电力线通信(PLC)技术的发展 中国电力通信网2004-08-05 06:32:22

孙建军 吴太虎

　　　　　(军事医学科学院卫生装备研究所天津市，300161)


　　摘 要：本文主要介绍了电力线通信(PLC)的最新发展和电力线通信的优缺点，强调了电力线信道存在的噪声和衰减，以及克服这些不利因素的解决方案。着重叙述了扩频通信(SSC)技术和正交多载波调制(OFDM)技术的原理及它们对各种噪声和衰减的抵抗能力，并列举了很多国内外分别采用了这两种技术的通信产品实例。最后，讨论了电力线通信技术在国内的应用情况和发展前景。
　　关键词：电力线载波 扩频通信 正交多载波调制 网络能信


1电力线通信(Power Line Communication)技术概况

　　电力线通信(PLC)技术是采用电力线传送数据和话音信号的一种通信方式。该技术是将载有信息的高频信号加载到电力线上，用电线进行数据传输，通过专用的电力线调制解调器将高频信号从电力线上分离出来，传送到终端设备［1］。它的应用范围主要是在一个变压器范围内进行数据的传输，用电力线调制解调器将电信号从电力线上提取下来。目前，该技术主要应用于水、煤气、电表等的自动抄表系统，同时该技术也是局域网接入很有竞争力的一种接入技术。
　　电力线通信在未来几年有着极其诱人的前景和潜在的巨大市场。2001年6月26日Homeplug电力线联盟颁布了1.0版技术规范，将会对PLC技术的产品和网络化家用电器产生重大的影响。在美国、加拿大、英国和德国，电力线通信技术已经进入了实用阶段，德国RWE电力线通信公司2001年7月1日开始PLC的商用化，2001年5月7日Homeplug电力线联盟结束了为期半年的PLC现场试验，在美国和加拿大进行了500户的室内联网试验和1万次插座至插座的连接测试，并取得了圆满成功。目前，在国内除了自动抄表方面的应用外，该技术在医疗监控和自动报警方面都有很好的应用前景，将集成有电力线收发模块的仪器仪表插在电源插座上，就可以方便的实现通信。
2电力线通信技术的特点
　　电力线无论在城市、乡村，还是偏远落后的地区到处都是，只要用电的地方就会有电力线存在，不铺设额外的通信线路而直接利用已有的电力线资源进行数据或话音信号的传输，将会大大降低通信成本，并且电力线通信有着它自身的一些优势。采用电力线通信有以下几个方面的优点：
2.1实现成本低
　　因为有效的利用了已有的配电网作为传输线路，不用铺设额外的线路，从而大大减少线路投资，节约了成本，而且避免了因铺设网络线路带来的一些问题，如住宅打孔，带来的对住宅的破坏作用。
2.2数据传输速率高
　　PLC的传输速率目前可以达到4.5M～45Mbps，比采用ADSL、ISDN和拨号上网的速率都快。目前已经有不少电力线载波芯片研制成功，Intellon的PowerPackket产品可以达到14Mbps，并且已被Homeplug所采用。
2.3永远在线
　　以电力线作为通信信道，可以灵活的实现“即插即用”，不用繁琐的拨号过程，接入电源就等于接入了网络，只要插上电源就永远在线。
2.4范围广
　　民用电力线是世界上最普及的网络，这是电话和有线电视都不能比拟的优势。PLC可以轻松的渗透到每个家庭，为现代家庭智能化和互联网的发展提供广阔的发展空间。
　　电力线通信除了以上几点优势外，还存在着很多问题。主要是电力线信道存在着严重的干扰和非常大的时变衰减。根据噪声干扰的不同性质可分为［2］：A)有色背景噪声干扰，这种干扰主要来源于交直流两用电动机，近似服从高斯分布，他的功率一般一般不大；B)随机脉冲干扰，主要由闪电和负载的开关操作所产生，近似服从泊松分布，0＜λ＜5ⅹ10-3，这种干扰的功率较大，频率一般为电力系统频率的2倍，而且离接收机越近影响越大；C)异步脉冲噪声，这类干扰主要是保护开关瞬间开闭产生的脉冲，电晕噪声也归为该类，这类噪声可以说是电力线通信的最大障碍；D)周期性同步噪声和周期性异步噪声［3］，前一种是由电压触发的晶闸管整流器产生，而后一种主要由电视接收机和显示器产生。这两种噪声的功率很小，一般不超过-45dB。
　　另外，电力线信道中还存在着极大的时变衰减。电力线信道中的衰减主要由两部分组成［4］：一部分是耦合衰减，另一部分是线路衰减。一般耦合器的内阻可以做得相当小，这样衰减就主要线路衰减决定。据相关资料表明［5］，线路衰减是距离的函数，距离越大，则衰减越大，农村比城市或工业的衰减大。时变性表现在同一时刻不同结点的衰减不同，同一节点在不同时刻的衰减也不同，一般可以达到20dB以上。为克服电力线通信人道的这些噪声影响和时变衰减，电力线通信采用了一系列的新技术和新产品。
3电力线通信的实现方案
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3.1　扩频通信(Saread Spectrum communication)技术
　　扩频通信是用高速伪随机序列去扩展所传输信息的带宽，然后进行传输，在接收端采用发送端相同的同步伪随机序列进行信号的相关解扩，恢复所传输信息的一种技术［6］。其原理框图如图1所示：
　　扩频通信的理论基础为信息论的Shannon定理：C=Blog2(1+S/N)，从公式中可以看出信道容量C一定时，传输的信号带宽B和信噪比S/N的互换关系：在一定的差错概率的情况下，可以用较大的带宽换取信噪比的下降，这正是扩频通信技术的原理。扩频技术通常包括［7］直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spec-trum)、跳频(Frequency Hopping)、跳时(Time Hopping)和宽带线性调频(Chirp)。其性能指标主要有：扩频增益Gp=扩频信号带宽/信息信号带宽；抗干扰容限M=Gp-(S/N)0，其中(S/N)0为要求的差错概率所需要的信噪比。


由于扩展频谱后的信号能量分布在一个很宽的频带上，因此信号在传输过程中所叠加的窄带脉冲干扰会在接收端对信息进行相关解扩时，使得干扰的频谱展宽，幅度下降若干倍；相反，信息的频谱被压缩，幅度上升若干倍。因此，扩频通信技术具有很强的抗各种脉冲干扰的能力。另外，由于扩展频谱，使得信号的频谱展宽若干倍，幅度下降，某一时刻某一频率的干扰及衰减不会对整个信号产生严重影响，所以扩频通信具有很强的抗多径干扰和强衰减的能力。并且，利用伪随机码的多址功能，可以实现码分多址(CDMA)，一个伪随机码对应一个用户，具有很强的保密功能和巨大的用户容量。
　　扩频通信有保密性好、抗干扰和衰减能力强的特点，所以最早这应用在军事通信中，例如军事用跳频(FH)电台和直扩(DS)坦克电台等。扩频通信是在现代通信中应用最为广泛的一种技术，如CDMA通信系统和电力线通信。扩频通信自身的特点，使得他非常适合电力线通信信道。目前，有很多厂家都生产出了电力线扩频载波芯片，如Intellon的SSC 300/485［8］网络接口控制器采用了线性调频(Chirp)技术，Echelon的PLT-10采用了直接序列扩频(DS-SS)技术，还有国内目前使用较多的PL2000和SC1128扩频芯片，都采用了直接列扩频技术。
3.2正交多载波调制(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术
　　正交多载波调制(OFDM)是把高速的串行数据转换成N路的低速数据流，去分别调制N路相互正交的了载波，然后将N路子载波合并成一路进行传输的一种调制效率很高的技术。OFDM系统原理框图如图2所示：

OFDM系统的数据传输速率很高，可以趋近于信道传输速率的极限，这主要是由OFDM的频域特性来决定的。当码元为矩形脉冲时，其频谱如图3所示：图3(a)是单个子频带，图3(b)是OFDM信号频谱。从图中可以看出，单个码元的频谱为sinx/x型，频带利用率不高，而OFDM的频谱总的来看近似为矩形，且其边带分量相互叠加后，变得很小。所以，OFDM信号的频谱利用率理论上可以达到Shannon信息论的极限。

OFDM系统有很强的抗脉冲干扰能力，这是由于OFDM信号的解调是在一个很长的码无周期内积分，从而使脉冲噪声的影响得以分散。根据CCITT的测试报告，能够引起多载波系统发生错误的脉冲噪声门限比单载波系统高11dB。另外，OFDM系统由于把信息分散到许多载波上，从而大大降低了各子载波的信号速率，使得码元周期比多径延迟长，因此可以有效的克服多经传播的影响。OFDM允许相邻信号频谱有1/2重叠，必定会引起码间串扰，可以采用循环前缀和时域均衡等措施来有效的降低码间串扰的影响。

由于OFDM具有抗脉冲干扰和多径效应能力强的特点［9］，所以它也很适合电力线通信。因为OFDM可以用FFT(快速傅立叶变换)算法来实现，所以可以采用基于DSP的软件来实现，在第四代移动通信的开发中，很多公司都采用了OFDM技术，利用其高速率的特性，能够为视频点播和图像传输等多媒体服务提供足够的带宽。目前,Intellon的PowerPacket电力线载波芯片就是采用了OFDM技术［10］，能够提供14Mbps的数据传输速率，使得电力线真正成为一种可以和光纤相媲美的接入方式。ISPLC(电力线通信及应用国际学术年会)从1997年开始，每年举行一次，前两届都是以扩频和CDMA在电力线通信中的应用为主要内容，CDMA退居次要地位。图4是PowerPacket中OFDM的实现［10］：
　　电力线通信除了采用以上两种方案外，还有如较早的LM1893芯片所采用的调频方式，由于调频难以满足电力线信道的抗噪声及时变衰减的能力，所以该芯片在国内基本上没有采用。然而，美国的Echelon公司在它的LONWORKS系列新产品PLT-22中采用了一种双频调制技术［11］，该技术是采用115kHz和132kHz两个工作频率，当主频32kHz传输受阻时，改用115kHz进行数据的传输。实践表明即使主频受阻，系统仍然可以稳定的工作。由于Echelon的国际标准，使得PLT-22配合神经元芯片FT-3120/FT-3150可以在全世界的范围内使用。据国内资料表明，PLT-22是在国内使用效果最好的电力线载波芯片，但由于其成本太高，很难在国内进行大规模推广。在实践中，到底采用那一种方案要考虑实际情况来选取，对于实现监控和抄表等对数据速率要求不高的应用，采用扩频和双调频方式较好；而对于实现高速率的数据通信或图象传输，则采用OFDM实现较好。
4　电力线通信技术的应用前景
　　在国内，电力线通信技术最成功的应用是远程集中抄表系统，即抄表系统将电表、水表、气表与管理部门的中心站计算机联网，通过公用电话网、Internet和低压配电网传输数据，自动完成抄读用户三表的数据，自动的进行查询、分析和监视用户的水、电、气的使用情况，方便的完成计费、收费工作。以电力线为传输媒质，很容易在集中式居民区、厂矿企业、医院等地方建立起小范围的电力线网络，而不用额外的投资就可实现网络化管理。这几年在国外，电力线作为一种家庭总线，主要应用于家庭智能化和网络服务的接入。利用已有电力线网络，可以在医院或家庭建立起医疗监控网，实现重症监护功能，病人的血压、心率、症状等信息可以在家里通过电力线监控网传送至小区控制中心，再通过公共电话网或Internet传送到较大的医疗单位，进行分析、处理和监护。同样，医院可以将治疗或注意事项等信息通过网络传送至小区控制中心，再传送到病人家里，对病人进行远程诊疗。在医院，不仅可以用电力线通信实现病人的监护功能，而且可以配合医疗器械智能化，实现智能医疗监控、报警、自动化管理和集中会诊等功能。例如，可以用电力线通信网监视输液液面，当达到一定的液面，需要断开时，可以及时的向监护中心的护士发出警报，而不用护士不断的去观察，这个事例在大医院里是很有实际意义的。因此，用电力线载波来实现一些需要经常在线的报警、防盗以及监护等应用，每一个方面都有广阔的发展前景和巨大的市场机遇。

5　结语
　　现今国内外已经有不少的电力线产品，而且相应的标准已经比较成熟，因此用电力线来进行水、煤、电等的自动抄表以及宽带Internet的接入服务已成为现实。可是国内的电力线通信还没有形成规模，所以还需要有关部门的科研人员的不断努力，开发出适合中国电网特性的电力线载波芯片，确定可靠的电力线通信标准。另外，电力线通信在目前的现状下，对发展农村和偏远山区等地区的信息产业有非常重大的意义。

参考文献

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　　2汪晓岩，樊昊，易浩勇，孙荣久.基于OFDM技术的电力线通信系统的MATLAB模拟［J］.电力系统通信，2002，(2)：2-6
　　3刘海涛，陈长德，张保会.低压电力线通信传输环境研究［J］.电力自动化设备，2001，21(9)：14-17
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　　6MARVIN K.SIMON,JIM K.OMURA.SPREAD SPECTRUM Communications Handbook.北京：人民邮电出版社，2002.8
　　7陈正石.扩频技术在电力线载波通信中的应用分析［J］.电力系统通信，1998，19(1)：10-13
　　8Technical Data Sheet of The SSC P300 PL Network Interface Controller.Intellon Corporation,January 1998
　　9刘华玲，张保会，刘海涛.扩频通信、LFDM调制技术及其在电力线通信中的应用分析［J］.继电器，2001，29(11)：17-20
　　10PowerPacketTM Primer.Intellon Corporation,2001?11PLT-22 Power Line Transceiver Data Book.Echelon Corporation,2001-2002．

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