电力线宽带网络设备设计

摘    要：本文阐述了使用电力线作为传输媒质的网络设备设计方法，讨论了电力线网络通信的应用原理、系统的硬件结构和软件处理。
关键词:电力线通信；网络适配器；网桥

电力线网是现代社会覆盖面最大的网络。如能利用电力线作为网络传输媒介，使电力线和信号线合一，则不必另外布设网络线，家用的普通电源插座便成为通信接口，可使电力线通信网络同时进行话音、数据和电力传输。
本文设计了用于电力线宽带网络通信的设备：电力线网络适配器及以太网—电力线网桥。
1．电力线网络适配器：数据传输速率为2.5~12Mbps；单个变压器内最大连接节点数为25；最大传输距离100m。
利用该适配器可组成对等计算机电力线宽带传输网络，实现多台计算机之间的文件共享和数据交换，实现连接于电力线宽带网上的打印机或其他设备的共享。
2. 以太网-电力线网桥
该网桥主要应用于以太网设备与电力线宽带网(PLBN)设备之间的协议转换。网桥的一端接入以太网设备，如:交换机、HUB、网络打印机、网络磁盘驱动器及使用以太网卡(NLC)的PC机，另一端则通过电力线与电力线宽带网连接。该网桥属于即插即用设备，不需任何配置。目前单台设备带宽为2.5~12Mbps。

电力线宽带数字传输原理
由于电力线传输的固有弱点——射频干扰、载波频率较低、受用电设备负载的影响较大等原因，技术上要实现高速的数据通信比较困难。电力线宽带传输主要有两个重要的技术问题要解决：一是高速传输数据的信号调制/解调技术，其次是如何对应OSI的七层模型建立起电力线网的分层结构。PLBN的OSI层由数字电力线、电力线交换和PLBN应用语言构成。
电力线通信的数据传输速率在1Kbps~20Mbps之间，其使用的频带受电力线的特性和调制技术所限，通常在2~20MHz以内。随着数据传输速率的提高，主要发展了三类信号调制技术：FSK、扩频技术和OFDM。

电力线宽带网络适配器的结构
该适配器结构如图1所示，主要由电力线网络控制器与电力线数据存取接口(PDAI)组成。
电力线网络控制器
电力线网络控制器由内核采用与8051 指令兼容的微处理器及数据收发器组成，具有网络的MAC/PHY层的控制功能。使用外加的ROM存储程序以完成电力线网络的协议控制、数据的调制/解调等功能。该处理器的程序存储和外部数据存储空间均为64K字节，内部数据存储器为256字节，寄存器区为配合电力线网络通信而增加了几个特殊的寄存器，如DPS(数据指针选择)、WDTCR(看门狗时标控制)等。该芯片内部带有2K字节缓冲区的RAM，具有较强的安全及出错检测能力，如32字节的加密阵列，256位密钥，数据包级认证，16位硬件CRC。该芯片在硬件上提供了电力线交换的嵌入式协议。图2给出了电力线网络控制器的框图。
控制器与网络相关操作包括两方面：将数据分成独立的数据包；对来自其他节点的数据包进行分发或接收。这些操作多由控制器自动进行，对编程者都是透明的，编程时只需对数据包在传递给控制器之前进行格式处理，大大减轻了数据封包/解包的编程工作。
在电力线网络控制器内置了用于数据信号调制/解调及转换的数据发送器和接收器，数据发送使用4个通道同时发送到PDAI 。数据的每一个字节在完成了并行—串行转换之后，可以选用两种调制方式——BPSK或QPSK进行PSK编码。
 数据接收器为并行4通道接收器，用于接收来自PDAI的4路电力线载波数据，每一个接收通道内均有独立的缓存，8051 微控制器在开始初始化接收工作后，数据包的接收由接收器完成。
电力线数据存取接口
PDAI是电力线与电力线网络控制器的连接部分，主要完成信号的变换、功放、滤波等工作。其结构如图3所示。
数据接收部分：按照OFDM调制方式，数据利用4个频率通道进行调制。来自电力线的数据由带通滤波器进行滤波，每一通道的中心频率都是不同的。中频部分使用Motorola公司的宽带中频电路MC13158。每一个通道使用不同的频率(频率范围为13.8MHz~18.9MHz)进行混合得到10.7MHz的中频信号。信号经陶瓷滤波器滤波后，由限幅器转换为数字信号。
数据发送部分：先由高速DAC将数据转换成模拟信号，经过一个频率为2~10MHz的多阶LC带通滤波器滤波后，通过差分驱动的功率放大直接送到电力线信号耦合变压器，该耦合变压器保证了适配器的低压部分与电力线电压隔离，从而保证使用者的安全。

网络适配器的软件功能处理
电力线网络适配器的软件功能处理主要涉及三个方面：用于控制适配器工作及网络底层协议处理能力的嵌入式程序; Windows下网络适配器及USB驱动程序的开发; Windows 下电力线网络管理程序等。嵌入式程序使用了Keil C51 调试平台，并定义了相应的芯片文件和寄存器文件。 Windows 下的程序则使用VC++ 1.52 (考虑到16位程序的兼容性)及 VC++ 6.0平台。
嵌入式程序的开发主要由实现电力线交换协议的PLX库及其相关的网络MAC的处理和网络适配器的控制程序组成。主要利用PLX库的固件接口来实现电力线交换，以及完成诸如系统初始化、USB的控制、各工作状态的显示等控制功能。本文用8051 汇编语言建立了PLX库。在PLX中几个主要处理功能是数据报侦听、集中式令牌传递和阵容卡维护。
驱动程序主要有以下几个部分组成：客户/服务器驱动程序、USB接口驱动程序、以太网模拟驱动程序和映射表模块。
安装及管理程序
安装程序主要完成Windows 9X/ Me/NT/2000 操作系统下网络适配器硬件驱动程序及能够使电力线宽带网更好地发挥作用的管理程序的安装；完成网络系统各个参数的配置。
管理程序提供文件共享、Internet共享、打印机共享设置向导。在一个电力变压器内，由于同一相位电源线的用户在使用PLBN技术进行通信时，无法利用传统方式进行计算机之间的隔离，为此，在PLX中还提供32字节密码矩阵的加密算法，用户可以在设置向导的导引下利用32个字符建立专用网络名，组成不同的专用网络。另外，为方便用户进行网络的简单测试，还提供了几个工具，如可以利用PLX和IP协议进行连同测试PING实用程序以及对PLBN的服务器、USB、NDIS驱动程序和网络适配器的诊断程序。

结语
家庭电力线联网存在很多技术难题。PLBN的电力线联网技术不仅克服所有这些技术难题，而且也提供了可伸缩性、优良的服务质量和应用层服务。■

参考文献
 1  Grayson Evans. The CEBus Communication Standard, Part 2.  Communication Systems Design, March 1996
2  D. Radford. Spread-spectrum Data Leap Through AC Power Wiring. IEEE Spectrum, Nov. 1996, pp. 48-53
3  Muller &&. Huber, J.B., (1997). OFDM with Reduced Peak-to-Average Power Ratio by Optimum Combination of Partial Transmit Sequence, Electronic Letters, Vol. 33, No.5 , February, pp. 368-369

作者简介：
刘榕和，现任职于厦门信息中心总工室，高级工程师；主要从事宽带无线通信及信息安全设备的研发工作。