[情報] 電力線網路(PLC)技術介紹

看板Fix-Network (固網電信)作者pttchang (chang)時間18年前 (2006/04/27 00:56)推噓1(1推 0噓 0→)

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電力線網路(PLC)技術介紹 [來源不詳如板友找到或發現請來信告知必刻修正謝謝] 過去，一直有許多因素使電力線（power line）技術無法普及。其中最讓人猜疑的是：在110V或220V的電源線上，真的能傳輸IP封包嗎？不會有電磁干擾（EMI）的問題嗎？愈來愈多的數位電子裝置是為家庭或客廳設計的，因為消費者喜歡將影音檔案從電腦複製到家庭娛樂系統中。這就加速了電腦與電視的整合，以及對電力線通訊（Power Line Communication；PLC）的需求。技術概況目前PLC技術領先全球的有兩大陣營：一是HomePlug電力線聯盟（powerline alliance）、另一是環球電力線協會（Universal Powerline Association；UPA）。此外，還有IEEE-P1901標準（Broadband Over Power Line），但上述兩個陣營都有加入 IEEE-P1901小組。目前還很難看出哪一個陣營會在市場上佔據優勢。目前PLC實體層傳輸速率最快可達200Mbps，而應用層大約是130 Mbps。HomePlug AV標準或DS2公司專屬的（proprietary）PLC技術都可以達到這樣的效能。 DS2的PLC晶片是採用具有1536個載波的OFDM調變技術，以及分時雙工（TDD）或分頻雙工（FDD）的頻道擷取方法。 DS2晶片可以在1～34MHz之間工作，提供較寬鬆的動態工作範圍（90dB），具有分頻和分時的中繼（repeating）能力。由於這些特性，可以使用DS2晶片來實現服務品質（quality of service；QoS）和服務類別（class of service；CoS）的功能。簡言之，QoS就是保證能優先提供較大的頻寬給影音資訊傳輸使用。而CoS就是指 IEEE 802.1P標準，它可以讓用戶在ISO的第二層（Layer 2）上，根據需要對不同的通訊協定（protocol）設定個別的傳輸優先順序。 QoS或CoS對多媒體傳輸是非常重要的，尤其是在頻寬非常有限的通訊網路中。技術應用 PLC/xDSL閘道器它對外要能夠連接纜線數據機（cable modem）、ADSL、FTTx、WiMAX，對內要連上家庭的電力線。所以設計比較複雜，單價也比較高。和一般的網路閘道器一樣，網路處理器和通訊軟體是關鍵技術。如果無法掌握到這兩個關鍵技術，那就只能從事全段代工（turn key）製造了。 PLC數據機（VoIP+data）這種數據機類似整合型擷取裝置（Intergrated Access Device；IAD），可以讓用戶傳收資料和電話，而且都是透過網際網路，所以通訊費用比較低廉。電腦和一般的室內電話都可以與它連接。當然，VoIP技術是其關鍵技術。和一般的VoIP閘道器之最大差別在於：它可以使用電力線經PLC/xDSL閘道器以電話線對外通訊，也可以完全使用電力線對外通訊（如果輸配電網路有支援廣域通訊的話）。數位媒體接收器（digital media receiver）這就是一台數位式機頂盒（DSTB）。可以將視訊轉換成電視或電腦、LCD螢幕可用的訊號。 PLC 802.11x無線橋接器它的功能和無線區域網路橋接器（WLAN access point）一樣。 PLC電話具有兩種通訊埠，一種是電話線、另一種是電力線（就是電源線）。電話埠可以和PLC 數據機連接；電力埠可以直接與電源插座連接。家庭音響和劇院系統將PLC模組嵌入至MP3播放機、家庭劇院系統等設備中，就可以將電腦、電視、音響、電話，甚至其它家電連接在一起。這正符合數位家庭的概念。 PLC-PCI介面卡供給具有PCI匯流排的電腦使用。它的一端是PCI介面，另一端是PLC介面。 PLC網路配接器（adapter）依照功能，大概可以區分為中繼器（repeater）、或具有TCP/IP軟體的路由器（router）。相較之下，前者不需要複雜的軟體，是屬於ISO第二層的架構，用於延伸PLC網路的距離，因此是屬於頭端（head end）設備。而後者又可區分為：戶內擷取（in-home access）與對等（peer-to-peer）裝置。戶內擷取裝置就是類似ADSL數據機的用戶端設備（CPE），負責對外通訊，所以它是主控裝置（master），而和它連接的就是從屬（slave）裝置；而對等裝置是指在戶內互相通訊的裝置，譬如：兩台室內電腦透過PLC網路互相傳輸資料。網路架構它可以區分成三大部份，由下而上分別是：實體層、資料鏈結（data link）層、網路層。實體層包含OFDM實體層、乙太實體層和乙太MAC層。其主要工作是通道的估算、傳收資料、錯誤修正。資料鏈結層包含基本的MAC層、QoS的MAC層、邏輯鏈結控制（LLC）。基本的MAC層之任務是執行基本的通道資源分配和匯流仲裁。 QoS的MAC層之任務是請求和分配資源、傳輸優先等級的管理。邏輯鏈結控制之任務是組裝和拆解封包、邏輯鏈結的確認。網路層的功能是建立或發現隨意型的（ad hoc）PLC網路、轉送資料（data forwarding）。晶片架構它包含三個重要部份：處理器核心、乙太橋接器、數據機。　 PLC晶片內部數據機的架構，它包含四個部份：通道編碼：提供攪亂（scrambling）碼和累贅碼（redundancy code）。高密度的調變器：硬體的複雜度低、每個載波有2至10個位元。 FFT/IFFT：提供1536個載波、頻譜效率高。通道估算器（channel estimator）：預估通道的訊雜比（SNR）和頻率響應；根據期望的位元錯誤率（Bit Error Rate；BER），選定每個載波的位元數。支援802.1D橋接標準、802.1Q虛擬區域網路（VLAN）標準和802.1P服務品質標準。主要功能就是將來自於乙太網路上的封包轉送至PLC網路，並將PLC網路上的資料封包轉送至乙太網路上。同時支援MAC位址過濾、虛擬區域網路和QoS的功能。這是屬於ISO第二層（資料鏈結層）的功能。此外，它還可提供：廣播（broadcast）或一對多播放（multicast）支援IPv6；頻寬與延遲管理；支援展開樹通訊協定（Spanning Tree Protocol）；可以解決隱藏節點（hidden node）的問題等功能。　 TDM介面可以外接VoIP DSP和SLIC，藉此，可以在PLC網路內互打電話。 802.1D標準中的STP 如前所述，PLC的橋接功能是遵循802.1D標準。而此標準中的STP則決定了最佳的路徑。 STP是一種鏈結管理協定，提供相關的傳遞路徑，並將不需要的路徑摒除。理論上，為了提高網路的傳輸效率，在兩台電腦之間，應該只能存在一個傳輸路徑。但實際上，為了預防斷線，所以STP演算法必須不斷地計算，以選出可用的最佳路徑。 STP能讓橋接器彼此通訊，共同找出最佳的邏輯路徑。因為這種邏輯路徑像樹狀結構一樣，蔓延至整個ISO第二層網路，因此得名。對終端設備而言，STP是透明的（transparent），它們根本就不知道自己是連接到哪些區域網路的區段上。橋接器使用橋接通訊協定資料單元（Bridge Protocol Data Unit；BPDU）來交換彼此的訊息。而STP使用BPDU來選擇主要的交換器（switch）和通訊埠。簡言之，STP的工作步驟有二： (1)從所接收到的組態訊息中，選出橋接器可用的最佳路徑之訊息； (2)從非主要連接（non-root-connection）的組態訊息中，選出可用的路徑訊息。如果從步驟一中所得到的最佳選項沒有比步驟二的好，則放棄步驟一所得到的訊息。 STP的通訊協定格式（BPDU）。 Protocol ID：永遠是0。 Version：永遠是0。 Type：此訊框（frame）的BPDU是屬於哪一種格式？是組態的BPDU或是網路變化通知（TCN BPDU）。 Flags：使用中的網路可以利用它來標示異動，並包含在網路變化通知（Topology Change Notification；TCN）的BPDU中。 Root BID：主橋接器（Root Bridge）的橋接編號（Bridge ID）。對單一的虛擬區域網路而言，當資料匯聚之後，在網路上的所有組態BPDU應該包含相同的Root BID。它可以區分為兩個子欄位：橋接的優先順序和橋接的MAC位址。 Root Path Cost：在到達主橋接器的路徑上，所需要的全部鏈路之累積成本。 Sender BID：產生此BPDU的橋接器之橋接編號。對單一的虛擬區域網路而言，單一交換器所傳送的所有BPDU都具有相同的Sender BID，但是，不同交換器之間所傳送的BPDU之Sender BID是不同的。 Port ID：每一個通訊埠都有一個唯一的編號。第一埠的編號是0x8001，第二埠的編號是0x8002。訊息的年齡：從主橋接器發出訊息形成此BPDU開始，記錄已經過的時間長短。最大年齡：一個BPDU存在的最長時間。在進行網路變化通知時，它會影響到橋接表（bridge table）的年齡計時器（aging timer）。 Hello Time：組態BPDU的週期時間。兩個相鄰的組態BPDU之時間間隔。 Forward Delay：傾聽和學習所花費的時間。在進行網路變化通知時，它也會影響到橋接表的年齡計時器。 802.1Q標準中的VLAN VLAN是指有一群網路裝置分別位於不同的網段上，但是透過VLAN的組態設定，可以將它們視為在同一個網段上。由於VLAN是邏輯的觀念，而不是實體的觀念，所以適用於主從網路的管理、頻寬的分配和資源最佳化。而這些應用也是PLC網路所需要的。目前有四種VLAN存在：以通訊埠為基礎的VLAN、以MAC為基礎的VLAN、以通訊協定為基礎的VLAN、ATM VLAN。前三種VLAN都適用於PLC網路。 802.1Q標準可以將大型網路切割成許多小網路，所以，廣播和一對多的播放不會消耗掉不必要的頻寬。此外，不同VLAN區段是無法通訊的，因此可以提高網路通訊的安全性。符合802.1Q標準的乙太封包內有一個標籤（tag）欄位，包含VLAN和802.1P優先等級的資訊。但特別要注意的是，符合802.1Q標準的乙太封包長度已經從1518bytes變成 1522bytes了，因此傳統的網路卡和交換器會拋棄這些封包。符合802.1Q標準的乙太封包格式。　 Preamble（PRE）：PRE是由0和1交叉組成的7bytes的欄位。它告訴接收端有一個訊框即將到來，並且使接收端的實體層與接收到的位元流同步。 Start-of-frame delimiter（SFD）：SOF是由0和1交叉組成的1bytes的欄位。它的末端是兩個連續的1，表示下一個位元是目標位址的最左邊之位元。 Destination address（DA）：DA欄位表示接收端的位址。它是6bytes的欄位。 Source addresses（SA）：SA欄位表示傳送端的位址。它是6bytes的欄位。 TPID：固定為0x8100。如果一個訊框的EtherType欄位值等於0x8100，則此訊框就是具有符合IEEE 802.1Q / 802.1P標準的標籤。 TCI：標籤控制資訊（Tag Control Information；TCI）欄位包含了使用者優先等級、規範格式指示（canonical format indicator）和VLAN ID。　 User Priority：由802.1P標準定義使用者的優先順序，共有3位元，8個優先等級。 CFI：對乙太交換機而言，這個欄位必須設為0，表示規範格式。這個欄位最主要是用來使乙太網路和符號環（Token Ring）網路能夠相容。如果一個乙太埠收到的訊框之CFI值為1，則此訊框將無法被轉送出去，因為它被不具標籤的（untagged）通訊埠接收到。 VID：VID是VLAN的識別號碼，基本上，它是給802.1Q標準使用的。它有12個位元，可以提供最多4096個VID。在這些VID中，VID為0者是留給載有優先等級資訊的訊框使用的，4095（0xFFF）則是被保留的，所以最大的VID值是4094。 Length/Type：這個欄位是用來表示訊框的資料欄位之長度，或者表示訊框的類別。 Data：最多1496位元，最少42位元的資料。一個訊框的最小長度是64 bytes。 Frame check sequence（FCS）：包含了一個32位元的循環累贅查核（CRC）值，它是由傳送端的MAC產生的，並由接收端於收到後重新計算，藉此，檢查訊框是否有損失。 DS2的PLC晶片除支援上述的802.1Q標準格式外，還另外加入了其專屬的OVLAN （Optimized VLAN）欄位，如(圖六)所示。此外，除了本文所介紹的ISO第二層技術以外， PLC網路裝置可能還包含第二層以上的軟體堆疊，例如：TCP/IP等等。技術上的優缺點在技術上，PLC具有下列幾項優點：它在較低頻段（1～34MHz）工作，所以不會受微波爐、手機射頻訊號的干擾；在一般情況下，它適合在惡劣的電力線環境中傳輸訊號。譬如：具有多路徑衰減（multipath fade）效應、阻抗不斷變化、阻抗不匹配的電力線環境；它使用既有的家用輸配電網路系統傳輸訊號即可。不同大樓和樓層之間，可以利用電感感應的方法將訊號耦合過去，所以訊號傳輸不會受到空間的限制。　但是，PLC也不是完全無懈可擊，目前它至少還有以下幾項缺點尚待克服：如果舊有的輸配電網路系統的用電效率不彰的話，則必須更換電力基礎設備，其成本將非常高昂。這包含電力公司的變壓器、高壓輸配線，以及用戶室內的配電盤、配電線路；如果採用OFDM調變技術，則訊號容易產生抖動（jitter）和頻率偏移；由於PLC實體層最多只能支援200Mbps的速率，所以廣播或一對多播放的通道總數仍然受到極大的限制。例如：使用PLC網路播放MPEG-2影片時，在同一條PLC網路主幹（backbone）上，最多只能容納10位用戶同時觀看。因為連同應用層，一個MPEG-2視訊 IP鏈結總共需要20Mbps的頻寬。所以，經由PLC網路對眾多用戶同時廣播時，使用MPEG-4或H.264視訊是比較實用些，因為這種視訊的每個IP鏈結大概只需要1Mbps的頻寬。結語其實，由於無線區域網路無法穿透大樓的上下各樓層，所以PLC才有存在的價值。但是， PLC仍然得面對802.11g、802.11n、802.16（WiMax）的威脅。尤其許多大廠紛紛投入 WiMax陣營，對PLC而言，這勢必會造成資源排擠的作用。雖然PLC產品目前僅佔全球家庭網路市場約5％而已，但是國外分析家樂觀預估到2008年，它的總產值將成長到1000萬美元。這似乎仍然偏低，但當人們習慣於使用乙太和WLAN網路時，PLC將成為另一種大家想要使用的替代技術。 ※ 編輯: pttchang 來自: 124.10.128.250 (04/27 02:11)