一種基于電力線的家庭以太網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)方法

隨著科技的進步，網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)開始涉及人們生活的方方面面。將網(wǎng)絡(luò)延伸到家庭，實現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)化、家用電器的上網(wǎng)和家庭的智能化等，越來越受到國內(nèi)外眾多公司和開發(fā)商的關(guān)注并已成為網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展、競爭的又一新目標(biāo)。家庭電器、各種家庭設(shè)備和計算機之間互聯(lián)，實現(xiàn)Internet的接入是未來家庭網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢。

1 家庭網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)技術(shù)

家庭網(wǎng)絡(luò)的提出已有多年。目前國際上比較成熟和流行的有幾種解決方案都基于不同的物理媒介，實現(xiàn)家庭內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，具有各自的特點和不足之處。

（1）No New Wire：電話線、電力線。

（2）New Wires：以太網(wǎng)、光纖、USB、IEEE1394。

（3）Wireless：家庭射頻、藍(lán)牙技術(shù)、無線以太網(wǎng)（IEEE802.11）。

電話線和電力線技術(shù)，在構(gòu)建家庭網(wǎng)絡(luò)中，因安裝方便、維護簡單、成本低等特點被許多家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商看好。但是由于電話線、電力線不是專門為信號傳輸設(shè)計的，傳輸質(zhì)量無法保證，容量受到其他信號的干擾，帶寬有限，網(wǎng)絡(luò)的安全問題很難保證。

以太網(wǎng)、不纖技術(shù)是非常成熟的技術(shù)。將它引入到家庭網(wǎng)絡(luò)中，可以保證信號傳輸?shù)馁|(zhì)量。光纖有很高的帶寬，對于實現(xiàn)未來家庭網(wǎng)絡(luò)的多媒體應(yīng)用有非常大的潛力。但是一般家庭不會在設(shè)計時預(yù)先輔助設(shè)以太網(wǎng)線或是光纖，所以必須在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)時重新布線，而且對于需要接入家庭網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，必須要安裝在鋪設(shè)好的信號線附近，安裝比較復(fù)雜。

無線家庭網(wǎng)絡(luò)也是目前一種比較好的解決方案，它不需要重新架線，但是帶寬和成本的比率很低。

為使家庭網(wǎng)絡(luò)能真正走進普通家庭，必須在考慮通訊質(zhì)量的同時。兼顧成本。因此，可以考慮將各種解決方案融合，建立基于不同媒介的家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

目前寬帶進入家庭有兩種接入方式：ADSL和Ethernet。而Ethernet接入與ADSL相比有更好的擴展性、更高的帶寬。目前，中國網(wǎng)通公司就是運用此技術(shù)提供寬帶服務(wù)的。家庭中，如何將Ethernet最便捷和高效地延伸到各個角落是家庭網(wǎng)絡(luò)要解決的主要問題。在家庭環(huán)境下，將電力線作為近距離高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿浇閬斫鉀Q這個問題有很大的優(yōu)勢。首先，它在家庭的分布最廣、接入容易。在家庭各個房間都安裝有電源插座，可以作為網(wǎng)絡(luò)的接入點。對于需要接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備放置沒特殊要求，凡是需要電源的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備就可以通過它的電源插座接入家庭網(wǎng)絡(luò)。而實現(xiàn)這些只需要在電源插頭上接上一個信號的中繼裝置。其次，成本低、安裝方便正是家庭網(wǎng)絡(luò)所追求的。通過電力線傳輸信號，不必再輔設(shè)額外的通訊線，這點對于剛裝修好的家庭尤為重要。最后，它適應(yīng)多種接口的接入。將接入家庭的Ethernet信號。通過特殊的中斷裝置傳送到電力線上，在家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)備端，通過同樣的中繼裝置再將電力線上的信號還原成Ethernet信號，或是通過建有其它接口的中繼裝置（如USB接口）將來自電力線的數(shù)據(jù)從特定接口傳給家庭設(shè)備（如上網(wǎng)家電），實現(xiàn)家庭設(shè)備的互聯(lián)。此技術(shù)中，最為關(guān)鍵的就是不同媒介之間的中繼裝置。

2 網(wǎng)絡(luò)中繼裝置的實現(xiàn)

2.1 基于電力線的高速信號傳輸技術(shù)

使用Intellon公司的PowerPacket技術(shù)，可以實現(xiàn)在電力線上的傳輸帶寬達(dá)到14Mbps，而這種技術(shù)將來可以在電力線上實現(xiàn)100Mbps的傳輸速率。這為未來家庭網(wǎng)絡(luò)向多媒體應(yīng)用方向發(fā)展提供了支持。為實現(xiàn)基于電力線的高速信號傳輸，Intellon公司采用了其新的專利技術(shù)——正交頻分多路調(diào)制（OFDM）技術(shù)。它可以自適應(yīng)地調(diào)整載波頻率，避開受干擾嚴(yán)重的頻率；多載波同時傳輸，實現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)傳輸。Intellon公司新推出的INT5130和INT1000就是采用這種技術(shù)的專用于低壓電力線信號高速傳輸?shù)男酒?/P>

2.2 實現(xiàn)方案及工作過程

家庭網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)如圖1所示。網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)營運商將10Mbps以太網(wǎng)接到每個家庭，實現(xiàn)寬帶到戶即Ethernet 1段。中繼器實現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的檢測、緩沖和轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)兩邊所連接的不同段的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的傳播。通過中繼器可以實現(xiàn)用電力線子網(wǎng)將兩個以太網(wǎng)段相連接，在任一網(wǎng)段之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的透明傳輸。當(dāng)Ethernet1上的數(shù)據(jù)由中繼器的以太網(wǎng)端口接收后，中繼器將做出判斷，緩沖接收到的數(shù)據(jù)，再從電力線端口發(fā)送出去。同時，以太網(wǎng)端口和電力線端口都符合CSMA/CD規(guī)范。

中繼裝置的電力線端有MAC控制，但有別于以太網(wǎng)的MAC。它是一個比以太網(wǎng)MAC更低層次的MAC，如圖2所示。它將以太網(wǎng)的MAC包視為數(shù)據(jù)包，再對它進行一次封裝，將電力線MAC的信息封裝到新的數(shù)據(jù)包中，然后在電力線上傳輸。電力線端口的INT5130中內(nèi)建有RISC，可以實現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的Bridge功能，它使用一種源識別交換（source-aware bridging）技術(shù)。當(dāng)一個節(jié)點需要發(fā)送以太網(wǎng)包，可以確定這個包的目標(biāo)點是否在電力線上。如果不在本電力線段，而是需要中繼裝置進行轉(zhuǎn)發(fā)，它會以中繼器的地址為目標(biāo)地址進行發(fā)送。在中斷裝置收到這個包后，會自動判斷是否需要處理SA和DA。中繼器的INT5130芯片內(nèi)部有一個地址列表，提供BDA（Bridged Destination Address）信息。它把從MII口收到的以太網(wǎng)包的SA和自己的地址（BA）比較，如果不相同，則說明這個包是從其他節(jié)點發(fā)送的。在圖1中可以認(rèn)為是從Ethernet1段上的節(jié)點A發(fā)送的，它的SA為SA1，INT5130自動將這個SA1加入到BDA表中然后通過Channel Estimation Response數(shù)據(jù)幀，將它的地址BA和它的BDA表發(fā)送給電力線上的其他節(jié)點。這樣其他節(jié)點就知道如果要發(fā)送DA=SA1的包就需要向地址為BA的中繼裝置發(fā)送。而在發(fā)送前先對這個數(shù)據(jù)包進行修改，在保留原來SA和DA的基礎(chǔ)上，封裝進新的DA=BA、SA=本節(jié)點地址。這樣在中繼裝置收到后，去掉由電力線上發(fā)送節(jié)點添加的信息，還原成原來的數(shù)據(jù)包，再從以太網(wǎng)端口發(fā)送到以太風(fēng)上去。

由于將電力線作為傳輸媒介，因此每個連接到電力線上的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都可以將收到其他設(shè)備發(fā)出信號。為解決網(wǎng)絡(luò)的安全問題，INT5130會將信號加密發(fā)送，在接收端再解密。收發(fā)雙方有相同的密碼鑰匙才可以互相通訊。而且，一個設(shè)備可以有多個密碼鑰匙，可以通過網(wǎng)絡(luò)配置這些密碼?？梢詫崿F(xiàn)同時與不同設(shè)備的通訊，而互不干擾。

有了這些技術(shù)。INT5130可以實現(xiàn)通過家庭電力線以帶寬共計方式接入Internet、Internet應(yīng)用、PC文件和應(yīng)用共享、打印機共享、網(wǎng)絡(luò)游戲等。

2.3 中繼裝置原理與構(gòu)成

整個中繼裝置分為三個主要模塊：以太網(wǎng)接口模塊、電力線接口模塊和中央控制模塊。以太網(wǎng)接口模塊的主要功能是檢測以太網(wǎng)段的狀態(tài)，接收從以太網(wǎng)上傳來的數(shù)據(jù)包并發(fā)送從中內(nèi)控制模塊傳來的數(shù)據(jù)。電力線接口功能是檢測電力線狀態(tài)，對于要發(fā)送的數(shù)據(jù)進行加密、調(diào)制、放大后發(fā)送到電力線上；在接收數(shù)據(jù)時將根據(jù)收到信號的強度自動調(diào)節(jié)前端放大的增益，自動適應(yīng)電力線上的環(huán)境變化；然后將經(jīng)過解調(diào)和解密，將還原的數(shù)據(jù)傳給中央控制模塊。中央控制模塊是實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換控制，控制數(shù)據(jù)鍵路狀態(tài)的中心。

                            

在以太網(wǎng)端，采用一般通用的以太網(wǎng)物理收發(fā)器，實現(xiàn)以太網(wǎng)信號的收發(fā)。這里可以考慮采用DAVICOM的DM9161，10MB/100MB自適應(yīng)收發(fā)器，完全兼容IEEE802.3MII接口。

在電力線端，采用Intellon公司的INT5130和INT1000套片。它實現(xiàn)電力線上以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的傳輸，內(nèi)建PowerPacket電力線MAC和電力線收發(fā)器、802.3MII接口和其他的算法控制模塊。

中繼裝置的中央控制模塊由FPGA實現(xiàn)。這樣既可以便于對將來新接口的兼容升級，也考慮到家庭網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展迅速，以太家庭網(wǎng)絡(luò)對于可擴展性的高要求。將中央控制模塊放在FPGA中實現(xiàn)，可以實現(xiàn)多種家庭網(wǎng)絡(luò)通信。如Ethernet-Power-line-Ethernet;Ethernet-Power-line-USB；Ethernet-Power-line-WirelessNet等。

FPGA可以采用Altera公司的ACEX系列或是Xilinx的SpartanII。這兩個系列的FPGA容量大、價格低，適合應(yīng)用在家庭網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品中。FPGA中需要實現(xiàn)與兩個接口模塊交互的控制接口，這可以由兩個接口狀態(tài)機實現(xiàn)。由于外圍的接口芯片都采用了MII接口，所以必須在FPGA中實現(xiàn)MII使其與接口芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和接口控制。中心控制由另一個狀態(tài)機實現(xiàn)，它接收來自兩個接口狀態(tài)機的輸入信號，作出狀態(tài)判斷，然后對相應(yīng)的接口狀態(tài)機發(fā)送控制信號。它需要實現(xiàn)輸入的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的緩存，然后在判斷出是一個有效的以太網(wǎng)幀后，開始向其它端口發(fā)送這個數(shù)據(jù)幀。在發(fā)送和接收的同時必須監(jiān)視接口的狀態(tài)，如果發(fā)生沖突，必須暫停所有的發(fā)送，然后開始發(fā)送以太網(wǎng)協(xié)議中規(guī)定的JAM幀，實現(xiàn)沖突的傳播，保證在網(wǎng)絡(luò)上同一個時間只有一個發(fā)送者擁有網(wǎng)絡(luò)。為保證網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)性，可以考慮在接收端發(fā)生沖突的概率P>設(shè)定值時，將這個端口暫時封閉。這樣可以避免另一端的網(wǎng)絡(luò)受到影響而沖突頻繁。在延遲一定時間后，再將這個端口開啟。在設(shè)計中還需注意數(shù)據(jù)包不能在中繼裝置中造成很大的延時，所以中央控制模塊要盡可能快地將數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。所以當(dāng)檢測到一個有效的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀頭，就可以開始發(fā)送數(shù)據(jù)。

對于可擴展性和兼容性要求不高的場合，可以考慮用專用的Ethernet repeater芯片替代FPGA實現(xiàn)的央控制器功能。

基于家庭網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備都必須要求具備：安裝方便，結(jié)構(gòu)簡單、升級性好、安全可靠、成本低廉。本文介紹的這種新型的家庭網(wǎng)絡(luò)中繼設(shè)備正是基于這種考慮而設(shè)計的。將電力線作為家庭網(wǎng)絡(luò)信號傳輸?shù)妮d體，大大便捷了網(wǎng)絡(luò)的安裝，增加了接入的手段和接入點。采用PowerPacket技術(shù)還提供了在短距離內(nèi)實現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)傳佃蝗，為家庭網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)多媒體應(yīng)用提供了可能。在硬件接口上采用了標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)接口和電力線接口芯片，完全兼容IEEE標(biāo)準(zhǔn)和HomePlug，中央控制完全由FPGA實現(xiàn)，既滿足成本低廉的要求，又能提供很好的升級和維護性能，可以根據(jù)用戶的要求和實際情況調(diào)制控制模式和新增接口。