低壓電力線通訊網絡技術發展的研究

李非文

摘 要：高壓電力線載波通信已有近百年的歷史，它在電力調度話音通信、電力系統遠動裝置數據采集等方面取得了卓有成效的應用，但是利用一個臺區的低壓電力線建立Internet接入網是近幾年來國際上剛剛興起的技術。本文論述的電力線通信（Power Line Communications）計算機網絡（以下簡稱PLC網絡）是以電力線為通信介質實現數據傳輸或建立計算機網絡的相關技術研究。由于低壓電力線的普及程度比其他任何通信介質都廣泛，研究電力線作為信息傳輸介質在技術和經濟方面都有十分重要的意義。

關鍵詞：PLC網絡；電力線通信

1 PLC網絡概述

隨著Internet應用的迅速普及，登錄上網的用戶數急劇增加。在網絡干線基礎設施相對完善的情況下，連接千家萬戶的接入網絡成為制約網絡用戶增長的主要障礙。新增或擴充計算機接入網絡，人們通常都是敷設新的有線信道，如光纖、雙絞線等。研究表明接入網的費用要占網絡總投資的50%以上[Halid2001C]，因為新增線路不僅造價較高，而且對于已經使用的建筑物會造成一定程度的損壞。雖然利用無線或紅外通信不會對建筑物造成破壞，但這類通信容易受天氣原因、建筑物遮擋以及其它各種干擾等因素的影響，因而也不是一種理想的選擇。能不能找到一種省錢、實用、方便的通信介質？近年來，利用低壓電力線介質建立計算機局域網及接入網絡已經成為國際上IT領域的熱門研究內容[1]。

利用電力線介質傳遞信息分為中高壓電力線載波通信和低壓PLC計算機網絡兩個基本類別。中高壓電力線載波通信指利用35kV以上高壓電力線以載波方式傳遞信息，其主要特點是通訊速率低、傳輸距離遠、采用點對點通信方式；低壓PLC計算機網絡指利用220V/380V的用戶電力線為傳輸介質，在末端變壓器和用戶住宅之間或住宅內建立計算機局域網及接入網絡，其特點是通訊速率高、傳輸距離近、采用網絡化通信方式。中高壓電力線載波通信并不是一種新出現的技術，它已經有近百年的發展歷史[2]。長期以來，電力部門利用該技術在中高壓（35kV以上）輸電線路上通過電力線載波機傳遞遠動信息、調度電話語音信息等，傳輸速率一般為300—600bps，載波頻率為9-490kHz。本文主要討論利用低壓電力線介質建立計算機局域網及接入網絡的相關技術（以下簡稱PLC網絡）[3]。

2 PLC網絡技術的發展及其現狀

傳統的電力線通信技術主要包括InteUon CEBus、Echelon Lon Works及AdaptiveNetworks等，下面簡要介紹以上技術及其優缺點[4]。

2.1 Intellon CEBus技術

Intellon是一個生產符合消費電子總線CEBus（ConsumerElectronicsBus）標準產品的私有公司，CEBus標準是一個為在電力線和其它媒介上通信分別提供物理層規范的開放標準。Intellon技術面向住宅網絡提供控制能力，包括兩個基本單元——一個使用擴頻技術的收發器和一個完成協議的微控制器。采用擴頻技術，收發器以大約10kbps的速率傳輸數據包，每個數據包包含必需的發送地址和接收地址。CEBus協議使用對等通信模式，網絡上的任何節點可以在任何時間訪問介質。為了避免數據沖突，其使用載波偵聽多路訪問/沖突檢測和解決CSMA/CDCR（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detectand Resolution）協議，該協議是在載波偵聽多路訪問/沖突檢測CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect）的基礎上加入解決沖突功能的結果。這種介質訪問控制協議要求一個網絡節點等待線路上沒有其它數據包傳送時才能發送數據包。CEBus包括一種公共應用語言CAL（Common Application Language），允許設備之間使用一種公共的語法和詞匯彼此傳遞命令和狀態請求。CAL定義了一系列叫做“環境”的電子設備功能子單元，例如電視機、立體聲音響、CD播放器或盒式磁帶。錄像機的音量控制就是一種CAL環境。每種環境還可進一步細分為代表不同環境控制功能的“對象”，例如音量、低音、高音或靜音功能。最后，對象被定義為一套規定對象功能操作的實例變量，例如音量對象的隱含或當前設定值。通過應用CAL規范，Intellon確信他們的芯片可以同其它CAL兼容設備通信。

2.2 Echelon Lon Works技術

像Intellon一樣，Echelon規定了一種對等通信協議來完成CSMA技術。Echelon提供一種基于擴頻技術的10kbps電力線芯片，還提供一種經過改進的、專有的、嵌入其神經元芯片中的MAC協議來服務于對等網絡層。目前有兩個版本的神經元芯片，都包含三個8位處理器、10k字節RAM和10k字節ROM。Echelon的專有協議策略最近有所變化，開放了其神經元協議，以允許同第三方的電力線收發器接口。由于Echelon芯片設計的巨大開銷和MAC層能力，使得其對住宅用戶解決方案來說價格較貴。因此Echelon技術應用被限制在工業/商業解決方案，而不是住宅應用。實際上，商業建筑自動化系統獨占Echelon收入的30%，另外的30%來自面向工業的控制。

2.3 Adaptive Networks技術

像ntellon和Echelon一樣，Adaptive也提供基于擴頻技術的電力線芯片組，但其提供低速和高速兩套芯片組，速率分別為19.2kbps和100kbps。與Intellon和Echelon使用的對等CSMA/CDCR模式相對應，Adaptive使用一種混合的令牌介質訪問模式。混合令牌模式允許網絡節點在輕負荷環境下使不必要的令牌傳遞減到最小，而在重負荷情況下保持令牌的可靠性。雖然Adaptive技術提供比Intellon和Echelon更快的傳輸速率，但對一些高帶寬的應用來說它還略顯不夠，例如文件共享、打印共享、數字話音和圖像傳輸。

2.4 現有的PLC技術的比較

表1.1列出了以上各現有PLC網絡技術在速率、接入數量、通信方式和MAC層協議方面的比較情況。

3 現有高速PLC網絡技術淺析

目前國際上關于高速PLC網絡技術主要有兩種模式。其一是以美國為代表的住宅連網模式。這種模式只提供住宅內部連網，戶外訪問使用其它的通信方式。美國推薦這種模式是因為其ADSL技術和產品已經比較成熟和普及。支持該模式的國際組織是HomePlug，目前該組織已制定了有關的技術規范（Specification1.0），用于規范PLC網絡的調制方式、壓縮編碼方式、使用頻帶、發送功率、MAC協議等相關技術細節，以增強各廠商產品的兼容性。目前室內PLC網絡較高速率的產品有Intellon公司的PowerPacket，速率達到14Mbps，1TRAN公司的產品速率達12Mbps。這兩種產品目前均處于實驗室階段。另一種模式是面向歐洲和亞太市場，提供自配電變壓器到用戶住宅的PLC網絡全面解決方案，包括“最后一公里”和住宅內的各類信息設施連網。該模式的國際組織是國際電力線通信論壇（IPCF，International Powerline cornlrlunicationForum）。由于室外產品和室內產品的環境差異，在技術上實現起來比較困難，因此目前能夠提供該方案的系統產品很少，大都處于實驗室階段。

3.1 高速PLC原理簡介

低壓配電網在物理上呈樹狀總線結構，因此目前國際上大部分PLC研究實體將PLC網絡構建為總線型結構的以太網。其介質訪問控制主要以CSMA/CD方式工作，或使用令牌環（Token Ring）方式。但這些都是應用現有技術，是研究實體為盡快生產出產品而采取的權宜措施，它并不是適合PLC網絡流量特性的最佳訪問結構。因此，設計高速PLC網絡上具有高性能的MAC層協議以及MAC的性能分析是高速PLC領域中的重要課題[5]。

由圖可知，高速PLC網絡由兩部分組成：室內部分包括所有可能通過電力線連網的信息產品，如計算機、傳真機、數字電視機等數字家電產品；室外部分包括跨接電表的設施，以及各住戶通過“最后一公里”組建的網絡。變壓器是高速PLC網絡的外部“網關”。電能通過變壓器從高壓側送到居民用戶，而PLC計算機網絡則通過安裝在變電站的網關實現與Internet連網。信息產品使用PLC調制解調器連接到PLC介質，PLC調制解調器主要由接口、調制解調和耦合等三部分組成。接V1部分是指電力線調制解調器同用戶設備間的雙向數據傳輸的接口，這些接口包括同智能設備之間的RS一232接口、同計算機之間的RJ.45以太網接口或USB接口、同模擬電話之間的RJ一11接口；調制解調部分由數字信號處理單元和相應的外圍電路組成。數字信號處理單元負責同用戶設備間的雙向通信、實現MAC層協議，并將來自用戶的數據進行編碼、調制后進行數模轉換、放大、濾波后送往耦合單元，或將來自耦合單元經濾波、放大、模數轉換后的信號進行解調、解碼后送往用戶設備；耦合單元是電力線同調制解調部分的結合設備，它將調制好的高頻模擬信號送入電力線進行傳輸，或在電力線上提取出高頻信號以便進行解調[6]。

3.2 PLC網絡技術的優勢

PLC網絡利用四通八達、遍布城鄉，并與用戶直接相連的220W380V低壓電力線高速傳輸信息。因其免除布線、覆蓋范圍廣、連接方便的顯著特點，PLC網絡被認為是提供“最后一公里”解決方案最具競爭力的技術之一。目前國外PLC網絡的通信速率已經達到12Mbps，預計2003年將達到45Mbps，這種速率足以傳輸各種多媒體信息。與常規通信介質網絡相比較，PLC網絡具有一個獨特的優勢：即充分利用現有的低壓電力線基礎設施，無需任何布線，是一種“無線”技術手段，節約有線資源，無需挖溝和穿墻打洞，避免了對建筑物的損壞，節省資金、人力、時間；

與常規通信介質網絡一樣，PLC網絡還具有以下明顯的優勢[7]：

1）低速的PLC網絡是家居自動化的有效手段。通過遍布住宅內的電源插座，可對智能家用電器連網，并通過網關與外部連接。住宅主人在家可以享受數字化住宅設施的舒適和便利，在外可以通過互連網絡及時了解和設定住宅內設施；

2）高速的PLC網絡可以為人們提供Internet接入服務，并且可以享受居家視聽一體化的服務。通過電力線實現網絡瀏覽、網上購物、視頻點播以及可視電話等將不再是遙遠的夢想；

3）利用PLC的永久連接在線，可構建住宅樓宇自動化系統，如防火、防盜防有毒氣體泄漏的保安監控系統讓上班族倍感放心，醫療急救系統讓住有老人、兒童或病人的家庭心里踏實。

以上插述的PLC網絡的技術優勢和美好前景，有些已經在國外成為現實，而其它甚至更好的未來正在探求之中。可以預測，PLC網絡這一新技術對促進經濟發展必將帶來新的機遇。尤其對于中國這樣的發展中國家，經濟實力不夠強大，要趕超發達國家的信息化水平，需要投入巨大的資金，而PLC網絡提供了另一種可能的技術手段，這種技術手段可以幫助我們以較少的投入加快國家信息化的進程，我們沒有理由不盡快研究適合中國電力網環境的PLC網絡技術。

3.3 目前PLC網絡技術存在的主要技術問題

PLC網絡的關鍵技術難點集中在物理層和MAC子層，面臨的主要問題和關鍵技術有[8]：

1）線路阻抗匹配問題。常規專用通信介質有比較固定的負載連接，而電力線介質不象其它專用通信介質那樣，連接在電力線上的任何動力負荷都會影響電力線的阻抗。由于用電負荷接入和斷開具有隨機性，例如開關任何一盞電燈都可能引起線路負載變化。因此，收、發信機的輸出阻抗和輸入阻抗很難和線路的阻抗匹配。自適應均衡技術目前被認為是改善這個問題的關鍵技術之一，它可以動態診斷信道狀態和動態設置信道參數，從而盡可能匹配阻抗。

2）多徑反射問題。低壓配電網絡具有很復雜的樹型結構，連接在電力線上的收發信機因位置不同，會產生多路徑的信號反射，這種反射會引起傳輸信號的選擇性衰減和碼間串擾。OFDM調制技術是目前PLC網絡的一項關鍵技術，它特別適用于像電力線這種具有頻率選擇性失真的信道。

3）頻譜范圍很寬的噪聲問題。電力線的根本用途是輸送能量，線路上連接著無數的配電設施和用電器具。當使用電力線傳遞信息時，除了存在和常規專用傳輸介質同樣的問題之外，連接在電力線上的各種設施也成了噪聲來源，因此PLC網絡傳輸信道中存在頻譜范圍很寬的噪聲。主要的噪聲來源有：

·家用電器，尤其是計算機、電視機開關電源產生的噪聲；

·利用可控硅制作的電子調光器、節能燈及其相關產品所產生的噪聲；

·配電開關設備在電力線上產生的噪聲；

·電動機產生的強噪聲；

·其它高頻信號在空間傳輸中耦合到電力線上的噪聲。

在各種噪聲中，一種稱為非周期性脈沖干擾的噪聲是影響PLC網絡信道的最關鍵問題之一，也是當今本領域專家最關心的熱點問題。在MAC層就如何消除非周期的異步脈沖干擾也沒有獲得有效進展。因此，如何消除或減弱脈沖干擾對物理層和數據鏈路層的影響是PLC網絡中最關鍵的技術之一[9]。

4）電磁兼容性（EMC）問題。作為接入網的PLC網絡，必須使用較高的信號頻率和一定的發射功率，這就存在產品的EMC問題，包括其它電器對PLC產品的影響和PLC產品對其它產品的影響。目前國際上還沒有制定統一的PLC網絡產品EMC標準。

5）國外產品在國內的適應性問題。盡管國外已經研究出一些實驗型PLC產品，但是直接拿到國內來使用可能造成意想不到的后果。因為我國的低壓配電網絡比國外的配網更復雜，用戶多、接線方式多、線徑細、屏蔽不好，這些特點將導致國內電力線的通信參數與國外有所不同。因此，必須對國內線路進行嚴格測試，國外產品必須在滿足國內測試結果的條件下才能應用。

6）PLC網絡的MAC層技術研究十分薄弱。由于PLC物理層本身尚有許多問題需要攻克，目前國外把PLC網絡的研究重點放在PLC物理層，包括調制方式、編碼方式、使用頻帶、發送功率等。而MAC層則簡單地采用常規介質的處理方式。由于電力線介質與常規介質具有不同的特性，照搬常規介質的MAC協議將導致PLC網絡的MAC協議運行失敗或性能低下。事實上，針對電力線的特點，研究MAC的協議工作方式、信道分配方式、數據幀的設定等都是擺在我們面前的課題。

7）PLC網絡研究人才匱乏。PLC網絡不僅在國內是一個剛剛興起的研究課題，而且在國際上也尚處于初期研究階段，從概念定義、理論研究、技術標準、工程試點以及管制政策等方面都有大量需要明確的問題。研究內容涉及電力、通訊、計算機等多個專業學科，要求研究人員具有電力配網、通信、計算機網絡等方面的知識，對研究人員要求高[10]。

4 結論

PLC網絡技術是最近10年來發展起來的技術，具有廣闊的市場應用前景，但作為新興的通信和網絡技術，PLC網絡面臨許多有待攻克的技術難題.目前國外把PLC網絡研究重點放在它的物理層，包括抗干擾、調制方式、編碼方式、頻帶分配等，而它的MAC層則簡單的采用常規介質計算機網絡的MAC層的工作方式，由于電力線介質與常規介質具有不通的物理特性，照搬常規介質的MAC協議將導致PLC網絡的MAC協議運行失敗或性能低下，因此，針對電力線的特點，研究MAC的協議工作方式、信道分配方式、數據幀長度的設定等都是擺在我們面前的課題。

[參考文獻]

[1]曹志剛，錢亞生.《現代通信原理》.清華大學出版社，1992.

[2]陳長德，等.OFDM調制技術在寬帶電力線通信中的應用.《電力系統自動化》，Sept.25，2001.

[3]國家電力科學研究院通信所：”The characteristics of Powerline at High frequencies on Chinese 220/380V Distribution Networks.

[4]李良沫.電力線數字載波及其發展.《電力系統通信》，2000年第一期.

[5 宋永華，肖穎，張棋.電力線載波技術重大突破---數字配電線及其應用.《電網技術》，1999年，第23卷，第二期.

[6]王越先，等.電源線介質計算機網絡的設計與實現.《小型微型計算機系統》V0l.17 No.12 Dec.1996.

[7]趙瑞霖，等.電力線（PL）通信與擴頻載波電路.《電子產品世界》1998.12.

[8]周明天，汪文勇.（（TCP/1P網絡原理與技術》.清華大學出版社，1993.

[9]郭靜波，等.“低壓配電網擴頻信號傳輸特性及通信系統實現對策”.《中國電機工程學報》，第21卷，第7期，2001年7月.

[10]陳堅，孫志月.《MODEM通信編程技術》.西安電子科技大學出版社， 1998.