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快速发展的低压电力线载波技术及其应用展望 |
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| 快速发展的低压电力线载波技术及其应用展望 |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2008-9-24 9:25:50  |
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杨扬
杭州商学院，浙江杭州310035
计算机网络发展的“瓶颈”问题归根结蒂是接入方式的问题。从1969年美国的ARPANET至今的30多年的时间里，计算机网络发展经历了两次划时代的变革。
一次是调制解调器（MODEM）的产生。这次“革命”使PC机通过MODEM拨号经过公用电话网络接入Internet。从此，全世界开始了解Internet，全球开始共享信息资源。但是，由于拨号上网的传输媒质采用了双绞线，故其最大的接入速度只有56kbit／s，而且接入的质量较差，断线率很高。
随着Internet本身的不断壮大发展和人们对Internet需要的不断增加。Internet发展经历了第二次“革命”———即宽带方式接入。这次革命的领军“人物”是xDSL和光纤接入服务。这些技术使Inter －net的传输速率比传统的拨号接入技术增加了数十倍到上百倍不等。例如：在xDSL技术中即使是最为普通的ADSL技术，它的传输速率也有1 Mbit／s。从此，Internet的服务项目不仅仅是简单文本和WEB站点的浏览，多媒体技术在Internet上展现出崭新的魅力。
但是这两次“革命”仍留下了许多值得我们研究和探讨的问题：
（1）宽带技术的传输速率是否能长期适应日益壮大的全球网民的需求。
（2）光纤的建设费用昂贵。
（3）光纤的覆盖面积过小。
（4）宽带技术的收费是否能够长期适应网民的心理承受能力。
而电力线载波技术（PLC）的应用，将会给网络的接入方式带来第3次“革命”。
1 PLC技术的发展
电力线通信是通过电力线载波方式来传送网络信息。其历史可追溯到20世纪20年代。那时，主要集中在11 kV以上的高压远距离传输。工作频率为150kHz以下，该频段成为欧洲电技术标准化委员会电力线通信的正式频段。到20世纪50年代，高压电力线通信技术已广泛用于监控、远程显示、设备保护以及语音传输等领域。50年代后至90年代早期的30多年中，电力线通信开始应用在中压和低压电力网络。 低压电力线载波通信的研究，在美、德、英等国家已取得了突破性的进展。最早提出低压电力线载波通信概念并进行可行性研究的是英国曼彻斯特的一家地区性供电公司NORWEB，NORWEB公司在完成世界上首次配电网上的25个终端用户的电话与数据通信试验后（1992～1993年），已开发出2 MHz带宽内传输速率为1 Mbit／s的系统。1993年，英国SWEB公司成功地在一地区性有限遥测系统（RMS）中采用中、低压配电网进行两路数字载波通信，将已有的水、电表计与电能表计连接起来，能提供包括水、天然气、电能的自动抄表等功能。
电力线载波目前主要采用2种技术，即扩频通信（SSC：Spread Specturn communication）技术和正交频分复用（OFDM：Orthogonal Frequency Division Multi－pleking）技术。目前，在英、美等国，扩频技术的使用已有现场试验的报告，ABB公司已成功开发出基于跳频方式的低压电力载波通信系统DartNet（1999年），其信号传输速率为1．2 kbit／s。至于扩频芯片，据Intellon公司最新报道，其PowerPacketTechnology信号传输速率已达1．4 Mbit／s。以此为背景，其OFDM技术也取得了突破性进展，组网试验中已可实现速率为14 Mbit／s的数据传输。在我国，清华大学已研制成功基于SSC技术的配电网通信实验平台，可在两台计算机之间通过220 V低压电力线实现文件或数据的传输，速率为10 kbit／s。
美、德、法等国家已提出家庭插座（HomePlug）计划，旨在推动以电力线为传输媒介的数字化家庭（Digital）。可以预见，低压电力线载波通信技术必将成为新的研究热点，它已经引起了世界各国的广泛关注。
2 PLC的主要技术
电力线通信环境恶劣，许多技术问题一直困挠人们。其中，最主要的问题在于噪音和信号衰减。电力线通信的噪音来自与低压电网相连的负载以及无线电广播的干挠。而信号的衰减是与通信信道的物理长度和低压电网的阻抗匹配相关的。
由于负载的开关会引起电力线上供电电流的波动，从而导致在电力线的周围产生电磁辐射。所以，沿电力线传送数据时，会出现许多意想不到的问题。在这样的噪声环境下，很难保证数据传输的质量。而且，电力线通信的噪音和信号衰减是随时间变化的，很难找到规律。因此，电力线通信的环境极为恶劣。要在电力网上实现可靠、安全的数据传输是相当困难的，以下简述PLC采用的2种主要技术。
2．1 SSC技术
扩频（SSC）技术的真正全面研究是从20世纪50年代美国麻省理工学院成功研制的NOMAC系统开始的。1976年，R．CDixon撰写了第一部关于扩频通信的概述性专著：Spread SpectrumSystem。1982年J．K．Holmes撰写的Coherent SpectrumSystem是第一部扩频通信的理论性专著。
扩频通信就是用伪随机编码将待传送的信息数据进行调制，实现频谱扩展后再传输，在接收端则采用同样的编码进行解调及相关处理。其基本原理图如图1所示：
香农公式C＝Wlog2（1＋P／N）（其中：C为信道容量，W为频带宽度，P／N为信噪比）指出，频带W和信噪比P／N是可以互换的，这意味着如果增加频带的宽度，就可以在较低的信噪比的情况下用相同的信息率以任意小的差错概率来传输信息。这就是用扩展频谱的方法获得的好处，也是扩频通信的核心所在。
就低压电力载波通信而言，应用扩频通信的主要优点如下：
（1）抗干扰能力强，适合在低压电力线这样的恶劣通信环境下实现可靠的数据信息。
（2）可以实现码分多址技术，在低压配电网上实现不同用户的同时通信。
（3）信号的功率谱密度很低，具有良好的隐蔽性，不易被截获。
扩频通信虽然抗干扰能力较强，但受其原理制约，传输速率最高只能达到1 Mbit／s左右。
2．2 OFDM技术
OFDM技术的发展可追溯到1966年，R．W．Chang首次提出多路传输的窄频带正交分解及合成的概念；1971年S．B．Weinstein和P．M．Ebert使用离散傅立叶变换进行基带的调制和解调，为OFDM的发展作出了巨大的贡献；1980年，APeled和A．Ruiz提出利用循环前缀来保持正交性，将OFDM向实用化推进了一大步。Intellon等一批全球知名企业已将OFDM技术应用于实际系统，其PowerPacket技术的传输速率已达14 Mbit／s（频带：4．3～20．9 MHz，84路载波）。
OFDM技术把所传输的高速数据流分解成若干个子比特流，每个子比特流具有低得多的传输速率，并且用这些低速数据流调制若干个子载波。
假设1个周期内传送的码元序列d0，d1，…，dN－1通过串－并转换器分别调制在N个子载波f0，f1，…，fN－1上，这些子载波满足正交特性，其频谱相互重叠。所谓子载波频谱正交，是指在传统的频分复用（FDMA）系统中2个相邻子载波的频率相差系统的码元传输速率为fs，2个相邻子信道的中心频点至少相差fs的3～5倍，以防止邻道干扰，而OFDM的相邻子载波十分接近，大大提高了频谱利用率，它们在频域上是相互交叠的，其频谱分布如图2所示。研究表明，只要子载波之间满足特定的正交约束条件，采用变频和积分的手段就可以有效地分离出各个子信道信号。
OFDM调制的原理虽然是用N个相互正交的载频分别调制N路子信道码元序列，但是在实际系统中很难采用这种方式，因为我们无法防止子信道之间严重的邻道干扰。OFDM调制之所以成功应用的一个重要原因是它可以采用DSP技术来实现调制和解调过程。
实际上系统通常采用DSP芯片由快速傅里叶反变换（IFFT）实现上述过程，其组成结构如图3所示。 发送部分由串－并转换器、基带调制模块、IFFT、合路器和D／A转换器组成。工作过程如下：发送端将高速数据流通过串－并转换器分解成N个低速数据块，对每路低速数据进行基带调制（可采用BPSK，QPSK，QAM，TCM等），然后通过IFFT将基带调制信号搬移到N路子载波上合路后发出。发送信号通过叠加了各种噪声和干扰的电力线信道传递到接收端。
接收器用A／D转换器、带通滤波器、FFT、解调模块等部分组成。其工作过程为：采用FFT恢复基带信号，并采用相应的解调方式解调出N路低速数据，最后通过并－串转换合成原始高速数据流。
3 PLC技术应用展望
随着PLC技术的不断发展，电力线接入Inter－net已成为现实，与现在的以太网、ADSL，HFC等宽带接入技术相比，PLC具有更明显的优势：
（1）无须新线。目前全国电力专用通信网已建成数字微波通信电路64000 km，电力线载波65万话路km，光纤通信电路约6000 km，卫星通信地球站36座交换机总容量约60万门，以及大量的城市电缆系统。PLC要做的，就是将这些已经具备的电信基础和遍布全国的电力网连接起来。
（2）分布广泛，接入方便。现在我国的电话用户大概在3亿户以内，还有很多地方是民用的通信网无法覆盖的fs。但只要是有电线的地方，电力系统的专用通信网就一定能够到达。
（3）PLC的接入成本低，建设费用低，可以大大减轻用户的经济负担。
由于电力线接入Internet拥有这样的优势和广阔的发展前景，也就成为了世界上所有国家都在致力实现的一个梦想。2001年，韩国在世界上首次实现了电力线通信的实用化。今年内，韩国将开始推广用输电线上网。日本邮政省也计划在2002年将家庭和办公场所普遍铺设的民用电力线路作为互联网高速接入的通信线路。
对于电信设施还不够完备的发展中国家来说电力线接入Internet就更具有吸引力了。因为电力网是最基础的网络。它的规模之大，是任何其他网络所不可比拟的。中国电力系统拥有遍及全国各个角落的管沟资源，而这些资源是建设本地宽带网络接入的物资基础。遍布城乡的配电线路和杆沟，也为实现用户接入系统的宽带化提供了便利条件。
国家电力公司通信中心正在加紧进行电力线接入Internet的实验。此前，国电通信中心分别于2001年12月和2002年3月在北京广华轩小区和华景园小区开通了两个PLC试验网。这3个PLC试验网的开通，开创了我国应用PLC技术的3项第一：率先开通了我国第一个宽带接入方式的PLC试验网。第2个PLC试验网除了具备高速上网的功能外，还具备VoIP语音功能，在我国第一次实现了利用电力线同时上网和打电话。此次开通的第安装工作快捷，系统运行稳定，网页登陆速度快，表明我国PLC接入系统的研发技术达到了世界先进水平。由于电线通信的费用仅为利用光纤通信电缆网络进行高速INTERNET服务的60％～70％，并不必支付使用线路费用，从而会大大降低通信费用。因此，尽管现在还没有出台电力线接入Internet的收费标准，但是可以想见，费用一定会低于现在的几种上网方式。PLC技术的应用前景将无限广阔。
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