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(diào)度話音通信、電力系統(tǒng)遠動裝置數(shù)據(jù)采集等方面取得了卓有成效的應(yīng)用，但是利用一個臺區(qū)的低壓電力線建立Internet接入網(wǎng)是近幾年來國際上剛剛興起的技術(shù)。本文論述的電力線通信（Power Line Communications）計算機網(wǎng)絡(luò)（以下簡稱PLC網(wǎng)絡(luò)）是以電力線為通信介質(zhì)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸或建立計算機網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)技術(shù)研究。由于低壓電力線的普及程度比其他任何通信介質(zhì)都廣泛，研究電力線作為信息傳輸介質(zhì)在技術(shù)和經(jīng)濟方面都有十分重要的意義。

關(guān)鍵詞：PLC網(wǎng)絡(luò)；電力線通信

1 PLC網(wǎng)絡(luò)概述

隨著Internet應(yīng)用的迅速普及，登錄上網(wǎng)的用戶數(shù)急劇增加。在網(wǎng)絡(luò)干線基礎(chǔ)設(shè)施相對完善的情況下，連接千家萬戶的接入網(wǎng)絡(luò)成為制約網(wǎng)絡(luò)用戶增長的主要障礙。新增或擴充計算機接入網(wǎng)絡(luò)，人們通常都是敷設(shè)新的有線信道，如光纖、雙絞線等。研究表明接入網(wǎng)的費用要占網(wǎng)絡(luò)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(jīng)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(zhì)？近年來，利用低壓電力線介質(zhì)建立計算機局域網(wǎng)及接入網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為國際上IT領(lǐng)域的熱門研究內(nèi)容[1]。

利用電力線介質(zhì)傳遞信息分為中高壓電力線載波通信和低壓PLC計算機網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)指利用220V/380V的用戶電力線為傳輸介質(zhì)，在末端變壓器和用戶住宅之間或住宅內(nèi)建立計算機局域網(wǎng)及接入網(wǎng)絡(luò)，其特點是通訊速率高、傳輸距離近、采用網(wǎng)絡(luò)化通信方式。中高壓電力線載波通信并不是一種新出現(xiàn)的技術(shù)，它已經(jīng)有近百年的發(fā)展歷史[2]。長期以來，電力部門利用該技術(shù)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(diào)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(zhì)建立計算機局域網(wǎng)及接入網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)技術(shù)（以下簡稱PLC網(wǎng)絡(luò)）[3]。

2 PLC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展及其現(xiàn)狀

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

2.1 Intellon CEBus技術(shù)

Intellon是一個生產(chǎn)符合消費電子總線CEBus（ConsumerElectronicsBus）標準產(chǎn)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(guī)范的開放標準。Intellon技術(shù)面向住宅網(wǎng)絡(luò)提供控制能力，包括兩個基本單元——一個使用擴頻技術(shù)的收發(fā)器和一個完成協(xié)議的微控制器。采用擴頻技術(shù)，收發(fā)器以大約10kbps的速率傳輸數(shù)據(jù)包，每個數(shù)據(jù)包包含必需的發(fā)送地址和接收地址。CEBus協(xié)議使用對等通信模式，網(wǎng)絡(luò)上的任何節(jié)點可以在任何時間訪問介質(zhì)。為了避免數(shù)據(jù)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(xié)議，該協(xié)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(chǔ)上加入解決沖突功能的結(jié)果。這種介質(zhì)訪問控制協(xié)議要求一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點等待線路上沒有其它數(shù)據(jù)包傳送時才能發(fā)送數(shù)據(jù)包。CEBus包括一種公共應(yīng)用語言CAL（Common Application Language），允許設(shè)備之間使用一種公共的語法和詞匯彼此傳遞命令和狀態(tài)請求。CAL定義了一系列叫做“環(huán)境”的電子設(shè)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(huán)境。每種環(huán)境還可進一步細分為代表不同環(huán)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(guī)定對象功能操作的實例變量，例如音量對象的隱含或當(dāng)前設(shè)定值。通過應(yīng)用CAL規(guī)范，Intellon確信他們的芯片可以同其它CAL兼容設(shè)備通信。

2.2 Echelon Lon Works技術(shù)

像Intellon一樣，Echelon規(guī)定了一種對等通信協(xié)議來完成CSMA技術(shù)。Echelon提供一種基于擴頻技術(shù)的10kbps電力線芯片，還提供一種經(jīng)過改進的、專有的、嵌入其神經(jīng)元芯片中的MAC協(xié)議來服務(wù)于對等網(wǎng)絡(luò)層。目前有兩個版本的神經(jīng)元芯片，都包含三個8位處理器、10k字節(jié)RAM和10k字節(jié)ROM。Echelon的專有協(xié)議策略最近有所變化，開放了其神經(jīng)元協(xié)議，以允許同第三方的電力線收發(fā)器接口。由于Echelon芯片設(shè)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(shù)應(yīng)用被限制在工業(yè)/商業(yè)解決方案，而不是住宅應(yīng)用。實際上，商業(yè)建筑自動化系統(tǒng)獨占Echelon收入的30%，另外的30%來自面向工業(yè)的控制。

2.3 Adaptive Networks技術(shù)

像ntellon和Echelon一樣，Adaptive也提供基于擴頻技術(shù)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(yīng)，Adaptive使用一種混合的令牌介質(zhì)訪問模式?；旌狭钆颇Ｊ皆试S網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在輕負荷環(huán)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(shù)提供比Intellon和Echelon更快的傳輸速率，但對一些高帶寬的應(yīng)用來說它還略顯不夠，例如文件共享、打印共享、數(shù)字話音和圖像傳輸。

2.4 現(xiàn)有的PLC技術(shù)的比較

表1.1列出了以上各現(xiàn)有PLC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在速率、接入數(shù)量、通信方式和MAC層協(xié)議方面的比較情況。

3 現(xiàn)有高速PLC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)淺析

目前國際上關(guān)于高速PLC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要有兩種模式。其一是以美國為代表的住宅連網(wǎng)模式。這種模式只提供住宅內(nèi)部連網(wǎng)，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(shù)和產(chǎn)品已經(jīng)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(guān)的技術(shù)規(guī)范（Specification1.0），用于規(guī)范PLC網(wǎng)絡(luò)的調(diào)制方式、壓縮編碼方式、使用頻帶、發(fā)送功率、MAC協(xié)議等相關(guān)技術(shù)細節(jié)，以增強各廠商產(chǎn)品的兼容性。目前室內(nèi)PLC網(wǎng)絡(luò)較高速率的產(chǎn)品有Intellon公司的PowerPacket，速率達到14Mbps，1TRAN公司的產(chǎn)品速率達12Mbps。這兩種產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)全面解決方案，包括“最后一公里”和住宅內(nèi)的各類信息設(shè)施連網(wǎng)。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(chǎn)品和室內(nèi)產(chǎn)品的環(huán)境差異，在技術(shù)上實現(xiàn)起來比較困難，因此目前能夠提供該方案的系統(tǒng)產(chǎn)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(wǎng)在物理上呈樹狀總線結(jié)構(gòu)，因此目前國際上大部分PLC研究實體將PLC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建為總線型結(jié)構(gòu)的以太網(wǎng)。其介質(zhì)訪問控制主要以CSMA/CD方式工作，或使用令牌環(huán)（Token Ring）方式。但這些都是應(yīng)用現(xiàn)有技術(shù)，是研究實體為盡快生產(chǎn)出產(chǎn)品而采取的權(quán)宜措施，它并不是適合PLC網(wǎng)絡(luò)流量特性的最佳訪問結(jié)構(gòu)。因此，設(shè)計高速PLC網(wǎng)絡(luò)上具有高性能的MAC層協(xié)議以及MAC的性能分析是高速PLC領(lǐng)域中的重要課題[5]。

由圖可知，高速PLC網(wǎng)絡(luò)由兩部分組成：室內(nèi)部分包括所有可能通過電力線連網(wǎng)的信息產(chǎn)品，如計算機、傳真機、數(shù)字電視機等數(shù)字家電產(chǎn)品；室外部分包括跨接電表的設(shè)施，以及各住戶通過“最后一公里”組建的網(wǎng)絡(luò)。變壓器是高速PLC網(wǎng)絡(luò)的外部“網(wǎng)關(guān)”。電能通過變壓器從高壓側(cè)送到居民用戶，而PLC計算機網(wǎng)絡(luò)則通過安裝在變電站的網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)與Internet連網(wǎng)。信息產(chǎn)品使用PLC調(diào)制解調(diào)器連接到PLC介質(zhì)，PLC調(diào)制解調(diào)器主要由接口、調(diào)制解調(diào)和耦合等三部分組成。接V1部分是指電力線調(diào)制解調(diào)器同用戶設(shè)備間的雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌?，這些接口包括同智能設(shè)備之間的RS一232接口、同計算機之間的RJ.45以太網(wǎng)接口或USB接口、同模擬電話之間的RJ一11接口；調(diào)制解調(diào)部分由數(shù)字信號處理單元和相應(yīng)的外圍電路組成。數(shù)字信號處理單元負責(zé)同用戶設(shè)備間的雙向通信、實現(xiàn)MAC層協(xié)議，并將來自用戶的數(shù)據(jù)進行編碼、調(diào)制后進行數(shù)模轉(zhuǎn)換、放大、濾波后送往耦合單元，或?qū)碜择詈蠁卧?jīng)濾波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號進行解調(diào)、解碼后送往用戶設(shè)備；耦合單元是電力線同調(diào)制解調(diào)部分的結(jié)合設(shè)備，它將調(diào)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(diào)[6]。

3.2 PLC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)勢

PLC網(wǎng)絡(luò)利用四通八達、遍布城鄉(xiāng)，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(wǎng)絡(luò)被認為是提供“最后一公里”解決方案最具競爭力的技術(shù)之一。目前國外PLC網(wǎng)絡(luò)的通信速率已經(jīng)達到12Mbps，預(yù)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(guī)通信介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)相比較，PLC網(wǎng)絡(luò)具有一個獨特的優(yōu)勢：即充分利用現(xiàn)有的低壓電力線基礎(chǔ)設(shè)施，無需任何布線，是一種“無線”技術(shù)手段，節(jié)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(jié)省資金、人力、時間；

與常規(guī)通信介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)一樣，PLC網(wǎng)絡(luò)還具有以下明顯的優(yōu)勢[7]：

1）低速的PLC網(wǎng)絡(luò)是家居自動化的有效手段。通過遍布住宅內(nèi)的電源插座，可對智能家用電器連網(wǎng)，并通過網(wǎng)關(guān)與外部連接。住宅主人在家可以享受數(shù)字化住宅設(shè)施的舒適和便利，在外可以通過互連網(wǎng)絡(luò)及時了解和設(shè)定住宅內(nèi)設(shè)施；

2）高速的PLC網(wǎng)絡(luò)可以為人們提供Internet接入服務(wù)，并且可以享受居家視聽一體化的服務(wù)。通過電力線實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)瀏覽、網(wǎng)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(gòu)建住宅樓宇自動化系統(tǒng)，如防火、防盜防有毒氣體泄漏的保安監(jiān)控系統(tǒng)讓上班族倍感放心，醫(yī)療急救系統(tǒng)讓住有老人、兒童或病人的家庭心里踏實。

以上插述的PLC網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)優(yōu)勢和美好前景，有些已經(jīng)在國外成為現(xiàn)實，而其它甚至更好的未來正在探求之中?？梢灶A(yù)測，PLC網(wǎng)絡(luò)這一新技術(shù)對促進經(jīng)濟發(fā)展必將帶來新的機遇。尤其對于中國這樣的發(fā)展中國家，經(jīng)濟實力不夠強大，要趕超發(fā)達國家的信息化水平，需要投入巨大的資金，而PLC網(wǎng)絡(luò)提供了另一種可能的技術(shù)手段，這種技術(shù)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(wǎng)環(huán)境的PLC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

3.3 目前PLC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)存在的主要技術(shù)問題

PLC網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)難點集中在物理層和MAC子層，面臨的主要問題和關(guān)鍵技術(shù)有[8]：

1）線路阻抗匹配問題。常規(guī)專用通信介質(zhì)有比較固定的負載連接，而電力線介質(zhì)不象其它專用通信介質(zhì)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(guān)任何一盞電燈都可能引起線路負載變化。因此，收、發(fā)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(yīng)均衡技術(shù)目前被認為是改善這個問題的關(guān)鍵技術(shù)之一，它可以動態(tài)診斷信道狀態(tài)和動態(tài)設(shè)置信道參數(shù)，從而盡可能匹配阻抗。

2）多徑反射問題。低壓配電網(wǎng)絡(luò)具有很復(fù)雜的樹型結(jié)構(gòu)，連接在電力線上的收發(fā)信機因位置不同，會產(chǎn)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?dāng)_。OFDM調(diào)制技術(shù)是目前PLC網(wǎng)絡(luò)的一項關(guān)鍵技術(shù)，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(shù)的配電設(shè)施和用電器具。當(dāng)使用電力線傳遞信息時，除了存在和常規(guī)專用傳輸介質(zhì)同樣的問題之外，連接在電力線上的各種設(shè)施也成了噪聲來源，因此PLC網(wǎng)絡(luò)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(guān)電源產(chǎn)生的噪聲；

·利用可控硅制作的電子調(diào)光器、節(jié)能燈及其相關(guān)產(chǎn)品所產(chǎn)生的噪聲；

·配電開關(guān)設(shè)備在電力線上產(chǎn)生的噪聲；

·電動機產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)信道的最關(guān)鍵問題之一，也是當(dāng)今本領(lǐng)域?qū)＜易铌P(guān)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(shù)據(jù)鏈路層的影響是PLC網(wǎng)絡(luò)中最關(guān)鍵的技術(shù)之一[9]。

4）電磁兼容性（EMC）問題。作為接入網(wǎng)的PLC網(wǎng)絡(luò)，必須使用較高的信號頻率和一定的發(fā)射功率，這就存在產(chǎn)品的EMC問題，包括其它電器對PLC產(chǎn)品的影響和PLC產(chǎn)品對其它產(chǎn)品的影響。目前國際上還沒有制定統(tǒng)一的PLC網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品EMC標準。

5）國外產(chǎn)品在國內(nèi)的適應(yīng)性問題。盡管國外已經(jīng)研究出一些實驗型PLC產(chǎn)品，但是直接拿到國內(nèi)來使用可能造成意想不到的后果。因為我國的低壓配電網(wǎng)絡(luò)比國外的配網(wǎng)更復(fù)雜，用戶多、接線方式多、線徑細、屏蔽不好，這些特點將導(dǎo)致國內(nèi)電力線的通信參數(shù)與國外有所不同。因此，必須對國內(nèi)線路進行嚴格測試，國外產(chǎn)品必須在滿足國內(nèi)測試結(jié)果的條件下才能應(yīng)用。

6）PLC網(wǎng)絡(luò)的MAC層技術(shù)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(wǎng)絡(luò)的研究重點放在PLC物理層，包括調(diào)制方式、編碼方式、使用頻帶、發(fā)送功率等。而MAC層則簡單地采用常規(guī)介質(zhì)的處理方式。由于電力線介質(zhì)與常規(guī)介質(zhì)具有不同的特性，照搬常規(guī)介質(zhì)的MAC協(xié)議將導(dǎo)致PLC網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)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(xié)議工作方式、信道分配方式、數(shù)據(jù)幀的設(shè)定等都是擺在我們面前的課題。

7）PLC網(wǎng)絡(luò)研究人才匱乏。PLC網(wǎng)絡(luò)不僅在國內(nèi)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(shù)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(nèi)容涉及電力、通訊、計算機等多個專業(yè)學(xué)科，要求研究人員具有電力配網(wǎng)、通信、計算機網(wǎng)絡(luò)等方面的知識，對研究人員要求高[10]。

4 結(jié)論

PLC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是最近10年來發(fā)展起來的技術(shù)，具有廣闊的市場應(yīng)用前景，但作為新興的通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，PLC網(wǎng)絡(luò)面臨許多有待攻克的技術(shù)難題.目前國外把PLC網(wǎng)絡(luò)研究重點放在它的物理層，包括抗干擾、調(diào)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(guī)介質(zhì)計算機網(wǎng)絡(luò)的MAC層的工作方式，由于電力線介質(zhì)與常規(guī)介質(zhì)具有不通的物理特性，照搬常規(guī)介質(zhì)的MAC協(xié)議將導(dǎo)致PLC網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)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(xié)議工作方式、信道分配方式、數(shù)據(jù)幀長度的設(shè)定等都是擺在我們面前的課題。

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