載波通信技術在物聯網行業的應用

馮少力 劉飛飛 王道遠 洪海敏

摘要：電力體系通信互聯網是電力體系的重要組成部分，跨越生產、輸電、輸配電、用電、編程等所有渠道。經過長期的發展，我國已經形成了微波通信、載流沿電場線通信等多種方式并存的電力體系通信互聯網模式。比如：載波線用作傳輸信息的手段，電場線充電后經高頻調制語音載波信息載體或一種通信和數據傳輸方式也特指電氣體系的通信手段，其主要特點是無需重新布線，可以將現有的電源線用于數據傳輸，因此被廣泛應用于電氣體系中。此外，隨著物聯網技術的發展，市電通信也可以應用于智能路燈、智能家居、智能樓宇和工業控制等領域。

關鍵詞：載波通信技術物聯網行業嵌入式體系應用

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A?? 文章編號：1672-3791（2021）01（b）-0000-00

Application of Carrier Communication Technology in Internet of Things Industry

FENG Shaoli?? LIU Feifei?? WANG Daoyuan?? HONG Haimin

（Shenzhen State Grid Technology Communication Co.， Ltd.， Shenzhen， Guangdong Province， 518109 China）

Abstract： Power system communication internet is an important part of power system， which spans all channels such as production， transmission， transmission and distribution， power consumption， programming and so on. After long-term development， China has formed the power system communication Internet mode of microwave communication， current-carrying communication along the electric field line and so on. For example， the carrier line is used as a means of transmitting information. After charging， the electric field line is a high-frequency modulated voice carrier information carrier or a communication and data transmission mode， which also refers to the communication means of the electrical system. Its main feature is that the existing power line can be used for data transmission without rewiring. Therefore， it is widely used in the electrical system. In addition， with the development of Internet of things technology， municipal power communication can also be applied to smart street lamps， smart homes， smart buildings， industrial control and other fields.

Key Words： Carrier communication technology; Internet of things industry; Embedded system; Application

輸電通信技術在智能電網集電領域的應用，有力地推動了輸電通信行業的發展。電場線寬帶通信不僅可以應用于智能電網的集電領域，還可以應用于智慧城市、智能家居和工業控制領域。當前，隨著物聯網的快速發展，物聯網的范圍已經成為電力通信的重要范圍，而泛電的物聯網建設有望成為電力通信的又一個爆發點。該文結合家庭互聯網的通信需求及電場線載波技術的前景，探討通過電場線PLC在家庭互聯網中的具體實現方法，結合物聯網行業應用特點和信道特性，研究編解碼技術和自組網技術搭建一套適用于物聯網行業的PLC。

1概述

1.1載波通信技術

電載流通信技術是一種特殊的通信手段，它利用電場線傳輸語音或數據信息作為信息的傳遞手段，可分別應用于高壓電場線（通常為35 kV及以上）。中壓線路（10 kV）和低壓線路（380 V/220 V）。它將二次裝置的模擬或數字信息載體與高頻信息載體結合，通過耦合在電場線上實現中距離傳輸。沿著這條線路，通過與中繼節點通信的通信載波通信的遠端終端互聯網的電力傳輸，有效地減少了由于非常強的衰減波長、支撐結構和線路而導致的信息數據丟失，能夠同時傳輸載波信息載體。作為載運工人的時間，其具有經濟、方便、安全的特點，且在節省特殊介質上已被廣泛采用。電載體的交流是暫時的，隨意的。在電網中，低壓燃氣輸電線路直接面向用戶，用戶在使用過程中，接入變性負荷的類型和大小以及隨機性，很難準確預測，另一方面，配電網的低壓電場，通常比較復雜：它們往往是幾個自然不可抗拒的因素，這就使得在進行低壓電力傳輸通信時必須解決一些退化和可變性因素，這些因素對電力傳輸產生了一定的影響尤其是低壓輸電通信技術的發展[1]。

1.2物聯網概述

根據定義，物聯網意味著連接對象和對象的互聯網。它的配置能力，以及它的全球互聯網基礎設施，構成了未來互聯網發展過程的重要組成部分。物聯網基于協議，允許通過一系列信息檢測裝置（例如RFID、紅外傳感器和全球定位體系）交換和管理互聯網上和對象上的信息。由于采用了智能界面，可以與信息特征互聯網無縫集成，例如：“物質”一詞的識別、有利的物理特性和特殊的獨特標志。物聯網概念的出現必須主要歸因于物流體系現代化的需要，現代物流體系希望利用射頻識別、傳感器等信息生成裝置，以及與互聯網相結合的全球定位體系等其他裝置，形成海量互聯網。類似于條碼，自動識別技術（Auto-ID）是物聯網最早的應用。對于如此龐大而復雜的互聯網體系，需要一個可靠、有效、靈活、舒適的管理體系，作為其正確運行的有力保障。首先，它是各種感知技術的廣泛應用。物聯網中使用了大量的各種類型的傳感器，每一個傳感器都是一個聲音的來源，不同類別的傳感器具有不同的內容和信息格式。其次，它是一個基于互聯網的泛在互聯網。物聯網技術的基礎和重要核心再次是互聯網，來自物體的信息通過與互聯網融合的各種有線和無線互聯網實時準確傳輸。最后，物聯網不僅提供傳感器連接，還具有自身的智能處理和智能對象控制能力。物聯網結合傳感器和智能處理，通過使用云計算和模式識別等各種智能技術擴大其范圍[2]。

2電力載波構成的智能家居互聯網

電氣載體是電氣體系通信的一種特殊方式。包含信息的高頻信息載體通過電力傳輸模塊加載到電場線上，實現跨電場線的數據傳輸，然后將高頻信息載體從電場線上分離，并通過電力模塊將信息載體傳輸到終端裝置。智能家居體系中的主體、信息終端、家用裝置均內置載波模塊接口，直接利用電場線組成內部互聯網。因此，電場線不僅是一種能源，也是一種信息和通信手段，也是帶電通信優勢的體現，其基本結構如圖1所示[3]。

3技術設計

3.1電力線載波通信自動組網的實現

“邏輯拓撲”的構建時間是影子算法最重要的因素。一旦確定了信號的產生方式，或者信號物理層的通信速率確定了，那么構建就由建立“邏輯拓撲”所需的探針數量決定，且輪詢次數與節點總數、網絡層數和中繼節點數有很大關系，同時受中繼的子節點位置的影響。總體來說，節點總數、網絡層數和中繼節點數越多，建立“串行拓撲”所需的時間就越長，但是在節點總數、網絡層數、中繼節點總數相同的情況下，需要中繼的子節點所處的位置不同，建立“邏輯拓撲”所需的時間也會不同。

選擇邏輯拓撲后，處理邏輯拓撲中的所有內容：需要定義的數據節點、形狀、網絡層等，這使得運營商網絡每時每刻都能自動通過電網進行通信，以達到準確度和精確度的目標.增加邏輯拓撲的合理性，這使得數據傳輸網絡的邏輯拓撲和信函被調用的質量提高了，需要通信運營商通過電力網絡自動進行高效的組網方法。因此，對邏輯拓撲進行良好的識別是提高自動化電力線載波通信網絡質量的關鍵，對提高電力線載波通信網絡質量具有重要影響。

3.2電力線載波通信自動組網的算法分析

假設一個通信系統總共包含一個主站（下面用A表示）和n個從站（下面用B表示）。假設數據不沖突，因為A發送給B。在這種情況下，數據發送時間可以認為是T。在時間T，邏輯站可以設置為1，假設發送數據失敗的次數小于允許值。反之，下一次需要分層邏輯地址分配。簡而言之，當且僅當邏輯站為 1 時，才認為分層已完成。相反，分層必須繼續。假設在一個通信系統中，p 個通信路徑是共享的。那么基于初始化層算法的通信優化方法如下：（1）當信道不變時，可以先優化邏輯層路徑。在邏輯站路徑較多的情況下，建議分別分析每條路徑的信噪比。如果路徑數量少，可以同時分析;（2）優化其余邏輯層，記錄信噪比。如果信噪比較大，則不會記錄;（3）按照上面的步驟，對從1到p的每條路徑一一優化。

3.3 OFDM體系模型

OFDM技術已經廣泛應用于數字音頻廣播（DAB）、數字視頻廣播（DVB）、ADSL和無線局域網（IEEE802.11a）等領域。另外，在高壓電場線傳輸器的情況下，視頻和數據又通過OFDM調制方式承載傳輸信息載體，具有傳輸速度高、抗多重干擾能力強、頻譜利用率高的特點。和低載波頻率。串行輸入的數據首先被轉換成x位串的并行數據，每一位在與信息載體映射后成為復數x（n）。復數在基本操作的基礎上進行調制，然后進行和/或轉換為系列。符號表示保護距離CP（或安全前綴），以避免因多重失真造成的碼間干擾。分散符號被轉換為模擬D/A信息載體，隨后在低通濾波器上進行濾波，然后將其發送到具有可變頻率的通信信道。接收端完成反向轉發過程。

將OFDM調制技術應用于電流范圍內的通信的一個直接優勢在于，接收部分不必使用單矢量體系的均衡機制。事實上，高壓電通道的非線性特性使得在非常寬的頻帶內進行平衡變得困難且昂貴，OFDM技術能夠克服信道的非線性，降低體系的復雜度，OFDM體系可以將頻率選擇性下降引起的突發錯誤碼歸因于不相關的次信道，從而成為隨機錯誤，使用前糾錯可以有效恢復信息，OFDM體系還具有抗多重干擾、頻譜利用率高、高速數據傳輸速率可調、抗脈沖經濟、信道相關可調副載波調制等優點。COFDM采用信道編寫代碼技術，進一步提高了數字體系的抗噪能力，這種調制技術最適合頻帶受限傳輸信道的高壓載波通信。

3.4信道編碼

可靠的數字通信體系必須具有錯誤的低加密率。在波段通信中，增加發射功率和提高通信信道的信噪比可以提高通信性能，但可以用適當的差錯控制技術代替。對于波段通信，由于電網結構變化、無線干擾、電磁輻射和頻率選擇性降級，機器實際接收到的波形與期望的波形不同。如果不采用差錯控制技術，當差值超過一定限度時，載波就無法恢復原始信息載體，導致大量差錯，無法傳輸通信。在高壓電場線上的OFDM通信中，我們選擇的錯誤控制體系是先驗糾錯。體系特定信道的編寫代碼方式為鏈式碼，即外碼RS（Reed2Solomon），內碼為TCM（Trelliscodecode）由網格碼調制而成。內碼糾正隨機錯誤，而外碼糾正由內部通道或代碼引起的突發錯誤。為了與Matlab模擬和編寫代碼進行比較，選擇了一個合適的參數來進行高壓電通道的編寫代碼。

TCM碼采用編寫代碼和調制相結合的方式，在不增加頻率帶寬的情況下，允許編寫代碼增加36 dB，非常適合窄頻帶的體系。主要思想是使用編寫代碼方法來優化信息載體空間的分布，以獲得調制信息載體的空間向量之間的最大位移距離。同時，采用了足夠的信息載體向量來保證信息傳輸的速度。在TCM編寫代碼階段完成了OFCM體系中信息載體的映射過程[4-7]。

4結語

由于智能家居體系不斷融入人們的生活，高效設計內部互聯網已成為當務之急。由于家庭擁有大量電場線，使用傳輸電場線進行負載通信使得構建許可且廉價的智能家居體系內部互聯網成為可能。不僅可以消除弱線程，而且在后期更容易進行維護和開發。文章從硬件和軟件兩個方面介紹了載波通信模塊的設計和控制。在每個裝置中集成電載流通信模塊，利用電場線作為內部互聯網進行通信、裝置控制和裝置之間的信息共享。

參考文獻

[1]? 黃克.論智能電網中電力通信技術的應用[J].通訊世界，2020，27（3）：96-97.

[2]? 曾智虹.物聯網技術在電力系統中的應用探討[J].甘肅科技縱橫，2018，47（5）：5-7，77.

[3]? 吳延，肖波，韓濤，詹習生.基于智能家居的無線熱電中央控制系統設計[J].湖北師范大學學報：自然科學版，2021，41（4）：49-54.

[4]? 黃孌.5G移動通信支撐下的物聯網技術及應用[J].產業與科技論壇，2021，20（23）：33-34.

[5]? 殷文明.淺析物聯網技術在自動化污水處理系統中的應用[J].中國設備工程，2021（22）：187.

[6]? 孫彬哲. 基于物聯網技術的地下除濕系統開發[D].大連：大連理工大學，2021.

[7]? 王志偉. LPWAN通信技術在配電物聯網狀態監測中的應用研究[D].北京：華北電力大學（北京），2020.