电力线通信技术第七章

第七章目录•7.1电力线通信协议的设计•7.2设备协调•7.3基于电力线的家庭网关•7.1电力线通信协议的设计•7.2设备协调•7.3基于电力线的家庭网关第七章目录•7.1电力线通信协议的设计在大多数情况下，为了实现业务互通和信息交换，电力线网络需要与其他机构的网络互连。但在实际应用中，不同低层网络技术、不同的厂商设备种类繁多，实现方式差异很大，导致了互连的复杂性。要实现来自不同网络、不同制造商设备在不同层次上灵活的互连，整个通信网必须提供一种体系架构、定义标准的接口，以隐藏不同低层物理网络是实现细节和差异，将不同的网络集成为一个协作的整体，使得任意两个网络设备在这个体系结构下，只要在某一共同的层次上遵守相同的通信协议，就可以实现在该层次上的互联互通。•电力线通信划分•频率带宽角度划分：窄带PLC（NB-PLC）和宽带PLC（BB-PLC）；•通信速率角度划分：低速PLC（LS-PLC）和高速PLC（HS-PLC）；•电压等级角度划分：高压配电线（35 kV以上）、中压配电线（30 kV/10 kV）和低压配电线（低于380 V）。7.1.1协议模型分析1．OSI模型的基本原理国际标准化组织OSI于1979年年底公布了开放系统互连参考模型OSI/RM（ReferenceModelofOpenSystemInterconnection），所谓开放系统是指遵从国际标准能够通过互连而相互作用的系统，OSI/RM为开放系统互连提供了一种功能结构框架，是开发各种网络协议标准的基础。它将网络分为七层，即物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。通过严格遵守OSI模型，不同的网络技术之间可以轻易实现互操作，7.1.1协议模型分析1．OSI模型的基本原理7.1.1协议模型分析1．OSI模型的基本原理•OSI网络模型各层的主要功能与作用：•物理层（PhysicalLayer）：通信信道上比特位的传输。它确保从源设备发送的比特位能准确地传输到目的设备。•链路层（DataLinkLayer）：介质访问的方法和数据的编码，以确保在单个通信信道上介质的有效使用。物理层中的比特位被封装成数据帧，规定何时源设备能够发送数据帧，以及目的设备如何接收数据帧和检测传输差错，还定义了优先机制来确保重要消息的传输。•网络层（NetworkLayer）：把消息包从源设备路由传送到目的设备。它定义了设备的命名和地址以保证消息包能够正确地传输，还定义了源设备和目的设备处于不同的通信信道时消息包的路由方法。7.1.1协议模型分析1．OSI模型的基本原理•传输层（TransportLayer）：确保消息包的可靠传输。使用一种确认服务在发送设备和接收设备之间交换消息包。发送设备在给接收设备发送一次消息包后，等待从接收设备返回的确认信息，在一定时间内没有收到确认信息，发送方将重发一次。同时还定义了由于确认信息的丢失而产生的重复发送消息包的检测和丢弃。•会话层（SessionLayer）：将控制信息加入到下层的交换数据中。它支持的远程功能让客户得到远程的服务，让接收方从消息包中判断发送方是否有权发送该消息包。7.1.1协议模型分析1．OSI模型的基本原理•表示层（PresentationLayer）：将下层的交换数据进行编码。消息被编码成为网络变量，应用消息或外部帧。标准网络变量类型提供网络变量的互操作编码。•应用层（ApplicationLayer）：在下层的交换数据中添加应用功能。标准对象通过从下层交换数据的公共语义解释来提高互操作性。当网络变量更新时，公共语义解释能够让不同的应用进程进行公共动作，它还定义了文件传输协议，规定了进程之间进行的数据流传输。7.1.1协议模型分析2．现有的家庭总线协议协议是实现网络通信的基础，随着家庭、楼宇自动化技术的发展，自20世纪90年代以来，诞生了众多面向家庭网络的通信协议。目前国际上应用较为广泛并且相对成熟的协议有十余种，如美国的X-10、LonTalk、CEBus标准，欧洲的EIB标准，日本的HBS标准等。由于目前不同系统的协议之间不兼容，还没有一种协议在应用中占有绝对优势，下面是关于这些协议的讨论和对比。7.1.1协议模型分析2．现有的家庭总线协议•（1）X-10协议•X-10是利用电力线载波方式进行家庭自动化信息传输的协议，该协议无须重新布线，对于要求成本低廉的应用是最好的选择。X-10采用调制方式传送，有较高的抗干扰能力，可靠性较高，但传送速率较慢，只适于低速网控制。7.1.1协议模型分析2．现有的家庭总线协议•（1）X-10协议•X-10是以50 Hz或60 Hz为载波，再用120 kHz的脉冲调制发展出来的控制技术，信号的传输是利用市电电源的正弦信号的过零点来进行的。X-10协议出现较早，与后来出现的复杂的总线协议相比，结构比较简单，120 kHz的电力载波的带宽有限，不能传送大量的信息，120 kHz的电力载波也易受干扰。X-10的特点是结构简单、价格低，因此被广泛应用于家庭应用场合，如安全监控、家用电器控制、室内照明控制、住宅仪表数字读取等方面。7.1.1协议模型分析2．现有的家庭总线协议•（2）LonTaIk协议•LON（LocalOperatingNetwork）是美国Echelon公司于1991年推出的局部操作网络，为集散式监控系统提供了强大的实现手段。LonTalk协议由各种允许网络上不同设备间彼此智能通信的底层协议组成，提供一整套通信服务，这使得设备中的应用程序能够在网络上同其他设备发送和接收报文，而无需知道网络的拓扑结构或者网络的名称、地址或其他设备的功能。在LonTalk协议的协调下，以往那些孤立的系统和产品融为一体，形成了一个网络控制系统。它最大的特点是对OSI七层协议的支持，是直接面向对象的网络协议。通信介质不受限制，包括电力线、双绞线、无线（RF）、红外（IR），以及同轴电缆和光纤，并可在同一网络中混合使用。7.1.1协议模型分析2．现有的家庭总线协议•（3）CEBus协议•CEBus总线是为家庭消费类电子产品而制定的协议标准，物理层是开放的，支持多种通信介质，其中以电力线的应用最为广泛。它的总线网络拓扑结构可以是总线形、星形、树形或混合型，总线中的每个节点的地位都是平等的，不需要一个主控设备。CEBus协议对OSI网络参考模型做了简化，仅包括物理层、数据链路层、网络层和应用层。对于多节点竞争访问网络资源的解决方法是采用冲突检测和冲突分辨协议（CSMA/CDCR），网络中各节点的控制关系通过绑定来实现。7.1.1协议模型分析2．现有的家庭总线协议•（3）CEBus协议•CEBus总线是为家庭消费类电子产品而制定的协议标准，物理层是开放的，支持多种通信介质，其中以电力线的应用最为广泛。它的总线网络拓扑结构可以是总线形、星形、树形或混合型，总线中的每个节点的地位都是平等的，不需要一个主控设备。CEBus协议对OSI网络参考模型做了简化，仅包括物理层、数据链路层、网络层和应用层。对于多节点竞争访问网络资源的解决方法是采用冲突检测和冲突分辨协议（CSMA/CDCR），网络中各节点的控制关系通过绑定来实现。7.1.1协议模型分析2．现有的家庭总线协议•（4）EIB协议•欧洲安装总线（EuropeanInstallingBus，EIB）是一个在欧洲占主导地位的楼宇自动化和家庭自动化标准，是由Siemens、ABB等一些知名企业首先提出的，出现较晚但是发展比较迅速。与CEBus类似，EIB也是一个开放的协议，同样采用双绞线、电力线、同轴电缆等通信介质，其中应用较为广泛的是双绞线和电力线。EIB通信协议遵循OSI七层模型。在介质访问子层，EIB采用带冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CA）协议。网络层主要用来设置节点间通信所经过的路由器的最大数目。传输层支持面向连接和面向非连接的两种服务。7.1.1协议模型分析2．现有的家庭总线协议•（5）HBS协议•HBS的全称是家庭总线系统（HomeBusSystem），它是由日本电子工业联合会/无线工程电子协会HBS标准委员会于1997年制定的。•HBS以双绞线和同轴电缆为通讯介质，介质的最大长度为200m。HBS有控制通道和信息通道之分，控制通道用于低速数据的传输，信息通道用于高速数据的传输。控制通道最多可以有64个节点，传输速率为9.6 kbps。7.1.1协议模型分析2．现有的家庭总线协议•（5）HBS协议HBS对OSI七层模型做了精简，由三层结构组成，分别为物理层、数据链路层和网络层，类似现场总线。在介质访问子层，HBS采用带碰撞检测的载波侦听多路访问协议（CSMA/CD）。根据网络层的规定，HBS的子网之间由路由器连接，HBS的子网和其他网之间用网关连接。但是，HBS不支持电力线和无线传输，这些不足限制了它的使用范围。7.1.1协议模型分析•3．各种总线协议的分析比较•从OSI网络模型与各种应用于家庭自动化的网络，可以看出，几乎所有的协议都是以OSI网络协议的参考模型为样本，根据行业的应用特点，进行剪裁与修改的。从体系结构上可以看出，可应用于低压电力线的网络协议大都只有三层或是四层：物理层、数据链路层、网络层、应用层（或应用层包含网络层）。国外的这些协议在欧美国家占有绝对优势，在我国应用起来还有相当大的困难，但是可以参考这些协议得出一些结论，国外的协议从可靠性的角度出发，都会考虑以下一些重要功能：7.1.1协议模型分析•3．各种总线协议的分析比较•①数据丢失与重传机制。协议必须提供可靠性，如果出现报文丢失时，必须有错误恢复机制。前述几种协议及模型，都是采用了AQR重传机制来恢复报文丢失。接收端发送确认（ACK）报文来通知另一端数据接收成功。•②信息编码与差错控制。在实际信道传输数字信号时，由于信道的传输特性不理想及加性噪声的影响，所收到的信号会不可避免地发生错误。在采取适当的硬件设备以获得好的信道性能后，则可进一步采取信道编码，即差错控制编码的方法，进一步提高通信的质量。•③连接管理与网络寻址。连接管理功能涉及连接状态的建立与关闭，以及在出现异常情况时的处理。网络寻址是将信息正确传送到目的地，是通信介质信道的共享处理机制。7.1.2低压电力线载波通信协议的设计•1．协议的基本要求•制定数据通信协议（DCP）规范的方法依赖于最新的标准和服务实体的集合。组成协议层的不同服务实体的方法要保证整个系统的平衡性和稳定性。协议的选择取决于以下各种因素：•寻求在低波特率和高传输次数下的高效率；•寻求通往集中器节点的最佳通道；•电力线信道作为通信信道的干扰；•对网络互连的要求比较低，但管理自动化功能要好；•成本比较低。7.1.2低压电力线载波通信协议的设计•1．协议的基本要求•局域网协议的标准在很大程度上取决于网络的拓扑结构和访问方式，例如，CSMA/CD总线网络和令牌总线网络具有同样的物理结构，却可以采用不同的访问方式，从而产生不同的协议标准。对于PLC网络，目前只是针对网络的载波频率、调制方式、信号编码等做了初步规定，还没有专门针对PLC的网络特点建立专门的MAC协议标准。现有的通信协议DL/T645主要目的是用于本地数据交换，不能很好地满足网络通信的要求。因此，本文在此协议的基础上，对部分内容做了扩充，主要体现在帧格式中对中继路由表的支持和物理地址设置两个方面。7.1.2低压电力线载波通信协议的设计•2．数据传输原理•一般来说，通信协议需要满足几个要求：•独立于物理网络拓扑结构；•独立于硬件设计；•独立于调制方案。•网络通信由“启动方”（集中器）对其下属的所有“服务器”（采集器）进行组织和管理。只有当“启动方”发出请求时，“服务器”才可以访问介质。路由协议嵌于“启动方”（集中器）的应用进程中，在比较恶劣的传输环境下（如高噪声、强衰减等），必须能够提供中继机制来保证整个网络的有效通信。7.1.2低压电力线载波通信协议的设计3．PLC通讯协议模型•（1）物理层•物理层有两个目的：提供设备与物理传输介质（电力线）之间的接口；通过传送二进制码元完成从