華為面向工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景推出中頻帶PLC電力線(xiàn)載波通信技術(shù)

摘要

本章主要介紹EC-IoT使用的兩大關(guān)鍵技術(shù)：電力線(xiàn)通信技術(shù)PLC-IoT和容器。

PLC-IoT

概念

PLC（Power Line Communication）技術(shù)誕生于上世紀(jì)20年代，起步很早，但是由于信號(hào)衰減、噪聲嚴(yán)重等技術(shù)問(wèn)題，導(dǎo)致PLC技術(shù)在21世紀(jì)以前未能有大規(guī)模應(yīng)用。近年來(lái)隨著智能電網(wǎng)和PLC技術(shù)的發(fā)展，PLC廣泛應(yīng)用于智能電網(wǎng)、工業(yè)控制、物聯(lián)網(wǎng)以及家庭網(wǎng)絡(luò)等眾多領(lǐng)域。

PLC-IoT（Power Line Communication Internet of Thing），也是一種利用電力線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的技術(shù)，是華為推出的面向工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景的中頻帶PLC電力線(xiàn)載波通信技術(shù)。

相對(duì)于傳統(tǒng)PLC，PLC-IoT具備以下特征：

它基于HPLC/IEEE 1901.1，同時(shí)將6LoWPAN 技術(shù)引入到PLC-IoT協(xié)議架構(gòu)中，使IPv6可以無(wú)縫運(yùn)行在低速網(wǎng)絡(luò)上。

它的工作頻段范圍在0.7到12MHz，噪聲低且相對(duì)穩(wěn)定，信道質(zhì)量好。

它采用正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)，頻帶利用率高，抗干擾能力強(qiáng)；通過(guò)將數(shù)字信號(hào)調(diào)制在高頻載波上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在電力線(xiàn)介質(zhì)的高速長(zhǎng)距離傳輸。

應(yīng)用層通信速率在100kbps到2Mbps，通過(guò)多級(jí)組網(wǎng)可將傳輸距離擴(kuò)展至數(shù)公里，基于IPv6可承載豐富的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，使能末端設(shè)備智能化，實(shí)現(xiàn)設(shè)備全聯(lián)接。

網(wǎng)絡(luò)模型

PLC-IoT借鑒了OSI網(wǎng)絡(luò)模型，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖4-1所示，包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層，目的是能夠擴(kuò)展與標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP進(jìn)行對(duì)接實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)IP網(wǎng)絡(luò)通信，實(shí)現(xiàn)電力線(xiàn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)及不同類(lèi)型PLC終端之間能夠基于IP網(wǎng)絡(luò)通信（即IP化PLC），擴(kuò)展PLC-IoT的應(yīng)用場(chǎng)景。

使用場(chǎng)景

PLC-IoT技術(shù)作為物聯(lián)通信技術(shù)，無(wú)需額外挖溝埋纜即可構(gòu)建高速可靠的末端物聯(lián)通信網(wǎng)絡(luò)，直接復(fù)用電力線(xiàn)，可降低通信施工部署成本超過(guò)50%，并大幅度縮短部署周期。因此，要求使用PLC-IoT技術(shù)的智能終端具備以下特征：

有線(xiàn)供電：范圍涵蓋交流電網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、配電和用電所有場(chǎng)景的設(shè)備，電網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)字化、自動(dòng)化和智能化離不開(kāi)發(fā)電設(shè)備、配變終端和用電設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化。

群簇特征：同類(lèi)別或相似功能終端共享一個(gè)能源網(wǎng)絡(luò)線(xiàn)纜，終端有群或簇的特征；能源網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆锌偩€(xiàn)形、樹(shù)形、星形。范圍一般是一個(gè)變壓器下的電源設(shè)備，或添加了載波隔離的配電箱下的用電設(shè)備，或一個(gè)隔離式電源模塊下的直流電源總線(xiàn)上的用電終端。

非移動(dòng)性：終端位置固定，例如電表和路燈等；即使終端位置相對(duì)挪動(dòng)，也是帶著電源線(xiàn)的小范圍的移動(dòng)，例如電梯等。

基于PLC-IoT的上述特征，該技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于以下領(lǐng)域：

電力能源：AMI智能抄表、充電樁、能效管理、開(kāi)關(guān)柜、中低壓智能配電等。

交通：智慧交通燈、智慧路燈等。

智能樓宇：梯聯(lián)網(wǎng)、智慧消防（可視化煙感、應(yīng)急照明燈和指示燈聯(lián)網(wǎng)）等。

智慧家居：智慧照明、智能控制等。

特性?xún)r(jià)值

PLC-IoT三大關(guān)鍵價(jià)值特性，助力行業(yè)用戶(hù)打造智慧邊緣連接：

支持IPv6

將6LoWPAN技術(shù)引入到PLC-IoT協(xié)議架構(gòu)中，除實(shí)現(xiàn)分片傳輸外，還可將40 字節(jié)的IPv6報(bào)文頭壓縮至4到12字節(jié)，使IPv6可無(wú)縫運(yùn)行在低速網(wǎng)絡(luò)上；同時(shí)基于IPv6可通過(guò)TCP/UDP協(xié)議承載豐富的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。

共享PLC網(wǎng)絡(luò)

基于開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)的IPv6 技術(shù)，不同類(lèi)型的末端設(shè)備可以共享PLC網(wǎng)絡(luò)，物聯(lián)網(wǎng)關(guān)主機(jī)側(cè)應(yīng)用和容器內(nèi)多個(gè)應(yīng)用也可共享同一個(gè)PLC網(wǎng)絡(luò)，獨(dú)立訪(fǎng)問(wèn)各自管理的末端設(shè)備而互不影響，提升PLC網(wǎng)絡(luò)的并發(fā)能力和通信效率。

數(shù)據(jù)安全可靠

PLC-IoT支持鏈路層安全機(jī)制，通過(guò)數(shù)據(jù)加密保證數(shù)據(jù)機(jī)密性，通過(guò)完整性校驗(yàn)保證數(shù)據(jù)防篡改，增強(qiáng)鏈路安全性，防止網(wǎng)絡(luò)攻擊；同時(shí)采用DTLS協(xié)議實(shí)現(xiàn)PLC節(jié)點(diǎn)基于數(shù)字證書(shū)的接入認(rèn)證，并通過(guò)DTLS加密通道傳輸協(xié)商鏈路層加密密鑰，實(shí)現(xiàn)鏈路層數(shù)據(jù)加密傳輸，為應(yīng)用提供基礎(chǔ)的安全保障。

PLC-IoT組網(wǎng)

PLC-IoT網(wǎng)絡(luò)根據(jù)實(shí)際行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景下布線(xiàn)環(huán)境和終端連接方式的不同，可呈現(xiàn)星型與樹(shù)型兩種不同的組網(wǎng)拓?fù)?，如圖1-2所示，其中樹(shù)形組網(wǎng)最多支持8級(jí)組網(wǎng)，可提供更大的載波傳輸距離。

圖1-2 PLC-IoT組網(wǎng)類(lèi)型

PLC-IoT網(wǎng)絡(luò)支持三種角色：

CCO：中央?yún)f(xié)調(diào)器（Central Coordinator），在PLC-IoT通信中的具體體現(xiàn)為頭端通信模塊，負(fù)責(zé)末端設(shè)備的接入以及數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。

PCO：代理協(xié)調(diào)器（Proxy Coordinator），僅樹(shù)型組網(wǎng)下支持，為中央?yún)f(xié)調(diào)器與站點(diǎn)或者站點(diǎn)與站點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)的站點(diǎn)。

STA：尾端設(shè)備（Station），在PLC-IoT通信中的具體體現(xiàn)為尾端通信模塊，接收與發(fā)送電力載波信號(hào)，為終端設(shè)備提供統(tǒng)一的接入PLC-IoT網(wǎng)絡(luò)方式。

為了實(shí)現(xiàn)快速組網(wǎng)，PLC-IoT組網(wǎng)具備如下特征：

快速逐級(jí)收斂，代理認(rèn)證技術(shù)，最短時(shí)間完成大規(guī)模站點(diǎn)入網(wǎng)。

快速路徑評(píng)估，路徑擇優(yōu)，確保入網(wǎng)后STA通信成功率。

動(dòng)態(tài)時(shí)隙管理，自適應(yīng)臺(tái)區(qū)多相位規(guī)模不平衡問(wèn)題，最大化利用帶寬。

單網(wǎng)關(guān)最大支持節(jié)點(diǎn)數(shù)512個(gè)，支持8級(jí)組網(wǎng)，解決大臺(tái)區(qū)覆蓋。

容器技術(shù)

EC-IoT場(chǎng)景中邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)支持部署容器，通過(guò)容器提供一個(gè)隔離的虛擬執(zhí)行環(huán)境，用戶(hù)可在部署的容器上安裝自己的業(yè)務(wù)APP實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)功能。

概念

容器，是一種輕量級(jí)的虛擬化技術(shù)，但它不需要像傳統(tǒng)虛擬機(jī)一樣虛擬出整個(gè)操作系統(tǒng)，包括CPU、內(nèi)存、磁盤(pán)、外設(shè)，然后當(dāng)成一個(gè)真實(shí)機(jī)器使用，而是在主機(jī)的操作系統(tǒng)上虛擬出一個(gè)輕量級(jí)與主機(jī)系統(tǒng)隔離的虛擬環(huán)境。

如圖1-3所示，容器中可以安裝業(yè)務(wù)APP，并賦予業(yè)務(wù)功能的獨(dú)立性，使其免受外在環(huán)境差異（如開(kāi)發(fā)環(huán)境）影響，有助于減少運(yùn)行在相同基礎(chǔ)設(shè)施上的不同軟件沖突。容器中包含了APP應(yīng)用程序運(yùn)行的完整環(huán)境，所需的全部依賴(lài)、類(lèi)庫(kù)、其他二進(jìn)制文件、配置文件等都統(tǒng)一整合在容器鏡像包中，這樣容器就封裝了所有運(yùn)行APP應(yīng)用程序所需的資源，使得鏡像從一個(gè)環(huán)境移植到另外一個(gè)環(huán)境更加靈活。

分類(lèi)

容器技術(shù)架構(gòu)主流的有兩種：

一種是Linux Container，即LXC。

LXC起源于Linux內(nèi)核中的Cgroup和namespace的開(kāi)發(fā)，以支持輕量級(jí)虛擬化操作系統(tǒng)環(huán)境，是一種操作系統(tǒng)級(jí)別的輕量級(jí)Linux容器，提供輕量級(jí)的虛擬化隔離進(jìn)程和資源：? 它將應(yīng)用軟件系統(tǒng)打包成一個(gè)軟件容器，內(nèi)含應(yīng)用軟件本身的代碼，以及所需要的操作系統(tǒng)核心庫(kù)。

? 它通過(guò)統(tǒng)一的名字空間和共用API（Application Programming Interface，應(yīng)用程序編程接口）來(lái)分配不同軟件容器的硬件資源，創(chuàng)造出應(yīng)用程序的獨(dú)立沙箱運(yùn)行環(huán)境，使得Linux用戶(hù)可以容易的創(chuàng)建和管理系統(tǒng)或應(yīng)用容器。

一種是Docker公司發(fā)布的Docker。

Docker是在LXC基礎(chǔ)上進(jìn)一步封裝的容器技術(shù)架構(gòu)，它相當(dāng)與一個(gè)應(yīng)用程序級(jí)別的容器，也稱(chēng)為APP容器，即每個(gè)Docker容器是一個(gè)獨(dú)立的APP，Docker將APP打包成一個(gè)鏡像，在其它地方需要使用此APP時(shí)，直接獲取到此鏡像即可，方便部署與安裝。如圖1-4所示，Docker與LXC實(shí)現(xiàn)容器都是通過(guò)Linux kernel的namespace與Cgroup機(jī)制實(shí)現(xiàn)。

相較于LXC，Docker還提供了一系列更強(qiáng)的功能：

可移植性

Docker定義了一種新的格式，將應(yīng)用和其依賴(lài)環(huán)境全部打包到一個(gè)單一對(duì)象中，這個(gè)對(duì)象可以在任何安裝有Docker的機(jī)器上共享，在任何機(jī)器上執(zhí)行這個(gè)對(duì)象的效果都是一樣的，而LXC僅僅實(shí)現(xiàn)了進(jìn)程沙盒化，并不能在不同機(jī)器上進(jìn)行移植。Docker將應(yīng)用的所有配置進(jìn)行抽象，整合到一個(gè)容器中，使得該容器具有可移植性，即在Docker架構(gòu)下，一個(gè)APP應(yīng)用程序就是一個(gè)容器。對(duì)于LXC，目前最多支持4個(gè)容器，1個(gè)容器可以部署多個(gè)APP。

以應(yīng)用為中心

Docker優(yōu)化了應(yīng)用的部署，主要表現(xiàn)在API、用戶(hù)接口、設(shè)計(jì)原理等方面。? 自動(dòng)化構(gòu)建

Docker中支持Dockerfile，將應(yīng)用的所有依賴(lài)項(xiàng)，構(gòu)建工具和包都以源碼的形式寫(xiě)在Dockerfile中，然后Docker可以根據(jù)Dockerfile構(gòu)建鏡像。該鏡像在任何機(jī)器上面運(yùn)行的效果都一樣。

? 版本控制

Docker對(duì)容器提供版本控制功能，如版本回退等，同時(shí)Docker還實(shí)現(xiàn)了增量上傳和下載的功能，節(jié)約了上傳和下載時(shí)的帶寬資源。

EC-IoT場(chǎng)景中的邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)在LXC容器技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行了增強(qiáng)，吸收了Docker的一些優(yōu)勢(shì)，增加了構(gòu)建方式、版本控制、LXC容器內(nèi)的APP管理、容器簽名校驗(yàn)等新功能。

原文標(biāo)題：華為園區(qū)EC-IoT的關(guān)鍵技術(shù)

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