PLC電力線網路技術介紹

每一個家庭或辦公室都會有數個電源插座，就有人想到何不利用電源線來作為傳輸資料的媒介呢？這一個新的概念吸引了很多廠商投入開發，無不覬覦這塊市場上的大餅，為了能讓這個市場健全的發展下去，一個非營利組織—「電源線家庭網路聯盟HPA(HomePlug Powerline Alliance)」於2000年3月在美國誕生。HPA這個組織成立的目的是制訂一些規範，並為各家廠商作一些相容性的測試，該組織在2001年6月發佈了第一個規範“HomePlug 1.0”。

HomePlug這個最新的網路技術提供了穩定、高速、長距離且無電磁波的網路環境，使用者只需在家中的任何地方將一HomePlug（圖1）插上電源並連接上網，家中的任何一個電源插座立即轉變成為網路插座，不論是走道或是陽台都能提供網路連結，只需將另一HomePlug插上電源與電腦的網路界面連接即可連上Internet，電源網路系統架構如圖2所示。由於HomePlug僅能在用戶自家的電力線迴路中傳輸，因此不必擔心會有資料外洩的疑慮，配合產品內建的56bit DES資料加密保密，安全上並不會產生漏洞。



電力線網路(PLC)技術介紹

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。