电力线网路技术介绍

过去，一直有许多因素使电力线（power line）技术无法普及。其中最让人猜疑的是：在110V或220V的电源线上，真的能传输IP封包吗？不会有电磁干扰（EMI）的问题吗？

愈来愈多的数字电子装置是为家庭或客厅设计的，因为消费者喜欢将影音档案从电脑复制到家庭娱乐系统中。这就加速了电脑与电视的整合，以及对电力线通信（Power Line Communication；PLC）的需求。

技术概况
目前PLC技术领先全球的有两大阵营：一是HomePlug电力线联盟（powerline alliance）、另一是环球电力线协会（Universal Powerline Association；UPA）。此外，还有IEEE-P1901标准（Broadband Over Power Line），但上述两个阵营都有加入IEEE-P1901小组。目前还很难看出哪一个阵营会在市场上佔据优势。

目前PLC实体层传输速率最快可达200Mbps，而应用层大约是130 Mbps。HomePlug AV标准或DS2公司专属的（proprietary）PLC技术都可以达到这样的效能。DS2的PLC晶片是採用具有1536个载波的OFDM调变技术，以及分时双工（TDD）或分频双工（FDD）的频道撷取方法。DS2晶片可以在1～34MHz之间工作，提供较宽松的动态工作范围（90dB），具有分频和分时的中继（repeating）能力。由于这些特性，可以使用DS2晶片来实现服务品质（quality of service；QoS）和服务类别（class of service；CoS）的功能。

简言之，QoS就是保证能优先提供较大的频宽给影音资讯传输使用。而CoS就是指IEEE 802.1P标准，它可以让用户在ISO的第二层（Layer 2）上，根据需要对不同的通信协定（protocol）设定个别的传输优先顺序。QoS或CoS对多媒体传输是非常重要的，尤其是在频宽非常有限的通信网路中。

 技术应用
(图一)是家庭中电力线网路的示意图。其中，与电力线直接连接的有：
　

图一　家庭中的电力线网路
　

■PLC/xDSL闸道器
它对外要能够连接缆线数据机（cable modem）、ADSL、FTTx、WiMAX，对内要连上家庭的电力线。所以设计比较复杂，单价也比较高。和一般的网路闸道器一样，网路处理器和通信软件是关键技术。如果无法掌握到这两个关键技术，那就只能从事全段代工（turn key）制造了。

■PLC数据机（VoIP+data）
这种数据机类似整合型撷取装置（Intergrated Access Device；IAD），可以让用户传收资料和电话，而且都是透过网际网路，所以通信费用比较低廉。电脑和一般的室内电话都可以与它连接。当然，VoIP技术是其关键技术。和一般的VoIP闸道器之最大差别在于：它可以使用电力线经PLC/xDSL闸道器以电话线对外通信，也可以完全使用电力线对外通信（如果输配电网路有支援广域通信的话）。

■数字媒体接收器（digital media receiver）
这就是一台数字式机顶盒（DSTB）。可以将视频转换成电视或电脑、LCD萤幕可用的信号。

■PLC 802.11x无线桥接器
它的功能和无线区域网路桥接器（WLAN access point）一样。

■PLC电话
具有两种通信埠，一种是电话线、另一种是电力线（就是电源线）。电话埠可以和PLC数据机连接；电力埠可以直接与电源插座连接。

■家庭音响和剧院系统
将PLC模组嵌入至MP3播放机、家庭剧院系统等设备中，就可以将电脑、电视、音响、电话，甚至其它家电连接在一起。这正符合数字家庭的概念。

■PLC-PCI介面卡
供给具有PCI匯流排的电脑使用。它的一端是PCI介面，另一端是PLC介面。

■PLC网路配接器（adapter）
依照功能，大概可以区分为中继器（repeater）、或具有TCP/IP软件的路由器（router）。相较之下，前者不需要复杂的软件，是属于ISO第二层的架构，用于延伸PLC网路的距离，因此是属于头端（head end）设备。而后者又可区分为：户内撷取（in-home access）与对等（peer-to-peer）装置。户内撷取装置就是类似ADSL数据机的用户端设备（CPE），负责对外通信，所以它是主控装置（master），而和它连接的就是从属（slave）装置；而对等装置是指在户内互相通信的装置，譬如：两台室内电脑透过PLC网路互相传输资料。

 网路架构
(图二)是PLC的网路架构。它可以区分成三大部份，由下而上分别是：实体层、资料链结（data link）层、网路层。
　

图二　PLC网路架构
　

实体层包含OFDM实体层、乙太实体层和乙太MAC层。其主要工作是通道的估算、传收资料、错误修正。
资料链结层包含基本的MAC层、QoS的MAC层、逻辑链结控制（LLC）。基本的MAC层之任务是执行基本的通道资源分配和匯流仲裁。QoS的MAC层之任务是请求和分配资源、传输优先等级的管理。逻辑链结控制之任务是组装和拆解封包、逻辑链结的确认。网路层的功能是建立或发现随意型的（ad hoc）PLC网路、转送资料（data forwarding）。

 晶片架构
(图三)是PLC晶片内部的功能方块图。它包含三个重要部份：处理器核心、乙太桥接器、数据机。
　

图三　PLC晶片功能方块图
　

(图四)是PLC晶片内部数据机的架构，它包含四个部份：

●通道编码：提供搅乱（scrambling）码和累赘码（redundancy code）。
●高密度的调变器：硬体的复杂度低、每个载波有2至10个位元。
●FFT/IFFT：提供1536个载波、频谱效率高。
●通道估算器（channel estimator）：预估通道的噪音比（SNR）和频率响应；根据期望的位元错误率（Bit Error Rate；BER），选定每个载波的位元数。
　

图四　PLC晶片内的数据机架构
　

(图五)是乙太桥接器的内部架构。支援802.1D桥接标准、802.1Q虚拟区域网路（VLAN）标准和802.1P服务品质标准。主要功能就是将来自于乙太网路上的封包转送至PLC网路，并将PLC网路上的资料封包转送至乙太网路上。同时支援MAC位址过滤、虚拟区域网路和QoS的功能。这是属于ISO第二层（资料链结层）的功能。此外，它还可提供：广播（broadcast）或一对多播放（multicast）支援IPv6；频宽与延迟管理；支援展开树通信协定（Spanning Tree Protocol）；可以解决隐藏节点（hidden node）的问题等功能。
　

图五　乙太桥接器的内部构造
　

在图三中的TDM介面可以外接VoIP DSP和SLIC，藉此，可以在PLC网路内互打电话。

 802.1D标准中的STP
如前所述，PLC的桥接功能是遵循802.1D标准。而此标准中的STP则决定了最佳的路径。STP是一种链结管理协定，提供相关的传递路径，并将不需要的路径摒除。理论上，为了提高网路的传输效率，在两台电脑之间，应该只能存在一个传输路径。但实际上，为了预防断线，所以STP演算法必须不断地计算，以选出可用的最佳路径。

STP能让桥接器彼此通信，共同找出最佳的逻辑路径。因为这种逻辑路径像树状结构一样，蔓延至整个ISO第二层网路，因此得名。对终端设备而言，STP是透明的（transparent），它们根本就不知道自己是连接到哪些区域网路的区段上。桥接器使用桥接通信协定资料单元（Bridge Protocol Data Unit；BPDU）来交换彼此的短信。而STP使用BPDU来选择主要的交换器（switch）和通信埠。 简言之，STP的工作步骤有二：

(1)从所接收到的组态短信中，选出桥接器可用的最佳路径之短信；
(2)从非主要连接（non-root-connection）的组态短信中，选出可用的路径短信。

如果从步骤一中所得到的最佳选项没有比步骤二的好，则放弃步骤一所得到的短信。
STP的通信协定格式（BPDU）如(表一)所示。
　

Protocol ID（2） Version（1） Type（1） Flags（1） Root ID（8） Root Path（4）Sender BID（8） Port ID（2） M-Age（2） Max Age（2） Hello（2） FD（2Bytes）

表一　STP的通讯协定格式
　

表一的各栏位值，如下之说明：

●Protocol ID：永远是0。
●Version：永远是0。
●Type：此讯框（frame）的BPDU是属于哪一种格式？是组态的BPDU或是网路变化通知（TCN BPDU）。
●Flags：使用中的网路可以利用它来标示异动，并包含在网路变化通知（Topology Change Notification；TCN）的BPDU中。
●Root BID：主桥接器（Root Bridge）的桥接编号（Bridge ID）。对单一的虚拟区域网路而言，当资料匯聚之后，在网路上的所有组态BPDU应该包含相同的Root BID。它可以区分为两个子栏位：桥接的优先顺序和桥接的MAC位址。
●Root Path Cost：在到达主桥接器的路径上，所需要的全部链路之累积成本。
●Sender BID：产生此BPDU的桥接器之桥接编号。对单一的虚拟区域网路而言，单一交换器所传送的所有BPDU都具有相同的Sender BID，但是，不同交换器之间所传送的BPDU之Sender BID是不同的。
●Port ID：每一个通信埠都有一个唯一的编号。第一埠的编号是0x8001，第二埠的编号是0x8002。
●短信的年龄：从主桥接器发出短信形成此BPDU开始，记录已经过的时间长短。
●最大年龄：一个BPDU存在的最长时间。在进行网路变化通知时，它会影响到桥接表（bridge table）的年龄计时器（aging timer）。
●Hello Time：组态BPDU的週期时间。两个相邻的组态BPDU之时间间隔。
●Forward Delay：倾听和学习所花费的时间。在进行网路变化通知时，它也会影响到桥接表的年龄计时器。

 802.1Q标准中的VLAN
VLAN是指有一群网路装置分别位于不同的网段上，但是透过VLAN的组态设定，可以将它们视为在同一个网段上。由于VLAN是逻辑的观念，而不是实体的观念，所以适用于主从网路的管理、频宽的分配和资源最佳化。而这些应用也是PLC网路所需要的。
目前有四种VLAN存在：以通信埠为基础的VLAN、以MAC为基础的VLAN、以通信协定为基础的VLAN、ATM VLAN。前三种VLAN都适用于PLC网路。

802.1Q标准可以将大型网路切割成许多小网路，所以，广播和一对多的播放不会消耗掉不必要的频宽。此外，不同VLAN区段是无法通信的，因此可以提高网路通信的安全性。符合802.1Q标准的乙太封包内有一个标籤（tag）栏位，包含VLAN和802.1P优先等级的资讯。但特别要注意的是，符合802.1Q标准的乙太封包长度已经从1518bytes变成1522bytes了，因此传统的网路卡和交换器会抛弃这些封包。符合802.1Q标准的乙太封包格式如(表二)所示。
　

7 1 6 6 2 2 2 42-1496 4Preamble SFD DA SA TPID TCI Type Length Data CRC

表二　符合802.1Q标准的乙太封包格式
　

表二的各栏位值，如下之说明：

●Preamble（PRE）：PRE是由0和1交叉组成的7bytes的栏位。它告诉接收端有一个讯框即将到来，并且使接收端的实体层与接收到的位元流同步。
●Start-of-frame delimiter（SFD）：SOF是由0和1交叉组成的1bytes的栏位。它的末端是两个连续的1，表示下一个位元是目标位址的最左边之位元。
●Destination address（DA）：DA栏位表示接收端的位址。它是6bytes的栏位。
●Source addresses（SA）：SA栏位表示传送端的位址。它是6bytes的栏位。
●TPID：固定为0x8100。如果一个讯框的EtherType栏位值等于0x8100，则此讯框就是具有符合IEEE 802.1Q / 802.1P标准的标籤。
●TCI：标籤控制资讯（Tag Control Information；TCI）栏位包含了使用者优先等级、规范格式指示（canonical format indicator）和VLAN ID。如(表三)所示。
　

3bits 1bit 12bitsUser Priority CFI VLAN ID (VIDI)

表三　TCI栏位的格式
　

●User Priority：由802.1P标准定义使用者的优先顺序，共有3位元，8个优先等级。
●CFI：对乙太交换机而言，这个栏位必须设为0，表示规范格式。这个栏位最主要是用来使乙太网路和符号环（Token Ring）网路能够相容。如果一个乙太埠收到的讯框之CFI值为1，则此讯框将无法被转送出去，因为它被不具标籤的（untagged）通信埠接收到。
●VID：VID是VLAN的识别号码，基本上，它是给802.1Q标准使用的。它有12个位元，可以提供最多4096个VID。在这些VID中，VID为0者是留给载有优先等级资讯的讯框使用的，4095（0xFFF）则是被保留的，所以最大的VID值是4094。
●Length/Type：这个栏位是用来表示讯框的资料栏位之长度，或者表示讯框的类别。
●Data：最多1496位元，最少42位元的资料。一个讯框的最小长度是64 bytes。
●Frame check sequence（FCS）：包含了一个32位元的循环累赘查核（CRC）值，它是由传送端的MAC产生的，并由接收端于收到后重新计算，藉此，检查讯框是否有损失。

DS2的PLC晶片除支援上述的802.1Q标准格式外，还另外加入了其专属的OVLAN（Optimized VLAN）栏位，如(图六)所示。此外，除了本文所介绍的ISO第二层技术以外，PLC网路装置可能还包含第二层以上的软体堆叠，例如：TCP/IP等等。
　

图六　802.1、802.1Q-VALN、OVLAN之间的关系
　

■技术上的优缺点
在技术上，PLC具有下列几项优点：它在较低频段（1～34MHz）工作，所以不会受微波炉、手机射频信号的干扰；在一般情况下，它适合在恶劣的电力线环境中传输信号。譬如：具有多路径衰减（multipath fade）效应、阻抗不断变化、阻抗不匹配的电力线环境；它使用既有的家用输配电网路系统传输信号即可。不同大楼和楼层之间，可以利用电感感应的方法将信号耦合过去，如(图七)，所以信号传输不会受到空间的限制。
　

图七　不同大楼或楼层之间的PLC信号耦合
　

但是，PLC也不是完全无懈可击，目前它至少还有以下几项缺点尚待克服：如果旧有的输配电网路系统的用电效率不彰的话，则必须更换电力基础设备，其成本将非常高昂。这包含电力公司的变压器、高压输配线，以及用户室内的配电盘、配电线路；如果採用OFDM调变技术，则信号容易产生抖动（jitter）和频率偏移；由于PLC实体层最多只能支援200Mbps的速率，所以广播或一对多播放的通道总数仍然受到极大的限制。例如：使用PLC网路播放MPEG-2影片时，在同一条PLC网路主干（backbone）上，最多只能容纳10位用户同时观看。因为连同应用层，一个MPEG-2视讯IP链结总共需要20Mbps的频宽。所以，经由PLC网路对众多用户同时广播时，使用MPEG-4或H.264视讯是比较实用些，因为这种视讯的每个IP链结大概只需要1Mbps的频宽。

 结语
其实，由于无线区域网路无法穿透大楼的上下各楼层，所以PLC才有存在的价值。但是，PLC仍然得面对802.11g、802.11n、802.16（WiMax）的威胁。尤其许多大厂纷纷投入WiMax阵营，对PLC而言，这势必会造成资源排挤的作用。

虽然PLC产品目前仅佔全球家庭网路市场约5％而已，但是国外分析家乐观预估到2008年，它的总产值将成长到1000万美元。这似乎仍然偏低，但当人们习惯于使用乙太和WLAN网路时，PLC将成为另一种大家想要使用的替代技术。