摘 要： 針對低速PLC通信網絡MAC層數話同傳支持不足的問題，基于FlexRay靜態(tài)段定時觸發(fā)和動態(tài)段事件觸發(fā)思想提出一種用于構建低速PLC數話同傳網絡的應用層組網協議，詳細描述了網絡設備的軟件和硬件開發(fā)過程，并利用串型和星型拓撲研究了網絡性能。試驗結果表明該網絡通信距離長，業(yè)務響應時延小。

關鍵詞： 低速電力線通信； FlexRay協議； 數話同傳網絡； 開發(fā)與應用

中圖分類號： TN915.04?34； TP302 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）17?0055?05

0 引 言

電力線通信（Power Line Communication，PLC）技術能利用現有的電力線設施構建通信網絡，早期應用于中低壓電力網絡的智能抄表、遠程控制及能源管理等方面，數據傳輸是網絡承載的主要業(yè)務[1]。隨著寬帶時代的到來，利用室內電力線傳輸數字話音、視頻和Internet數據的需求日益突出，研究電力線的高速接入及多媒體信息傳輸成為當前熱點[2]。

PLC技術可分為超窄帶（UNB）、低速（LDR）窄帶、高速（HDR）窄帶和寬帶（BB）四類[3?4]。近年來，高速窄帶和寬帶PLC技術在ITU?T G.hn和IEEE 1901兩大陣營的推動下得到了深入研究，前者致力于基于現有技術改進性能，后者采用革命性方法提升速率以滿足數據和話音綜合業(yè)務的應用需求[5]。而工作頻段在3～500 kHz的低速窄帶PLC技術因其數據傳輸速率低（Kb/s量級）、組網能力差的原因，在支持數話同傳的實用化網絡系統上應用研究不足。目前的通信網絡PLC產品中，基于頻分復用傳輸音頻的模擬型PLC數話同傳網絡存在話路數量受限、通話質量和保密性差等問題[6]，音頻部分采用TDM+TCM（時分復接、網格編碼）技術的數字式PLC網絡，基于聲碼器實現話音壓縮傳輸，在多用戶沖突解決上主要依賴MAC層基于避讓算法的CSMA/CA信道接入機制。然而，退讓算法因不能保證信息傳輸時間的確定性難以滿足話音業(yè)務的QoS需求。MAC層基于分組優(yōu)先級的控制方法有利于保障數話同傳業(yè)務中話音流的QoS，但這種方法在早期的低速窄帶PLC的技術標準和產品中實現不足。為確保低速PLC能夠承載數字話音或VoIP，網絡使用的整個協議必須能夠滿足由于各種業(yè)務帶來的信息傳輸時間確定性的需求。為此，人們嘗試從低速窄帶PLC的PHY層、MAC層、應用層全面進行優(yōu)化改進。法國學者Xavier Carcelle和德國學者Halid Hrasnica等人認為：對于不能保證服務質量的早期PLC技術，必須在MAC之上的應用層來補償[7?8]。

本文基于美信半導體公司（Maxim）推出的業(yè)內首款OFDM電力線通信芯片組MAX299x設計硬件，運用FlexRay靜態(tài)段定時觸發(fā)和動態(tài)段事件觸發(fā)思想設計數話同傳組網協議，避免利用MAC層的退避機制實施信道的競爭訪問，保證數據和話音傳輸的確定性。該網絡支持串型、星型拓撲下任意兩個用戶在進行話音通信的同時，允許其他用戶之間進行數據通信，具有較小的用戶數據響應時延和較長的通信距離。

1 基于FlexRay的PLC數話同傳網絡開發(fā)

1.1 基于FlexRay的應用組網協議總體設計

FlexRay協議是FlexRay聯盟制定的適用于汽車高速網絡的新一代車載總線協議，其協議具有消息長度可配置、靜/動態(tài)消息傳輸部分的時間可定制、支持多種網絡拓撲結構等顯著的靈活性特點[9]。FlexRay的媒質訪問機制基于循環(huán)往復的通信周期，每個通信周期包括靜態(tài)段、動態(tài)段、符號窗口以及網絡空閑時間[10]。靜態(tài)段和動態(tài)段由時隙構成，通過時隙傳輸幀信息，時隙經固定的周期而重復。靜態(tài)段中采用時分多址（TDMA）技術實現定時觸發(fā)消息傳遞，動態(tài)段中采用柔性時分多路訪問（Flexible Time Division Multiple Access，FT?DMA）實現事件觸發(fā)的方式傳輸事件信息。此外， FlexRay允許用戶根據實際情況對靜態(tài)部分和動態(tài)部分的長度進行靈活配置。

Maxim公司推出的MAX299x芯片組支持包括 CENELEC A/B/C，ARIB，FCC規(guī)定的全部窄帶PLC頻段，能夠在10～490 kHz頻帶提供最高100 Kb/s的傳輸速率，MAC層支持CSMA/CA通道訪問仲裁和自動重傳請求（ARQ）功能。但在實際的項目開發(fā)時，一方面出于低功耗和EMC設計考慮，通常采用供電要求更低的32 Kb/s速率，此時不能完成64 Kb/s PCM數字化話音的傳輸；另一方面，MAX299x MAC層的沖突避讓算法不能保證信息傳輸時間的確定性。因此本文基于FlexRay靜態(tài)周期和動態(tài)周期可變長思想設計一種應用層組網協議，實現組網和數話同傳調度。該協議的核心內容為：

（1） 應用層將MAC子層所屬的數據鏈路層視為共享媒介，應用層基于硬件狀態(tài)信號對數據鏈路層LLC子層進行沖突檢測，從源頭上避免沖突發(fā)生；根據業(yè)務類型采用靜態(tài)和動態(tài)時隙傳輸數據，保證實時性；

（2） 在靜態(tài)段，時隙的數目是固定的，且不論有無靜態(tài)消息需要發(fā)送，各時隙的長度均保持不變且彼此相等。靜態(tài)段時隙的長度是由全網配置參數gStaticSlot規(guī)定的；

（3） 在動態(tài)段，引入了一個稱為最小時隙minSlot的概念。動態(tài)段的長度是由其所包含的minSlot的數目決定的，該數目用參數gMinslotsNum表示。在動態(tài)段，如果在某個時隙內沒有消息需要發(fā)送，那么該時隙的長度非常短（長度等于一個minSlot的長度，用參數gMiniSlot表示；反之，如果有消息需要發(fā)送，則時隙的長度等于發(fā)送整個消息所需的minSlot的數目；

（4） 在靜態(tài)段或動態(tài)段的某個時隙內部，僅有一個節(jié)點被允許向鏈路層發(fā)送數據，且接收節(jié)點標識符（NodeId）與接收消息中目的地址相等時，才允許主動發(fā)送數據。NodeId是在系統設計階段靜態(tài)地分配給各節(jié)點的，由于同一NodeId不允許被分配給不同的節(jié)點，可以確?？偩€上不會發(fā)生媒質訪問沖突現象。

1.2 PLC數話同傳設備的硬件總體設計

為實現低速PLC數話同傳網絡的靈活構建，PLC數話同傳設備采用主機模塊和接入模塊相分離的原則進行設計，兩者通過數據接口、鏈路狀態(tài)接口通信。其中主機模塊的CPU采用PowerPC處理器，運行應用組網軟件，完成對接入模塊的信道控制和業(yè)務調度。接入模塊實現數據鏈路層協議和數字信號的數字化調制，提供電力線連接接口，其控制器采用MAX2990[11]，模擬前端采用MAX2991[12]。硬件組成框圖如圖1所示。

1.3 硬件開發(fā)

1.3.1 接入模塊開發(fā)

接入模塊主要由微控制器MAX2990和模擬前端MAX2991等芯片電路組成。MAX2990在單個芯片內集成了物理層（PHY）和媒體訪問控制（MAC）層，以及 Maxim的16位RISC MAXQ微控制器，芯片內有32 KB閃存，用于運行MAC編碼和用戶定義的應用軟件，還帶有8 KB SRAM用于數據存儲。另外，MAX2990支持UART，SPI，I2C等串行接口。發(fā)送時，經MAX2990處理的數字信號由模擬前端芯片MAX2991進行DAC變換成模擬信號，經電力線耦合電路將信號送上電力線，完成信號的發(fā)送；接收時，電力線上的信號先通過低通濾波器濾波后，經模擬前端芯片MAX2991送到MAX2990進行處理。

在實際的硬件設計過程中，PLC接入模塊電路設計必須考慮以下幾個關鍵點：

（1） 電源電路的設計必須兼顧5 V和12 V兩種供電方式，并能切換，以滿足不同應用場合的需求。如在能耗要求嚴格的場合使用5 V供電，有利于降低PLC設備/裝置的整體功耗，此時傳輸速率為32 Kb/s；在能量許可的條件下，可使用12 V供電，此時傳輸速率可提高到100 Kb/s。

（2） 為了提高接入模塊的通用性，應引出UART，I2C和SPI三種數據接口，方便接入模塊以子卡方式內置于各種設備；鏈路狀態(tài)接口基于通用GPIO實現。

（3） 起耦合和隔離作用的變壓器對節(jié)點間通信距離和誤碼率影響很大，應根據CENELEC A/B/C，ARIB，FCC等工作模式和模擬前端（FAE）選擇合適的變壓器。PCB布線時應預留足夠的變壓器裝配空間。耦合部分電路如圖2所示。

耦合部分TB1為交流220 V AC端子，經過一個LC串聯諧振電路，進入到耦合變壓器。P6是模式選擇跳線，用來針對不同的頻段進行選頻，其中1和2連接表示選擇CENELEC A頻段，3和4連接表示選擇CENELEC B，C，FCC頻段。

耦合部分的主體是耦合變壓器，表1給出一組適合CENELEC A頻段的耦合變壓器參數。

1.3.2 主機模塊硬件設計

主機模塊主要包含電源管理單元電路，MPC8313處理器，FPGA，DSP AC481電路。電源管理單元負責整個模塊的電源處理，處理器利用自帶的UART，I2C接口與接入模塊通信，利用通用GPIO管腳實現鏈路狀態(tài)接口；FPGA模塊實現靈活的SPI數據接口，并將DSP采集的數字話音轉發(fā)給處理器。原理框圖如圖3所示。

圖3 主機模塊原理圖

1.4 軟件開發(fā)

1.4.1 應用組網協議實現

PLC數話同傳網絡采用半雙工方式通信，網絡中設置一個主站，主站和分站之間采用數據消息復用成控制消息方式進行交互，即主站依次向各分站發(fā)送查詢命令消息，目標站接收后發(fā)送應答消息。當無業(yè)務數據需發(fā)送時，查詢命令消息和應答消息攜帶網管包，且在靜態(tài)段發(fā)送；當有業(yè)務數據待發(fā)時，攜帶數據包和話音包，在動態(tài)段發(fā)送。一個網管型消息傳輸時間總是固定不變的，即構成靜態(tài)段時隙的長度，由全網配置參數gStaticSlot規(guī)定，默認為40 ms。業(yè)務型消息因數據流和話音流的長度可變，多個消息構成動態(tài)段。本文中動態(tài)段最小時隙長度minSlot為10 B的G.729話音生成時間，即10 ms。整個動態(tài)段時隙長度取決于數據和話音封包的時間間隔，默認取60 ms，因此參數gMinslotsNum=6。

網管型和業(yè)務型消息均由主機模塊作為源頭發(fā)起，接入模塊對消息中的網管包解析處理完成自身站點配置過程，對消息中數據包或話音包（含數話同傳包）做透明傳輸。網絡中每個站點均維持一個組網狀態(tài)機，狀態(tài)機中正常主動態(tài)是指主站作為發(fā)話方，此時主站負責發(fā)送查詢命令消息，從站接收該消息的狀態(tài)。正常被動態(tài)是指從站作為發(fā)話方，從站負責發(fā)送查詢命令消息，主站接收該消息的狀態(tài)。兩種狀態(tài)的跳變由網管消息中的呼叫信令觸發(fā)。組網狀態(tài)機如圖4所示。

1.4.2 接入模塊軟件實現

接入模塊軟件運行在Max2990上，采用C語言開發(fā)。集成開發(fā)環(huán)境為IAR Embedded Workbench for Maxim MAXQ[13]。主要完成UART數據接口/GPIO狀態(tài)接口初始化，PHY層初始化，MAC層初始化。核心代碼包括四個部分：PHY層收發(fā)包中斷處理；MAC層收發(fā)包中斷、CRC錯報包中斷處理；UART等數據接口包解析和PHY幀填充；線路空閑狀態(tài)檢測及鏈路狀態(tài)上報。

接入模塊軟件編程過程中必須注意char，short，int，long等數據類型的使用，因Max2990為16位微處理器，int數據類型為16 b，要使用32 b的變量必須用long類型定義。

1.4.3 主機模塊軟件實現

主機模塊軟件作為嵌入式Linux用戶空間程序運行在MPC8313處理器上，采用C語言開發(fā)。主要完成組網狀態(tài)機的管理，DSP話音包處理，UART等數據接口消息的封裝和解析。數據接口消息格式如圖5所示。

軟件編程的重點是數話同傳包的組裝和拆分。通話狀態(tài)下，定時器周期性從DSP讀取G.729數據，60 ms內生成60 B話音數據。如果定時周期結束時無應用數據需要發(fā)送，則消息的正文直接填充話音數據；如果有應用數據需發(fā)送，則應用數據填充到話音數據后，生成數話同傳包。

2 PLC數話同傳網絡應用分析

業(yè)務響應時延和通信距離是低速PLC數話同傳網絡的關鍵性能，分析該指標有利于開展網絡應用。利用前文所述方法研制的PLC數話同傳設備構建串型網絡或星型網絡，網絡拓撲如圖6所示。

首先分析業(yè)務響應時延，方法如下：

（1） 在主站點0和站點1的用戶計算機上分別運行專用數傳測試軟件TxTester收發(fā)數據，通過頭戴的PPT控制發(fā)話音。數傳測試軟件界面如圖7所示。

（2） 利用配置消息調整所有站點靜態(tài)段時隙gStaticSlot和動態(tài)段最小時隙數目gMinslotsNum，如取值為（40 ms，4），（50 ms，5），（60 ms， 6）等。通過數傳測試軟件控制用戶數據的發(fā)包間隔和包大小，如每隔10 ms發(fā)100 B，20 ms發(fā)300 B。數話同傳過程中，接收端收包間隔如圖8所示。

測試表明：數話同傳時，滿足話音清晰可懂且數據無丟包要求的最佳網絡參數為（40 ms，5），13個節(jié)點的串型或星型拓撲下能支持用戶數據發(fā)送間隔最小達60 ms（數據長度300 B），數話通信延時60.8 ms。

通信距離分析方法：在給定頻段下，網絡通信距離受電力線的輸入阻抗與接入模塊輸出阻抗匹配程度、傳輸的多徑效應、信號衰減等因素影響。本文首先選定CENELEC A頻段和理論參數最理想的變壓器；在網絡中相距最遠兩站點的應用層以及PHY?MAC傳接處兩個環(huán)節(jié)上進行報文收發(fā)統計；調整串行或星型拓撲下各站點的數量和距離；啟動各種長度的數話同傳，記錄和統計丟包率，曲線如圖9所示。

試驗結果表明：通信距離受線路輸入阻抗影響最大；13個站點組網時，串行拓撲下最遠兩個節(jié)點間數話同傳距離可達6 km（其他站點可位于該線路的任意位置），星型拓撲下中心站與分站之間數話同傳的通信距離可達10 km。

3 結 語

本文提出的基于FlexRay靜態(tài)段定時觸發(fā)和動態(tài)段事件觸發(fā)思想的組網協議，適用于低速PLC網絡的應用層，創(chuàng)新了低速PLC網絡實現可靠數話同傳業(yè)務的方法。以組網協議的設計和實現為基礎，詳細描述了基于Maxim芯片研制低速PLC網絡設備的軟件和硬件開發(fā)過程，總結出了具有現實指導意義的開發(fā)經驗。通過協議在32 Kb/s速率PLC數話同傳網絡的運行分析表明，基于該應用組網協議和Maxim芯片構建的低速PLC網絡能可靠地傳輸發(fā)送頻繁的用戶數據和清晰的話音，具有通信距離長和業(yè)務響應時延小的特點。

參考文獻

[1] FEEIRA H C， LAMPE L， NEWBURY J， et al. Power line communications： theory and application for narrowband and boradband communications over power lines [M]. New York： John Wiley Sons， 2010.

[2] YOUSUF M S， RIZVI S Z， EL?SHAFEI M. Power line communications： an overview?part I [C]// Proceedings of 2008 International Conference on Information and Communication Technologies： from Theory to Applications. Damascus： IEEE， 2008： 218?222.

[3] GALLI S， SCAGLIONE A， WANG Z. For the grid and through the grid： the role of power line communications in the smart grid [J]. Proceedings of the IEEE， 2011， 99（6）： 998?1027.

[4] 劉二明.基于INT5200芯片的電力線載波通信裝置的設計[D].南京：南京理工大學，2006.

[5] RAHMAN M M， HONG C S， LEE S， et al. Medium access control for power line communications： an overview of the IEEE 1901 and ITU?T G.hn standards [J]. IEEE communications magazine， 2011， 49（6）： 183?191.

[6] 湯春林.集成音視頻和監(jiān)控信號的電力線傳輸技術研究與應用[D].上海：同濟大學，2007.

[7] CARCELLE X.電力線通信技術與實踐[M].劉斌，崔曉曼，方箭，等譯.北京：機械工業(yè)出版社，2011.

[8] HRASNICA H.寬帶電力線通信網絡設計[M].宋健，趙丙鎮(zhèn)，李曉，譯.北京：人民郵電出版社，2008.

[9] 紀光霽，萬茂松.汽車ECU通訊新平臺?FlexRay（V2.1）協議規(guī)范[J].汽車電器，2006（10）：1?6.

[10] FlexRay Consortium. FlexRya portocol specification V2.1 Rev A [R]. Stuttgart： FlexRay Consortium， 2005.

[11] Maxim Integrated. MAX 2990 integrated power?line digital transceiver programming manual [EB/OL]. [2014?11?02]. http：//pdfserv.maximintegrated.com/en/an/AN4729.pdf.

[12] Maxim Integrated. MAX2991： power?line communications （PLC） integrated analog front?end transceiver [EB/OL]. [2015?11?15]. http：//www.maximintegrated.com/en/reliability/product/MAX2991.pdf.

[13] IAR Systems. IAR embedded workbench for MAXQ [EB/OL]. [2014?11?06]. http：//www.iar. com/Service?Center/Downloads/.