| 電力線通信技術的發展 |
| 轉自：現代有線傳輸(2003年 時間：2005年2月17日18:39 |
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張文強 周志傑 （南京市通信工程學院 南京 210016） 1 電力線通信概述 電力線載波通信（PLC）利用輸電線路作爲信號的傳輸媒介，人們利用電力線可以傳輸電話、電報、遠動、數據和遠方保護信號等。由於電力線機械強度高，可靠性好，不需要線路的基礎建設投資和日常的維護費用，因此PLC具有較高的經濟性和可靠性，在電力系統的調度通信、生產指揮、行政業務通信以及各種信息傳輸方面發揮了重要作用。隨着電力部門逐步實現調度自動化和管理現代化，PLC日益受到重視。而且隨着家庭自動化和智能大樓概念的出現，PLC能方便地爲各種設備（如警報系統的傳感器）提供通信鏈路。近年來低壓PLC作爲最後一公里的一種解決方案也已經取得成功，特別是在小區內採用低壓網作爲局域網的接入方案已經投入使用。因此PLC由於其經濟、可靠性而逐漸受到人們的重視。本文介紹了PLC的發展過程、發展現狀，並對其發展前景進行了展望。 2 PLC的發展過程 PLC作爲電力系統傳輸信息的一種基本手段，在電力系統通信和遠動控制中得到廣泛應用，經歷了從分立到集成，從功能單一到微機自動控制，從模擬到數字的發展歷程，PLC中的核心——電力線載波機歷經了模擬電力線載波機、準數字電力線載波機、全數字電力線載波機三個階段。 大約20世紀20年代初期國外就開始了PLC 的研究，國內開展較晚。第一代模擬電力線載波機普遍採用頻分複用技術和模塊化結構，調製方式選用單邊帶調製技術，載供系統採用穩定度高的鎖相環頻率合成技術，可以很容易地得到收發信所需的各種載頻，無需更換器件即可切換高頻收發濾波器及線路濾波器，切換頻段也很簡單，具有多功能、通用、系列化的特點。只提供單工傳輸，載波工作頻率爲40～500kHz，外加專用的調制解調器實現數據通信。典型的產品有德國西門子公司的ESB－500型電力線載波機，瑞士ABB公司的ETL型電力線載波機，法國STMicroelectronics的ST7536。早期的模擬電力線載波機解決了利用電力線進行通信的問題，但是它具有模擬通信固有的通信質量差、通信容量小、傳輸速率低等缺點。 第二代電力線載波機仍然採用模擬體制實現通信，和第一代模擬電力線載波機相比，關鍵技術的實現方式不同。準數字電力線載波機採用了數字信號處理技術，模擬調製、濾波、自動增益控制（AGC）等採用DSP實現。由於數字技術和中央處理機的應用，準數字電力載波機提高了整機的性能，同時增加了許多控制功能，如：技術人員可以使用微機通過串口對DSP和中央處理機進行編程，對系統參數進行設置和更改。典型的產品有德國西門子公司的ESB－2000型電力線載波機，美國NationalSemiconductor公司的LM1893，通信速率可以達到4．8kb／s。 全數字電力線載波機完全採用數字體制，在信源編碼、復接、基帶調製等各個環節採用數字技術對信號進行處理，可以獲得更好的整機性能。可以採用多電平調製技術提高頻帶利用率；採用回波抵消技A．C．E．32數字電力線載波機，美國Intellon公司的SSCP300。 3 PLC特殊的技術問題 電力網通常可以分爲高壓網（＞100kV）、中壓網（1－100kV）和低壓網（＜1kV）。電力線是按照輸電的要求設計的，因而實現通信必然有許多限制；而且由於電力網所處的環境不同，要在這三種電力網上實現通信要克服的困難也不同。在高壓網上實現通信最容易，而在低壓網上實現通信要克服的困難最多。 不管是哪種電力網，要在電力線上實現通信要遇到兩個問題：一個是噪聲干擾強。噪聲干擾主要是電暈噪聲和脈衝噪聲。電暈噪聲又稱隨機噪聲，是由於電力線在高壓強電場作用下，對周圍空氣產生遊離放電的電暈，以及絕緣子表面及其內部局部放電所引起的，主要存在中、高壓網中。電暈噪聲具有連續而均勻的頻譜，類似於白噪聲，它的大小與電力線路的電壓、電力線的粗細以及電力線周圍的環境有關。電壓越高，電力線越細，電暈噪聲越大；電力線周圍的環境溼度增大，將會引起電力線電暈及絕緣子放電加劇，造成電暈噪聲增大。脈衝噪聲主要是由輸電線路上的高壓設備（如隔離開關、斷路器等）操作、避雷器放電、線路短路以及雷電等原因引起的瞬時性干擾，在三種電力網中都存在。此外，電力線路或電氣設備存在一些缺陷，如避雷線和鐵塔以及開關等接觸不良等，也將產生脈衝噪聲。一般脈衝噪聲的持續時間都很短，對話音通信的影響有限，但是對高速遠動信號和遠方保護信號的影響很大。 信號在電力線上傳輸過程中會有衰減是PLC遇到的另一個問題。一般來說，信號的衰減隨着傳輸距離的增加而增加；在高壓網中，信號沿電力線路傳輸時還會受到天氣條件的影響。實踐證明，如果電力線路的絕緣良好，雨、霧、溫度和溼度的變化對電力線路的衰減沒有顯著的影響；但是天氣寒冷的地區，電力線表面上覆蓋的霜雪將使電力線對傳輸信號的衰耗顯著的增加，而且這種衰耗隨着信號頻率的升高而增加。而在低壓網中，由於電力線直接面向用戶，負荷情況複雜，各節點阻抗不匹配，所以信號會產生反射、諧振等現象，使得信號的衰減變得更爲複雜。一般來說，低壓網中信號的衰減與頻率、工頻電源的相位有關。頻率增加，信號的衰減也將增加，而反射、諧振以及電力線效應等的影響也使衰減突然劇增。 由於低壓電力線直接面向用戶，因此在低壓配電網進行通信要克服更多的問題。首先低壓電力線上的干擾具有週期性、隨機性和時變性。週期性干擾的週期、寬度、強度和發生時間等都不固定，很難準確預測，而且這些參數的變化範圍也很大，因此在低壓網絡上採取針對性的措施抑制這種干擾很困難，而且這種干擾的寬頻譜也對接收端濾波器的防衛度提出了很高的要求。高壓開關操作等引起的隨機性干擾持續時間很短，一般幾十微秒到幾秒，出現時間具有不可預測性。這類干擾可以通過前向糾錯碼、碼分多址技術、自動重發機制等加以克服。其次用戶負荷的隨機接入和切除，網絡結構的變化以及其他自然因素使得人們很難採用一個準確的數學模型對低壓網進行建模，目前的研究多以定性分析和實驗數據測試爲主，即使有學者提出了一些模型，也往往是附件了很多限制條件，不符合實際情況。由於缺乏準確的數學模型，設計PLC設備時要求它具有很好的自適應能力，以便在實際低壓配電網上有很好的通信質量。最後瞬間的短路會造成嚴重的安全問題，因此必須爲電力線通信提供安全保護。一般要求用戶設備不能直接隨意接入電力線，只有得到授權的用戶設備才能接入電力線。 4 PLC的研究現狀 目前PLC已經發展到第三代——全數字PLC。 在全數字PLC中可以採用當前先進的數字信號處理技術，因此大大提高了PLC的容量和質量，使得PLC作爲最後一公里解決方案成爲可能。 在最後一公里的解決方案中，比較成熟的有ISDN、XDSL等。但是PLC能夠充分利用現有的低壓配電網絡，無需任何佈線，是一種“No NewWires”技術，和其他接入方式相比有很多優勢。下面 是各種接入方案的比較表。   PLC的諸多優點吸引了國際上衆多的學者、團體、公司先後投入這個領域，推動了PLC的發展。爲了克服低壓網上傳輸數據的困難，人們正試圖將先進的數字信號處理技術引入到PLC中。在全數字PLC中，可以採用當前流行的語音壓縮編碼技術，如碼本激勵線性預測編碼（CELP）技術、矢量和激勵線性預測編碼（VSELP）技術、多帶激勵（MBE）等，對語音信號經過壓縮編碼，降低輸入信號的冗餘，提高了頻帶利用率；然後與數據信號進行數字復接。可以採用自適應回波抵消技術實現雙向通信；可以採用自適應信道均衡技術減小信道對通信造成的影響，提高可靠性。美國AT＆T公司貝爾實驗室推出的VLSI單片聲碼器Q4401採用QCELP技術，編碼速率在800b／s～600b／s的範圍內可調，速率在9600b／s時的話音質量甚至優於速率爲32kb／s的ADPCM編碼的話音質量，大大提高了通信的有效性。國內宏圖高科研製的新一代全數字電力線載波機採用AMBE技術，通話質量也很好。 PLC的理論研究已經從早期的模擬調製轉移到數字調製方法，目前採用傳統的頻帶傳輸（幅移鍵控ASK，頻移鍵控FSK，相移鍵控PSK）的PLC日趨成熟，研究的熱點是三種具有高抗干擾性的數字調製技術：多維網格編碼技術、擴頻通信技術（SC）和正交頻分複用（OFDM）等。 在傳統的數字通信系統中，糾錯編碼和調製是獨立進行設計的。糾錯編碼增加了冗餘度，編碼增益是通過降低信息傳輸速率獲得，因此傳統的糾錯編碼方法很難進一步提高通信系統的性能。解決可靠性和有效性更有效的方法是將編碼和調製技術有機結合，將冗餘度映射至與頻譜展寬不直接聯繫的調製信號的參數擴展中，例如信號空間矢量點或信號星座數的擴展中，這就是網格編碼調製（TCM）思想的基本出發點。最佳的編碼調製系統應按編碼序列的歐氏距離爲調製設計的量度，這就要求必須將編碼器和調製器當作一個整體進行綜合設計，使得編碼器和調製器級聯後產生的編碼信息具有最大的歐氏距離。1982年Ungerboeck提出了基於“集分割”原理的編碼和調製相結合的網格編碼TCM技術，通過擴展信號星座的大小，在不擴展帶寬，不降低信息傳輸速率的條件下，可以獲得3～6dB的增益。1984年，LEE－FANGWei提出了克服相位模糊的相位旋轉不變網格碼，並被國際電信聯盟ITU－T採納爲PSTN上高速調制解調器的建議。多維網格編碼不但採用了子集分割的思想，還通過維數的擴展減小需要存儲的星座點的數量，獲得更好的映射增益和編碼增益，具有很好抗干擾性能，因此特別適合電力線這樣干擾大的信號。目前很多國內廠家採用的就是用於PSTN上的高速調制解調器方案移植到PLC中，它的核心就是多維網格編碼調製技術，目前研究的還是四維的情況。 擴頻通信是用僞隨機編碼（擴頻序列：SC）將待傳送的信息數據進行調製，實現頻譜擴展後再進行傳輸；在接收端則採用同樣的編碼進行解調及相關處理。擴頻通信技術以犧牲頻帶爲代價，降低了信噪 —32—比，可以在極低信噪比的情況下實現可靠的通信服務。擴頻通信的良好抗干擾性能使得它特別適合在低壓電力線這樣惡劣的信道環境下提供可靠的數據服務。而且擴頻通信可以實現碼分多址技術，實現不同低壓配電網上不同用戶的同時通信。擴頻通信技術主要有直接序列擴頻（DS）、跳頻（FH）、跳時（TH）、線性調頻以及上述各種基本方式的組合。目前擴頻通信在低壓配電網上的研究已經取得初步成功，2000年Intellon公司推出了用於低壓配電網的擴頻芯片，而我國清華大學也研製成功基於擴頻技術的低壓配電網實驗平臺，可以通過220V低壓電力線實現兩臺計算機之間的文件或數據的傳輸，傳輸速率可以達到10kb／s。 正交頻分複用（OFDM）技術在頻域把信道分成許多正交子信道，各子信道的載波間保持正交，頻譜相互重疊，這樣減小了子信道間的相互干擾，提高了頻譜利用率。同時在每個子信道上信號帶寬遠小於信道帶寬，因此每個子信道是相對平坦的，大大減小了符號間的干擾，這也使得信道均衡可以得到簡化。OFDM具有抗多徑干擾能力強、頻譜利用率高的優點，因此受到廣泛關注，目前在有線和無線領域的研究都很多，在ADSL中採用的離散多音調製DMT實際上就是OFDM技術。目前OFDM在全數字電力載波通信中的研究也方興未艾，2000年4月，Intellon公司基於OFDM的PLC研究取得突破性進展，它的組網試驗的數據傳輸速率可達14Mbps（頻帶：4．3MHz～20．9MHz，84路載波）。研究OFDM的重點主要是如何分配子信道的數目和如何保持子載波間的正交性。保持子載波間的正交性對OFDM性能至關重要，因此在接收機中同步問題尤爲重要。 5 PLC的發展展望 傳統的PLC主要利用高壓輸電線路作爲高頻信號的傳輸通道，僅僅侷限於傳輸話音、遠動控制信號等，應用範圍窄，傳輸速率較低，不能滿足寬帶化發展的要求。目前PLC正在向大容量、高速率方向發展，同時轉向採用低壓配電網進行載波通信，實現家庭用戶利用電力線打電話、上網等多種業務。國外如美國、日本、以色列等國家正在開展低壓配電網通信的研究和試驗。由美國3COM，Intel，Cisco，日本松下等13家公司聯合組建使用電力線作爲傳送媒介的家庭網絡推進團體——“Homeplug PowerlineAlliance”，已經提出家庭插座（Home Plug）計劃，旨在推動以電力線爲傳輸媒介的數字化家庭（DigitalHome）。我國也正在進行利用電力線上網的試驗研究。可以預見，在將來人們可以使用電力線實現計算機聯網及Internet接入、小區安全監控、智能自動抄表、家庭智能網絡管理等業務，以低壓電力線爲傳輸媒介的載波通信技術必將得到更爲廣泛的關注和研究。未來的PLC應該能實現通信業務的綜合化、傳輸能力的寬帶化和網絡管理的智能化，並能實現與遠程網的無縫連接。 目前，還存在以下兩個方面的問題有待進一步研究： （1）硬件平臺：主要包括通信方式的合理選擇、通信網絡結構的優化選擇等。擴頻方式、OFDM技術和多維網格編碼方式各有優點，哪一種適合低壓網還有待研究，或者也可以採用軟件無線電的思想爲這三種方式提供一個統一的平臺。電力網結構非常複雜，網絡拓撲千變萬化，如何優化通信網結構也是值得研究的問題。 （2）軟件平臺：主要包括進一步研究PLC通信理論，改進信號處理技術和編碼技術以適應PLC特殊的環境。除了研究適合電力線通信的調製技術、編碼技術外，還需要研究自適應信道均衡、回波抵消技術、自適應增益調整等，這些技術在低壓PLC對保障通信尤爲重要。 （3）網絡管理問題：除了上網、打電話外，低壓電力線還可以完成遠程自動讀出水、電、氣表數據；永久在線連接，構建的防火、防盜、防有毒氣體泄漏等的保安監控系統；構建的醫療急救系統等等。因此利用電力線可以傳輸數據、語音、視頻和電力，實現“四網合一”，也就是說家中的任何電器都可以接入到網絡中，和骨幹網連接。但是如何實現四種網絡的無縫連接，以及由此帶來的非常複雜、龐大的網絡管理問題需要進一步的研究。 6 結束語 隨着互聯網在全球範圍的迅速發展和用戶對新業務服務要求的不斷增加，PLC低廉的價格、使用靈活方便、提供寬帶服務等優點將會有巨大的發展空間。然而，進行PLC技術推廣是一個系統工程，不能在短時間內解決。儘管PLC有覆蓋面廣、使用方便、價格合理、設備簡單等優勢，但是到目前爲止，還沒有大規模商用化PLC系統投入使用，其主要原因首先是法律上的，世界各國沒有建立廣泛承認的PLC技術標準，因此支持的生產廠家比較少；另一方面沒有立法允許在電力線上經營Internet服務和電信服務。其次是服務上的，PLC技術提供的速率和服務質量還不穩定，沒有達到高質量電信服務標準。第三是技術上的，國外配電網結構與中國相比有很大區別，國外產品無法在中國直接使用，居民小區的低壓配電線路還不夠規範，各種電器插座的規範、質量不同，這給電力線寬帶接入的普及帶來了極大困難，因此需要在中國電網環境下進一步完善PLC技術。最後，隨着骨幹網採用光纖光纜和其他幾種接入方式已經比較成熟，能夠滿足人們的需要，PLC要想發展還需要尋找更多的市場機會，比如可以先在通信還相對比較落後的農村、邊遠地區進行推廣。然而，隨着技術的進步，我們有理由相信將來能夠利用電力線進行多媒體通信，真正實現網絡的融合。
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