CEBUS中的电力线通讯分析

    摘要：在简单介绍了消费总线（CEBus）协议基础上，结合实践重点分析了中国家庭中电力线通讯信道状况，详细描述CEBus的电力线通讯实现机制。研究和实践表明通过合理的措施，在中国家庭的电力线上实现CEBus家庭自动化系统是可行的。

    关键词：家庭自动化 家庭网络 消费总线 CEBus 扩频载波 电力线通讯 P300芯片

目前，消费电子产品与计算机、通讯技术的密切结合使家用电器产品逐步入家庭自动化，成为信息网络和自动化网络有机集成的家庭网络。在家庭网络中，将网络中的信号分成两类，一种是低速信号，如控制流和简单的数字信号，低速信号主要是传统的开关量、模拟量等等，主要用来实现家电的互操，而对的设备为电灯、空调等传统家电，这就是通常意义上说的家庭自动化；另一种是高速信号，主要是大量的实时数据如视频、音频信号，用来实现视频点播VOD等多媒体应用、数字设备、计算机等网络设备的资源共享。

1 CEBUS简介

消费总线（CEBus）是美国电子工业协会（EIA）的开放标准（EIA-600），它描述了一种家庭电子产品之间的通讯方法，通过CEBus可实现家庭网络。CEBus采用了简化的OSI模型，分为物理层、数据链路层、网络层和应用层。

CEBus的物理层使用了5种不同的媒介：电力线、双绞线、同轴电缆、射频广播和红外线，第6种媒介光纤被预留出来暂未定义。CEBus是一个完全面向报文分组（packet）的对等网络，使用载波侦听多重访问和冲突检测与冲突分辨协议（CSMA/CDCR）。目前，电力线是CEBus中使用最广泛的介质。CEBus在应用层定义了一种“公共应用语言”（Common Application Language,简称CAL）来实现网络设备的通讯[1]。

2 家庭中电力线上的通讯信道状况分析

低压电力线无疑是家庭中分布最广泛的有线网络介质，并且几乎所有的家用电子产品都是联在220V的电力线上。因此，用低压电力线来实现家庭网络中的控制流不存在重新布线的问题，无疑是最方便的。但由于电力线与双绞线等专用网络介质不同，用电力线实现数据通讯必须考虑其特殊性，表现为干扰的复杂性、信道的时变性。

电力线上存在着复杂的干扰，可分为非人为干扰和人为干扰。

非人为干扰指的是一些自然现象，如雷电在电力线上引起的干扰，这种干扰将影响瞬间的电力线数据通讯。通过数据自动重发机制和纠错机制可以有效地避免此类干扰对数据通讯的影响。

人为干扰则是由连接在电力线上的用电设备产生的，并对电力线上的数据通讯有更严重的影响。

图1是参考文献[2]中实验室测得的电力线上的干扰波形，这与在现场和实验室测得的干扰波形很相似。在家庭中，电力线上的干扰不能被简单地认为是可加性高斯白噪声，为了表示这种干扰的复杂特性并简化分析，可以近似地将其分成3类：周期性的干扰、时不变的连续干扰和随机产生的突发性干扰。

    在家庭内部，周期性的干扰主要来源是可控硅电路、电机、电空调机等设备。可控硅电路一般存在于电子调光设备，开关电源、变频空调等设备中。这些设备产生的干扰周期一般是工频或工频的整数倍，例如图1中存在着明显的以100kHz为周期的干扰信号，这种干扰的幅度很大，频谱不规则，峰值有时能达到10 V，对电力线的通讯有很大的影响。家庭中风扇、空调、洗衣机等设备中的电机运行时，将会在家庭中的电力线上产生大量的高次谐波，这种谐波是工频的整数倍，其频率能到几万赫兹并且能量比较集中，其频谱可能部分覆盖信号频谱，造成信噪比的降低，导致误码率的增加。电视机的干扰则主要是15～73kHz的行频信号，这种信号对电力线也有一定的干扰。

在家庭的实际情况中，由于大量的家用电器同时使用，释放出多种干扰，而这些干扰，而这些干扰的瞬时功率、周期、相位等变化很大，各不相同，因此最终会在家庭内部的电力线上产生时不变的连续干扰。这种干扰平均功率罗小，但是频谱很宽而且持续存在，一般认为这是10kHz～100MHz的背景噪声[3]。这种干扰的频谱有可能部分或完全覆盖信号频谱，因此，在通讯过程中的信噪比可能会变得很低，通信误码率增加。

在家庭内部，各种大功率负载如冰箱、空调、洗衣机等的突然开关、电力线路上的短路故障等将引起电压、电流的剧烈变化，谐波份量的增加，导致能量很大的脉冲干扰或脉冲干扰群。这类干扰的持续时间较短，但能量很集中，频谱也很宽，对载波数据通信产生很大的影响。而在接收节点近距离的范围内，某些中小功率的负载，如日光灯、计算机等的开头也会产生较大的突发脉冲干扰而影响通信。

    由于在家庭中电力线的长度有限，阻抗很小，因此，在家庭内部电力线本身并不是电力线上载波衰减的主要原因，电力线并联的负载才是载波衰减的主要原因。不同的负载吸收不同频率的信号，电力载波的频率远比电网的频率高，一般在几十千赫兹到数百千赫兹。电炉、电灯等纯电阻电路对不同频率的信号衰减比较均均，而容性负载、感性负载都会使信号畸变，其中容性负载对高频信号的阻抗很小，会吸收大量的载波。如开关电源的输入端有一个滤波器，如图2所示。

可以看出，图2中的电路对于抑制开关电源对电网的干扰有很好的效果，但是它同时要大量吸收电网上的载波信号。在实际应用中，开关电源的插头附近一般者安装一个磁环，以有效地防止吸收网上的载波信号。

由于人们的生产作息，家庭中电力线上各种性质的负载变化是比较频繁的，各种负载会不断的切入、断出，这就会造成电力线通讯信道具有很强的时变性。低压电力线在1s内可对某一频率信号的衰减变化达到20dB，同时，在1s内信噪比的变化也可达到10dB左右[4]。负载的变化造成了不同频率的载波衰减特性也存在了时变性。在居民区，晚上18.00～22.00的衰减是最大的。合理地利用这种规律，呵以提高通讯系统的可靠性。例如，相当一部分远程抄表系统通常在零点工作，因为此时人们大多已经休息，而大部分电器都停止运行，电力线的通讯信道相对畅通。

在我国，由于对家用电器的电磁兼容性没有欧美国家控制得严格，家用电器对电力线的污染是非常严重的。因此，家庭中电力线上的状况相对于欧美地区就显得更为恶劣。目前，我国的管理部门已经注意到了这个问题，在电视机等行业已经准备实行强制的EMC电磁兼容性规定。相信今后对其他电器也将会实行，这对我国电力线的通讯信道状况会有很大的改善。

3 CEBUS的物理层通讯

鉴于家庭中电力线载波通讯的特殊性，CEBus在以电力线作为物理层的传输介质时，采用扩频载波（spectrum spread carrier）通讯来实现控制流。扩频通讯的理论基础是信息论中的香农理论。香农关于噪声信道的主要结论是：任何带宽为WHz，信噪比为S/N的信道，其最大传输速率C为[5]。

C=W×log2(1+S/N)

式中，C——最大传输速率，N——噪声功率，W——带宽，S——信号功率。

这一公式表明，相对于在信道中所存在的信噪比而言，一条信道差错传递信息的能力与传输信息所用的带宽之间所具有的关系。由此可得，为了获得同样的信道容量（用信息速率表示），信号带宽与共信噪比的对数成反比，即信号带宽越宽，则所要求的信号信噪比就越低，甚至信号淹没在噪声之中也能实现可靠通信。

CEBus在电力线上有四种编码，分别是：“0”、“1”、“EOF”和“EOP”，它们都是扩频扫描范围为100～400kHz的线性扫频chirp信号：从203kHz经过19个周期线性地变为400kHz，再在1个周期内变为100kHz，然后在5个周期中变为203kHz，整个时间长度为100μs，也就是1个UST（Unit symble time）[6]。其波形如图3。

这种chirps波形具有很强的自相关特性和自同步性。这种逢相关性决定了所有连接在网络上的设备可以同时识别从网上任意设备发出的这种独特波形。

CEBus的物理层的数据帧由帧头、数据体和CRC校验和组成[7]，如图4所示。帧头与数据体内编码有所不同，编码方式如表1所示。

表1 CEBus的物理层编码长度

码  元帧  头数据体UST时间（μs）UST时间（μs）11.01141.010002.02282.0200EOF8.08003.0300EOP4.0400

帧头用来解决多机共享信道时的竞争问题。没有扫频信号的状态称为劣态（INFERRIOR STATE），有扫频信号的状态称为优态（SUPERIOR）。如果一个节点发送了劣态（实际上什么也没有发送），而它同时却收到了优态，那么就检测到了竞争。这个过程发生在帧头中，所以不会造成数据的丢失。通过这种类似与逻辑中的“线或”方法，对解决通讯信道的竞争有着重要的意义。优态还有两种相反的相位，分别记做φ1和2。为了便于检测，在帧头中，每一个UST是114μs，但是扫描的时间并不变。所有的优态都采用φ1在帧头中采用振幅移位键技术，优态和劣态交替出现，其中优态仅仅使用第一种相位。优态和劣态统称为某一种状态，某一状态的持续时间就代表了码元，无论是优态或者是劣态都可以代表0或者1.帧头的波形如图5所示，它的编码是1101。

在数据体中采用反相键控技术，没有劣态，而是两个相位交替出来，类似于四种码元通过某一个状态持续出现的次数来代表。数据体的波形如图6所示，它的输出是1101。

4 CEBus的数据链路层

数据链路层的功能是使有噪音和干扰的数据通道使得网络层看起来成为一个无差错垢数据通道。

CEBus的介质多重访问采用CSMA/CDCR机制[7]，从而使得各节点可以公司、高效地使用通讯信道。CEBus数据包（packet）有三种优先级：高、普通、低[7],可满足不同的控制信息对时间的要求。数据链路层中每帧是短11字节，最长41字节。最长的发送时间大约是55ms，典型的控制命令只要10ms就可以完成。

    CEBus的数据链数层只提供面向无连接的服务，根据数据帧中是否含源节点地址和是否要求响应分为四种类型服务[8]。这四种类型的服务根据通讯的可靠性依次为：

（1）无地址无响应（UNADD_UNACK）；

（2）带地址无响应（ADD_UNACK）；

（3）无地址要求响应（UNADD_ACK）；

（4）带地址要求响应（ADD_ACK）；

其中常用到的类型是带地址要求响应型；无响应的服务主要用于广播，并且在数据链路层采用多次重发的机制，可以提高无响应服务的可靠性。

研究表明，在家电控制这种轻负载的网络条件下，CEBus的通讯效率是很高的[9][10]。

5 CEBus的演示系统和结论

目前，美国的Intellon公司、加拿大的Domosys公司和以色列的Itran公司均生产符合CEBus标准的电力线通讯控制芯片。目前，CEBus控制流的波特率理论上为10kbps，在实际应用中，由于数据包的不同大约为8kbits/s[1]。

在实际演示系统中，使用了intellon公司的P300作底层通讯芯片设计通讯模块。模块性能的测试实验表明，由于采用扩频载波技术，P300芯片对线路噪声、信号畸变有良好的适应能力，在部分信号被吸收的条件下仍能可靠通讯。