CEBus中的电力线载波网技术及改进 吴　刚　王伟艺　唐志强　陈章龙　涂时亮 （需要文中图片的读者请与作者联系） 　　用模拟技术在电力线上传递载波信号很早就有了。把电力线通信技术、网络、微控制器相结合，是在现有基础上推进家庭自动化的最现实途径。即以电力线为物理媒介，把分布在住宅各个角落的微控制器和家用PC机连成一个网络。其优点是：电力线和信号线合一，无须布设信号线，人们原来使用和维护电器的习惯都不受影响；家电无须增加双绞线、红外等接口，只要在内部配备电力线载波通信芯片，再更新程序就行了，对老式家电的改造也很容易；家电的信息量小，电力线载波速度慢的缺点不突出；除了家庭，它还可作为智能大楼的后备网络；由于底层功能实现了芯片化，接入设备比较便宜。目前市场上此类芯片有LM1893(国家半导体)、ST7536(SGS Thomson公司)、SSC-P300(Intellon公司)等。 　　美国Electronic Industries Association于1992年正式发布了针对家庭的电器联网标准CEBus(消费电子总线、家庭总线)，编号EIA-600；后又经过若干次修改，并一直受到EIA的下属组织Consumer Electronics Manufactures Association的大力推广。CEBus已获American National Standards Institute承认。 　　下面先简要介绍CEBus，再从硬件和策略两个角度提出改进思路。下文的"设备"指具有CEBus接口的家电。 1 CEBus 简介 　　CEBus是参考ISO的OSI七层模型[2]设计的，其基本架构和主要原语在图1中示出，可看出它比OSI模型要简单得多，但未来有可能增加传输层，实际上，CEBus的设计者考虑了多种媒体，包括电力线、红外线、无线电、双绞线、同轴电缆乃至光纤。本文的重点在于电力线(PL)。 　　MDP子层负责往电力线上发送信号，该子层还不间断地侦听电力线的状态。如果电力线上有载波，就说明电力线处于S状态，否则就处于I状态。显然，只要有一台设备试图使电力线处于S态(发送载波)，整条电力线就处于S态。载波的频率范围是100K到400K。SE子层用原语M_STATE.request通知MDP子层发送或不发送载波，而MDP用M_STATE.indication报告SE电力线的状态。假设MDP在不发送载波时发现电力线处于S态(侦听到别人的载波)，它会立刻拒绝SE要它发送载波的请求。 图1CEBus的架构和主要原谱 　　编/解码工作是在SE子层实现的。CEBus标准规定，当媒体是电力线时，SE子层还要能够查错。CEBus采用NRZ编码体制，用脉冲宽度表示信号。4种信号及其脉冲宽度是："1"(1UST)，"0"(2UST)，"EOF"(3UST)，"EOP"(4UST)。EOF即End of Field，EOP即End of Pocket。UST即Unit Symbol Time，是编码和解码的计时基准，由SE子层给出。1个UST在100微秒左右。MAC子层用PH_CC_DATA.request命令SE发出4种信号中的一种。但是，如果侦听到别人的载波，则SE用PH_CC_STATUS.indication向MAC报告"CHANNEL_ACTIVE"，并且等解码成功以后用PH_CC_DATA.indication报告别人发出的信号。 　　CEBus要求收到的包的正确率达到98%。整个物理层的功能已经芯片化，某些芯片还包括了数据链路层的功能。 　　MAC子层提供带或不带应答的无连接数据传送服务。如SE不负责查错，则MAC承担查错任务。MAC还要生成包的控制域，以标明包的类型、优先级、服务级别和序列号。优先级分3级，"高"级专门用于与人交互的进程和开环控制的进程，其他进程为"中"或"低"级。 　　LLC子层是个空壳，只转发命令，无实质性工作。 　　网络层负责路由、路桥(brouter)、确定网址、流量控制、给数据分段、丢弃无线媒体收到的重复包等。由于网络层已超然于媒体之上，所以要考虑信息的跨媒体传输问题。 　　应用层可以通过原语向网络层指明：优先级、是否需要应答、是否有网址、是否使用流量控制、路由方式、允许在什么媒体上传输、是否使用路桥以及路桥的网址等等。 　　由于CEBus覆盖了家庭中的一切传输媒体，所以有"路桥"的概念。路桥指能在无线媒体(红外线或射频)与有线媒体(电力线、同轴电缆、双绞线或光纤)之间转发包的设备。一台内藏微控制器、配备CEBus软件的电视是红外线和电力线之间的路桥，因为它和电力线相连，同时还使用红外遥控器。一台类似的无绳电话则是无线电、电力线和双绞线之间的路桥。跨媒体传输提高了网络的健壮性和灵活性，同时也使生活空前方便。例如，电视购物时可用电视遥控器发出指令，经红外线、电力线到家用PC，再由PC通过互连网发出购物信息，或在院子里用无绳电话经过射频、电力线打开空调。NPDU中可包含两个路桥的网址，配合"允许在什么媒体上传输"选项，为跨媒体传输提供了足够的灵活性。 　　路由方式有洪水路由(flood routing)和目录路由(directory routing)两种。 　　洪水路由：包向任何一个可能的地方转发，但受前述媒体和路桥的限制。 　　目录路由：包仅被位于传输路径上的路由器转发。任何一个设备，当它上电或改动网址时，都要发出一个"ID包"以声明自己的新网址。该ID包将传遍网络，帮助路由器更新各自的路由表。如果路由器在转发一个包时，发现自己的路由表中没有该包的目的网址，它就通过设置一个标志位，把该包变为"ID需求包"然后转发。目的网址收到ID需求包后，要发出一个ID包。所以路由器的设置是全自动的。 　　CEBus在防止碰撞方面的策略基本是：发送前如发现电力线处于S态，则推迟发送直至侦听到EOP。侦听到EOP以后，再等10个UST以防应答和重传。这10个UST之后，高优先级的包再随机等待0到3个UST后开始发送；中优先级的包等待4到7个UST；低优先级的包等待8到11个UST。每个包的开头是随机生成的8位二进制码，用来让其他电器探测到S态，达到争取信道的目的。此外，如某设备刚刚成功地发送了一个包，它在下次发送前还会额外再等4个UST。最后，发生碰撞时，试图使电力线处于I态的设备发现电力线是S态，它会自动停止，等别人发完了再重发。 　　由于电力线的传输质量较差，为保证收到可能要重复发若干次。这时凭序列号会丢弃重复收到的包。 　　应用层通过CAL(Common Application Language)和应用程序连接。CAL是CEBus专为设备之间相互通信而设计的面向对象语言。网络资源的分配和控制也通过CAL完成。在目前的CEBus标准中只有一个信道(control channel)，将来可能要增加1个或几个data channel，届时资源分配将复杂起来。 　　由于家庭中很多地方是控制工作的，所以CAL中安排了一种安全机制：一台设备可以验证另一台设备的身份。有两种验证方式，一是握手式验证：设E是加密函数，S1是和设备甲有关的常量，S2是和设备乙有关的常量。S1、S2可以是设备标号、类型代码等。甲产生随机数R，把X=E(S1，R)放在Challenge_Request类型的包里传给乙，即甲向乙"挑战"或"质疑"。乙求出A = E-1(S1, X)、B=E(S2，A)，把B放在Authenticate_Response包里传给甲("应战"或"答疑")。甲求出Y = E-1(S2, B)，如果Y=R，则乙的资格得到确认。二是不握手验证。E、S2如上所述，R是一个双方都知道的变量，如时间。乙向甲发出X=E(S2，R)，甲求出A = E-1(S2, X)，如A=R，则乙被确认。一般说，仅当乙要对甲做某些敏感控制时，甲才会去验证乙的身份，并于验证成功后执行乙在验证前发出的控制指令，即"先指示，后验证，再执行"。 　　智能化住宅的服务器无疑是家用PC。CAL的面向对象特性使CAL很容易在PC上应用。但是，对于分布在家庭各个角落的微控制器来说，CAL不实用。考虑到PC数量远少于微控制器，并且PC使用高级语言、又有CAL支持，而微控制器主要使用汇编语言、多为实时控制、目前还没有单片`机支持CEBus，就得到结论：智能化住宅软件开发的重点和难点是在微控制器上，微控制器程序员完全可以抛开应用层，在较低层次上介入CEBus体系。为了提高微控制器软件开发、维护效率及可靠性，需要专为微控制器设计的实时多任务操作系统。如FDCX05、FRMX96等[3]。 2 对CEBus的改进 　　图2 示出了根据CEBus构造智能化住宅的大体情况。 图2 家用PL网的拓扑 　　对电力线载波影响最大的干扰是PC机等使用的开关电源，其噪声覆盖了载波频段。对策是使用小而便宜的阻波器，开关电源通过它与电力线相连，如图3 。这就可以消除开关电源的干扰。当然，实际应用中可能仅部分开关电源使用了阻波器，再考虑到电器随意开关，所以线路质量不稳定。 图3阻波器的使用 　　主张在入户电表上也安装阻波器，把家庭内部的PL网与外面相隔离。内部的PL网走私人信息，外部的PL网走公共信息，例如每户家庭的耗电量、用水量、整个大楼的安全信息、中央空调的控制信息等，从而提高健壮性、保密性(信息无法在外界和家庭内部之间传递)，同时也降低网络负载。主人可用电话、互连网从外面访问家里的PL网。 　　如何保证包在电力线上可靠地传输，这在CEBus中只简单地提到两点：物理层要保证收到的包的正确率达98%；发送方重复发送。这实际上限制了CEBus网络的规模，如果网络较大就不实用了。家用电力线载波网的应用环境的特点是由不懂计算机的大众使用，家电的布置非常随意且经常变动，而且还要一定的可靠性。所以，提出用"随机转发"方法，不要路由器，任何一台设备都负责转发包，保证包传遍PL网，从而实现了方便性(用户不需要任何计算机知识，可随意改动电器布置)和可靠性(保证收到每一个包)。代价是降低了带宽利用率，好在家电的信息量本来就很小。 　　方法是：每一个包都有一个"生命力"域，记其值为A。当某设备甲要发送包时，它给A赋初值 > 0，某台设备乙收到该包，如果乙就是包的目的地，那么乙可能发或不发应答包；如果乙不是目的地，且从序列号判断该包不在自己的缓冲区里，且A > 0，则把包放在缓冲区里，A减1，等待随机时间后发送包；如果乙不是目的地，且从序列号判断该包已经在自己的缓冲区里，且该包的生命力为A1，则把缓冲区里包的生命力值改为A和A1中较小的，若新的生命力值>0，则再等待随机时间后发送包，否则从缓冲区中删去该包；如果乙发现自己收到的是一个应答包，且该包所要应答的包P正在自己的缓冲区里，则从缓冲区中删掉P。图4给出了工作流程和数据结构。在后面的改进方案中，要在该图中的＠处插入一个操作。 图4随机转发方法的流程和数据结构 　　该方法的合理性在于它所依赖的不是整个PL网上的质量M，而是相邻两台设备之间的传输质量m。M是某设备能正确地收到网上任何一台设备发出的包的概率，CEBus要求M达到0.98。m是某设备正确地收到与它相邻的设备发出的包的概率。根据实验，不论接入PL网的设备多少，只要适当用阻波器排除干扰，传送距离对m的影响就很小。从而传输可靠性就比较稳定。当然，M对传输速度还是有影响的。 　　该方法要求较大的缓冲区，这对目前的16位微控制器来说不成问题。 　　该方法使所有设备的通信规程都一样，便于芯片化，节省CPU，降低软件开发成本，方便开发者和最终用户。 　　随机转发方法的缺点是显然的。如图5所示，假设有n个相邻的设备都收到了一个包，那么在下一次转发中包到达距离为k跳的设备A的概率是： 图5 随机转发的缺点 　　当k恒定时，P是n的单调减函数。这是因为离A较远的设备会和离A近的设备争夺转发包的机会。 　　克服上面缺点的思路是改进硬件，使它能测量接收包时刻的通信质量。当质量较高时，就认为该包能顺利到达下一个设备，于是就不转发。这样，当某设备发送一个包时，在所有能正确接收该包的设备中，仅通信质量较差的设备才能转发。通信质量用误码率衡量[4]。实际上，SSC-P300中就有查错功能，只是没提供给外界而已。改进后的转发策略是在图4的@处增加判断，如该包的误码率低于阈值，中断返回，否则继续。 　　已经研究出的低频载波技术允许信号在电力线上传输很远的距离，甚至能穿过变压器，非常可靠。可以在电力线上同时使用高频和低频信号，用低频信号完成网络配置和转发调度工作。两者取长补短，可大大提高网络性能。另外，Adaptive Network公司正在研究速率达100K的电力线载波技术。建议应给予足够的重视。 作者单位：复旦大学计算机系微机实验室，上海200433 参考文献 1 Electronic Industries Asso- ciation. EIA-600，1995 2 Andrew S T. Computer Networks，Prentice Hall. 1996-11 3 涂时亮，张友德. 单片微 机控制技术. 上海：复旦 大学出版社，1994-11 4 普罗基斯.约翰 G著. 齐怀 亮译. 数字通信. 北京：电 子工业出版社，1988-10

电力线上的家庭网络技术 The Development of Home Network Technology Based on Power Line 常东来 Chang Donglai 摘要：电力线载波通讯技术以其无需另外布设信号线，通信设备布置方便等优点，得以引起广泛关注，特别是近年来随网络技术的发展而日益突出。本文从电力线载波技术的背景、发展和主要技术规范的角度对其做一介绍，希望籍此能够有助于同方E-home 解决方案的发展。 一、技术背景： 未来上网靠什么——电线？！如果大家现在有条件升级自己的电源插座，相信过不久会被证明在目前高速网络接入竞赛中，这又是一个颇具创造力的想法。尽管对于网络技术的未来已经有了若干年的争论和怀疑，但是在不久前，美国家庭网络公司Enikia的德国工程师就曾宣称，通过电源线路作为高速互联网接入物理媒介的想法不久就会成为现实。 用模拟技术在电力线上传递载波信号很早就有了。许久以前，一些有能力的工人就曾发明了一种新式收音机，它可以通过电源线路来互相进行简单的信息交流。但要将这个想法转变成现实所要求的稳定、高速、宽带数据交换网络连接媒介还是不那么容易的。目前遍布世界的电力供应网络的主要任务是向各地输送电力资源，这本身对于数据传输就会造成一定的障碍，同时一部分用电设备，如电吹风、微波炉等电器都会对数据传输造成冲突和影响。然而把电力线通信技术、网络、微控制器相结合，是在现有基础上推进家庭自动化的最现实途径，即以电力线为物理媒介，把分布在住宅各个角落的微控制器和家用PC机连成一个网络。 使用电力线作为网络媒介的优点是：电力线和信号线合一，无需另外布设信号线，人们原来使用和维护电器的习惯也都不受影响；家电无须增加双绞线、红外等接口，只要在内部配备电力线载波通信芯片，再更新程序就行了，对老式家电的改造也很容易；家电的信息量小，电力线载波速度慢的缺点不突出；除了家庭，它还可作为智能大楼的后备网络；由于通讯的底层功能已实现了芯片化，所以接入设备比较便宜。目前市场上此类芯片有LM1893(国家半导体)、ST7536(SGS Thomson公司)、SSC-P300(Intellon公司)等。 从技术角度来看，载波通信方式的优点虽然很显著，但其缺点也很突出：一是低压载波局限在一个变压器的范围之内，无法跨越变压器；二是载波通信受电网的干扰，通信误码比较严重；三是载波通信在不同相线上通信时质量很差，隔相信号衰减通常会大于40dB。由于上述缺点的存在，其使用中有以下特征：一是以一个变压器为一个集中通讯单元。二是采用一些有效的通信规程，使其具有较强的检错、纠错能力；三是必须能在不同相线上进行有效的通信。这些缺点短期内阻碍了电力线载波通讯的广泛应用。 二、当前发展： 利用电源线路实现数据通信的技术得到一些世界顶尖公司的青睐，因为电源线路是每个家庭之间最为普通也是覆盖最为宽广的一种物理媒介，这要超过有线电视网络甚至电话线路的覆盖面。假如它可以被用来实现互联网以及电话通讯服务的连接任务，可以肯定地说它将是迄今为止覆盖面最广、投入成本最合算、见效时间最迅速的新型电信基础设施。 美国Electronic Industries Association（EIA）于1992年正式发布了针对家庭的电器联网标准CEBus(消费电子总线、家庭总线)，编号EIA-600[1]；后又经过若干次修改，并一直受到EIA的下属组织Consumer Electronics Manufactures Association（CEMA）的大力推广，并且CEBus现在已获得American National Standards Institute（ANSI）标准化组织的承认。 目前，包括Cisco、英特尔和康柏在内的13家技术公司宣布成立名为HomePlug Powerline Alliance的非赢利集团，该联盟将为消费者开发一种通过电源插座连接计算机和其他电子设备的方法。HomePlug Powerline Alliance不是为电气插座开发家庭连网标准的唯一组织。1998年底，消费电子协会（CEA）也建立了包括Sony、Thomson Consumer Electronics等公司在内的一个企业联合集团，该集团主要从事开发类似的标准。另外有一些公司，如3Com、松下、以及电源线公司Enikia、Adaptive Networks和iTran都同时是上述这两个集团的成员。 Nortel公司长期以来都是此项技术的最大支持者，同时也为此付出了许多代价。他们为了实现这项技术曾进行了多次试验，也遇到了不少的麻烦。通过几年的不懈努力，他们的这项“冒险”活动终于在1999年完满地画上了句号。 Oneline公司和Enikia公司都认为他们可以在电力线载波通讯方面做得更好。自从1999年起，Oneline及其前身就进行了若干次试验，而且试验都非常成功，而仅有遗憾的就是下载速度比目前最快的拨号Modem快不了多少，他们认为这是由于受到早期时候采用Cable Modem等未完善设备的一系列限制所造成的。据此项技术的研究专家透露，随着配合此项技术的专用硬件设备的逐渐成熟，到时候网络数据的传输速度肯定会几十倍或者上百倍的增加。由于此项技术的诱人前景，使得整个业界都在密切关注该项技术在欧洲试运行的最后结果。因为Oneline和Enikia两家公司并未透露此项技术的具体细节，所以这又使得圈内外人士对此抱有相当大的疑虑和担忧。 在前进一步又倒退两步的通讯技术探索道路中，任何公司都是饱经了风霜。为此经过很长一段时间Oneline和Enikia两家公司宣布他们将携手共同合作开发该类技术和产品。根据这项协议内容，他们将合作研制出一种新的系统，允许用户将电脑插在任何普通的电源插座上就能通过电源线路登上网络。如果他们的这套系统一旦投入商业市场，那么这无疑对那些赞成通过电源线路上网的支持者所进行的多年研究工作是一个最大的肯定。 在电力线通讯的发展方面，正如Enikia公司主管全球营销的副总裁Jarek Chylinski指出的那样，速度是一个大问题。HomePlug联盟可以比诸如CEA这类一般标准化组织更快地开发出新标准。他们之间的竞争将会直接威胁到家庭网络标准。目前，这两个标准集团正在谈判彼此之间的合作问题。已加盟消费电子产品标准行动的Leviton公司副总裁Bill Rose指出，出台两种标准是没有意义的。只有协调两个集团的努力，才能达到目的。业内分析人士认为，有一个共同标准来允许电子设备进行通信，整个电源线家庭连网的努力才能凑效。 另外，美国Inari公司计划从2000年底至2001年将家庭内的电力线用于网络通信，完成继第一代350kbit/s和第二代2Mbit/s之后的第三代10Mbit/s芯片组。据悉，作为商品电力线通信调制解调器将在技术开发完成后三个月上市。该公司1998年6月推出的第一代产品通过FSK（frequency shift keying）法实现350kbit/s的通信速度。现在，该公司采用QPSK（quadri phase shift keying）法，同时使用4条路径实现2Mbit/s的数据传输速度。目前其第三代芯片组的开发工作已大致完成，正在进行实验验证，估计2000年下半年将推出电力线调制解调器产品。第三代产品与第二代产品同样采用QPSK法，并通过增加路径数将数据通信速度提高到10Mbit/s。但由于该产品的技术设计与以往不同，故它和第一、第二代产品不能相互通信。据该公司消息：“在各房间内安装电话连接器的家庭尚属少数，所以要实现家庭内各室之间的通信，电力线最有前途。” 三、主要技术和规范 早在1992年国际标准化组织ISO就对电力线数据系统作过说明。它一般分低速率数据传输（如1200bps）和高速率数据传输（如19200bps）。低速率采用频移键控（FSK）调制方法。每个字符组包括一个启始位（地逻辑电平），8个数据位和一个停止位（高逻辑电平）。数据包均由启始头文件引导。数字信号过数模转换，以55KHz±2%的载频，用电压注入方式叠加在三相交流电上。通信两端采用异步、半双工方式收发信号，信号电平6Vrms，接收灵敏度1mVrms。为了与高速率数据通信兼容，其带外频谱功率小于1mVrms。低速率数据传输一般用于范围小、数据采集量少的场合，如电表、水表的抄表系统。高速率数据传输系统属于宽带信号通信。采用扩频技术、网络阻抗适应技术，以同步全双工通信方式进行高可靠性通信，数据信号采用二相相移键控（BPSK）方法。在PN码平衡调制器中，高码率PN码脉冲序列调制通信信号、输出展宽的扩展频谱。传输信号的零到零带宽从140kHz到400kHz。10kHz带宽的输出功率是100mW，输出信号一般使用适应不同线路阻抗的 电压注入方式，加载到交流电上。经过长距离通信，为了保证解调信号的正确性，接收端往往需要进行信号补偿。接收灵敏度一般在2mV，比特误码率小于10-9。高速率电力线通讯设备理论上可以组成电力线局域网和广域网。由于它抗干扰性强，又不用铺设通讯电缆，很适合于采油、矿井、生产车间等干扰严重的数据传输场合。 1、扩频通讯技术[2] 在高速率电力线网络通讯中，扩频通信以其卓越的抗干扰能力、优越的抗多径衰落性能、误码率极低和发射功率小等优点，得到越来越广泛的应用。此外，扩频通信还具有抗多径衰减能力（直接序列扩频），多径传输所产生的衰减对系统性能不但无害，反而有益，这是任何现行系统所不具备的；扩频信号的发射功率很低，使得存在于大气空间的电磁环境较干净，而传输数据却很高，并可在负信噪比下正常工作，因此系统具有很强的隐蔽性和保密性；系统容量大，在相同带宽内，当扩频系统用于蜂窝区通信时，其容量比模拟蜂窝区系统容量大7~10倍，比GSM数字蜂窝区系统容量大4~6倍。 扩频通信最常用的是直接序列扩频、跳频和直扩/跳频混合系统，其抗干扰能力最强。所谓直接序列扩频，简称直扩，就是直接用高速率的伪随机扩频码序列在信号发送端去扩展信号的频谱，而在信号接收端，用相同的扩频码序列进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。接收机解扩实际上是对干扰信号进行频谱展宽，把干扰信号变成功率谱密度很低而频谱很宽的信号，经窄带滤波器滤除后，使落到频带内的干扰信号能量很小，而有用的数字信号被压缩还原成窄带信号，顺利通过滤波器，因此，该系统具有很强的抗干扰能力。目前此类产品的处理增益一般为10dB。图１为直接序列扩频的示意图。 图1 直接序列扩频示意图 所谓跳频，就是用扩频码序列去进行频移键控调制，使载波频率不断地跳变。时间域的频率跳变，引起频率域的频谱展宽。在信号接收端通过发送端的提示码进行捕捉、同步和跟踪，使接收端中的扩频码与发送端扩频码的变化规律完全一样，便可还原出不跳变的信息码。与直接序列扩频方法类似，干扰信号主要是在信道中产生的，其它的跳变规律信号由于与接收机的本振频率跳变规律不同，所以混频以后，仍为跳变的信号。跳变的干扰信号由于其频谱很宽，所以大部分被窄带滤波器滤除，而落在带内的干扰信号的能量很小。这样，便大大提高了扩频设备的抗干扰能力。此类产品的处理增益为5~10dB。图2为跳频方法的示意图。 直扩／跳频混合系统是一个载波频率变化的直接序列扩频系统，它综合了直接序列扩频技术和跳频技术二者的优点。频率跳变使它在部分时间上避开干扰，而在有干扰的频段上，干扰被直接序列展宽频谱，易于滤除。此类产品的处理增益可达15dB以上。在当今各种工业环境、各种人为干扰很严重的通信环境下，采用该系统具有长远意义。 图2 跳频方法示意图 2、CEBus规范 CEBus(消费电子总线、家庭总线)是由美国EIA发布的企业标准。CEBus包括两个标准，一个用于低速（低于10kbps）控制，另一个用于高速数据信号，如数字视频传输。因为CEBus是点对点网络，它不需要系统控制器。其电力线载波通讯技术使用chirp扩频信号技术（该技术是Intellon公司的专利）。Chirps覆盖100到450kHz，而其他一些扩频系统是不可能获取信息的，该类系统中的接收机要花几个毫秒来锁定信号。Intellon公司的技术优势在于它可快速传输更多的信息。CEBus使用CSMA/CD方法来控制其节点对电力线媒介的访问。CEBus采用NRZ编码体制，用脉冲宽度表示信号。4种信号及其脉冲宽度是："1"(1UST)，"0"(2UST)，"EOF"(3UST)，"EOP"(4UST)。EOF即End of Field，EOP即End of Pocket。UST即Unit Symbol Time，是编码和解码的计时基准。 图3 CEBus节点模型 CEBus是参考ISO的OSI七层模型设计的，见图3所示。整个物理层的功能已经芯片化，某些芯片还包括了数据链路层的功能。MAC子层提供带或不带应答的无连接数据传送服务。有时MAC还承担查错任务。同时MAC还要生成包的控制域，以标明包的类型、优先级、服务级别和序列号。优先级分3级，“高”级专门用于与人交互的进程和开环控制的进程，其他进程为“中”或“低”级。LLC子层是个空壳，只转发命令，无实质性工作。网络层负责路由、路桥、确定网址、流量控制、给数据分段、丢弃无线媒体收到的重复包等。由于网络层已超然于媒体之上，所以要考虑信息的跨媒体传输问题。应用层可以通过原语向网络层指明：优先级、是否需要应答、是否有网址、是否使用流量控制、路由方式、允许在什么媒体上传输、是否使用路桥以及路桥的网址等等。 CEBus覆盖了家庭中的一切传输媒体，包括红外线、射频、电力线、同轴电缆、双绞线或光纤等。正是因为这一点，所以它有“路桥”的概念。路桥指能在无线媒体(红外线或射频)与有线媒体(电力线、同轴电缆、双绞线或光纤)之间转发包的设备。一台内藏微控制器、配备CEBus软件的电视是红外线和电力线之间的路桥，因为它和电力线相连，同时还使用红外遥控器。一台类似的无绳电话则是无线电、电力线和双绞线之间的路桥。跨媒体传输提高了网络的健壮性和灵活性，同时也使生活空前方便。例如，电视购物时可用电视遥控器发出指令，经红外线、电力线到家用PC，再由PC通过互连网发出购物信息，或在院子里用无绳电话经过射频、电力线打开空调。此技术为跨媒体传输提供了足够的灵活性。 CEBus的应用层通过CAL(Common Application Language)和应用程序连接。CAL是CEBus专为设备之间相互通信而设计的面向对象语言。网络资源的分配和控制也通过CAL完成。在目前的CEBus标准中只有一个信道(control channel)，将来可能要增加1个或几个data channel，届时资源分配将复杂起来。 智能化住宅的服务器无疑是家用PC机。CAL的面向对象特性使CAL很容易在PC上应用。但是，对于分布在家庭各个角落的微控制器来说，CAL不实用。考虑到PC数量远少于微控制器，并且PC使用高级语言、又有CAL支持，而微控制器主要使用汇编语言、多为实时控制、目前还没有单片机支持CEBus，因此可以得出结论：智能化住宅软件开发的重点和难点是在微控制器上，微控制器程序员完全可以抛开应用层，在较低层次上介入CEBus体系。为了提高微控制器软件开发、维护效率及可靠性，需要专为微控制器设计的实时多任务操作系统。如FDCX05、FRMX96等[4]。 对电力线载波影响最大的干扰是PC机等使用的开关电源，其噪声覆盖了载波频段。对策是使用小而便宜的阻波器，开关电源通过它与电力线相连。这就可以消除开关电源的干扰。当然，实际应用中可能仅部分开关电源使用了阻波器，再考虑到电器随意开关，所以线路质量不稳定。在用户通讯设备入口端上也安装阻波器，把家庭内部的电力线通讯网（PL）与外面相隔离。内部的PL网上传输的是个人信息，在外部的PL网上传输公共信息，例如每户家庭的耗电量、用水量、整个大楼的安全信息、中央空调的控制信息等，从而提高健壮性、保密性(信息无法在外界和家庭内部之间传递)，同时也降低网络负载。住户主人可以用电话、互连网等从外面访问家中的PL网。 如何保证包在电力线上可靠地传输，这在CEBus中只简单地提到两点：1）物理层要保证收到的数据包的正确率达98%；2）发送方重复发送。这实际上限制了CEBus网络的规模，如果网络规模较大便不实用了。家用电力线载波通讯网的应用环境特点是由不懂计算机的大众使用，家电的布置非常随意且经常变动，而且还要具有一定的可靠性。所以，提出用"随机转发"方法，不要路由器，任何一台设备都负责转发数据包，保证数据包传遍PL网，从而实现了方便性(用户不需要任何计算机知识，可随意改动电器布置)和可靠性(保证收到每一个数据包)。其代价则是降低了带宽利用率，好在家电的信息量本来就很小。 已经研究出的低频载波技术允许信号在电力线上传输很远的距离，甚至能穿过变压器，非常可靠[5]。可以在电力线上同时使用高频和低频信号，用低频信号完成网络配置和转发调度工作。两者取长补短，可大大提高网络性能。 四、结论 已有的研究表明，同轴电缆传输速率可到1GHz，双绞线达到100Mbps，电力线目前可达到1Mbps。电力线可以在数据通讯中传递控制信号、音频信号、视频信号以及电视图象信号。用于家庭电器自动控制、保安系统、用户小型交换机系统、语音系统、远距离视频显示系统、灵活的闭路监视系统以及工业控制机系统等等。 目前我国电力线数据通讯尚处于起步阶段。1997年出现低速率数据传输设备，用于小区电表管理系统。100kbps的高速率数据传输设备也与1998年底研制成功。有理由相信，随着人们对电力线数据通讯认识的不断提高，这一简捷、经济的通讯方式会很快普及，并深入到各个应用领域。 另外，值得一提的是，电力线数据通信不仅适用于交流电，在直流电上也同样可以进行。它的高速率数据传输设备号称在“噪声线”上运送准确的数据信息。 参考文献： [1] Electronic Industries Association：EIA-600，1995 [2] Andrew S.T.，《Computer Networks》，Prentice Hall，1996-11 [3] 普罗基斯.约翰.G著，齐怀亮译，《数字通信》，北京：电子工业出版社，1988.10 [4] 涂时亮，张友德，《单片微机控制技术》，上海：复旦大学出版社，1994.11 [5] John Gallant, “Digital wireless network”, EDN, March 4, 1993, p78~85 作者简介：常东来，男，1970年生，博士后，讲师。主要从事智能控制、计算机控制、电气传动控制以及楼宇自动化控制等方面的研究工作。