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1、PLC组网方案及应用【摘要】在分析电力线通信网络(PLC-NET的特点和应用优势的基础上，提出 PLC-HLAN,PLC-VP和PLC-AN等 3种组网方 案；在描述PLC-HLAN的家电控制等服务的同时，给出了总 线式家庭网络的硬件组成，分析了网络的 MAC子层的CSMA/CD及应用层的CAL协议的应用；在多种PLC-VPN的应用中， 以自动抄表系统为例，给出了其组网的具体实现，包括网络 的数据节点、集中和路由器的结构；在PLC-NET与电信网、计算机网的业务融合中，给出了PLC-A N的结构以及三网融合的接入方式，其中包括传输技术质量保证体系和相应的应 用协议等。关键词】 PLC 组网方案
2、在当前网络多元化发展的进程中，电力线通信（PLC、电力线通信网络（PLC-NET作为网络的一支新秀，以其覆盖范围 广、一线双用、即插即用、少量投资等独有的魅力跻身于群 网之中。通观PLC-NET自身的性能特点。具体体现在家庭内 部管理的局域网 PLC-HLAN以家庭某种家电（例如电表）为网 络单元所组成的虚拟专网 PLC-VPN以及满足共享Internet资 源、提供多种生活服务的接入网PLC-AN就其与各家各户的生活息息相关而言，势必引起人们的密切关注。本文将对这 3 种网络的组网结构、功能特点、调用协议、服务内容等方 面进行描述。一、PLC-HLANPLC-HLAN是指以个人电脑（主控单元
3、）、各类家电及室内 电力线舴为通信媒质 ）组成的家庭内部的局域网，可方便地实现对内部家电的控制。PLC-HLAN真正体现了“信息家电”的 内涵，是一个私有的、专用的、不需重新布线的智能家庭网 络。PLC-HLAN上的家电控制服务主要是在电力线上发送一些 简单的控制命令， 因此，对传输速率要求不高， 一般为 7.5kbit / s,即可满足要求。PLC-HLAN对数据的可靠性要求很高， 所以针对PLC信道的噪声干扰强、信号衰减大等问题，建议 使用相应的调制技术加以克服。（一）PLC-HLAN 的结构PLC-HLAN的系统结构如图1所示。PLC-HLAN包含主控 单元和受控单元。主控单元以微处理器
4、为核心，发出的控制 信号经 Modem 模块加以编码、调制、滤波和放大处理后， 由耦合电路送入电力线。受控单元对接收到的信号进行选频、 地址判别和解调后，送入智能家电接口的控制寄存器以实现 对各种动作的监控。为了保证该PLC-HLAN总线结构安全可靠，一方面，硬 件设计上，每件支持 PLC-HLAN的家电需要包含一个可编程 电路模块，写入该电器的识别信息，电器连接电源线后，主 控单元检测其识别信息，确认电器种类及工作模式后，动态 地分配地址给该电器，并将其写入该电器的可编程电路模块。 电器与电源线断开连接时，主控单元回收地址资源，实现电 器在PLC-HLAN上的即插即用。另一方面，在整个 PL
5、C-HLAN 与室外电力线的连接处设立一个防火墙，以确保家庭内部数 据的私有性和控制信号的独立性。（二）MAC层协议的选择当家庭网络中多于 1 组主机与家电之间同时进行通信或当多种模式的通信同时进行时，如何分配共享的介质资源，对网络的响应时间、吞吐量和效率将起十分重要的影响。由于家电控制服务负载较低，而且具有可变性和突发性， 综合考虑实现费用、性能、属性并结合家庭网络需要，竞争 式动态分配协议更适合 PLC-NET IEEE 802.3建议的载波检测 多址/冲突检测（CSMA/ CD）网络协议即采用竞争式， 适用于 总线型结构，其载波检测多址接入特性使每个站都能在发送 数据前，监听信道上的其他
6、站是否在发送数据，如此闲时网 络上无数据传送， 减少辐射干扰， 短时间内可加大功率发送， 延长通信距离，但总的指标仍能满足电磁兼容性要求。二、PLC-VPNPLC-VPN!过公共电力网实现分散的家庭内部共有社会 业务的站点之间的互联，形成物业管理网络及安全防范网络， 这些站点的集合就是一个 VPN。图2为用于自动抄表系统的 示意图。一个公共电力网能同时支撑多个这样的VPN，这些VPN之间不能相互通信的，由此保证其专用性，可以通过设置统 一的网关与公共电力网相连，提高可管理性和安全性。下面 以抄表系统为例分析其性能要求及系统结构。自动抄表系统的硬件结构如图 3所示，由 5个主要部分 组成：用户电
7、能表，数据节点，集中器，路由器 ,Modem, 远 程 PC 机。系统以供电局的计算机抄表中心为主站，以电力 变压器 10kV 220V 供电的每个小区为相对独立的子系统。 在这些子系统中，集中器又相当于主站，数据节点为从数据 节点提供了用户设备与电力线的通道，而且节点本身还有一 定的数据处理功能。集中器用于处理变压器一侧的所有的电 能表数据，其结构如图 4 所示。它与数据节点的不同之处在 于要增加信号放大器，以弥补功率损失。此外，集中器还可 以充当数据缓冲 N,I2 克服数据不能实时传输的缺点。由于PLC的通信环境相当复杂，负载的电子开关器件会 产生频域很广的噪声，电力线间的耦合电容会造成信
8、号的衰 减，线路上的频变元件会造成信号的失真，所以有可能在某 一段时间内通信双方都收不到对方的信息，或者收到不能辨 别的信息包，这样就形成了电力线通信的非实时性特点，为 此可以令集中器周期性地启动数据采集任务，通过增加采集 次数来减少单位时间内通信的失败概率。这种作法只适合于 数据实时性要求不高的领域，例如抄电表、水表等。路由器跨接在2个独立的VPN之间，实现电网间的信号 互通，以扩展通信范围，其结构如图 4 所示。在网络中，子 网以路由器为分隔点，路由器根据相线上信号包的始端地址， 判断是否进行子网间的传送，这样既避免了在子网上存在冗 余信号，也保证了数据的专有性。电力线 Modem 的功能
9、是 对采集器送来的数据进行调制解调，增强对低压电网的抗干扰能力和减低信道传输的误码率。计算机抄表中心通过通信 网对集中器送来的电量数据进行分类和存储，校对抄录时间、 设置用户编号和抄表时间，发布抄表命令以及统计和计价， 为收取电费、线损计算、负荷控制提供服务，并提供可供用 户查询的数据库等服务。三、PLC-AN在信息时代，各种物理网络若仅限于内部，而不在公共 网络平台上，不能共享网络资源，则将黯然失色。作为家庭 接入网的PLC-AN,连接了 PSTN,ISDN和HFC等传输网络，通 过路由器 （或网关 ）进入 Internet ，实现对包括语音、图像及其 他数据在内的高速综合接入，从而在基于柔
10、性连接技术的宽 带IP平台上，实现网络资源的共享。（一 ）PLC-AN的结构PLC-AN的系统结构如图5所示。配电变压器对电力载波信号有阻隔作用，使得电力载波 信号只能在一个配电变压器区域范围内传送，因而将小区路 由器设置在变压器低压侧。路由器外侧接口与电信网和计算 机网连接，路由 器根据上行PLC数据包的标识信息辨别 目的网络。路由器内侧接口经耦合适配器与低压电力网相连。 路由器与小区内各家庭构成树状结构的小区局域网，以路由 器作为根节点。将每个 PLC-HLAN视为子网，对下行的 PLC 数据流目的地址进行子网判别，以确定路由方向。同时，路 由器具有数据缓存的功能。路由器与子网主控单元协调
11、，检 测子网空闲带宽，由滑动窗口控制进入子网的数据流大小。PLC-AN结构凭借子网主控单元与小区路由器紧密结合，实现不同家庭网络技术间的无缝连接，依靠小区路由器实现对外 部网络的灵活选择。（二）协议的选择1 PLC-AN与计算机网的融合在低压配电网中，用户到前端的距离常常有几公里，用 户终端到前端的信号传输延迟增大，从而决定了用户计算机 与前端的网络通信不能采用普通的局域网协议，必须采用专 用的网络协议， 例如 IEEE 802.14协议。 而现有计算机上的网 络适配卡一般只能用在局域网环境下，不能直接用在低压配 电网的数据通信中，因而需要通过主控单元实现普通局域网 协议与专用网络协议的转换。
12、其方法是：将从低压配电网传 来的数据经层层解包后提交网络层，再按以太网协议层层封 装处理后转发到计算机网络接口；将从计算机发来的数据按 以太网协议层层解包后提交网络层，随后按IEEE802.14协议 层层封装后转发到低压配电网。 由于 IEEE 802.14协议与 ATM 相兼容，因此上述结构很容易移植到 ATM 网络中。2 PLC-A N与电信网的融合在PLC-AN上传输的语音、图像信号实际上是基于IP技术的语音数据包。例如，通话者发出的声音经数字化处理和 压缩，分割成标准的 TCPIP 包格式，通过 Internet 或企业 网，发送到目的地所在的另一主控单元，由其内部的PLCModem
13、对网络传来的数据包进行逆操作，将其转换为语音， 送到电话线上，实现全双工通信，涉及的协议主要有H.323协议、资源预留协议 （RSVP、l G.723.1 协议和 G.729 协议等。 其中H.323协议以实时通信协议（RTP/RTCP为基础，包含音 频编解码和多媒体通信等一组技术标准。资源预留协议用于 向网络所经的节点预约必要的流量冗余，以提供保证通话流 畅等服务质量。 G.723.1 协议是双速率语音编码器， 速率分别 为 6.3kbit / s 和 5.3kbit /s。G.729 协议可以将 64kbit /s 的语 音信号压缩为 8kbits,1）2 保证数据包的有效传送。四、结语PLC-NET无论是用做家庭网、专用网还是接入网都有美 好的应用前景。其中 PLC-HLAN可实现对电冰箱、电视机等 家电的控制服务，使智能家庭的实现成为可能。PLC-VPN已 开始试用于抄表系统，还将在能源控制、故障维修、自动巡 访、事件记录、 辅助报警、物业管理等方面发挥更大的作用。PLC-AN则更充分发挥了 PLC的特点，开拓了广泛的增值信息 业务空间，包括基于IP的语音业务（vOIP）、电视会议、视频 广播、视频点播（vOD）、网上购物、电子商务、电子白板、远 程教育，以及远程医疗等多种服务，有望成为今后接入网的 主流。