時間:2008-10-10 13:21:11 | 作者:李祥珍
摘 要：電力線高速數據通信技術(PLC)在電力系統通信中占有重要位置。文章首先對該項技術在國內外的研究和應用現狀進行了回顧，介紹了我國PLC方面的主要工作成果和國內外PLC關鍵技術發展情況(包括信道模型、噪聲特性、信道容量、調制技術及MAC層協議等)、標準的進展情況以及尚存在的主要問題。論述了PLC技術的發展趨勢，以及需要進一步開展的工作。
關鍵詞：電力線高速數據通信；信道特性；寬帶接入；電磁兼容；正交頻分復用
引言
電力線高速數據通信技術(PLC或PLT)，是一種利用中、低壓配電網作為通信介質，實現數據、話音、圖像等綜合業務傳輸的通信技術，不僅可以作為解決寬帶接入“最后1 km”的有效手段，而且可以為電力負荷監控、遠程抄表、配用電自動化、需求側管理、企業內部網絡、智能家庭以及數字化社區提供高速數據傳輸平臺。
電力線是設計用來輸送電能的，因而并不具備通信鏈路的必要條件，所呈現的是一種高噪聲、強衰減、負荷變化劇烈、阻抗變化大、頻率響應不平坦等惡劣性能。要實現可靠的電力線高速數據傳輸，必須解決以下問題：
(1)盡可能消除電氣設備、控制設備、空中無線電等噪聲對傳輸可靠性的影響；
(2)努力阻止線路、各種電氣設備、阻抗波動、阻抗不匹配以及容性負載引起的信號衰落；
(3)最大限度減緩電力線分支以及網絡不均衡引起的多徑衰落對傳輸可靠性的影響。
20世紀90年代以前，電力線載波系統采用的是FM(模擬調頻)、FSK(頻移鍵控)、PSK(相移鍵控)等窄帶通信技術，由于抗噪聲干擾和多徑干擾能力差，對電力線信道的適應性也差，因此主要靠改善信道條件(使用阻波器)和提高信噪比(增大發送功率)來實現可靠傳輸。但由于窄帶調制技術頻帶利用率極低，因此在有限的帶寬內只能實現低速的數據傳輸，而且僅限于適應經過特殊改造的高壓線路。對于低壓和中壓配電線路，由于線路復雜、分支多，無法對線路進行諸如阻波等技術的改造，因此即使是低速數據，也無法實現可靠的傳輸。
20世紀90年代以后，隨著通信技術的發展，國外開始研制專門用于配電網的高速數據通信技術，將擴頻通信技術、多載波調制(DMT)、正交頻分多路復用(OFDM)、信道糾錯編碼、多路訪問等先進技術引入電力線載波通信領域。1997年英國的NOR．WEB公司在英國曼徹斯特的一個低壓配電網上成功進行了傳輸速率為1 Mbit／s的數據通信試驗? ，實現了電力線載波通信技術的突破，這個里程碑式的試驗極大地推動了電力線高速數據通信技術的發展。
1 電力線高速數據通信技術的國外發展現狀及趨勢
1．1 機理研究及產品開發
電力線高速數據通信技術在英國試驗成功以后，許多國家的研究機構和企業相繼開展了這方面的研究和開發[2-5]，如美國的Inari和Inbbblon公司、西班牙的DS2公司、以色列的Yitran公司、韓國的Xeline公司、瑞士的ASCOM公司，以及歐美、亞洲的一些大學院校等。
國外學者對電力線高速數據通信技術的機理進行了深入研究，成立了多個PLC國際組織，從1997年開始每年舉辦數次PLC國際專題會議，研究內容非常廣泛，包括：電力線的信道模型、噪聲特性分析、調制方式、MAC層協議、網絡管理、室內網絡、接入網絡、系統設計方法、芯片制造技術、電磁輻射和傳播、信道預測技術、信道容量預測、信道傳播特性測量、標準和協議、系統結構、組網方式、中壓高速載波技術等多方面內容。經過多年的努力，已經基本建立起電力線高速數據通信技術的理論體系。
電力線高速數據通信技術從1997年到現在歷經了3個階段(時問上有一些交叉)，產生了3代技術和產品。第1代：2001年底以前，采用FSK、GMSK、DSSS或DMT技術，傳輸速率為1～4 Mbit／s，主要目標是驗證了電力線高速數據通信技術應用的可行性；第2代：2001年第三季度至今，主流芯片的傳輸速率為1O～45 Mbit／s，進入大規模、多區域的試驗和實際運行階段，其主要標志是INbbbLON公司推出的傳輸速率為14 Mbit／s的芯片和DS2公司推出的傳輸速率為45 Mbit／s的芯片，引入了OFDM技術，不僅有效消除了多徑干擾，增強了對電力線信道的自適應性和抗噪聲干擾的能力，而且大大提高了頻帶利用率，實現了10 Mbit／s以上的高速率數據傳輸；第3代：從2004年第三季度開始，電力線高速數據通信技術更多使用子載波的OFDM和高頻帶利用率的調制技術，傳輸速率達到
200 Mbit／s(如DS2公司2004年推出的DSS9000系列芯片，INbbbLON公司即將推出的INT6000芯片)，這代產品具有交換和傳輸功能，自動中繼和自動路由選擇技術逐漸得到推廣，系統結構更加靈活方便，通用性和兼容性更強，網絡管理功能更加完善，數據傳輸的QoS得到充分保障，設備和系統成本進一步降低。
1．2 應用情況
歐盟為促進PLC技術的發展，從2004年1月1日開始啟動了一個稱之為OPERA(Open PLC European Rebbbbbb AMance)的計劃，旨在聯合歐洲的主要PLC研究開發力量，致力于制定歐洲的PLC統一技術標準、推動大規模商業化應用[5-6]，并將PLC作為實現“eEurope”(信息化歐洲)的重要技術手段。美國、歐洲等國也出臺相應政策或措施推動PLC的發展，許多大的電力企業也積極進行中壓及低壓PLC的試驗。美國的American Electric Power等l7家主要電力企業，德國、奧地利、西班牙等15個歐洲國家的32個電力企業均建立了PLC試驗網絡，有的還進行了PLC商業化運營(如德國的MVV等)。亞洲開展PLC研究和試驗的國家和地區除中國大陸外，還有日本、韓國、新加坡、中國香港、中國臺灣等地。日本對PLC的態度，經歷了從初期懷疑否定到開放試驗，直至今日的積極推動的三個階段。目前，東京電力、新加坡電力、香港中華電力等均建立了一定規模的試驗網絡。據不完全統計，截止2004年年底，PLC的試驗網絡遍及歐洲、亞洲、北美洲、南美洲、非洲以及大洋洲的4O多個國家和地區。
1．3 技術標準
技術的標準化是產品成熟的重要標志和大規模應用的前提。歐洲、美國從2002年起開始研究PLC系統的技術框架和技術標準 [7-9] ，目前已經取得了積極進展。在產品技術規范方面，歐洲電信標準化組織ETSI從2002年開始陸續公開了2個PLC技術規范(TS 101 896、TS 101 867)和5個技術報告(TR 102 049、TR 102 175、TR 102 258、TR102 259、TR 102 324)。另外還有6個項目正在進行中(DTS/PLT一00005、DTS/PLT-00007、DTS/PLT-00009、DTS/PLT-000010 、DTR/PLT-000011、DTS／PLT-000017)。涉及網絡電磁兼容標準制定的機構主要有：ITU―T，CENELEC/ETSIjwG EMC，CENELEC的TC210、SC205A，ETSI的TC ERM、EP PLT，美國FCC等。目前定義了l～30 MHz范圍內電信網絡輻射限值的技術標準有4個：德國的NB30、英國的MPT1570、美國的FCCPaal5以及國際電信聯盟于2003年7月推出的ITU―TK．60。
總體而言，PLC的相關技術標準正在制定中，目前還沒有形成相應的具有法律約束力的規范。對于電磁騷擾的測試方法，各國做法不盡相同，限值各異。但普遍認為，30 MHz以下的電磁騷擾主要體現在傳導騷擾上，因此，在目前的國際標準中，并未規定相應的輻射騷擾限值。對于大規模的PLC應用，如何制定科學的測試方法以及規定合理的限值，是歐洲以及一些國際性組織正在研究的重要課題之一。
1．4 發展趨勢
電力線高速數據通信技術具有3個明顯的發展趨勢。一方面，正在向更高傳輸速率的方向發展，其表現為多家公司推出傳輸速率高達200 Mbit/s的專用芯片；另一方面，利用中壓(10 kV)配電網組建高速數據傳輸骨干網的設想也日益引起人們的重視，因為利用中壓配電網進行高速數據傳輸，不僅可以充分、有效地利用電力系統的資源，而且可以極大地延伸光纖骨干網的服務區域，成為骨干通信網的有效補充和有機組成部分，同時為開展農村電信服務開辟了新的思路；第三方面，電力線寬帶接入技術正在向具有更高服務質量和完善傳輸、交換功能的方向發展。
2 PLC的關鍵技術
2．1 倍道模型、噪聲特性以及信道容量
研究電力線網絡信道模型，通常使用多徑傳輸模型和傳輸矩陣模型2種方法。這2個模型從不同角度對高頻信號在電力線上的傳播特性進行研究。多徑傳輸模型是根據高頻信號的多條路徑傳播產生的合成效應(多分支及阻抗失配造成的傳輸反射)研究電力線信號的傳播特性；傳輸矩陣模型則把整個電力線看成為一個二端口網絡，利用二端口網絡的傳輸矩陣計算出電力線信道的傳遞函數[2,3] 。
除了因線路衰減和多路傳輸所造成的信號失真外，噪聲是影響電力線數據可靠通信的最關鍵因素。和其他信道不同的是，電力線信道的噪聲并不呈現白噪聲(AWGN)特性，主要是有色背景噪聲、窄帶干擾和脈沖噪聲的存在，容易引起突發性傳輸差錯。脈沖噪聲分為與工頻同步的周期性脈沖噪聲和異步脈沖噪聲2種。與工頻同步的脈沖噪聲主要是由與工頻同步運行的供電設備引起的，它一般在電壓的過零點產生；典型的異步脈沖噪聲是由電網上的開關事件引起的。脈沖噪聲可以用馬爾可夫鏈(Markov―chain)的隨機統計模型表示，背景噪聲一般用AR回歸模型來模擬，窄帶噪聲用N個獨立的正弦信號疊加表示。
電力線信道容量分析的意義在于了解信道的基本特性和信道傳輸能力。配電網的高速數據傳輸容量，主要受配電網拓撲結構、線路條件、噪聲、EMC限制等條件的影響。電力線的信道容量主要利用信道傳播模型、噪聲模型以及“注水”理論進行計算。計算結果表明，一般情況下，大約1．6 km的電力線信道容量超過250 Mbit／s，但電力線分支的增多將會導致信道容量的降低，負載阻抗的減小、容性負載的增大也會導致信道容量的降低。
2．2 調制技術
目前，有多種高速數據通信技術可以用于電力線通信，如擴頻通信、多載波通信等。選擇何種調制技術[2,3]，需要綜合考慮抗干擾能力、帶寬利用率以及實現的復雜程度等多種因索。由于OFDM能夠有效消除多徑干擾、脈沖干擾，以及具有較高的帶寬利用率，因此在PLC系統中得到廣泛應用，并且逐漸成為PLC的標準調制技術。OFDM通過把電力線分為許多窄帶子信道，使得各個子信道呈現相對線性和平坦特性，不僅消除了由于電力線的低通效應和傳遞函數的劇烈波動而引起的失真，而且無需復雜的信道均衡系統，實現比較簡單，成本也比較低廉。OFDM通過在傳輸的數據塊之間插入一個大于信道脈沖響應時間的保護間隔，消除了由于多徑時延擴展引起的符號間干擾(ISI)。OFDM還可以根據信道情況，采用子載波功率和比特位優化分配算法自動控制各個子載波的使用，有效避開噪聲干擾以及頻率選擇性對數據傳輸可靠性的影響，實現對信道的自適應性。通過軟件編程，OFDM可以有選擇地屏蔽某些子載波，實現對民用或軍用重要頻點的保護。OFDM的子載波優化分配算法，主要有Huges―Hartogs、Piazzo、FischerHuber等提出的3種算法。
2．3 MAC層協議
按照OSI的七層分類，PLC產品屬于兩層網絡設備，即只有物理層和MAC層。MAC層協議 主要用于PLC系統不同服務之間、不同用戶之間信道分配和再分配的管理、協調和控制。
在PLC中應用的MAC協議，必須能夠滿足提供不同服務的要求。PLC網絡的MAC層協議考慮的服務包括：
(1)面向連接的服務，如電話和其他CBR(恒速傳輸業務)；
(2)無需QoS保證的無連接服務；
(3)專門的PLC服務(控制、安全防衛等)；
(4)需要QoS保障的數據傳輸(如VBR，可變速率傳輸)。
在PLC中應用的信道復用機制主要有FDMA、TDMA、CDMA、TDMA／CDMA、TDMA／FDMA。多路接入方案可按固定接入、動態接入、預留接入區分。
動態接入協議包括：
(1)ALOHA一預先分配時間片；
(2)CSMA／CA(載波偵聽／沖突避免)；
(3)令牌傳遞(令牌環，令牌總線)；
(4)輪循。
采用的主要糾錯技術為FEC(前向糾錯)+ARQ(自動請求重發)。
由于篇幅所限，對PLC其他方面的技術不再贅述。
3 我國電力線高速數據通信技術的研究及應用
3．1 基本情況
國外在電力線載波通信技術方面的進展，特別是英國試驗的成功引起了國家電網公司的高度重視和科研單位的密切關注。國家電網公司先后8次立項，由中國電力科學研究院、國電通信中心等單位承擔了電力線高速數據通信技術研究，研制了一系列的產品和系統，并在北京等地建立了一定規模的試驗小區，申報了20余項發明及實用的新型專利。此外，清華大學、西安交通大學、華北電力大學等對電力線信道模型、信道測試等方面也進行了探討，國家自然科學基金2003年、2004年還資助了多個電力線通信課題，進行電力線通信機理的研究。
3．2 機理研究及產品開發
由于我國低壓配電網的網絡結構、負荷特
性、供電方式與國外有很大的不同，國外已有的理論研究成果和開發的系統不能完全適應我國的實際。我國科技工作者在中國低壓配電網高頻信號傳播特性、電力線高速數據通信機理、應用產品開發等方面進行了大量的研究工作[10-13]，主要包括以下幾方面。
(1)通過大量的實際測試，獲取了我國低壓配電網的高頻衰減特性、噪聲分布特性、阻抗特性等實際數據，結合理論分析，得出了相應的高頻信號傳播模型，為產品設計及研究提供了第一手資料和理論基礎。
(2)深人研究了電力線高速數據傳輸系統的技術體制、最佳使用頻段、信道容量預測及優化、適宜的調制技術、信道編碼及糾錯、MAC層協議、耦合方式、電磁輻射、組網優化技術、信道測試技術、網絡管理技術、計費系統等PLC關鍵技術問題。
(3)研制了速率為2―200 Mbit／s的系列化產品。
(4)根據應用的實際提出了電感耦合和電容耦合相結合的耦合技術，擴展了應用范圍，增強了不同應用場合的適應性，極大地方便了施工，加快了PLC的應用步伐。
(5)提出了信道優化技術，研制了相應的產品，有效地改善了電力線高頻信號傳輸環境，提高了系統的傳輸速率、穩定性和可靠性。
(6)提出了實現全電力線接入的混合組網技術，改善了系統的整體性能，提高了系統的可靠性、穩定性和有效性。
(7)提出并應用了具有我國特色的多種寬帶接人模式和應用模式。
(8)開展了PLC相關應用的研究，開發了基于PLC的寬帶抄表系統、智能家居系統、ADSL、無線局域網、電話線與PLC相混合的應用系統等。
(9)研究了PLC的測試技術、實用化工程技術、性能測試方法、技術標準等。
(10)開展了中壓PLC的研究及試驗，包括在農村電信服務方面的應用研究。
(11)開展了PLC電磁兼容特性的研究和測試。參照國際和國家標準，制定了測試方法和測試大綱，分別在國家權威檢測實驗室和現場環境進行了電磁騷擾和電氣性能測試。對PLC的網絡性能也進行了相應測試。
3．3 實際應用
中國電力科學研究院和遼寧電力公司、沈陽供電公司于2001年在沈陽建立了中國第一個高速PLC試驗網絡[11-14] 。2001年，http://blog.sina.com.cn/s/blog_b2fa630301016qag.html，國電通信中心開始組織實施低壓配電網電力線寬帶接人技術的實驗及推廣應用，成為中國PLC試驗和運營的核心推動者。國電通信中心成立了PLC領導小組，下設PLC推進辦公室，確立了推動電力線通信技術研究、試驗及推廣應用的模式和總體安排，引進了國內外多家企業的產品在北京進行實驗。在短短的3年多時間內，國電通信中心組織研究開發單位、產品試驗單位以及網絡運營單位進行了大量的實驗、電磁兼容特性測試、網絡性能測試和工程探索，提出并應用了具有中國特色的電力線通信技術應用模式，建立了世界上最大的電力線寬帶接人試驗運行網絡，為電力線寬帶接人技術在中國的商業化運行以及大規模推廣應用奠定了扎實的基礎。國電通信中心的大規模試驗也極大地推動了電力線寬帶接人技術的研究進程，縮短了國內研究開發機構研究成果的產品化轉化過程，促進了PLC技術的進步和發展。到2005年7月為止，由國電通信中心組織、中電飛華公司實施的北京電力線寬帶接入試驗網接入用戶超過30萬戶，開通用戶37 000余戶，接通率超過11％，建立了北京城域數據網、電力線寬帶接入網絡管理中心和計費系統。
3．4 技術標準的進展
我國在電力線高速通信技術標準化方面的研究[18]，還處于起步階段。由于沒有現成的國際或國家標準，大部分廠家將中國強制認證的CCC標準作為產品標準。CCC認證涉及到電氣安全GB4943《信息技術設備的安全》(等同于IEC60950)，電磁兼容GB9254(信息技術設備無線電騷擾限值和測量方法》(等同于CISPR22)，防雷YD／T993《電信終端設備防雷技術要求和試驗方法》。現有的CCC標準，沒有對電源端子和電信網絡端口共用的情況進行專門的考慮，也沒有涉及傳輸性能、網絡性能等方面的規定，因此存在局限性。
由于我國擁有目前全世界最大規模的電力線寬帶接入實驗網，實現電力線高速通信技術的標準化已經十分迫切，國家電網公司充分認識到了這一點，已經立項準備制定國家電網公司企業標準。
3．5 基本評價
通過6年多的努力，中國科技工作者針對我國配電網的實際，在信道特性、通信機理、組網技術、試驗網絡、產品設計方法、PLC應用技術、工程技術、測試技術、PLC支撐系統等方面取得了豐富的研究成果，許多工作屬于我國率先提出并得到推廣應用。但應當指出的是在芯片技術、系統設計技術、基礎理論等方面，歐美處于領先位置，我國還有待努力。
大量的試驗證明，目前國內使用的主流PLC寬帶接入系統(第2代產品)，在傳輸速率、數據吞吐量、丟包率、響應速度、接入穩定性等方面，已經能夠滿足用戶對Internet高速接入的要求。雖然用電高峰時的數據吞吐量會有所下降，但下降幅度普遍能夠控制在許可范圍內，且能滿足用戶基本的帶寬要求，用戶滿意度是比較高的。個別質量較差的照明設備以及某些具有開關電源的設備，可能會產生較強的高頻干擾，影響PLC系統的正常使用，此時需要使用可抑制高頻噪聲的信道優化裝置或阻波器。經實際環境測試，并未發現PLC對電氣設備、電表及抄表系統的精度、短波收音機、環境等有實質性影響，試驗室測試的PLC產品及系統的電磁騷擾、網絡性能、電氣性能等也能夠滿足現有可參照的國家標準的要求，因此可以說，PLC已經具備了大規模推廣應用的條件。對于未來用戶需求的實時性更強的業務(如VolP)，則目前的PLC系統需要完善，同時PLC寬帶接入系統也會逐漸從目前的第2代過渡到具有完整QoS保障機制、強大網絡管理的第3代產品。
4 目前存在的問題及進一步的研究工作
目前電力線通信技術存在的問題有：
(1)缺乏必要的技術規范和相關法律、法規；
(2)設備級的管理功能有待加強；
(3)PLC系統的QoS保障機制、帶寬管理機制、安全性能有待完善；
(4)中壓線路的高頻信道特性及通信機理研究還不充分；
(5)設備及系統測試和評估技術還需完善；
(6)芯片技術亟待突破。
下一步的研究工作包括:
(1)研制具有信道性能、設備性能、網絡性能監控功能的基于SNMP的PLC終端設備；
(2)研制具有完善QoS保障機制和帶寬分配機制的PLC系統；
(3)研究適合中壓PLC的最佳頻段和最佳調制技術、MAC層協議、信道編碼、組網方法、網絡管理以及安全機制、電磁輻射特性、寬帶耦合技術以及遠距離中繼技術；
(4)制定符合我國實際條件的電力線高速數據通信技術規范；
(5)研究開發具有我國自主知識產權的專用電力線高速數據通信芯片。
5 結束語
電力線高速數據通信是近幾年發展起來的新型通信方式，由于具有接入速度快、無需布線、建設成本低等特點，引起了國內外的廣泛關注。理論研究和實際應用表明，高速PLC技術已經從試驗階段進入成熟應用階段，能夠克服電力線頻率性、選擇性衰落和電磁干擾影響，實現可靠的高速數據傳輸，是一種可以大力推廣的、能夠充分利用我國已有基礎設施的高速數據傳輸技術。經過幾年的努力，我國科技工作者取得了令人振奮的成績，但也存在諸多問題和亟待研究的課題，應當在現有基礎上，加大研發投入，提高理論研究、技術標準、芯片研發等各個方面的研究力度和深度，加快PLC的推廣步伐，建立全國性PLC推進機制，盡快制定PLC的國家電網公司企業標準及電力行業標準，使其逐漸成為我國寬帶接人的重要手段，并在解決中西部農村的通信問題，以及電力系統應用的各個方面發揮重要作用。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
