（通信与信息系统专业论文）高速plc接入技术的研究与实现.pdf

摘要 y 8 7 9 7 6 电力线通信技术是利用电力线传输数据和话音信号的 一种通信方式。目前，中高压输电网上的通信技术已经发展的 比较成熟，低压电力线上的高速数据传输技术的研究成为业界 热点。 本文介绍了电力线通信的主要调制技术和相关标准；深 入分析了低压电力线通信信道的传输特性，通过仿真对信道传 输模型作出验证；详细研究了o f d m 技术在电力线通信中的 应用通过仿真比较了常用o f d m 和前鹭编码o f d m 技术， 结果表明应用前鼠编码o f d m 技术可以大幅度减小传输信号 误码率。并且简化了常用编码o f d m 通信系统实现的复杂性； 最后本文给出了基于i n t 5 l x l 专用芯片的低压电力线 通信调制解调器的开发实例，包括原理图、p c b 的设计并 对组网方案进行了探讨本设计通过实验室的挂网测试，能够 达到日常的工作学习和娱乐的要求。 【关键词】低压电力线；p l c ：o f d m ：t 5 1 x l p o w e r p a c k e t ；h o m 印l u g a b s t r a c t p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o ni sak l n do fc o m m u n l c a t i o n w a yw h i c h u s e sp o w e rl i n et ot r a l l s m i td a t aa n ds i g n a l a tp r e s e n t ， t h ec o m m u n i c a t i o nt e c t l i l o i o g yh 硒 乒0 w nm u t u a y 0 nt h e m i d d l 叽i g hv 0 1 t a g ep o w e r l i n en e t w o r k sw l l i l et h ed a t a t r a n s m i s s i o no nl o wv o l t a g eo n e sw i nt h er c s e a r c hh o t s p o to fd a t a t r a n s m i s s i o nf i e l d t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ep r i m a r ym o d u l a t i o nt e c h n i q u ea r i d r e l a t i v e s t a i l d a r d s ，g o e s d e e p t ot h ef c a t u r e so fp o w e rl i n e c o m m u n i c a t i o nc h a n n e la n dt h m u g ht h es i m u l a t j o ng i v e st h e v a l i d a t i o no ft h ec h a n n e lt r a n s m i s s i o nm o d u i e i td i s c u s s e st h e a p p l i c a l i o no f0 f d m i nt h i sf i e l d ，c o m p a r e st h en o r m a lo f d m t e c h n i q u ea n dp r e - c o d eo f d m t h er e s u l ii st h a tp r e - c o d eo f d m c a nm i n i s ht h ec o d ee n o rr a t e ( c e r ) i ng r e a ts c a l ea 1 1 da l s o s i m p l i n e s t h e c o m p l e x i t yo f r e a l j z a t i o no fn o r n l a lo f d m c o m m u n i c a t i o ns y s t e m a tl a s tt h i sw o r k 画v e st h ed e v e l o p m e n ti n s t a n c eo fl o w v o l t a g ep o w e ri i n ec o m m u n i c a t i o nm o d e mb a s e do n q t 5 l x l ， i n c l u d i n gt h ep r i n c i p l ec h a n ，d e s i g no fp c b ，a n da l s od i s c u s s e s t h en e t 、v o r ko r g a n i z a t i o ns c h e m e t h e1 a bt e s to ft h i sd e s i g nc a n s a t i s 毋t h er e q u e s to f d a i l yw o r k s t u d y e n t e r t a i m e n t 北京交通大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1p l c 技术概述 电力线通信技术( p o w e rl i n ec o 咖u n i c a t i o n ) ，简称p l c ，指利 用电力线传输数据和话音信号的一种通信方式。多年来，电力公司在中 高压输电网( 3 5 k v 以上) 上通过电力线载波机利用较低的频率( 9 4 9 0 k h z ) 传输较低速率( 3 0 0 6 0 0 b p s ) 的数据或话音。随着国内城乡电 网改造和建设的兴起，很多厂商开始研制用于中压( 1 0 k v ) 配电网通信 的配网载波机，数据传输速率可以达到1 2 0 0 b p s 。在低压( 2 0 0 v ) 领域， p l c 技术主要用于负荷控制、远程抄表和家居自动化，传输速率一般为 1 2 0 0 b p s 或更高。 近年来，随着i n t e r n e t 技术的飞速发展，登陆上网的人数成倍增 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 n e 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 技术以其不用 布线、覆盖范围广、连接方便等显著特点，被业内人士认为是提供“最 后一公里”解决方案最具竞争力的技术之一。目前高速p l c 已可以传输 高达1 0 m b p s 以上的数据，预计不久的将来速率将达到1 0 0 m b p s ，能够同 时传输数据、语音、视频和电力，从而带来“四网合一”的新趋势。 北京交通大学硕士学位论文 1 2 课题的来源及论文主要内容 1 2 。1 课题来源 本课题来源于北京恒丰惠通科技有限公司的电力线通信产品开 发项目，该项目自2 0 0 3 年1 0 月开始的。下面是该项目的一些基本内 容。 研究高速数字信号在低压电力线上传输特性。 研究利用低压电力线上传输高速数字信号的关键技术。 开发完成基于i n t 5 l x l 芯片的电力线调制解调器。 研究p l c 家庭网络的组网方案。 自主研究开发低压电力线上高速通信的专用芯片。 1 2 2 论文的主要内容 在论文工作期间，作者通过i n t e r n e t 查询、文件检索、向国外厂 商所取资料、同国外相关公司的技术人员交流等多种方式，仔细研究了 该技术的现状及部分厂商的详细情况。 论文第一章简要介绍了高速p l c 技术的发展状况。 第二章对p l c 技术的主要内容和相关技术标准进行了介绍。 第三章对低压电力线通信信道的传输特性进行了详尽的分析，给 出了信道传输模型，并对该信道模型进行了仿真。 第四章介绍了传统p l c 中的调制技术和高速p l c 中的扩频技术， 尤其阐述了o f d m 调制技术在电力线通信中的应用。 第五章给出了电力线调制解调器的开发案例：包括原理图，p c b 和应用情况，对组网方案进行了探讨。 3 北京交通大学硕士学位论文 最后一章对论文所做的工作进行了总结，并探讨了需要进一步开 展的工作。 1 2 3 论文的创新点 对低压电力线通信信道的信道模型进行了深入的分析和研究，得 出了信道的仿真结果。 分析了电力线通信的调制技术，对o f d m 在电力线通信中应用进行 了详尽的研究。 开发了基于i n t 5 1 x 1 芯片的电力线调制解调器。 4 北京交通大学硕士学位论文 第2 章p l c 技术的发展 电力线通信技术已经应用多年，由于速率低，在家庭和小型办公 环境的数据网络中很难被采用。近年来，i n t e r n e t 的发展突飞猛进、日 新月异，已成为全世界人们生活中富有意义的一部分，登录上网的人数 飞速增长。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， 成为长期困扰人们的难点，也是i n t e r n e 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。尽管有诸如综合业务数字网 ( i s d n ) 、有线电视电缆调制解调器( c a b l em o d e m ) 、数字用户线( x d s l ) 、 无线本地接入、电话拨号等其它通信方式竞争，利用四通八达、遍布城 乡用户的2 2 0 v 低压电力线传输高速数据的p l c 技术还是以其不用布线、 覆盖范围广、连接方便的显著特点而被业内人士纷纷看好，从而使提供 “最后一公里”解决方案成为p l c 最具潜力的应用领域。目前高速p l c 已可传输高达1 0 0 m b p s 以上的数据，能够同时传输数据、语音、视频和 电力，有可能带来“四网合一”的新趋势。 2 1 p l c 体系结构 p l c 参照开放系统互连参考模型，采用三层的分层设计方案。其 底层包含物理层，低层链路协议，和媒体访问控制( m a c ) 子层，可补偿 电力线的任何危急状态。第二层为数据链路控制层，最高层为应用层。 北京交通大学硕士学位论文 2 1 。1 电力线物理层 美国f c c 的通信规程允许以5 3 5 一1 0 7 5 删z 作为电力线通信频段。 过去的电力通信用m o d e m 来调制5 0 一5 0 0 k h z 的载波频率，采用移频链控 ( f s k ) 或移幅键控( a s k ) 。当电器插入或拔出电源插座时，这类电力线 通信m o d e m 需经常加以调整，以调节信号的衰减和噪声。在物理层中采 用了独特的扩频技术，使电力线通信变得高速、可靠、实用，使数据以 连续序列的比特传输于短帧之中。物理层也介入快速的均衡作用，使接 收信号所受到的噪声和频率衰减得到补偿。 2 1 2 可靠的低层链路协议 数据链路协议层具有三项关键的特性，使这种大型、多节点网络 能可靠地运行于数据通信。首先，该链路协议将用户发出的较长信息包 拆成较短的电力线帧。对于电力线传输来说，短帧是非常必要的，因为 传输帧愈长受干扰的概率就越大。其次，该链路协议提供了可靠的纠 错与检错，帧到达后就对其中的数据进行检测，并确定应重发的帧。第 三，该链路协议提供自适应均衡，由于电力线上的噪声和衰减以千毫的 数量级时刻变化，如不及时补偿，信号将会丢失。 2 1 3 媒体访问控制( m a c ) 子层 令牌传递方式比较适用于电力线通信方案。在电力线上，噪声与 信号之间的区分是比较困难的，但是令牌的传递可在噪声环境下保证节 点间三次握手的可靠传送，而不致丢失令牌。由于每一节点的位置各不 相同，每一节点在不同的噪声和衰减情况下“听”传输。在令牌传递中， 6 北京交通大学硕士学位论文 节点在未获得令牌之前不能传送，因此在任一节点传输时其它各节点没 有获得令牌，不可能进行发送。 2 。2传统p l c 技术分析 传统的电力线技术包括x 一1 0 、i n t e l l o nc e b u s 、e c h e l o nl o n w o r k s 和a d a p t i v en e t w o r k s 等，下面简要介绍以上技术及其优缺点。 2 - 2 1x 一1 0 技术 基本的x 一1 0 电力线技术已经存在大约2 0 年了，起初只能单向使 用。当初开发该技术是为了降低费用，电缆和设备控制装置集成在一起。 x 一1 0 控制器通过已经存在的交流电线给接收模块发送信号，该 模块是连接到电源插座并控制简单设备的适配器，x l o 电力线技术使 用调幅技术传输二进制数据。为了区分信号，载波使用6 0 h z 交流正弦电 压周期正负变换的过零点，因为过零点通常有较少的来自电力线上其他 设备的噪音和噪声。同步接收器在每个过零点接收载波。 为了减少错误，x 一1 0 需要两个过零点传送一个“o ”或“1 ”，因 此每个比特需要6 0 h z 全周期，x l o 传输速率被限制到每秒只有6 0 比 特，即6 0 b p s 。一个完整的x 一1 0 命令包含两个数据包和两个数据包之 间3 个周期的空闲，每个数据包又包含两个相同的l l 比特的信息，这样 一个完整的x 1 0 命令消耗4 7 个周期，传输时间大约为0 8 秒。 x 一1 0 技术的主要缺点是其在速度和智能上非常有限，由于极低 的速率和初级的功能，从技术角度来看，被归类为控制设备。 北京交通大学硕士学位论文 2 2 。2i n t e i i o nc e b u s 技术 i n t e l l o n 是一个生产符合消费电子总线c e b u s ( c o n s u m e r e l e c t r o n i c sb u s ) 标准产品的私有公司，c e b u s 标准是一个为在电力线 和其他媒介上通信分别提供物理层规范的开发标准。i n e l l o n 技术面向 为家庭网络提供控制能力，包括两个基本单元一个使用扩频技术的 收发器和一个完成协议的微控制器。 采用扩频技术，收发器以大约1 0 k b p s 的速率传输数据包，每个数 据包包含必须的发送地址和接收地址。c e b u s 协议使用对等通信模式， 这样网络上的任何节点可以在任何时间访问介质。为了避免数据冲突， 采用了载波监听多路访问冲突检测和解决c s 姒c d c r ( c a r r i e rs e n s e m u l t i d l ea c c e s s c 0 1 1 i s i o nd e t e c ta n dr e s 0 1 u t i o n ) 协议。这种介质 访问控制协议m a c ( m e d i 8a c c e s sc o n t r 0 1 ) 要求一个网络节点等待线 路上没有其他数据包传送时才能发送数据包。 c e b u s 包括一种公共应用语言c a l ( c o m m o na p p l i c a t i o n l a n g u a g e ) ，允许设备之间使用一种公共的语法和语汇彼此传递命令和状 态请求。c a l 定义了多种叫做“环境”的电子设备功能予单元：每种“环 境”还可进一步细分为代表不同控制功能的“对象”：最后。“对象”被 定义为一套规定功能操作的实例变量。通过应用c a l 规范。i n t e l l o n 的 芯片可以同其他c a l 兼容设备通信。 2 2 3e c h e i o nl o n w o r k s 技术 e c h e l o n 规定了一种对等通信协议来完成c s m a 技术。e c h e l o n 提 供一种基于扩频技术的1 0 k b p s 电力线芯片，还提供一种经过改进的、专 有的、嵌入芯片的m a c 协议来供给对等网络层。 8 北京交通大学硕士学位论文 2 2 4a d a p t i v en e t w o r k s 技术 a d a p t i v e 也提供基于扩频技术的电力线芯片组，提供了低速和高 速两套芯片组，速率分别为1 9 2 k b p s 和1 0 0 k b p s 。a d a p t i v e 使用了一种 混合的令牌通行介质访问模式。混合令牌通行模式允许网络节点在轻负 荷环境下使不必要的令牌通行减到最小，而在重负载情况下保持令牌通 行的可靠性。 2 2 - 5 传统p l c 技术比较 下表列出了以上各公司在速率、接入数量、通信方式和m a c 层协 议方面的比较情况。 技术速率接入机器数通信方式 m a c x 1 0 6 0 b p s 2 5 6单向 无 c e b u s 1 m b p s 6 4双向c s m a c d c r l o n t a l k l o n w 0 r k s2 k 1 2 5 m b p s3 2 2 5 8双向 ( c s m d c a ) a d a p t i v e1 9 2 k 未知双向c s d m c d c r n e t w o r k s 1 0 0 k b p s 2 3高速p l c 技术分析 低压电力线通信发展得较早，但传输数据率一真停留在千比特数 量级，主要用于实现远程抄表。近年的技术发展及相关标准的推出，使 得利用低压电力线传输高速数据成为可能。数据传输时由于不能穿越变 9 北京交通大学硕士学位论文 压器，导致在一些地区( 一个变压器带的用户不多，从而使得成本增加) 应用受到限制。最新耦合器的推出及在中压上数据传输的开拓使得电力 线通信市场基本明朗起来。 将家用电源插座转变为强有力的通信接口，为用户提供高速接入 服务，使电力公司能够介入i s p 和i c p 市场，将为其带来新的利润增长 点。除了“最后一公里”问题，电力线通信网还是家庭自动化的生力军， 同时也可以完成远程自动抄表( 包括电表、水表、气表等) 。家庭联网是 其应用的另一个重要方面，可以将家庭内的多台计算机之间，计算机与 打印杌之间，计算机同扫描仪、数字传真机、以及其他数字家电等设备 通过电力线相连，组成家庭网络，为用户提供更舒适、方便的生活和工 作环境。 2 3 1 高速p l c 的相关标准 2 0 0 0 年3 月，在瑞士召开了国际电力线通信技术论坛成立大会， 该论坛着重制定了同p l c 有关的技术标准、讨论并解决相关问题，以促 进p l c 技术的蓬勃发展。来自1 7 个国家的5 1 个厂商、用户、投资者成 为论坛成员。包括业内著名的a 1 c a t e lm i c r o e l e c t r o n i c s 、a s c o m m a n a g e m e n ta g 、c i s c oc o i 姗u n i c a t i o n 、e n i k i a 、 i n a r i 、i n t e l l o n c o r p o r a t i o n 、i t r a nc o m m u n i c a t i o n sl t d 、n o r t e ln e t w o r k s 、p 0 1 y t r a x i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya g 等公司均是该论坛成员，相信通过论坛的 努力工作，必将为p l c 技术带来巨大的历史性飞跃。 原有标准是指各国根据自身情况制定的对传统p l c 使用频段、发 送功率等方面的限制，主要内容介绍如下： 日本：频率带宽4 5 0 k h z 以下，发送功率1 0 m w 以下 1 n 北京交通大学硕士学位论文 韩国：频率带宽l o k h z 4 5 0 k h z ，发送功率l o m w 以下 联邦通讯委员会f c c ：频率带宽4 9 0 k h z 以下 欧洲电工技术标准化委员会：频率带宽9 1 【h z 1 4 8 5 k h z ，发送电 平1 1 6 d b u v ( 6 3 1 m v ) 北美：频率带宽9 k h z 4 5 0 k h z ，发送电平1 1 0 d b u v ( 3 1 6 m v ) 鉴于p l c 原有标准的使用频段限制了其向更高速率的发展，一些 相关的国际组织开始着手制定新的标准。建议的新标准是一种以美国为 代表的家庭联网模式，另一种是面向欧洲和亚太市场的，提供自配电变 压器至用户家庭的全面p l c 解决方案。 h o m e p l u g 家电联盟是一个非盈利组织，是为高速家用电力线通信 网络产品和服务提供开放规范而成立的论坛。h o m e p l u g 的使命是启动和 促进可互操作的、基于标准的电力线网络和产品的快速应用。其主要面 向家用市场，不包括室外单元。 以下介绍两个主要的新标准的容。 l 、h o m e p l u g ( 美国，面向家庭网络) 频率：4 m h z 2 0 洲z 速率：可达到1 0 m b p s 调制方式：o f d m m a c 协议：c s m a 2 、p l c f o r u m ( 欧洲，面向接入网络) 接入频率：1 6 m h z 1 0 删z 室内频率：l o m h z 3 0 删z 姒c 协议：f d m t d m a 对立并存 北京交通大学硕士学位论文 2 3 2 高速p l c 技术的优点 同传统的低速p l c 相比，高速p l c 具有如下优点。 充分利用现有的低压配电网的基础设旋，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、无需穿墙打洞，避免 了对建筑物和公共设施的破坏，同时也节省了人力。 可以为用户提供高速i n t e r n e t 访问服务、话音服务，从而使用户 上网和打电话增加了新的选择，有利于其他电信服务商改善服务、降低 价格。 对家庭联网提供支持，使人们可以尽享由p l c 技术带来的家庭多 媒体网络。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。 使电力公司以极低的投资就可以进入i s p 、i c p 和话音等电信服务 市场，成为新的利润增长点。 2 3 3 高速p l c 技术的难点 低压配电网上存在着频谱范围很宽的噪声源：电子、电动设备， 甚至来源于电力线本身产生的噪声：利用可控硅制成的调节灯及其相关 产品所产生的噪声；开关设备在电力线上所产生的噪声：电动马达所产 生的强噪声；高频信号在传输过程中耦合到电力线上所产生的噪声等。 低压配电网线路阻抗低且波动很大，开关一盏电灯都将引起线路 阻抗的变化。 低压配电网复杂的拓扑结构导致多径反射，引起信号的选择性衰 减和码间串扰。 存在同无线电信号之间的相互噪声问题：在使用频段内，如果发 1 2 北京交通大学硕士学位论文 送功率过高，将使电力线成为一条发射天线、产生电磁污染：发送功率 过低又使接收端信噪比达不到要求，造成传输距离缩短。 综上所述，由于低压电力网不是专门用于通信目的，所以其信道 特性十分恶劣，干扰多，衰减大。尤其是从最后一级变压器到用户的这 一段，因线路缺少屏蔽层，极易受到雷电波、无线电波和热噪声的干扰。 且连接负载众多，信号衰减大，相对较高的调制效率需要相对较高的信 噪比，这对于硬件的设计提出了高要求。如美国i n t e l l o n 公司基于其 p o w e r p a c k e t 技术的低压电力线载波通信芯片i n t 5 1 3 0 的载波频带为 4 3 2 0 9 删z ，但该技术仍然仅限于家庭内部网的组建，还不能真正 解决“最后一公里”的接入网问题。如何在此频带内实现信号的高速远 距离传输，仍然是一个难点，需要硬件和软件技术的共同提高。 2 4p l c 技术的发展及展望 2 4 1 国外发展状况 当前p l c 技术主要有两种发展模式。一神模式是以美国为代表的 家庭联网模式，该模式的p l c 只提供家庭内部联网，户外访问使用其他 传统的通信方式。支持该模式的国际组织为h o m e p l u g ，目前该组织已制 定了有关的技术规范，用于规范p l c 的调制方式、压缩编码方式、使用 频带、发送功率、m a c 协议等相关的技术细节，以增强今后各个厂商的 互通兼容性。由于家庭环境的信号传输距离短。在技术上比较容易实现 高速传输。 另一种模式是面向欧洲和亚太市场的，提供自配电变压器至用户 家庭的全面p l c 解决方案。该模式的国际组织为国际电力线通信论坛。 1 3 北京交通大学硕士学位论文 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为数不多。 p l c 技术在各个国家的发展也各有不同： 美国：在美国联邦通信委员会( f e d e r a lc o 咖u n i c a t i o n s c o 哪i s s i o n ，简称f c c ) 的推动下，美国家庭尤其是广大的农村用户， 可以通过电力线上网，并享受到更加廉价的网络电话服务。 日本：2 0 0 4 年1 月份日本总务省采用了减少电磁波泄漏的技术， 在不对其他通信及周围设备造成负面影响的前提下批准进行实证实验。 2 0 0 4 年8 月底，共获准在1 4 家服务商的2 8 种设备中进行实验，最后 将根据试验数据讨论电力线通信的实用化问题。 德国：r w e 集团从1 9 9 7 年开始与瑞士的a s c o m 公司合作开发p l c 技术，2 0 年5 月，开始进行2 0 0 户参与的现场试验。2 0 0 1 年3 月， r w e 公司和a s c o m 发起p o w e 州e t 计划，两家公司将向大约2 万用户提 供这种利用电源线路的互联网接入服务。2 0 0 1 年7 月还开展了r w e p o w e r n e t 计划、r w ep o w e r s c h o o l 和r w ee h o m e 三项业务。 英国：n o r w e b 通信公司在1 9 9 0 年就开始研究电力网技术，1 9 9 5 年，该公司又与加拿大北电网络联手，共同开发这项新技术。1 9 9 6 年9 月在c i g r e 大会期问向各国代表展示了样品，并提供了在曼彻斯特进行 2 0 户的试验录像，传输速率达到lm b p s ，但未能得到推广。1 9 9 8 年就 已成功地进行了采用传统的输电线路进行互联网接入的试验。 韩国：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 月推出p l c 产 品解决“最后一公里”接入、家庭网络应用的方案，在韩国汉城建立了 与互联网相连接在示范点。该公司并在德国、日本、美国、中国等地建 设了p l c 试验点。 1 4 北京交通大学硕士学位论文 2 4 2 国内发展状况 从1 9 9 9 年起，电科院就开始对高速p l c 进行研究，并在2 0 0 1 年 8 月，在沈阳建立了第一个实验网络。又从2 0 0 1 年1 2 月起，国电通信 中心开始组织国内外厂商在北京居民区开展p l c 应用试验，这些公司包 括韩国的x e l i n e ( 1 4 m b s 系统) 、瑞士a s c o m 公司( 4 5 m b s 系统) 、美 国l e a p 公司( 1 4 m b s ) 、西班牙的d s 2 公司、福建电力试验研究院( 1 0 m b s 系统) ，以及电科院( 1 4 m b s 系统) 等。 随着研究的深入，p l c 也向更高速率发展。例如将速率提高到 l o o m b s ，甚至2 0 0m b s 。届时，高速p l c 将为宽带接入通信作出更大 贡献。 2 4 3 部分公司技术和产品介绍 2 4 3 1 瑞士a s c o m 公司产品 a s c o m 将系统分为两部分，室外电力线系统提供家庭之间的通信， 室内系统就象一个局域网，提供计算机、打印机和其他设备之间的互相 通信。 室外系统由配电变压器附近的室外主站和位于每个家庭内的室外 子站构成，通信距离大约3 0 0 m ，净速率1 3 m b p s ，载波频率l 1 0 m h z 。 室内系统由一个控制器和多个适配器组成，通信距离7 0 1 0 0 米，净速 率2 m b p s ，载波频率15 2 8 删z 。通信误码率为1 0 一。 2 4 3 2 韩国k e y i n 公司产品 k e y i nt e l e c o m 公司使用的频率大致在3 1 5 瑚z 左右，室内系统 与室外系统使用不同的频率。家用耦合器同时充当网桥的作用，将不必 北京交通大学硕士学位论文 要的信息隔离在各自网段内，降低室内外网络相互间的数据流量。它还 是一个集线器，将多个电源插座的数据信号集中后共用一个出口。k e y i n 采用了独特的技术，包括载波和位同步、自适应均衡、a f e 和前向纠错 技术等。 2 4 3 3 美国i n t e o n 公司产品 美国i n t e l l o n 公司推出了高达1 l m b p s 的家庭网络技术芯片。该 芯片结合了物理层和m a c 层协议，使用3 5 删z 一1 6 5 蛐z 的频段，o f d m 码元调制( 8 4 载波、1 5 6 k h z 频率间隔、信道自适应、前向纠错f e c ) ， 载波调制方式支持d q p s k 、d b p s k ，访问方式支持c s m a c a ，符合f c cp a r t l 5 辐射标准。 2 4 3 4 美国l n a r j 公司产品 该公司的产品使用p l u g i n 协议： 压l 用层：p l u g i ni c a l ( i n t e l o g i sc o 咖o na p p l i c a t i o nl a y e r ) 协议。 网络层：p l u g i np l x ( 电力线交换p o w e rl i n ee x c h a n g e ) 协 议 传输层：p l u g i np l x 协议 数据链路层：p l u g i np l x 协议 物理层：p l u g i nd p l ( 数字电力线d i g i t a lp o w e rl i n 刨 2 4 4 高速p l c 技术比较 下表为当前世界上主要p l c 公司产品的速率和应用范围等情况的 比较。 1 6 北京交通大学硕士学位论文 公司速率应用范围 a s c o m 1 _ 3 m b p s家庭网络、i n t e r n e t k e y i n 2 m b d s 家庭网络、i n t e r n e t s i e m e n s l m b p s家庭网络、i n t e r n e t i n t e l l o n 1 4 帖p s家庭网络、s o h 0 i t r a n 2 5 m b p s 一1 2 m b p s家庭网络 a 1 c a t e l 2 m b p s家庭网络 0 n e l i n e 2 m b p s家庭网络、i n t e r n e t 2 4 5 发展前景 当前，电力线通信技术已得到多种应用。这种通信技术仅向用户 提供便于搬移的设备就可免除了装设专用通信线路的费用和麻烦。 供个人计算机的电力线通信网路技术产品已经问世，给居民提供 高速i n t e r n e t 接入而不象其它的i s p 那样需要巨大的基础结构投资，从 而开创了一项新的商业领域。 就产品技术层面而言我国的相关产品基本都采用国外的电力线 通信专用芯片：国内业界正在自主研发电力线通信专用芯片。 综上所述，随着电网改造的完成，电力线通行信道和网络拓补结 构得到了改善；相关技术的研究和应用的不断成熟使电力线通信的发展 前景渐现乐观。 北京交通大学硕士学位论文 第3 章电力线信道特性分析 自上世纪五十年代以来，利用1 0 k v 以上中高压电力线作为信号传 输信道的电力线载波电话已经获得广泛使用，对高压电力线进行高频信 号传输的研究已经非常深入和成熟。但是在2 2 0 3 8 0 v 低压电力线上进行 信号传输，与高压电力线载波有较大区别，突出表现在工作环境恶劣、 线路阻抗小、信号衰减强、噪声大，且时变性大等特点。因此，对低压 电力线通信信道有必要进行进一步分析。 3 1多径传播分析 数字通信中特有的一种干扰，是指信号经过不同路径到达目的地 时由于信号的延迟而相互干扰的现象。低压电力网所连接的设备数量巨 大、种类众多，整个网络的阻抗处于动态变化之中，这必然会造成许爹 用电设备工作在阻抗不匹配的状态。而且低压电力线本身是非均匀不平 衡的传输线，所以信号会遇到反射、驻波等复杂现象。因此，信号可能 经过不同的路径到达目的地，由于信号在每条路径上经历的时间不同， 在接收点就会发生多径效应，信号的延迟对有用信号形成干扰。当多径 信号延迟较短时，这种干扰可以忽略；如果延迟较长，就会对有用信号 产生严重的码间干扰( i s i ) 。 下面通过一个简单的例子来分析一下电力线信道中的多径传播： 1 8 北京变通大学硕士学位论文 a d b 图3 1 ：多径信号传输 c 如图所示，为了简化分析，假设a 、c 是匹配的。这种条件下，产 生反射现象的两点为b 、d ，因此从a 点到c 点可能存在若干条路径( a b c ； a b d b c ；a b d b d b c 等等) ，并且每条路径的权重为g i ( 驻波和 反射现象越严重的路径，其权重越小) 。由信道的衰减特性：传输距离越 远，信号衰减越大，所以实际存在的无穷多条路径可以近似为有限的n 广_ 条路径。考虑到信道的传播时延o ：生要，从a 到c 的多径信道的频 l ，o 率响应表示为( 厂) = g f 爿( 厂，d ，) p 一7 2 矾。 3 2衰减特性分析 信号经发送端通过电力线信道传输至接收端的过程中，会产生衰 减，而且一般来说，衰减随距离的增大而增大，并且信号的衰减与频率 有关，频率越高衰减越大。 对高频信号而言，低压电力线是一根非均匀分布的传输线，各种 不同性质的负载在这根线的任意位置随机的连接或断开。因此，高频信 号在低压电力线上的传输必然存在衰减。显然，这种衰减与通信距离、 】9 北京交通大学硕士学位论文 信号频率等都有密切关系。 由传输线理论可知，对于兆赫兹数量级的工作频段，电缆线的电 阻率受趋肤效应的影响，与厂成正比；电导率受耗散因数的约束，与f 成正比。所以可以得到传输常数： ，= ( r + _ ，m f ) ( g + ，c ) = 口+ 妒 = k l _ f + k 2 f + j k 3 ， ( 3 1 ) = 口o + 口l ， 一条长为1 的匹配传输线的频率响应为： w ，= 器嚣玎川 c 。吲 由3 一l 、3 2 可得，典型电力线的衰减特性为： 4 ( ，d ) = p 一4 ( ，一= 8 一“。+ 。，1 4 ( 3 3 ) 综上所述，信道衰减随通信距离和工作频率得变化而变化。但是， 由于电力线是非均匀不平衡的传输线，接在上面的负载的阻抗也不匹配， 所以信号会遇到反射、驻波等复杂现象。这些复杂现蒙的组合，使信号 的衰减随距离的变化关系变得非常复杂。 3 3噪声特性分析 噪声是干扰数据可靠传输的主要因素。低压电力线的噪声主要表 现为背景噪声、突发性脉冲噪声和窄带噪声。其中对电力线通信影响最 大的是脉冲干扰，其频谱范围很宽且幅度较高。噪声的来源很多，主要 是设备开关切换产生的脉冲干扰、发电机中电刷生成的火花、用电设备 产生的噪声以及电力线耦合的外界电磁波等。 2 0 北京交通大学硬士学位论文 3 3 1 低压电力线上噪声的随机性 电力线上还存在许多随机发生的噪声。这种随机噪声通常是由于 高压开关的操作、雷电、较大的负荷变化、电力线路上的短路故障等引 起的，往往是能量很大的脉冲噪声或脉冲噪声群，持续时间较短，但能 量很集中，频谱也很宽。这些噪声的持续时间较短，从几十微秒到几秒 不等，强度大小也不等，出现时间也是随机的，具有很大的不可预测性。 如果这些脉冲噪声正好发生在数据通信过程中，由于其高能量、宽频谱 的特性，通常会使所传数据发生错误。可以通过前向纠锗码、自动重发 机制等措施加以克服。 3 3 2 低压电力线上噪声的多变性 出于与信号衰减多变性同样的原因，低压电力线上的噪声也存在 多变性。这种多交性表现在两个方面。首先是因时而变，即在不同时刻， 噪声的频率、强度都各不相同。其次是因地而变，即在不同的低压电网 之间，噪声情况各不相同；而在同一个低压电网之内，不同地点的噪声 情况也不相同。 使用扩频通信技术，能在很大程度上克服电力线的强衰减、强噪 声的缺陷。大大提高通信系统的生存能力。 使用o f d m 调制技术，可以减轻由多径反射引起的时间色散信道的 影响，减轻窄带干扰、提高带宽利用率，进一步提高传输速率。 北京交通大学硕士学位论文 3 4电力线信道模型 p l c 系统性能降低的主要原因阻抗不匹配、信道衰减、时变的噪 声干扰等几个方面。除噪声外，所有的衰减都可以用频率响应时变线性 滤波器来表征，噪声( f ) 被当做可加性随机干扰过程。因此电力线信道 特征可以用下面的模型表示。 噪声 图3 2 ：电力线信道模型 一般说来，对一个网络系统精确阐述都需要在复数域进行，但现 实是通常不可能得到足够精度的必需参数。由于电力网具有众多的节点、 分支和不匹配的线路，这种类型的拓扑结构决定了信号的多路传输特性。 受电缆外层绝缘材料的影响，电力线信号的衰减随频率的提高和距离的 加大而增加。因此，具有频率选择特性、衰减特性的多径信号传输函数 可以用n 条传输路径的叠加的方程来表示： 月：自吕i 沙一可一撕 ( 。一。) 其中，i 吕i 护路径权重，反映了信号沿传播路径输时的 反射情况，它的值很复杂，与反射点、频率都有关系。实际测量表明， 在大多数情况下由于多径传输时延几乎相等，g 。可以近似为一个与频率 无关的量( g 1 ) 。在n 条反射路径的情况下，接收点收到的将是一个 叠加的结果。 2 2 北京交通大学硕士学位论文 一嘞+ 口) 喀表示衰减因子；一确代表时延因子。 电力线信道模型的参数见表3 1 表3 1 信号传输路径编号，时延最小的路径i = 1 1 a 0 ，a l衰减参数 k 衰减因子指数( 一般o 5 k 1 ) g j路径i 的权重 d i路径i 的长度 该模型描述了典型的电力线信道的频率响应，概括了5 0 0 k h z 一 2 0 m h z 的电力线的信道特征，所用参数较少且可以从实测中获得。 为了验证上述的模型，建立如图3 一l 的网络，a 为发送端，c 为 接收端，且a 、c 点阻抗匹配，d 点输入阻抗不匹配，反射参数r = 1 ，l ， = 3 0 m ，l ：= 1 4 0 m ，l 。= 1 2 m ，l 、l ：阻抗为4 5 欧姆，l 。为室内配线，阻 抗7 0 欧姆，发送和接收信号用数字示波器记录。 根据讨论的信道模型式3 4 ，设n = 4 、k = l 、a o = 0 、a l = 7 8 书1 0 。s m 、 9 1 = o 6 4 、d l = 2 0 0 、9 2 = o 3 8 、d 2 = 2 2 2 4 、9 3 = o 1 5 、d 3 = 2 4 4 8 、9 4 = o 0 5 、 d 4 = 2 6 7 5 、得到仿真图型。 o 曼一1 0 3 2 0 + - 4 0 一5 8 图3 3 ：n = 4 时的模型仿真与实测结果的比较 2 3 北京交通大学硕士学位论文 由图可见，除了一些衰落大的波谷区域，模型与实测曲线非常吻 合。这些峰谷区域主要是由于电力网负载的急剧变化所致，即低压电力 网衰减的时变特性引起。但对于一般的场合，只要负载变化不是十分之 大，该模型还是能够拟合电力线信道的。 2 4 北京交通大学硕士学位论文 第4 章调制技术分析 传统的p l c 一般使用单载波调制技术，由于低压电力线上存在着 不可预测的噪声、多种来源的噪声、高的衰耗、广泛变动的阻抗和由低 压配电网复杂拓扑结构导致的多经噪声引起信号的选择性衰减和码间噪 声，而单载波调制技术对频谱的利用率不高，抗噪声能力差，不适合高 速p l c 使用。随着技术的发展，有些公司在低压电力线上使用了扩频技 术，在很大程度上克服了电力线的强衰减、强噪声的缺陷，大大提高通 信系统的生存能力，但不能有效解决由多径反射引起的信号选择性衰减 和码问串扰。在这种情况下，0 f d m 调制技术被引入到高速电力线通信当 中这是因为其具有良好的抗噪声性能和抗多径噪声能力，可以保证数 据的可靠、稳定传输。 4 1传统p l c 中的调制技术 4 1 1f s k 调制技术 f s k 是频移键控( f r e q u e n c ys h i f tk e y i n g ) 的缩写，其调制原 理是载波频率随着调制信号l 或0 而变1 对应于载波频率f 。，o 对应于 载波频率f z 。r s k 的典型波形如图41 所示。 载波频率厶。f s k 的典型波形如图4 1 所示。 北京交通大学硕士学位论文 图4 - lf s k 典型波形国 f s k 调制技术实现起来比较容易，设备造价低，因此被广泛用于 低速数据传输中，如5 0 b p s 1 2 0 0 b p s 。传统的中高压低速电力载波机使 用的就是这种调制方式，在早期的电话调制解调器中也有使用。 4 1 2b p s k 调制技术 b p s k 即为二进制相移键控( b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g ) ，其调 制原理是载波的相位随调制信号l 或0 而改变，通常用相位0 和1 8 0 来 分别表示1 或0 。 典型的波形如图4 2 ： l l 弋、 1 八八0 八 vv vvv 圉“2b p s k 典型泼形豳 b p s k 信号中相位变化是以未调载波的相位值为参考基准的。由于 它是利用载波相位的绝对值来传递数字信号，因而又称为绝对调相。另 一种利用载波相位传送数字信息的方法称为相对调相。它利用前后码元 的相对相位变化传送数字信息。由于它和绝对相位值无关，仅取决于相 对相位值，因此解调时参考