低壓配電網(wǎng)電力線載波通信與新技術(shù).doc

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低壓配電網(wǎng)電力線載波通信與新技術(shù) 2006/08/03 10:49 A.M. 009ZZZM@SmiLetogEther 科普新視點(diǎn) 劉曉勝 胡永軍 張勝友／哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院 2006年第25卷第2期 電氣應(yīng)用 引言：近年來(lái)，電力線載波通信（Power Line Communication，PLC）技術(shù)已經(jīng)成為通信系統(tǒng)中新的研究熱點(diǎn)，它被看成一種未來(lái)重要的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備總線通信技術(shù)。然而，作為一種具有光明前景的通信方式，電力載波通信由于具有時(shí)變性、頻率選擇性等固有特點(diǎn)，使其在具體應(yīng)用中還存在很多問題亟待解決。 電力載波通信特點(diǎn) 1、電力線載波通信技術(shù)概況 電力線載波通信（PLC）是指利用專用調(diào)制解調(diào)器對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，然后把信號(hào)加載到現(xiàn)有電力線中進(jìn)行通信的技術(shù)。早在20世紀(jì)20年代電力載波通信就開始應(yīng)用到lOkV配電網(wǎng)絡(luò)線路通信中，利用電力載波機(jī)和阻波器，在中高壓配電網(wǎng)中傳輸語(yǔ)音、控制指令和系統(tǒng)狀態(tài)等信息，并形成了相關(guān)國(guó)際和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于低壓配電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，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(hào)處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等，大大提高和改善了低壓配電網(wǎng)電力載波通信的可用性和可靠性，使電力載波通信技術(shù)具有更加誘人的應(yīng)用前景。為此，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)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(huì)（CENELEC）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)展做出了顯著貢獻(xiàn)。盡管如此，低壓配電網(wǎng)電力線載波通信中的很多問題仍沒有得到很好解決。同時(shí)，隨著電力載波應(yīng)用領(lǐng)域的推廣和擴(kuò)大，低壓配電網(wǎng)電力載波通信成本問題、協(xié)議（標(biāo)準(zhǔn)）問題、安全問題等一系列問題也開始浮出水面。低壓配電網(wǎng)電力線載波通信的實(shí)用化還面臨著許多考驗(yàn)。 2、電力線載波通信特點(diǎn) 就低壓配電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，電力線載波通信一般具有以下特點(diǎn)： （1）通信信道的時(shí)變性 對(duì)載波信號(hào)來(lái)說(shuō)，低壓電力線是一根非均勻分布的傳輸線，各種不同性質(zhì)的電力負(fù)載在低壓配電網(wǎng)的任意位置隨機(jī)地投入和斷開，使信道表現(xiàn)出很強(qiáng)的時(shí)變性。 （2）通信信道的頻率選擇性 正是由于低壓配電網(wǎng)中存在負(fù)荷情非常復(fù)雜、負(fù)載變化幅度大、噪聲類多且強(qiáng)等特點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)阻抗不配，信號(hào)很容易產(chǎn)生反射、駐波、振等現(xiàn)象，使信號(hào)的衰減變得極復(fù)雜，造成電力載波通信信道具很強(qiáng)的頻率選擇性。 （3）噪聲干擾強(qiáng)而信號(hào)衰減一般來(lái)說(shuō)，影響電力通信噪聲要有以下三種，即背景噪聲、周期噪聲和突發(fā)性噪聲。背景噪聲一般分布在整個(gè)通信頻帶；周期性噪聲包括周期性的連續(xù)干擾和周期性的脈沖干擾；突發(fā)性噪聲一般是由用電設(shè)備的隨機(jī)投入或斷開而產(chǎn)生的。研究表明，脈沖干擾對(duì)低壓電力線載波通信的質(zhì)量影響最大，信號(hào)衰減可達(dá)40dB。 正是因?yàn)榫哂猩鲜鎏攸c(diǎn)，使得電力載波通信在實(shí)際應(yīng)用過程中一直面臨著可用性與可靠性的考驗(yàn)。 電力線載波通信種類與新技術(shù) 1 電力線載波通信種類 從使用的帶寬角度來(lái)說(shuō)，電力線載波通信分為寬帶電力線載波通信和窄帶電力線載波通信。所謂電力線寬帶 （Broadband over PowerLine，BPL）通信技術(shù)就是指帶寬限定在2～30MHz之問、通信速率通常在1Mbit／s以上的電力線載波通信技術(shù)，它多采用各種擴(kuò)頻通信技術(shù)，是目前研究“四網(wǎng)（寬帶數(shù)據(jù)網(wǎng)、電話網(wǎng)、有線電視網(wǎng)和低壓配電網(wǎng)）融合”的關(guān)鍵技術(shù)之一。所謂窄帶電力線載波通信技術(shù)就是指帶寬限定在3～500kHz、通信速率小于1Mbit／s的電力線載波通信技術(shù)，它多采用普通的PSK技術(shù)、DSSS技術(shù)和線性調(diào)頻Chirp技術(shù)等。 從技術(shù)發(fā)展的角度來(lái)說(shuō)，電力線載波通信分為傳統(tǒng)的頻帶傳輸技術(shù)和目前流行的擴(kuò)頻通信（SpreadSpectrum Communication，ssc）技術(shù)。所謂頻帶傳輸就是用載波調(diào)制的方法將攜帶信息的數(shù)字信號(hào)的頻譜搬移到較高的載波頻率上。其基本的調(diào)制方式分為幅值鍵控（ASK）、頻率鍵控（FSK）和相位鍵控（PSK）以及相戈派生調(diào)制技術(shù)。傳統(tǒng)的載波通信原理的最大的弱點(diǎn)就是去噪能力有限；所謂擴(kuò)展頻譜通信是一種信息傳輸方式，其信號(hào)所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必需的最小帶寬，頻帶的展寬是通過編碼及調(diào)制的方法來(lái)文現(xiàn)的，并與所傳信息數(shù)據(jù)無(wú)關(guān)；在接收端則用相同的擴(kuò)頻碼進(jìn)行相關(guān)解調(diào)來(lái)解擴(kuò)及恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)。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（Direct Sequence Spread Spectnlm，DSSS）、線性調(diào)頻（Chirp）和正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，OFDM）等。此外，跳頻（Frequency Hopping，F(xiàn)H），跳時(shí)（TimeHopping，TH）以及上述各種方式的組合擴(kuò)頻技術(shù)也較為常用。 2 電力線載波通信新技術(shù) 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(lái)支撐。這里列舉了作者認(rèn)為重要的幾項(xiàng)技術(shù)。 2．1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(lái)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(zhǎng)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ISI干擾能力強(qiáng)、抗信道衰落好、抗噪聲干擾強(qiáng)、易實(shí)現(xiàn)等一系列優(yōu)點(diǎn)；由于OFDM通過動(dòng)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(cuò)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)，跳頻OFDM方式在無(wú)線通信中被選作IEEE802．15．3a標(biāo)準(zhǔn)的另一個(gè)方案。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(duì)頻偏和相位噪聲比較敏感，1％的頻偏會(huì)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(dòng)放大電路的效率。③接收機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，同時(shí)對(duì)瞬間干擾敏感。此外，對(duì)于電力線載波通信的安全性方面沒有任何措施。 2．2跳頻（FH） 跳頻（FH）是一種無(wú)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(hào)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(lái)說(shuō)，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(shí)域上來(lái)看，跳頻信號(hào)是一個(gè)多頻率的頻移鍵控信號(hào)；從頻域上來(lái)看，跳頻信號(hào)是一個(gè)在很寬頻帶上以不等間隔隨機(jī)跳變的信號(hào)。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)。跳頻系統(tǒng)根據(jù)頻率變化的快慢，通常分為快跳頻和慢跳頻。目前在軍事領(lǐng)域廣泛應(yīng)用了快跳頻通信技術(shù)。隨著電子對(duì)抗的加劇，在快跳頻的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生了自適應(yīng)跳頻，進(jìn)一步提高抗截獲和抗干擾目的。慢跳頻則主要應(yīng)用于民用領(lǐng)域。 跳頻通信在電力載波通信中應(yīng)用具有很強(qiáng)的適用性：①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。②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(shí)變性，各種干擾和信道特性均無(wú)法“長(zhǎng)期”預(yù)測(cè)。跳頻系統(tǒng)則可以根據(jù)預(yù)設(shè)跳頻圖案，自動(dòng)切換載波頻率，避開干擾源頻點(diǎn)，同時(shí)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。 可以看出。相對(duì)FSK、OFDM、Chirp等通信系統(tǒng)，跳頻系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①普通跳頻系統(tǒng)只需在常規(guī)調(diào)制方式中增加載頻跳力，實(shí)現(xiàn)設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單。②跳頻系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗干擾能力，并對(duì)頻率性衰減有抑制作用。③ 可以多址_丁作，無(wú)ICI和ISI干擾。④跳頻序列的擴(kuò)頻碼跳變速率較低，易于實(shí)現(xiàn)。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(zhǎng)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。 2．3混沌（Chaos） 混沌有很多種定義，其本質(zhì)特征在于描述事物對(duì)“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(wú)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(shí)，混沌的長(zhǎng)期行為還表現(xiàn)出明顯的隨機(jī)性和不可預(yù)測(cè)性，它的引入為改善跳頻通信系統(tǒng)性能提供了一個(gè)新的途徑。由于混沌系統(tǒng)對(duì)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(hào)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(dòng)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)。 2．4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(huì)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(shí)，具有與無(wú)線移動(dòng)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(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)。在無(wú)線Ad—Hoe網(wǎng)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)既是主機(jī)，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)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①可以根據(jù)電力線信道質(zhì)量變化，自動(dòng)偵測(cè)可通信邏輯節(jié)點(diǎn)，動(dòng)態(tài)調(diào)整路由配置，在網(wǎng)絡(luò)鏈路層保持可靠連接。② 自動(dòng)探測(cè)最佳中繼節(jié)點(diǎn)，動(dòng)態(tài)配置中繼信息，自動(dòng)識(shí)別節(jié)點(diǎn)投入或切除?？梢?，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。當(dāng)然，該技術(shù)對(duì)底層硬件平臺(tái)要求較高。 結(jié)束語(yǔ) 毫無(wú)疑問，電力載波通信具有誘人的發(fā)展前景。但是，由于低壓配電網(wǎng)本身的特點(diǎn)，目前在實(shí)際大規(guī)模使用電力載波通信時(shí)還會(huì)遇到很多問題。現(xiàn)僅就以下幾個(gè)問題闡述一下作者的觀點(diǎn)。 （1）抗干擾問題與對(duì)策 盡管OFDM是一種被電力載波通信行業(yè)普遍看好的高效調(diào)制技術(shù)，然而，在電力線信帶有限的情況下，緊緊依靠OFDM技術(shù)還具有一定的局限性。為此，一方面采用OFDM與跳頻相結(jié)合技術(shù)將進(jìn)一步改善電力載波通信的可靠性；另一方面還可以考慮采用混沌理論，提高抗通信介質(zhì)開放的低壓配電網(wǎng)中的惡意干擾能力。 （2）路由組網(wǎng)問題與對(duì)策 電力線載波通信物理網(wǎng)絡(luò)是由低壓配電網(wǎng)和當(dāng)時(shí)線路負(fù)載組成的。物理網(wǎng)絡(luò)是動(dòng)態(tài)的，信道特性也是動(dòng)態(tài)的，這種特殊性，決定了組網(wǎng)的困難性。為解決這一問題，有兩種方法：第一種是根據(jù)實(shí)地經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，通過某一中心載波通信節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行人工本地／遠(yuǎn)程配置巾繼路由信息，來(lái)保證一定范嗣內(nèi)電力載波節(jié)點(diǎn)的可靠通信；第二種方法是以圖論為基礎(chǔ)、以AD Hoc理論為指導(dǎo)，通過某一中心載波通信節(jié)點(diǎn)，自動(dòng)建立電力載波通信