（通信与信息系统专业论文）宽带电力线接入设备研究.pdf

中文摘要 摘要：电力线通信技术是利用电力线传输数据、语音、图像等多媒体信号的一种 通信方式。低速电力线通信已发展成熟，目前基于低压电力线传输网络的宽带电 力线通信成为业界的研究热点。研究丌发此项技术对于充分利用电力线网络资源， 实现数据传输，加快我国信息化建设有重要意义。本文首先简单介绍了电力线通 信相关知识。在此基础上对宽带电力线透信信道进行了介绍和分析，基于目前电 力线信道研究水平，重点分析了电力线噪声、信道阻抗特性和电力线信道传输特 性，给出了电力线噪声和电力线信道的模型。最后给出了1 4 m b p s 和5 0 m b p s 的宽 带电力线接入终端设备调制解调器的硬件设计与实现，详细介绍了电路中各模块 的设计，对整个硬件系统性能进行了联网测试，并对测试数据进行了分析比较。 关键词：电力线通信；调制解调器；宽带接入；i n t 5 1 x l ；c x 9 0 0 1 5 分类号：t n 9 1 5 0 5 a b s t r a c t a b s t i u c t ：p o w e r l i n ec o m m 岫i c a t i o ni sak i l l do fc o m m 啪c a t l o nt e c h n o l o 西部 w h i c hu s c sp o w e d i n et o 咖s m i td a t a s i 弘a l 锄d 鲫hm u l “m c d i 乱a tp 旭s 吼t ，l o wr a t c p o w c l l i i l ec o m m u l l i c a t i o nt e c h o l o 百髑h a v eg r o w nm u t u a l l y b m a d b 锄dp o w 盯l i n e c o m m u n i c a t i o nb 嬲e do nl o 、卜v o l t 艇筘d i s 砸b u t i o nn e t w o r kh 勰b e e nt l l eh o t s p o to f 咖 仃a n s m i s s i o nf i e l d p o w e r l i n ec o m m u n i c a t i o ni su s e f h lf 醣f i l i l yu s i n gp o w e r l i n e r c s o u r c c ，r e a l i z i n gd a t a 胁l s m i s s i o l l ，s p e c d i n gi n f o m a t i o n a l c o 衄饥l c t i o no fo l l r c o u n n y f i r s t b t l l i st l l 锚i sd 骼田b 鼯m eb 硒i c k n o w l c d g eo fp o w e r l i 鹏 c ( 小l 舢i l i c a l i o n a n dt h e i l d i s c i l s s 髓t h ec h 趾孤：t e r i s t i c so f b r o a d b a n dp o w e r l i n ec h 锄e 1 b 勰e d r c s 删c hl “e lo fp l cc h 籼d ，w em a i n l yd i s c l i s s i s eo v e rp l c ，i m p e d a i l c e c h a l a 删s 矗c 锄dp i 一( ：c h a l h l e l 把m 锄i s s i o nc h a m c t e r i s t i c 锄dg i v es o m em o d e l so f p 【cn o i s e 锄dc h a n n e l a tl 嬲t ，t 1 1 i st l l 嚣i sg i v 嚣l l l ed 船i g n 船di m p l e m 饥t a t i o no f 1 4 m b p sa n d5 0 m b p sb m a d b 锄dp o w 刚i m o d 锄，d i s c u 鼹m a i l lp a n so fm o d 锄i n d “l ，t 嚣t i n gt l l ew h o l es y s t 锄b c d p o w e r l i n e m o 出锄dm a l ( eac o m p a r e 锄d 锄a l y s i so f m et 船t i i l gd a t a k e y w o r d s ：p l c ；m o d 锄；b r o a d b 趾l da c c 髂s ；i n t 5 l x l ；c x 9 0 0 1 5 c i a s s n o ：t n 9 l5 0 5 致谢 本论文的工作是在我的导师陶成副教授的悉心指导下完成的，陶成老师严谨 的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来陶 老师对我的关心和指导。 陶成老师悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向陶老师表示衷心的谢意。 杜老师对于我的科研工作和论文提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感 谢。 在实验室工作及撰写论文期间，实验室的刘留同学、张强同学、李昌林同学 等全体实验室同学对我论文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的 感激之情。 另外也感谢我的家人和朋友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业。 l 引言 1 1 研究电力线通信目的和意义 电力线通信( p o w c rl i c o 姗眦i 训o n ) 技术简称为p l c 技术，是利用配电网 低压线路传输高速数据、话音、图像等多媒体业务信号的一种通信方式，是目i ； 发展前景十分看好的宽带接入技术。研究开发此项技术，对于充分利用电力设施， 发挥电力资源优势，发展电力通信产业，为电力企业提供进入电信公共服务的技 术手段，为电信用户提供方便的价格合理的宽带接入手段，实现高速数据传输， 加快我国信息化建设具有十分广阔的前景。 宽带电力线通信与传统电力线载波通信相比，要求提供l m b p s 以上的通信速 率，丽传统的p l c 只有几k b p s 到几十k b p s ( 欧洲为9 0 k h z 1 4 8 o k h z ，美国为 1 0 咖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 n 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l 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o 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 瑚z - 3 0 m h z 用于高频p l c 。 早在2o 世纪9 0 年代初，一些国家开始在这方面进行研究，由于技术不成熟， 发展速度缓慢。进入2 l 世纪以来，p l c 芯片技术有所突破，此项技术的发展速度 明显加快，目前正朝着实用化方向发展。近年来，随着h n 试技术的飞速发展， 登录上网的人数成倍增长，采用何种通信方式使用户终端连接到最近的宽带网络 设备，成为困扰人们的难点之一，也是h n 锄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、直达用户的2 2 0 v 低压电力线传输高速数据的p l c 技术，以其无需布线、覆盖范围广、连接方便等 显著优点，被普遍认为是“最后一公里”解决方案的最具竞争力的技术之一。目 前宽带p l c 己可以传输高达1 0 m b p s 的数据，2 0 0 m b p s 的芯片也已经面世。 就目前我国电信事业的发展现状来看，对电力线通信的研究意义更加重大。 由于我国的通信基础设施建设起步晚、底子薄，与发达国家相比，无论从电信设 备的数量和质量，还是从用户的普及程度来讲都存在不小差距。有线电话网只是 覆盖了城市及其周围经济比较发达的乡村，电缆和光缆也不普及，电信基础设施 还有很长的路要走，尤其是对于经济落后的广大农村地区。但是与此同时值得注 意的是我国电力网络已基本覆盖了全国所有的行政区域，几乎所有的城市、农村、 学校、工厂、每一幢建筑、每一个家庭、每一个房间，都用电力线网络相连，这 也就为电力线通信发展提供了广阔的发展空问。如果能利用宽带电力线通信不失 为改善我国通信现状的一个好方法。这将促进国民经济的发展，提高人们的生活 水平，方便人民的生活。因此，研究宽带电力线通信具有重大的实用价值和理论 意义。 1 2 国内外相关文献综述 低压电力线通信作为一种新兴的通信方式在最近几十年受到了足够的重视。 人们围绕低压电力线的信道特性，电力线通信所采用的关键技术，实现方式以及 o f d m 技术应用于电力线通信等问题都进行了大量的研究。尤其是近年来，随着 人类进入到网络时代，上网人数急剧增加，利用电力线接入h l t 锄e t 即通常所说的 “电力线上网”成为人们研究的一个新热点，并取得了一些相关的研究成果，这 些成果对于电力线通信的发展起到了至关重要的作用。 9 0 年代初，英国n o r w e b 通信公司开始进行p l c ：用于接入1 1 1 t 鲫e t 的研究 开发工作，并于1 9 9 6 年9 月在c i g r e 大会期间展示了技术原理和演示产品，提 供了在曼切斯特进行2 0 户小范围试验的录像资料，传输速率达到1 m b p s ，他们开 发的数字配电线载波技术( d i g i t a lp o w e rl i n e d p l ) 可以成功实现在低压配电网的 导线和基础设施上传输高速资料，这就解决了利用电力网承载各种信息接入网的 可能性问题，但仅进行了小规模现场试验，未能得到推广。近年来，对p l c 的进 一步研究成果层出不穷：1 9 9 8 年，美国l m e l o 舀s 公司推出了p a 蟠p o r t 商业化p l c 产品，最高速率为3 5 0 k b p s ，由于技术不成熟，亦未能大规模商用；2 0 0 1 年美国 b t e l l 公司和西班牙d s 2 公司等一些芯片厂商纷纷推出基于o f d m 调制技术的 p l c 专用芯片，美国i i l t c l i 公司用于户内联网的1 4 m b p s 芯片达到实用水平，欧 洲西班牙d s 2 公司的芯片速率也达到4 5 m b p s ，同时一些国家也开展了p l c 实用 化工作，开设了一些实验局，用于家庭自动化，接入h l t 踟1 c t 等，并取得了良好的 效果，p l c 发展日趋成熟。随着p l c 技术的发展，相继成立了相关的国际性p l c 组织如h o m e p l u g ，p l cf 叽吼等，并且发布了相关的技术标准h o m e p l u 9 1 o ，进 一步推动了p l c 的应用。随着技术的进步和p l c 的广泛应用，最新的p l c 芯片 速率已达到2 0 0 m b p s ，新的h 锄c p l u g a v 标准也相继出台，p l c 应用的领域将得 到进一步拓宽。 2 1 3 本文的主要工作 本文在研究低压电力线通信相关技术的基础上，主要完成了以下几方面的工 作： ( 1 ) 实现了1 4 m b p s 宽带电力线调制解调器，完成了相关电路的硬件设计与 调试工作。目前该产品已应用于北京、沈阳等地的多家酒店宾馆和小区。 ( 2 ) 实现了5 0 m b p s 宽带电力线调制解调器，完成了相关电路的硬件设计与 调试，并对5 0 m b p s 调制解调器的终端用户隔离进行了分析验证。 ( 3 ) 对1 4 m b p s 调制解调器和5 0 m b p s 调制解调器进行耦合电路改造，完成 电力线通信到电话线通信的转换，提高了终端设备的通信速率和通信距离，扩大 了产品的使用范围。 ( 4 ) 完成了1 4 m b p s 和5 0 m b p s 终端设备的联网测试和工程应用测试并对测 试数据进行分析和总结，为产品的工程应用奠定基础。 些峦銮道厶堂亟堂焦论塞生左线垣值埴盔蕴匮 2 电力线通信技术发展 2 1 宽带电力线通信简介 电力线通信( p o w e rl i l l ec o 咖u n i c a t i o n ) ，简称p l c ，是指利用电力线传输数 据、语音、图像等多媒体信号的一种通信方式，该技术是把载有信息的高频信号 加载到电力线上进行数据传输，信息接收端通过调制解调器再把高频数据信号从 电力线上耦合出来并传输到计算机等终端设备来完成信息的传递。电力线通信技 术已经有几十年的发展历史，在中高压输电网上通过电力载波机利用较低的频率 ( 9 4 9 0 k h z ) 以较低速率传输数据或语音，这是电力线通信应用的主要形式之一。在 低压领域，p l c 技术首先用于负荷控制、远程抄表和家具自动化，其传输速率一 般为1 2 0 0 b d s 或更低，称为低速p l c 或窄带p l c 。 近年来，随着i n t 锄e t 技术的飞速发展，登陆上网的人数成倍增加，宽带电力 线接入技术成为电力线通信的研究热点，与传统的低速p l c 相比，宽带电力线通 信要求提供l m b p s 以上的通信速率。尽管有数字用户线( x d s l ) 、有线电视电缆 调制解调器( c 曲l em o d e m ) 、综合业务数字网( i s d n ) 、无线接入等其他接入方 式的竞争，利用四通八达、遍布城乡的低压电力线传输高速数据的p l c 技术以其 无需布线、覆盖范围广、连接方便等优点被业内人士看好，成为宽带接入“最后 一公罩”解决方案的有力竞争者。目前，宽带p l c 技术发展迅速，芯片速率最高 已达2 0 0 m b p s ，能够实现高速数据的传输，随着p l c 技术的进步，宽带电力线通 信会得到更大的发展空间。 2 2 宽带p l c 与其他接入方式比较 现代电信网是由核心网、接入网及用户驻地网三部分组成。接入网位于电信 网的末梢，与骨干网相比，具有建设工程复杂、投资大、维护难的特点。近几年 来，骨干网随着密集波分复用技术的引入，光纤利用率大大提高，传输容量得到 极大的扩展。而接入网技术发展相对缓慢，已成为整个电信网发展的瓶颈。 接入网为通信网中与用户相连的最后一段网络，位于交换网和用户之间，通 过用户网络接口与用户相连，通过业务节点接口与交换机相连。接入技术除正在 发展的宽带电力线接入外，还有模拟调制解调器接入、i s d n 接入、x d s l 接入、 h f c 接入、以太网接入、8 0 2 1 l 无线局域网接入等，表2 1 中对“最后一公里”解 决方案的几种接入方式进行了比较。 4 表2 1 各种用户接入技术比较 t a b l e2 1c o i i i p a r eo f a o s 刚m 0 1 吲c s 各种用户接入技术比较 通信方式最大速率物理媒介优点缺点 模拟调制5 6 k双绞线应用广泛，价格便宜，标准接入速率低。 解调器化程度高。 i s d n 1 2 8 k 双绞线电话和数据传输共享，接入费用较普通电话 速度稳定。线贵，接入速度 仍然偏低。 a d s l下行双绞线不干扰普通电话使用，频带频宽受距离限 l m 一8 m 专用，接入速度快，不平衡制，费用高。点 上行传输，适应网络访问规律，对点组网，局端 5 1 2 k ，2 m 由于其基于电话交换网络设备较贵，不适 建设，因此建设成本低，建 应建设独立的数 设速度快，不受停电影响。字化小区的需 要。 h f c 下行小于 同轴电缆 接入速度与距离无关，决定必须拥有现成的 系统3 0 m 上行于接入的用户数，多用户共有线电视网络接 2 m 享带宽，可组网，不平衡传入，并需双向改 输。造，改造费用大； 在新区域开办服 务铺设线路造价 高昂，用户增多 时，接入性能下 降，受停电影响， 需加备用电源。 p l c目前可到电力线无需御线，分布广泛，接入接入性能受电网 宽带接入 2 0 0 m 方便，多用户共享带宽，接特性影响，共享 入成本低，建设费用低，两通信介质，限制 级结构，电力线接入部分采可以提供给每个 用一点对多点结构，与局端用户的带宽，通 连接采用点对点结构，可以信距离受限。 独立建设数字化小区服务， 可提供需多附加增值业务。 5 韭立銮道厶堂亟堂焦论塞生左缝堑信埴苤蕉透 8 0 2 1 l 无1 2 m ，可大气建设速度快，无需布线，移需室内天线，易 线局域网达l o m动性强，建设成本低，采用受建筑物阻挡。 接入 扩频技术，抗干扰能力强，对大气、气候状 保密性好。况敏感，易受其 他同频段的电台 干扰。 光纤宽带 可达1 0 g光纤和五用户接入带宽高，可达需要建设完善的 接入以上类线1 0 0 m ，可靠性高，性能稳光纤网络，建设 定。成本高。对于没 有五类线的用户 需要重新布线。 与其它接入技术相比，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 w ”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，它的舰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，为互联网的发展普及创造了条件。 ( 3 ) p l c 能够提供高速的传输。目前，其传输速率最高已达2 0 0 m b p s ，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。 ( 4 ) 不管在家里的哪个角落，只要连接到电源插座上，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 3 国内外技术发展和趋势 英国n o i 狮e b 通信公司在1 9 9 0 年就开始研究此项技术，1 9 9 6 年9 月在c i g r e 大会期间向各国代表展示了技术原理和演示产品。1 9 9 8 年，美国l m d o 西s 公司推 6 出了p 雒s p o n 商业化p l c 产品，用于户内联网，最高速率为3 5 0 k b p s 。到2 0 0 1 年 初，p l c 专用芯片制造技术的进展明显加速，美国i n t e l l o n 公司用于户内联网的 1 4 m b p s 芯片达到实用水平；欧洲西班牙d s 2 公司的芯片速率也达到4 5 m b p s ；随 之，许多国家的研究机构开展了p l c 技术的研究和开发，如美国的h l t e l l o n 、 i n 撕( i m e l o 西s ) 、i t r a n 等公司，韩国的x e l i n e 公司，欧洲的a s c o m 、p o l ”m x 等公司，p l c 芯片的传输速率从1 m b p s 发展到2 m b p s 、1 4 m b p s 、4 5 m b p s 、8 5 m b p s 、 2 0 0 m b p s 。 瑞士a s c o m 公司1 9 9 8 年开始进入p l c 技术研究领域，1 9 9 9 年实验取得成 功，2 0 0 0 年与欧洲、东南亚以及拉丁美洲的2 0 个大型企业或电信运营商联合建设 了实验系统，试验的用户数超过2 0 0 0 个，并全部取得了成功。 德国r w e 电力线通信公司从1 9 9 7 年开始与瑞士a s c o m 公司合作开发p l c 产品，1 9 9 9 年汉诺威展览会上展出了样机，2 0 0 0 年5 月开始进行2 0 0 户的现场试 验，2 0 0 0 年1 1 月起在德国埃森r w e p l u g 公司总部大厅开放p l c 演示样板间，2 0 0 l 推出了r w e p o w 酬c t ( p l c 上网) 、r w e p o w 盯s c h 0 0 l ( p l c 学校联网) 和 r w ee h o m e ( 智能家庭自动化) 三项业务及相应产品。自2 0 0 1 年7 月1 日起正式 开始商用化，致力于德国电力线接入市场的运营、数字化家居的建设以及电力线 数字学校的建设和运营。r w e 电力线宽带接入产品在德国的埃森安装了1 5 0 0 户。 从而使r w e 公司成为世界上首家宣布实现p l c 接入系统商业化运营的企业，同 时德国也是迄今为止世界上唯一允许p l c 进入商业化运行的国家，并颁布了有关 法律( n b 3 0 ) 。r w e 公司的p l c 接入系统提供的数据服务是上行、下行对称的， 最大为2 m b p s ，为多用户共享带宽。2 0 0 2 年r w e 计划推出m 电话业务，并深入 研究开展视频会议、视频点播、网上电视、网上广播等业务。 韩国x e l i n e 公司成立于1 9 9 9 年5 月，主要业务是开发、制造、销售基于p l c 的产品和网络解决方案。在2 0 0 1 年3 月在德国汉诺威举办的c e b i t 2 0 0 l 展览会 上，推出p 【c 产品解决最后一公里接入、家庭网络应用解决方案。在韩国汉城建 立了与互联网相连接的示范点，实现了同步互联网接入的家庭联网、文件共享和 m p 3 音乐播送。目前，该公司除在汉城外，还在德国、日本、美国、中国等地建 设了p l c 试验点，产品传输速率从1 m b p s 到3 2 m b p s 。 我国研究p l c 技术起步较晚，但发展速度较快。中国电力科学研究院自1 9 9 7 年开始研究p l c 技术，主要考虑p l c 技术用于低压抄表系统，传输速率较低。1 9 9 8 年开发出样机，并通过了试验室功能测试，1 9 9 9 年在现场进行试运行，获得了产 品登记许可。1 9 9 9 年5 月开始进行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 0 7 韭立銮适占堂亟堂鱼i 金塞生应缮堑篮挂丕蕉匮 年丌始引进国外的p l c 芯片，研制了2 m b p s 的样机，2 0 0 1 年下半年进行了小规模 现场试验，实验效果良好。 深圳国电科技有限公司是国家电力公司直属企业，2 0 0 0 年初就开始研制户内 p l c 产品，目前，采用美国h l t e l l 公司的1 4 m b p s 芯片研制的用于户内联网的p l c 产品也在小范围试验。基于d s 2 公司的4 5 m b p s 芯片，研制成功了传输速率达到 2 0 m b d s 的户内p l c 联网设备。 福建省电力公司科技部2 0 0 0 年初立项，研究利用p l c 技术控制家用电器的科技 项目，2 0 0 1 年取得了一定进展，采用传输速率为1 0 k b p s 的p l c 模块，可控制家用 热水器、d v d 等家电的歼启。目前，采用美国i n t c l l o n 公司1 4 m b p s 芯片，正在研发 传输速率达到1 0 m b p s 的p l c 户内家电控制产品。 国电通信中心也加快了p l c 技术应用的推进速度，于2 0 0 1 年9 月在国家电力公 司宿舍区建立了p l c 实验室，组织国内外p l c 厂商的产品，分别进行测试试验。目 前，试验正在逐步扩大用户数量。 2 4 国际相关组织 电力线高速通信的国际组织主要有家庭插电联盟h p a ( h o m e p l u gp o w c r l i n e l i 粕c c ) 、电力线通信论坛p l cf o 九蛐，p ：a l a s ( p o w c d i n e 嬲锄a l t e n l a t i v el o c a l a c c 鼯s 1 。 由思科、英特尔、惠普、松下和夏普等1 3 家公司组成的家庭插电联盟成立， 2 0 0 0 年4 月，致力于创造共同的家用电力线网络通信技术标准。目前，h p a 己发 展成为由9 0 家公司组成的企业集团，并选用美国i n t e u 公司的技术作为统一技 术标准的原型。2 0 0 1 年6 月，m a 发布了其标准的第1 个版本h 嘲e - p l u g s p c c m c a t i o n l o ，将数据传输速率定为1 4 m b p s ，采用o f d m 调制解调技术。m a c 层协议采用c s m a c a 。该标准定位于家庭内部网络应用，对户外高速电力线接入 较少涉及。目前又推出了h o m c p l u ga v 标准，它是h o m e p l u g 组织的下一代电力 线通信的技术标准，将数据传输速率提高到2 0 0 m b p s ，采用o f d m 调制解调方式。 m a c 同时支持t d m c s m a ，具有更高的效率。采用加密1 2 8 a e s 加密，安全性 更高。h o m e p l u g a v 主要面向包括h d t v 和音频视频等家庭多媒体互联。 p l c f o m 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 d e c 仃o n i c s ，a s c o mm 锄a g 锄舶ta g ， c i s c 0 c 啪m u n i c a t i o n s ，e n i 轴a ，n o r t c ln c t w o r k s ，p o l 螂xi n f o 彻a t i o nt c 曲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 构提供一个平台，促进他们交流和丰富有关p l c 的知识。该论坛的市场目标是提 s j e 塞銮遒本堂亟堂僮论童啦左缮擅篮拉盔蕴羼 供包括户外接入和户内联网在内全面p l c 解决方案。p l cf o 咖不制定标准，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 硼的目 标是使用p l c 为大众提供端到端的宽带服务。 队l a s 将目标定位于为高速p l c 市场上的潜在用户开发一套完整的、商业化 的测试服务工具包，该工具包包括技术模拟和咨询工具、最初的商业和转型服务 模型以及具体的产品策略。除此之外，p a l a s 还提供一套综合方法，以减少产品 面市的时间，增强产品在市场、技术、组织和经济问题上的确定性。 当前高速p l c 技术主要有两种发展模式：其一为以美国为代表的家庭联网模 式。这种模式的p l c 只提供家庭内部联网，户外访问使用其它传统的通信方式。 这一方面是由于美国a d s l ，h f c 等技术和产品已经比较成熟和普及，更重要的 是由于美国的低压配电变压器一般为单相，平均只为5 - 6 个用户提供供电服务，推 广高速p l c 接入技术成本过高的缘故；另一种模式是面向欧洲和亚太市场的，因 为这些地区的低压配电网结构比较类似，一般为2 0 0 - 3 0 0 个用户提供供电服务， 推广高速p l c 接入服务平均成本较低。该应用模式提供自配电变压器至用户家庭 的全面p l c 解决方案。由于室外产品同室内产品的使用环境不同，技术上实现起 来难度较大，因此能够提供该种方案的公司数量较少，主要有西班牙d s 2 公司、 瑞士a s c o m 公司、以色列m 咖n e t 公司等。这几家公司在欧洲的西班牙、德国、 奥地利、法国和亚洲的韩国、新加坡、香港等国家和地区建有实验网络。 2 5 本章小结 本章对电力线通信技术的相关知识进行了介绍，对现存的接入技术进行了比 较分析，可以看出电力线通信具有独特的优势。当前，电力线通信已得到广泛应 用，随着电力线技术的不断发展，也出现了相关的国际组织和标准。这种通信技 术可以充分利用现有的电力线网络资源，免去铺设专用通信线路的费用和麻烦。 基于宽带电力线通信接入网络的相关产品已经问世，给居民高速接入i n t 啪e t 带来 了新选择。随着互联网在全球范围内的迅速发展和用户对新业务服务的不断增加， 作为价格低廉、使用灵活方便、最终可提供电话、上网等服务的宽带p l c 将有巨 大的发展空间。 9 3 电力线信道特性 由于电力线网络原本设计只是用于电力传输，而非为电力通信使用。因而作 为传输媒介的低压电力线网络不同于其他传统通信网络，它具有特殊的网络拓扑 和传输特性。由于电力线传输网络的固有特点使得它作为通信信道使用时，其特 性并不理想。大量的测试结果表明，低压电力传输网络是富含各种噪声的网络( 包 括背景噪声，窄带干扰和脉冲噪声) ，对传输的信号具有较高的频率衰落特性。此 外由于传输阻抗的不匹配，在信号的传输过程中，由于信号在网络节点上的反射 和折射，还会产生多径效应。为了更好的利用电力线通信，需要对电力线网络进 行分析，针对电力线网络的特点采取对应得措施以便获得更好的通信性能。 3 1 低压电力线信道研究综述 从7 0 年代开始，人们对电力线传输信号的特性进行了大量的试验与研究，主 要包括对电力线阻抗特性研究【i - 3 1 ，对电力线中冲击嗓声的幅度，宽度和间隔分布 的研究【4 5 】，对电力线信号衰减的研究【6 】。但在早期，由于受到数字信号处理技术 的限制以及电力线通信的有关规定的制约，电力线通信只能采用较低的频率范围， 实现一些低速率应用，如自动抄表( a m r ) ，远程控制，家庭自动化等等。因此， 人们的研究主要集中在信道的窄带特性，即5 0 0 k h z 以下的电力线信道特性上面。 这方面的工作主要有：1 9 8 4 年r o g 盯m v i n e s 等人研究了在5 1 0 0 k h z 频率范围内 家庭中各种家电设备，包括电动机，电灯亮度衰减器，电视接收机以及电源开光 设备在电力线中产生的噪声特点【7 l 。1 9 8 6 年m o r g 眦h l c h 龇测量了2 0 2 4 0 z 频率范围内室内电力线上的信号衰减情况【8 】，研究发现：电力线中信号衰减一般大 于2 0 d b ，而且可能会非常严重；频率选择性衰落在网络负载发生变化时可能也会 发生变化，并且呈现出一定的时间周期性；电力网络的负载是时变的，并且对信 号衰减会产生严重的影响。1 9 9 8 年，o l a fgh o o i j 吼测量了c e n e l e c 发布的 e n 5 0 0 6 5 1 标准规定的9 9 5 z 频率范围内电力线信道特性【9 】，并建立了窄带电力 线噪声模型和阻抗模型。 近年来，由于因特网业务的增长，以及多媒体通信业务的增多，对数据传输 速率的要求也越来越高，5 0 0 k h 2 以下频带已难以满足高速数据通信的需要，对电 力线在更高频率下信道特性的研究逐渐成为国际上电力线通信研究的重点问题。 早在1 9 8 8 年和1 9 8 9 年，m t 锄a l ( a 在l o k 1 0 0 m h z 频率范围内就室内电力线上的噪 声和衰减特性进行了研究( 悱】，但是他研究中的电力线长度小于2 0 米，对于家庭 电力线网络来说，这个长度范围过小。1 9 9 9 年，d l i u 在1 6 0 m h z 频率范围内对 l o e 塞銮适厶堂亟堂僮迨塞生左缮信遭挂世 家庭中的电力线进行了2 4 小时连续测量【1 2 】，对电力线信道的统计特性进行了研究， 发现在家庭范围内，信号平均衰减为4 0 2 d b ，标准方差为1 0 4d b ，平均时延为 o 5 2 璐，均方根时延展宽为0 3l l s 。d l i u 还对信道噪声特性进行了研究，测量了 不同家用电器对信道噪声的影响。但是他在研究中没有考虑到电力线长度和拓扑 结构对电力线信道传输特性所产生的影响，没有给出电力线信道的数学模型。 1 9 9 9 年，m z i i 砌咖枷采用多径传输模型对电力线信道建立了电力线信道 模型l ，测量结果表明，采用多径传输模型能够较好地对电力线信道进行模拟。 这种模型的缺点是参数的选择比较复杂。同期，c 蛐s t i 柚h 髓s c i l 研究了电力线信 道特征的时变特性【l4 1 ，建立了背景噪声的高斯模型，根据实际信道特征建立了信 道的简化模型，根据此简化模型，可以估算信号频率在5 0 0 k h z 3 0 m h z 频率范围 内电力线信道的传输损耗。 对于电力线信道特性的研究虽然己经进行了多年，但是由于电力线环境的复 杂性和时变性，电力线信道特性受电力线拓扑结构，采用的物理介质，所处的区 域供电情况等诸多因素的影响，难以对电力线信道建立完善的模型，只能根据不 同的研究要求，进行相应的简化，制定出相应的信道模型。 3 2 电力线网络拓扑结构 电力线网络的拓扑结构和传统的双绞线以及同轴电缆有着很大的区别。电力 线网络根据电压高低通常分为三类，按照电压从高到低分别为高压电力线网络、 中压电力线网络和低压电力线网络。高压电力网络是将电力从发电厂传输到城市 边缘的高压变电站的这一段电力线，由于安全因素和位置原因，通常不作为通信 线路。高压电经过高压变电站，电压降为l o k v 3 0 k v 的中压。 中压电力线网络将电力输送到城市中的各个中压变电站，并将电压转换为 2 2 0 v ，3 8 0 v ，送入用户的用电设备中。中压变电站遍布在各个居民区或是工业区， 以及大型工厂附近，两个变电站之间的距离通常在1 0 0 米到1 0 0 0 米之间。 中压电力线网络的阻抗特性良好在直流到l o m h z 频率范围之内稳定保持在 2 7 欧姆。信道相移随着频率的增加而线性增加，群时延保持恒定。信道呈现出低 通特性，信号衰减随着频率增加而线性增加，在5 m h z 处，信号衰减约为2 0 d b 脑n 。 中压电力线中背景噪声较低，约为1 3 0 d b 删h z ，和低压电力线信道相比，窄带干 扰和宽带干扰均比较小【1 5 】。由于中压电力线的良好的高频特性，在电力线数据通 信系统中可以作为从变电站到骨干网的传输线路。 电力线通信系统一般采用低压电力线网络，因为低压电力线网络方便组网， 便于和通信终端连接。低压电力线网络主要在家庭用户或是建筑物内部传输数据 信号，从建筑物到变电站的连接可以采用同轴电缆或者是电力线。而从变电站到 骨干网的连结一般采用光纤或是同轴电缆。 从变电站到各个用户之间的电力线网络构成总线型结构。与电话线网络不同 的是，电力线网络在变电站和用户之问没有点到点连接，而是利用电力线或是同 轴电缆作为总线，各个家庭用户作为分支进行连结。 圈3 1 典型的低压电力线网络结构 f i g u 3 1 聊i l 幻p o l o g y 口f 】o wv o l 嘲 es u p p l yn e 撕o l | ( 典型的低压供电系统如图3 1 所示，它包括连接到变压器多个支路，各个分支 得长度也长短不一，每一个支路可能具有不同得拓扑结构，连接不同得用户数。 连接得用户可多可少，他们以对承或非对承形式分布在各个分支网络上。 3 3 电力线信道的噪声特性 3 3 1噪声的分类 低压电力线上传输数据的一个重要问题是电力线上的噪声的特殊性质，研究 表明，电力线上的噪声不能简单认为是加性高斯白噪声，而是由许多性质不同的 噪声叠加而成。根据噪声不同的功率谱，可以把噪声划分为5 类【1 6 1 ：有色背景噪 声、窄带噪声、与主频率异步的周期脉冲、与主频率同步的周期脉冲噪声和异步 脉冲噪声。 1 2 ( 1 ) 有色背景噪声 有色背景噪声频谱密度相对较低且随频率的增加而减少。这种噪声主要由低 密度的噪声源叠加而成。与白噪声相比，有色背景噪声具有与频率无关的连续一 致功率谱密度，噪声参数随时间的变化而变化。 ( 2 ) 窄带噪声 窄带噪声一般情况下为j 下弦调波形。它在整个频段内具有较小和连续的频谱， 占有多个子频带。这类噪声是由广播电台广播信号和电视台发射信号侵入电力线 中造成的。这种噪声在一天时间中变化较大，通常在晚问要比白天要严重，这是 由于晚问短波信号强度较强造成的。 ( 3 ) 与主频率异步的周期脉冲 这类噪声是一种脉冲噪声，以5 0 - 2 0 0 k h z 频率重复。根据重复频率形成一系 列的谱线，这类噪声主要由开关电源引起。由于其频谱的重复率比较高，形成一 个频率束，因而可以近似为窄带噪声。 ( 4 ) 与主频率同步的周期脉冲 此类噪声为同步于电源频率的脉冲，其重复频率为5 0 h z 或1 0 0 h z 。这类噪声时 间短，频谱密度随频率的增加而减小。这类噪声主要由同步于主电源频率的电源 供应器件引起，如变压器等。 ( 5 ) 异步脉冲噪声 异步脉冲噪声主要由网络中的开关器件引起，例如电动机点火，或是电器开 关等。异步脉冲噪声的幅度一般要比背景噪声高出1 0 4 0 d b ，噪声强度根据噪声源 的性质和位黄的不同而不同。 通过测量发现第( 1 ) 、( 2 ) 和( 3 ) 类噪声较长时间保持稳定，可以归结为一 类，统称为背景噪声。第( 4 ) 和( 5 ) 类噪声则变化相对较快，被称为脉冲噪声。 由于脉冲噪声具有相对较高的幅度，被认为是p l c 通信突发错误的主要原因。 3 3 2噪声建模 ( 1 ) 背景噪声建模 p l c 中的总的背景噪声可以看作是背景噪声与窄带噪声的叠加，如图3 2 所 示。在此模型中由于异步周期脉冲噪声的谱线具有很高的重复度，因而以其包络 近似代替，即表示成窄带脉冲的形式。 1 3 颠率 圈3 2 背景噪声的频谱密度模型 f i g u 坤3 2s p 仃a ld c m 毋m o d e lf b rm c 鲫e m l i z e db k 鲫dn o i 在此模型中，总的背景噪声功率谱密度可以写成式( 3 1 ) 和( 3 2 ) 【1 7 】， o ( 力= u ) + ( ) ( 3 1 ) 口 = + 础 ( 3 2 ) 其中赢( 力为背景噪声的功率谱密度， k ( 力为窄带噪声的功率谱密度， ( ，) 为第k 个窄带噪声产生的干扰功率谱密度。 对于此模型，测量显示。( 力可以表示成式( 3 3 ) 的形式。 。= o + p ( 3 3 ) 其中0 是噪声密度常数，i 和z 为指数函数的参数。通过对居民区和工业区 的不同测量和分析，得出了近似的居民区和工业区的模型参数【1 引。 = “( 力= - 3 5 + 3 5 口3 6 ( 3 4 ) = - 3 3 + 4 0 p 3 6 ( 3 5 ) 其中式( 3 4 ) 针对于居民区，( 3 5 ) 适用于工业区，其中式中的厂以m h z 为 单位，式中的指数函数的分母根据测试地区不同会有所不同，可以根据实际情况 从中选一来计算。 窄带噪声的近似可以采用高斯函数形式，其优点是需要确定的参数少，而且 这些参数可以单独从测量中获得【1 7 】。 1 4 二! ! ：垂! 础( ) = 4 口2 ( 3 6 ) 其中式中4 为幅度，五。为中心频率，只为高斯函数的带宽。 ( 2 ) 脉冲噪声建模 脉冲噪声主要由同步于主频率的脉冲噪声和异步脉冲噪声组成。测量显示脉冲 噪声主要由异步脉冲噪声决定，因此，此次建模就是基于异步脉冲噪声的分析与 研究。 t uk ， 辩州 卜叫 时鲥油隰 图3 3 脉冲噪声模型 f i g 哪3 3m o d e lo f i m p u l 8 en o i 经过测量和分析【1 6 】，可以将脉冲噪声建模为脉冲宽度0 、 时间乞和具有单位幅度的脉冲p ( f 0 ) 的函数，如图3 3 。 ( f ) ：艺4 p ( 譬) 扣 帆f 式( 3 6 ) 中o ，4 ，o 和脉冲f 参数均为随机变量。 3 4 电力线信道的阻抗特性 脉冲幅度彳、间隔 ( 3 7 ) 室内电力线的输入阻抗具有以下特性： 当信号频率在1 m h z 以下时电力线传输阻抗在2 3 0 欧姆之问变化，当信号频 率高于1 m h z ，阻抗从2 0 欧姆随频率上升到2 0 0 欧姆。阻抗与频率的关系可以用 最小均方法拟合结果i 甜。 i z 卜o 0 0 5 广” ( 3 8 ) 韭应銮道厶堂速堂僮j 金塞出左线篮堂挂壁 对于电力线输入阻抗的变化，可以通过优化电力线调制解调器的输入输出阻 抗来克服，要尽量降低调制解调器的阻抗，从而降低电力线阻抗变化的影响。 3 5 电力线信道分析与建模 电力线作为输送电力的设施，对高频信号会产生比较严重的衰减。产生衰减 的主要原因是：电力线网络分支很多，造成信号的多径传输；电缆本身在传输信 号过程中，信号通过电缆之间外层绝缘材料发生耦合造成的传输损耗，通常随着 距离和频率的增加而增加；家庭电力线路中会有大量的连接头，这些接头对所有 信号都会产生衰减；电力线网络中常常会采用不向电缆，在不同电缆之间由于阻 抗不匹配造成信号的反射；电力线调制解调器中发射器和接收器与电力线阻抗不 匹配产生的耦合损耗。 降低祸合损耗的方法很简单，由于电力线阻抗随着电力线网络结构和电力线 负载的改变而不同，通常在设计发射机和接收机时尽量降低输出或输入阻抗，使 其接近电力线阻抗的最低值