一種基于電力線的家庭以太網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方法

隨著科技的進(jìn)步，網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)開(kāi)始涉及人們生活的方方面面。將網(wǎng)絡(luò)延伸到家庭，實(shí)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(lái)越受到國(guó)內(nèi)外眾多公司和開(kāi)發(fā)商的關(guān)注并已成為網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展、競(jìng)爭(zhēng)的又一新目標(biāo)。家庭電器、各種家庭設(shè)備和計(jì)算機(jī)之間互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)Internet的接入是未來(lái)家庭網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 家庭網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)

家庭網(wǎng)絡(luò)的提出已有多年。目前國(guó)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(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，具有各自的特點(diǎn)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(wú)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(hù)簡(jiǎn)單、成本低等特點(diǎn)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(mén)為信號(hào)傳輸設(shè)計(jì)的，傳輸質(zhì)量無(wú)法保證，容量受到其他信號(hào)的干擾，帶寬有限，網(wǎng)絡(luò)的安全問(wèn)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(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量。光纖有很高的帶寬，對(duì)于實(shí)現(xiàn)未來(lái)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(huì)在設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)重新布線，而且對(duì)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(hào)線附近，安裝比較復(fù)雜。

無(wú)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(jìn)普通家庭，必須在考慮通訊質(zhì)量的同時(shí)。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(jìn)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(kuò)展性、更高的帶寬。目前，中國(guó)網(wǎng)通公司就是運(yùn)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(gè)角落是家庭網(wǎng)絡(luò)要解決的主要問(wèn)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?lái)解決這個(gè)問(wèn)題有很大的優(yōu)勢(shì)。首先，它在家庭的分布最廣、接入容易。在家庭各個(gè)房間都安裝有電源插座，可以作為網(wǎng)絡(luò)的接入點(diǎn)。對(duì)于需要接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備放置沒(méi)特殊要求，凡是需要電源的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備就可以通過(guò)它的電源插座接入家庭網(wǎng)絡(luò)。而實(shí)現(xiàn)這些只需要在電源插頭上接上一個(gè)信號(hào)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(guò)電力線傳輸信號(hào)，不必再輔設(shè)額外的通訊線，這點(diǎn)對(duì)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(hào)。通過(guò)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(guò)同樣的中繼裝置再將電力線上的信號(hào)還原成Ethernet信號(hào)，或是通過(guò)建有其它接口的中繼裝置（如USB接口）將來(lái)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(shí)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(shí)現(xiàn)

2.1 基于電力線的高速信號(hào)傳輸技術(shù)

使用Intellon公司的PowerPacket技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)在電力線上的傳輸帶寬達(dá)到14Mbps，而這種技術(shù)將來(lái)可以在電力線上實(shí)現(xiàn)100Mbps的傳輸速率。這為未來(lái)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(shí)現(xiàn)基于電力線的高速信號(hào)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(kāi)受干擾嚴(yán)重的頻率；多載波同時(shí)傳輸，實(shí)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(hào)高速傳輸?shù)男酒?/P>

2.2 實(shí)現(xiàn)方案及工作過(guò)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(yíng)運(yùn)商將10Mbps以太網(wǎng)接到每個(gè)家庭，實(shí)現(xiàn)寬帶到戶即Ethernet 1段。中繼器實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的檢測(cè)、緩沖和轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)兩邊所連接的不同段的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的傳播。通過(guò)中繼器可以實(shí)現(xiàn)用電力線子網(wǎng)將兩個(gè)以太網(wǎng)段相連接，在任一網(wǎng)段之間實(shí)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?gòu)碾娏€端口發(fā)送出去。同時(shí)，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(gè)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(duì)它進(jìn)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(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的Bridge功能，它使用一種源識(shí)別交換（source-aware bridging）技術(shù)。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送以太網(wǎng)包，可以確定這個(gè)包的目標(biāo)點(diǎn)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(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，它會(huì)以中繼器的地址為目標(biāo)地址進(jìn)行發(fā)送。在中斷裝置收到這個(gè)包后，會(huì)自動(dòng)判斷是否需要處理SA和DA。中繼器的INT5130芯片內(nèi)部有一個(gè)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(shuō)明這個(gè)包是從其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的。在圖1中可以認(rèn)為是從Ethernet1段上的節(jié)點(diǎn)A發(fā)送的，它的SA為SA1，INT5130自動(dòng)將這個(gè)SA1加入到BDA表中然后通過(guò)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(diǎn)。這樣其他節(jié)點(diǎn)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(duì)這個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)行修改，在保留原來(lái)SA和DA的基礎(chǔ)上，封裝進(jìn)新的DA=BA、SA=本節(jié)點(diǎn)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(diǎn)添加的信息，還原成原來(lái)的數(shù)據(jù)包，再?gòu)囊蕴W(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(gè)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(hào)。為解決網(wǎng)絡(luò)的安全問(wèn)題，INT5130會(huì)將信號(hào)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(gè)設(shè)備可以有多個(gè)密碼鑰匙，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)配置這些密碼?？梢詫?shí)現(xiàn)同時(shí)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(shí)現(xiàn)通過(guò)家庭電力線以帶寬共計(jì)方式接入Internet、Internet應(yīng)用、PC文件和應(yīng)用共享、打印機(jī)共享、網(wǎng)絡(luò)游戲等。

2.3 中繼裝置原理與構(gòu)成

整個(gè)中繼裝置分為三個(gè)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(cè)以太網(wǎng)段的狀態(tài)，接收從以太網(wǎng)上傳來(lái)的數(shù)據(jù)包并發(fā)送從中內(nèi)控制模塊傳來(lái)的數(shù)據(jù)。電力線接口功能是檢測(cè)電力線狀態(tài)，對(duì)于要發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)將根據(jù)收到信號(hào)的強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)節(jié)前端放大的增益，自動(dòng)適應(yīng)電力線上的環(huán)境變化；然后將經(jīng)過(guò)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(shí)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(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)信號(hào)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(shí)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(shí)現(xiàn)。這樣既可以便于對(duì)將來(lái)新接口的兼容升級(jí)，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(duì)于可擴(kuò)展性的高要求。將中央控制模塊放在FPGA中實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)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(gè)系列的FPGA容量大、價(jià)格低，適合應(yīng)用在家庭網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品中。FPGA中需要實(shí)現(xiàn)與兩個(gè)接口模塊交互的控制接口，這可以由兩個(gè)接口狀態(tài)機(jī)實(shí)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(shí)現(xiàn)MII使其與接口芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和接口控制。中心控制由另一個(gè)狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)，它接收來(lái)自兩個(gè)接口狀態(tài)機(jī)的輸入信號(hào)，作出狀態(tài)判斷，然后對(duì)相應(yīng)的接口狀態(tài)機(jī)發(fā)送控制信號(hào)。它需要實(shí)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(gè)有效的以太網(wǎng)幀后，開(kāi)始向其它端口發(fā)送這個(gè)數(shù)據(jù)幀。在發(fā)送和接收的同時(shí)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(kāi)始發(fā)送以太網(wǎng)協(xié)議中規(guī)定的JAM幀，實(shí)現(xiàn)沖突的傳播，保證在網(wǎng)絡(luò)上同一個(gè)時(shí)間只有一個(gè)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(shí)，將這個(gè)端口暫時(shí)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(shí)間后，再將這個(gè)端口開(kāi)啟。在設(shè)計(jì)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(shí)，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(cè)到一個(gè)有效的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀頭，就可以開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)。

對(duì)于可擴(kuò)展性和兼容性要求不高的場(chǎng)合，可以考慮用專用的Ethernet repeater芯片替代FPGA實(shí)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(jiǎn)單、升級(jí)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(jì)的。將電力線作為家庭網(wǎng)絡(luò)信號(hào)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(diǎn)。采用PowerPacket技術(shù)還提供了在短距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)傳佃蝗，為家庭網(wǎng)絡(luò)實(shí)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(shí)現(xiàn)，既滿足成本低廉的要求，又能提供很好的升級(jí)和維護(hù)性能，可以根據(jù)用戶的要求和實(shí)際情況調(diào)制控制模式和新增接口。