電力線高速通信技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展

董騰飛 董適

石家莊裕華區(qū)大馬莊園 河北 石家莊 050000

引言

我國電力市場的快速發(fā)展促使電力企業(yè)不斷找尋在市場競爭中能夠脫穎而出的新方法。電力線高速通信技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展給許多電力企業(yè)提供了嶄新思路[1]。該技術(shù)成本低、效率高，并且不需要額外布線。這些特點(diǎn)都為電力企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提升創(chuàng)造了有利條件。電力線高速通信技術(shù)為電力企業(yè)制造了新的利潤增長點(diǎn)，同時也能夠有效促進(jìn)電力市場的可持續(xù)發(fā)展。

1 電力線高速通信技術(shù)概述

互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的發(fā)展使我國網(wǎng)民數(shù)量迅速增加，人們對于通信方式等相關(guān)問題也越來越重視。電力通信技術(shù)已經(jīng)經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，該技術(shù)的應(yīng)用為解決用戶終端與寬帶網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接難題提供了新的解決途徑。將用戶終端連接到距離最近的寬帶網(wǎng)絡(luò)始終是困擾互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)一步發(fā)展的難題，而人們對于電力線高速通信技術(shù)的研究和發(fā)展有助于突破互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的瓶頸，解決寬帶接入用戶終端“最后一公里”這一問題[2]。經(jīng)深入研究和廣泛實(shí)踐，人們發(fā)現(xiàn)電力線高速通信技術(shù)具備較多優(yōu)勢，如連接方便、覆蓋范圍廣，這些優(yōu)勢使電力線高速通信技術(shù)在通信方式中具備了自己的核心競爭力。當(dāng)前，電力線高速通信技術(shù)能傳輸≥45Mbps的數(shù)據(jù)，其能夠同時傳輸語音、視頻、數(shù)據(jù)以及電力的功能促進(jìn)了“四網(wǎng)合一”新趨勢的發(fā)展。

1.1 電力線通信技術(shù)的分類

電力線高速通信技術(shù)是一種在電力線的依托下進(jìn)行數(shù)據(jù)和語音信號傳輸?shù)耐ㄐ欧绞健ｋ娏€高速通信技術(shù)在220V低壓范圍內(nèi)的傳輸速率因≤1200bps被稱為低速PLC（Power Line Communication的英文簡稱）[3]。高速PLC則是指在依托低壓電力線時傳輸速率能超過1Mbps的通信技術(shù)。由此可見，電力線通信技術(shù)可以按照數(shù)據(jù)及語音信號的傳輸速率進(jìn)行劃分，主要分為電力線低速通信技術(shù)和電力線高速通信技術(shù)；也可以按照通信技術(shù)所依托的電壓等級進(jìn)行劃分，可劃分為低壓電力載波通信技術(shù)、中壓電力載波通信技術(shù)以及高壓電力載波通信技術(shù)。

1.2 電力線高速通信技術(shù)的固件

電力線高速通信技術(shù)應(yīng)用的對象主要有家庭組網(wǎng)、接入網(wǎng)和虛擬專用網(wǎng)這3類。因此，電力線高速通信技術(shù)的固件設(shè)備也主要分為以下3種。

1.2.1 傳輸設(shè)備。傳輸設(shè)備的作用在于調(diào)制解調(diào)信號。傳輸設(shè)備中的調(diào)制設(shè)備能夠降低信號的干擾。傳輸設(shè)備主要分為正交頻分服用、頻移鍵控以及擴(kuò)頻這三大系列。傳輸設(shè)備在結(jié)構(gòu)和功能上與其他Modem既有共同之處又存在著一定程度上的差異。一方面，傳輸設(shè)備與其他Modem在調(diào)制解調(diào)的部件上存在著不同；另一方面，兩者的接口部件也有所區(qū)別，數(shù)據(jù)終端主要通過家電接口與家電進(jìn)行連接，從而達(dá)到互傳信息的目的，而傳輸設(shè)備是憑借電力線與耦合電路的連接來完成數(shù)據(jù)傳輸。

1.2.2 特殊設(shè)備。特殊設(shè)備的應(yīng)用能夠有效解決電力線信號傳輸中存在的弱載波信號和信息共用等問題。特殊設(shè)備主要分為家電接口、信號耦合設(shè)備以及保密設(shè)備這三種。

1.2.3 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是電力線高速通信的必備固件。在電力線高速通信網(wǎng)和其他網(wǎng)進(jìn)行互聯(lián)的過程中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)揮著選擇路徑、交換數(shù)據(jù)以及進(jìn)行地址分配的重要作用。

1.3 電力線高速通信技術(shù)的基本調(diào)制技術(shù)

通常情況下，電力線高速通信技術(shù)的調(diào)制方式可以分為幅移鍵位、頻移鍵位以及相移鍵位這三種。但調(diào)制技術(shù)又分為以下很多種：相移鍵控、頻移鍵控、擴(kuò)頻以及正交頻分服用等。根據(jù)電力線高速通信信道的特點(diǎn)，僅依靠幅移鍵控難以解決噪聲干擾等問題。因此，在電力線高速通信技術(shù)中，頻移鍵控和相移鍵控是使用頻率較高的兩種技術(shù)。相較于其他調(diào)劑技術(shù)而言，頻移鍵控傳輸速率低，但這種技術(shù)本身具有簡單易操作的特點(diǎn)，也因此得以廣泛應(yīng)用。適用于高速信號傳輸?shù)募夹g(shù)是正交幅度調(diào)制技術(shù)，正交幅度調(diào)制技術(shù)在這幾種常用的調(diào)制技術(shù)中是抗噪性較強(qiáng)的一種，頻帶的利用率也是最高的。在運(yùn)行過程中，正交幅度調(diào)制技術(shù)采用較為密集的信號點(diǎn)來增加信號的速率。這種做法雖然能夠增加信號速率，但會使信道誤碼率增加。為解決這一問題，可以使格狀編碼調(diào)制技術(shù)與正交幅度調(diào)制技術(shù)相結(jié)合。在技術(shù)應(yīng)用過程中，為提高傳輸性能，需嚴(yán)格設(shè)計正交幅度調(diào)制與頻移鍵控的實(shí)現(xiàn)方式，確保正交幅度調(diào)制與頻移鍵控能適應(yīng)電力線高速通信的信道特點(diǎn)。

2 電力線高速通信技術(shù)當(dāng)前發(fā)展?fàn)顩r分析

2.1 我國電力線高速通信技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

自從英國誕生高速PLC技術(shù)以后，我國的研究機(jī)構(gòu)也進(jìn)行了相應(yīng)的研究，取得了一定的成果。中國電力科學(xué)研究院自1999年起開始研究高速PLC技術(shù)，并開發(fā)出了一系列高速PLC產(chǎn)品。2001年8月，沈陽電業(yè)新村小區(qū)建立了我國第一個高速PLC實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)，開通了基于該網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化社區(qū)。電力線載波通信網(wǎng)是我國長期以來應(yīng)用的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，多數(shù)輸電線路的開通促進(jìn)了電力線載波通信網(wǎng)的開通。電力線載波通信技術(shù)的代表是中電飛華公司。中電飛華公司能夠在低壓配電網(wǎng)絡(luò)的支持下結(jié)合電力線高速通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)寬帶接入。福建省電力科學(xué)研究院于2010年成功研制出了200M的BPL調(diào)制解調(diào)器。該解調(diào)器能形成電話、電視、互聯(lián)網(wǎng)以及電力傳輸“四體合一”的新技術(shù)，被稱為BPL新技術(shù)。BPL調(diào)制解調(diào)器所形成的新技術(shù)能實(shí)現(xiàn)電話、電視、互聯(lián)網(wǎng)以及電力傳輸?shù)摹八木W(wǎng)合一”。在PLC技術(shù)迅速發(fā)展的過程中利用低壓配電網(wǎng)傳輸高速數(shù)據(jù)信號來取代光纖和雙絞線，能更加充分地利用資源，實(shí)現(xiàn)真正的“四網(wǎng)合一”。這種“四網(wǎng)合一”的新趨勢有助于為電力公司提供更為完整的電信級應(yīng)用解決方案。總之，電力線高速通信技術(shù)的應(yīng)用能為電力公司帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。同時，電力線高速通信技術(shù)的應(yīng)用給人們應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)造了更多便利，具有社會效益。但需要注意，我國的低壓配電網(wǎng)極具復(fù)雜性，屏蔽效用較差，接線方式多樣。這就導(dǎo)致了我國無法直接應(yīng)用外國產(chǎn)品，外國產(chǎn)品必須要經(jīng)過嚴(yán)格測試，當(dāng)外國產(chǎn)品符合我國的技術(shù)指標(biāo)時才能在我國得以應(yīng)用。最重要的是，PLC技術(shù)的涉及面很廣，從業(yè)人員必須具備較高的專業(yè)素養(yǎng)。因此，我國應(yīng)在資金和政策兩方面支持該技術(shù)的發(fā)展，培養(yǎng)高素質(zhì)人才。

2.2 國外電力線高速通信技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

1990年，英國Norweb公司開始研究電力線載波通信技術(shù)；1998年，該公司開展了傳統(tǒng)輸電線路接入互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)，最終取得成功；2001年，美國英特倫公司開發(fā)新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高速電信網(wǎng)與高壓電線網(wǎng)的連接。互聯(lián)網(wǎng)的聲音和資料經(jīng)過特殊轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換到高壓電線網(wǎng)內(nèi)，終端用戶通過電線對其進(jìn)行接收。近些年來，電力線高速通信技術(shù)的專用芯片傳輸速率指標(biāo)在不斷提升。2002年，全球電力線高速通信的專用芯片的傳輸速度已經(jīng)能達(dá)到70～100Mbits，在此以后，芯片的傳輸速率還在不斷增加。目前，在高速PLC進(jìn)行商業(yè)化運(yùn)營方面走在前列的是德國公司。在德國的曼海姆，當(dāng)?shù)啬茉垂綧VV采用了以色列公司的產(chǎn)品進(jìn)行商用化運(yùn)營實(shí)驗(yàn)，并為此成立了合資公司。迄今為止，只有德國在埃森和曼海姆的兩個電力線高速通信網(wǎng)絡(luò)投入商用化運(yùn)營，其他國家還在進(jìn)行試點(diǎn)研究。

2.3 高速PLC技術(shù)的發(fā)展模式

首先第一種模式是家庭聯(lián)網(wǎng)模式，美國主要使用的就是這種模式，其PLC技術(shù)主要是提供家庭的內(nèi)部聯(lián)網(wǎng)，如果想要訪問戶外，依然要使用傳統(tǒng)的方法。美國使用這種模式的主要原因是其的HFC、ADSL等產(chǎn)品和技術(shù)發(fā)展十分迅速以及變得較為成熟，并且美國使用的一般是單相的低壓配電變壓器，平均只有5-6個客戶享受供電的服務(wù)，如果美國推廣并使用高速PLC技術(shù)的話會造成成本消耗過高。據(jù)調(diào)查可知，Intellon公司的室內(nèi)產(chǎn)品Power Paeket速率是較高的，已經(jīng)可以達(dá)到14Mb/s。

第二種模式就是面向現(xiàn)如今亞太市場以及歐洲市場使用的。由于這些市場具備著相似的低壓配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，可以同時給200–300個用戶提供供電的服務(wù)，所以意味著在這些地區(qū)內(nèi)推廣使用高速PLC技術(shù)是可行的，并且可以減少損耗和成本。這種模式的使用方式主要是全面提升用戶家庭的PLC解決方案或者提供自配電變壓器。但是因?yàn)槭覂?nèi)產(chǎn)品以及室外產(chǎn)品的使用情況以及環(huán)境都不相同，就導(dǎo)致全面實(shí)施有一定的難度。所以現(xiàn)如今能夠提供這種模式的公司數(shù)量較為稀少，分別有以色列Main Net公司、瑞士Ascom公司、西班牙DS2公司等。并且這幾個公司在其他的國家和地區(qū)都建造了實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)，例如韓國、西班牙、奧地利、法國、新加坡、德國。

3 有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

從一定程度來說，電力線的作用等同于天線，主要是將外來的電磁波進(jìn)行吸收，并且將自身的電磁波向外進(jìn)行輻射。但是短波收音機(jī)以及電力線產(chǎn)生的電磁波是同用頻段的，就會被對方影響，為了讓這種干擾不影響工作，就需要制定一系列的標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)在制定了高速PLC通信法律法規(guī)的只有德國的NB30和英國的MPT1570。另外，如果加上美國目前正在使用的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)FCC15，那么就有3個正式的標(biāo)準(zhǔn)。在這些標(biāo)準(zhǔn)中，要求最嚴(yán)格的是MPT1570，要求最松的是FCC15，處于兩者之間的是NB30。

德周多特蒙德大學(xué)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果同時在64臺電腦上使用5類雙絞線進(jìn)行上網(wǎng)的話，此時產(chǎn)生的電磁輻射會超過NB30標(biāo)準(zhǔn)的限定數(shù)額。所以，這個標(biāo)準(zhǔn)從某種程度上說設(shè)定并不是完美的。

如果將德國制定的標(biāo)準(zhǔn)和美國的FCC15進(jìn)行一定的比較的話，德國的標(biāo)準(zhǔn)是存在著較大的問題的。比如說，當(dāng)電磁波在2 MHz左右時，美國的限值標(biāo)準(zhǔn)比德國的限值標(biāo)準(zhǔn)限定的要高出30dB，這在一定程度上表示美國的傳送功率要高1000倍，或者表示一些數(shù)據(jù)的傳輸速率要比德國的高10倍。由于以上的原因可以發(fā)現(xiàn)，速率在10Mb/s的PLC系統(tǒng)首先在美國產(chǎn)生了。

德國的限值與美國進(jìn)行比較的話，德國的限值數(shù)已經(jīng)讓PLC系統(tǒng)的發(fā)展出現(xiàn)了阻力，所以很多組織正在想辦法推翻這個標(biāo)準(zhǔn)。

英國的情況相比于其他國家來說就更為糟糕，由于其標(biāo)準(zhǔn)中的限值比德國的NB30低20dB左右，就相當(dāng)于傳輸?shù)乃俾时绕渖倭?成，處于這種情況下，電力公司是不可能對其的高速PLC技術(shù)進(jìn)行投資的，另外，從技術(shù)這一方面來說，這樣的限值是存在很大的問題的，很多情況下的電磁輻射都會超過這個限值，例如電話線、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、有線電視等。

4 結(jié)束語

隨著我國電力線高速通信技術(shù)的快速發(fā)展，電力通信已經(jīng)成為寬帶的骨干網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)傳輸高速數(shù)據(jù)信號這一目標(biāo)。與此同時，電力線高速通信技術(shù)在充分利用國內(nèi)現(xiàn)有資源的基礎(chǔ)上促成了“四體合一”的新趨勢，這為提高電力企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益創(chuàng)造了條件，成為電力市場中的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，同時為我國社會發(fā)展創(chuàng)造了巨大的社會效益。