一種基于電力線(xiàn)的家庭以太網(wǎng)絡(luò )實(shí)現方法

隨著(zhù)科技的進(jìn)步，網(wǎng)絡(luò )已經(jīng)開(kāi)始涉及人們生活的方方面面。將網(wǎng)絡(luò )延伸到家庭，實(shí)現家庭網(wǎng)絡(luò )化、家用電器的上網(wǎng)和家庭的智能化等，越來(lái)越受到國內外眾多公司和開(kāi)發(fā)商的關(guān)注并已成為網(wǎng)絡(luò )技術(shù)發(fā)展、競爭的又一新目標。家庭電器、各種家庭設備和計算機之間互聯(lián)，實(shí)現internet的接入是未來(lái)家庭網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展趨勢。

1 家庭網(wǎng)絡(luò )的實(shí)現技術(shù)

家庭網(wǎng)絡(luò )的提出已有多年。目前國際上比較成熟和流行的有幾種解決方案都基于不同的物理媒介，實(shí)現家庭內部的網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)，具有各自的特點(diǎn)和不足之處。

（1）no new wire：電話(huà)線(xiàn)、電力線(xiàn)。

（2）new wires：以太網(wǎng)、光纖、usb、ieee1394。

（3）wireless：家庭射頻、藍牙技術(shù)、無(wú)線(xiàn)以太網(wǎng)（ieee802.11）。

電話(huà)線(xiàn)和電力線(xiàn)技術(shù)，在構建家庭網(wǎng)絡(luò )中，因安裝方便、維護簡(jiǎn)單、成本低等特點(diǎn)被許多家庭網(wǎng)絡(luò )設備制造商看好。但是由于電話(huà)線(xiàn)、電力線(xiàn)不是專(zhuān)門(mén)為信號傳輸設計的，傳輸質(zhì)量無(wú)法保證，容量受到其他信號的干擾，帶寬有限，網(wǎng)絡(luò )的安全問(wèn)題很難保證。

以太網(wǎng)、不纖技術(shù)是非常成熟的技術(shù)。將它引入到家庭網(wǎng)絡(luò )中，可以保證信號傳輸的質(zhì)量。光纖有很高的帶寬，對于實(shí)現未來(lái)家庭網(wǎng)絡(luò )的多媒體應用有非常大的潛力。但是一般家庭不會(huì )在設計時(shí)預先輔助設以太網(wǎng)線(xiàn)或是光纖，所以必須在構建網(wǎng)絡(luò )時(shí)重新布線(xiàn)，而且對于需要接入家庭網(wǎng)絡(luò )的設備，必須要安裝在鋪設好的信號線(xiàn)附近，安裝比較復雜。

無(wú)線(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò )也是目前一種比較好的解決方案，它不需要重新架線(xiàn)，但是帶寬和成本的比率很低。

為使家庭網(wǎng)絡(luò )能真正走進(jìn)普通家庭，必須在考慮通訊質(zhì)量的同時(shí)。兼顧成本。因此，可以考慮將各種解決方案融合，建立基于不同媒介的家庭網(wǎng)絡(luò )系統。

目前寬帶進(jìn)入家庭有兩種接入方式：adsl和ethernet。而ethernet接入與adsl相比有更好的擴展性、更高的帶寬。目前，中國網(wǎng)通公司就是運用此技術(shù)提供寬帶服務(wù)的。家庭中，如何將ethernet最便捷和高效地延伸到各個(gè)角落是家庭網(wǎng)絡(luò )要解決的主要問(wèn)題。在家庭環(huán)境下，將電力線(xiàn)作為近距離高速數據傳輸的媒介來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題有很大的優(yōu)勢。首先，它在家庭的分布最廣、接入容易。在家庭各個(gè)房間都安裝有電源插座，可以作為網(wǎng)絡(luò )的接入點(diǎn)。對于需要接入網(wǎng)絡(luò )的設備放置沒(méi)特殊要求，凡是需要電源的網(wǎng)絡(luò )設備就可以通過(guò)它的電源插座接入家庭網(wǎng)絡(luò )。而實(shí)現這些只需要在電源插頭上接上一個(gè)信號的中繼裝置。其次，成本低、安裝方便正是家庭網(wǎng)絡(luò )所追求的。通過(guò)電力線(xiàn)傳輸信號，不必再輔設額外的通訊線(xiàn)，這點(diǎn)對于剛裝修好的家庭尤為重要。最后，它適應多種接口的接入。將接入家庭的ethernet信號。通過(guò)特殊的中斷裝置傳送到電力線(xiàn)上，在家庭網(wǎng)絡(luò )設備端，通過(guò)同樣的中繼裝置再將電力線(xiàn)上的信號還原成ethernet信號，或是通過(guò)建有其它接口的中繼裝置（如usb接口）將來(lái)自電力線(xiàn)的數據從特定接口傳給家庭設備（如上網(wǎng)家電），實(shí)現家庭設備的互聯(lián)。此技術(shù)中，最為關(guān)鍵的就是不同媒介之間的中繼裝置。

2 網(wǎng)絡(luò )中繼裝置的實(shí)現

2.1 基于電力線(xiàn)的高速信號傳輸技術(shù)

使用intellon公司的powerpacket技術(shù)，可以實(shí)現在電力線(xiàn)上的傳輸帶寬達到14mbps，而這種技術(shù)將來(lái)可以在電力線(xiàn)上實(shí)現100mbps的傳輸速率。這為未來(lái)家庭網(wǎng)絡(luò )向多媒體應用方向發(fā)展提供了支持。為實(shí)現基于電力線(xiàn)的高速信號傳輸，intellon公司采用了其新的專(zhuān)利技術(shù)——正交頻分多路調制（ofdm）技術(shù)。它可以自適應地調整載波頻率，避開(kāi)受干擾嚴重的頻率；多載波同時(shí)傳輸，實(shí)現高速的數據傳輸。intellon公司新推出的int5130和int1000就是采用這種技術(shù)的專(zhuān)用于低壓電力線(xiàn)信號高速傳輸的芯片。

2.2 實(shí)現方案及工作過(guò)程

家庭網(wǎng)絡(luò )組網(wǎng)如圖1所示。網(wǎng)絡(luò )接入服務(wù)營(yíng)運商將10mbps以太網(wǎng)接到每個(gè)家庭，實(shí)現寬帶到戶(hù)即ethernet 1段。中繼器實(shí)現以太網(wǎng)數據包的檢測、緩沖和轉發(fā)，實(shí)現兩邊所連接的不同段的網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)的傳播。通過(guò)中繼器可以實(shí)現用電力線(xiàn)子網(wǎng)將兩個(gè)以太網(wǎng)段相連接，在任一網(wǎng)段之間實(shí)現數據包的透明傳輸。當ethernet1上的數據由中繼器的以太網(wǎng)端口接收后，中繼器將做出判斷，緩沖接收到的數據，再從電力線(xiàn)端口發(fā)送出去。同時(shí)，以太網(wǎng)端口和電力線(xiàn)端口都符合csma/cd規范。

中繼裝置的電力線(xiàn)端有mac控制，但有別于以太網(wǎng)的mac。它是一個(gè)比以太網(wǎng)mac更低層次的mac，如圖2所示。它將以太網(wǎng)的mac包視為數據包，再對它進(jìn)行一次封裝，將電力線(xiàn)mac的信息封裝到新的數據包中，然后在電力線(xiàn)上傳輸。電力線(xiàn)端口的int5130中內建有risc，可以實(shí)現以太網(wǎng)數據包的bridge功能，它使用一種源識別交換（source-aware bridging）技術(shù)。當一個(gè)節點(diǎn)需要發(fā)送以太網(wǎng)包，可以確定這個(gè)包的目標點(diǎn)是否在電力線(xiàn)上。如果不在本電力線(xiàn)段，而是需要中繼裝置進(jìn)行轉發(fā)，它會(huì )以中繼器的地址為目標地址進(jìn)行發(fā)送。在中斷裝置收到這個(gè)包后，會(huì )自動(dòng)判斷是否需要處理sa和da。中繼器的int5130芯片內部有一個(gè)地址列表，提供bda（bridged destination address）信息。它把從mii口收到的以太網(wǎng)包的sa和自己的地址（ba）比較，如果不相同，則說(shuō)明這個(gè)包是從其他節點(diǎn)發(fā)送的。在圖1中可以認為是從ethernet1段上的節點(diǎn)a發(fā)送的，它的sa為sa1，int5130自動(dòng)將這個(gè)sa1加入到bda表中然后通過(guò)channel estimation response數據幀，將它的地址ba和它的bda表發(fā)送給電力線(xiàn)上的其他節點(diǎn)。這樣其他節點(diǎn)就知道如果要發(fā)送da=sa1的包就需要向地址為ba的中繼裝置發(fā)送。而在發(fā)送前先對這個(gè)數據包進(jìn)行修改，在保留原來(lái)sa和da的基礎上，封裝進(jìn)新的da=ba、sa=本節點(diǎn)地址。這樣在中繼裝置收到后，去掉由電力線(xiàn)上發(fā)送節點(diǎn)添加的信息，還原成原來(lái)的數據包，再從以太網(wǎng)端口發(fā)送到以太風(fēng)上去。

由于將電力線(xiàn)作為傳輸媒介，因此每個(gè)連接到電力線(xiàn)上的網(wǎng)絡(luò )設備都可以將收到其他設備發(fā)出信號。為解決網(wǎng)絡(luò )的安全問(wèn)題，int5130會(huì )將信號加密發(fā)送，在接收端再解密。收發(fā)雙方有相同的密碼鑰匙才可以互相通訊。而且，一個(gè)設備可以有多個(gè)密碼鑰匙，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )配置這些密碼?？梢詫?shí)現同時(shí)與不同設備的通訊，而互不干擾。

有了這些技術(shù)。int5130可以實(shí)現通過(guò)家庭電力線(xiàn)以帶寬共計方式接入internet、internet應用、pc文件和應用共享、打印機共享、網(wǎng)絡(luò )游戲等。

2.3 中繼裝置原理與構成

整個(gè)中繼裝置分為三個(gè)主要模塊：以太網(wǎng)接口模塊、電力線(xiàn)接口模塊和中央控制模塊。以太網(wǎng)接口模塊的主要功能是檢測以太網(wǎng)段的狀態(tài)，接收從以太網(wǎng)上傳來(lái)的數據包并發(fā)送從中內控制模塊傳來(lái)的數據。電力線(xiàn)接口功能是檢測電力線(xiàn)狀態(tài)，對于要發(fā)送的數據進(jìn)行加密、調制、放大后發(fā)送到電力線(xiàn)上；在接收數據時(shí)將根據收到信號的強度自動(dòng)調節前端放大的增益，自動(dòng)適應電力線(xiàn)上的環(huán)境變化；然后將經(jīng)過(guò)解調和解密，將還原的數據傳給中央控制模塊。中央控制模塊是實(shí)現數據交換控制，控制數據鍵路狀態(tài)的中心。

中繼裝置的組成如圖3所示。在以太網(wǎng)端，采用一般通用的以太網(wǎng)物理收發(fā)器，實(shí)現以太網(wǎng)信號的收發(fā)。這里可以考慮采用davicom的dm9161，10mb/100mb自適應收發(fā)器，完全兼容ieee802.3mii接口。

在電力線(xiàn)端，采用intellon公司的int5130和int1000套片。它實(shí)現電力線(xiàn)上以太網(wǎng)數據幀的傳輸，內建powerpacket電力線(xiàn)mac和電力線(xiàn)收發(fā)器、802.3mii接口和其他的算法控制模塊。

中繼裝置的中央控制模塊由fpga實(shí)現。這樣既可以便于對將來(lái)新接口的兼容升級，也考慮到家庭網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展迅速，以太家庭網(wǎng)絡(luò )對于可擴展性的高要求。將中央控制模塊放在fpga中實(shí)現，可以實(shí)現多種家庭網(wǎng)絡(luò )通信。如ethernet-power-line-ethernet;ethernet-power-line-usb；ethernet-power-line-wirelessnet等。

fpga可以采用altera公司的acex系列或是xilinx的spartanii。這兩個(gè)系列的fpga容量大、價(jià)格低，適合應用在家庭網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品中。fpga中需要實(shí)現與兩個(gè)接口模塊交互的控制接口，這可以由兩個(gè)接口狀態(tài)機實(shí)現。由于外圍的接口芯片都采用了mii接口，所以必須在fpga中實(shí)現mii使其與接口芯片實(shí)現數據傳輸和接口控制。中心控制由另一個(gè)狀態(tài)機實(shí)現，它接收來(lái)自?xún)蓚€(gè)接口狀態(tài)機的輸入信號，作出狀態(tài)判斷，然后對相應的接口狀態(tài)機發(fā)送控制信號。它需要實(shí)現輸入的以太網(wǎng)數據的緩存，然后在判斷出是一個(gè)有效的以太網(wǎng)幀后，開(kāi)始向其它端口發(fā)送這個(gè)數據幀。在發(fā)送和接收的同時(shí)必須監視接口的狀態(tài)，如果發(fā)生沖突，必須暫停所有的發(fā)送，然后開(kāi)始發(fā)送以太網(wǎng)協(xié)議中規定的jam幀，實(shí)現沖突的傳播，保證在網(wǎng)絡(luò )上同一個(gè)時(shí)間只有一個(gè)發(fā)送者擁有網(wǎng)絡(luò )。為保證網(wǎng)絡(luò )的自適應性，可以考慮在接收端發(fā)生沖突的概率p>設定值時(shí)，將這個(gè)端口暫時(shí)封閉。這樣可以避免另一端的網(wǎng)絡(luò )受到影響而沖突頻繁。在延遲一定時(shí)間后，再將這個(gè)端口開(kāi)啟。在設計中還需注意數據包不能在中繼裝置中造成很大的延時(shí)，所以中央控制模塊要盡可能快地將數據包發(fā)送出去。所以當檢測到一個(gè)有效的以太網(wǎng)數據幀頭，就可以開(kāi)始發(fā)送數據。

對于可擴展性和兼容性要求不高的場(chǎng)合，可以考慮用專(zhuān)用的ethernet repeater芯片替代fpga實(shí)現的央控制器功能。

基于家庭網(wǎng)絡(luò )的設備都必須要求具備：安裝方便，結構簡(jiǎn)單、升級性好、安全可靠、成本低廉。本文介紹的這種新型的家庭網(wǎng)絡(luò )中繼設備正是基于這種考慮而設計的。將電力線(xiàn)作為家庭網(wǎng)絡(luò )信號傳輸的載體，大大便捷了網(wǎng)絡(luò )的安裝，增加了接入的手段和接入點(diǎn)。采用powerpacket技術(shù)還提供了在短距離內實(shí)現高速的數據傳佃蝗，為家庭網(wǎng)絡(luò )實(shí)現多媒體應用提供了可能。在硬件接口上采用了標準的以太網(wǎng)接口和電力線(xiàn)接口芯片，完全兼容ieee標準和homeplug，中央控制完全由fpga實(shí)現，既滿(mǎn)足成本低廉的要求，又能提供很好的升級和維護性能，可以根據用戶(hù)的要求和實(shí)際情況調制控制模式和新增接口。