电力线通信技术第七章

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,S,第七章,目录,7.1,电力线通信协议的设计,7.2,设 备 协 调,7.3,基于电力线的家庭网关,7.1,电力线通信协议的设计,7.2,设 备 协 调,7.3,基于电力线的家庭网关,第七章,目录,7.1,电力线通信协议的设计,在大多数情况下，为了实现业务互通和信息交换，电力线网络需要与其他机构的网络互连。但在实际应用中，不同低层网络技术、不同的厂商设备种类繁多，实现方式差异很大，导致了互连的复杂性。要实现来自不同网络、不同制造商设备在不同层次上灵活的互连，整个通信网必须提供一种体系架构、定义标准的接口，以隐藏不同低层物理网络是实现细节和差异，将不同的网络集成为一个协作的整体，使得任意两个网络设备在这个体系结构下，只要在某一共同的层次上遵守相同的通信协议，就可以实现在该层次上的互联互通。,电力线通信划分,频率带宽角度划分：窄带,PLC,（,NB-PLC,）和宽带,PLC,（,BB-PLC,） ；,通信速率角度划分：低速,PLC,（,LS-PLC,）和高速,PLC,（,HS-PLC,）；,电压等级角度划分：高压配电线（,35kV,以上）、中压配电线（,30kV/10kV,）和低压配电线（低于,380V,）。,7.1.1,协议模型分析,1,OSI,模型的基本原理,国际标准化组织,OSI,于,1979,年年底公布了开放系统互连参考模型,OSI/RM,（,Reference Model of Open System Interconnection,），所谓开放系统是指遵从国际标准能够通过互连而相互作用的系统，,OSI/RM,为开放系统互连提供了一种功能结构框架，是开发各种网络协议标准的基础。它将网络分为七层，即物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。通过严格遵守,OSI,模型，不同的网络技术之间可以轻易实现互操作，,7.1.1,协议模型分析,1,OSI,模型的基本原理,7.1.1,协议模型分析,1,OSI,模型的基本原理,OSI,网络模型各层的主要功能与作用：,物理层（,Physical Layer,）：通信信道上比特位的传输。它确保从源设备发送的比特位能准确地传输到目的设备。,链路层（,Data Link Layer,）：介质访问的方法和数据的编码，以确保在单个通信信道上介质的有效使用。物理层中的比特位被封装成数据帧，规定何时源设备能够发送数据帧，以及目的设备如何接收数据帧和检测传输差错，还定义了优先机制来确保重要消息的传输。,网络层（,Network Layer,）：把消息包从源设备路由传送到目的设备。它定义了设备的命名和地址以保证消息包能够正确地传输，还定义了源设备和目的设备处于不同的通信信道时消息包的路由方法。,7.1.1,协议模型分析,1,OSI,模型的基本原理,传输层（,Transport Layer,）：确保消息包的可靠传输。使用一种确认服务在发送设备和接收设备之间交换消息包。发送设备在给接收设备发送一次消息包后，等待从接收设备返回的确认信息，在一定时间内没有收到确认信息，发送方将重发一次。同时还定义了由于确认信息的丢失而产生的重复发送消息包的检测和丢弃。,会话层（,Session Layer,）：将控制信息加入到下层的交换数据中。它支持的远程功能让客户得到远程的服务，让接收方从消息包中判断发送方是否有权发送该消息包。,7.1.1,协议模型分析,1,OSI,模型的基本原理,表示层（,Presentation Layer,）：将下层的交换数据进行编码。消息被编码成为网络变量，应用消息或外部帧。标准网络变量类型提供网络变量的互操作编码。,应用层（,Application Layer,）：在下层的交换数据中添加应用功能。标准对象通过从下层交换数据的公共语义解释来提高互操作性。当网络变量更新时，公共语义解释能够让不同的应用进程进行公共动作，它还定义了文件传输协议，规定了进程之间进行的数据流传输。,7.1.1,协议模型分析,2,现有的家庭总线协议,协议是实现网络通信的基础，随着家庭、楼宇自动化技术的发展，自,20,世纪,90,年代以来，诞生了众多面向家庭网络的通信协议。目前国际上应用较为广泛并且相对成熟的协议有十余种，如美国的,X-10,、,LonTalk,、,CEBus,标准，欧洲的,EIB,标准，日本的,HBS,标准等。由于目前不同系统的协议之间不兼容，还没有一种协议在应用中占有绝对优势，下面是关于这些协议的讨论和对比。,7.1.1,协议模型分析,2,现有的家庭总线协议,（,1,）,X-10,协议,X-10,是利用电力线载波方式进行家庭自动化信息传输的协议，该协议无须重新布线，对于要求成本低廉的应用是最好的选择。,X-10,采用调制方式传送，有较高的抗干扰能力，可靠性较高，但传送速率较慢，只适于低速网控制。,7.1.1,协议模型分析,2,现有的家庭总线协议,（,1,）,X-10,协议,X-10,是以,50Hz,或,60Hz,为载波，再用,120kHz,的脉冲调制发展出来的控制技术，信号的传输是利用市电电源的正弦信号的过零点来进行的。,X-10,协议出现较早，与后来出现的复杂的总线协议相比，结构比较简单，,120kHz,的电力载波的带宽有限，不能传送大量的信息，,120kHz,的电力载波也易受干扰。,X-10,的特点是结构简单、价格低，因此被广泛应用于家庭应用场合，如安全监控、家用电器控制、室内照明控制、住宅仪表数字读取等方面。,7.1.1,协议模型分析,2,现有的家庭总线协议,（,2,）,LonTaIk,协议,LON,（,Local Operating Network,）是美国,Echelon,公司于,1991,年推出的局部操作网络，为集散式监控系统提供了强大的实现手段。,LonTalk,协议由各种允许网络上不同设备间彼此智能通信的底层协议组成，提供一整套通信服务，这使得设备中的应用程序能够在网络上同其他设备发送和接收报文，而无需知道网络的拓扑结构或者网络的名称、地址或其他设备的功能。在,LonTalk,协议的协调下，以往那些孤立的系统和产品融为一体，形成了一个网络控制系统。它最大的特点是对,OSI,七层协议的支持，是直接面向对象的网络协议。通信介质不受限制，包括电力线、双绞线、无线（,RF,）、红外（,IR,），以及同轴电缆和光纤，并可在同一网络中混合使用。,7.1.1,协议模型分析,2,现有的家庭总线协议,（,3,）,CEBus,协议,CEBus,总线是为家庭消费类电子产品而制定的协议标准，物理层是开放的，支持多种通信介质，其中以电力线的应用最为广泛。它的总线网络拓扑结构可以是总线形、星形、树形或混合型，总线中的每个节点的地位都是平等的，不需要一个主控设备。,CEBus,协议对,OSI,网络参考模型做了简化，仅包括物理层、数据链路层、网络层和应用层。对于多节点竞争访问网络资源的解决方法是采用冲突检测和冲突分辨协议（,CSMA/CDCR,），网络中各节点的控制关系通过绑定来实现。,7.1.1,协议模型分析,2,现有的家庭总线协议,（,3,）,CEBus,协议,CEBus,总线是为家庭消费类电子产品而制定的协议标准，物理层是开放的，支持多种通信介质，其中以电力线的应用最为广泛。它的总线网络拓扑结构可以是总线形、星形、树形或混合型，总线中的每个节点的地位都是平等的，不需要一个主控设备。,CEBus,协议对,OSI,网络参考模型做了简化，仅包括物理层、数据链路层、网络层和应用层。对于多节点竞争访问网络资源的解决方法是采用冲突检测和冲突分辨协议（,CSMA/CDCR,），网络中各节点的控制关系通过绑定来实现。,7.1.1,协议模型分析,2,现有的家庭总线协议,（,4,）,EIB,协议,欧洲安装总线（,European Installing Bus,，,EIB,）是一个在欧洲占主导地位的楼宇自动化和家庭自动化标准，是由,Siemens,、,ABB,等一些知名企业首先提出的，出现较晚但是发展比较迅速。与,CEBus,类似，,EIB,也是一个开放的协议，同样采用双绞线、电力线、同轴电缆等通信介质，其中应用较为广泛的是双绞线和电力线。,EIB,通信协议遵循,OSI,七层模型。在介质访问子层，,EIB,采用带冲突检测的载波侦听多路访问（,CSMA/CA,）协议。网络层主要用来设置节点间通信所经过的路由器的最大数目。传输层支持面向连接和面向非连接的两种服务。,7.1.1,协议模型分析,2,现有的家庭总线协议,（,5,）,HBS,协议,HBS,的全称是家庭总线系统（,Home Bus System,），它是由日本电子工业联合会,/,无线工程电子协会,HBS,标准委员会于,1997,年制定的。,HBS,以双绞线和同轴电缆为通讯介质，介质的最大长度为,200 m,。,HBS,有控制通道和信息通道之分，控制通道用于低速数据的传输，信息通道用于高速数据的传输。控制通道最多可以有,64,个节点，传输速率为,9.6kbps,。,7.1.1,协议模型分析,2,现有的家庭总线协议,（,5,）,HBS,协议,HBS,对,OSI,七层模型做了精简，由三层结构组成，分别为物理层、数据链路层和网络层，类似现场总线。在介质访问子层，,HBS,采用带碰撞检测的载波侦听多路访问协议（,CSMA/CD,）。根据网络层的规定，,HBS,的子网之间由路由器连接，,HBS,的子网和其他网之间用网关连接。但是，,HBS,不支持电力线和无线传输，这些不足限制了它的使用范围。,7.1.1,协议模型分析,3,各种总线协议的分析比较,从,OSI,网络模型与各种应用于家庭自动化的网络，可以看出，几乎所有的协议都是以,OSI,网络协议的参考模型为样本，根据行业的应用特点，进行剪裁与修改的。从体系结构上可以看出，可应用于低压电力线的网络协议大都只有三层或是四层：物理层、数据链路层、网络层、应用层（或应用层包含网络层）。国外的这些协议在欧美国家占有绝对优势，在我国应用起来还有相当大的困难，但是可以参考这些协议得出一些结论，国外的协议从可靠性的角度出发，都会考虑以下一些重要功能：,7.1.1,协议模型分析,3,各种总线协议的分析比较, 数据丢失与重传机制。协议必须提供可靠性，如果出现报文丢失时，必须有错误恢复机制。前述几种协议及模型，都是采用了,AQR,重传机制来恢复报文丢失。接收端发送确认（,ACK,）报文来通知另一端数据接收成功。,信息编码与差错控制。在实际信道传输数字信号时，由于信道的传输特性不理想及加性噪声的影响，所收到的信号会不可避免地发生错误。在采取适当的硬件设备以获得好的信道性能后，则可进一步采取信道编码，即差错控制编码的方法，进一步提高通信的质量。,连接管理与网络寻址。连接管理功能涉及连接状态的建立与关闭，以及在出现异常情况时的处理。网络寻址是将信息正确传送到目的地，是通信介质信道的共享处理机制。,7.1.2,低压电力线载波通信协议的设计,1,协议的基本要求,制定数据通信协议（,DCP,）规范的方法依赖于最新的标准和服务实体的集合。组成协议层的不同服务实体的方法要保证整个系统的平衡性和稳定性。协议的选择取决于以下各种因素：,寻求在低波特率和高传输次数下的高效率；,寻求通往集中器节点的最佳通道；,电力线信道作为通信信道的干扰；,对网络互连的要求比较低，但管理自动化功能要好；,成本比较低。,7.1.2,低压电力线载波通信协议的设计,1,协议的基本要求,局域网协议的标准在很大程度上取决于网络的拓扑结构和访问方式，例如，,CSMA/CD,总线网络和令牌总线网络具有同样的物理结构，却可以采用不同的访问方式，从而产生不同的协议标准。对于,PLC,网络，目前只是针对网络的载波频率、调制方式、信号编码等做了初步规定，还没有专门针对,PLC,的网络特点建立专门的,MAC,协议标准。现有的通信协议,DL/T 645,主要目的是用于本地数据交换，不能很好地满足网络通信的要求。因此，本文在此协议的基础上，对部分内容做了扩充，主要体现在帧格式中对中继路由表的支持和物理地址设置两个方面。,7.1.2,低压电力线载波通信协议的设计,2,数据传输原理,一般来说，通信协议需要满足几个要求：,独立于物理网络拓扑结构；,独立于硬件设计；,独立于调制方案。,网络通信由“启动方”（集中器）对其下属的所有“服务器”（采集器）进行组织和管理。只有当“启动方”发出请求时，“服务器”才可以访问介质。路由协议嵌于“启动方”（集中器）的应用进程中，在比较恶劣的传输环境下（如高噪声、强衰减等），必须能够提供中继机制来保证整个网络的有效通信。,7.1.2,低压电力线载波通信协议的设计,3,PLC,通讯协议模型,（,1,）物理层,物理层有两个目的：提供设备与物理传输介质（电力线）之间的接口；通过传送二进制码元完成从数据源到目的地址的数据传输。电力线并不是一种特别适合通信的媒介，干扰和噪声都比较大，信道环境恶劣。数据传输的调制方法和编码方式都会影响其可靠性。,7.1.2,低压电力线载波通信协议的设计,3,PLC,通讯协议模型,（,2,）数据链路层（添加,MAC,层和,RLC,内容）,在低压电力线载波自动抄表的系统中，链路层采用主从结构的半双工通信方式。载波集中器为主站，采集器或其他数据采集终端为从站，采集器都有自己的地址编码。通信链路的建立和解除均由主站发出的信息帧来控制。每帧由帧同步头、从站地址域（被叫地址）、控制码、数据长度域、数据域、帧信息校验码,6,个域组成。每部分由若干字节组成。,7.1.2,低压电力线载波通信协议的设计,3,PLC,通讯协议模型,（,3,）应用层,应用层定义了具体命令，包括主站请求和从站应答两个方面。应用层协议主要完成电力线抄表系统的读数据、写数据命令，还可以进行广播校时、写设备地址、修改密码等。,7.1.2,低压电力线载波通信协议的设计,3,PLC,通讯协议模型,（,4,）网络管理,这种分层通信结构需要增加一个管理通信参数和分配通信资源的标准。这些资源和参数由,MIB,（管理信息数据库）数据库中的特定对象表示。此时，可以把其他信号比较好的采集器作为中继，通过迂回路由实现数据的传输，提高接收成功率。,7.1.3 MAC,层结构,PLC,网络的,MAC,通信协议是一个非常重要的协议，在很大程度上影响了,PLC,网络的性能，特别是数据传输速率。,MAC,层的基本任务是控制连接到一个通信网络上的使用所谓的共享传输媒质的多个用户的接入，以及来自不同用户的各种电信服务的信息流的组织。一般来说，对于任何电信网络来说,MAC,的功能可以划分为以下几个：,多路访问方案；,资源共享；,传输控制。,7.1.3 MAC,层结构,1,MAC,层技术要求,这里我们将描述宽带电力线通信接入网的,MAC,层特点，详细说明,PLC MAC,层的技术要求。,7.1.3 MAC,层结构,1,MAC,层技术要求,（,1,）,PLC MAC,层的特点,MAC,层是所有的具有共享传输媒质的电信系统的一般协议架构的一个重要组成部分，有多种不同的实现。,MAC,层协议的开发需要根据特定的通信网络的特点，包括通信网络的详细的传输特点、使用环境和使用目的等。电力线通信接入网的特殊性体现在它特殊的传输媒质（如低压供电网络），在供电网上由于大量噪声干扰的存在只能提供有限的数据传输速率。另一方面，为了确保和其他接入技术的竞争力，电力线通信必须要提供一个广泛的电信服务并且要确保一个令人满意的,QoS,。,7.1.3 MAC,层结构,1,MAC,层技术要求,（,1,）,PLC MAC,层的特点,以下的四个因素直接影响到,PLC MAC,层和它的协议，网络拓扑、干扰噪声、电信服务和应用传输系统，,7.1.3 MAC,层结构,1,MAC,层技术要求,（,2,）,PLC MAC,层的要求,多路访问和,MAC,层协议资源共享策略是,MAC,层核心，如,下图,所示。正如上面所讨论的，多路访问就是将构建一个将传输资源分割成接入片段，它依赖于物理层的实际传输系统及其特点。在我们考虑的,PLC,系统中，多路访问必须要适用于我们所使用的,PLC,网络（如扩频或,OFDM,）。另一方面，,MAC,的任务是采用相同共享网络资源的多个用户的接入组织，这就要靠由多接入方案指定的接入片段的管理来保证。因此，,MAC,层协议必须适合于所采用的多路访问方案。,7.1.3 MAC,层结构,1,MAC,层技术要求,（,2,）,PLC MAC,层的要求,7.1.3 MAC,层结构,2,多路访问方案,在实际应用中，在两个使用相同传输媒质的不同信号之间不可能达到这么精确正交。但是，如果不同信号之间的影响足够小的话，在通信系统中还是可以接受的。目前在各种通信系统中一般采用如下所列的三种多路访问方案：,时分多址,TDMA,，,Time Division Multiple Access,；,频分多址,FDMA,，,Frequency Division Multiple Access,；,码分多址,CDMA,，,Code Division Multiple Access,。,这三个基本的多路访问方案在应用中也可以有各种各样的组合。,7.1.3 MAC,层结构,2,多路访问方案,（,1,）,TDMA,在,TDMA,方案中，时间轴被分为所谓的“时隙”，这代表了由多路访问方案所提供的传输资源的接入部分（如,下图,所示）。每一个时隙确保一个预先确定的数据单元的传输，这个数据单元可以是语音样本、数据包等各种不同的信息。一般来说一个时隙只供一个用户使用。和,TDMA,一致，在时隙内传输的数据单元使用全部传输媒质的可获得的频谱来传输。,如果没有时隙的分割，在时域的资源分割是无法非常理想地实现的，因此要在两个时隙之间采用所谓的“保护间隔”，来确保两个相邻的时隙间的数据不会相互干扰。在一个,TDMA,系统中，时隙可以是固定的也可以是变化的持续时间。相应地，传输的数据数据单元的长度可以是固定的大小，也可以是变化的。在,TDMA,系统中，时隙一般用帧来组织。,7.1.3 MAC,层结构,2,多路访问方案,（,1,）,TDMA,7.1.3 MAC,层结构,2,多路访问方案,（,2,）,OFDM/TDMA,OFDM/TDMA,中，在一段时间内将全部的带宽资源（所有子载波）分配给一个特定的用户，即在单个,TDMA,帧内，所有子载波在几个时隙内为某个用户独占。这种,OFDM/TDMA,的时间带宽资源分配方式可以看做将全部资源（时间、带宽）在时间轴上进行分割，如,下图,所示。在以时间和频率为坐标轴的二维平面中，图中的各个时隙表示分配给不同用户的时间资源。每个用户在各自所占用的,OFDM,符号内拥有全部带宽资源（全部子载波），这是一种以时间区分用户的多址接入方式。,7.1.3 MAC,层结构,2,多路访问方案,（,2,）,OFDM/TDMA,7.1.3 MAC,层结构,2,多路访问方案,（,3,）,FDMA,DMA,将可使用的总的频谱资源划分为不同的部分分配给不同的用户接入。,FDMA,提供了很多传输信道，代表着网络资源的接入方式，如,下图,所示。信道的数据率和分配给信道的频带宽度有关。和,TDMA,系统一样，将频率动态地分配给特定的传输信道，,FDMA,系统也可以实现固定的或变化的数据率。为了确保各个子信道之间的正交关系，在,FDMA,频带之间要保留一个保护间隔。,7.1.3 MAC,层结构,2,多路访问方案,（,3,）,FDMA,7.1.3 MAC,层结构,2,多路访问方案,（,4,）,OFDMA,OFDMA,将传输带宽划分成正交的子载波集，通过将不同的子载波集分配给不同的用户，可用带宽资源可以灵活地在不同的终端之间共享，从而避免了不同用户间的多址干扰（,MAI,）。如,下图,所示，,CH,代表不同的子载波集，它们在频率上是正交的。,OFDMA,方案可以看做将资源（时间、带宽）在频率上进行分割，从而实现多用户接入，是一种以频率来区分用户的多址接入方式。,7.1.3 MAC,层结构,2,多路访问方案,（,4,）,OFDMA,OFDMA,方案将所有载波的确定子集分配给每个用户。这种分配表现为一种纯粹的数字化子载波管理，这种子载波分配不是固定的，可以采取自适应方式。对于有效的多址接入方案，当其进行时间和带宽资源分配时应满足高度适应性。具体表现在：一方面，应选择频率选择性信道的特性，这一点在电力线通信系统中要特别的注意；另一方面，要满足用户对不同的或可变的数据速率的需求。,OFDMA,系统中，这种适应性可由恰当选择与每个用户相关的子载波而得到满足。,7.1.3 MAC,层结构,2,多路访问方案,（,4,）,OFDMA,7.1.3 MAC,层结构,2,多路访问方案,（,4,）,OFDMA,每个用户经历不同的信道的干扰，可以通过只将具有高信噪比的子载波，也就是通信条件比较好的子载波分配给每个用户来实现。而且特定用户的子信道数数目可以依据要求的数据速率进行变化。,OFDMA,上行链路的基带系统模型如,下图,所示，在系统中共有,M,L,个子载波，分配给,M,个用户，每个用户有,L,个子载波。首先对,m,（,m,=0,，,1,，,2,，,，,M,1,）个用户的输入数据进行编码，之后将已编码的比特序列映射成,L,个复调制符号,，,l,=0,，,，,1,，再分配到该用户的,L,个子载波上。,7.1.3 MAC,层结构,2,多路访问方案,（,4,）,OFDMA,7.1.3 MAC,层结构,2,多路访问方案,（,5,）,CDMA,电力线信道的时间弥散性会限制电力线信道传输速率的提高。这是因为在电力线环境中，由于存在多径效应，到达接收机的信号是由一些通过不同路径到达的信号的叠加而成的。这些幅度和时延不同的信号互相叠加造成接收信号的失真。特别是在高速数据传输中，当路径的时延扩展大于传输数据周期时，信号间的干扰更加严重。另外，当数据传输速率较高时，信号占用的频带变宽；当信号带宽接近或大于信道相干带宽时，信道的时间弥散将对接收信号造成频率选择性衰落。因此在复杂多变的电力线信道中，需要设计出性能良好的能够抗多径干扰的技术，对信道具有很强的适应能力。,7.1.3 MAC,层结构,3,资源共享策略,资源共享策略,MAC,协议的任务就是组织共享网络资源多个用户的接入，这是通过管理多路访问方案所提供的网络资源的接入来实现的。下行方向的传输是比较容易实现的，这是因为这时的传输完全是由基站控制的。在下行传输时，基站向一个或多个网络用户传输数据，或者基站向整个网络发送广播数据。不管什么情况，在传输媒质上只有来自基站的数据包，各个用户之间也不存在同步问题。,7.1.3 MAC,层结构,3,资源共享策略,（,1,）,ALOHA,协议,（,2,）,CSMA,协议家族,（,3,）,ISMA,协议,7.1.3 MAC,层结构,4,MAC,层协议分析,MAC,层协议主要分为两大类：固定接入协议和动态接入协议。固定接入协议（如,下图,所示）在整个连接过程中给每个用户分配了一个固定的传输容量，预先分配给用户的网路容量和用户的需求是没有关系的。在固定接入协议中，当网络上没有数据传输时，就会出现传输波谷，而当网络上突然有大量的数据流出现，并且分配的网络容量无法满足需要时就会出现传输峰值，从而引起额外的延迟，降低数据吞吐率。正是由于这个原因，固定接入协议只适合于连续的通信，而不适合有突发数据流的通信，典型的情况就是满足各种不同数据传输的接入网，如宽带电力线网络。,7.1.3 MAC,层结构,4,MAC,层协议分析,7.1.3 MAC,层结构,4,MAC,层协议分析,和固定接入方式不同，动态接入协议适合于数据传输，在大部分情况下它能保证各种电信业务的,QoS,。动态接入协议又分为两种类型：争夺协议和仲裁协议（如,下图,所示）。由争夺协议的原理可以知道，网络用户是随机的接入传输媒质的，这可能使不同用户传输的数据单元发生冲突。由于网络中的终端不知道其他终端的传输需求，所以当两个或多个终端在同一时间开始传输它们的数据包就可能发生冲突。而仲裁协议在网络终端之间提供了一种协调机制，确保各个终端可以以专线方式接入网络，这样就可以避免冲突的发生。但是，仲裁过程占用了额外的时间，在网络中引起了更长的传输延迟。,7.1.3 MAC,层结构,4,MAC,层协议分析,7.1.3 MAC,层结构,5,双工模式的传输控制,双工模式定义了上行和下行传输方向的组织方式，即数据分别从基站到网络站和其相反方向，即从网络站到基站。多路访问提供传输资源的可访问部分被分为两部分，一部分用于下行数据传输，另一部分用于上行传输。网络资源的上下行划分可以分两种模式：,FDD,：频分双工；,TDD,：时分双工。,7.1,电力线通信协议的设计,7.2,设 备 协 调,7.3,基于电力线的家庭网关,第七章,目录,7.2.1,耦合技术,在配电网电力线载波通信系统中，主要的载波信号耦合方式有电容耦合、电感耦合及天线耦合等几种方式。,天线耦合方式是由以在电力线下边平行悬挂适当长度（,1,20m,）的线路为天线及相应的调谐装置组成的，由于该方式耦合效率很低，所以使用很少。,电容耦合是采用耦合电容器为主要元件的耦合方式，用一高频电容来连接高频载波信号的输入,/,输出端与电力线接入点（电源插座、配电开关母线等），电容耦合装置属于一种直接耦合装置，将高频载波信号直接注入到电网，同时从电力线上接收高频载波信号。,7.2.1,耦合技术,7.2.1,耦合技术,介绍完低压电容耦合电路，我们再来简单了解下中压电容耦合技术。,7.2.2,用户端设备,用户端设备通常称为电力调制解调器，又称为电力猫。电力猫一般提供两个接口：一个是数据接口，直接和用户的计算机相接，接口的种类通常是以太网接口或者,USB,接口；另一个接口就是电源接口，在给电力调制解调器供电的同时还用来传输数据信息。,7.2.2,用户端设备,调制解调部分由数字信号处理单元和相应的外围电路组成。数字信号处理单元负责同用户设备间的双向通信、,MAC,层协议，并对来自用户的数据进行编码、调制，然后送往外围电路进行,/,数模转换、放大、滤波，或将来自外围电路经滤波、放大、模,/,数转换后的信号进行解调、解码，然后送往用户设备。,7.2.2,用户端设备,这是,一个单芯片调制解调器方案，,INT6300,的内核为,ARM926EJ-S,的,32,位,RISC,处理器。系统软件存储在大容量的,SPI FLASH,中，可以进行设置，当系统启动时，启动代码存放在,SPI FLASH,中，当系统运行，将程序复制到,SDRAM,中。设置,INT6300,的工作模式为,MI MAC,工作模式，与,REALTEK,公司的,PHY CHIP,相连，提供,RJ-45,接口连接到用户的网口上。,7.2.3,局端设备,局端设备根据其功能的不同，通常分为电力网桥、电力交换机和电力路由器，目前应用较多的还是电力网桥，通常会有多个接口。一个或多个耦合接口用来从电力线上以非接触方式提取由用户端电力调制解调器发送的信号，同时把数据信号加载到电力线上。另外有一个或多个以太网接口，用于和其他的网络设备（如普通的以太网交换机、路由器）相连。,7.1,电力线通信协议的设计,7.2,设 备 协 调,7.3,基于电力线的家庭网关,第七章,目录,7.3,基于电力线的家庭网关,家庭网关是智能家居的心脏，通过家庭网关，用户可以和智能家居中的各子系统进行快速沟通。通过这个媒介平台，构成与外界的通信通道，以实现与家庭以外的世界沟通信息，满足远程控制、监测和交换信息的需求。,7.3.1,电力线家庭网关的功能,1,信息网络化,2,管理智能化,3,节能环保化,4,居住安全化,5,运行自动化,6,操作简单化,7,个性化、模块化,7.3.1,电力线家庭网关的功能,1,信息网络化,2,管理智能化,3,节能环保化,4,居住安全化,5,运行自动化,6,操作简单化,7,个性化、模块化,7.3.1,电力线家庭网关的功能,1,信息网络化,2,管理智能化,3,节能环保化,4,居住安全化,5,运行自动化,6,操作简单化,7,个性化、模块化,7.3.2,电力线家庭网关的特点,1,模块化、可独立式设备,2,设备兼容、分步实施,3,可兼顾大量存在的非智能家电,4,方便将来需要用电视上网的用户,7.3.3,电力线家庭网关的设计要求,家庭网关作为住宅设备有其固有的特性，在设计时我们应注意家庭内部组网技术的特点：,连接对象的复杂性，在家庭网络内部存在着音响、可视电话等高速率数据设备，冰箱、洗衣机、,PDA,等中速率数据设备，同时还存在三表抄送、防火防盗警报等低速率数据设备。,基于开放的标准，包括技术文档和体系结构的开放性。,兼容广泛的连接技术。,用户的需求，低价、易用、高可靠、灵活且可扩展，良好的兼容性，支持多种应用。,7.3.4,电力线家庭网关的基本组成,一般说来，家庭网关包括,5,个功能模块：,接入功能模块：家庭网关的接入功能主要实现家庭网络与电信网络的连接。,连网功能模块：家庭网关的连网功能主要实现家庭内部的用户终端设备之间的连接，包括计算机和具有连网功能的家用电器。,传送功能模块：家庭网关的传送功能主要实现家庭网络内部设备与电信网络之间的,IP,包的传送。,7.3.4,电力线家庭网关的基本组成,核心功能模块：核心功能包括地址功能、,QoS,功能、安全功能、远程管理功能、本地管理功能。地址功能主要实现家庭网关自身,IP,地址获得以及支持家庭内部终端获得,IP,地址，,Qos,功能主要实现多业务流的分级处理及转发，安全功能主要防止外部网络对家庭网络的非法访问以及内部网络的非法接入，远程管理主要实现运营商对家庭网关的远程管理与控制，本地管理主要实现家庭网关的本地登录管理与控制。,业务功能模块：业务功能模块与公共电信网络的业务实现相关，由于业务的种类很多，所以具备业务功能的家庭网关有很多类型，其具备的功能也与特定的业务相关。业务功能模块是可选的。,7.3.4,电力线家庭网关的基本组成,思考题,1,你认为未来的家庭网关应该具有怎样的功能特点？,2,描述你心中理想的家庭网络系统组成。,3,电力线家庭网关的基本组成有哪些？各部分的功能是什么？,4,现有的家庭总线协议有哪些？有什么特点？,