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1、物联网工程技术第4章 网络层技术,武汉理工大学物联网工程系2011.9,第4章 网络层技术,4.1 WiFi技术4.2 无线Mesh网络4.3 电力线通信技术,4.1 WiFi技术,4.1.1 WiFi简介Wi-Fi全称Wireless Fidelity（无线保真，又称IEEE 802.11b标准）是由一个名为“无线以太网相容联盟”（Wireless Ethernet Compatibility Alliance，WECA）的组织所发布的业界术语，中文译为“无线相容认证”，是一个无线网络通信技术的品牌，由Wi-Fi联盟（Wi-Fi Alliance）所持有。Wi-Fi是一种短程无线传输技术，能
2、够在数百英尺范围内支持互联网接入的无线电信号，是一种可以将个人计算机、手持设备（如PDA、手机）等终端以无线方式互相连接的技术。随著技术的发展，以及IEEE 802.11a及IEEE 802.11g等标准的出现，现在IEEE 802.11这个标准已被统称作Wi-Fi。常见的就是一个无线路由器，那么在这个无线路由器的电波覆盖的有效范围都可以采用Wi-Fi连接方式进行连网，如果无线路由器连接了一条ADSL线路或者别的上网线路，则又被称为“热点”。,4.1.2 WiFi协议,1.IEEE 802.11系列协议作为全球公认的局域网权威，IEEE 802工作组建立的标准在局域网领域内独领风骚，这些协议包
3、括了802.3以太网协议、802.5令牌环协议、802.3z快速以太网协议。在1997年，经过了7年的工作以后，IEEE发布了802.11协议，这也是在无线局域网领域内的第一个国际上被认可的协议。IEEE 802.11定义了介质访问接入控制层（MAC层）和物理层。物理层定义了工作在2.4GHz的ISM频段上的两种无线调频方式和一种红外传输的方式，总数据传输速率设计为2Mbit/s。两个设备之间的通信可以自由直接（ad hoc）的方式进行，也可以在基站（Base Station，BS）或者访问点（Access Point，AP）的协调下进行。系列协议主要有：802.11a，802.11b，802
4、.11e，802.11g，802.11h，802.11i，802.11n，802.11p，802.11s。,4.1.2 WiFi协议,2.IEEE 802.11的分层结构802.11定义了两种类型的设备，一种是无线站，通常是通过一台PC机器加上一块无线网络接口卡构成的，另一个称为无线接入点(Access Point)，它的作用是提供无线和有线网络之间的桥接。(1)802.11物理层在802.11最初定义的三个物理层包括了两个扩散频谱技术和一个红外传播规范。扩散频谱技术保证了802.11的设备在这个频段上的可用性和可靠的吞吐量，这项技术还可802.11无线标准定义的传输速率是1Mbps和2Mbp
5、s，可以使用FHSS（Frequency hopping spread spectrum，跳频扩频）和DSSS（Direct sequence spread spectrum，直接序列扩频）技术，FHSS和DSSS技术在运行机制上是完全不同的，所以采用这两种技术的设备没有互操作性。以保证同其他使用同一频段的设备不互相影响。,4.1.2 WiFi协议,2.IEEE 802.11的分层结构(2)802.11b的增强物理层目前广泛应用的WiFi技术就是指802.11b技术，802.11b在无线局域网协议中最大的贡献就在于它在802.11协议的物理层增加了两个新的速度：5.5Mbps和11Mbps。为
6、了实现这个目标，DSSS被选作该标准的唯一的物理层传输技术，这个决定使得802.11b可以和802.11DSSS系统互操作。最初802.11的DSSS标准使用11位的chipping-Barker序列-来将数据编码并发送，每一个11位的chipping代表一个一位的数字信号1或者0，这个序列被转化成波形（称为一个Symbol），然后在空气中传播，这些Symbol以1MSps的速度进行传送，传送的机制称为BPSK（Binary Phase Shifting Keying，二进制相移键控）。,4.1.2 WiFi协议,2.IEEE 802.11的分层结构(2)802.11b的增强物理层在2Mbps
7、的传送速率中，使用了一种更加复杂的传送方式称为QPSK（Quadrature Phase Shifting Keying，正交相移键控），QPSK中的数据传输率是BPSK的两倍，以此提高无线传输的带宽。802.11b标准抛弃了原有的11位Barker序列技术，采用了CCK（Complementary Code Keying，补码键控）技术。5.5Mbps使用CCK串来携带4位的数字信息，11Mbps的速率使用CCK串来携带8位的数字信息。两个速率的传送都利用QPSK作为调制的手段，不过信号的调制速率为1.375MSps，这也是802.11b获得高速的机理。为了支持在有噪音的环境下能够获得较好的
8、传输速率，802.11b采用了动态速率调节技术，允许用户在不同的环境下自动使用不同的连接速度来补充环境的不利影响。,4.1.2 WiFi协议,2.IEEE 802.11的分层结构(3)802.11n物理层MIMOMIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多入多出）是802.11n物理层的核心技术，指的是一个系统采用多个天线进行无线信号的收发。MIMO主要有下面两个优点：提高吞吐：通过多条通道，并发传递多条空间流，可以成倍提高系统吞吐量。提高无线链路的健壮性和改善SNR(信噪比)。MIMO-OFDMOFDM(正交频分复用)调制技术是将一个物理信道划分为多个子载体(s
9、ub-carrier)，将高速率的数据流调制成多个较低速率的子数据流，通过这些子载体进行通信，从而减少ISI机会，提高物理层吞吐。到了802.11n时代，OFDM将MIMO支持的子载体从52个提高到56个。所以802.11n MIMO将物理速率从传统的54Mbps提高到了58.5 Mbps（即54乘52除以48）。,4.1.2 WiFi协议,2.IEEE 802.11的分层结构(3)802.11n物理层FEC(Forward Error Correction)按照无线通信的基本原理，为了使信息适合在无线信道这样不可靠的媒介中传递，发射端将把信息进行编码并携带冗余信息，以提高系统的纠错能力，使接
10、收端能够恢复原始信息。802.11n所采用的QAM-64的编码机制可以将编码率（有效信息和整个编码的比率）从3/4 提高到5/6。所以，对于一条空间流，在MIMO-OFDM基础之上，物理速率从58.5提高到了65Mbps（即58.5乘5/6除以3/4）。Short Guard Interval(GI)由于多径效应的影响，信息符号(Information Symbol)将通过多条路径传递，可能会发生彼此碰撞，导致ISI干扰。为此，802.11a/g标准要求在发送信息符号时，必须保证在信息符号之间存在800 ns的时间间隔，这个间隔被称为GI。802.11n仍然默认使用800 ns GI。当多径效
11、应不是很严重时，用户可以将该间隔配置为400，对于一条空间流，可以将吞吐提高近10，即从65Mbps提高到72.2 Mbps。,4.1.2 WiFi协议,2.IEEE 802.11的分层结构(3)802.11n物理层40MHz绑定技术对于无线技术，提高所用频谱的宽度，可以最为直接地提高吞吐。传统802.11a/g使用的频宽是20MHz，而802.11n支持将相邻两个频宽绑定为40MHz来使用，所以可以最直接地提高吞吐。MCS(Modulation Coding Scheme)在802.11a/b/g时代，配置AP工作的速率非常简单，只要指定特定radio类型(802.11a/b/g)所使用的速
12、率集，速率范围从1Mbps到54Mbps，一共有12种可能的物理速率。到了802.11n时代，由于物理速率依赖于调制方法、编码率、空间流数量、是否40MHz绑定等多个因素。这些影响吞吐的因素组合在一起，将产生非常多的物理速率供选择使用。对于AP，MCS普遍支持的范围为015。,4.1.2 WiFi协议,2.IEEE 802.11的分层结构(3)802.11n物理层MRC(Maximal-Ratio Combining)MRC和吞吐提高没有任何关系，它的目的是改善接收端的信号质量。基本原理是：对于来自发射端的同一个信号，由于在接收端使用多天线接收，那么这个信号将经过多条路径（多个天线）被接收端所
13、接收。多个路径质量同时差的几率非常小，一般地，总有一条路径的信号较好。那么在接收端可以使用某种算法，对这些各接收路径上的信号进行加权汇总（显然，信号最好的路径分配最高的权重），实现接收端的信号改善。当多条路径上信号都不太好时，仍然通过MRC技术获得较好的接收信号。,4.1.2 WiFi协议,2.IEEE 802.11的分层结构(4)802.11的MAC技术802.11的MAC虽然与802.3协议的MAC非常相似，都是采用共享媒体以支持多个用户的通信，但802.11的MAC并没有直接采用802.3的CSMA/CD协议。而采用了新的协议CSMA/CA（Carrier Sense Multiple
14、Access with Collision Avoidance，带冲突避免的载波侦听多路访问）或者DCF（Distributed Coordination Function，分布式协调功能）。这是由于要检测冲突，设备必须能够一边接受数据信号一边传送数据信号，而这在无线系统中是无法办到的。CSMA/CA利用ACK（确认）信号来避免冲突的发生。802.11在MAC层上引入了一个新的RTS/CTS(Request/Clear to Send)选项，当这个选项打开后，一个发送工作站传送一个RTS信号，随后等待访问接入点回送RTS信号。它解决了无线MAC层的“隐藏节点”问题。802.11MAC子层提供了
15、另外两个强大的功能：CRC校验和包分片。包分片的功能允许大的数据报在传送的时候被分成较小的部分分批传送。这项技术大大减少了许多情况下数据报被重传的概率，从而提高了无线网络的整体性能。,4.1.2 WiFi协议,2.IEEE 802.11的分层结构(4)802.11的MAC技术MAC帧结构（如下图所示）：帧头：包括了帧控制域、持续时间/ID域、地址域以及顺序控制域；数据：来自上层的被封装的数据，字节长度02132不等；帧校验域：32位循环冗余校验。,4.1.2 WiFi协议,2.IEEE 802.11的分层结构(5)802.11n的MAC技术帧聚合帧聚合技术包含针对MSDU（MAC服务数据单元）
16、的聚合（A-MSDU）和针对MPDU的聚合（A-MPDU）。A-MSDU技术是指把多个MSDU通过一定的方式聚合成一个较大的载荷，这里的MSDU可以认为是Ethernet报文。通常，当AP或无线客户端从协议栈收到报文（MSDU）时，会打上Ethernet报文头，称作A-MSDU Subframe，在通过射频口发送出去前，需要将其转换成802.11报文格式。而A-MDSU技术旨在将若干个A-MSDU Subframe聚合到一起，并封装为一个802.11报文进行发送，减少了应答帧的数量，提高了报文发送的效率。,4.1.2 WiFi协议,2.IEEE 802.11的分层结构(5)802.11n的MA
17、C技术帧聚合与A-MSDU不同的是，A-MPDU聚合的是经过802.11报文封装后的MPDU，这里的MPDU是指经过802.11封装过的数据帧。通过一次性发送若干个MPDU，减少了发送每个802.11报文所需的PLCP Preamble，PLCP Header，从而提高系统吞吐量。其中MPDU格式和802.11定义的相同，而MPDU Delimiter是为了使用A-MPDU而定义的新的格式。A-MPDU技术同样只适用于所有MPDU的目的端为同一个HT STA的情况。,4.1.2 WiFi协议,2.IEEE 802.11的分层结构(5)802.11n的MAC技术Block ACKBlock AC
18、K通过使用一个ACK帧来完成对多个MPDU的应答，以降低这种情况下的ACK帧的数量。Block ACK机制分三个步骤来实现：,通过ADDBA Request/Response报文协商建立Block ACK协定；协商完成后，发送方可以发送有限多个QoS数据报文，接收方会保留这些数据报文的接收状态，待收到发送方的BlockAckReq报文后，接收方则回应以BlockAck报文来对之前接收到的多个数据报文做一次性回复；通过DELBA Request报文来撤消一个已经建立的Block ACK协定。,4.1.2 WiFi协议,2.IEEE 802.11的分层结构(5)802.11n的MAC技术兼容a/b
19、/gWLAN标准从802.11a/b发展到802.11g，再到现在的802.11n，提供良好的向后兼容性显得尤为重要。802.11g提供了一套保护机制来允许802.11b的无线用户接入802.11g网络。同样的，802.11n协议提供相似的机制来允许802.11a/b/g用户的接入。802.11n设备发送的信号可能无法被802.11a/b/g的设备解析到，造成802.11a/b/g设备无法探测到802.11n设备，从而往空中直接发送信号，导致信道使用上的冲突。为解决这个问题，当802.11n运行在混合模式（即同时有802.11a/b/g设备在网络中）时，会在发送的报文头前添加能够被802.11
20、a或802.11b/g设备正确解析的前导码。从而保证802.11a/b/g设备能够侦听到802.11n信号，并启用冲突避免机制，进而实现802.11n的设备与802.11a/b/g设备的互通。,4.1.3 蜂窝结构与漫游,802.11的MAC子层负责解决客户端工作站和访问接入点之间的连接。当一个802.11客户端进入一个或者多个接入点的覆盖范围时，它会根据信号的强弱以及包错误率来自动选择一个接入点来进行连接，一旦被一个接入点接受，客户端就会将发送接受信号的频道切换为接入点的频段。这种重新协商通常发生在无线工作站移出了它原连接的接入点的服务范围，信号衰减后。其他的情况还发生在建筑物造成的信号的变
21、化或者仅仅由于原有接入点中的拥塞。在拥塞的情况下，这种重新协商实现“负载平衡”的功能，使得整个无线网络的利用率达到最高。802.11的DSSS中一共存在着相互覆盖的14个频道，在这14个频道中，仅有三个频道是完全不覆盖的，利用这些频道来作为多蜂窝覆盖是最合适的。如果两个接入点的覆盖范围互相影响，同时他们使用了互相覆盖的频段，这会造成他们在信号传输时的互相干扰，从而降低了他们各自网络的性能和效率。,4.1.4 无线网络的组建,无线局域网可以简单也可以复杂，最简单的网络可以只要两个装有无线适配卡的 PC，放在有效距离内，这就是所谓的对等（peer-to-peer）网络，这类简单网络无需经过特殊组合
22、或专人管理，任何两个移动式PC之间不需中央服务器就可以相互对通。,4.1.4 无线网络的组建,无线网络接入点连接方式：无线网络访问点（AP）可增大PC之间的有效距离到原来的两倍。因为访问点是连接在有线网络上，每一个移动式PC都可经服务器与其他移动式PC实现网络的互连互通，每个访问点可容纳许多PC，视其数据的传输实际要求而定，一个访问点容量可达15到63个PC。无线网络交换机和PC之间有一定的有效距离，在室内约为150米，户外约为300米。,4.1.4 无线网络的组建,定向天线够建的无线网桥：在设计网络时可用接力器（Extension Point，简称EP）来增大网络的转接范围，接力器看起来和功
23、能上都像是访问点，但接力器并不接在有线网络上。接力器望文生义，其作用就是把信号从一个AP传递到另一个AP或EP来延伸无线网络的覆盖范围。EP可串在一起，将信号从一个AP传递到遥远的地方。,4.2 无线Mesh网络,无线Mesh网络简介无线Mesh网络（WMN，无线网状网络）也称为“多跳(multi-hop)”网络，它是一种与传统无线网络完全不同的新型无线网络技术。在无线Mesh网络中，任何无线设备节点都可以同时作为AP和路由器，网络中的每个节点都可以发送和接收信号，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。人们熟知的Internet就是一个Mesh网络的典型例子。这种结构的最大好处在于
24、：如果最近的AP由于流量过大而导致拥塞的话，那么数据可以自动重新路由到一个通信流量较小的邻近节点进行传输。与传统的交换式网络相比，无线Mesh网络去掉了节点之间的布线需求，但仍具有分布式网络所提供的冗余机制和重新路由功能。,4.2.2 Mesh网络的优势与缺陷,1.Mesh网络的优点快速部署和易于安装非视距传输(NLOS)健壮性结构灵活高带宽此外，因为每个短跳的传输距离短，传输数据所需要的功率也较小。既然多跳网络通常使用较低功率将数据传输到邻近的节点，节点之间的无线信号干扰也较小，网络的信道质量和信道利用效率大大提高，因而能够实现更高的网络容量。,4.2.2 Mesh网络的优势与缺陷,2.Me
25、sh网络的不足尽管无线Mesh联网技术有着广泛的应用前景，但也存在一些影响它广泛部署的问题。A.互操作性目前影响无线Mesh技术迅速普及的一个重要障碍就是互操作性，无线Mesh网络现在还没有一个统一的技术标准B.通信延迟在Mesh网络中数据通过中间节点进行多跳转发，每一跳至少都会带来一些延迟，随着无线Mesh网络规模的扩大，跳接越多，积累的总延迟就会越大C.安全与WLAN的单跳机制相比，无线Mesh网络的多跳机制决定了用户通信要经过更多的节点。而数据通信经过的节点越多，安全问题就越变得不容忽视,4.2.3 无线Mesh网络结构,传统的无线接入技术中，主要采用点到点或者点到多点的拓扑结构。在无线
26、Mesh网络中，采用网状Mesh拓扑结构，也可以说是一种多点到多点的网络拓扑结构，各网络节点通过相邻的其他网络节点以无线多跳方式相连。普遍认为无线Mesh网络包含两类网络节点：Mesh路由器和Mesh客户端。Mesh路由器除了具有传统的无线路由器的网关/中继功能外，还支持Mesh网络互联的路由功能。Mesh终端也具有一定的Mesh网络互联和分组转发功能，但是一般不具有网关桥接功能。根据各个节点功能的不同，无线Mesh网络结构分为3类：骨干网Mesh结构（分级结构）、客户端Mesh结构（平面结构）和混合结构。,4.2.3 无线Mesh网络结构,1.骨干网Mesh结构骨干网Mesh结构由Mesh路
27、由器组成，是一个可以自配置和自愈的网络，通过Mesh路由器的网关功能与因特网相连，普通客户端和已有无线网络可以通过Mesh路由器的网关或中继功能接入网络。,4.2.3 无线Mesh网络结构,2.客户端Mesh结构客户端Mesh结构是由Mesh客户端组成，在用户设备间提供点到点的无线服务。客户端组成一个能提供路由和配置功能的网络，支持用户的终端应用。由于组成网络的节点不需要具有网关或中继功能，所以不需要Mesh路由器。,4.2.3 无线Mesh网络结构,3.混合结构综合以上2种无线Mesh网络结构，构建一种混合结构，Mesh客户端可以通过Mesh路由器接入骨干Mesh网络。这种结构提供了与其他一
28、些网络结构的连接，如因特网、WLAN、WiMAX、蜂窝和传感器网络。在这种无线Mesh网络结构中，可以利用客户端的路由能力为无线Mesh网络增强连接性、扩大网络覆盖范围。,4.2.4 802.16(WiMAX)标准,WMN（Wireless Mesh Network）作为一种多跳、具有自组织和自愈特点的高容量、高速率宽带无线网络，正逐渐成为研究热点。WMN最初致力于满足军事通信中对于宽带数据传输、支持端到端IP、支持语音和视频信息、支持不采用GPS但同样可达相应精度的定位要求。现在已有针对WLAN的WMN解决方案，作为其技术关键的具有全向天线性质的无线路由器最大通信直径为5km，这使得无线Me
29、sh技术应用在无线城域网（Wireless Municipal Area Network，WMAN）通信系统中成为可能。,4.2.4 802.16(WiMAX)标准,鉴于无线Mesh网络技术的不断发展，国际标准化组织IEEE 802.16标准工作组（相应的论坛组织为WiMAX）为了扩展覆盖范围、增强远离基站的终端通话质量和提高数据吞吐量，将Mesh结构纳入到新近推出的802.16（World Interoperability for Microwave Access，全球微波互联接入，WiMAX）标准中，作为对传统点对多点（PMP）结构的增强和扩展。,4.2.4 802.16(WiMAX)标准
30、,1.IEEE 802.16标准简介IEEE 802工作组在成功制订WLAN标准的基础上，按照宽带无线因特网接入的需求，进一步发展制订了WMAN标准IEEE 802.16。IEEE 802.16标准体系的主要目标是开发工作于266GHz频带的无线接入系统空中接口PHY和MAC层规范，同时还有与空中接口协议相关的一致性测试以及不同无线接入系统之间的共存规范。其中802.16是一个点对多点视距条件下的标准，设计用于大业务量的业务接入。802.16a是它的补充版本，增加了对非视距和网状结构（Mesh Mode）的支持。802.16和802.16a经过修订统一命名为802.16d。,4.2.4 802
31、.16(WiMAX)标准,1.IEEE 802.16标准简介802.16a使用211GHz频段，占用20MHz带宽时速率可达75Mbps，采用SC2/OFDM/OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，正交频分多址）/OFDMA2物理层体制；点对多点蜂窝工作时，主要采用OFDM/OFDMA体制。标准不支持用户终端的移动性，支持的常用接入距离为710km，最大可达50km，从而使其成为适合“最后一公里”接入的解决方案。802.16a是按照支持因特网业务需求设计的，采用快速调度、自适应编码调制和自动重发技术实现无线链路的分组化，于200
32、3年1月发布。IEEE 802.16d标准于2004年5月正式颁布，重点是增强设备的互操作性。该协议标准中同时设计了对点到多点和Mesh两种拓扑结构的支持。,4.2.4 802.16(WiMAX)标准,1.IEEE 802.16标准简介2002年IEEE 802成立了固定移动宽带无线接入（FMBWA）研究组，在IEEE 802.16a/d基础上增加移动能力，将BWA（宽带无线接入）变为FMBWA，形成了IEEE 802.16e标准。802.16e使用26GHz频段，采用与802.16a同样的工作体制，在占用5MBz带宽时上、下行链路最高速率都可以达到15Mbps，频谱效率为3bps/Hz，支持
33、本地和地区的移动性，支持漫游和切换，移动速度可以达到120km/h。802.16e的主要问题是切换问题，要求尽量少改变802.16a的PHY/MAC层标准。,4.2.4 802.16(WiMAX)标准,2.WiMAX Mesh网络结构基于单跳IEEE 802.16点到多点体制，IEEE 802.16标准定义了建立Mesh网连接的基本信息流和数据格式。因为WiMAX技术可以在创建大范围无线回程（backhaul）网络中应用，因此，Mesh模式中应用了基于回程的WiMAX。如下图所示，Mesh网络由单个中心节点控制，这个节点称为Mesh基站（WiMAX基站），Mesh基站作为WiMAX Mesh到
34、外网的接口。,4.2.4 802.16(WiMAX)标准,2.WiMAX Mesh网络结构工作在高频段上的固定宽带无线接入系统受视距传输的限制，无法直接面向许多终端用户，但却能实现很高的系统容量。Mesh网中的众多网关节点则需要一个连接到骨干网的接口，这一接口如果采用光纤等有线技术，在网络规划时将受到极大限制。因此，将上述两种网络结合起来，通过固定宽带无线接入系统，实现网关节点到骨干网的接入将是一个非常有效的方案。基于同样的道理，WMN也可以与无线局域网相结合，将位于同一个较大区域的多个WLAN通过Mesh方式连接起来。一方面，可以实现WLAN之间的互通；另一方面，也可以使多个WLAN共享网络
35、出口。这样，通过将WMN和其他无线接入技术相结合，就可以形成一个层次化的宽带无线接入网络。,4.2.5 无线Mesh网络路由协议,1.无线Mesh网络路由的特点尽管移动Ad hoc网络的许多路由协议都适用于WMN，但是，在WMN路由协议设计中，需要考虑WMN自身的特殊性。通过WMN与移动Ad hoc的对比分析，从路由分析与设计的角度来看，WMN路由具有以下特点：移动性能量约束业务模式,4.2.5 无线Mesh网络路由协议,2.无线Mesh网络路由协议分类目前出现的一些WMN路由协议方案，主要有以下类型：多判据路由多信道路由多径路由分级路由跨层路由QoS路由基于地理位置信息的路由,4.2.6 M
36、esh网络的应用,从本质上说，Mesh网络是一种类似于点对点的无线网络架构，这种架构可以大大减少网络的基础设施成本（例如AP，无线路由器数量），同时也可为无线网络服务供应商（WISP）减少70%75%的营运、安装成本。基于Mesh网络的优势，它还可以在不同异构的环境下提供多种服务；当用户在高速移动时，或者在较大范围的区域内可以通过3G或2.5G传输语音、数据；在局部的范围内可通过WLAN提供宽带网络服务，例如视频点播等。随着Mesh网络的进一步发展，它最终可在企业的办公环境中将办公室电话或者手机进行整合。Mesh网络在家庭、企业和公共场所等诸多领域都具有广阔的应用前景，很有可能成为物联网的终端
37、网络组网的首选技术。,4.3 电力线通信技术,4.3.1 电力线通信技术简介接入网用于实现终端用户与广域的通信网之间的互联，广大用户通过接入网可以获得各种通信服务。然而，用于实现、安装和维护接入网的费用非常昂贵，通常占到网络投资总额的50%以上。电力线通信(Power Line Communication，PLC)技术为接入网络的实现提供了一个非常有前途的解决方案。电力线通信是指利用电力线本身（及其形成的输电网或配电网）作为介质实现（高速）数据传输的一种通信技术。应用PLC的主要目的是降低运营成本和减少新的通信网络的支出。电力企业一直使用高压、中压和低压供电网络为内部通信服务，并完成无端测量与
38、控制任务。PLC也用于建筑物和室内设备之间的各种通信。,4.3 电力线通信技术,4.3.1 电力线通信技术简介通常将电力线通信系统分成两类：窄带PLC提供数据传输速率相对较低（不超过100kbit/s）的通信服务，适合于各类自动化和控制应用以及少量的话音信道；宽带PLC系统能够提供2Mbit/s以上的数据传输速率，相应地，能够同时提供包括电话和因特网接入在内的多种电信服务。低压配电网上的宽带PLC技术被认为是解决通信网络“最后一公里”问题的一个比较经济技术方案，通常称为PLC接入网络。与之相似的是，中压和室内PLC网络的开发也在顺利进行中。PLC技术当前正处于一个非常重要的发展阶段，这一阶段将
39、决定它在其他宽带技术的竞争过程中的未来前景、应用领域和在电信领域中的深入程度。,4.3.2 PLC通信系统标准,在欧洲标准CENELEC EN50065中定义的供电网络中，使用电力线通信的频率范围是9140kHz。CENELEC标准与美国和日本的有关标准有着明显的不同。美国和日本有关标准定义的PLC应用的频率范围可以到500kHz。CENELEC规范能够提供最高为几千比特每秒的数据传输速率，能够支持某些计量功能（如对一个电力网络的负荷进行管理和远端抄表等功能）、极低数据传输速率的传输和若干路语音通道。但为了支持现代通信网络的各种应用，PLC系统必须能够提供超过2Mbps的数据传输速率。只有满足
40、了这个基本要求，PLC网络才有可能与其他的技术进行竞争，特别是接入领域的各种技术。,4.3.2 PLC通信系统标准,为了提供更高的数据传输速率，PLC传输系统必须工作在最高频率为30MHz的频率范围内。不过目前没有任务有关PLC的标准规定PLC系统的工作频率范围能够超出CENELEC规范所规定的频率范围。现在多个机构都在试图推动宽带PLC网络标准的制定工作，例如：PLC论坛(PLC forum)HomePlug电力线联盟(The HomePlug Powerline Alliance)在欧洲电信标准化协会(European Telecommunications Standards Instit
41、ute,ETSI)和CENELEC的工作中也包括了宽带PLC技术的标准化活动。,4.3.3 PLC接入网,1.PLC接入网的结构低压配电网络通常包括一个变压器单元和若干根经过电表(M)连接终端用户的供电电缆，应用于低压网络的电力线传输系统采用低压电力线作为传输介质，实现PLC的接入网。低压配电网络通过变压器单元与中压或者高压网络连接，PLC接入网则通过通常放置在变压器单元内的基/主站(BS)实现与广域网的连接。如果实际情况并非如此，变压器单元可以与常规的电信网相连接。,4.3.3 PLC接入网,1.PLC接入网的结构与骨干网络的连接还可以在一个用户或者一个街边的配电箱等处来实现，特别是有安装的
42、便利条件时。无论何种情况下，来自骨干网络的通信信号都必须通过适当转换，转换为适于在低压配电网络条件下传送的通信信号。这种转换是在PLC系统的主/基站完成的。PLC的用户通过位于电表附近或者内部电网电源插座上的PLC调制解调器实现网络连接。第一种连接方式下，一个房屋或者一栋楼内的用户通过诸如DSL、WLAN等其他通信方式与电表附近的PLC调制解调器相连；第二种连接方式下，室内的电力线被用来作为传输的介质，即室内PLC方案。调制解调器将接收到的来自PLC网络的信号转换成常规通信系统所能够处理的标准信号。在用户端通常可以获得包括以太网或者ISDN S0在内的标准通信接口。,4.3.3 PLC接入网,
43、2.室内PLC网络室内PLC系统（指全部在房屋内）使用房子内部的电力线作为传输介质，将私人房屋内的电话、计算机、打印机、视频设备等常用电器连接起来实现一个PLC的局域网；采用同样的方法能够在小的办公室中，实现一个PLC的局域网系统。室内PLC的网络结构与应用低压配电网络的PLC接入系统的网络结构大同小异，也同样需要一个基站来控制室内PLC网络，还可能需要通过该基站与室外相连。室内PLC网络中的所有设备都通过PLC调制解调器来实现连接，这一点与PLC接入网中用户的连接方式类似。室内PLC网络不仅可以与PLC接入系统相连，也可以同采用了其他通信技术的接入网相连。WLAN的相关产品性能已经有了显著的
44、改善，价格也相当便宜，这种情况使得室内PLC技术的推进变得更加困难。,4.3.3 PLC接入网,3.PLC网络单元(1)基本网络单元基本单元的主要作用是完成信号产生和变换，使得信号能够通过电力线传输并实现接收。每个PLC接入网包含两类设备：PLC调制解调器(PLC Modem)和PLC主/基站(PLC Master/Base Station)。PLC调制解调器将用户所使用的标准通信设备与电力线传输介质相连接。PLC基站（或称主站），将PLC接入网连接到骨干网络上，实现骨干通信网与电力线传输介质之间的连接。,4.3.3 PLC接入网,3.PLC网络单元(2)中继器在某些情况下，低压供电网络中的P
45、LC用户之间以及用户与基站之间的距离非常长，超过了常规PLC接入系统的有效连接距离，为了实现更长距离的网络连接，就必须采用中继技术。中继器将整个PLC接入网分成若干个网段，每一段都在PLC接入系统的有效距离内。每一个网段之间通过不同频带分割或者不同时间分割的方法相互隔离。在时间分割的方法中，一个时间段用于第一个网段内的信号传输，而另一个时间段内用于第二个网段内的信号传输。使用中继器能够有效延长PLC技术所能提供覆盖的网络距离，但同时也会因为设备及其安装费用的增加而提高网络成本。因此，PLC接入网中所使用的中继器的数目应当尽可能的少。,4.3.3 PLC接入网,3.PLC网络单元(3)PLC网关
46、PLC用户通过墙上的电源插座实现与PLC接入网相连接的方式有如下两种：直接连接和通过一个网关的间接连接。直接连接方式中，PLC调制解调器直接连到了整个低压网中，并通过该网络与基站相连。这种连接方式中没有室内和室外之分，通信信号能够通过电表单元实现传输。网关用于将PLC接入网和室内PLC网络分割成两个部分，它同样也承担了将传输信号在接入和室内应用时所规定的不同频率段间进行频率转换的任务。这样的一个网关通常位于临近房屋的电表单元的附近。,网关与网络的连接方式与中继器的连接方式相同。与之相似的是，随着PLC接入网中网关数目的增加，网络的容量会相应地下降，同时成本会上升。不过，中继器所能提供的仅是信号
47、在网络段中的放大和前行，而网关则可以对有限的网络资源进行智能分割，从而提供更高的网络效率。,4.3.3 PLC接入网,4.PLC网络特性PLC网络的特性是以使用低压配电网络作为传输介质的。PLC系统所允许传输的信号功率受到限制，这使得它对干扰非常敏感。PLC系统受到的干扰有的来自于低压配电网络周围环境，还有的来自于低压配电网络自身。低压网络拓扑结构复杂，网络之间有很大的不同。这些不同来源于网络变动的参数值，如用户密度、用户行为以及连接的电器等等。低压网络仅被设计用于电能分配，大量的设备和电器可能在任何时间任何地点打开或关闭。网络负荷的变化造成介质阻抗的很大波动。这些阻抗波动和不连续造成PLC信
48、道的多径效应，使得利用其进行信息传输更加棘手。除了信道衰减之外，在PLC环境中的噪声使得通信信号的无误接收更加困难。PLC网络中的噪声是不同的，主要是由5类噪声叠加而成。这5类噪声被分为2大类：一类是背景噪声，在较长时间内保持稳定；另一类是脉冲噪声，由于其较高的强度而造成数据传输的障碍。,4.3.4 PLC系统的体系结构,PLC接入网包括基站和一定数量的使用PLC调制解调器的用户。一般情况下，调制解调器提供了各种用户接口用来与不同的通信设备相连。另一方面，PLC调制解调器与电力线传输介质相连，提供了特定的PLC网络接口。PLC传输介质与用户接口之间的通信是在第3层进行的。通信设备的数据接口接收
49、到的信息将会向上递交给应用层。,4.3.4 PLC系统的体系结构,基站将PLC接入网及其电力线传输介质与通信分配网相连，并连接到骨干网。PLC网络与分配网之间的数据交换是在第3层进行的。PLC和其他通信技术的互连是在第3层上完成的，这些技术目前都已有特定的标准。PLC接口包括前两层：物理层和第2层的MAC和LLC子层。,4.3.4 PLC系统的体系结构,1.PLC的MAC层(1)MAC层的构成MAC层的基本任务一方面是对使用相同“共享传输介质”连接到某一个通信网络上的多个用户进行接入控制，另一方面是对不同用户申请的各种各样的电信服务产生的信息流进行组织。一般来说，各种通信网络的介质访问控制层其
50、功能可以分为3类：多址接入、资源共享和流量控制功能。,4.3.4 PLC系统的体系结构,1.PLC的MAC层(2)MAC层的特性PLC接入网的特性包括特定的传输介质（低压配电网络），该网络可以在噪声导致数据传输受干扰的情况下提供有限速率的数据传输。另一方面，为了保证能够与其他接入技术竞争，PLC必须提供广泛的电信服务并保证满意的QoS。以下4个因素对PLC MAC层及其协议具有直接影响：网络拓扑、干扰、电信服务和采用的传输系统。,4.3.4 PLC系统的体系结构,2.多址接入方案多址接入方案建立了一种将传输资源划分为可接入片段的方法，这种方法被用于多用户使用多种通信服务，多址接入方案可应用于在
