不同載波芯片互聯(lián)互通的電力線載波智能網(wǎng)關(guān)

(寧夏隆基寧光儀表股份有限公司，銀川 750021)

引 言

由于發(fā)展迅速，各自創(chuàng)新應(yīng)用，導(dǎo)致沒有對窄帶電力線載波通信制定標(biāo)準(zhǔn)。從物理層異構(gòu)同步，MAC層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范也是各具特色，沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，因此造成現(xiàn)場應(yīng)用不能實現(xiàn)互聯(lián)互通，在安裝、管理、運維、采集等方面加大了管理成本，影響了采集效率。

基于物理層的互聯(lián)互通是一種不可擴展的、費時費力的、封閉的互聯(lián)互通方案，也與目前物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)發(fā)展趨勢相悖。TCP/UDP/IP協(xié)議是開放的、標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)層及傳輸控制協(xié)議，基于IP的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)已經(jīng)成為異構(gòu)物理網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行通信的主流。本設(shè)計旨在將TCP/IP通信應(yīng)用于電力線載波，并將其用于不同廠家的窄帶電力線載波網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通中，通過標(biāo)準(zhǔn)化的網(wǎng)絡(luò)層，在應(yīng)用層上實現(xiàn)互聯(lián)互通[3]。通過開發(fā)物理層與MAC層之間的適配層，屏蔽物理層的異構(gòu)特性，既能保護(hù)各載波芯片廠家在物理層的技術(shù)特色，又能實現(xiàn)各電力線窄帶載波技術(shù)的互聯(lián)互通應(yīng)用。

1 互聯(lián)互通網(wǎng)絡(luò)設(shè)計架構(gòu)

各種載波芯片技術(shù)子系統(tǒng)可以按照下列通信標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行開發(fā)，既能保證各載波芯片各自的主頻、調(diào)制解調(diào)特色，在這個基礎(chǔ)上，通信傳輸時按照統(tǒng)一的IEEE802.15.4、IPv6、TCP/UPD 等IETF RFC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)模型搭建。這樣就能統(tǒng)一到一起，具體如圖1所示。

圖1 各載波子系統(tǒng)通信模型圖

1.1 物理層和MAC層之間的適配層應(yīng)用技術(shù)

物理層是計算機數(shù)據(jù)信息傳輸中的最底層，該層主要完成對數(shù)據(jù)傳輸過程中鏈路的創(chuàng)建、拆除和維護(hù)等，為數(shù)據(jù)信息的傳輸做好鋪墊工作。

IEEE802.15.4協(xié)議中的物理層主要為數(shù)據(jù)信息在MAC層的傳輸提供數(shù)據(jù)接口，并且完成對其數(shù)據(jù)信息的管理和處理。為此，該協(xié)議的MAC層在設(shè)計過程中采用了超幀結(jié)構(gòu)和信標(biāo)幀，有效提升了數(shù)據(jù)傳輸信息的管理質(zhì)量。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議IEEE802.15.4 MAC層的應(yīng)用技術(shù)

MAC層處于物理層和網(wǎng)絡(luò)層之間，其任務(wù)是為數(shù)據(jù)信息傳輸過程中所需信道進(jìn)行訪問以及不同設(shè)備之間數(shù)據(jù)幀的傳輸。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中給出了4種不同類型的數(shù)據(jù)幀，即信標(biāo)幀、命令幀、ACK確認(rèn)幀、數(shù)據(jù)幀。其中前面3種幀用來完成與IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)之間通信的創(chuàng)建，數(shù)據(jù)幀則用來完成對所要傳輸數(shù)據(jù)信息的實時封裝。該層還要為數(shù)據(jù)信息的傳輸提供一種訪問方法，既確保了數(shù)據(jù)信息的正確讀取，又提高了數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)陌踩浴?/p>

1.3 MAC層和網(wǎng)絡(luò)層之間的適配層應(yīng)用技術(shù)

該適配層位于IPv6網(wǎng)絡(luò)和IEEE802.15.4 MAC層之間，既為IPv6層提供對IEEE802.15.4層中數(shù)據(jù)信息訪問的媒介，又能夠?qū)崿F(xiàn)對LoWPAN網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建和路由的分配。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過程中，其數(shù)據(jù)信息的分片、重組、壓縮、組播、拓?fù)錁?gòu)建以及地址分配等均由適配層來完成，圖2給出了適配層的功能模塊框架結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 適配層功能模塊

從圖2中可以看出，6LoWPAN中的最底層使用了PHY和MAC層IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)和6LoWPAN的IPv6的選擇與組網(wǎng)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對傳感器中采集數(shù)據(jù)信息的識別和傳送。隨著IPv6技術(shù)的快速發(fā)展，其逐漸成為網(wǎng)絡(luò)通信中的主流技術(shù)，為網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的傳輸提供了更多的支持。

1.4 基于網(wǎng)絡(luò)層IPv6開發(fā)技術(shù)

當(dāng)前全球計算機網(wǎng)絡(luò)在構(gòu)建過程中都遵循TCP/IP協(xié)議，它包括了IPv4和IPv6兩個，其中前者應(yīng)用時間較長，后者是近些年發(fā)展起來的。隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的IPv4協(xié)議已經(jīng)不能滿足用戶對IP地址的需求，IPv6因其自身多方面的優(yōu)勢，得到了越來越多的應(yīng)用。IPv6的提出有效緩解了計算機地址嚴(yán)重不足的問題，為互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

2 嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)各種載波芯片的技術(shù)特色，不但要實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)中設(shè)計互聯(lián)互通的目標(biāo)，而且還能保持各自載波芯片公司獨特的技術(shù)，在特定的頻率下，按自己的模式去調(diào)制解調(diào)。在系統(tǒng)架構(gòu)中，各載波技術(shù)信號識別處理和主系統(tǒng)的關(guān)系如圖3所示。

圖3 嵌入式控制系統(tǒng)的總體架構(gòu)

當(dāng)然，每種載波底層都有自己的特色。在物理層、MAC層和網(wǎng)絡(luò)層之間，必須增加適配層，才能按標(biāo)準(zhǔn)融合到一起。各芯片廠商不再采用私有、封閉的上層協(xié)議，而是采用TCP/IP協(xié)議，并且借鑒以太網(wǎng)技術(shù)為上層用戶提供媒介無關(guān)接口(MII)。這樣，采用不同載波芯片的智能節(jié)點，盡管在物理層、MAC層可以不同，但因上層協(xié)議相同，可以通過橋接節(jié)點互聯(lián)互通。

2.1 物理層和MAC層之間的適配層設(shè)計

在物理層設(shè)計中，各載波芯片廠家希望主頻和調(diào)制模式都可以保留自己的特色，自己去識別是否是自己的信號，按照IEEE802.15.4的標(biāo)準(zhǔn)模式適配轉(zhuǎn)變，便于MAC層按標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.4進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈路傳輸，具體如圖4所示。

圖4 各載波子系統(tǒng)通信模型物理層和MAC層之間的適配設(shè)計

IEEE802.15.4本是用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理層及MAC層的IEEE標(biāo)準(zhǔn)，由于窄帶PLC與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在低功耗、噪聲及網(wǎng)絡(luò)時變特性、有損傳輸?shù)雀鞣矫婢哂邢嗨菩裕梢詫⑵溆糜谡瓗LC通信。這一移植工作分為物理層的適配和MAC層的適配兩部分?？紤]到PLC與無線傳輸?shù)牟煌攸c，主要是PLC在過零點傳輸，以及速率較無線傳輸?shù)偷忍攸c，而無線信道可連續(xù)傳輸，將IEEE802.15.4加以改造。

此適配層設(shè)計可以是承上啟下，能夠在物理層和MAC層之間很快搭建好IEEE802.15.4在MAC層級中的應(yīng)用設(shè)計。否則，MAC層接收到的還是各種載波的數(shù)據(jù)鏈路模式要求，后面無法實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的國際通信標(biāo)準(zhǔn)與無線通信IEEE802.15.4互聯(lián)互通的應(yīng)用，相當(dāng)于一個把自己標(biāo)準(zhǔn)的特色通信數(shù)據(jù)翻譯成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的過程。物理層和MAC層之間的適配層設(shè)計圖如圖5所示。適配層屏蔽物理層的差異性，向上為MAC層提供與802.15.4兼容的服務(wù)，而從MAC層向下看是透明的，使有線無線信道無差別。

圖5 物理層和MAC層之間的適配層設(shè)計圖

從自主規(guī)范到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，必須有一個適配層設(shè)計過程，才能到下一層按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計。有了這個適配層，才能完成整個IEEE802.15.4的設(shè)計應(yīng)用。

2.2 MAC層IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議設(shè)計

為了實現(xiàn)各載波芯片技術(shù)中數(shù)據(jù)通信的互聯(lián)互通技術(shù)，在數(shù)據(jù)鏈路里必須制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。大家在保留各種最底層信號處理技術(shù)的特色方面，可以在數(shù)據(jù)傳輸、訪問時制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

IEEE802.15.4技術(shù)應(yīng)用廣泛，可以定義低復(fù)雜度的技術(shù)，還可以對成本低、功耗低、功率低的技術(shù)進(jìn)行解釋。該標(biāo)準(zhǔn)的通過使MAC層的發(fā)展更加迅速。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用在無線局域網(wǎng)中設(shè)備與設(shè)備間的射頻信號傳輸，由于其應(yīng)用具有低功率、低功耗、短距離的特點，該標(biāo)準(zhǔn)分別定義了無線點頻率和數(shù)據(jù)傳輸模型。在設(shè)備類型和網(wǎng)絡(luò)工作方式上，該標(biāo)準(zhǔn)也做了說明，同時還充分考慮了信息傳輸?shù)谋Ｃ苄浴?/p>

2.3 MAC層和網(wǎng)絡(luò)層之間的適配層設(shè)計

窄帶電力載波通信基本是在低速率的狀態(tài)下進(jìn)行的，寬帶電力載波技術(shù)還沒有完善和普及應(yīng)用，而在窄帶低速的電力載波通信里直接實現(xiàn)IPv6協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)是不可能的，同時在窄帶電力載波中用IPv4協(xié)議沒法實現(xiàn)。畢竟窄帶電力載波的數(shù)據(jù)包和速率都是有限的，而且IPv4無法簡化壓縮，IPv6的整體協(xié)議不可能在低速的窄帶電力載波中實現(xiàn)。所以，要對IPv6進(jìn)行裁剪、壓縮，按照標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，窄帶電力載波就能有統(tǒng)一的IP尋址、路由、中繼和傳輸模式。

MAC層和網(wǎng)絡(luò)層之間的適配層設(shè)計圖如圖6所示，有了此適配層設(shè)計，就可以在窄帶電力載波的通信資源下，實現(xiàn)IPv6協(xié)議的運用，而且能夠在適配層實現(xiàn)自我糾錯、斷點續(xù)傳的設(shè)計特點，彌補了窄帶電力線速率慢、頻率低的缺點，將數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化，實現(xiàn)了各載波芯片技術(shù)能夠互聯(lián)互通的需求。

圖6 MAC層和網(wǎng)絡(luò)層之間的適配層設(shè)計圖

2.4 網(wǎng)絡(luò)層IPv6標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議設(shè)計

IPv6是當(dāng)前計算機網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用最多的通信協(xié)議，該協(xié)議采用128個數(shù)字位進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳輸，有效解決了傳統(tǒng)IPv4協(xié)議中存在地址量不夠的問題，緩解了IP資源緊張的局面。在該協(xié)議下，網(wǎng)絡(luò)運營商可以為所有用戶分配一個IP地址，并且將其進(jìn)行實名認(rèn)證，實現(xiàn)用戶IP和其真實地址信息的一一對應(yīng)。

圖7 MAC層和網(wǎng)絡(luò)層之間 的適配層設(shè)計圖

通過6LoWPAN適配層，能夠?qū)崿F(xiàn)對要傳輸數(shù)據(jù)信息的IPv6模式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過程中采用的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

2.5 傳輸層TCP/UDP設(shè)計

TCP/IP協(xié)議棧主要分為4層：應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層，每層都有相應(yīng)的協(xié)議，TCP協(xié)議是面向連接、保證高可靠性(數(shù)據(jù)無丟失、數(shù)據(jù)無失序、數(shù)據(jù)無錯誤、數(shù)據(jù)無重復(fù)到達(dá))的傳輸層協(xié)議。

UDP協(xié)議也是傳輸層協(xié)議，它是無連接、不保證可靠的傳輸層協(xié)議。該層協(xié)議中的報頭部分相對簡單，其中IP部分是其核心內(nèi)容,不論要傳輸數(shù)據(jù)信息是何種形式，其最后都要以IP數(shù)據(jù)的模式進(jìn)行傳送。IP協(xié)議只是為數(shù)據(jù)信息的傳輸提供了較好的服務(wù)，如果發(fā)生某種錯誤時，某個路由器暫時用完了緩沖區(qū)， IP有一個簡單的錯誤處理算法：丟棄該數(shù)據(jù)報，然后發(fā)送ICMP消息給信源端。任何要求的可靠性必須由上層來提供(如TCP) 。無連接(connectionless)這個術(shù)語的意思是IP并不維護(hù)任何關(guān)于后續(xù)數(shù)據(jù)報的狀態(tài)信息。在窄帶電力線載波網(wǎng)上，基于TCP/IP通信的智能節(jié)點的基本結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 電力線載波通信網(wǎng)上智能節(jié)點的結(jié)構(gòu)

2.6 應(yīng)用層傳輸協(xié)議設(shè)計

該協(xié)議在使用過程中共有2個通信接口，其中一個用來完成與電力系統(tǒng)中抄表裝置之間的數(shù)據(jù)通信，并且遵循DLMS協(xié)議規(guī)范；另一個則用來實現(xiàn)和電表之間數(shù)據(jù)信息的傳輸，并且遵循DL/T645通信規(guī)范。不論采用哪種接口進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳輸，均屬于異步信息傳輸。

為了確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)捻樌M(jìn)行，應(yīng)用層必須要滿足IEC62056和DL/T645兩個通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)，協(xié)議轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)單元如下：

DL/T645協(xié)議封裝部分雙向協(xié)議映射部分IEC62056協(xié)議解析封裝部分IEC62056協(xié)議支持、識別、連接管理以及參數(shù)設(shè)置部分

其中前面兩個部分主要完成IEC62056協(xié)議中數(shù)據(jù)通信功能，第3部分完成其與DL/T645協(xié)議之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，第4部分實現(xiàn)DL/T645模塊的功能。

結(jié) 語