电力线通信技术第七章讲解
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2．现有的家庭总线协议 •（1）X-10协议 •X-10是以50 Hz或60 Hz为载波，再用120 kHz的脉冲调 制发展出来的控制技术，信号的传输是利用市电电源的 正弦信号的过零点来进行的。X-10协议出现较早，与后 来出现的复杂的总线协议相比，结构比较简单，120 kHz 的电力载波的带宽有限，不能传送大量的信息，120 kHz 的电力载波也易受干扰。X-10的特点是结构简单、价格 低，因此被广泛应用于家庭应用场合，如安全监控、家 用电器控制、室内照明控制、住宅仪表数字读取等方面 。
7.1.1 协议模型分析
• 3．各种总线协议的分析比较 • 从OSI网络模型与各种应用于家庭自动化的网络，可
以看出，几乎所有的协议都是以OSI网络协议的参考 模型为样本，根据行业的应用特点，进行剪裁与修改 的。从体系结构上可以看出，可应用于低压电力线的 网络协议大都只有三层或是四层：物理层、数据链路 层、网络层、应用层（或应用层包含网络层）。国外 的这些协议在欧美国家占有绝对优势，在我国应用起 来还有相当大的困难，但是可以参考这些协议得出一 些结论，国外的协议从可靠性的角度出发，都会考虑 以下一些重要功能：
第七章 目录
• 7.1 电力线通信协议的设计 • 7.2 设 备 协 调 • 7.3 基于电力线的家庭网关
第七章 目录
• 7.1 电力线通信协议的设计 • 7.2 设 备 协 调 • 7.3 基于电力线的家庭网关
•7.1 电力线通信协议的设计
在大多数情况下，为了实现业务互通和信息交 换，电力线网络需要与其他机构的网络互连。但在 实际应用中，不同低层网络技术、不同的厂商设备 种类繁多，实现方式差异很大，导致了互连的复杂 性。要实现来自不同网络、不同制造商设备在不同 层次上灵活的互连，整个通信网必须提供一种体系 架构、定义标准的接口，以隐藏不同低层物理网络 是实现细节和差异，将不同的网络集成为一个协作 的整体，使得任意两个网络设备在这个体系结构下， 只要在某一共同的层次上遵守相同的通信协议，就 可以实现在该层次上的互联互通。
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7.1.1 协议模型分析
2．现有的家庭总线协议 •（5）HBS协议 •HBS的全称是家庭总线系统（Home Bus System），它 是由日本电子工业联合会/无线工程电子协会HBS标准委 员会于1997年制定的。 •HBS以双绞线和同轴电缆为通讯介质，介质的最大长度 为200 m。HBS有控制通道和信息通道之分，控制通道用 于低速数据的传输，信息通道用于高速数据的传输。控 制通道最多可以有64个节点，传输速率为9.6 kbps。
7.1.2 低压电力线载波通信协议的设计
• 1．协议的基本要求 • 局域网协议的标准在很大程度上取决于网络的拓扑结
构和访问方式，例如，CSMA/CD总线网络和令牌总 线网络具有同样的物理结构，却可以采用不同的访问 方式，从而产生不同的协议标准。对于PLC网络，目 前只是针对网络的载波频率、调制方式、信号编码等 做了初步规定，还没有专门针对PLC的网络特点建立 专门的MAC协议标准。现有的通信协议DL/T 645主要 目的是用于本地数据交换，不能很好地满足网络通信 的要求。因此，本文在此协议的基础上，对部分内容 做了扩充，主要体现在帧格式中对中继路由表的支持 和物理地址设置两个方面。
7.1.1 协议模型分析
2．现有的家庭总线协议 •（3）CEBus协议 •CEBus总线是为家庭消费类电子产品而制定的协议标准 ，物理层是开放的，支持多种通信介质，其中以电力线 的应用最为广泛。它的总线网络拓扑结构可以是总线形 、星形、树形或混合型，总线中的每个节点的地位都是 平等的，不需要一个主控设备。CEBus协议对OSI网络参 考模型做了简化，仅包括物理层、数据链路层、网络层 和应用层。对于多节点竞争访问网络资源的解决方法是 采用冲突检测和冲突分辨协议（CSMA/CDCR），网络 中各节点的控制关系通过绑定来实现。
7.1.1 协议模型分析
2．现有的家庭总线协议 •（5）HBS协议 HBS对OSI七层模型做了精简，由三层结构组成，分别为 物理层、数据链路层和网络层，类似现场总线。在介质 访问子层，HBS采用带碰撞检测的载波侦听多路访问协 议（CSMA/CD）。根据网络层的规定，HBS的子网之间 由路由器连接，HBS的子网和其他网之间用网关连接。 但是，HBS不支持电力线和无线传输，这些不足限制了 它的使用范围。
7.1.1 协议模型分析
2．现有的家庭总线协议 •（4）EIB协议 •欧洲安装总线（European Installing Bus，EIB）是一个 在欧洲占主导地位的楼宇自动化和家庭自动化标准，是 由Siemens、ABB等一些知名企业首先提出的，出现较晚 但是发展比较迅速。与CEBus类似，EIB也是一个开放的 协议，同样采用双绞线、电力线、同轴电缆等通信介质 ，其中应用较为广泛的是双绞线和电力线。EIB通信协议 遵循OSI七层模型。在介质访问子层，EIB采用带冲突检 测的载波侦听多路访问（CSMA/CA）协议。网络层主要 用来设置节点间通信所经过的路由器的最大数目。传输 层支持面向连接和面向非连接的两种服务。
7.1.1 协议模型分析
2．现有的家庭总线协议 •（1）X-10协议 •X-10是利用电力线载波方式进行家庭自动化信息传输的 协议，该协议无须重新布线，对于要求成本低廉的应用 是最好的选择。X-10采用调制方式传送，有较高的抗干 扰能力，可靠性较高，但传送速率较慢，只适于低速网 控制。
7.1.1 协议模型分析
7.1.1 协议模型分析
• 3．各种总线协议的分析比较
• ① 数据丢失与重传机制。协议必须提供可靠性，如果 出现报文丢失时，必须有错误恢复机制。前述几种协 议及模型，都是采用了AQR重传机制来恢复报文丢失 。接收端发送确认（ACK）报文来通知另一端数据接 收成功。
• ② 信息编码与差错控制。在实际信道传输数字信号时 ，由于信道的传输特性不理想及加性噪声的影响，所 收到的信号会不可避免地发生错误。在采取适当的硬 件设备以获得好的信道性能后，则可进一步采取信道 编码，即差错控制编码的方法，进一步提高通信的质 量。
•电力线通信划分
•
频率带宽角度划分：窄带PLC（NB-PLC）和宽
带PLC（BB-PLC） ；
•
通信速率角度划分：低速PLC（LS-PLC）和高
速PLC（HS-PLC）；
•
电压等级角度划分：高压配电线（35 kV以上）、
中压配电线（30 kV/10 kV）和低压配电线（低于
380 V）。
7.1.1 协议模型分析
1．OSI模型的基本原理 国际标准化组织OSI于1979年年底公布了开放系统互连 参考模型OSI/RM（Reference Model of Open System Interconnection），所谓开放系统是指遵从国际标准能够 通过互连而相互作用的系统，OSI/RM为开放系统互连提 供了一种功能结构框架，是开发各种网络协议标准的基 础。它将网络分为七层，即物理层、数据链路层、网络 层、传输层、会话层、表示层和应用层。通过严格遵守 OSI模型，不同的网络技术之间可以轻易实现互操作，
7.1.1 协议模型分析
2．现有的家庭总线协议 •（2）LonTaIk协议 •LON（Local Operating Network）是美国Echelon公司 于1991年推出的局部操作网络，为集散式监控系统提供 了强大的实现手段。LonTalk协议由各种允许网络上不同 设备间彼此智能通信的底层协议组成，提供一整套通信 服务，这使得设备中的应用程序能够在网络上同其他设 备发送和接收报文，而无需知道网络的拓扑结构或者网 络的名称、地址或其他设备的功能。在LonTalk协议的协 调下，以往那些孤立的系统和产品融为一体，形成了一 个网络控制系统。它最大的特点是对OSI七层协议的支持 ，是直接面向对象的网络协议。通信介质不受限制，包 括电力线、双绞线、无线（RF）、红外（IR），以及同 轴电缆和光纤，并可在同一网络中混合使用。
7.1.1 协议模型分析
2．现有的家庭总线协议 协议是实现网络通信的基础，随着家庭、楼宇自动化技 术的发展，自20世纪90年代以来，诞生了众多面向家庭 网络的通信协议。目前国际上应用较为广泛并且相对成 熟的协议有十余种，如美国的X-10、LonTalk、CEBus标 准，欧洲的EIB标准，日本的HBS标准等。由于目前不同 系统的协议之间不兼容，还没有一种协议在应用中占有 绝对优势，下面是关于这些协议的讨论和对比。
7.1.1 协议模型分析
2．现有的家庭总线协议 •（3）CEBus协议 •CEBus总线是为家庭消费类电子产品而制定的协议标准 ，物理层是开放的，支持多种通信介质，其中以电力线 的应用最为广泛。它的总线网络拓扑结构可以是总线形 、星形、树形或混合型，总线中的每个节点的地位都是 平等的，不需要一个主控设备。CEBus协议对OSI网络参 考模型做了简化，仅包括物理层、数据链路层、网络层 和应用层。对于多节点竞争访问网络资源的解决方法是 采用冲突检测和冲突分辨协议（CSMA/CDCR），网络 中各节点的控制关系通过绑定来实现。
7.1.1 协议模型分析
1．OSI模型的基本原理 •传输层（Transport Layer）：确保消息包的可靠传输。 使用一种确认服务在发送设备和接收设备之间交换消息 包。发送设备在给接收设备发送一次消息包后，等待从 接收设备返回的确认信息，在一定时间内没有收到确认 信息，发送方将重发一次。同时还定义了由于确认信息 的丢失而产生的重复发送消息包的检测和丢弃。 •会话层（Session Layer）：将控制信息加入到下层的交 换数据中。它支持的远程功能让客户得到远程的服务， 让接收方从消息包中判断发送方是否有权发送该消息包 。
7.1.2 低压电力线载波通信协议的设计
• 2．数据传输原理 • 一般来说，通信协议需要满足几个要求： • 独立于物理网络拓扑结构； • 独立于硬件设计； • 独立于调制方案。 • 网络通信由“启动方”（集中器）对其下属的所有“
7.1.1 协议模型分析
1．OSI模型的基本原理 •表示层（Presentation Layer）：将下层的交换数据进行 编码。消息被编码成为网络变量，应用消息或外部帧。 标准网络变量类型提供网络变量的互操作编码。 •应用层（Application Layer）：在下层的交换数据中添 加应用功能。标准对象通过从下层交换数据的公共语义 解释来提高互操作性。当网络变量更新时，公共语义解 释能够让不同的应用进程进行公共动作，它还定义了文 件传输协议，规定了进程之间进行的数据流传输。
7.1.1 协议模型分析
1．OSI模型的基本原理
7.1.1 协议模型分析
1．OSI模型的基本原理 •OSI网络模型各层的主要功能与作用： •物理层（Physical Layer）：通信信道上比特位的传输。 它确保从源设备发送的比特位能准确地传输到目的设备 。 •链路层（Data Link Layer）：介质访问的方法和数据的 编码，以确保在单个通信信道上介质的有效使用。物理 层中的比特位被封装成数据帧，规定何时源设备能够发 送数据帧，以及目的设备如何接收数据帧和检测传输差 错，还定义了优先机制来确保重要消息的传输。 •网络层（Network Layer）：把消息包从源设备路由传送 到目的设备。它定义了设备的命名和地址以保证消息包 能够正确地传输，还定义了源设备和目的设备处于不同 的通信信道时消息包的路由方法。
• ③ 连接管理与网络寻址。连接管理功能涉及连接状态 的建立与关闭，以及在出现异常情况时的处理。网络 寻址是将信息正确传送到目的地，是通信介质信道的 共享处理机制。
7.1.2 低压电力线载波通信协议的设计
• 1．协议的基本要求 • 制定数据通信协议（DCP）规范的方法依赖于最新的
标准和服务实体的集合。组成协议层的不同服务实体 的方法要保证整个系统的平衡性和稳定性。协议的选 择取决于以下各种因素： • 寻求在低波特率和高传输次数下的高效率； • 寻求通往集中器节点的最佳通道； • 电力线信道作为通信信道的干扰； • 对网络互连的要求比较低，但管理自动化功能要好； • 成本比较低。
7.1.1 协议模型分析
• 3．各种总线协议的分析比较 • 从OSI网络模型与各种应用于家庭自动化的网络，可
以看出，几乎所有的协议都是以OSI网络协议的参考 模型为样本，根据行业的应用特点，进行剪裁与修改 的。从体系结构上可以看出，可应用于低压电力线的 网络协议大都只有三层或是四层：物理层、数据链路 层、网络层、应用层（或应用层包含网络层）。国外 的这些协议在欧美国家占有绝对优势，在我国应用起 来还有相当大的困难，但是可以参考这些协议得出一 些结论，国外的协议从可靠性的角度出发，都会考虑 以下一些重要功能：
第七章 目录
• 7.1 电力线通信协议的设计 • 7.2 设 备 协 调 • 7.3 基于电力线的家庭网关
第七章 目录
• 7.1 电力线通信协议的设计 • 7.2 设 备 协 调 • 7.3 基于电力线的家庭网关
•7.1 电力线通信协议的设计
在大多数情况下，为了实现业务互通和信息交 换，电力线网络需要与其他机构的网络互连。但在 实际应用中，不同低层网络技术、不同的厂商设备 种类繁多，实现方式差异很大，导致了互连的复杂 性。要实现来自不同网络、不同制造商设备在不同 层次上灵活的互连，整个通信网必须提供一种体系 架构、定义标准的接口，以隐藏不同低层物理网络 是实现细节和差异，将不同的网络集成为一个协作 的整体，使得任意两个网络设备在这个体系结构下， 只要在某一共同的层次上遵守相同的通信协议，就 可以实现在该层次上的互联互通。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
7.1.1 协议模型分析
2．现有的家庭总线协议 •（5）HBS协议 •HBS的全称是家庭总线系统（Home Bus System），它 是由日本电子工业联合会/无线工程电子协会HBS标准委 员会于1997年制定的。 •HBS以双绞线和同轴电缆为通讯介质，介质的最大长度 为200 m。HBS有控制通道和信息通道之分，控制通道用 于低速数据的传输，信息通道用于高速数据的传输。控 制通道最多可以有64个节点，传输速率为9.6 kbps。
7.1.2 低压电力线载波通信协议的设计
• 1．协议的基本要求 • 局域网协议的标准在很大程度上取决于网络的拓扑结
构和访问方式，例如，CSMA/CD总线网络和令牌总 线网络具有同样的物理结构，却可以采用不同的访问 方式，从而产生不同的协议标准。对于PLC网络，目 前只是针对网络的载波频率、调制方式、信号编码等 做了初步规定，还没有专门针对PLC的网络特点建立 专门的MAC协议标准。现有的通信协议DL/T 645主要 目的是用于本地数据交换，不能很好地满足网络通信 的要求。因此，本文在此协议的基础上，对部分内容 做了扩充，主要体现在帧格式中对中继路由表的支持 和物理地址设置两个方面。
7.1.1 协议模型分析
2．现有的家庭总线协议 •（3）CEBus协议 •CEBus总线是为家庭消费类电子产品而制定的协议标准 ，物理层是开放的，支持多种通信介质，其中以电力线 的应用最为广泛。它的总线网络拓扑结构可以是总线形 、星形、树形或混合型，总线中的每个节点的地位都是 平等的，不需要一个主控设备。CEBus协议对OSI网络参 考模型做了简化，仅包括物理层、数据链路层、网络层 和应用层。对于多节点竞争访问网络资源的解决方法是 采用冲突检测和冲突分辨协议（CSMA/CDCR），网络 中各节点的控制关系通过绑定来实现。
7.1.1 协议模型分析
2．现有的家庭总线协议 •（5）HBS协议 HBS对OSI七层模型做了精简，由三层结构组成，分别为 物理层、数据链路层和网络层，类似现场总线。在介质 访问子层，HBS采用带碰撞检测的载波侦听多路访问协 议（CSMA/CD）。根据网络层的规定，HBS的子网之间 由路由器连接，HBS的子网和其他网之间用网关连接。 但是，HBS不支持电力线和无线传输，这些不足限制了 它的使用范围。
7.1.1 协议模型分析
2．现有的家庭总线协议 •（4）EIB协议 •欧洲安装总线（European Installing Bus，EIB）是一个 在欧洲占主导地位的楼宇自动化和家庭自动化标准，是 由Siemens、ABB等一些知名企业首先提出的，出现较晚 但是发展比较迅速。与CEBus类似，EIB也是一个开放的 协议，同样采用双绞线、电力线、同轴电缆等通信介质 ，其中应用较为广泛的是双绞线和电力线。EIB通信协议 遵循OSI七层模型。在介质访问子层，EIB采用带冲突检 测的载波侦听多路访问（CSMA/CA）协议。网络层主要 用来设置节点间通信所经过的路由器的最大数目。传输 层支持面向连接和面向非连接的两种服务。
7.1.1 协议模型分析
2．现有的家庭总线协议 •（1）X-10协议 •X-10是利用电力线载波方式进行家庭自动化信息传输的 协议，该协议无须重新布线，对于要求成本低廉的应用 是最好的选择。X-10采用调制方式传送，有较高的抗干 扰能力，可靠性较高，但传送速率较慢，只适于低速网 控制。
7.1.1 协议模型分析
7.1.1 协议模型分析
• 3．各种总线协议的分析比较
• ① 数据丢失与重传机制。协议必须提供可靠性，如果 出现报文丢失时，必须有错误恢复机制。前述几种协 议及模型，都是采用了AQR重传机制来恢复报文丢失 。接收端发送确认（ACK）报文来通知另一端数据接 收成功。
• ② 信息编码与差错控制。在实际信道传输数字信号时 ，由于信道的传输特性不理想及加性噪声的影响，所 收到的信号会不可避免地发生错误。在采取适当的硬 件设备以获得好的信道性能后，则可进一步采取信道 编码，即差错控制编码的方法，进一步提高通信的质 量。
•电力线通信划分
•
频率带宽角度划分：窄带PLC（NB-PLC）和宽
带PLC（BB-PLC） ；
•
通信速率角度划分：低速PLC（LS-PLC）和高
速PLC（HS-PLC）；
•
电压等级角度划分：高压配电线（35 kV以上）、
中压配电线（30 kV/10 kV）和低压配电线（低于
380 V）。
7.1.1 协议模型分析
1．OSI模型的基本原理 国际标准化组织OSI于1979年年底公布了开放系统互连 参考模型OSI/RM（Reference Model of Open System Interconnection），所谓开放系统是指遵从国际标准能够 通过互连而相互作用的系统，OSI/RM为开放系统互连提 供了一种功能结构框架，是开发各种网络协议标准的基 础。它将网络分为七层，即物理层、数据链路层、网络 层、传输层、会话层、表示层和应用层。通过严格遵守 OSI模型，不同的网络技术之间可以轻易实现互操作，
7.1.1 协议模型分析
2．现有的家庭总线协议 •（2）LonTaIk协议 •LON（Local Operating Network）是美国Echelon公司 于1991年推出的局部操作网络，为集散式监控系统提供 了强大的实现手段。LonTalk协议由各种允许网络上不同 设备间彼此智能通信的底层协议组成，提供一整套通信 服务，这使得设备中的应用程序能够在网络上同其他设 备发送和接收报文，而无需知道网络的拓扑结构或者网 络的名称、地址或其他设备的功能。在LonTalk协议的协 调下，以往那些孤立的系统和产品融为一体，形成了一 个网络控制系统。它最大的特点是对OSI七层协议的支持 ，是直接面向对象的网络协议。通信介质不受限制，包 括电力线、双绞线、无线（RF）、红外（IR），以及同 轴电缆和光纤，并可在同一网络中混合使用。
7.1.1 协议模型分析
2．现有的家庭总线协议 协议是实现网络通信的基础，随着家庭、楼宇自动化技 术的发展，自20世纪90年代以来，诞生了众多面向家庭 网络的通信协议。目前国际上应用较为广泛并且相对成 熟的协议有十余种，如美国的X-10、LonTalk、CEBus标 准，欧洲的EIB标准，日本的HBS标准等。由于目前不同 系统的协议之间不兼容，还没有一种协议在应用中占有 绝对优势，下面是关于这些协议的讨论和对比。
7.1.1 协议模型分析
2．现有的家庭总线协议 •（3）CEBus协议 •CEBus总线是为家庭消费类电子产品而制定的协议标准 ，物理层是开放的，支持多种通信介质，其中以电力线 的应用最为广泛。它的总线网络拓扑结构可以是总线形 、星形、树形或混合型，总线中的每个节点的地位都是 平等的，不需要一个主控设备。CEBus协议对OSI网络参 考模型做了简化，仅包括物理层、数据链路层、网络层 和应用层。对于多节点竞争访问网络资源的解决方法是 采用冲突检测和冲突分辨协议（CSMA/CDCR），网络 中各节点的控制关系通过绑定来实现。
7.1.1 协议模型分析
1．OSI模型的基本原理 •传输层（Transport Layer）：确保消息包的可靠传输。 使用一种确认服务在发送设备和接收设备之间交换消息 包。发送设备在给接收设备发送一次消息包后，等待从 接收设备返回的确认信息，在一定时间内没有收到确认 信息，发送方将重发一次。同时还定义了由于确认信息 的丢失而产生的重复发送消息包的检测和丢弃。 •会话层（Session Layer）：将控制信息加入到下层的交 换数据中。它支持的远程功能让客户得到远程的服务， 让接收方从消息包中判断发送方是否有权发送该消息包 。
7.1.2 低压电力线载波通信协议的设计
• 2．数据传输原理 • 一般来说，通信协议需要满足几个要求： • 独立于物理网络拓扑结构； • 独立于硬件设计； • 独立于调制方案。 • 网络通信由“启动方”（集中器）对其下属的所有“
7.1.1 协议模型分析
1．OSI模型的基本原理 •表示层（Presentation Layer）：将下层的交换数据进行 编码。消息被编码成为网络变量，应用消息或外部帧。 标准网络变量类型提供网络变量的互操作编码。 •应用层（Application Layer）：在下层的交换数据中添 加应用功能。标准对象通过从下层交换数据的公共语义 解释来提高互操作性。当网络变量更新时，公共语义解 释能够让不同的应用进程进行公共动作，它还定义了文 件传输协议，规定了进程之间进行的数据流传输。
7.1.1 协议模型分析
1．OSI模型的基本原理
7.1.1 协议模型分析
1．OSI模型的基本原理 •OSI网络模型各层的主要功能与作用： •物理层（Physical Layer）：通信信道上比特位的传输。 它确保从源设备发送的比特位能准确地传输到目的设备 。 •链路层（Data Link Layer）：介质访问的方法和数据的 编码，以确保在单个通信信道上介质的有效使用。物理 层中的比特位被封装成数据帧，规定何时源设备能够发 送数据帧，以及目的设备如何接收数据帧和检测传输差 错，还定义了优先机制来确保重要消息的传输。 •网络层（Network Layer）：把消息包从源设备路由传送 到目的设备。它定义了设备的命名和地址以保证消息包 能够正确地传输，还定义了源设备和目的设备处于不同 的通信信道时消息包的路由方法。
• ③ 连接管理与网络寻址。连接管理功能涉及连接状态 的建立与关闭，以及在出现异常情况时的处理。网络 寻址是将信息正确传送到目的地，是通信介质信道的 共享处理机制。
7.1.2 低压电力线载波通信协议的设计
• 1．协议的基本要求 • 制定数据通信协议（DCP）规范的方法依赖于最新的
标准和服务实体的集合。组成协议层的不同服务实体 的方法要保证整个系统的平衡性和稳定性。协议的选 择取决于以下各种因素： • 寻求在低波特率和高传输次数下的高效率； • 寻求通往集中器节点的最佳通道； • 电力线信道作为通信信道的干扰； • 对网络互连的要求比较低，但管理自动化功能要好； • 成本比较低。