低壓電力線載波通信技術(shù)應(yīng)用情況分析與思考.doc

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低壓電力線載波通信技術(shù)應(yīng)用情況分析與思考 電力線載波通信技術(shù)，英文簡稱PLC(Power Line Communication),是指利用己有的配電網(wǎng)作為傳輸媒介，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞和信息交換的一種技術(shù)。在低壓配電網(wǎng)進(jìn)行PLC通信，已經(jīng)成功用于遠(yuǎn)程抄表、家居自動化和智能小區(qū)等領(lǐng)域。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息技術(shù)迅猛發(fā)展，國內(nèi)外利用低壓電力線傳輸速率在1Mbps以上信息的高速電力線載波技術(shù)研究不斷取得重要進(jìn)展，該技術(shù)在現(xiàn)有電力線上可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、語音和視頻等多業(yè)務(wù)的承載，未來可以傳輸數(shù)據(jù)、語音、視頻和電力為一線的“四網(wǎng)合一”，是極富誘惑力、也充滿了時代挑戰(zhàn)的一種新技術(shù)。 低壓電力線載波通信目前正處于發(fā)展的重要時期，隨著關(guān)鍵技術(shù)問題的逐步解決以及各種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的建立完善，必然會得到大規(guī)模的發(fā)展和廣泛的推廣應(yīng)用，對此，我們必須高度重視。 一、密切關(guān)注低壓電力線載波通信應(yīng)用與發(fā)展情況 電力線載波通信技術(shù)組網(wǎng)簡單、成本低、抗毀性強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn),近幾年發(fā)展很快?？梢詷酚^地預(yù)見，低壓電力線載波通信技術(shù)必將成為未來幾年數(shù)字通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，引起IT行業(yè)的廣泛關(guān)注。 （一）技術(shù)不斷進(jìn)步 載波通信技術(shù)加快發(fā)展。低壓電力線載波通信的核心問題是載波信號的調(diào)制（Modulate）與解調(diào)（Demodulate），也即電力載波調(diào)制與解調(diào)芯片（Modem）。隨著低壓電力線載波通信技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，電力線載波通信的速率、傳送數(shù)據(jù)量、抗干擾能力都得到了很大的提高，為電力線載波通信市場化奠定了重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。 傳輸可靠性明顯提高。對于低壓配電網(wǎng)來說，許多新興的數(shù)字技術(shù)，例如擴(kuò)頻通信技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等得到了綜合應(yīng)用，有效提高和改善了低壓配電網(wǎng)電力線載波通信的可用性和可靠性，使電力線載波通信技術(shù)具有更為廣闊的應(yīng)用前景。 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)逐步制定。美國聯(lián)邦通信委員會FCC規(guī)定了電力線頻帶寬度為100～450kHz；歐洲電氣標(biāo)準(zhǔn)委員會（CENELEC）的EN50065- 1規(guī)定電力載波頻帶為3～148.5kHz；我國國家能源局DL/T 698.1規(guī)定電力行業(yè)載波頻帶為3～500kHz。這些標(biāo)準(zhǔn)的建立為電力載波技術(shù)的發(fā)展做出了顯著貢獻(xiàn)。 （二）存在不少問題 一是技術(shù)問題沒有全面解決。目前，電力線載波通信技術(shù)仍然沒有得到大規(guī)模的使用，這與自身技術(shù)不完善有很大的關(guān)系。眾所周知，現(xiàn)有的電力線主要是用來傳輸電能的。在線路上電壓高、電流大、噪聲雜、負(fù)載種類多，要在電力線上傳輸信號，就是對技術(shù)設(shè)備抗干擾性和穩(wěn)定性提出的挑戰(zhàn)。電力線信道噪聲是電力線通信發(fā)展的主要障礙，如何解決這個問題成為電力線載波通信發(fā)展的關(guān)鍵。 二是標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議等不夠完善。隨著電力線載波通信應(yīng)用領(lǐng)域的推廣和擴(kuò)大，低壓配電網(wǎng)電力線載波通信標(biāo)準(zhǔn)問題、協(xié)議問題、安全問題等一系列問題還需要不斷研究、試驗(yàn)確定?？陀^地說，這些問題的存在，一定程度上制約了電力線載波通信市場的快速增長，延緩了不同用戶對低壓電力線載波通信技術(shù)的認(rèn)同和接受。 三是施工、組網(wǎng)和運(yùn)營模式等不夠規(guī)范。到目前為止，還沒有制定完善的PLC通信工程設(shè)計(jì)、建設(shè)、測試和運(yùn)營管理等法律法規(guī)文件；還沒有配套形成在不同配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，PLC產(chǎn)品的施工方法、耦合方式和組網(wǎng)模式；還沒有建立健全行業(yè)規(guī)范，對不同產(chǎn)品進(jìn)行測試，驗(yàn)證不同制式設(shè)備的兼容性和穩(wěn)定性。 （三）發(fā)展前景看好 作為電力部門特有的通信資源，電力傳輸線路具有機(jī)械強(qiáng)度高、不易受外力破壞的特點(diǎn)，它在電力生產(chǎn)中所發(fā)揮的強(qiáng)大而獨(dú)特作用是不可替代的，尤其在抵御臺風(fēng)、洪澇等自然災(zāi)害方面，電力線載波通信的優(yōu)越性和有效性是其它通信手段無可比擬的。電力線載波作為電力通信網(wǎng)中一種強(qiáng)有力的手段，有其適應(yīng)的生存和發(fā)展的環(huán)境和空間，有著雄厚的發(fā)展基礎(chǔ)和廣闊市場。 每一種通信手段都有其適用范圍和環(huán)境。低壓電力線載波通信就目前技術(shù)條件情況看，比較適合于電力電表抄收、配電網(wǎng)運(yùn)行控制、智能家居、小區(qū)安全監(jiān)控和電器遙控等信息需求量較小的應(yīng)用領(lǐng)域，以及在其它埸合作為可靠的備用通信手段。在覆蓋范圍大而通信容量需求有限的情況下，電力線載波比使用其它任何傳輸介質(zhì)費(fèi)用都要低，而且不需專門施工布線，便于實(shí)現(xiàn)。 電力線載波通信同其它通信技術(shù)一樣，也是不斷發(fā)展和完善的。對于其固有的弱點(diǎn)和不足，科研工作者一直在不斷研究出新的技術(shù)方法去改進(jìn)提高?？茖W(xué)的發(fā)展無止境，電力線載波通信技術(shù)作為一門科學(xué)也必將會更加完善、實(shí)用。事實(shí)上從出現(xiàn)到現(xiàn)在，電力線載波通信技術(shù)也是一直在不斷發(fā)展進(jìn)步的。 隨著技術(shù)的不斷突破和應(yīng)用的深入發(fā)展，電力線載波通信在滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)運(yùn)行控制、保護(hù)信息傳輸?shù)膶?shí)時性、快速性和可靠性，以及滿足大容量信息傳輸?shù)确矫?，將會取得長足的進(jìn)步，以適應(yīng)全球通信發(fā)展的大趨勢，使電力線載波通信向高速率、寬頻帶、大容量方向發(fā)展，成為一種十分重要和先進(jìn)的通信手段。 二、 深入研究與其它通信的關(guān)系問題 在現(xiàn)代社會中，對于任何一個通信系統(tǒng)來說，是不可能孤立存在的，必然會和其它通信系統(tǒng)有著千絲萬縷的聯(lián)系和影響，就PLC通信而言，今后一段時間最重要的是與互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)系，它們將相互滲透,相得益彰，共同發(fā)展，推動世界通信事業(yè)不斷邁向新的高地。 （一）、PLC和互聯(lián)網(wǎng)將長期共存，PLC是互聯(lián)網(wǎng)的延伸，互聯(lián)網(wǎng)為PLC應(yīng)用提供廣闊的舞臺。 勿容置疑，電力網(wǎng)是提供經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的最大能源動脈，互聯(lián)網(wǎng)是遍布全球連接千家萬戶的最大通信網(wǎng)路，它們幾乎在世界上無所不在，和人們的工作生活息息相關(guān)。電力網(wǎng)除了供電以外，卻又是一種重要的通信資源。依托電力網(wǎng)的PLC可以非常簡單地構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)，同時，由于受到電力網(wǎng)物理環(huán)境等的制約，PLC的通信能力總是有限的，最重要的就是通信速率有限，這和信息社會信息傳輸量的大幅度上升需求是矛盾的，就傳輸能力來說，它永遠(yuǎn)代替不了互聯(lián)網(wǎng)。 互聯(lián)網(wǎng)是目前最為有效而廣泛的通信手段，由于大規(guī)模采用光纖傳輸技術(shù)，其通信容量和性能是有充分保證的，特別是在發(fā)達(dá)或較發(fā)達(dá)地區(qū)推廣光纖入戶以后，可以很方便地實(shí)現(xiàn)話音、數(shù)據(jù)和視頻“三網(wǎng)合一”，服務(wù)質(zhì)量有了大幅提升，但是，因?yàn)楸仨毾葘ｉT投資(布線或建基站等)，才能開通通信，互聯(lián)網(wǎng)不可能到達(dá)社會家庭的每一個角落，所以，就傳輸范圍來說，它也永遠(yuǎn)代替不了PLC。 由此可見，未來PLC和互聯(lián)網(wǎng)必將長期共存，PLC可以作為互聯(lián)網(wǎng)的延伸，到達(dá)城市和鄉(xiāng)村，到達(dá)家庭的每一個角落；互聯(lián)網(wǎng)可以為PLC提供遠(yuǎn)程傳輸服務(wù)，將PLC特有的對信息末端的監(jiān)測和控制功能擴(kuò)展到世界的任何地方。電力網(wǎng)是全球最大、覆蓋范圍最廣泛的網(wǎng)絡(luò)資源，電力網(wǎng)上加載的終端數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過無線和有線的終端。洗衣機(jī)、電視機(jī)、空調(diào)、冰箱等電力網(wǎng)的終端都可以通過PLC納入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)信息的交換、通信和控制管理。 （二）、PLC和物聯(lián)網(wǎng)是最佳組合，PLC是物聯(lián)網(wǎng)的新生力量，物聯(lián)網(wǎng)為PLC發(fā)展帶來無限的空間。 物聯(lián)網(wǎng)是由自我標(biāo)識、感知和智能的物理實(shí)體基于通信技術(shù)相互連接形成的網(wǎng)絡(luò)，這些物理設(shè)備可以在無需人工干預(yù)的條件下實(shí)現(xiàn)協(xié)同和互動，為人們提供智慧和集約的服務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)的核心在于互聯(lián)，是在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行包括物體與物體之間的信息交換和通信，目前主要是采用無線傳感網(wǎng)或鋪設(shè)專線以及無線射頻標(biāo)識來進(jìn)行信息傳輸。傳感網(wǎng)是指各種感知能力，如攝像頭、GPS、傳感器和M2M終端，傳感器網(wǎng)絡(luò)、傳感器網(wǎng)關(guān)等等，用來采集和捕獲包括交通、氣象、電力、家居、農(nóng)業(yè)、水利、環(huán)境等實(shí)際場景所產(chǎn)生的信息。無線射頻標(biāo)識（RFID），應(yīng)用了無線射頻識別技術(shù)。利用無線傳輸M2M信息，可能有不少盲點(diǎn)，由于無線的覆蓋密度、組網(wǎng)方式會受到建筑密度的影響，隨著障礙物的增加，鋪設(shè)的成本也會越來越高。而對于專線，由于專線是低電壓，所以信號可能比較弱，不方便進(jìn)行數(shù)據(jù)控制，要進(jìn)行控制，就需要在終端進(jìn)行加壓處理，從而增加了成本。 顯而易見，有物聯(lián)網(wǎng)終端的地方，電力網(wǎng)無所不在，PLC通信可以很方便地作為無線傳感網(wǎng)的補(bǔ)充，或者可以直接代替后者，完成物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)場信息的傳輸交換。只需在現(xiàn)有電路上采用智能嫁接技術(shù)，省去專線架設(shè)的麻煩和開銷，將無線傳感網(wǎng)和PLC進(jìn)行融合，與互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程連接，通過物聯(lián)網(wǎng)綜合處理平臺與行業(yè)、專業(yè)應(yīng)用結(jié)合，就可以對世界上最多的終端進(jìn)行監(jiān)測和控制。 總之，PLC技術(shù)的不斷完善進(jìn)步，為物聯(lián)網(wǎng)的全面市場化提供了重要的通信支撐，而物聯(lián)網(wǎng)的興起也為PLC的發(fā)展提供了無限空間。 三、積極跟蹤關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展動態(tài) 實(shí)現(xiàn)低壓配電網(wǎng)電力線載波可靠通信，需要很多新技術(shù)來支撐，以下是筆者認(rèn)為較為重要的幾項(xiàng)技術(shù)。 （一）、正交頻分復(fù)用（OFDM） 正交頻分復(fù)用（OFDM）是一種被電力載波通信行業(yè)普遍看好的高效多載波寬帶數(shù)字調(diào)制技術(shù)，采用一組相互正交的子載波構(gòu)成信道來傳輸數(shù)據(jù)流，這些載波在頻率上等間隔地分布，載波間隔一般取碼元周期的倒數(shù)。它采用并行調(diào)制技術(shù)、長碼元周期、FFT/ IFFT調(diào)制與解調(diào)技術(shù)，使OFDM具有頻帶利用率高、抗噪聲干擾能力強(qiáng)、抗信道衰落好、易實(shí)現(xiàn)等一系列優(yōu)點(diǎn)；由于OFDM通過動態(tài)選擇子載波，可以減少窄帶干擾和頻率谷點(diǎn)的影響；即便是在配電網(wǎng)受到嚴(yán)重干擾的情況下，OFDM也可提供高帶寬并且保證帶寬傳輸效率，而且通過適當(dāng)?shù)募m錯技術(shù)可以確保數(shù)據(jù)可靠傳輸。OFDM是目前電力載波寬帶通信的首選技術(shù)。盡管OFDM具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是，它也存在一定的缺點(diǎn)：①對頻偏和相位噪聲比較敏感，1％的頻偏會使信噪比下降30dB。②功率峰值與均值I：L（PAPR）大，降低了驅(qū)動放大電路的效率。③接收機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，同時對瞬間干擾敏感。此外，對于電力線載波通信的安全性方面沒有任何措施。 （二）、跳頻（FH） 跳頻（FH）是一種無線通信中最常用的擴(kuò)頻方式。工作原理是收發(fā)雙方傳輸信號的載波頻率按照預(yù)定規(guī)律（一組偽隨機(jī)碼PN，Pseudo—Noise）進(jìn)行離散變化，通信中使用的載波頻率受偽隨機(jī)碼的控制而隨機(jī)跳變。從通信技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式來說，跳頻是一種用碼序列進(jìn)行多頻頻移鍵控的通信方式；從時域上來看，跳頻信號是一個多頻率的頻移鍵控信號；從頻域上來看，跳頻信號是一個在很寬頻帶上以不等間隔隨機(jī)跳變的信號。因此，跳頻通信在某一特定頻點(diǎn)上仍為普通調(diào)制技術(shù)。 跳頻通信在電力載波通信中應(yīng)用具有很強(qiáng)的適用性：一是適應(yīng)電力線的強(qiáng)干擾環(huán)境。低壓配電網(wǎng)噪聲干擾強(qiáng)，并且噪聲不是分布在所有頻段內(nèi)，可用信道是變化的，跳頻技術(shù)恰好可以滿足這一需要。二是適應(yīng)低壓配電網(wǎng)頻率選擇性衰減。低壓配電網(wǎng)負(fù)載復(fù)雜，且具有時變性，各種干擾和信道特性均無法“長期”預(yù)測。跳頻系統(tǒng)則可以根據(jù)預(yù)設(shè)跳頻圖案，自動切換載波頻率，避開干擾源頻點(diǎn)，同時也可以根據(jù)信道估計(jì)的結(jié)果，通過自適應(yīng)跳頻，選擇適宜信道，實(shí)現(xiàn)可靠通信。 跳頻技術(shù)在低壓配電網(wǎng)電力線載波通信中的應(yīng)用不僅是新的技術(shù)增長點(diǎn)，而且在網(wǎng)絡(luò)安全日益重要的今天，該技術(shù)將起到不可替代的作用。 （三）、混沌（Chaos） 混沌有很多種定義，其本質(zhì)特征在于描述事物對“初始條件高度敏感（蝴蝶效應(yīng)）”的高度非線性特性，它揭示了“在看似無序的事物中蘊(yùn)含著有序”的道理。由于初始值間任意小的差別在迭代中將被指數(shù)放大，使得混沌序列具有很強(qiáng)的多址性能。同時，混沌的長期行為還表現(xiàn)出明顯的隨機(jī)性和不可預(yù)測性，它的引入為改善跳頻通信系統(tǒng)性能提供了一個新的途徑。由于混沌系統(tǒng)對初始條件和混沌參數(shù)非常敏感，能夠產(chǎn)生大量、非相關(guān)、類隨機(jī)但為確定性和可再生的非周期性信號等特點(diǎn)，使其非常適合用作抗干擾和保密通信的偽隨機(jī)碼序列。此外，混沌同步驅(qū)動也將大大改進(jìn)通信的安全性。目前混沌序列是保密通信中的研究熱點(diǎn)。 （四）、網(wǎng)絡(luò)自組與重構(gòu) 由于低壓配電網(wǎng)物理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會經(jīng)常發(fā)生變化，且邏輯拓?fù)潆S信道質(zhì)量而變化，因此，電力載波通信在多點(diǎn)組成網(wǎng)絡(luò)時，具有與無線移動通信相類似的特征。 自組（AD Hoc）網(wǎng)是一種不需要同定路由器就能夠?qū)崿F(xiàn)自治運(yùn)行的無線多跳網(wǎng)絡(luò)。在無線Ad—Hoe網(wǎng)中，每個節(jié)點(diǎn)既是主機(jī)或終端，又可以是路由器。因此，在低壓配電網(wǎng)電力線載波通信中采用網(wǎng)絡(luò)自組與重構(gòu)技術(shù)，具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：一是可以根據(jù)電力線信道質(zhì)量變化，自動偵測可通信邏輯節(jié)點(diǎn)，動態(tài)調(diào)整路由配置，在網(wǎng)絡(luò)鏈路層保持可靠連接。二是可以自動探測最佳中繼節(jié)點(diǎn)，動態(tài)配置中繼信息，自動識別節(jié)點(diǎn)投入或切除。可見，采用這種網(wǎng)絡(luò)自組與重構(gòu)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)低壓配電網(wǎng)中點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)的可靠通信。