎設施是十分關鍵的一個部分。
