高速電力載波接入技術的研究

趙 東,趙鞠萌,劉仁云

(1.長春師范學院計算機科學與技術學院,吉林長春 130032;2.吉林省經濟信息中心,吉林長春 130051;3.長春師范學院數學學院,吉林長春 130032)

高速電力載波接入技術的研究

趙 東1,趙鞠萌2,劉仁云3

(1.長春師范學院計算機科學與技術學院,吉林長春 130032;2.吉林省經濟信息中心,吉林長春 130051;3.長春師范學院數學學院,吉林長春 130032)

本文通過對網絡最后一公里問題的分析,并結合互聯網絡應用的多種過渡方案,提出了以高速電力載波為載體的接入設計方案,采用OFDM技術將高數據流分解為低速數據流,并有效地分離各信道信號,以實現高速信息數據在電力線上的傳輸,從而使得通過網絡對家庭智能化設備進行控制變得簡單、可行。

電力線載波;SCC;OFDM;寬帶接入方案

1 概述

互聯網絡已成為人們工作、生活和學習不可或缺的部分,伴隨著人們對網絡日益劇增的需求,要求對網絡的技術、功能、環境等提出改革與創新。傳統的網絡有線傳輸介質主要由網線、光纖和電纜組成,在網絡最后一公里的通信架設及所需材料方面都要耗費大量財力、物力。

如何建設一個綜合、經濟、可靠、有效的通信網絡,既能滿足現在的各種網絡需求,又能適應發展的需要,為不斷增多的用戶、更大的帶寬以及新的業務更大的空間,減少不必要的重復投資,已成為當前亟待解決的問題。

電力線載波通信 (PLC)是電力系統特有的通信方式,以普遍存在的電力線為通信載體,實現高速數據流在線路中的傳遞,高速載波方式安全穩定,是唯一不需要線路投資的有線通信方式。電路線通信是先將數據調制成載波信號或擴頻信號,然后通過耦合器耦合到220V或其他交/直流電力線甚至是沒有電力的雙絞線上。電力線載波通信不僅提供了實用的新興通信手段,而且具有現有物理鏈路、易維護、易推廣、易使用、低成本等優點。

2 主要研究技術內容的國內外發展水平及方向

對于網絡需求發展空間的擴大,國內也把PLC技術的研究作為一項重要課題,并且取得較好的成效。從1997年起,中國電力科學研究院開始組織團隊研究PLC技術,并提出把基于PLC技術的遠程抄表作為主要開發項目。在以后的兩年里著手進行PLC技術的研發工作。對于低壓配電網絡的傳輸特性提出了測試方案,并進行了詳細測試,通過對測試結果的分析,得到了低壓配電網絡的各項指標,為此類其他研發工作提供技術支持。但我們必須看到,我們與國外PLC發展還有一定的差距,我國現在主要針對在低流量、低速率的應用場合,主要產品是100K BPS-500K BPS的抄表系統、智能控制系統等。

目前瑞士Ascom公司生產的PLC產品能達到的最大速率為415Mbps,韓國Xeline的產品最大速率為14Mbps,而西班牙DS2的產品能達到45Mbps。因此,研究高速電力載波通訊技術,與國際接軌,研制出適合我國市場的電力載波通訊產品意義重大。

PLC寬帶接入技術可為用戶提供Internet接入、VOD點播、遠程教育、遠程醫療、IP電話、IP傳真、智能小區、智能家電控制等服務。隨著信息技術的發展、數字家庭市場的啟動,我們有理由相信寬帶電力線通信會和無線WiFi、xDSL一起成為數字家庭骨干網的選擇之一,在未來的數字家庭的市場上三分天下。

3 研究方法

電力載波目前主要有兩種實現方法,即擴頻通信 (SCC)技術和正交頻分復用 (OFDM)技術。SCC主要用于低于1M的速率場合,OFDM技術用于高速帶寬的數據傳輸。

OFDM技術本質是把電力線中存在高速數據流轉化為多個子比特流,被分解得到的子比特流擁有較低的傳輸速率,每個子比特流用以調制若干個子載波。如果設定在1個周期內傳輸的碼元序列為a0,a1,…,aN-1經過串并轉換器依次調制在N個子載波b0,b1,…,bN-1上,因為使用的子載波符合正交特性,它們的頻譜彼此重疊。由于子載波頻譜正交特點,使傳統的頻分復用 (FDMA)系統中2個相鄰子載波的頻率相差系統的碼元傳輸速率為v0,彼此相鄰的子信道的中心頻點相對于v0相差3～5倍,這樣就可以防止相鄰信道之間的信號干擾,由于OFDM的互相毗鄰的兩個子載波特性相近,因此頻譜利用率極大提高,并且具有相互交疊的頻域。通過研究表明,如果子載波彼此之間滿足約定的正交約束條件,我們即可利用變頻和積分的方法去分離出各個子信道信號,達到信道分離的效果。

通過對OFDM調制的原理的分析,得出可以用N個相互正交的載頻分別調制N路子信道碼元序列,由于子信道彼此較大的鄰道干擾,實際環境中采用此種方法仍然存在困難。把DSP技術作為調制和解調的手段,使得OFDM調制技術進一步得到廣泛應用。

在實際環境中,我們采用DSP處理芯片并應用快速傅里葉反變換 (IFFT)算法已達到上述目的。其中發送端主要由以下部分組成:串并聯轉換器、基帶調制模塊、合路器、IFFT和D/A轉換器等。系統的工作流程如下:

(1)首先發送端將高速數據流通過串并轉換器分解成N個低速數據塊;

(2)對每路低速數據進行基帶調制;

(3)通過IFFT將基帶調制信號搬移到N路子載波上合路后發出;

(4)發送信號通過疊加了各種噪聲和干擾的電力線信道傳遞到接收端。

接收器主要由以下部分組成:帶通濾波器、A/D轉換器、解調模塊、FFT等。接受器的工作流程如下:

(1)首先系統采用FFT技術進行基帶信號的恢復;

(2)然后采用適合的數據解調方式解調出N路的低速數據;

(3)最后使用并串轉換合成方法,合成原始高速數據流。

通過對上述方案的探討,我們采用集成度非常高的INTELLON公司的INT5500做為調制解調的主控芯片,結合INT1200高速模擬前端,接收數據時電力線上的信號通過濾波器經由INT1200的A/D通道傳輸給控制芯片,發送時控制芯片的數據經由INT1200的D/A通道耦合到電力線上,實現數據的雙向通訊。

電力網上存在各種各樣的干擾,數據收發穩定可靠是本項目的挑戰之一。電力載波通訊速度一直以來是影響其推廣的重要瓶頸,實際研制的產品會比理論的計算速度低,因此,優化通訊速度,充分利用軟、硬件資源,使之更好地發揮作用,是本項目的另一個難點。

4 主要應用前景

電力線載波通訊技術可以應用在各個方面,家居自動化、小型辦公室、家庭辦公室通訊、互聯網、音視頻、游戲、安防、自動抄表系統等。對于采用工業自動化控制的企業,存在信號干擾大、布線較為困難的環境,采用電力載波通訊方式可以收到較好的效果。故而在西方國家電力線載波通信的比例一直保持在12%左右,有的國家甚至高達30%。

電力線載波技術的突出的優點及廣闊的發展前景,使其成為了世界上所有國家都投入較大的財力、物力和人力進行研發。在21世紀初,韓國首次把電力線通信作為通信的另一手段。此后,韓國對輸電線上網進行推廣應用。日本對于家庭和辦公場所普遍存在的電力線路進行規劃,把其作為互聯網高速接入的新型通信方式。

電力線載波通訊的最大的特點是不需要重新架設網絡,只要有電線,就能進行數據傳遞,實現家庭上網,無疑也成為了解決智能家居數據傳輸的最佳方案之一。同時因為數據僅在家庭這個范圍中傳輸,束縛PLC應用的困擾問題將在很大程度上減弱,我們也能通過傳統網絡先連接到PC然后再控制家電方式實現遠程對家電的控制,PLC調制解調模塊的成本也遠低于無線模塊。

我國擁有遍及全國各個角落的電力系統的條件,依托現有的資源用以建設本地寬帶網絡接入的物資基礎。對于城鄉的電力網的普及,也使電力網實現高速寬帶連接成為現實。隨著信息技術的進一步發展,家居智能化、信息現代化程度的進一步提高,電力載波通訊技術定會迎來飛速發展的時代。因此,研制出適合我國的電力載波通訊設備,必將產生巨大的經濟效益及深遠的社會影響。

5 結束語

本系統基于OFDM技術研究電力線高速寬帶接入方案,可以充分利用現有的遍及各地的電力網,避免了網絡系統的重復投資和浪費,對于分布較分散的住戶及偏遠用戶優勢體現更明顯。而各用戶內部的電力網又可以構成區域局域網,使得用戶更靈活地通過網絡對家庭智能化設備進行控制。

隨著電力系統通信的不斷社會化以及電力線通信新技術的迅猛發展,加之人們對網絡需求的增加,基于電力線實現寬帶綜合業務接入終將成為網絡重要的組成部分,普及到人們的工作、生活和學習的活動中。

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[2]劉曉勝,胡永軍,張勝友.低壓配電網電力線載波通信與新技術[J].電氣應用,2006(2):5-7.

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[5]李引新,趙姚同.正交頻分多路(OFDM)的實現方式及性能分析[J].電訊技術,1998(6).

Research on the Access Technology of High-speed Power Line Carrier

ZHAO Dong1,ZHAO Ju-meng2,LIU Ren-yun3
(1.College of Computer Science and Technology,Changchun Normal University,Changchun 130032,China;2.Economic Information Center of Jilin Province,Changchun 130051,China;3.College of Mathematics,Changchun Normal University,Changchun 130032,China)

Through analyzing the problem of last kilometer of network and combining various transition plans of Internet ap2 plication,this paper put forward an access scheme for high-speed power line carrier.The OFDM technology can be applied to decompose high-speed data stream to low-speed data stream,and effectively separate signals of each channel,so as to realize the transmission of high-speed information data in power line,and make the control on home intelligent equipments based on network become simple and feasible.

PLC;SCC;OFDM;broadband access scheme

TP393

B

1008-178X(2011)02-0034-03

2011-02-01

吉林省教育廳“十一五”科學技術研究項目 (吉科教合字 [2009433]號)。

趙 東 (1978-),男,吉林長春人,長春師范學院計算機科學與技術學院講師,從事嵌入式系統及智能控制研究。