电力线网路(PLC)技术介绍 [来源不详 如板友找到或发现 请来信告知 必刻修正 谢谢] 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？ 愈来愈多的数位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，以及对电力线通讯 （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占据优势。 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晶片是采用具有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。由於这些特性，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 通讯协定（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讯网路中。 技术应用 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 和通讯软体是关键技术。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，所以通讯费用比较低廉。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 在於：它可以使用电力线经PLC/xDSL闸道器以电话线对外通讯，也可以完全使用电力线 对外通讯（如果输配电网路有支援广域通讯的话）。 数位媒体接收器（digital media receiver） 这就是一台数位式机顶盒（DSTB）。可以将视讯转换成电视或电脑、LCD萤幕可用的讯号。 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 具有两种通讯埠，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。这正符合数位家庭的概念。 PLC-PCI介面卡 供给具有PCI汇流排的电脑使用。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软体的路由器（router） 。相较之下，前者不需要复杂的软体，是属於ISO第二层的架构，用於延伸PLC网路的 距离，因此是属於头端（head end）设备。而後者又可区分为：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），负责对外通讯，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讯的装置，譬如：两台室内 电脑透过PLC网路互相传输资料。 网路架构 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。 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汇流仲裁。 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 它包含三个重要部份：处理器核心、乙太桥接器、数据机。 　 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）：预估通道的讯杂比（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。 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於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。 这是属於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；支援展开树通讯协定 （Spanning Tree Protocol）；可以解决隐藏节点（hidden node）的问题等功能。 　 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能让桥接器彼此通讯，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。 桥接器使用桥接通讯协定资料单元（Bridge Protocol Data Unit；BPDU）来交换彼此 的讯息。 而STP使用BPDU来选择主要的交换器（switch）和通讯埠。 简言之，STP的工作步骤有二： (1)从所接收到的组态讯息中，选出桥接器可用的最佳路径之讯息； (2)从非主要连接（non-root-connection）的组态讯息中，选出可用的路径讯息。 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讯息。 STP的通讯协定格式（BPDU）。 Protocol ID：永远是0。 Version：永远是0。 Type：此讯框（frame）的BPDU是属於哪一种格式？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，当资料汇聚之後，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：每一个通讯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。 讯息的年龄：从主桥接器发出讯息形成此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的周期时间。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於不同的网段上，但是透过VLAN的组态设定， 可以将它们视为在同一个网段上。由於VLAN是逻辑的观念，而不是实体的观念， 所以适用於主从网路的管理、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：以通讯埠为基础的VLAN、以MAC为基础的VLAN、以通讯协定为基础 的VLAN、ATM VLAN。前三种VLAN都适用於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区段是无法通讯的，因此可以提高网路通讯的安全性。 符合802.1Q标准的乙太封包内有一个标签（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。 　 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栏位值等於0x8100，则此讯框就是 具有符合IEEE 802.1Q / 802.1P标准的标签。 TCI：标签控制资讯（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。 　 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，因为它被不具标签的（untagged）通讯埠接收到。 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，并由接收端於收到後重新计算，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。 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 、手机射频讯号的干扰；在一般情况下，它适合在恶劣的电力线环境中传输讯号。 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讯号即可。不同大楼和楼层之间， 可以利用电感感应的方法将讯号耦合过去，所以讯号传输不会受到空间的限制。 　 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；如果采用OFDM调变技术，则讯号容易产生抖动（jitter）和频率偏移； 由於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，由於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产品目前仅占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，但当人们习惯於使用乙太和WLAN网路 时，PLC将成为另一种大家想要使用的替代技术。 ※ 编辑: pttchang 来自: 124.10.128.250 (04/27 02:11)