摘? 要: 在簡單介紹了消費總線(CEBus)協(xié)議的基礎(chǔ)上,結(jié)合實踐重點分析了中國家庭中電力線通訊信道狀況,詳細(xì)描述CEBus的電力線通訊實現(xiàn)機(jī)制。研究和實踐表明通過合理的措施,在中國家庭的電力線上實現(xiàn)CEBus家庭自動化系統(tǒng)是可行的。

　　關(guān)鍵詞: 家庭自動化? 家庭網(wǎng)絡(luò)? 消費總線? CEBus? 擴(kuò)頻載波? 電力線通訊? P300芯片

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　　目前,消費電子產(chǎn)品與計算機(jī)、通訊技術(shù)的密切結(jié)合使家用電器產(chǎn)品逐步步入家庭自動化,成為信息網(wǎng)絡(luò)和自動化網(wǎng)絡(luò)有機(jī)集成的家庭網(wǎng)絡(luò)。在家庭網(wǎng)絡(luò)中,將網(wǎng)絡(luò)中的信號分成兩類,一種是低速信號,如控制流和簡單的數(shù)字信號,低速信號主要是傳統(tǒng)的開關(guān)量、模擬量等等,主要用來實現(xiàn)家電的互操,面對的設(shè)備為電燈、空調(diào)等傳統(tǒng)家電,這就是通常意義上說的家庭自動化;另一種是高速信號,主要是大量的實時數(shù)據(jù)如視頻、音頻信號,用來實現(xiàn)視頻點播VOD等多媒體應(yīng)用、數(shù)字設(shè)備、計算機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的資源共享。

1 CEBUS簡介

　　消費總線(CEBus)是美國電子工業(yè)協(xié)會 (EIA)的開放標(biāo)準(zhǔn)(EIA-600),它描述了一種家庭電子產(chǎn)品之間的通訊方法,通過CEBus可以實現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)。CEBus采用了簡化的OSI模型,分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

CEBus的物理層使用了5種不同的媒介:電力線、雙絞線、同軸電纜、射頻廣播和紅外線,第6種媒介光纖被預(yù)留出來暫未定義。CEBus是一個完全面向報文分組(packet)的對等網(wǎng)絡(luò),使用載波偵聽多重訪問和沖突檢測與沖突分辨協(xié)議(CSMA/CDCR)。 目前,電力線是CEBus中使用最廣泛的介質(zhì)。CEBus在應(yīng)用層定義了一種“公共應(yīng)用語言”(Common Application Language， 簡稱CAL)來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的通訊^[1]。

2 家庭中電力線上的通訊信道狀況分析

　　低壓電力線無疑是家庭中分布最廣泛的有線網(wǎng)絡(luò)介質(zhì),并且?guī)缀跛械募矣秒娮赢a(chǎn)品都是聯(lián)在220V的電力線上。因此,用低壓電力線來實現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)中的控制流不存在重新布線的問題,無疑是最方便的。但由于電力線與雙絞線等專用網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)不同,用電力線實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊必須考慮其特殊性,表現(xiàn)為干擾的復(fù)雜性、信道的時變性。

　　電力線上存在著復(fù)雜的干擾,可分為非人為干擾和人為干擾。

　　非人為干擾指的是一些自然現(xiàn)象,如雷電在電力線上引起的干擾,這種干擾將影響瞬間的電力線數(shù)據(jù)通訊。通過數(shù)據(jù)自動重發(fā)機(jī)制和糾錯機(jī)制可以有效地避免此類干擾對數(shù)據(jù)通訊的影響。

　　人為干擾則是由連接在電力線上的用電設(shè)備產(chǎn)生的,并對電力線上的數(shù)據(jù)通信有更嚴(yán)重的影響。

　　圖1是參考文獻(xiàn)[2]中實驗室測得的電力線上的干擾波形,這與在現(xiàn)場和實驗室測得的干擾波形很相似。在家庭中,電力線上的干擾不能被簡單地認(rèn)為是可加性高斯白噪聲,為了表示這種干擾的復(fù)雜特性并簡化分析,可以近似地將其分成3類:周期性的干擾、時不變的連續(xù)干擾和隨機(jī)產(chǎn)生的突發(fā)性干擾。

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　　在家庭內(nèi)部,周期性的干擾主要來源是可控硅電路、電機(jī)、電視機(jī)等設(shè)備?？煽毓桦娐芬话愦嬖谟陔娮诱{(diào)光設(shè)備,開關(guān)電源、變頻空調(diào)等設(shè)備中。這些設(shè)備產(chǎn)生的干擾周期一般是工頻或工頻的整數(shù)倍,例如圖1中存在著明顯的以100kHz為周期的干擾信號,這種干擾的幅度很大,頻譜不規(guī)則,峰值有時能達(dá)到10V,對電力線的通訊有很大的影響。家庭中風(fēng)扇、空調(diào)、洗衣機(jī)等設(shè)備中的電機(jī)運行時,將會在家庭中的電力線上產(chǎn)生大量的高次諧波,這種諧波是工頻的整數(shù)倍,其頻率能到幾萬赫茲并且能量比較集中,其頻譜可能部分覆蓋信號頻譜,造成信噪比的降低,導(dǎo)致誤碼率的增加。電視機(jī)的干擾則主要是15～73kHz 的行頻信號,這種信號對電力線也有一定的干擾。

　　在家庭的實際情況中,由于大量的家用電器同時使用,釋放出多種干擾,而這些干擾的瞬時功率、周期、相位等變化很大,各不相同,因此最終會在家庭內(nèi)部的電力線上產(chǎn)生時不變的連續(xù)干擾。這種干擾平均功率較小,但是頻譜很寬而且持續(xù)存在,一般認(rèn)為這是10kHz～100MHz的背景噪聲^[3]。這種干擾的頻譜有可能部分或完全覆蓋信號頻譜,因此,在通信過程中的信噪比可能會變得很低,通信誤碼率增加。

　　在家庭內(nèi)部,各種大功率負(fù)載如冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)等的突然開關(guān)、電力線路上的短路故障等將引起電壓、電流的劇烈變化,諧波份量的增加,導(dǎo)致能量很大的脈沖干擾或脈沖干擾群。這類干擾的持續(xù)時間較短,但能量很集中,頻譜也很寬,對載波數(shù)據(jù)通信產(chǎn)生很大的影響。而在接收節(jié)點近距離的范圍內(nèi),某些中小功率的負(fù)載,如日光燈、計算機(jī)等的開關(guān)也會產(chǎn)生較大的突發(fā)脈沖干擾而影響通信。

　　由于在家庭中電力線的長度有限,阻抗很小,因此,在家庭內(nèi)部電力線本身并不是電力線上載波衰減的主要原因,電力線并聯(lián)的負(fù)載才是載波衰減的主要原因。不同的負(fù)載吸收不同頻率的信號,電力載波的頻率遠(yuǎn)比電網(wǎng)的頻率高,一般在幾十千赫茲到數(shù)百千赫茲。電爐、電燈等純電阻電路對不同頻率的信號衰減比較均勻,而容性負(fù)載、感性負(fù)載都會使信號畸變,其中容性負(fù)載對高頻信號的阻抗很小,會吸收大量的載波。如開關(guān)電源的輸入端有一個濾波器,如圖2所示。

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　　可以看出,圖2中的電路對于抑制開關(guān)電源對電網(wǎng)的干擾有很好的效果,但是它同時要大量吸收電網(wǎng)上的載波信號。在實際應(yīng)用中,開關(guān)電源的插頭附近一般都安裝一個磁環(huán),以有效地防止吸收電網(wǎng)上的載波信號。

　　由于人們的生活作息,家庭中電力線上各種性質(zhì)的負(fù)載變化是比較頻繁的,各種負(fù)載會不斷的切入、斷出,這就會造成電力線通訊信道具有很強(qiáng)的時變性。低壓電力線在1s內(nèi)可對某一頻率信號的衰減變化達(dá)到20dB,同時，在1s內(nèi)信噪比的變化也可達(dá)到10dB左右^[4]。負(fù)載的變化造成了不同頻率的載波衰減特性也存在了時變性。在居民區(qū),晚上18：00～22：00的衰減是最大的。合理地利用這種規(guī)律,可以提高通訊系統(tǒng)的可靠性。例如,相當(dāng)一部分遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)通常在零點工作,因為此時人們大多已經(jīng)休息,而大部分電器都停止運行,電力線的通訊信道相對暢通。

　　在我國,由于對家用電器的電磁兼容性沒有歐美國家控制得嚴(yán)格,家用電器對電力線的污染是非常嚴(yán)重的。因此,家庭中電力線上的狀況相對于歐美地區(qū)就顯得更為惡劣。目前,我國的管理部門已經(jīng)注意到了這個問題,在電視機(jī)等行業(yè)已經(jīng)準(zhǔn)備實行強(qiáng)制的EMC電磁兼容性規(guī)定。相信今后對其他電器也將會實行,這對我國電力線的通訊信道狀況會有很大的改善。

3 CEBUS的物理層通訊

　　鑒于家庭中電力線載波通訊的特殊性,CEBus在以電力線作為物理層的傳輸介質(zhì)時,采用擴(kuò)頻載波(spectrum spread carrier)通訊來實現(xiàn)控制流。擴(kuò)頻通訊的理論基礎(chǔ)是信息論中的香農(nóng)理論。香農(nóng)關(guān)于噪聲信道的主要結(jié)論是:任何帶寬為W Hz，信噪比為S/N的信道,其最大傳輸速率C為^[5]:

　　這一公式表明,相對于在信道中所存在的信噪比而言,一條信道差錯傳遞信息的能力與傳輸信息所用的帶寬之間所具有的關(guān)系。由此可得，為了獲得同樣的信道容量(用信息速率表示)，信號帶寬與其信噪比的對數(shù)成反比，即信號帶寬越寬，則所要求的信號信噪比就越低，甚至信號淹沒在噪聲之中也能實現(xiàn)可靠通信。

　　CEBus在電力線上有四種編碼,分別是:“0”、“1”、“EOF”和“EOP”,它們都是擴(kuò)頻掃描范圍為100~400kHz的線性掃頻chirp信號:從203kHz經(jīng)過19個周期線性地變?yōu)?00kHz,再在1個周期內(nèi)變?yōu)?00kHz,然后在5個周期中變?yōu)?03kHz,整個時間長度為100μs,也就是1個UST(Unit symble time)^[6]。其波形如圖3。

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　　這種chirps 波形具有很強(qiáng)的自相關(guān)特性和自同步性。這種自相關(guān)性決定了所有連接在網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備可以同時識別從網(wǎng)上任意設(shè)備發(fā)出的這種獨特波形。

　　CEBus的物理層的數(shù)據(jù)幀由幀頭、數(shù)據(jù)體和CRC校驗和組成[7],如圖4所示。幀頭與數(shù)據(jù)體的編碼有所不同,編碼方式如表1所示。

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　　幀頭用來解決多機(jī)共享信道時的競爭問題。沒有掃頻信號的狀態(tài)稱為劣態(tài)(INFERRIOR STATE),有掃頻信號的狀態(tài)稱為優(yōu)態(tài)(SUPERIOR)。如果一個節(jié)點發(fā)送了劣態(tài)(實際上什么也沒有發(fā)送),而它同時卻收到了優(yōu)態(tài),那么就檢測到了競爭。這個過程發(fā)生在幀頭中,所以不會造成數(shù)據(jù)的丟失。通過這種類似與邏輯上的“線或”方法,對解決通訊信道的競爭有著重要的意義。優(yōu)態(tài)還有兩種相反的相位,分別記做φ1和φ2。為了便于檢測,在幀頭中,每一個UST是114μs,但是掃描的時間并不變。所有的優(yōu)態(tài)都采用φ1在幀頭中采用振幅移位鍵控技術(shù),優(yōu)態(tài)和劣態(tài)交替出現(xiàn),其中優(yōu)態(tài)僅僅使用第一種相位。優(yōu)態(tài)和劣態(tài)統(tǒng)稱為某一種狀態(tài),某一狀態(tài)的持續(xù)時間就代表了碼元,無論是優(yōu)態(tài)或者是劣態(tài)都可以代表0或者1。幀頭的波形如圖5所示,它的編碼是1101。

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　　在數(shù)據(jù)體中采用反相鍵控技術(shù),沒有劣態(tài),而是兩個相位交替出現(xiàn),類似于四種碼元通過某一個狀態(tài)持續(xù)出現(xiàn)的次數(shù)來代表。數(shù)據(jù)體的波形如圖6所示,它的輸出是1101。

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4 CEBus的數(shù)據(jù)鏈路層

　　數(shù)據(jù)鏈路層的功能是使有噪音和干擾的數(shù)據(jù)通道使得網(wǎng)絡(luò)層看起來成為一個無差錯的數(shù)據(jù)通道。

??? CEBus的介質(zhì)多重訪問采用CSMA/CDCR機(jī)制^[7],從而使得各節(jié)點可以公平、高效地使用通訊信道。CEBus數(shù)據(jù)包(packet)有三種優(yōu)先級:高、普通、低^[7],可以滿足不同的控制信息對時間的要求。數(shù)據(jù)鏈路層中每幀最短11字節(jié),最長41字節(jié)。最長的發(fā)送時間大約是55ms,典型的控制命令只要10ms就可以完成。

　　CEBus的數(shù)據(jù)鏈路層只提供面向無連接的服務(wù),根據(jù)數(shù)據(jù)幀中是否包含源節(jié)點地址和是否要求響應(yīng)分為四種類型服務(wù)[8]。這四種類型的服務(wù)根據(jù)通訊的可靠性依次為:

　　(1)無地址無響應(yīng)(UNADD_UNACK);

　　(2)帶地址無響應(yīng)(ADD_UNACK);

　　(3)無地址要求響應(yīng)(UNADD_ACK);

　　(4)帶地址要求響應(yīng)(ADD_ACK)。

　　其中常用到的類型是帶地址要求響應(yīng)型;無響應(yīng)的服務(wù)主要用于廣播,并且在數(shù)據(jù)鏈路層采用多次重發(fā)的機(jī)制,可以提高無響應(yīng)服務(wù)的可靠性。

　　研究表明,在家電控制這種輕負(fù)載的網(wǎng)絡(luò)條件下,CEBus的通訊效率是很高的^[9][10]。

5 CEBus的演示系統(tǒng)和結(jié)論

　　目前,美國的Intellon公司、加拿大的Domosys公司和以色列的Itran公司均生產(chǎn)符合CEBus標(biāo)準(zhǔn)的電力線通訊控制芯片。目前,CEBus控制流的波特率理論上為10kbps,在實際應(yīng)用中,由于數(shù)據(jù)包的不同大約為8kbits/s^[1]。

　　在實際演示系統(tǒng)中,使用了intellon公司的P300作為底層通訊芯片設(shè)計通訊模塊。模塊性能的測試實驗表明,由于采用擴(kuò)頻載波技術(shù),P300芯片對線路噪聲、信號畸變有良好的適應(yīng)能力,在部分信號被吸收的條件下仍能可靠通訊。

　　CEBus演示系統(tǒng)是一個完整家用電器的控制網(wǎng),幾乎涵蓋了家庭所有方面的家用電器,包括燈光子系統(tǒng)、AV子系統(tǒng)、環(huán)境子系統(tǒng)、保安子系統(tǒng)、三表遠(yuǎn)傳系統(tǒng)、通訊子系統(tǒng)等等。P300芯片是針對歐美的電力線狀況設(shè)計的,而我國的電力線狀況要惡劣得多。為提高信噪比,在演示系統(tǒng)中采用噪聲隔離裝置隔離系統(tǒng)內(nèi)部與外部電網(wǎng)的噪聲,避免外部電網(wǎng)噪聲對系統(tǒng)運行的干擾,并且在系統(tǒng)設(shè)備的設(shè)計中注意其電磁兼容性設(shè)計，盡可能地減少設(shè)備自身對通訊信道的污染。該演示系統(tǒng)在實驗室環(huán)境、工廠環(huán)境、展覽會環(huán)境下均正常運行。實踐表明系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,在我國家庭的電力線上實現(xiàn)CEBus家庭自動化是完全可行的。

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參考文獻(xiàn)

1 Peter House， Intellon Co. Technical article #0593， ‘CEBus For Masses’

2 高鋒,董亞波.低壓電力線載波通信中信號傳輸特性分析.電力系統(tǒng)自動化,2000?鴉24

3 Morgan H. L.Chan，Robert W. Donaldson Amplitude，width and Interarrival Distributings for Noise Impulses on

Introbuilding Power Line Communication Networks，IEEE Transactions on E M C，August 1989

4 Daidclark. Poverline communications： Finally Ready for?Prime Time. Computer，Januery-February，1998

5 Andrew S. Tanenbaum，熊貴喜,王小虎譯.計算機(jī)網(wǎng)絡(luò).北京:清華大學(xué)出版社，1998

6 EIA-600.31 Power Line Physical Layer and Medium?Specification

7 Intellon Co. White Paper #0027 CEBusPower Line?Enoding and Signaling.March 1997

8 EIA 600.42 Node Medium Access Control Sublayer

9?Jaesoo Yang and Constantine N. Manikopoulos. Perfermance Comparisons of The CEBus With Other Protocals.

IEEE Transactions on Consumer Electronics， Vol.39?No.4， November 1993

10 Jaesoo Yang and Constantine N.Manikopoulos.Theoretical Analysis of? The CEBus With Three priorites.IEEE

? Transactions on Consumer Electronics，Vol.39 No.4，November 1993