无线电力猫

定义

无线电力猫是采用电力线通信(Power Line Communication,PLC)技术、在完成电力线数据传输的同时提供无线接入功能的网络设备^[3]。它与传统电力线适配器同属一类产品,通常成对或成组使用:一只连接路由器或宽带入户端口,把网络信号调制后送到电力线上;另一只放在需要覆盖的位置,把信号从电力线中解调出来^[1]。

与只能通过网线对接终端的有线电力猫相比,无线电力猫增加了一个无线接入点(AP)功能,楼层的电源插座因此可以当作无线覆盖的发射点,终端既可以用网线连接,也可以使用无线网络^[4]。这种设备俗称「电力猫」,其名称源自「电力调制解调器」的说法,正式名称多写作电力线适配器或电力网络桥接器^[1][5]。

原理

电力线原本是为传输 50 Hz 交流电能铺设的,并不承担通信任务,因此其信道具有阻抗随时间与频率变化、衰减强烈、噪声种类多等特点^[6][7]。宽带电力线通信的做法是把数据调制到大约 2 MHz 至 100 MHz 的高频段上,叠加到原有电流上传输,在接收端再分离解调出来,这样供电与通信可以同时进行而互不影响^[8][9]。

在调制方式上,主流设备采用正交频分复用(OFDM),把可用频带划分成大量子载波,根据各子载波的信噪比自适应选择可用的频率与编码方式,以此应对频率选择性衰落和脉冲噪声^[10][8]。整个链路可以概括为:

无线部分在电力线适配功能之外并接一个 802.11 无线接入点,把解调出的网络数据帧通过无线射频发射,从而使移动终端接入^[3][5]。部分设备还对电力线链路使用 AES 加密、对无线链路使用 WPA2 加密,并支持按键分组,使同一电路上的多台设备可以划入不同逻辑网络^[11]。

发展历程

利用电线传输信号的想法出现较早,20 世纪 20 年代电力公司已在电线上传送控制信号^[12]。面向家庭宽带的产品化则始于 2000 年成立的 HomePlug 电力线联盟,该联盟在 2001 年发布第一个电力线通信标准 HomePlug 1.0,当时最高数据速率为 14 Mbps^[12][4]。此后推出的增强版本将速率提高到 85 Mbps^[12]。

2005 年确定的 HomePlug AV 成为多数电力猫采用的标准,速率达到 200 Mbps 至 500 Mbps^[4][12]。2010 年,面向宽带电力线通信的 IEEE 1901 标准发布;2012 年 1 月,支持多输入多输出(MIMO)的 HomePlug AV2 推出,把速率提升到千兆级别^[8][12]。

无线电力猫是有线电力猫的后续形态,出现在 2010 年前后;早期产品把 500 Mbps 的电力线传输与 802.11n 无线功能结合,并集成路由、桥接等功能^[11][13]。随着移动终端普及,家庭网络更多依赖无线接入,这类设备的需求随之上升^[3]。

应用

最主要的用途是扩展家庭无线覆盖。装修时没有预埋网线、承重墙阻隔较多、复式或别墅上下层难以布线的环境中,把一个单元接在路由器旁,另一个单元插在信号弱的房间,即可在插座位置形成新的无线热点^[1][2]。厂商方案中,一个信号转换单元一般可搭配多个无线扩展单元,按户型面积增加数量^[2][14]。

在有线接入方面,这类设备常用于机顶盒、网络电视、监控摄像机等位置固定的终端,通过网口就近接入,避免单独拉一根网线^[15]。小规模办公场所也有类似用法:每个房间的插座插入一台设备,即可同时提供有线与无线接入,并通过分组功能划分不同网络^[13]。此外,电力线通信本身还被用于智能家居中家电的联网与控制,无线电力猫是这一类应用在消费市场中的形态之一^[10][3]。

局限

对电路拓扑有要求。两台设备通常需要在同一块电表、同一相电路上才能正常通信,跨越电表或三相电路会使信号明显衰减;设备标称的 300 米左右传输距离也是在同一电表回路内的理想值^[1][5]。带滤波或防浪涌功能的插线板会滤掉部分高频信号,因此一般要求直接插入墙体插座^[1][5]。

电力线是噪声严重的信道。充电器、吹风机、电钻、吸尘器、卤素灯及带感应开关的灯具工作时会向线路注入噪声,影响传输质量^[1][16]。线路上的多径反射、阻抗不匹配以及配电变压器带来的损耗,会造成随频率和距离变化的衰减^[7][9]。

实际速率通常低于标称值。厂商标注的 500 Mbps、1 Gbps 等多为物理层速率,应用层有效吞吐受线路质量、干扰和距离影响,往往只有标称速率的较低比例^[5]。标准之间还存在兼容问题,早期 HomePlug 1.0 系列产品无法与 HomePlug AV、AV2 产品互通^[12]。低压电力线多为无屏蔽线缆,向外辐射的电磁发射需受电磁兼容规范约束,以免干扰同频段的无线业务^[8][9]。此外,这类设备需要成对或成套使用,单只无法构成链路,在同等覆盖目标下设备投入相对更高^[1]。

参见

• 电力线通信 —— 本词条所依托的底层通信技术。

• 电力线适配器 —— 无线电力猫所属的设备类别,通常指仅有线接口的形态。

• 正交频分复用 —— 电力猫调制信号普遍采用的多载波技术。

• HomePlug —— 主流的电力线通信标准系列。

• IEEE 1901 —— 宽带电力线通信的国际标准。

• 无线接入点 —— 无线电力猫在电力线适配功能之外附加的功能。