CEBUS在智能化住宅小区中应用模式的分析.doc

CEBUS在智能化住宅小区中应用模式的分析北京工业大学微机应用研究所李亚芬摘要文章介绍了智能化住宅小区及其通讯网络架构,基于电力线载波扩频的CEBUS通讯技术和电力线载波扩频通讯技术在智能化住宅小区通讯网络中的应用模式。关键词智能化住宅小区网络架构CEBUS电力线扩频随着计算机技术和通讯技术的高速发展,特别是近年来Internet的飞速发展,人们对居家的要求已不仅仅是空间的大小和环境的优美,而是对生活的安全性、舒适性、通讯方式、信息服务和家庭智能化等方面提出了更高的要求。智能建筑及智能化住宅小区是信息时代的必然产物,是运用计算机技术、通讯网络技术和自动化技术将住宅建筑内的机电监控系统、管理服务系统、通讯网络、综合布线系统和家庭自动化系统统一起来,提供给人们一个安全、舒适的生活、学习与工作环境空间。具体来讲,智能化服务于人们的家居生活,它应具备网络高速接入功能,即Internet网高速通道;家居办公符合在家办公的需求;家居自动化可实现家电设备的联动控制和异地远程控制等;家居娱乐包括V0D自动点播、远程教学、交互式电子游戏等;家居安全监控如火警、煤气泄露、幼儿和老人求救、远程医疗与监护、防盗报警等;家居管理方面,如远程四表传送收费:家居商务,如网上购物、网上商务联系等。1智能化住宅小区通讯网络的构成模式对智能化住宅小区来说,其通讯网络架构及其实现是智能化住宅小区建设的重要组成部分之一。它可以把用户的智能控制系统、视频点播系统和Internet服务有机地联系起来;把小区公共服务系统联系起来;把小区与外界以适当的接入方式联系起来。智能化住宅小区通讯网络由住宅外部主干网络和家庭局部网络组成。主干网络选用何种网络技术对网络建设的成功与否起着决定性的作用。选择适合智能建筑网络需求特点的主流网络技术,不但能保证网络的高性能,还能保证网络的先进性和扩展性(包括设备端口、网络结构和网络协议的扩展);随着业务的增长和应用水平的提高,网络中的数据和信息流将会不断增长,需要网络具有向新技术过渡,并能随着技术的发展不断升级的性能,以保护用户长远的技资利益;网络系统还应具有良好的安全性,由于智能社区网络连接园区内部所有用户,安全管理十分重要;对社区内上网用户,管理好他们的通信,做到既保证一定的用户通信质量,又要合理地利用网络资源,也是建好一个智能社区网络所面临的重要环节。家庭局部网络(Home Local Area Netw。此)使家庭中各种独立的设备集成在一个统一的家庭网络中,将自家的所有电器进行智能控制,支持多台个人电脑。住户可以远程监视、控制家中的各种设备,如提前打开空调、开关灯、收发传真等一系列内部事务;可对水表、电表、煤气表和热能表数据进行采集,并通过网络向中心传送采集到的有关数据信息,通过管理中心的计算机读取住户四表数据，实现远程自动抄表。这不仅避免了,工抄表对住户的干扰及人工抄表所造成的误差，同时也为物业管理体制部门减少人员开支,提高管理效率。根据住宅小区智能化程度的不同,网络结构和布线系统应有所不同。一般而言,智能化小区的网络结构分三层,Internet的接入网、智能化住宅小区住宅外部局域网和家庭局部网络，在这里,提出几种解决方案?br1.1Internet接入网我国接入网的建设始于90年代中期,到目前为止,网上运行的接入网设备绝大部分是窄带接人系统。近几年,Internet以惊人的速度迅猛发展,随着其服务内容的增多,用户对数据传送速率的需求也日益增加。基于支持传统的64kb/s电路交换业务的窄带接入系统,对以IP为主流的高速数据业务支持能力差,不能适应市场的需求,于是近年来人们提出了多项过渡性的宽带接入网技术,包括ISDN、Cable Modem、XDSL等。由于市场需求的推动,这几年宽带接入技术有了较大发展,1999年开始出现较大规模的宽带接入网试验。宽带接入系统是以分组传送方式为基础,具有统计复用功能。宽带接入网适合用来解决高速数据业务接人。目前,智能社区接入Internet的方式主要有以下几种:局域网专线接人、ADSL接入、Cable Modem接入等。为了实现用户接入网的数字化、宽带化,提高用户上网速度,光纤到户(FILTH)是用户网今后发展的必然方向,但由于光纤用户网的成本过高,在今后的十几年内,部分旧的住宅小区仍将继续使用现有的双绞线或铜线环路。1.1.1局域网专线的接入此方式需要配备高性能接入路由器设备,租用电信部门的专线并向CNNIC申请IP地址及注册域名。路由器可以通过DDN专线(最高可达2.048M带宽)、FrameRelay、X.25、ISDN拨号等方式与Internet相连。还可以按照需要灵活配置多种广域网端口模块,提供宽带、QoS保证的远程多媒体服务。局域网专线接人的优势是可以在社区内建设自己的Internet,为社区住户提供综合信息服务。并具有技术标准成熟、设备稳定可靠、安全性高;接入速度,快、扩展性好、性能价格比高;管理简便、易于使用与维护;可以方便与其他客户网络互联等特点。1.1.2ADSL接入目前,ADSL的热潮席卷世界各地,世界范围内各大网络公司相继推出ADSL的产品并致力于ADSL的发展,全球许多电信公司、ISP也纷纷推广各自的ADSL服务:北美、新加坡等率先正式投入营业,日本、韩国等国家也已进入试验阶段,中国电信在北京、上海、广东、福建等地已进行相关的网络测试并开始试验性推广,而深圳|更是已进入了实用阶段,2001年是ADSL走向普及的一年。ADSL能够向终端用户提供8Mb/s的下行传输速率和1Mb/s的上行传输速率,比传统的56K模拟调制解调器快将近100倍。这也是传输速率达128kb/s的ISDN(综合业务数据网)所无法比拟的。ADSL具有上下行速率不对称的特性,因此,其应用主要适用于为用户提供上网服务以及VOD点播等业务,而不适用于局域网互连的业务。1.1.3ADSL+ATM/以太网的方式用户端配置ADSL远端设备,局方配置DSLAM(ADSL局端设备),它们之间用普通电话双绞线进行连接。ADSL远端设备为用户PC提供以太网接口,DSLAM通过ATM或快速以太网与ISP相连。通过该网络,用户就可以实现宽带接入因特网。DSLAM可以放置在ISP机房,通过接入网接入到ISP;也可以直接放置在ISP机房,与ISP接入平台利用局域网直接相连。利用ADSL提供VOD视频点播业务则可以采用ADSL+ATM的方式。1.1.4Cable Modem接入在中国,广电部门在有线电视(CATV)网上开发的宽带接入技术已经成熟并进入市场。CATV网的覆盖范围广,入网户数多,网络频谱范围宽,起点高,大多数新建的CATV网都采用光纤同轴混合网络(HFC网),使用550MHz以上频宽的邻频传输系统,极适合提供宽带功能业务。目前,Cable Modem接入技术在全球尤其是在北美的发展势头很猛,每年用户数以超过100%的速度增长。其速率已达10Mb/s以上,下行速率则更高。Cable Modem不需要综合布线,可以利用现有的有线电视网作为接人网,减少成本;利用有线电视播送服务,能达到高品质的信号需求;网络设备可依服务项目需求逐渐扩增,降低初始架构成本;网络架构可以随着用户数增加及用户频宽的需求演变,不需重新投资新网络;主干采用光纤,便于提高频宽需求,符合多媒体的技术发展。1.2智能化住宅小区住宅外部局域网为了支持和适应大量数据和多媒体信息的传输能力,需要采用最先进的宽带网络技术。智能化小区的骨干网络可以采用目前在局域网络上应用最广泛的技术以太网、快速以太网、FDDI、Token Ring、千兆以太网以及最新崛起的ATM(异步传输模式)等,以求技术上达到国际先进水平。当然住宅外部局域网采用何种形式与小区的需求、建筑结构和资金投入的多少是密切相关的。由于快速以太网和千兆以太网的技术比较成熟,目前采用这两种网络的比较多。主要优势有:(1)对智能化程度要求不高,网络系统要求低的住宅小区可以充分利用现有的网络,如电话网络、有线电视网络等,与广域网进行简单的、低速的数据交换。该方案的特点是技资少,不用重新布线,但系统功能不易扩展,不能满足用户增长的功能需求,适合于已竣工工程的智能化;(2)对中、高级小区,应总体规划小区的布线系统,充分利用小区附近的网络资源,利用HFC(光纤同轴混合网)或PDS(智能小区综合布线系统)勾画小区的布线结构。对中级小区,利用结构化U,I?构造一个数据网络,并形成小区内部的网络平台,提供社区信息服务,并提供高速率的Internet和VOD视频点播服务;对高级小区,可以在小区内部建立一个千兆以太网或ATM高速数据网络,该网络的性能最好,可以很好地保护用户的技资,也可以开通多种信息增值服务,当然投入也最大,但系统可以随用户需求的逐步增长而逐步开通,此系统具有发展性,很好地保护了业主的技资,并极大地满足了用户潜在的需求,具有很高的性能价格比。1.3家庭局部网络家庭局部网络当然也有多种方案选择,如每个住户可以采用以太网技术自成系统的方案,需要大量的布线工程,若是新建楼房,可以预埋电缆,但对已建楼房,则既影响居民楼的美观,也耗时耗力,造价高昂;电话线的方案,室内的部分也要重新布线;元线电的方案可靠性存在问题,而且牵连到申请无线电频率的问题;在这里,我们提出使用电力线载波扩频的方案,基于电力线载波扩频的CEBUS技术是利用电力线来实现通信的一种方法,它汲取了电力线载波通信的优点,此种通讯产品的研制成功在实际应用中具有重要意义和发展前景。对于新的建筑应用来说,可以采用其它通讯形式,在士建时预埋适当的电缆可认为是一种好的选择;但对已建成的楼宇,利用现有的电力线实现家用电器设备的互连,不用做网络布线改造,无需花费大量资金,这是实现智能化住宅小区通讯网络中的家庭局部网络的一种很好的模式,经济效益和社会效益都很显著。CEBUS(Consumer Electronics Bus,消费电子总线,家庭总线)是美国电子工业协会(EIA,Electronics Industry Association)为消费电子产品制定的一种通讯和产品互操作性的标准,于1992年首次发布其第一个版本IS-60(Interim Standard),并于1993年和1994年将其修改为EIA/ANIS标准,即开放标准(EIA-600)。该标准的制定主要是定位于家庭,但并不局限于家庭,定义了在家用电器之间通讯所使用的通讯介质和协议,如在家用电器之间通信所使用的五种类型的介质(电力线、无线频率、红外、双绞线和同轴电缆)中信号的传输标准。使得遵循同样标准的家用电器设备,如冰箱、洗衣机、微波炉、电视和电灯等可以即插即用,并能共同工作,实现家庭自动化。目前,在国外,特别是北美和欧洲,在此方面的研究和应用已开始进入实用阶段,美国的一些公司还在不断推出有关的芯片和产品,用于信息网、军事、工业和家庭自动化;国内,基于光缆、电缆和双绞线为通讯介质的通讯产品的研究开发的成果和应用已很多,但在此方面的研究和应用还处于起步阶段,有一些网络产品和工业控制产品的研究人员已经注意到此技术的发展和应用价值,我们在这方面的研制已有近两年的时间,将产品用于智能化小区的家庭自动化局部网络,实现了开放式的电力线上的即插即用功能。2基于电力线载波扩频的CEBUS通讯技术扩频通信是将待传送的基带信号(信息数据经通常的数据调制后形成的窄带信号)用扩频序列发生器产生的伪随机编码(线性调频波)做扩频调制,实现频谱扩展后,形成相当带宽的低功率谱密度信号再传输,接收端采用同样的伪随机编码通过相关处理恢复成窄带后再解调数据,恢复出原始信息。不同用户使用各自不同的伪随机编码,可在同一频段、同一时间工作。虽然扩频通信占用了较大的带宽,但是扩频通信可以使用码分多址技术进行扩频调制,充分利用各种不同码型的扩频码序列之间优良的自相关性和互相关特性,在接收端利用相关检测技术进行解扩,则在分配给不同用户不同码型的情况下可以区分不同用户的信号,提取有用信号。这样平均到每个用户占用的频带来计算,其频带利用率是很高的。扩频通信的基本工作方式有四种:直接序列扩频、跳扩频、跳时扩频和线性调频。2.1直接序列扩频(Direct sequency）就是用伪随机序列直接扩展频谱的系统。此序列的数据位率远高于所传信号的信息带宽,将信号的能量平均分布于整个频带内,在接收端用相同的本地伪随机序列进行解扩。扩频调制可用数字调幅(振幅键控)、数字调频(频率键控)和二相或四相制相移键控。2.2跳频扩频(Frequency Hopping)是用伪随机码来选择信道的。跳频通信有几十甚至上千个频率,由所传信息码与伪随机码的组合进行控制。扩频信号在某一频率通过延续一段时间,来代表数据的一位、几位或是一位的一部分,当信号在某一频率上受到干扰时,信号就可切换到扩频带宽内的其他频率上去,因而大大降低了其受干扰的程度。2.3跳时扩频(Time Hopping)是用伪随机序列控制发送时刻及时间长短的。在时间跳变中,将一个信码的持续时间分成若干时隙,由伪码控制在哪个时隙中发送信码,时隙选择、持续时间的长短也是由伪码控制的。2.4线性调频（Chirp）就是发射的射频脉冲信号在一个周期内,其载频的频率作线性变化。因为其频率在较宽的频带内变化,信号的带宽也被展宽了。由于这种线性调频信号占用的频带宽度远大于信息带宽,所以也是一种扩频调制技术。它利用一系列短促的,可以同步的扫描频率chirps(线性调频波)作为载体,每个线性调频波一般持续100us,它代表了最基本的通信符号时间(UST)。这些chirps覆盖了100kHz400kHz的频带,并总是以200kHz400k隘的频率开始,继而以100kHz200kHz的频率结束。由于chirps信号的线性扫描带宽比信号带宽要大得多,其线性加速度是较高的,而等幅振荡波干扰(Continuous-Wave Jamming)的频率加速度一般是稳定的,所以只要将滤波器设计成只能通过具有特定角加速度的信号,就可以将CW干扰排除在外。另外,此种线性调频波波形还具有很强的自相关特性,这种模糊逻辑的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,并且不需要在发送和接收设备间进行同步。利用扩频技术进行载波通讯可有效的提高系统性能,具有很强的抗干扰能力、抗噪声能力、抗多径干扰的能力、抗衰落能力和保密性等。美国Intellon公司的PL系列产品就是利用上述的chirps(线性调频波)扫描频率进行载波来对信号进行扩频的。发送时,将该线性调频波作为载波来对待传送的基带信号(信息数据窄带信号)进行扩频调制,实现频谱扩展后,形成相当带宽的低功率谱密度信号,通过输出放大器和媒介祸合电路传输到媒介中;在接收时,电力线上频率为l00kHz400kHz的模拟信号通过搞合/滤波网络传输到输入滤波器上,接收端采用同样的编码进行解调及相关处理,恢复原始信息。其产品符合美国电子工业协会(EIA)所制定的消费电子总线标准(CE.BUS),即EIA-600。我们选用Intellon公司的基于电力线通讯部件和接口器件SSCP300/200,开发研制的基于电力线载波扩频的CEBUS通讯收发器是智能小区网络架构中家庭局部网络的一种很好选择。3电力线载波扩频通讯技术在智能化住宅小区通讯网络中的应用模式这里推荐的是基于电力线扩频作为家庭局部网络的智能化住