智能家居/建筑应用的通信技术回顾外文翻译资料

Review of Communication Technologies for

Smart Homes/Building Applications

Abstract

A customer premises network (CPN) is a critical element to support messaging exchange among smart meters, an energy management unit, load controllers, smart appliances and electric vehicles in a smart home/building environment. Smart grid applications in a CPN generally are driven by the need for Home/Building Energy Management Systems (HEM/BEM). Design of an effective energy management system requires the selection of a proper communication technology. The objective of this paper is to compare commonly used wired and wireless communication technologies for smart grid applications in a premises area network in terms of their standard/protocol, maximum data rate, coverage range, and adaptation rate. These communication technologies include both wired solutions (e.g., Ethernet, ITU-T G.hn, Power Line Communication (PLC), Serial, HomePNA, MoCA) and wireless solutions (e.g., Wi-Fi, ZigBee, ZWave, Bluetooth, 6LoWPAN, IEEE 802.15.3a, Enocean, Wave2M, RFID, ONE-NET).

In the last decade since electricity demand has been steadily increasing, electric power systems have faced more stress conditions. As the increase in electricity consumption is contributed by the increase in the demand for electricity in both residential and commercial sectors, deploying a customer premises network (CPN) can facilitate home/building automation to allow peak demand management, thus alleviating power system stress conditions. It is therefore important to select a proper communication technology for a CPN.

A CPN can be categorized into Home Area Network (HAN), Building Area Network (BAN), and Industrial Area Network (IAN), depending on the environment, i.e., residential, commercial, and industrial. These networks are connected to an electric utility via a gateway, i.e., smart meter or residential gateway, to enable smart grid applications for customers and utilities. A CPN also supports various smart grid applications for an electric utility, such as prepaid service, user information messaging, pricing, load control, and demand response. These applications do not require data to be transmitted at high frequency. Therefore, communication requirements for CPN applications are typically low power consumption, low cost, simplicity, and secure communications.

Typical smart grid applications in a CPN, such as HEM, metering, demand response, etc., are discussed. Authors propose a comprehensive assessment of various communication technologies for CPNs and develop an approach for selecting suitable technologies for demand response applications. A contemporary look at the current state of the art in smart grid communications and networking technologies as well as assess their suitability for deployment to serve various smart grid applications are discussed. Authors provide a comprehensive review on smart home architectures and premises network communication technologies. They emphasize that CPNs will play an important role in smart home technologies which are designed based on Internet of Things (IoT) concepts. Authors analyze the reliability and resilience of the IEEE 802.11 (WiFi) communication technology in a BAN. Authors analyze the latency, throughput, reliability, power consumption and implementation costs of commonly used communication technologies, including ZigBee, Wi-Fi and Ethernet, in a premises area network. Authors describe a set of network performance metrics of most prevalent CPN network technologies, including 802.11, 802.15.4 (ZigBee) and P1901 (HomePlug). The authors propose a secure scheme for HAN based on Cloud of Things (CoT), which virtualizes the IoT and provides monitoring and control. CoT services in a CPN enable a collection of applications that use real-time data from these appliances.

There are many wired and wireless communication technologies, which can meet smart grid requirements for a CPN. Wireless communication technologies have more advantages over wired ones as they are easier to deploy and have more flexibility, scalability and portability than wired networks. However, it is still not clear which communication technology solution is best suited to support which application. The objective of this paper is to compare popular wired and wireless communication and network technologies in term of their standard/protocol, maximum data rate, coverage range, and adaptation rate for a CPN.

This paper focuses on the customer domain of the smart grid, which includes residential and commercial customers, where electricity is consumed. A premises network for these customers includes HAN and BAN. HAN, together with an HEM system, provides communications for residential customers to monitor and control household appliances and equipment; while BAN with a BEM is for building automation and heating, ventilating, and air conditioning (HVAC) control in commercial buildings.

A CPN system typically consists of three major components: (1) an energy management unit, which provides monitoring and control functionalities; (2) load controllers, which monitor and control loads in a building, and sensors, which gather environmental conditions, such as ambient light and temperature, etc.; and (3) a gateway, i.e., a smart meter or a residential gateway, which receives price or demand response signals from a utility. Customers can monitor and control selected appliances and environmental conditions via an energy management unit, which may include an intelligent algorithm that can manage energy consumption and can guarantee minimum energy/peak demand consumption during a high electricity price period or a demand response event.

Examples of an HEM architecture is illustrated in Figure 1 where an HEM unit communicates wirelessly with appliances via a smart thermostat and smart plugs in a home area network. Figure 2 depicts a smart building environment w

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智能家居/建筑应用的通信技术回顾

摘要

客户驻地网络（CPN)是支持智能电表、能源管理单元、负载控制器、智能电器和电动汽车在智能家庭/建筑环境中进行信息交流的关键因素。CPN中的智能电网应用通常由家庭/建筑能源管理系统（HEM/BEM）的需求所驱动。设计一个有效的能源管理系统需要选择一个合适的通信技术。本文的目的是在标准/协议、最大数据速率、覆盖范围和适应率方面，比较房舍区域网络中智能电网应用的常用有线和无线通信技术。这些通信技术包括有线解决方案（如以太网、ITU-T G.hn、电力线通信（PLC)、串行、HomePNA、MoCA）和无线解决方案（如Wi-Fi、ZigBee、ZWave、蓝牙、6LoWPAN、IEEE 802.15.3a、Enocean、Wave2M、RFID、ONE-NET)。

在过去十年中，由于电力需求一直在稳步增长，电力系统面临着更多的压力条件。由于用电量的增加是由住宅和商业部门的用电需求增加造成的，部署用户驻地网络（CPN)可以促进家庭/楼宇自动化,以实现峰值需求管理,从而缓解电力系统的压力状况。因此，为CPN选择一种适当的通信技术是很重要的。

CPN可以根据环境，即住宅、商业和工业，分为家庭区域网络（HAN)、建筑区域网络(BAN)和工业区域网络（IAN)。这些网络通过网关(即智能电表或住宅网关)连接到电力公司，以便为客户和电力公司实现智能电网应用。CPN还支持电力公司的各种智能电网应用，如预付费服务、用户信息传递、定价、负荷控制和需求响应。这些应用不需要以高频率传输数据。因此，CPN应用的通信要求通常是低功耗、低成本、简单性和安全通信。

讨论了CPN中的典型智能电网应用，如HEM、计量、需求响应等。作者提出对CPN的各种通信技术进行全面评估，并开发了一种为需求响应应用选择合适技术的方法。讨论了当前智能电网通信和网络技术的发展状况，以及评估它们是否适合用于各种智能电网应用。作者提供了关于智能家居架构和房舍网络通信技术的全面回顾。他们强调CPN将在基于物联网(loT）概念设计的智能家居技术中发挥重要作用。作者分析了BAN 中 IEEE 802.11 (WiFi)通信技术的可靠性和弹性。作者分析了包括ZigBee、Wi-Fi和以太网在内的常用通信技术在场所区域网络中的延迟、吞吐量、可靠性、功耗和实施成本。作者描述了一套最普遍的CPN网络技术的网络性能指标，包括802.11、802.15.4(zigBee)和P1901 (HomePlug)。作者提出了一种基于物联网(CoT)的 HAN 安全方案，它将物联网虚拟化并提供监测和控制。CPN中的CoT服务使使用这些设备的实时数据的应用集合成为可能。

有许多有线和无线通信技术，可以满足智能电网对CPN 的要求。无线通信技术比有线通信技术有更多的优势，因为它们更容易部署，并且比有线网络有更多的灵活性、可扩展性和可移植性。然而，目前仍不清楚哪种通信技术方案最适合支持哪种应用。本文的目的是比较流行的有线和无线通信和网络技术在其标准/协议、最大数据速率、覆盖范围和适应CPN的速率方面。

本文重点关注智能电网的客户领域，其中包括住宅和商业客户，他们的用电情况。这些客户的驻地网络包括HAN和BAN。HAN与HEM系统一起，为住宅客户提供通信，以监测和控制家用电器和设备;而BAN与BEM一起，用于建筑自动化和商业建筑的供暖、通风和空调(HVAC)控制。

一个CPN系统通常由三个主要部分组成。(1)能源管理单元，提供监测和控制功能;(2)负载控制器，监测和控制建筑物内的负载，以及传感器，收集环境条件，如环境光线和温度等;以及(3)网关，即智能电表或住宅网关，接收来自公用事业的价格或需求响应信号。客户可以通过能源管理单元监测和控制选定的电器和环境条件，该单元可能包括一个智能算法，可以管理能源消耗，并可以保证在高电价时期或需求响应事件中的最低能源/峰值需求消耗。

图1说明了HEM架构的例子，其中 HEM单元通过家庭区域网络中的智能恒温器和智

能插头与电器进行无线通信。图⒉描述了一个智能建筑环境，其中一个BEM单元在一个建筑区域网络中与HVAC、照明和插头负载控制器进行无线通信。

表一总结了家庭/建筑自动化应用在典型有效载荷大小、数据收集要求、可靠性和延迟方面的网络要求。下一节将讨论能够支持这些要求的通信技术。

在这一节中，将讨论客户驻地网络中常用的各种有线和无线通信和网络技术。

以太网是一种流行的有线通信技术，用于承诺区域网络，一般提供局域网(LAN)和广域网(WAN)连接。以太网标准是基于IEEE 802.3的。以太网的实施需要电缆，可以是同轴、双绞线或光纤，以及一个集线器或一个网络交换机。以太网可以提供从10 Mbps到100Gbps 的数据速率。由于以太网是一个有线网络，它对噪音是免疫的。然而，一旦网络被放置，就很难再做改变。设备可以使用铜质双绞线或光纤以各种方式连接到以太网网络-。一般来说,CPN中使用的是铜缆。用铜线连接到星形拓扑结构中的集线器或交换机，可以实现各种速度，包括。10 Mbps、100Mbps、1000 Mbps 和10000 Mbps。100 Mbps是在客户场所发现的最常见的速度。

ITU-TG.hn是由国际电信联盟的电信，即ITU-T制定的一个有线通信和网络标准。G.hn的目标是统一数字内容和媒体设备的连接，通过电话、同轴和数据电缆网络以及住宅电力线布线提供有线家庭网络，以高达 1 Gbps 的速率提供数据。ITU-T G.hn定义了家庭有线网络的物理层（PHY，第1层）和链接层（第2层)。因此, G.hn是为高/低速率的宽带/窄带家庭服务而设计的。它通过启用G.hnem 将其领域扩展到家庭智能电网领域。

电力线通信或电力线载波（PLC)使用电力线基础设施来传输/接收数据。这种通信技术在电力线上注入一个高频载波，并将该载波与要传输的数据进行调制。这是一种成本效益高的数据传输手段,因为它使用现有的基础设施,无需重新布线或修改。由于市场上有各种PLC技术，PLC的数据速率可能会有所不同。在欧洲，PLC被限制在85至150千赫的频谱范围内运行，而在北美，频谱最高可达540千赫。对于家庭应用，PLC设备通常在20至200千赫兹之间工作。尽管PLC技术具有成本效益，但由于可能的干扰、噪音、失真和安全问题，它们可能不适合用于许多智能电网应用。存在几种HomePlug 规格。目前,有两种HomePlug规格。HomePlug AV和HomePlug GP。这两种规格都是对IEEE1901标准的投诉。HomePlugAV支持高达200 Mbps 的速度。HomePlug GP是HomePlug AV的一个子集，专门为智能电网应用设计。它提供高达10 Mbps的数据速率。HomePlug 提供高达300米的覆盖范围。HomePlug AV的安全性是通过128位AES 加密提供的。HomePlug 命令控制(HPCC)是AV版本的替代品，是为速度较低、成本很低的应用设计的。此外,10是一个国际和开放的行业标准，使用电力线布线进行信号和控制家庭设备。然而，它存在一些问题，如与已安装的线路和设备不兼容、干扰、速度慢和缺乏加密。它提供的数据速率最高为120 bps。Insteon解决了这些限制，同时保留了与10的后向兼容性，并能使用电力线和/或射频(RF）实现简单设备的联网，如电灯开关。Insteon提供高达13kbps的数据速率。10提供高达300米的覆盖范围，而Insteon提供高达3公里的覆盖范围。其他PLC技术，即LonWorks和CE总线，在市场上已经很成熟。PLC产品可广泛用于控制灯具和电器，取代墙壁开关，并在CPN中监控门窗和运动。

串行通信是一种在单线上以定时顺序发送/接收字节的比特的形式。串行通信已成为设备间通信的标准。这与并行通信形成对比，后者是将几个比特作为一个整体在有几个并行通道的链接上发送。许多串行通信系统最初被设计为通过某种数据电缆在相对较远的距离上传输数据。RS-232是最常见的串行接口。它只允许每条线上有一个发射器和一个接收器。它可以支持高达1Mbps 的数据速率，但大多数设备被限制在115.2kbps。RS-422是苹果电脑上使用的串行连接。它提供高达 10 Mbps 的数据速率。RS-485是RS-422的超集，可以支持高达 10Mbps的数据速率。RS-232的覆盖范围可达 15米，而RS-422和RS-485的覆盖范围可达1200米。

HomePNA是使用现有电话线实现家庭内计算机互联的行业标准。HomePNA允许在一个CPN 中的多个设备之间共享一个互联网连接。HomePNA的运行速度为128 Mbps，最高可达240 Mbps。如果网络包含50个以上的设备，性能就会下降。范围最远可达 300米。它是以太网和HomePlug 的一个主要竞争者，被认为是内部宽带分配的一个主要促成因素

MoCA被称为同轴电缆上的多媒体。它是一种同轴电缆技术，通常用于许多家庭，特别是在北美。它通过以太网电缆提供同样的高速网络连接，并通过现有的同轴电缆进行传输。它提供高达800Mbps的数据速率。它使用一个类似以太网的框架和一个类似以太网的MAC层。它具有三重DES安全，这对保护网络也是非常好的。它适用于在CPN中实现高清视频和内容的全家庭分布。根部和最后一个出口之间支持的最大电缆距离为0米。

WIFI是CPN中使用的最流行的无线技术。它是基于IEEE 802.11标准.802.11b-11Mbps;802.11g-54 Mbps;802.11a-54 Mbps和802.11n-300 Mbps。它可以在2.4GHz、3.5GHz和5GHz非授权的ISM(工业、科学和医疗）频段工作。它提供高达100米的覆盖范围。它还提供可靠、安全和高速的通信。然而，它支持短程通信。WLAN产品的成本和功耗也高于其他短程无线技术，如 ZigBee和Z-Wave。

ZigBee是一个基于IEEE 802.15.4的无线个人区域网络(WPAN)标准。它被用于需要低数据率（即高达250kbps)和长电池寿命(即长达10年)的网络。一个典型的ZigBee传输范围可以达到100米，这取决于功率输出和环境特性。使用ZigBee-Pro，这一距离可以扩展到1,00米。ZigBee网络是由128位对称加密密钥保证的。它在2.4GHzISM频段有1个通道(全球)，在915MHz频段有10个通道（澳大利亚和美国)，在88MHz频段有一个通道（欧洲)。当把ZigBee数据率与其他技术的数据率进行比较时，可能会发现 ZigBee 的数据率比其他技术低得多。此外, ZigBee可以部署在网状网络中，这使得网状配置的ZigBee具有高可靠性和更广泛的覆盖范围。

ZigBee是一个基于IEEE 802.15.4的无线个人区域网络(WPAN)标准。它被用于需要低数据率（即高达250kbps)和长电池寿命(即高达10年)的网络。一个典型的 ZigBee传输范围可以达到100米，取决于功率输出和环境特性。这个距离可以通过ZigBee-Pro扩展到100米。ZigBee网络是由128位对称加密密钥保证的。它在2.4GHz ISM频段有1个频道(全球)，在915MHz频段有10个频道(澳大利亚和美国)，在88MHz频段有一个频道(欧洲)。当把ZigBee数据率与其他技术的数据率进行比较时，可能会发现ZigBee的数据率比其他技术低得多。此外, zigBee可以部署在网状网络中，这使得网状配置的ZigBee具有高可靠性和更广泛的覆盖范围。

蓝牙是基于IEEE 802.15.1标准，该标准描述了一种无线个人区域网络。它工作在2.-42.4835 GHz非授权ISM频段，并提供高达21 kbps 的数据速率。蓝牙提供高达100米的覆盖距离。它通常用于便携式个人设备。蓝牙没有强大的安全层来防止窃听。因此，与其他无线通信标准相比，它不能满足苛刻的安全要求。此外，它提供较低的传输范围。它与802.11有一些干扰问题。它涵盖了物理接入和MAC层，其设计非常适用于嘈杂的环境中。

6LoWPAN被称为IPv over Low power Wireless Personal Area Networks。它是一种网络技术，允许IPv数据包在小的链路层框架内有效传输，如IEEE 802.15.4所定义的那些。虽然6LoWPAN最初是为了支持2.4GHz频段的IEEE 802.15.4低功率无线网络，但它现在被调整并用于其他各种网络媒体，包括Sub-1GHz低功率射频。6LoWPAN利用了IEEE 802.15.4中定义的强大的AES-128链路层安全。它的特点使该技术成为市场的理想选择，如带有传感器和执行器的家庭自动化、路灯监测和控制、住宅照明、智能电表和带有互联网连接设备的通用物联网应用。今天，2.4GHz和Sub-1GHz频段都可以使用，建立在IEEE 802.15.4的优势之上，包括支持大型网状网络拓扑结构、强大的通信和极低的功率消耗。802.15.4标准根据频率提供20250kpbs 的数据速率。它适用于10至100米的短距离。

IEEE 802.15.3a被称为超宽带。它提供的数据速率从20Mbps到 1.3Gbps。它是一种非常短距离的通信技术，即10米。它工作在3.1至10。GHz范围内，最近在欧盟被批准。它提供的速率比蓝牙高一点。它很适合作为高数据率PAN的物理层。

EnOcean技术是一种能量采集的无线技术，EnOcean发射器从环境中产生能量，即环境光。这种能量采集实现了建筑、家庭和工业自动化的无线和无电池开关和传感器。EnOcean技术结合了微型能源转换器和超低功率电子技术。它比其他无线通信技术，如 Wi-Fi、 ZigBee和蓝牙更节能。它在控制系统的无电池无线通信方面有潜在的应用,具有更灵活的实施和操作，以及降低安装和维护成本。EnOcean支持室内30米和室外300米工作范围的覆盖距离。用于EnOcean设备的传输频率为902 MHz、928.35 MHz、

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