利用高速电力线通信技术快速构建局域网

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摘 要 高速电力线通信技术可以在电力线上传递高达100Mbps以上的数据信号。本文对高速电力线通信中的关键技术和相关产品进行了介绍，并说明如何利用这些设备构建家庭或办公局域网，以及组网过程中经常会遇到的问题和相应的解决办法。
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关键词 高速电力线通信 PLC OFDM 电力线调制解调器 电力线网桥 局域网

一、前言

　　一块办公区，没有进行以太网布线，但办公计算机之间要相互通信，又不想开墙凿壁，重新布线，该怎么办？

　　在家里想要几个人联网打游戏，或者几台机器想通过其中一个接到ADSL上，同时上网，又不想拉上一堆乱七八糟的网线，怎样实现？

　　你可能想：使用无线局域网！也许可以。不过无线局域网保密性比较差，管理不善，容易被别人侵入，作为办公网应用，存在安全隐患。在家庭中使用，因为设备质量参差不起，如果无线设备的功率很小，因为房屋中间有水泥墙，信号可能比较差，通信不稳定。如A果信号很强，有可能对人体有害。况且一套无线设备购置下来，也是一笔不小的开销。有没有其他更加安全、可靠的方式在十分钟以内构建起一个局域网呢？有！就是利用高速电力线通信技术来快速构建局域网。

二、高速电力线通信技术发展简介

　　电力线通信技术的英文简称为PLC（Power Line Communication），是指利用电力线传输数据和话音信号的一种通信方式。利用电力线通信，已经有几十年的发展历史，如在中高压输电网（35kV以上）上通过电力载波机利用较低的频率（9-490kHz）传递低速数据或话音。在低压（220V）配电网，PLC技术主要用于负荷控制、远程抄表和家居自动化，其传输速率一般为1200bps或更低，因此称为低速PLC。通常把传输速率在1Mbps以上的电力线通信技术称之为高速PLC，直到最近几年，由于技术上的突破性进展，才开始出现成熟的产品，投入实际的应用。这一领域中比较有代表性的公司如芯片级厂商：美国的Intellon、法国Easyplug 公司、以色列的ITRAN、西班牙的DS2。设备厂商如美国的ASOKA、韩国的Xeline公司、瑞士的ASCOM公司等。产品的传输速率从1Mbps发展到2Mbps、14Mbps、45Mbps、100Mbps，甚至200Mbps。国内中国电科院、福建电科院一直在进行相关的技术研究，而北京杰智讯等一批设备生产厂家陆续研发生产了系列产品，并在不少地方得到了应用。

三、高速电力线通信中的相关技术

　　在电力线上进行数据传递最主要的问题是克服电力线上存在的各种各样的噪声。电力线上连接的设备数量、种类比较多，通常会产生各种特性不同的干扰信号；电力线的分支很多、每个分支的负载情况不同。这些因素导致电力线信道的通信特征随时间、位置和负载在不停地变化。传统的ASK、PSK或FSK在这样的环境下都很难取得理想的高速通信效果，解决这一问题的关键是选择一个健壮性好的调制解调技术。

　　在大量研究的基础上，逐渐锁定OFDM（正交频分复用）作为电力线通信中的调制解调技术，该技术也是HomePlug电力线联盟执行规范HomePlug1.x中的核心。规范中规定，高速电力线通信的使用的频段为4.3到20.9MHz，OFDM把这段频率分成多个子波，最多可达84个，然后把数据调制到每个子波上。多个载波可以同时使用，每个载波传递一路低速信息，在接受端对信息进行组合恢复。如果发送数据时速率为B,同时使用N个载波，每个载波的实际速率就是1/N *B。这样，可以从多个载波中根据实际环境，选择通信质量最好的载波进行利用。在存在噪声的情况下，尽管某些载波可能受到影响，不能正常通信，但是仍有其他的载波可以利用，通信不会中断。同时使用前向纠错技术增强每个载波的可靠性。

　　高速电力线通信技术中，媒体访问控制（MAC）协议是CSMA/CA的一个变种，类似于802.11中采用的MAC协议，并使用虚拟载波侦测技术有效地减少冲突。

　　目前高速电力线通信技术支持的速率有2M、14M、45M、100M、200M等多种，但真正商用的产品基本上都是14M的产品。

　　电力线通信是共享介质的通信方式，为保证数据传递的安全性，所有的数据传递都要进行加密。不同厂家的产品支持的加密方式、算法不尽相同，如杰智讯电力线通信产品使用的是56位长的DES算法，既可满足通信安全性的要求，又使设备具有较好的性能。另外杰智讯电力线调制解调器还支持802.1Q VLAN功能，可以把PLC设备分到不同的VLAN中，只有属于同一个VLAN的PLC设备之间才能直接通信，当电力线通信终端收到不同VLAN中的设备发送的信息时，直接丢弃，这样可以有效地防止非法用户的数据侦听。

四、高速电力线通信设备分类

　　高速电力线通信技术是一种宽带接入技术，其对应的产品，和其他的通信设备分类方式类似，分成用户端设备和局端设备。用户端设备通常称为电力调制解调器，又称电力猫。电力猫一般提供两个接口。一个是数据接口，直接和用户的计算机相接，接口的种类通常是以太网接口或者USB接口；另一个接口就是电源接口，在给电力调制解调器供电的同时还用来传输数据信息。

　　而局端设备根据其功能的不同，通常分为电力网桥、电力交换机和电力路由器，目前应用较多的还是电力网桥，通常会有多个接口。一个或多个耦合接口用来从电力线上以非接触方式提取由用户端电力调制解调器发送的信号，同时把数据信号加载到电力线上。另外有一个或多个以太网接口，用于和其他的网络设备（如普通的以太网交换机、路由器）相连。电源接口只用来提供电源，并不传递数据信号。电力网桥本身没有数据交换的能力。电力交换机和普通以太网交换机的功能类似，但具有多个从电力线上收发信号的耦合接口，并且能根据数据链路层信息对来自不同耦合接口的数据进行交换。电力路由器的功能和普通的路由器类似，但具有多个从电力线上收发信号的耦合接口，并且能根据网络层信息对来自不同耦合接口的数据进行路由选择和交换。

五、构建局域网的基本方式

　　局域网的主要功能就是在较小的范围内把计算机或其他的终端设备连接起来，实现彼此间的相互通信。在办公室或者家里，只要已经布好了电源线，把高速电力线通信调制解调器向电源插销板上一插，然后把计算机等终端设备通过以太网线或者USB接口线连接到调制解调器上，配上合适的IP地址，计算机之间就能够相互通信了，局域网构建完毕。如果使用的是USB接口，需要在计算机上安装驱动程序，如果使用的是以太网接口，驱动程序都不需要安装。

　　如果想把这个局域网和互联网连接起来，就要用到电力网桥或其他局端设备。通常把电力网桥放在楼宇或者楼层的配电间内，把它的电力线耦合接口通过5类线以非接触耦合方式把电源线上的数据通信信号提取下来，另一个以太网端口和楼宇内的以太网交换机相连，如果楼宇内以太网交换机已经连接到互联网上，经过上述的连接，办公或者家庭以太网就连接到了互联网上。

　　采用电力线通信设备构建局域网的组网图如图1所示：

六、高速电力线通信中经常遇到的问题

　　和任何其他的技术一样，高速电力线通信设备在使用的过程中也会碰到一些问题，这里列出几个常见的问题。

　　1. 干扰问题

　　高速电力线通信最常遇到问题就是干扰问题。电力线上连接的电器种类很多，产生的噪声种类也就很多，特性各异。主要噪声源有：

　　• 个别设备上的开关电源，如有些电脑主机、复印机、打印机等办公设备的电源；

　　• 劣质手机充电器；

　　• 使用可控硅的调光台灯；

　　• 变频空调、变频洗衣机等新型家电；

　　• 高频噪声源：冲击钻、切割机等等。

　　通常，这些设备的存在不会影响正常的通信。如果设备质量问题产生的噪声干扰太强，通信不稳定，可用排除法找到干扰源，用滤波插座予以隔离。

　　2. 带滤波的插销板

　　高速电力线通信使用4.3M-20.9MHz的频段传递信号。有些规格的插座本身带有滤波功能。如果把调制解调器或者桥接器接到这样的插座上，有可能会影响正常的电力线通信。遇到这种情况，只要换成普通的插座就可以了。

七、小结

　　综上所述，采用高速电力线通信技术构建局域网具有如下特点：

　　（1）快。线路是既有的，只要把设备插上就马上能够使用了。

　　（2）易。几乎不用任何配置，操作十分简单。
　
　　（3）省。省心，不用为布线费心，也就不用在使用后，收拾临时拉扯的线路。

　　典型的使用环境：

　　（1）租赁的办公室。不想为租赁的办公室布线，又需要搭建办公网，可采用高速电力线通信设备搭建。

　　（2）展台。现在的展台，特别是通信展中的展台，常需要临时搭建局域网，采用以太网方式，每次都要在布线上花费很多时间，采用高速电力线通信设备构建局域网，方便快捷，充分体现快、易、省的特点。

　　（3）家庭联网。大部分家庭中没有布置。

　　随着高速电力线通信技术产业化的发展，相关的产品会越来越便宜，种类越来越丰富，必将成为构建家庭和办公局域网的理想选择。