| 电力线通信技术的发展 |
| 转自：现代有线传输(2003年 时间：2005年2月17日18:39 |
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张文强 周志杰 （南京市通信工程学院 南京 210016） 1 电力线通信概述 电力线载波通信（PLC）利用输电线路作为信号的传输媒介，人们利用电力线可以传输电话、电报、远动、数据和远方保护信号等。由于电力线机械强度高，可靠性好，不需要线路的基础建设投资和日常的维护费用，因此PLC具有较高的经济性和可靠性，在电力系统的调度通信、生产指挥、行政业务通信以及各种信息传输方面发挥了重要作用。随着电力部门逐步实现调度自动化和管理现代化，PLC日益受到重视。而且随着家庭自动化和智能大楼概念的出现，PLC能方便地为各种设备（如警报系统的传感器）提供通信链路。近年来低压PLC作为最后一公里的一种解决方案也已经取得成功，特别是在小区内采用低压网作为局域网的接入方案已经投入使用。因此PLC由于其经济、可靠性而逐渐受到人们的重视。本文介绍了PLC的发展过程、发展现状，并对其发展前景进行了展望。 2 PLC的发展过程 PLC作为电力系统传输信息的一种基本手段，在电力系统通信和远动控制中得到广泛应用，经历了从分立到集成，从功能单一到微机自动控制，从模拟到数字的发展历程，PLC中的核心——电力线载波机历经了模拟电力线载波机、准数字电力线载波机、全数字电力线载波机三个阶段。 大约20世纪20年代初期国外就开始了PLC 的研究，国内开展较晚。第一代模拟电力线载波机普遍采用频分复用技术和模块化结构，调制方式选用单边带调制技术，载供系统采用稳定度高的锁相环频率合成技术，可以很容易地得到收发信所需的各种载频，无需更换器件即可切换高频收发滤波器及线路滤波器，切换频段也很简单，具有多功能、通用、系列化的特点。只提供单工传输，载波工作频率为40～500kHz，外加专用的调制解调器实现数据通信。典型的产品有德国西门子公司的ESB－500型电力线载波机，瑞士ABB公司的ETL型电力线载波机，法国STMicroelectronics的ST7536。早期的模拟电力线载波机解决了利用电力线进行通信的问题，但是它具有模拟通信固有的通信质量差、通信容量小、传输速率低等缺点。 第二代电力线载波机仍然采用模拟体制实现通信，和第一代模拟电力线载波机相比，关键技术的实现方式不同。准数字电力线载波机采用了数字信号处理技术，模拟调制、滤波、自动增益控制（AGC）等采用DSP实现。由于数字技术和中央处理机的应用，准数字电力载波机提高了整机的性能，同时增加了许多控制功能，如：技术人员可以使用微机通过串口对DSP和中央处理机进行编程，对系统参数进行设置和更改。典型的产品有德国西门子公司的ESB－2000型电力线载波机，美国NationalSemiconductor公司的LM1893，通信速率可以达到4．8kb／s。 全数字电力线载波机完全采用数字体制，在信源编码、复接、基带调制等各个环节采用数字技术对信号进行处理，可以获得更好的整机性能。可以采用多电平调制技术提高频带利用率；采用回波抵消技A．C．E．32数字电力线载波机，美国Intellon公司的SSCP300。 3 PLC特殊的技术问题 电力网通常可以分为高压网（＞100kV）、中压网（1－100kV）和低压网（＜1kV）。电力线是按照输电的要求设计的，因而实现通信必然有许多限制；而且由于电力网所处的环境不同，要在这三种电力网上实现通信要克服的困难也不同。在高压网上实现通信最容易，而在低压网上实现通信要克服的困难最多。 不管是哪种电力网，要在电力线上实现通信要遇到两个问题：一个是噪声干扰强。噪声干扰主要是电晕噪声和脉冲噪声。电晕噪声又称随机噪声，是由于电力线在高压强电场作用下，对周围空气产生游离放电的电晕，以及绝缘子表面及其内部局部放电所引起的，主要存在中、高压网中。电晕噪声具有连续而均匀的频谱，类似于白噪声，它的大小与电力线路的电压、电力线的粗细以及电力线周围的环境有关。电压越高，电力线越细，电晕噪声越大；电力线周围的环境湿度增大，将会引起电力线电晕及绝缘子放电加剧，造成电晕噪声增大。脉冲噪声主要是由输电线路上的高压设备（如隔离开关、断路器等）操作、避雷器放电、线路短路以及雷电等原因引起的瞬时性干扰，在三种电力网中都存在。此外，电力线路或电气设备存在一些缺陷，如避雷线和铁塔以及开关等接触不良等，也将产生脉冲噪声。一般脉冲噪声的持续时间都很短，对话音通信的影响有限，但是对高速远动信号和远方保护信号的影响很大。 信号在电力线上传输过程中会有衰减是PLC遇到的另一个问题。一般来说，信号的衰减随着传输距离的增加而增加；在高压网中，信号沿电力线路传输时还会受到天气条件的影响。实践证明，如果电力线路的绝缘良好，雨、雾、温度和湿度的变化对电力线路的衰减没有显著的影响；但是天气寒冷的地区，电力线表面上覆盖的霜雪将使电力线对传输信号的衰耗显著的增加，而且这种衰耗随着信号频率的升高而增加。而在低压网中，由于电力线直接面向用户，负荷情况复杂，各节点阻抗不匹配，所以信号会产生反射、谐振等现象，使得信号的衰减变得更为复杂。一般来说，低压网中信号的衰减与频率、工频电源的相位有关。频率增加，信号的衰减也将增加，而反射、谐振以及电力线效应等的影响也使衰减突然剧增。 由于低压电力线直接面向用户，因此在低压配电网进行通信要克服更多的问题。首先低压电力线上的干扰具有周期性、随机性和时变性。周期性干扰的周期、宽度、强度和发生时间等都不固定，很难准确预测，而且这些参数的变化范围也很大，因此在低压网络上采取针对性的措施抑制这种干扰很困难，而且这种干扰的宽频谱也对接收端滤波器的防卫度提出了很高的要求。高压开关操作等引起的随机性干扰持续时间很短，一般几十微秒到几秒，出现时间具有不可预测性。这类干扰可以通过前向纠错码、码分多址技术、自动重发机制等加以克服。其次用户负荷的随机接入和切除，网络结构的变化以及其他自然因素使得人们很难采用一个准确的数学模型对低压网进行建模，目前的研究多以定性分析和实验数据测试为主，即使有学者提出了一些模型，也往往是附件了很多限制条件，不符合实际情况。由于缺乏准确的数学模型，设计PLC设备时要求它具有很好的自适应能力，以便在实际低压配电网上有很好的通信质量。最后瞬间的短路会造成严重的安全问题，因此必须为电力线通信提供安全保护。一般要求用户设备不能直接随意接入电力线，只有得到授权的用户设备才能接入电力线。 4 PLC的研究现状 目前PLC已经发展到第三代——全数字PLC。 在全数字PLC中可以采用当前先进的数字信号处理技术，因此大大提高了PLC的容量和质量，使得PLC作为最后一公里解决方案成为可能。 在最后一公里的解决方案中，比较成熟的有ISDN、XDSL等。但是PLC能够充分利用现有的低压配电网络，无需任何布线，是一种“No NewWires”技术，和其他接入方式相比有很多优势。下面 是各种接入方案的比较表。   PLC的诸多优点吸引了国际上众多的学者、团体、公司先后投入这个领域，推动了PLC的发展。为了克服低压网上传输数据的困难，人们正试图将先进的数字信号处理技术引入到PLC中。在全数字PLC中，可以采用当前流行的语音压缩编码技术，如码本激励线性预测编码（CELP）技术、矢量和激励线性预测编码（VSELP）技术、多带激励（MBE）等，对语音信号经过压缩编码，降低输入信号的冗余，提高了频带利用率；然后与数据信号进行数字复接。可以采用自适应回波抵消技术实现双向通信；可以采用自适应信道均衡技术减小信道对通信造成的影响，提高可靠性。美国AT＆T公司贝尔实验室推出的VLSI单片声码器Q4401采用QCELP技术，编码速率在800b／s～600b／s的范围内可调，速率在9600b／s时的话音质量甚至优于速率为32kb／s的ADPCM编码的话音质量，大大提高了通信的有效性。国内宏图高科研制的新一代全数字电力线载波机采用AMBE技术，通话质量也很好。 PLC的理论研究已经从早期的模拟调制转移到数字调制方法，目前采用传统的频带传输（幅移键控ASK，频移键控FSK，相移键控PSK）的PLC日趋成熟，研究的热点是三种具有高抗干扰性的数字调制技术：多维网格编码技术、扩频通信技术（SC）和正交频分复用（OFDM）等。 在传统的数字通信系统中，纠错编码和调制是独立进行设计的。纠错编码增加了冗余度，编码增益是通过降低信息传输速率获得，因此传统的纠错编码方法很难进一步提高通信系统的性能。解决可靠性和有效性更有效的方法是将编码和调制技术有机结合，将冗余度映射至与频谱展宽不直接联系的调制信号的参数扩展中，例如信号空间矢量点或信号星座数的扩展中，这就是网格编码调制（TCM）思想的基本出发点。最佳的编码调制系统应按编码序列的欧氏距离为调制设计的量度，这就要求必须将编码器和调制器当作一个整体进行综合设计，使得编码器和调制器级联后产生的编码信息具有最大的欧氏距离。1982年Ungerboeck提出了基于“集分割”原理的编码和调制相结合的网格编码TCM技术，通过扩展信号星座的大小，在不扩展带宽，不降低信息传输速率的条件下，可以获得3～6dB的增益。1984年，LEE－FANGWei提出了克服相位模糊的相位旋转不变网格码，并被国际电信联盟ITU－T采纳为PSTN上高速调制解调器的建议。多维网格编码不但采用了子集分割的思想，还通过维数的扩展减小需要存储的星座点的数量，获得更好的映射增益和编码增益，具有很好抗干扰性能，因此特别适合电力线这样干扰大的信号。目前很多国内厂家采用的就是用于PSTN上的高速调制解调器方案移植到PLC中，它的核心就是多维网格编码调制技术，目前研究的还是四维的情况。 扩频通信是用伪随机编码（扩频序列：SC）将待传送的信息数据进行调制，实现频谱扩展后再进行传输；在接收端则采用同样的编码进行解调及相关处理。扩频通信技术以牺牲频带为代价，降低了信噪 —32—比，可以在极低信噪比的情况下实现可靠的通信服务。扩频通信的良好抗干扰性能使得它特别适合在低压电力线这样恶劣的信道环境下提供可靠的数据服务。而且扩频通信可以实现码分多址技术，实现不同低压配电网上不同用户的同时通信。扩频通信技术主要有直接序列扩频（DS）、跳频（FH）、跳时（TH）、线性调频以及上述各种基本方式的组合。目前扩频通信在低压配电网上的研究已经取得初步成功，2000年Intellon公司推出了用于低压配电网的扩频芯片，而我国清华大学也研制成功基于扩频技术的低压配电网实验平台，可以通过220V低压电力线实现两台计算机之间的文件或数据的传输，传输速率可以达到10kb／s。 正交频分复用（OFDM）技术在频域把信道分成许多正交子信道，各子信道的载波间保持正交，频谱相互重叠，这样减小了子信道间的相互干扰，提高了频谱利用率。同时在每个子信道上信号带宽远小于信道带宽，因此每个子信道是相对平坦的，大大减小了符号间的干扰，这也使得信道均衡可以得到简化。OFDM具有抗多径干扰能力强、频谱利用率高的优点，因此受到广泛关注，目前在有线和无线领域的研究都很多，在ADSL中采用的离散多音调制DMT实际上就是OFDM技术。目前OFDM在全数字电力载波通信中的研究也方兴未艾，2000年4月，Intellon公司基于OFDM的PLC研究取得突破性进展，它的组网试验的数据传输速率可达14Mbps（频带：4．3MHz～20．9MHz，84路载波）。研究OFDM的重点主要是如何分配子信道的数目和如何保持子载波间的正交性。保持子载波间的正交性对OFDM性能至关重要，因此在接收机中同步问题尤为重要。 5 PLC的发展展望 传统的PLC主要利用高压输电线路作为高频信号的传输通道，仅仅局限于传输话音、远动控制信号等，应用范围窄，传输速率较低，不能满足宽带化发展的要求。目前PLC正在向大容量、高速率方向发展，同时转向采用低压配电网进行载波通信，实现家庭用户利用电力线打电话、上网等多种业务。国外如美国、日本、以色列等国家正在开展低压配电网通信的研究和试验。由美国3COM，Intel，Cisco，日本松下等13家公司联合组建使用电力线作为传送媒介的家庭网络推进团体——“Homeplug PowerlineAlliance”，已经提出家庭插座（Home Plug）计划，旨在推动以电力线为传输媒介的数字化家庭（DigitalHome）。我国也正在进行利用电力线上网的试验研究。可以预见，在将来人们可以使用电力线实现计算机联网及Internet接入、小区安全监控、智能自动抄表、家庭智能网络管理等业务，以低压电力线为传输媒介的载波通信技术必将得到更为广泛的关注和研究。未来的PLC应该能实现通信业务的综合化、传输能力的宽带化和网络管理的智能化，并能实现与远程网的无缝连接。 目前，还存在以下两个方面的问题有待进一步研究： （1）硬件平台：主要包括通信方式的合理选择、通信网络结构的优化选择等。扩频方式、OFDM技术和多维网格编码方式各有优点，哪一种适合低压网还有待研究，或者也可以采用软件无线电的思想为这三种方式提供一个统一的平台。电力网结构非常复杂，网络拓扑千变万化，如何优化通信网结构也是值得研究的问题。 （2）软件平台：主要包括进一步研究PLC通信理论，改进信号处理技术和编码技术以适应PLC特殊的环境。除了研究适合电力线通信的调制技术、编码技术外，还需要研究自适应信道均衡、回波抵消技术、自适应增益调整等，这些技术在低压PLC对保障通信尤为重要。 （3）网络管理问题：除了上网、打电话外，低压电力线还可以完成远程自动读出水、电、气表数据；永久在线连接，构建的防火、防盗、防有毒气体泄漏等的保安监控系统；构建的医疗急救系统等等。因此利用电力线可以传输数据、语音、视频和电力，实现“四网合一”，也就是说家中的任何电器都可以接入到网络中，和骨干网连接。但是如何实现四种网络的无缝连接，以及由此带来的非常复杂、庞大的网络管理问题需要进一步的研究。 6 结束语 随着互联网在全球范围的迅速发展和用户对新业务服务要求的不断增加，PLC低廉的价格、使用灵活方便、提供宽带服务等优点将会有巨大的发展空间。然而，进行PLC技术推广是一个系统工程，不能在短时间内解决。尽管PLC有覆盖面广、使用方便、价格合理、设备简单等优势，但是到目前为止，还没有大规模商用化PLC系统投入使用，其主要原因首先是法律上的，世界各国没有建立广泛承认的PLC技术标准，因此支持的生产厂家比较少；另一方面没有立法允许在电力线上经营Internet服务和电信服务。其次是服务上的，PLC技术提供的速率和服务质量还不稳定，没有达到高质量电信服务标准。第三是技术上的，国外配电网结构与中国相比有很大区别，国外产品无法在中国直接使用，居民小区的低压配电线路还不够规范，各种电器插座的规范、质量不同，这给电力线宽带接入的普及带来了极大困难，因此需要在中国电网环境下进一步完善PLC技术。最后，随着骨干网采用光纤光缆和其他几种接入方式已经比较成熟，能够满足人们的需要，PLC要想发展还需要寻找更多的市场机会，比如可以先在通信还相对比较落后的农村、边远地区进行推广。然而，随着技术的进步，我们有理由相信将来能够利用电力线进行多媒体通信，真正实现网络的融合。
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