（控制理论与控制工程专业论文）基于ofdm技术的电力线载波通信.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着社会的发展，频带资源短缺与日益增加的使用者之间的矛盾越发尖锐。提高频 带利用率和开拓新的通信资源成为解决这一矛盾的两个重点工作方向。0 f d m 调制技术 具有频带利用率高、传输速度快、抗干扰能力强等优点，能有效提高频带利用率，缓解 频带短缺矛盾。基于0 f d m 技术的低压电力线通信利用低压电力网现有线路和设备实 现高速数据通信，具有成本低廉、方便快捷等优点，为人们提供了一种新的高速通信方 式。因此，对o f d m 及其在低压电力线通信中的应用进行深入研究具有非常重要的现 实意义。 电力线通信( p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ) 是指以电力线为传输媒介进行数据传送 和信息交换。随着调制技术、传输技术和信号处理技术的进步，电力线通信技术不断发 展：调制技术从传统的单载波调制发展到多载波调制，传输速率从几k b p s 发展到几 m b p s 。目前，电力线通信己经进入高速时代。由于电力线通信不需重新布线，成本低廉 等优点，在智能家庭网络和宽带接入等领域受到了极大的关注。正交频分复用( 0 f d m ) 是实现宽带电力线通信的关键技术。它是一种多载波调制技术，同时也是一种复用技术。 它利用多个相互正交的子载波来传送信息，不但大大提高了频谱利用率，同时也有效克 服了电力线信道中的频率选择性衰落和多径时延，实现了高速、可靠的数据通信。 本文首先介绍了电力线通信的概念和发展状况，研究了电力线信道的基本特性，分 析了电力线信道作为通信媒介的特点，建立了实用的信道模型。为了加深对o f d m 技 术的了解，本文简要介绍了o f d m 技术原理，着重分析了o f d m 技术应用于电力线通 信的优点和o f d m 中的关键技术。然后，用m a t l b s i m u l i n k 建立了基于o f d m 的电力线通信仿真系统，并对系统性能和系统实现的关键技术进行了数据仿真和分析。 最后，本文引用了m a x i m 公司的一套基于电力线通信收发芯片m a x 2 9 8 6 和电力线通 信模拟前端m a x 2 9 8 0 电力线解决方案，为将来的研究奠定了基础。 关键词：电力线通信；正交频分复用；系统仿真 大连理工大学硕士学位论文 p o w e rl i n ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o nb a s e do no f d m a b s t r a c t w i 也t h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y , t h ec o n f l i c tb e t w e e nl a c ko fb a n d w i d t ha n dt h e g r o w i n gu s e r sg e t sw o r s e t h e r ea r et w oi m p o r t a n ts o l u t i o n st ot h et r o u b l e ，o n ei st oi m p r o v e t h ee f f i c i e n c yo fb a n d w i d t ha n dt h eo t h e ri st oe x p l o i tn e ws o u r c ef o rc o m m l m i c a t i o n o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) i sad i g i t a lm o d u l a t i o nt e c h n i q u e w h i c hh a ss om a n yf e a r u m ss u c ha sh i g he f f i c i e n c yo fb a n d 丽d t h f a s td a t at r a n s m i s s i o n t h e c o m m u n i c a t i o no nl o wv o l t a g ep o w e rl i n eb a s e do n0 f d mc a nu t i l i z et h ee x i s t i n gl o w v o l t a g ep o w e rl i n en e t w o r kt oc o m m u n i c a t ew h o s ec o s ti si o wa n dc o n v e n i e n t i ti san e w m e t h o do fh i g hs p e e dc o m m u n i c a t i o n a n dt h er e s e a r c ho no f d ma n di t sa p p l i c a t i o no nl o w v o l t a g ep o w e rl i n eh a sg r e a ts i g n i f i c a n c e p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o nu s e s p o w e rl i n e a sc o m m u n i c a t i o nm e d i af o rd a t a t r a n s m i s s i o na n di n f o r m a t i o ne x c h a n g e w i t l lt h ea d v a n c e m e n to ft h et e c h n o l o g i e so f m o d u l a t i o n t r a n s m i s s i o na n ds i g n a lp r o c e s s i o n , p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o ni sd e v e l o p i n ga l l t h ew a y ：m u l t i c a r r i e rm o d a l a t i o ns u b s t i t a t e sf o rs i n g l ec a r r i e rm o d u l a t i o na n dd a t ar a t e i n e r e a s e sf r o maf e wk i l o b i t st os e v e r a lm e g a b i t s a tp r e s e n t , p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n c o m e si n t oa l le r ad e v e l o p i n gw i t hh i 曲s p e e d b e c a u s ep o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o nh a ss e v e r a l a d v a n t a g e s , s u c ha sn on e e do fn e w w i r ea n dl o wc o s t , i th a sd r a w nal o to fa t t e n t i o n si nt h e f i e l d so fi n t e l l i g e n th o m el a ne n db r o a d b a n da c c e s s o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l l e x i n gf 0 f d m ) i sac r i t i c a lt e c h n o l o g yf o rt h er e a l i z a t i o no fb r o a d b e n dp o w e rl i n e c o m m u n i c a t i o n i ti sat y p eo f m u l t i - c a r d e rm o d u l a t i o na n dat e c h n o l o g yo f m u l t i p l e x 0 f d m u t i l i z e ss e v e r a ls u b c a r r i e r sw h i c ha r eo r t h o g o n a lw i t ho n ea n o t h e rt ot r a n s m i ti n f o r m a t i o n 。 t h u s ，t h eu t i l i z a t i o no ff r e q u e n c yb a n di se n h a n c e dg r e a t l ye n dt h ef r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n g a n dt i m ev a r i a t i o ni nd o w e rl i n ec h a n n e lc a nb eo v e r c o m ee f f e c t i v e l y 1 1 t h e s i si n 删u c e st h ec o n c e p t i o na n dt h ed e v e l o p m e n to fp o w e rl i n ee o m m u n i c a t i o n f i r s t , t h e n ，s t u d i e st h ec h a r a c t e f i s t i c so ft h ep o w e rl i n ee h a n n e l 。s e t su pac h a n n e lm o d e lf o r u s e f o rt h ef u r t h e rc o m p r e h e n s i o no fo f d m t h et h e s i si n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo f0 f d m b r i e f l y ，a n a l y z e st h ea d v a n t a g e st oa p p l yo f d m i np o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ，a n dd i s c u s s e s s o m ec r i t i c a lt e c h n o l o g i e si n0 f d m w ea l s os e tu pap o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o ns i m u l a t i o n m o d e lb a s e do n0 f d m b ym a t l a b s i m u l i n k s i m u l a t i n gs o m ed a t aa n ds y s t e ma n a l y s i s a b o u tt h ec r i t i c a lt e c h n o l o g i e so f0 f d ma n dt h ew h o l es i m u l a t i o ns y s t e m a tl a s t , t h et h e s i s i n t r o d u c e sas u i to fp l cs o l u t i o nb a s e do nt h ei n t e g r a t e dp o w e rl i n ed i g i t a lt r a n s c e i v e r 墨王塑坚垫查堕皇垄垡望望堕 m a x 2 9 8 6a n dp o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o na n a l o gf r o n t - e n dt r a n s c e i v e rd e v e l o p e db y m a x i m c o r p o r a t i o n ，w h i c hw i l lc o n t r i b u t eal o tf o rf u t u r ed e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ；o f d m ；s y s t e ms i m u l a t i o n - i v 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：圣i ! 塑；! 日期： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名- 盟! 垒鱼 导师签名： 哩型! 年月盟日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 电力线通信简介 电力线通信( p l c ，p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ) ，是指利用电力线传输数据和话音信 号的一种通信方式。电力线通信已经有几十年的发展历史，在中高压输f i g 两j ( 3 5 k v 以上1 上通过电力载波机利用较低的频率( 9 - 4 9 0 k h z ) 以较低速率传送数据或话音，就是电力线 通信技术应用的主要形式之一。在低压( 2 2 0 v ) 领域，p l c 技术首先用于负荷控制、远程 抄表和家居自动化，其传输速率一般在1 2 0 0 b p s 或更低，称为低速p l c 。近几年国内外 开展的利用低压电力线传输速率在i m b p s 以上的电力线通信技术称之为高速p l c 。 近年来，随着i n t e m e t 技术的飞速发展，登录上网的人数成倍增长。然而，采用何 种通信方式使用户终端连接到最近的宽带网络连接设备，成为长期困扰人们的难点之 一，也是i n t e r a c t 普及的瓶颈之一，被业内人士称为宽带网络接入的“最后一公里”问 题。利用四通八达、遍布城乡、通达用户的2 2 0 v 低压电力线传输高速数据的p l c 技术 以其不用布线、遍布城乡和连接方便的显著特点，被普遍认为是提供“最后一公里”解 决方案最具有竞争力的技术之一。如果高速p l c 能够应用于我们的实际生活中，并且 能同时传输数据、语音、视频和电流，将有可能带来“四网合一”的新趋势【n 。 p l c 是利用载波技术以电力线为传输介质来传输信息的技术，使用这种技术可以将 传输信息的高频载波信号和5 0 h z 的电流信号通过同一条电力线进行传输，不用另外铺 设专用的通信线路。现在普遍采用的通信方式还有：综合业务数字网( i s d n ，i n t e g r a t e d s e r v i c ed i g i t a ln e t w o r k ) 、非对称数字用户线路( a d s l ，a s y m m e t r i c a ld i g i t a ls u b s c r i b e r l i n e ) 、有线电视网c a t v 和本地多点分配业务( l m d s l o c a lm u l t i p o i n td i s t r i b u t i o n s e r v i c e s ) 。 电力线宽带接入网络具有以下优势： ( 1 ) 充分利用现有的低压配电网络基础设施，无需任何布线，是一种“n on e ww i r e s ” 技术，节约了资源。无需挖沟和穿墙打洞，避免了对建筑物和公用设施的破坏，同时也 节省了人力。 ( 2 ) 电力线是覆盖范围最广的网络，它的规模是其他任何网络无法比拟的。p l c 可 以轻松地渗透到每个家庭，为互联网的发展创造极大的空间。 ( 3 ) p l c 能够提供高速的传输。目前，其传输速率依设备厂家的不同而在 4 5 m b p s - 4 5 m b p s 之间。远远高于拨号上网和i s d n ，比a d s l 更快。足以为用户提供高 基于o f d m 技术的电力线载波通信 速因特网访问服务、话音服务，从而为用户上网和打电话增加了新的选择，有利于其它 电信服务商改善服务、降低价格。更高速率的p l c 产品正在研制之中。 ( 4 ) 不管在家里的哪个角落，只要连接到房间内的任何电源插座上，就可立即拥有 p l c 带来的高速网络享受，是家居自动化的生力军。通过遍布各个房间的墙上插座将智 能家电联网，提前享用数字化家庭的舒适和便利。对家庭联网提供支持。 ( 5 ) p l c 属于“即插即用”，不用烦琐的拨号过程，接入电源就等于接入网络。利 用p l c 的永久在线连接，构建的防火、防盗、防有毒气体泄漏等的保安监控系统，让 上班族高枕无忧：构建的医疗急救系统，让家有老人、孩子和病人的家庭倍感放心。利 用p l c 也可提供独立的数字化社区服务和电子商务，实现家庭办公和远程家电控制【2 】。 综上可知，低压电力线传输高速数据被认为是提供“最后一公里”解决方案最具竞 争力的技术之一。 电力线通信与其他通信方式的比较： 表1 1 通信方式比较 t a b 1 1c o n t r a s tb e t w e e nc o m m u n i c a t i o nw a y s 1 2 电力线通信国内外研究现状 1 2 1 国外p l 0 技术的发展与现状 英国n o r w e b 通信公司早在1 9 9 0 年就开始了高速p l c 技术的研究工作。1 9 9 7 年 1 0 月，n o r w e b 和北方电讯联合宣布实现了技术突破，可提供1 m b p s 的通信速率，并 进行了小规模的现场试验，但由于技术不成熟等原因，这一次热潮没有持续多久，最终 未能得到消费者的普遍接受和政府部门的认可。虽然此项技术发展受阻，但是各国对它 的研究和改进并没有因此而停止。白1 9 9 5 年起，西班牙d s 2 、瑞士a s c o m 、美国 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 i n t e l l o n 、以色列i t r a n 等公司先后启动了高速p l c 研发项目。通过近五年的努力， 多家公司取得了关键技术的突破，并逐步形成了各自的系统和芯片。目前国外用于低压 电力线的高速p l c 芯片的通信速率依具体系统不同在2 5 - 4 5 m b p s 之间。2 0 0 1 年西班牙 d s 2 公司开始研发速率为2 0 0 m b p s 的p l s s o c 芯片，与此同时，其他厂家也在实验室 开发更高速率的系统，预计1 0 0 m b p s 以上的高速p l c 芯片不久将会问世。随着低压p l c 芯片和系统的出现，一些高速p l c 试验网络也相继在西方国家建立起来。德国r w e 电 力线通信公司，2 0 0 1 年在巴西建立高速p l c 实验网络，测试i n t e r n e t 接入和语音功能。 2 0 0 0 年5 月- 2 0 0 1 年6 月，其p l c 试验用户数量为2 0 0 个，还有一个学校参与试验。 该公司宣布于2 0 0 1 年7 月1 日起开始进行高速p l c 商用化。以色列m a n e t 和德国 m v v 的合资公司p p c ，已在1 1 个地区进行了高速p l c 的测试，包括西班牙、瑞典、 荷兰等国家。在德国有1 5 个试验点，每个试验点有2 0 1 0 0 个用户不等。2 0 0 1 年7 月开 始商业化，在曼海姆开展业务。该公司正与意大利一公司合作试验自动抄表。奥地利能 源公司t i w a g ，在1 9 9 9 年3 月与a s c o m 合作，2 0 0 0 年6 月开通试验，其中包括语 音测试。2 0 0 1 年5 月向a s c o m 订购1 0 0 0 台高速p l c 终端设备，2 0 0 1 年1 0 月开始安 装，到2 0 0 2 年2 月，已安装了2 7 0 个用户。现已实现了有线电视信号传输的测试。瑞 士日内瓦大学使用瑞士a s c o m 的产品，在学校校园内建立起高速p l c 网络，为大约 5 3 0 多名来自8 0 多个国家的学生提供了高速的i n t e m e t 接入。近两年来，很多国家都建 了高速p l c 试验网。但试运行的结果表明，高速p l c 技术真正进入市场还有待时日【3 】。 另外，低压高速p l c 技术适用于“最后一公里”的宽带入户，而中压高速p l c 则 是指宽带数字信号跨越电力用户变压器的技术。随着低压高速p l c 关键技术的突破和 不断完善，美国a m p e r i o n 、西班牙d s 2 等公司也加大了中压高速p l c 的研发力度。2 0 0 3 年，a m p e x i o n 宣布取得了成功并得到了世界上第一个专利。该技术使得宽带入户向电 力线高端延伸了3 - 5 k i n 。目前美国、西班牙和德国等地都有了中压高速p l c 试验网【4 1 。 1 ，2 ，2 我国p l c 技术的发展与现状 我国研究p l c 技术较晚，目前的研究还处在起步阶段。中国电力科学研究院自1 9 9 7 年开始研究p l c 技术，主要用于低压抄表系统，传输速率较低。1 9 9 9 年5 月开始进行 高速p l c 系统的研究开发工作，主要对我国低压配电网络的传输特性进行了测试，并 对测试结果进行了数据处理和分析，基本取得了我国低压配电网传输特性和参数，为进 行深入研究和系统开发提供依据。2 0 0 1 年9 月，国电通信中心采用国外电力线通信组网 设备，在北京某生活小区成功地进行了i n t e m e t 接入试验。这是p l c 产品首次在我国电 网环境下进行的安装运行试验，并获得了理想效果，证明了中国低压配电网完全可以实 基于o f d m 技术的电力线载波通信 现高速电力线通信。而早在2 0 0 1 年5 月1 8 日，中国信息产业部就已经正式批准了国电 通信中心的i s p 业务申请，电力线接入已经具备了开展上网业务的通行证。 f d d t p - m o d e m 电力调制解调器是由福建省电力试验研究院自行研制开发的电力 线通讯产品，采用扩频调制技术，在低压变压器范围内通过电力线实现数据通讯。曾在 北京善果胡同开辟的宽带小区网试验小区里为2 4 户居民安装了高速电力调制解调器， 能够为用户提供高速的传输速率( m b p s ) 。 目前国内还没有采用o f d m 技术自行研制的电力线通信产品，只是深圳国电科技 有限公司、福建省电力公司等公司引入美国i n t e l l o n 公司的o f d m 解决方案在小范围内 进行测试试验。为了不受国外的技术垄断，我们也必须研制出自己的解决方案，开发出 自己的产品，制订相应的标准。 国内对于高速p l c 领域的研究刚刚起步，但具有很大的发展前景。我国目前电话 用户不到3 亿，但用电用户己超过1 0 亿。这些资源作为建设本地宽带接入网络的物质 基础，是其他行业所难以得到的。电力系统介入电信市场之后，利用电力线传输数据将 在中国获得极大的发展，高速p l c 技术在中国将有着巨大的市场。虽然我国研究高速 p l c 技术起步较晚，但是发展速度较快。2 0 0 0 年起，国电通信中心即开始引进高速p l c 系统进行了小规模现场试验。目前国内已有几家企业可生产基于国外芯片的注入和终端 设备，同时也形成了中电飞华和上海元利两家b p l 提供商。他们分别在北京、上海、 河南、浙江、沈阳、江西等地区进行高速p l c 网络试点，且都有较为成功的案例。2 0 0 3 年年底，国电通信中心启动了中压宽带p l c 试验。由于我国电网的稳定性较差，现有 的高速p l c 系统在多数场合难以长时间稳定地工作，仍需对其抗干扰技术进行改进， 以期近年内高速p l c 系统能在我国大规模推广。 - - 4 - 大连理工大学硕士学位论文 在表1 2 中给出了目前开发的比较好的几种电力线产品。 表1 2 电力线产品 t a b 1 2p o w e rl i n ep r o d u c t s 1 3 电力线通信国际组织和标准 随着p l c 技术的发展，相继成立了相关的国际性p l c 组织开始研究p l c 技术的标 准，例如：2 0 0 1 年4 月3 c o m ，a m d ，c i s c os y s t e m s 。c o m p a q ，i n t e l ，m o t o r o l a ，t e x a s i n s t r u m e n t s 等1 3 家公司组成了h o m e p l u g 家庭插电联盟( h o m e p l u g p o w e r l i n e a l l i a n c e ) ， 主要致力于开发共同的家用电线网络通信技术标准。目前，h o m e p l u g 电力线联盟已有 9 0 家公司参与该组织标准的制定，并已制定了第一个标准草案( h o m e p l u g1 0 s p e c i f i c a t i o n ) ，选用i n t e l l o n 公司的o f d m 方案，作为统一技术标准的基础。2 0 0 1 年6 月2 6 日，“家庭插电联盟”发布了该标准的第1 个版本h o m e p l u g1 0 。此外还有电力 线通信技术论坛( p l cf o r u m ) 和电力线作为可供选择的本地接入系统协会p a l a s ( p o w e r 基于o f d m 技术的电力线载波通信 l i n e 嬲a l t e r n a t i v el o c a la c c e s s ) 等组织也在研究p l c 技术标准、市场推进和政府管制政 策等问题。 窄带电力载波通信己经有比较完整的标准，例如在频率方面，美国规定使用 5 0 - 4 5 0 k h z ，欧洲规定使用3 - 1 4 8 5 k h z ，其中3 - 9 5 k h z 用于接入通信，9 5 1 4 0 k h z 用于室 内通信。而关于高速p l c ，欧洲电信标准协会( e t s i 。e u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o n s t a n d a r d si n s t i t u t e ) 和美国联邦通信委员会f f c c ，f e d e r a lc o m m u n i e a t i o i l sc o m m i s s i o n ) 至 今仍未制定出相应的标准。f c c 近来己决定对电力线宽带服务产生的干扰进行测量和评 估，提出了部分建议性规定。其中包括：建议电力线宽带服务( b p l ，b r o a d b a n dp o w e rl i n e s e r v i c e ) 设备采用尽可能减少干扰的技术、建议建立b p l 公共数据库，将b p l 设备的位 置和频率以及b p l 设备无线电频率测量的方法等记录在案。目前e m p e r i o n 和c u r r e n t t e c h n o l o g i e sl l c 等b p l 提供商己经在美国的部分地区按此规定开始提供服务。 目前，国际上电力线通信的四个主要组织： ( 1 ) c e b u s 消费者电子总线 美国电子工业联合会( e i a , e l e c l x o m ci n d u s t r i e sa s s o c i a t i o n ) 于1 9 9 2 年正式发布了针 对家庭的电器联网标准c e b m ( c o u s u m e re l e c t r o n i c sb u s ：消费者电子总线) ，现在己获 得美国国家标准学会( a n s la m e r i c a nn a t i o n a ls t a n d a r d si n s t i t u t e ) 标准组织的承认( 全要 面向低速数据传输) ，己被广泛地应用在美国家庭自动化产业中。c e b u s 是基于i s o 的 开放互连参考模型( 0 s i ，o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c tr e f e r e n c em o d e l ) 。 ( 2 ) h o m e p l u g 电力线联盟 包括c i s c o 、英特尔和康柏在内的多家技术公司宣布成立为h o m e p l u g 的非赢利集 团。该联盟为消费者开发一种通过电源插座连接计算机和其他电子设备的方法。从2 0 0 0 年4 月开始，h o m e p l u g 组织已发展到包括9 0 个行业领导者。2 0 0 1 年6 月2 6 日发布工 业界第一个电力线家庭网络标准p o w e rl i n eh o m en e t w o r k i n g1 0s p e c i f i c a t i o n ，主要采 用i n t e l l o n 技术，调制技术：o f d m ，数据速率达1 4 m b p s 。在h o m e p l u g1 0 版本颁 布之前，h o m e p l u g 在超过5 0 0 个家庭1 0 0 0 0 个配线路径上进行了综合试验，试验国家 包括美国与加拿大。试验证明该标准满足互操作性，可靠性、抗干扰性等。该规范包括 节点到节点文件传输，多节点文件传输，v o i p 及流媒体。该标准的出现意味着基于电 源的家庭网络技术可以在开放互通的基础上发展，是该领域的里程碑。 ( 3 ) c e a 消费电子协会 1 9 9 8 年底，消费电子协会( c e a ，c o n s u m e re l c c l r o n i c sa s s o c i a t i o n ) 也建立了包括 s o n y 、t h o m s o n c o n s u m e r e l e c t r o n i c s 等公司在内的一个企业联合集团，开发类似标准。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 另外有一些公司，如3 c o r n 、松下、以及电源线公司e n i k i a 、a d a p t i v en e t w o r k s 和i t r a n 都同时是c e a 与h o m e p l u g 集团的成员。 ( 4 ) p l c f o r u m p l c f o r u m 于2 0 0 0 年3 月2 3 日在瑞士成立。它的7 2 个成员来自三大洲的1 8 个国 家，包括著名的a l c a t e lm i c r o e l e c t r o n i c s 、a s c o mm a n a g e m e n ta g 、c i s c o c o m m u n i c a t i o r s 、e n i k i a 、n o r t e l n e t w o r k s 、p o l y t r a xh f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya g 等公司。 论坛的目标是为所有对p l c 感兴趣的制造商，客户、研究人员以及政府机关提供一个 平台，促进他们之间的交流并提供丰富的有关p l c 的知识。该论坛的市场目标是提供 包括户外接入和户内联网在内的全面p l c 解决方案。p l cf o r u m 不制定标准，但致力 于将会员的提议提交给国际标准化组织，促使其成为标准。p l cf o r u m 的目标是使p l c 为大众提供端到端的宽带服务【5 j 。 1 4 本文研究背景与内容安排 课题研究背景 随着网络通信技术的发展，人们对宽带通信的要求也越来越高。人们在要求高速可 靠的同时，对网络的成本、网络是否便捷实用也提出了更高的要求。利用电力线传输语 音、数据，进行数据交换、处理、控制和监测，组成数据通信网、实现信息自动化，不 仅可以免去专门铺设通信线路，而且，由于电力线网络覆盖面积之大是其他网络无法比 拟的，这使得通信终端的设置和移动非常方便。因而。低压电力线通信在信息家电、楼 宇智能化及宽带接入等应用中受到了极大的关注。 然而，最初的电力线只是为了实现电源传输而设计的，这使得电力线很难成为数据 网络的传输载体。这主要体现在电力线线路阻抗小，变化大，信号衰减强，干扰大且时 变性大，存在着多径时延等。长期以来，许多公司和学者对电力线通信信道进行了大量 的研究和实验工作，取得了一定的经验和成果，现在电力线信道已经可以实现非常高的 数据传输速率与容错性。 目前，正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 技术广泛 地应用于高速数字用户环路( h d s l ) 、非对称数字用户环路( a d s l ) ，超高速数字用户环 路( v h d s l ) 、数字音频广播( d a b ) 、高清晰度数字电视( 1 i d ) 、蜂窝移动通信和无线局 域网( w l a n ) 等领域。由于这种技术可以较好地解决多径衰落或者多径反射所引起的 频率选择性衰减，同时又具有频谱利用率高、信道均衡技术简单、信号调制解调易于实 现、纠错能力强等优点而应用于电力线通信，正受到国内外研究机构和生产厂商的广泛 重视。很多公司都致力于研发采用o f d m 调制技术的电力线通信产品，如美国的i n t e l l o n 基于o f d m 技术的电力线载波通信 公司、w i l a n 公司，德国的p o l y t r a x 公司、s i e m e n s 公司以及i n a d 公司的第三代1 0 m b p s 芯片组等。并且，随着p l c 技术的发展，世界范围内也相继成立了相关的国际性电 力线通信组织嘲。 本文主要针对目前我国高速低压电力线通信领域的空白，研究了o f d m 调制解调 技术的优势和特点。同时，针对电力线信道特性，建立了信道模型，并利用 m a t l a b s i m u l i n k 软件进行了计算机仿真。最后，为将来进一步的研究电力线产品做铺垫， 本文简单介绍了m a x i m 公司的解决方案。 第一章绪论。 第二章对电力线信道特性进行详细分析，然后在此基础上给出电力线信道模型。 第三章主要讨论了o f d m 的基本原理和实现方法，分析了选择o f d m 技术进行高 速通信时的抗干扰性能，得出了o f d m 在电力线通信中应用的优越性。 第四章将在前面分析的基础上，利用动态仿真软件s i m u l i n k 建立基于o f d m 的 电力线通信仿真系统，并在大量仿真的基础上给出相应的仿真曲线与结论。 第五章为将来的硬件开发作准备。 最后一章总结全文并对电力线载波通信这个课题未来的研究内容和研究方向提出 一些见解。 大连理工大学硕士学位论文 2 电力线信道特性及模型 2 1 简介 1 9 9 7 年以来，国际上兴起了高速电力线通信p l c 的研究。与传统电力线载波通信 相比，p l c 要求提供i m b p s 1 0 m b p s 以上的通信速率，而传统的p l c 只有几k b p s 到几 十k b p s 的传输速率。因此，对带宽提出了更高的要求( 传统的p l c 的带宽：欧洲为 9 0 k h z - 1 4 8 5 k h z ，美国为1 0 0 k h z - 4 5 0 k h z ) 。虽然有电力线传输特性和频带管制( 欧洲 的e n 5 0 0 6 5 1 ，p a r t 6 3 2 ；美国的f c c c f r l 5 1 1 3 ) 的限制，但目前国际上的研究普遍认 为1 m h z - 3 0 m h z 的频带可以用来进行高速数据传输。与中、高压电力线的载波通信不 同，低压配电网由于直接面向用户，这一固有的特点使其通信环境极其恶劣。在0 - 3 0 m h z 的频带中；5 0 k h z 以下充斥着人为噪声和干扰不适于电力线通信：5 2 5 k h z - 1 6 m h z 属于 全球射频广播a m 频段；剩下两个频段，5 0 k h z - 5 2 5 k h z 用于低频p l c ：1 6 m h z 3 0 m h z 用于高频p l c 。 国内外p l c 技术的应用，主要分为两种模式，一种是以美国为代表的户内联网模 式，利用室内电源线，实现家庭内部多台计算机联网及智能家用电器联网，户外访问使 用其它宽带的接入方式，这是因为美国a d s l ，c a b l em o d e m 等技术和产品已经比较成 熟和普及。目前室内产品的较高速率是i n t e l l o n 公司的p o w e r p a c k e t 达到1 4 m b p s ，i t r a n 公司的i t m l ，达到2 4 m b p s ，这些产品在国外均处于初级商用阶段。第二种是欧洲，用 作户外接入模式，具体是( 光缆或其他高速通信手段己经连接到楼内总配电室) 利用 2 2 0 3 8 0 v 线路解决从楼内总配电室至每个住户的通信接入，实现从低压配电变压器到住 户的高速数据接入。 低压电力线是指从中低压变压器到私人用户这一段，这段距离大约有2 0 0 - 3 0 0 米。 考虑到我国的低压配电网的具体情况，人们提出在每个低压变压器侧把多个用户的数据 经过基站合路后接入骨干网的接入模式，这主要是因为： ( 1 ) 变压器对高频信号的衰耗非常大，通过变压器传输数据，技术上难于实现。 ( 2 ) 我国的一个低压变压器侧接上百个用户( 2 0 0 或3 0 0 个) 。而且低压电力线的可用 频带有限，电力线采用总线制传输，如果通过多个低压变压器之后再进行多路数据汇接 共享带宽，会降低单个用户的接入速率，无法满足高速接入的要求。 ( 3 ) 目前国内大多数城市中的骨干光纤网都开始接到了小区或楼内，电力线实现与 骨干网接入相当方便 7 1 。 基于o f d m 技术的电力线载波通信 2 2 电力线信道特性分析 电力网不是为传输高速数据而设计的，构成电力网的组件是按照输送电能的损失最 小并保证安全可靠地传输低频( 5 0h z ) 电流而选择的。配电网不具备电信网那样的对称性 ( 构成回路的两根绝缘芯线对地是对称的) 、均匀性( 在线路的全部长度上传输导线横截面 形状及大小、使用材料、导体间的间隔和导体周围的介质都保持均匀不变) ，因而基本 上不具备通信网所必须具各的通信线路电气特性。因此在使用低压电力线作为信号传输 媒介之前，需要对它的信道特性进行详细分析。 低压电力线本身是设计用于传输5 0 i - i z 或6 0 h z 电力，而不是用于数据通信。要想 采用适当的技术在低压电力线上可靠传输高速数字信号，首要的前提就是分析电力线信 道特性，然后有针对性的提出解决方案。在过去，研究人员们对数百k h z 以下的频带进 行了许多的理论分析和现场测试，并得出了许多有用的结论，然而对于高频带的特性还 需要进一步的分析，而且由于电力线环境的复杂性，在低压电力线信道参数的测量中普 遍会遇到以下问题： ( 1 ) 每个小区配电网络都有自己的拓扑分布( 线路长度及布局) ，不易找出代表性 的线路进行测量。 ( 2 ) 用户的周边环境不同，造成不同地区、同一地区的不同用户的衰减特性均不相 同，无法为通信终端提供大致相同的发射接收条件。 ( 3 ) 每个网络节点的电气特性随着时间而变化，同一地点不同时间测量的大多数参 数都有明显的变化。 ( 4 ) 不同负载的随机开关操作，产生不同噪声脉冲，从而对通信信号产生严重干扰， 很难找到一个通用的统计特性。 因此，对电力线通信系统很难提出一个通用的信道模型，只能针对主要的干扰予以 分析。 由于电网上负载的不断接入、切出，表现出来的信道特性有如下特点： ( 1 ) 信号衰减大且有很强的时变性； ( 2 ) 整个网络的阻抗处于动态变化之中，使许多用电设备工作在阻抗不匹配的状态， 信号到达该处时会产生反射、谐振等现象，造成多径效应和频率选择性衰减。如果多径 延迟较长，就会对有用信号产生严重的符号间干扰i s i ( i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e ) ； ( 3 ) 干扰噪声；( 4 ) 相移。 大连理工大学硕士学位论文 2 2 1 时变特性 对于一般的居民用户，我国采用的是2 2 0 v 交流两线供电。由于电网上负载的不断 接入、切出，马达的停止、启动，电器有开有关等各种随机事件，使表现出来的信道特 性具有很强的时变性。低压电力线在l s 内可对某一频率信号的衰减变化达到2 0 d b 6 0 d b ；同时，在l s 内信噪比的变化也可达到1 0 d b 左右，具体对通信系统表现为突发脉 冲干扰。 2 2 2 衰减特性 信号传输衰减频率特性是通信系统电气特性的一个重要参数，配电网与电信网具有 很大的差别。例如，对于无屏蔽的对称通信电缆，在所使用的频段下发生的均匀衰耗一 般在3 5 d b 左右，而对于以p v c ( 聚氯乙稀) 作绝缘的电力电缆，其传输衰减比通信电缆 大得多，在1 0 0 m 以内和2 0 m h z 频率下的传输衰减一般不低于6 0 d b 。对称回路( 明线及 对称电缆) 及不对称回路( 同轴电缆) 的传输衰减一般都是随频率的平方根成正比例增大。 因此应用i - i f 高频段传输信号的p l c 系统的衰减是