低壓電力線載波通信技術應用情況分析與思考.doc

《低壓電力線載波通信技術應用情況分析與思考.doc》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《低壓電力線載波通信技術應用情況分析與思考.doc（4頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。

低壓電力線載波通信技術應用情況分析與思考 電力線載波通信技術，英文簡稱PLC(Power Line Communication),是指利用己有的配電網作為傳輸媒介，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞和信息交換的一種技術。在低壓配電網進行PLC通信，已經成功用于遠程抄表、家居自動化和智能小區(qū)等領域。隨著網絡技術和信息技術迅猛發(fā)展，國內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研究不斷取得重要進展，該技術在現(xiàn)有電力線上可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)、語音和視頻等多業(yè)務的承載，未來可以傳輸數(shù)據(jù)、語音、視頻和電力為一線的“四網合一”，是極富誘惑力、也充滿了時代挑戰(zhàn)的一種新技術。 低壓電力線載波通信目前正處于發(fā)展的重要時期，隨著關鍵技術問題的逐步解決以及各種標準規(guī)范的建立完善，必然會得到大規(guī)模的發(fā)展和廣泛的推廣應用，對此，我們必須高度重視。 一、密切關注低壓電力線載波通信應用與發(fā)展情況 電力線載波通信技術組網簡單、成本低、抗毀性強、易于實現(xiàn),近幾年發(fā)展很快。可以樂觀地預見，低壓電力線載波通信技術必將成為未來幾年數(shù)字通信領域的研究熱點，引起IT行業(yè)的廣泛關注。 （一）技術不斷進步 載波通信技術加快發(fā)展。低壓電力線載波通信的核心問題是載波信號的調制（Modulate）與解調（Demodulate），也即電力載波調制與解調芯片（Modem）。隨著低壓電力線載波通信技術的發(fā)展進步，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基礎。 傳輸可靠性明顯提高。對于低壓配電網來說，許多新興的數(shù)字技術，例如擴頻通信技術、數(shù)字信號處理技術和計算機控制技術等得到了綜合應用，有效提高和改善了低壓配電網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具有更為廣闊的應用前景。 行業(yè)標準逐步制定。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；歐洲電氣標準委員會（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。這些標準的建立為電力載波技術的發(fā)展做出了顯著貢獻。 （二）存在不少問題 一是技術問題沒有全面解決。目前，電力線載波通信技術仍然沒有得到大規(guī)模的使用，這與自身技術不完善有很大的關系。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、負載種類多，要在電力線上傳輸信號，就是對技術設備抗干擾性和穩(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)展的關鍵。 二是標準、協(xié)議等不夠完善。隨著電力線載波通信應用領域的推廣和擴大，低壓配電網電力線載波通信標準問題、協(xié)議問題、安全問題等一系列問題還需要不斷研究、試驗確定。客觀地說，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的認同和接受。 三是施工、組網和運營模式等不夠規(guī)范。到目前為止，還沒有制定完善的PLC通信工程設計、建設、測試和運營管理等法律法規(guī)文件；還沒有配套形成在不同配電網結構中，PLC產品的施工方法、耦合方式和組網模式；還沒有建立健全行業(yè)規(guī)范，對不同產品進行測試，驗證不同制式設備的兼容性和穩(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械強度高、不易受外力破壞的特點，它在電力生產中所發(fā)揮的強大而獨特作用是不可替代的，尤其在抵御臺風、洪澇等自然災害方面，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中一種強有力的手段，有其適應的生存和發(fā)展的環(huán)境和空間，有著雄厚的發(fā)展基礎和廣闊市場。 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條件情況看，比較適合于電力電表抄收、配電網運行控制、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用領域，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費用都要低，而且不需專門施工布線，便于實現(xiàn)。 電力線載波通信同其它通信技術一樣，也是不斷發(fā)展和完善的。對于其固有的弱點和不足，科研工作者一直在不斷研究出新的技術方法去改進提高。科學的發(fā)展無止境，電力線載波通信技術作為一門科學也必將會更加完善、實用。事實上從出現(xiàn)到現(xiàn)在，電力線載波通信技術也是一直在不斷發(fā)展進步的。 隨著技術的不斷突破和應用的深入發(fā)展，電力線載波通信在滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)運行控制、保護信息傳輸?shù)膶崟r性、快速性和可靠性，以及滿足大容量信息傳輸?shù)确矫?，將會取得長足的進步，以適應全球通信發(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的通信手段。 二、 深入研究與其它通信的關系問題 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)網和物聯(lián)網的聯(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)網將長期共存，PLC是互聯(lián)網的延伸，互聯(lián)網為PLC應用提供廣闊的舞臺。 勿容置疑，電力網是提供經濟社會發(fā)展的最大能源動脈，互聯(lián)網是遍布全球連接千家萬戶的最大通信網路，它們幾乎在世界上無所不在，和人們的工作生活息息相關。電力網除了供電以外，卻又是一種重要的通信資源。依托電力網的PLC可以非常簡單地構建通信網絡，同時，由于受到電力網物理環(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，它永遠代替不了互聯(lián)網。 互聯(lián)網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，其通信容量和性能是有充分保證的，特別是在發(fā)達或較發(fā)達地區(qū)推廣光纖入戶以后，可以很方便地實現(xiàn)話音、數(shù)據(jù)和視頻“三網合一”，服務質量有了大幅提升，但是，因為必須先專門投資(布線或建基站等)，才能開通通信，互聯(lián)網不可能到達社會家庭的每一個角落，所以，就傳輸范圍來說，它也永遠代替不了PLC。 由此可見，未來PLC和互聯(lián)網必將長期共存，PLC可以作為互聯(lián)網的延伸，到達城市和鄉(xiāng)村，到達家庭的每一個角落；互聯(lián)網可以為PLC提供遠程傳輸服務，將PLC特有的對信息末端的監(jiān)測和控制功能擴展到世界的任何地方。電力網是全球最大、覆蓋范圍最廣泛的網絡資源，電力網上加載的終端數(shù)量遠遠超過無線和有線的終端。洗衣機、電視機、空調、冰箱等電力網的終端都可以通過PLC納入互聯(lián)網，實現(xiàn)信息的交換、通信和控制管理。 （二）、PLC和物聯(lián)網是最佳組合，PLC是物聯(lián)網的新生力量，物聯(lián)網為PLC發(fā)展帶來無限的空間。 物聯(lián)網是由自我標識、感知和智能的物理實體基于通信技術相互連接形成的網絡，這些物理設備可以在無需人工干預的條件下實現(xiàn)協(xié)同和互動，為人們提供智慧和集約的服務。物聯(lián)網的核心在于互聯(lián)，是在互聯(lián)網的基礎上進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或鋪設專線以及無線射頻標識來進行信息傳輸。傳感網是指各種感知能力，如攝像頭、GPS、傳感器和M2M終端，傳感器網絡、傳感器網關等等，用來采集和捕獲包括交通、氣象、電力、家居、農業(yè)、水利、環(huán)境等實際場景所產生的信息。無線射頻標識（RFID），應用了無線射頻識別技術。利用無線傳輸M2M信息，可能有不少盲點，由于無線的覆蓋密度、組網方式會受到建筑密度的影響，隨著障礙物的增加，鋪設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，不方便進行數(shù)據(jù)控制，要進行控制，就需要在終端進行加壓處理，從而增加了成本。 顯而易見，有物聯(lián)網終端的地方，電力網無所不在，PLC通信可以很方便地作為無線傳感網的補充，或者可以直接代替后者，完成物聯(lián)網現(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，省去專線架設的麻煩和開銷，將無線傳感網和PLC進行融合，與互聯(lián)網實現(xiàn)遠程連接，通過物聯(lián)網綜合處理平臺與行業(yè)、專業(yè)應用結合，就可以對世界上最多的終端進行監(jiān)測和控制。 總之，PLC技術的不斷完善進步，為物聯(lián)網的全面市場化提供了重要的通信支撐，而物聯(lián)網的興起也為PLC的發(fā)展提供了無限空間。 三、積極跟蹤關鍵技術發(fā)展動態(tài) 實現(xiàn)低壓配電網電力線載波可靠通信，需要很多新技術來支撐，以下是筆者認為較為重要的幾項技術。 （一）、正交頻分復用（OFDM） 正交頻分復用（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)字調制技術，采用一組相互正交的子載波構成信道來傳輸數(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)。它采用并行調制技術、長碼元周期、FFT/ IFFT調制與解調技術，使OFDM具有頻帶利用率高、抗噪聲干擾能力強、抗信道衰落好、易實現(xiàn)等一系列優(yōu)點；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的影響；即便是在配電網受到嚴重干擾的情況下，OFDM也可提供高帶寬并且保證帶寬傳輸效率，而且通過適當?shù)募m錯技術可以確保數(shù)據(jù)可靠傳輸。OFDM是目前電力載波寬帶通信的首選技術。盡管OFDM具有很多優(yōu)點，但是，它也存在一定的缺點：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，降低了驅動放大電路的效率。③接收機結構復雜，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定規(guī)律（一組偽隨機碼PN，Pseudo—Noise）進行離散變化，通信中使用的載波頻率受偽隨機碼的控制而隨機跳變。從通信技術的實現(xiàn)方式來說，跳頻是一種用碼序列進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跳變的信號。因此，跳頻通信在某一特定頻點上仍為普通調制技術。 跳頻通信在電力載波通信中應用具有很強的適用性：一是適應電力線的強干擾環(huán)境。低壓配電網噪聲干擾強，并且噪聲不是分布在所有頻段內，可用信道是變化的，跳頻技術恰好可以滿足這一需要。二是適應低壓配電網頻率選擇性衰減。低壓配電網負載復雜，且具有時變性，各種干擾和信道特性均無法“長期”預測。跳頻系統(tǒng)則可以根據(jù)預設跳頻圖案，自動切換載波頻率，避開干擾源頻點，同時也可以根據(jù)信道估計的結果，通過自適應跳頻，選擇適宜信道，實現(xiàn)可靠通信。 跳頻技術在低壓配電網電力線載波通信中的應用不僅是新的技術增長點，而且在網絡安全日益重要的今天，該技術將起到不可替代的作用。 （三）、混沌（Chaos） 混沌有很多種定義，其本質特征在于描述事物對“初始條件高度敏感（蝴蝶效應）”的高度非線性特性，它揭示了“在看似無序的事物中蘊含著有序”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的多址性能。同時，混沌的長期行為還表現(xiàn)出明顯的隨機性和不可預測性，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，能夠產生大量、非相關、類隨機但為確定性和可再生的非周期性信號等特點，使其非常適合用作抗干擾和保密通信的偽隨機碼序列。此外，混沌同步驅動也將大大改進通信的安全性。目前混沌序列是保密通信中的研究熱點。 （四）、網絡自組與重構 由于低壓配電網物理網絡拓撲結構會經常發(fā)生變化，且邏輯拓撲隨信道質量而變化，因此，電力載波通信在多點組成網絡時，具有與無線移動通信相類似的特征。 自組（AD Hoc）網是一種不需要同定路由器就能夠實現(xiàn)自治運行的無線多跳網絡。在無線Ad—Hoe網中，每個節(jié)點既是主機或終端，又可以是路由器。因此，在低壓配電網電力線載波通信中采用網絡自組與重構技術，具有獨特的優(yōu)點：一是可以根據(jù)電力線信道質量變化，自動偵測可通信邏輯節(jié)點，動態(tài)調整路由配置，在網絡鏈路層保持可靠連接。二是可以自動探測最佳中繼節(jié)點，動態(tài)配置中繼信息，自動識別節(jié)點投入或切除。可見，采用這種網絡自組與重構技術，可以實現(xiàn)低壓配電網中點到點、點到多點的可靠通信。