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华为面向工业物联网场景推出中频带PLC电力线载波通信技术

2021-12-03 09:48:00

摘要

本章主要介绍EC-IoT使用的两大关键技术：电力线通信技术PLC-IoT和容器。

PLC-IoT

概念

PLC（Power Line Communication）技术诞生于上世纪20年代，起步很早，但是由于信号衰减、噪声严重等技术问题，导致PLC技术在21世纪以前未能有大规模应用。近年来随着智能电网和PLC技术的发展，PLC广泛应用于智能电网、工业控制、物联网以及家庭网络等众多领域。

PLC-IoT（Power Line Communication Internet of Thing），也是一种利用电力线进行数据通信的技术，是华为推出的面向工业物联网场景的中频带PLC电力线载波通信技术。

相对于传统PLC，PLC-IoT具备以下特征：

它基于HPLC/IEEE 1901.1，同时将6LoWPAN 技术引入到PLC-IoT协议架构中，使IPv6可以无缝运行在低速网络上。

它的工作频段范围在0.7到12MHz，噪声低且相对稳定，信道质量好。

它采用正交频分复用（OFDM）技术，频带利用率高，抗干扰能力强；通过将数字信号调制在高频载波上，实现数据在电力线介质的高速长距离传输。

应用层通信速率在100kbps到2Mbps，通过多级组网可将传输距离扩展至数公里，基于IPv6可承载丰富的物联网协议，使能末端设备智能化，实现设备全联接。

网络模型

PLC-IoT借鉴了OSI网络模型，网络架构如图4-1所示，包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，目的是能够扩展与标准TCP/IP进行对接实现标准IP网络通信，实现电力线传输的数据及不同类型PLC终端之间能够基于IP网络通信（即IP化PLC），扩展PLC-IoT的应用场景。

使用场景

PLC-IoT技术作为物联通信技术，无需额外挖沟埋缆即可构建高速可靠的末端物联通信网络，直接复用电力线，可降低通信施工部署成本超过50%，并大幅度缩短部署周期。因此，要求使用PLC-IoT技术的智能终端具备以下特征：

有线供电：范围涵盖交流电网系统的发电、输电、配电和用电所有场景的设备，电网系统的数字化、自动化和智能化离不开发电设备、配变终端和用电设备的联网数字化。

群簇特征：同类别或相似功能终端共享一个能源网络线缆，终端有群或簇的特征；能源网络拓扑有总线形、树形、星形。范围一般是一个变压器下的电源设备，或添加了载波隔离的配电箱下的用电设备，或一个隔离式电源模块下的直流电源总线上的用电终端。

非移动性：终端位置固定，例如电表和路灯等；即使终端位置相对挪动，也是带着电源线的小范围的移动，例如电梯等。

基于PLC-IoT的上述特征，该技术已被广泛应用于以下领域：

电力能源：AMI智能抄表、充电桩、能效管理、开关柜、中低压智能配电等。

交通：智慧交通灯、智慧路灯等。

智能楼宇：梯联网、智慧消防（可视化烟感、应急照明灯和指示灯联网）等。

智慧家居：智慧照明、智能控制等。

特性价值

PLC-IoT三大关键价值特性，助力行业用户打造智慧边缘连接：

支持IPv6

将6LoWPAN技术引入到PLC-IoT协议架构中，除实现分片传输外，还可将40 字节的IPv6报文头压缩至4到12字节，使IPv6可无缝运行在低速网络上；同时基于IPv6可通过TCP/UDP协议承载丰富的物联网协议。

共享PLC网络

基于开放标准的IPv6 技术，不同类型的末端设备可以共享PLC网络，物联网关主机侧应用和容器内多个应用也可共享同一个PLC网络，独立访问各自管理的末端设备而互不影响，提升PLC网络的并发能力和通信效率。

数据安全可靠

PLC-IoT支持链路层安全机制，通过数据加密保证数据机密性，通过完整性校验保证数据防篡改，增强链路安全性，防止网络攻击；同时采用DTLS协议实现PLC节点基于数字证书的接入认证，并通过DTLS加密通道传输协商链路层加密密钥，实现链路层数据加密传输，为应用提供基础的安全保障。

PLC-IoT组网

PLC-IoT网络根据实际行业应用场景下布线环境和终端连接方式的不同，可呈现星型与树型两种不同的组网拓扑，如图1-2所示，其中树形组网最多支持8级组网，可提供更大的载波传输距离。

图1-2 PLC-IoT组网类型

PLC-IoT网络支持三种角色：

CCO：中央协调器（Central Coordinator），在PLC-IoT通信中的具体体现为头端通信模块，负责末端设备的接入以及数据的接收与发送。

PCO：代理协调器（Proxy Coordinator），仅树型组网下支持，为中央协调器与站点或者站点与站点之间进行数据中继转发的站点。

STA：尾端设备（Station），在PLC-IoT通信中的具体体现为尾端通信模块，接收与发送电力载波信号，为终端设备提供统一的接入PLC-IoT网络方式。

为了实现快速组网，PLC-IoT组网具备如下特征：

快速逐级收敛，代理认证技术，最短时间完成大规模站点入网。

快速路径评估，路径择优，确保入网后STA通信成功率。

动态时隙管理，自适应台区多相位规模不平衡问题，最大化利用带宽。

单网关最大支持节点数512个，支持8级组网，解决大台区覆盖。

容器技术

EC-IoT场景中边缘计算网关支持部署容器，通过容器提供一个隔离的虚拟执行环境，用户可在部署的容器上安装自己的业务APP实现不同业务功能。

概念

容器，是一种轻量级的虚拟化技术，但它不需要像传统虚拟机一样虚拟出整个操作系统，包括CPU、内存、磁盘、外设，然后当成一个真实机器使用，而是在主机的操作系统上虚拟出一个轻量级与主机系统隔离的虚拟环境。

如图1-3所示，容器中可以安装业务APP，并赋予业务功能的独立性，使其免受外在环境差异（如开发环境）影响，有助于减少运行在相同基础设施上的不同软件冲突。容器中包含了APP应用程序运行的完整环境，所需的全部依赖、类库、其他二进制文件、配置文件等都统一整合在容器镜像包中，这样容器就封装了所有运行APP应用程序所需的资源，使得镜像从一个环境移植到另外一个环境更加灵活。

分类

容器技术架构主流的有两种：

一种是Linux Container，即LXC。

LXC起源于Linux内核中的Cgroup和namespace的开发，以支持轻量级虚拟化操作系统环境，是一种操作系统级别的轻量级Linux容器，提供轻量级的虚拟化隔离进程和资源：− 它将应用软件系统打包成一个软件容器，内含应用软件本身的代码，以及所需要的操作系统核心库。

− 它通过统一的名字空间和共用API（Application Programming Interface，应用程序编程接口）来分配不同软件容器的硬件资源，创造出应用程序的独立沙箱运行环境，使得Linux用户可以容易的创建和管理系统或应用容器。

一种是Docker公司发布的Docker。

Docker是在LXC基础上进一步封装的容器技术架构，它相当与一个应用程序级别的容器，也称为APP容器，即每个Docker容器是一个独立的APP，Docker将APP打包成一个镜像，在其它地方需要使用此APP时，直接获取到此镜像即可，方便部署与安装。如图1-4所示，Docker与LXC实现容器都是通过Linux kernel的namespace与Cgroup机制实现。

相较于LXC，Docker还提供了一系列更强的功能：

可移植性

Docker定义了一种新的格式，将应用和其依赖环境全部打包到一个单一对象中，这个对象可以在任何安装有Docker的机器上共享，在任何机器上执行这个对象的效果都是一样的，而LXC仅仅实现了进程沙盒化，并不能在不同机器上进行移植。Docker将应用的所有配置进行抽象，整合到一个容器中，使得该容器具有可移植性，即在Docker架构下，一个APP应用程序就是一个容器。对于LXC，目前最多支持4个容器，1个容器可以部署多个APP。

以应用为中心

Docker优化了应用的部署，主要表现在API、用户接口、设计原理等方面。− 自动化构建

Docker中支持Dockerfile，将应用的所有依赖项，构建工具和包都以源码的形式写在Dockerfile中，然后Docker可以根据Dockerfile构建镜像。该镜像在任何机器上面运行的效果都一样。

− 版本控制

Docker对容器提供版本控制功能，如版本回退等，同时Docker还实现了增量上传和下载的功能，节约了上传和下载时的带宽资源。

EC-IoT场景中的边缘计算网关在LXC容器技术基础上进行了增强，吸收了Docker的一些优势，增加了构建方式、版本控制、LXC容器内的APP管理、容器签名校验等新功能。

原文标题：华为园区EC-IoT的关键技术

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责任编辑:pj

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