互动科普

有插座就能上网

W. Wayt Gibbs

住宅输电线是世界上分布最广泛的网络，无处不在的家庭电源插座即将成为人们进入互联网世界的大门，期盼通过电线，将PC、电话、音响甚至电冰箱都能连成一气，统统连上网络，彼此沟通，而无需大费周折另外布线！

人们常说，信息通讯依靠电力。现在反过求说也同样正确，即电力可以为信息通讯服务一项即将在今年冬季问世的新技术，可以利用建筑物内已有的电源线高速传输信息。这项新技术能连接室内任何有网络功能的设备，刚开始只是电脑和打印机，将来会是电话、娱乐设备甚至家用电器．而且只要轻轻地插上插头即可。如果家庭网络中的1台设备是1只带有缆线的“猫”(调制解调器)或DSL(数字用户线)路由器，那么房间中的所有插座不仅可以连上高压电网，而且可以连接上互联网。

工程师们已尝试多年，以找出更聪慧的方法来赋予工业时代就已经深入千家厅户的数不清的电源线以双重责任。实际上，美国早在l899年就中请了利用电源线作通讯方法的第一个专利，但是，很多早期尝试都被不可逾越的技术障碍击败了。在北电网络和西门子等知名企业经历了几次痛苦的失败后，几家欧洲公用事业公司终于开始利用电力线路为户客提供电话和网络服务。不过，由于美国、加拿大和日本所使用的高压电力网设计各不相同，使得欧洲的公用事业公司无法用此项技术为这些国家提供服务，它成本过高，无法与DSL和电缆线竞争（参见本文的附文“电力和网络”）。

同时，其他几项已经问世的新技术、无需在墙内铺设电缆，便可以将一所建筑物中的设备连接起来。新的电源线网络标准，将不得不与HomePNA（家庭电话线网络联盟）——利用电话插孔运作的技术——竞争。其他的挑战者还有俗称Wi-Fi的无线传输技术，它能利用无线电波传输信息。

美国达拉斯的帕克斯公负责做家庭网络化产业发展的Kurt Scherf表示，一股家庭用户对HomePNA和Wi-Fi两项技术反映冷淡。美国大约有2600万个家庭拥有多台电脑，其中大约有550万个家庭连上网络，而这其中80％一90％的家庭使用以太网。以太网能以每秒100Mb的速度传输信息，是HomePNA和Wi-Fi的10倍，不过必须使用专用电缆。

Wi-Fi费用相对偏高(一个基础工作站和两个适配器需400美原)，而且，很多潜在用户担心邻居窥视他们的电子邮件和浏览的网页。因为几乎所有的无线网络设备都有加密选项，但大多用户不知道如何使用它。HomePNA的最大限制是在公寓和那些老式一点的房子里，通常只有一两个电话插口。

于此相反，电源插座则无处不在，况且你要连接的每一种机器都需要电。由于电源线通讯设备不需要无线通讯变频器，因此它比Wi-Fi更廉价更安全，更重要的是它优秀的可靠性与速度。就早期用电源线传送数据的标准而言，如最常见的X—l0、CEBus和LonWorks，每秒最多可传输l0Kb。一个由90多家电子与电脑公司组成的电源线家庭网络联盟(HPPA)早就深知必须找到一种方法让电源线传送速度提高1000倍。

抗干扰技术找到了

这项挑战引起了LarryW．Yonge的兴趣。Yonge是美国弗里达州英特隆(Intellon)公司负责研究的副总裁。他曾是通讯工程师，创办了一家碟形卫星接收器公司，兴旺了几年后，最终还是在缆线竞争中败下阵来。他于1996年加入了英特隆公司，其唯一的任务就是要解决电源线网络的问题。他回忆说：“当时，没有立即可行的方法，我们必须在草图上从头设计整个系统。”

曾经从事过干扰问题研究的工程师都认为，对于传输信息，电源线确实是个很可怕的媒介。任职于美国加州帕洛阿尔托电力研究中心的William E．Blair表示：“我们曾经设计过一套非常有效的系统，能以60Hz频率传输电能，但如果试图用同样的电源线传输通讯信号，那就会变得一团糟。这种情况很像是：在一个狂风大作的夜晚，人声鼎沸的足球场内，一场超级足球赛事正进行到最后几分钟，而此时头带防寒耳罩的你，试图精确转录交响乐的乐谱。”

像足球场内人群的嘈杂声一样，各种各样会发出杂讯的家电，如吹风机、调光器、荧光灯、吸尘器和混音器等，会将一波波的静电回传到电线里。又如同扩音器会扭曲音乐一样，房间里的电线也会滤掉一些特定的频率，以捉摸不定的方式改变信号。数据流会从未通电的插座飘逸出来，引起电源线电阻的突然改变，从而产生驻波及共振反馈，造成干扰。

至于防寒耳罩的比喻是说，家庭的总开关会削减信号，因为它将电源线分成几乎彼此隔离的区段。较新建的房屋中有所谓的双相电源，“火线”上如果载有信号，通常会传到外面电线杆上的配电变压器，然后再传回“地”线，才能抵达房子的不同地方。等到信号抵达目标插座时，通常已经非常微弱了。

综合考虑这些问题，每当开关动作时，电源线网络的形式和规模都会发生不可预知的改变。只要打开电灯或插上延长线，电压、电阻和电流都会随之波动。

Blair补充说，长距离不断绕圈的电路就像天线：它们会接收各种各样的无线电信号，对传输中的数字信号产生干扰。但是如果为了抑制杂波而把数字信号放大得太大，则电源线也会传送自己的无线电杂讯。Blair解释道：“无论你怎么做，都会产生干扰，就像收音机的杂音，或是电视上的静电一样。”

为解决这些问题，Yonge及其助手尝试用了不同的方法，决定用别人不曾试过的超过4Mhz的高频。在这部分电磁波谱，家电产生的杂讯比较少，几百万赫兹的讯号能以较平顺的方式，从断路器(或分配变压器)的一端传送到另一端，“耳罩”拿掉了。

这些工程师同时选用非常宽的频谱，从4.5—2lMHz，并把它们分成84个频道。这种方法跟数字移动电话使用的技术十分相似，能让设备用较少的电力就可以传输数字信包，而且不会干扰无线电环境。他们封闭了8个最可能干扰业余电台的频道，从而避免了联邦信息委员会的抱怨。

Yonge他们把大部分时间和精力花在了应对电源线中的干扰上，因为那是“最准啃的骨头”。他们需要一种能适应电源线中状况随时变化的传输技术。他们发现一种名为正交频分多路复用技术（OFDM）能符合要求，OFDM技术已被用于欧洲数中电视传播中。

梦想即将成真

OFDM这名称看起来十分深奥，但实际上没有那么复杂（见上页图文对付噪声：适应和规避）。不像每个收音机的FM频道，只能传送一个不同的节目，OFDM让HomePlug设备可同时使用76个独立的频道传送同一个数字信息。在2个HomePlug转换器开始交换数据之前，它们在各通道上互相传送测试信号，并阻塞那些噪声过多或过于微弱的频道。频道监测图每隔几秒钟更新一次，因此，只要通话在继续，传输速度就会随需要上升或下降。

若继续用前文的狂风之夜足球赛做比方，OFDM技术相当解决了风声的问题，但无法完全处理回音和突然冒出的杂音。为了避开回音，每个放到网络上的数据包都被加上了安全间隔，简短的暂停能让全反射波逐渐消失。同时，每个承载有效信息的数字负荷都经过事先处理，井附加额外的纠错信息。如果信息在途中被毁坏，接收器可以使用这些扩充的纠错信息，通过数学计算还原这些被损的小片段。

美国新泽西州家电源线通讯公司的总裁O1eg Logvinov则评论说：“为了确保所有环节出错，讯号处理的复杂度必须远远超过当今无线和有线通讯的主流技术。不过，现如今集成在一个芯片上的多个逻辑门，已足够应对这个复杂的情况。事实上，英特隆公司的芯片的复杂程度与第一代奔腾处理器差不多，只不过它是被用来处理这一单一问题的。

Yonge回忆说，这套系统在模拟时运作顺利。2001年春天进行了实际测试，英特隆公司派工程师到全球各地测试原型设备，对象包括规模与成市时间各异的25家公司和500个家庭。英特隆公司的总工程师William E．Earnshaw说，HPPA联盟的成员确立了一套很高的检验标准，“他们希望它能在80％的房屋中满负荷工作，其它的工作在2／3负荷下。”这项技术轻易地通过了测试。Earnshaw自豪地说：“你可以紧挨着电源线转换器插上吸尘器的插头，而设备仍能顺利工作。”

2001年11月，美国Linksys公司与Phonex宽频公司成为首批支持个人电脑、打印机和其他支持USB网络接口外设的零售设备供应商。其它制造商也紧随其后。据Linksysr解，该产品的价格和Wi-Fi设备相当，但比HomePNA贵一些。Linksys的Karen Sohl说：“几乎每个房间都至少有两个插座，所以电源线转换器比电话线产品更方便。因此价格也会稍微贵一些。HPPA联盟总裁Radio Shack公司新兴技术部经理Tom Reed认为，随着时间的推移，设备的价格会降低，因为电源线转换器不需要那么多类比电路，制造成本比无线设备要低。

电源线通讯也比无线通讯更加安全。信号利用同一个变压器传送到其他人的家里，例如：在美国通常是3至6家(或一栋公寓中的所有家庭)。不过，与Wi-Fi不同，芯片会自动启用加密功能。破解56位密码倒不是不可能，只是不太容易做到。

目前，这项技术面临曲个严峻的挑战。第一是由消费者电协会制订的一项竞争标准。要完成这项尝试看起来还至少需要一年时间。Yonge说，这个标准问世之前，HomePlug技术将推出第2版，速度可以达到每秒100Mb。不过，两个互不兼容的标准将会造成一些混乱。

第二个挑战可能不意外，即制造录音机、录像机和电话元件的公司仍然处于局外。这势必会延误电源线通讯的很多诱人应用。Reed指出：“试想想，未来只要将缆线或卫望电视接收器插人家庭中的任一插座，看电视时，想插哪里就插哪里。你可以随心所欲。抑或你也可以加一条虚拟的电话线。比如，你老家在美国奥马哈，通过IP电话，你可以在奥马哈申请一个电话号码，然后通过互联网，拨打加利福尼亚家中的IP电话。当你搬到波士顿，号码无需变动。”

要使这些梦想变得有利可图还需要聪明的商业创意。但是，使这些梦想在技术上能逐步实现还要归功于聪明的工程师。

电力和网络

欧洲的公用事业公司已成为网络服务的提供者，但在北美却行不通。

电源线除了能用在家庭网络，现在还能将整个社区连入互联网，不过并不是全球各地都行得通。因为，各国的电源插座形状与结构不同，而且整个高压电力网的结构也相差很大。在欧洲、亚洲和南美的大部分地区，一个大型的变压器可以给几百个建筑物供电。而美国、加拿大、日本及其它一些国家使用的是小型杆上型变压器，只能给3-6个家庭供电。

不幸的是，对于想要通过电源线提供网络服务的公用事业公司，变压器就像一个大型过滤器，会消除电流中载有信息的波纹。美国加州帕洛阿尔托电力研究所的William E．Blair说：“你可以在每个变压器上安装旁路放大器，但像美国这样的国家，这样做就很不经济，因为一条线路需安装数十个。在欧洲只要在变电所内安装一个很好的旁路放大器，就可以绕过变压器，给200—300户家庭传送讯号。这样做才经济。”

2001年夏天，德国Essen的一家公用事业公司的子公司RWE Powerline已开始提供每秒2Mb的网络服务，每月费用55欧元。它使用的是瑞士Ascom公司制造的电源线转换器。据该公司的报告称，瑞士的Frelburg电力集团也在提供类似的互联网服务，并且目前正在其他9个欧洲国家、香港、新加坡和巴西等地进行实地测试。

正交频分多路复用技术

正交频分多路复用技术(Orthogonal Frequercy Diversion Multliplexing，OFDM技术)可取提高电力线的网络传输质量，是一种多载波调制技术。传输质量的不稳定意味着电力线网络不能保证如语音和观频流这样的实对应用程序的传输质量。然而对于传输突发性Internet数据流它却是个理想的网络。即便是在配电网受到严重干扰的情况下，OFDM也可提供高带宽并且保证带宽传输效率，而且适当的纠错技术可以确保可靠的数据传输。

【崔琳琳／译 李爱珺／校】