國內(nèi)窄帶電力載波通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀.docx

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國內(nèi)窄帶電力載波通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 1. 國內(nèi)現(xiàn)有載波通信技術(shù)特點 現(xiàn)有的低壓載波通信芯片的技術(shù)特點可以從調(diào)制方式、傳輸速率、通信頻率、通信功率、EMI標(biāo)準(zhǔn)、芯片技術(shù)等方面來分析。 調(diào)制方式與傳輸速率 目前電力線載波通信常用的擴(kuò)頻技術(shù)主要有：直接序列擴(kuò)頻、線性調(diào)頻Chirp和正交頻分復(fù)用OFDM等。此外，跳頻FH、跳時TH以及上述各種方式的組合擴(kuò)頻技術(shù)也較為常用。 國內(nèi)載波通信產(chǎn)品主要采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)。其中東軟為FSK，15 位直序列擴(kuò)頻通信；福星曉程DPSK 63 位直序擴(kuò)頻；彌亞微為QPSK擴(kuò)頻調(diào)相、過零同步、分時傳輸；鼎信為二進(jìn)制連續(xù)相位移頻FSK，過零同步、分時傳輸。 上述各家的擴(kuò)頻技術(shù)各有不同特點。對載波通信芯片性能最直接影響在于可靠性和傳輸速率。目前這四家中，傳輸速率分別為彌亞微，同時提供200、400、800、1600bps四種可變速率；東軟：330bps；福星曉程：250/500bps；鼎信：100bps。按照現(xiàn)階段現(xiàn)場實際應(yīng)用狀況來看100至500bps速水平僅能用于普通抄表功能，如果涉及到遠(yuǎn)程控制（斷送電）和管理功能則需要提供更高速率保證。 通信頻率 關(guān)于通信頻率，在美國由聯(lián)邦通信委員會FCC規(guī)定了電力線頻帶寬度為100~450kHZ；在歐洲由歐洲電氣標(biāo)準(zhǔn)委員會的EN50065-1規(guī)定電力載波頻帶為3~148.5kHZ。這些標(biāo)準(zhǔn)的建立為電力載波技術(shù)的發(fā)展做出了顯著的貢獻(xiàn)，目前全球AMR系統(tǒng)均采用該頻段標(biāo)準(zhǔn)。 國內(nèi)載波通信芯片中符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)的為2家，分別是福星曉程120KHz和彌亞微57.6KHz/76.8KHz/115.2KHz三種可選。 通信功率及EMI指標(biāo) 國內(nèi)東軟、福星曉程、鼎信等多數(shù)載波通信方案為了針對國內(nèi)電力信道環(huán)境中的衰減，均采取加大通信傳輸功率等做法。在實際產(chǎn)品化的過程中，基本上做到3W至5W，有的電表廠甚至做到了8W，這種做法是絕對不可取的。首先，這種做法導(dǎo)致電表產(chǎn)生的功耗損失無疑增加的線損，造成大量的能源浪費，這也有悖于國網(wǎng)公司上集抄系統(tǒng)的初衷；其次，如此大的功率傳輸將會嚴(yán)重污染電力線信道環(huán)境，我們原來是惡劣的電力線信道環(huán)境的受害者，現(xiàn)在卻也能成為最大的制造者。 就目前研究了解的情況，國內(nèi)只有彌亞微的載波芯片Mi200E采取低功耗設(shè)計。其發(fā)送信號時的功率僅為0.4W，在保證可靠的通信性能的同時該芯片EMI等相關(guān)指標(biāo)滿足歐洲標(biāo)準(zhǔn)。 芯片技術(shù) 嚴(yán)格意義上講，國內(nèi)載波通信方案供應(yīng)商并不完全都是芯片設(shè)計研發(fā)企業(yè)，像東軟和鼎信均是采用MOTROLA的MC3361＋單片機(jī)通過軟件完成物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層的模式。其優(yōu)點是降低了研發(fā)難度，但該模式會導(dǎo)致其核心技術(shù)（相關(guān)軟件）容易泄密或被解密，安全性值得探討。福星曉程和彌亞微均是完全自主開發(fā)的載波通信芯片產(chǎn)品。 2. 國內(nèi)載波芯片產(chǎn)品分析 青島東軟 該公司是國內(nèi)較早對低壓載波進(jìn)行投入的廠家，目前市場分額較大。主要產(chǎn)品主要特點是：采用FSK調(diào)制方式，信號頻率為270K；軟件相關(guān)器和匹配濾波器，63位碼序列，碼速率20.8k波特；自適應(yīng)數(shù)字信號處理和模糊處理技術(shù)，具備前向糾錯功能；幀中繼轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，支持3級中繼深度。 但東軟的載波方案不滿足相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)，通信模塊的EMI特性難以滿足，會對電網(wǎng)帶來比較大的諧波干擾。同時，由于使用MC3361＋單片機(jī)的模式，載波方案的集成度不高。同時由于外置功放的使用，外部分立元器件一致性問題的影響，帶來調(diào)試，安裝，現(xiàn)場施工的一系列問題，從而會對集抄系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可靠性帶來影響。 福星福星曉程 福星曉程于2000年前后推出載波ASIC芯片，其集成度比東軟的要高，在國內(nèi)的份額同東軟差不多。 其產(chǎn)品PL3105 采用的是PSK調(diào)制直序擴(kuò)頻方式，載波頻率為120K，碼元速率500bps，偽碼為15的M序列。它內(nèi)部集成了2 路16 位的A/D，LED/LCD 顯示控制模塊，3 個定時器，2 個多功能串口。 由于PL3105采用數(shù)字解調(diào)、解擴(kuò)，抗干擾性能好于東軟，在實際使用中物理層的通信距離較好。但其載波芯片實質(zhì)是一個帶載波MODEM的單片機(jī)，只有物理層，鏈路層、應(yīng)用層需要各廠家自己開發(fā)，加大了開發(fā)難度和開發(fā)周期；同時由于各廠家的鏈路層協(xié)議不盡相同，出現(xiàn)了同是采用福星曉程芯片也未必能互聯(lián)互通的尷尬局面。另外其推出的中繼算法不太實用也限制了其的發(fā)展。 彌亞微電子 彌亞微電子的Mi200E是國內(nèi)目前唯一一款既滿足國內(nèi)市場需求，又符合國際標(biāo)準(zhǔn)的高性能載波通信芯片。 Mi200E采用了直接序列擴(kuò)頻、數(shù)字信號處理、數(shù)字功率放大等新技術(shù)，該電路應(yīng)用在電力線通信方面具有較強(qiáng)的抗干擾及抗衰減性能。MI200E是內(nèi)部集成了擴(kuò)頻解擴(kuò)、調(diào)制解調(diào)、輸入信號整形放大、數(shù)字功率放大器、市電檢測、高性能帶通濾波器、數(shù)模轉(zhuǎn)換接口以及與單片機(jī)(MCU)串口通信等功能。同時為上層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提供載波偵聽和有效幀指示信號。 Mi200E具備可變擴(kuò)頻增益，提供 200、400、800和1600bps四種不同的通信速率，滿足現(xiàn)場的各種需求；三種可選的載波頻率；低功耗設(shè)計,最大發(fā)射功耗僅為0.4W；Mi200E符合 EN50065-1以及IEC61000-3-8 標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的低壓電力線載波通信信號頻段以及EMI的要求。 過零同步傳輸技術(shù)是彌亞微高性能載波通信芯片Mi200E的核心技術(shù)。Mi200E以電力線的過零時間為時間基準(zhǔn)進(jìn)行信號同步，使通信信號工作在以零點為中心的6.6ms時間內(nèi)。該區(qū)域電網(wǎng)噪聲最弱，網(wǎng)上干擾最小，負(fù)載阻抗較輕，在這段時間里進(jìn)行通信避開了電力線上負(fù)載較重的時間段，同時解調(diào)算法采用時間分集的方式，大大提高了通信的穩(wěn)定性和可靠性；同時也能保證各相之間不能相互通信，使主站能夠正確區(qū)分每一個電表的相別；不同相別的準(zhǔn)確區(qū)分為中繼的實現(xiàn)提供了可靠的保證，且由于跨相抄收而引起的中繼不穩(wěn)定現(xiàn)象得到了根除。 Mi200E應(yīng)用電路簡單，內(nèi)置數(shù)字功放大大減少了載波電表的外圍電路器件要求，在大批量生產(chǎn)時保證產(chǎn)品一致性好，調(diào)試容易，可靠性高；同時有效降低BOM成本，后期維護(hù)成本大大降低。 不僅如此，彌亞微還為電表廠提供具備“自動路由、自動中繼、自我學(xué)習(xí)”機(jī)制的高效載波通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議配合Mi200E的應(yīng)用。 青島鼎信 這是一家新成立的公司，其核心技術(shù)人員均來自于青島東軟，目前的技術(shù)方案實際是以吉林省公司為主導(dǎo)提出、由鼎信來具體實現(xiàn)和加以完善。 鼎信產(chǎn)品主要特點：軟件相關(guān)器和匹配濾波器，80 位正交碼序列；擴(kuò)頻通信技術(shù)；高效率前向糾錯；BFSK 調(diào)制、半雙工通信；碼速率每相50bps、100bps；幀中繼轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，數(shù)據(jù)鏈路層支持中繼深度可達(dá)32 級；接收信號強(qiáng)度權(quán)重參數(shù)指示，為中繼搜索算法提供支持，提高通信系統(tǒng)穩(wěn)定性；四層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層，其中應(yīng)用層通信協(xié)議針對DL/T645-1997 通信規(guī)約進(jìn)行了專門優(yōu)化； 鼎信是繼彌亞微之后，第二家采用過零同步傳輸技術(shù)的載波通信方案提供商。其以電力線的過零時間為時間基準(zhǔn)進(jìn)行信號同步，使各相工作在以本相零點為中心的3.3ms時間內(nèi)。 鼎信的不足在于：第一，其傳輸速率僅為50,100bps，該速率僅能做為抄表應(yīng)用，如果想實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和智能電網(wǎng)管理功能則會力不從心，這是一個潛在的隱患。其二，中心頻點過高。傳輸頻率：421.1KHz ，超過歐洲標(biāo)準(zhǔn)，隨著國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程的逐步加強(qiáng)是潛在的風(fēng)險。其三，通信模塊的發(fā)射功率大，從而載波電表的功耗較大，難以滿足國網(wǎng)規(guī)約對表計的整體功耗要求；EMI特性難以滿足，會對電網(wǎng)帶來比較大的諧波干擾。其五，與東軟的載波方案類似，由于使用MC3361＋單片機(jī)的模式，載波方案的集成度不高。同時由于外置功放的使用，外部分立元器件一致性問題的影響，帶來調(diào)試，安裝，現(xiàn)場施工的一系列問題，從而會對集抄系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可靠性帶來影響。 3. 結(jié)論 綜上所述，目前國內(nèi)主要的載波通信芯片產(chǎn)品仍然處于快速成長階段，各種技術(shù)方案均有很大的發(fā)展空間。作為后來居上的新技術(shù)方案代表的彌亞微，其可靠性與滿足國際標(biāo)準(zhǔn)是其他方案所不具備的優(yōu)勢，應(yīng)該予以大力推廣。其我們必須堅持實事求是，以科學(xué)的發(fā)展觀，客觀評價每一項技術(shù)方案，每一款載波通信芯片和每一個成長中的載波通信技術(shù)創(chuàng)新企業(yè)，為國內(nèi)集抄市場的發(fā)展和智能電網(wǎng)的建設(shè)奠定良好的基礎(chǔ)。 4. 國內(nèi)載波通信芯片參數(shù)簡表 品牌 青島東軟 福星曉程 彌亞微 青島鼎信 成立時間 1993年 2000年 2004 2008年 規(guī)模 約占市場60% 約占市場30% 約占市場5% 無規(guī)模應(yīng)用 芯片 型號 ES16T /PLCi36F SSC16/ES16U PLCi36C/PLCi36M PLCi36D /ES16W ES16WH /ES16UH PLCi36CE ES16UH-III/ES1631 /ES1630 PL2102 PL3105 PL3201 PL3106 MI200E MI210 MI211 MI500 TCM081 TCC081 TCS081 調(diào)制類型 FSK 63 位 直序擴(kuò)頻 DPSK，15 位直序列擴(kuò)頻通信 QPSK擴(kuò)頻調(diào)相、過零同步、分時傳輸 二進(jìn)制連續(xù)相位移頻FSK 過零同步、分時傳輸 中心頻率 270kHz 120kHz 57．6kHz，76.8kHz，115.2kHz 可選 421.1 kHz 波特率 330bps 500bps/250bps 可選 200，400，800，1600bps可變 100bps 三相150bps、300 bps 芯片技術(shù) 芯片使用單片機(jī)，通過軟件完成物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層；應(yīng)用層由電表廠家自己開發(fā) "SoC"芯片，提供簡單的網(wǎng)絡(luò)層通信協(xié)議 物理層芯片；同時提供MAC層和網(wǎng)絡(luò)層通信協(xié)議，應(yīng)用層由電表廠家自己開發(fā) 芯片使用單片機(jī)，通過軟件完成物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層