电力线通信 (PLC) 系统在西班牙制造业领域已被多家公司使用多年。然而，过去五年来的技术进步使得这项技术得以应用于家庭。换句话说，PLC 的有效数据传输速率（以 Mbps 为单位）已足够高，足以将其引入休闲娱乐通信领域。
市场上的 PLC 设备价格极具竞争力，可利用大多数家庭现有的低压 (220V) 布线系统将各种计算机设备互连。传输速率最高可达 150 Mbps，并且可以建立对服务质量要求极高的连接（例如，用于高清 DVD 和高清视频分发）。PLC 技术的直接竞争对手是 802.11g 无线网络，但其容量仅为 54 Mbps，而且在许多情况下覆盖范围有限，无法覆盖房屋的每个角落，导致部分房间无法访问内网和互联网。
HomePlug AV规范
由HomePlug电力线联盟[1]制定，该联盟是由电力线通信（PLC）领域领先企业组成的非营利性组织。联盟成立于2000年3月，其首个行业标准于2001年6月发布。HomePlug
AV（HPAV，其中AV代表音频/视频）是目前用于规范和设计此类通信电子设备的标准。它是早期Turbo HomePlug规范的自然演进，Turbo HomePlug规范的主要目标是提供宽带互联网接入。然而，除了确保高速互联网接入外，HPAV标准还旨在实现高清音频和/或视频内容在家庭中的传输。
尽管正式规范发布时间相对较晚（2005年中期），但已有几家制造商以合理的价格销售HPAV设备。这凸显了信息通信技术（ICT）生产行业对这一细分市场的高度关注。事实上，其主要优势在于，家中每个角落都有电源插座，而大多数通信设备都需要电源，因此必须使用这些插座。
正如后续章节将要阐述的，满足HPAV规范所需的技术非常复杂。这是因为通信信道专为电力传输而设计，对信号传输极为不利。事实上，其电气特性性能极低（衰减剧烈且频率依赖性强，存在各种类型的噪声信号——白噪声、脉冲噪声和干扰噪声——阻抗失配取决于插座的使用情况等）[2]。此外，还有一个或许更为严重的问题——所有这些特性都会随时间发生显著变化[3][4]。显然，HPAV标准的制定必须等待通信技术达到一定的成熟度。这种延迟或许可以解释该技术在西班牙家庭中应用相对有限的原因。HPAV
规范还旨在为其系统配备必要的自动管理机制，使用户能够即插即用，并方便服务提供商快速配置。此外，由于通信信道是共享的，HPAV标准还规定使用加密技术，并具备密钥生成和重新协商过程所需的自动化功能。最新规范不仅允许通过电力线传输，还允许通过同轴电缆传输。这似乎是目前唯一能够实现极高传输速率的解决方案（参见结论部分）。
最后值得一提的是，除了HomePlug联盟之外，电力线通信（PLC）领域还存在其他监管机构（考虑到这项技术的悠久历史，这一点也不难理解；例如，早在20世纪80年代，用于在火车架空线路上进行语音传输的设备就已经投入生产）。其中一些较为知名的机构包括通用电力线协会（Universal Powerline Association）、消费电子电力线通信联盟（Consumer Electronics Powerline Communications Alliance）和欧洲开放式电力线通信研究联盟（Open PLC European Research Alliance）。
架构
图。如图所示，该架构定义了数据平面和控制平面。数据平面采用基于局域网 (LAN) 标准的经典通信系统分层结构，这极大地简化了设备与当前市场上计算机终端的集成。
控制平面的独特之处在于它是单体式的；也就是说，连接管理是通过跨层技术，将物理层、接入层和汇聚层作为一个整体来理解的。这使得连接管理单元的设计更加高效灵活，能够更好地适应未来的技术创新。HPAV
架构要求，在组成同一网络的所有调制解调器-PLC中，必须有一个作为中央站。该中央站将是唯一拥有中央协调器 (CCo) 的站点，负责为具有服务质量 (QoS) 要求的连接（包括同步和异步连接，但具有优先级）预留所需的带宽。
数据平面：物理层。
信号通过物理介质传输，工作频率范围为 2 至 28 MHz。调制机制使得在如此窄的带宽下，能够传输 200 Mbps 的数据（信道速率）。使用 Turbo 卷积码进行自动纠错和恢复，会使实际传输信息的比特率降低约 150 Mbps。
符号采用正交频分复用 (OFDM) [5] 进行传输，共有 917 个可用的正交载波。这种多载波调制方式具有两大优势：首先，由于使用了如此多的载波，符号周期足够长，使得传输不受衰落和脉冲噪声的影响，这两种现象在电力线通信 (PLC) 环境中都非常常见。此外，这 917 个载波中的每一个都可以独立调制，调制方式从简单的 BSK 到 1024-QAM 均可。每个载波根据自身的信噪比选择调制方式，使系统能够轻松适应通信信道传递函数的突变。从逻辑上讲，控制平面（更具体地说是连接管理器单元）负责持续测量信道特性，以便适当地调整生成的信号。
最后，将一组用于前向纠错 (FEC) 的控制位添加到整个信息位结构中。这些控制位使用 Turbo 卷积码计算，允许在无需重传帧的情况下恢复错误接收的帧。
数据平面：MAC层
HPAV媒体访问层可以建立三种不同的传输模式：
面向连接的传输，具有服务质量 (QoS) 要求，例如保证带宽、抖动限制和最大延迟。此服务使用时分多址 (TDMA) 系统提供。
无连接传输，共享同一通信信道（存在竞争），但能够建立优先级来仲裁对介质的访问。此传输模式用于具有服务质量要求的异步服务。它使用基于优先级的 CSMA/CA 方案提供。
无连接传输，共享同一通信信道（存在竞争）。此传输模式用于尽力而为型服务，使用传统的 CSMA/CA 方案。
为了提供这些传输模式，HPAV-MAC 采用了集中式管理架构。负责此管理的调制解调器 PLC 必须激活其 CCo（中央协调器模块，参见图 1）。CCo 负责建立和管理信标周期，信标周期是一个以 2 为基准的时间段，并进一步划分为三个时间段（图 2）：
- 信标区域。-
CSMA 区域。-
无竞争区域。
第一个临时区域（信标区域）由中央控制中心 (CCo) 用于通知所有连接到网络的调制解调器 PLC，告知它们在剩余周期内将使用的预先建立的连接分配方案（CSMA 和无争用区域）用于数据传输。此通知的分配方案是持久的，这意味着 CCo 承诺在连续的信标周期内不会更改此安排。鉴于此周期对于 HPAV-MAC 的正常运行至关重要，所使用的信标信号是高度稳健可靠的电信号。
无争用区域采用 TDMA 系统进行管理。任何给定调制解调器 PLC 的上层（TCP 甚至 IP，至少在协议版本 6 中）与其连接管理器 (CM) 模块通信，以协商应用程序所需的 QoS 要求：保证带宽、无差错传输、低延迟和抖动控制。协商完成后，CM 与中央调制解调器 PLC 的 CCo 通信，并告知其服务质量 (QoS) 要求。如果 CCo 有容量接受连接，它会请求调制解调器-PLC 通过为每个 OFDM 调制载波发送测试音来估算信道容量。估算结果将发送给 CCo，CCo 随后确定在无竞争区域内分配给调制解调器-PLC 的时隙数量。未用于 QoS 流量的时隙将由其他调制解调器-PLC 动态用于以非持续模式传输 CSMA/CA 帧。如果这些帧未被使用，则具有 QoS 要求的连接可以在获得 CCo 许可的情况下使用此带宽来提高其容量。最后
，CSMA 区域提供了一个时间段，在此期间，调制解调器-PLC 可以使用基于优先级的 CSMA/CA 方案持续竞争信道所有权。
控制平面：中央协调器 (CCo)
每个 CCo 负责控制一个音视频逻辑网络 (AVLN)，该网络由多个共享网络成员密钥 (NMK) 的调制解调器-PLC 组成。该密钥允许每个 AVLN 成员与其他成员进行私密且安全的通信。CCo
负责以下任务：
动态带宽管理。
定期广播信标，指示其负责的AVLN。
学习自身AVLN以及所有共享同一通信信道的其他AVLN的拓扑结构。为此，只需监听所有站点广播的AVLN信息即可。
在低负载情况下激活节能模式。
第一个功能已在前面讨论过。需要指出的是，如果存在多个AVLN，则每个网络的相应CCo必须协调，以动态共享公共通信信道。通常，该机制是将信标周期按比例分成若干部分，每部分与每个AVLN中的终端数量成正比。
网络拓扑图可以确定同一AVLN中是否存在另一个调制解调器-PLC，该调制解调器-PLC将来可以通过
切换协议承担CCo3的角色。功能切换的原则（按优先级顺序排列）如下：
1. 用户选择。2
. CCo 容量。3
. 在 AVLN 地图上发现的站点数量。4
. 发现的 AVNL 站点数量。
当所有站点均处于非活动状态时，控制中心（CCo）还负责启动节能模式。在此模式下，仅激活CSMA区域的一小块临时区域（允许站点发起传输），且该区域无冲突（允许站点监听控制信标）。在信标持续时间的剩余时间内，发射机和接收机必须关闭，以节省电量并防止对其他信号造成不必要的干扰。.
市场上的设备：
HPAV 技术已经足够成熟，能够以极具竞争力的价格提供中高端设备。Devolo、Linksys、Atlantis、Aztech、MSI 和 Zyxel 等公司可能是其中最知名的几家。Devolo 和 Linksys 的网站提供西班牙语版本，并允许在线购买其产品。Zyxel 的网站只有部分内容翻译成西班牙语，并且不提供在线购买服务（尽管其网站提供了西班牙经销商及其销售点的列表）。
总的来说，HPAV 设备大致分为三种类型：带有 IEEE-802.3 快速以太网接口的 PLC 调制解调器、带有 IEEE-802.11 无线接口的设备，以及直接连接到计算机 PCI 总线的设备。当然，在这三种情况下，设备都具有另一个接口，通过传统连接器连接到低压电源。
价格区间在 50 欧元到 200 欧元之间，具体取决于设备的运行速度：14 Mbps（HomePlug 1.0）、85 Mbps（Turbo HomePlug）或 200 Mbps（HomePlug AV）。对于高清视频分发应用，必须保证带宽，而只有通过 HPAV 标准认证的设备才能提供这种带宽（Atlantis 和 Aztech 在其网站上声明其设备支持此配置）。相反，如果只需要一组调制解调器/PLC 共享互联网连接，则这三种类型的设备均可使用，因为目前带宽限制取决于电信运营商提供的带宽（平均 3 Mbps）或无线技术可达到的最大速度 54 Mbps。
替代技术。
在本节中，我们将简要回顾除电力线通信 (PLC) 之外的其他家庭宽带服务替代技术。所有这些技术都利用现有的家庭布线基础设施（例如电话线或同轴电缆）作为通信信道。因此，这些技术（以及 PLC）通常被称为“无线”技术，这意味着它们不需要额外的布线，并且与“无线”技术不同，它们使用铜线进行传输。本研究将重点关注各标准组织公布的主要特性。
值得一提的是，除了 PLC 系统（已上市多年）之外，本节讨论的所有技术都非常新——至少它们的最新规范是最新的——而且只有这些技术才能达到支持宽带服务所需的质量水平。
多媒体
联盟 (MoCA) 是由多家电信公司组成的联盟，负责制定标准并认证使用这些标准的产品，以便在家庭住宅中未使用的同轴电缆线路频谱上传输宽带服务。首个正式规范于 2006 年 2 月获得批准，首批设备在几个月后上市。
研究表明，MoCA 设备能够以 270 Mbps（物理层）的信道速率进行传输，这相当于约 135 Mbps（MAC 层）的比特率，利用的是 860 MHz 至 950 MHz 的同轴电缆未使用频谱。这种传输能力，加上约 5 毫秒的平均延迟，使这项技术成为该领域最有前景的技术。频谱边带（有线电视和卫星）的干扰极小，建筑物内任何无线电和电视设备都无法察觉。此外，与电力线通信 (PLC) 技术不同，它不受脉冲噪声的影响，而脉冲噪声主要来自家用电器中的电动机。由于采用了同轴屏蔽，它也不会对自由射频频谱造成显著干扰（许多射频用户经常抱怨高压线路上运行的电力线通信系统会造成干扰）。
然而，这项技术也存在两个主要缺点。首先，尽管McOA声称美国90%的家庭都拥有同轴电缆基础设施，但最近的研究表明，实际数字不到30%。在西班牙，这个比例可能更低。其次，网络连接点通常很少：一般情况下，只有几个插座，一个在餐厅，一个在客厅。运气好的话，你可能会在某个卧室找到额外的插座。
最后，需要注意的是，大型建筑中的有线电视网络包含一些有源设备（放大器），这些设备并非设计为与MoCA规范兼容。在这种情况下，必须更换放大器，或者使用特定的分路器和混频器，分别在放大器的输入和输出端对两个信号进行分离和重新组合。
与前例类似， HPNA是由多家电信公司组成的联盟，负责制定规范并认证使用这些规范的产品，以便在未使用的电话线频谱上传输宽带服务，并且自3.0版本起，还可以通过安装在家庭中的同轴电缆传输。这项技术理论上能够支持240 Mbps的传输速度。然而，在实际家庭环境中进行的现场测试表明，平均速度约为100 Mbps。其传输带宽远高于电话系统使用的带宽，因此不会对传真机或电话造成干扰。此外，与PLC系统类似，参与国的家庭和住宅都拥有电话基础设施（即使规模很小）。然而，许多家庭只有一个（或最多两个）电话插座，这严重限制了这项技术的潜在市场。此外，许多专家认为，这项技术未能克服市场阻力，导致销售放缓，进而影响了其研发所需的投资。其最新规范（HomePNA 3.1）于2007年1月获得国际电信联盟（ITU）批准，并被称为G.9954建议书。最重要的创新在于该标准支持使用同轴电缆作为传输介质（3.0版本已包含此功能）。使用同轴电缆解决了电话线路最严重的问题之一：用户设备接口（插孔）状况不佳和连接故障。当然，此方案的前提是用户拥有同轴电缆基础设施。
无线标准 802.11n
始于 2004 年，目前仍在开发中。预计将于 2008 年年中左右最终获得批准。该标准采用 MIMO（多输入多输出）技术，其传输容量将是现有 802.11g 标准的 4 到 8 倍，即 200 到 400 Mbps。我们需要等待首批设备的实际应用才能做出确切的评价，但目前可以确定的是，该技术最大的缺点之一是，随着设备与接入点之间距离的增加，性能会显著下降。
结论：
电力线通信（PLC）技术（目前以HomePlug AV为最重要的标准制定机构）是目前在家庭内网部署宽带服务的可行方案。该技术已上市多年，因此，众多厂商生产出各种性能中等到高性能的设备，价格极具竞争力。
此外，市场趋势是设计能够通过任何类型的家庭通信信道进行传输的设备。在这方面，HomePlug AV和HomePNA都倾向于使用同轴电缆作为其自身通信信道的替代方案。
J. Malgosa Sanahuja、JP Muñoz Gea、P. Manzanares López、JC Sánchez Aarnoutse
{josem.malgosa、juanp.gea、pilar.manzarares、 juanc.sanchez
大学卡塔赫纳理工大学。车联网工程集团
