摘? 要: 在簡單介紹了消費總線(CEBus)協議的基礎上,結合實踐重點分析了中國家庭中電力線通訊信道狀況,詳細描述CEBus的電力線通訊實現機制。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CEBus家庭自動化系統是可行的。

　　關鍵詞: 家庭自動化? 家庭網絡? 消費總線? CEBus? 擴頻載波? 電力線通訊? P300芯片

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　　目前,消費電子產品與計算機、通訊技術的密切結合使家用電器產品逐步步入家庭自動化,成為信息網絡和自動化網絡有機集成的家庭網絡。在家庭網絡中,將網絡中的信號分成兩類,一種是低速信號,如控制流和簡單的數字信號,低速信號主要是傳統的開關量、模擬量等等,主要用來實現家電的互操,面對的設備為電燈、空調等傳統家電,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據如視頻、音頻信號,用來實現視頻點播VOD等多媒體應用、數字設備、計算機等網絡設備的資源共享。

1 CEBUS簡介

　　消費總線(CEBus)是美國電子工業協會 (EIA)的開放標準(EIA-600),它描述了一種家庭電子產品之間的通訊方法,通過CEBus可以實現家庭網絡。CEBus采用了簡化的OSI模型,分為物理層、數據鏈路層、網絡層和應用層。

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種媒介光纖被預留出來暫未定義。CEBus是一個完全面向報文分組(packet)的對等網絡,使用載波偵聽多重訪問和沖突檢測與沖突分辨協議(CSMA/CDCR)。 目前,電力線是CEBus中使用最廣泛的介質。CEBus在應用層定義了一種“公共應用語言”(Common Application Language， 簡稱CAL)來實現網絡設備的通訊^[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絡介質,并且幾乎所有的家用電子產品都是聯在220V的電力線上。因此,用低壓電力線來實現家庭網絡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絡介質不同,用電力線實現數據通訊必須考慮其特殊性,表現為干擾的復雜性、信道的時變性。

　　電力線上存在著復雜的干擾,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據通訊。通過數據自動重發機制和糾錯機制可以有效地避免此類干擾對數據通訊的影響。

　　人為干擾則是由連接在電力線上的用電設備產生的,并對電力線上的數據通信有更嚴重的影響。

　　圖1是參考文獻[2]中實驗室測得的電力線上的干擾波形,這與在現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為是可加性高斯白噪聲,為了表示這種干擾的復雜特性并簡化分析,可以近似地將其分成3類:周期性的干擾、時不變的連續干擾和隨機產生的突發性干擾。

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　　在家庭內部,周期性的干擾主要來源是可控硅電路、電機、電視機等設備?？煽毓桦娐芬话愦嬖谟陔娮诱{光設備,開關電源、變頻空調等設備中。這些設備產生的干擾周期一般是工頻或工頻的整數倍,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,頻譜不規則,峰值有時能達到10V,對電力線的通訊有很大的影響。家庭中風扇、空調、洗衣機等設備中的電機運行時,將會在家庭中的電力線上產生大量的高次諧波,這種諧波是工頻的整數倍,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,導致誤碼率的增加。電視機的干擾則主要是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部的電力線上產生時不變的連續干擾。這種干擾平均功率較小,但是頻譜很寬而且持續存在,一般認為這是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。

　　在家庭內部,各種大功率負載如冰箱、空調、洗衣機等的突然開關、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,導致能量很大的脈沖干擾或脈沖干擾群。這類干擾的持續時間較短,但能量很集中,頻譜也很寬,對載波數據通信產生很大的影響。而在接收節點近距離的范圍內,某些中小功率的負載,如日光燈、計算機等的開關也會產生較大的突發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,電力線并聯的負載才是載波衰減的主要原因。不同的負載吸收不同頻率的信號,電力載波的頻率遠比電網的頻率高,一般在幾十千赫茲到數百千赫茲。電爐、電燈等純電阻電路對不同頻率的信號衰減比較均勻,而容性負載、感性負載都會使信號畸變,其中容性負載對高頻信號的阻抗很小,會吸收大量的載波。如開關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電源對電網的干擾有很好的效果,但是它同時要大量吸收電網上的載波信號。在實際應用中,開關電源的插頭附近一般都安裝一個磁環,以有效地防止吸收電網上的載波信號。

　　由于人們的生活作息,家庭中電力線上各種性質的負載變化是比較頻繁的,各種負載會不斷的切入、斷出,這就會造成電力線通訊信道具有很強的時變性。低壓電力線在1s內可對某一頻率信號的衰減變化達到20dB,同時，在1s內信噪比的變化也可達到10dB左右^[4]。負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,晚上18：00～22：00的衰減是最大的。合理地利用這種規律,可以提高通訊系統的可靠性。例如,相當一部分遠程抄表系統通常在零點工作,因為此時人們大多已經休息,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格,家用電器對電力線的污染是非常嚴重的。因此,家庭中電力線上的狀況相對于歐美地區就顯得更為惡劣。目前,我國的管理部門已經注意到了這個問題,在電視機等行業已經準備實行強制的EMC電磁兼容性規定。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時,采用擴頻載波(spectrum spread carrier)通訊來實現控制流。擴頻通訊的理論基礎是信息論中的香農理論。香農關于噪聲信道的主要結論是: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”,它們都是擴頻掃描范圍為100~400kHz的線性掃頻chirp信號:從203kHz經過19個周期線性地變為400kHz,再在1個周期內變為100kHz,然后在5個周期中變為203kHz,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 波形具有很強的自相關特性和自同步性。這種自相關性決定了所有連接在網絡上的設備可以同時識別從網上任意設備發出的這種獨特波形。

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

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　　幀頭用來解決多機共享信道時的競爭問題。沒有掃頻信號的狀態稱為劣態(INFERRIOR STATE),有掃頻信號的狀態稱為優態(SUPERIOR)。如果一個節點發送了劣態(實際上什么也沒有發送),而它同時卻收到了優態,那么就檢測到了競爭。這個過程發生在幀頭中,所以不會造成數據的丟失。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。優態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。所有的優態都采用φ1在幀頭中采用振幅移位鍵控技術,優態和劣態交替出現,其中優態僅僅使用第一種相位。優態和劣態統稱為某一種狀態,某一狀態的持續時間就代表了碼元,無論是優態或者是劣態都可以代表0或者1。幀頭的波形如圖5所示,它的編碼是1101。

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　　在數據體中采用反相鍵控技術,沒有劣態,而是兩個相位交替出現,類似于四種碼元通過某一個狀態持續出現的次數來代表。數據體的波形如圖6所示,它的輸出是1101。

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4 CEBus的數據鏈路層

　　數據鏈路層的功能是使有噪音和干擾的數據通道使得網絡層看起來成為一個無差錯的數據通道。

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

　　CEBus的數據鏈路層只提供面向無連接的服務,根據數據幀中是否包含源節點地址和是否要求響應分為四種類型服務[8]。這四種類型的服務根據通訊的可靠性依次為:

　　(1)無地址無響應(UNADD_UNACK);

　　(2)帶地址無響應(ADD_UNACK);

　　(3)無地址要求響應(UNADD_ACK);

　　(4)帶地址要求響應(ADD_ACK)。

　　其中常用到的類型是帶地址要求響應型;無響應的服務主要用于廣播,并且在數據鏈路層采用多次重發的機制,可以提高無響應服務的可靠性。

　　研究表明,在家電控制這種輕負載的網絡條件下,CEBus的通訊效率是很高的^[9][10]。

5 CEBus的演示系統和結論

　　目前,美國的Intellon公司、加拿大的Domosys公司和以色列的Itran公司均生產符合CEBus標準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,在實際應用中,由于數據包的不同大約為8kbits/s^[1]。

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

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

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參考文獻

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.計算機網絡.北京:清華大學出版社，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