（电路与系统专业论文）宽带电力线通信关键技术的研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

北京邮电大学博士学位论文 摘要 摘要 电力线上网是一种全新的宽带上网方式，目前已经普遍受到关注。电力线接入 因特网的思想最大的优势在于不需要重新铺设光纤光缆建设网络，可以充分利用现 在的电力系统资源。由于低压配电网本身是一个富含各种噪声( 包括背景噪声、窄 带干扰和脉冲噪声) 的网络，对传输信号具有较高的频率衰落特性和一定程度的时 变特性；此外，由于阻抗不匹配，在信号传输过程中信号在网络节点上的反射和折 射还会产生多径效应。在这样恶劣的环境下，很难保证数据传输的质量，在物理层 必须采用许多相关的技术加以解决。 本论文从研究宽带高速电力线通信的物理层的关键技术出发，研究了采用前向 纠错编码来消除电力线信道的脉冲噪声的干扰，研究了多载波调制方式在宽带电力 线通信系统上的应用，提出了适用于高速电力线通信环境下的自适应的o f d m 技术。 根据电力线信道的特点，提出了基于中继分集的电力线通信网络架构。并基于中继 分集的网络结构提出了分布式空时编码的策略。主要工作如下： 主要针对宽带电力线通信网络的物理层的关键技术进行研究，如何选择调制解 调方式及采用何种通信协议，应建立在对低压电力线信道特性了解的基础之上，因 此本文首先对电力线信道的噪声进行研究，将电力线噪声归结为背景噪声和脉冲噪 声，采用频域建模方法对两类噪声进行建模。利用所建立的模型对电力线通信的不 同的调制方式的性能进行评估。 在基于前向纠错编码消除脉冲噪声的研究中，将电力线中的窄带脉冲噪声建模 为：到达时间服从泊松分布、幅度服从正态分布的a 类噪声；针对a 类噪声的特点对 l d p c 译码方法的l l r 公式进行了改进，改善了l d p c 对抗a 类脉冲噪声的性能。对于 t u r b o 码，因此根据a 类噪声的概率密度函数，导出a w a n 信道的a p p 信息，译码用 l o g m a p 算法，采用雅克比对数运算代替传统的对数运算，并用八值量化函数进行校 正。与传统t u r b o 译码方法相比，改进的t u r b o 译码对抗a 类噪声的误码率性能大大 提高，并消除了t u r b o 码固有的错误地板现象。 结合电力线信道的噪声特性和衰落特性，给出了电力线通信中采用正交频分复 用技术时应考虑的相关问题。由于电力线信道的快速时变特性，可以采用自适应发 送技术，扩频技术。尽管已经有文献研究了电力线信道环境o f d m 系统的性能，但 都是基于计算机仿真的方法。本论文研究脉冲噪声干扰下和电力线多径衰落下 o f d m 系统的性能，首次给出了误比特率的解析表达式，并与单载波调制方式进行 了比较。从理论上证明了o f d m 系统的优越性。 在自适应o f d m 技术的研究中，针对国际上关于电力线通信系统电磁兼容标准 l j 北京邮电大学博士学位论文摘要 的要求，提出了一种在功率限制条件的比特分配算法。该算法将一个约束条件较多 的非线性整数优化问题的求解，分为三个阶段，先用估计的子信道的信噪比初始化 子信道分配的比特数，然后采用增加多比特或减小多个比特的方法提高算法的有效 性，最后一步采用“贪婪法”原理对算法进行补偿，达到系统要求的速率和总功率 最小的约束。 将无线通信领域的热点技术“合作分集技术”引入到电力线通信中，提出了基于 分集技术的电力线网络结构。利用网络中的用户作为中继节点转发信源的信息。对 几种传统的重发机制性能进行分析的基础上，提出了基于分布式空时分组编码的重 发方案。推导强纠错编码和相干p l c 信道中多跳发送技术的分布式空时编码的设计标 准。与简单重发方案以及单节点重发方案相比，没有增加检测的复杂度。 关键词：电力线通信信道编码正交频分复用 中继分集分布式空时编码 i i i 北京邮电大学博士学位论文 摘要 a b s t r a c t m 曲s p e e dm t e m e ta c c e s so v e ru t i l 时p o w e ri i n c si s ac o m p l e t e l yn e w 谢d 曲a n d a c c e s st e c h n 0 1 0 9 y ，a n da t 仃a c t st h e 毗e m i o no fm a n yp e o p l e t h e 撇t i v ef e a t l l r eo ft l l i s i d e ai st h ep r e s e n c eo fav a s ti n f h s t m c t l l r ei 1 1p l a c ef o rp o w e rd i m i b u t i o n ，a 1 1 dt l l e p e n e t r a t i o no f m es e r v i c ec o u l db er n u c h 越曲e rm a na r l yo m e rw i r e da l t e m 撕v e h o w e v e r t h ep o w e r1 i n ec h 咖e li sav e r yh a r s ha 1 1 dn o i s y 雠咀s m i s s i o ni n e d i u m t oa c h j e v e e f ! f i c i e mh i 曲一s p e e dp o w e r1 i n ec o m m u n i c a t i o n ，i ti si n d i s p e n s a b l et os t u d yt l l ek e y 把c h n o l o g yi np h y s i c s1 a y e rt oo v e r c o m ep o w e rh n en o i s e t h i sd i s s e r t a t i o nb e g i m 、v i t l lt l l ek e yt e c h n o l o g i e si 1 1t h ep h y s i c sl a y e ro f 也e w i d e - b a n dp o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n f o m de r r o rc o d e ，m u l t i c 删e rm o d u l a t i o n m e t h o d ，a d a p t i v e 仃a n s m i tt e c l u l 0 1 0 9 ya r es t i l d i e d a c c o r d i 工l gt o 也ep o w e rl i n ec h a i l r l e i ， p o w e rl i n en e t 、v o r kb a s e d o nc o o p e r a t i v ed i v e r s 姆i sp r c s e n t e da n dd i s t r i b u t e ds p a c e - t i i n e s t r a t e g y t h em 血c o n t r i b u t i o n sa r ea sf o l l o w s ： t h ep o w e r l i n en o i s ei sc l a s s m e da sb a c k g r o 蚰dn o i s ea n di r n p u l s i v en o 沁t h e f r e q u e n c y - d o m a i nm o d e l i n ga p p i o a c hi sp r 叩o s e df 叶c h a r a c t e r i 五n g 恤eb a c k 舒o u n dn o i s e a i l dm ei m p u l s i v en o i s ee n c o u l l t e r e di nb r o a d b a n dp l cs ”t e m s t h en o i s em o d e l 、v a s u s e dt oc o m p a r et h ee r r o rp e r f o m l a n c eo fs i n 9 1 e c a r r i e rm o d m a t i o nv e r s u sm u l t i c 删e r m o d u l a t i o n d l l r i n gt h er e s e 甜c ho nf o r v ，a r de h o rc o d et oo v e r c o m ep m s en o i s e ，m i d d i e t o n s c l a s san o i s em o d e l i si n t r o d u c e da sas 枷s t i c a im o d e lo fi m p u l s i v en o i s ee n v m e n t f i r s t l hl o wd e n s 埘p a r i t yc h e c kc o d e sa n dc o n v e n t i o 砌s 砌p r o d u c td e c o d i n gi s s t u d i e d am o d i n e dl l r d l i c hi ss u i t a b l ef o rc l a s san o i s ei sp r o p o s e d ，t h cp e r f o r i i l 眦e o ft h ep m p o s e ds u m - p r o d u c td e c o d i r 培i sc o r n p a r e dw i t l l 也a to f 也ec o r e n t i o n a l s u m p r o d u c td e c o d i n gb yc o m p u t e rs i m u l a 廿o no v e ra w a nc h a i l n e l s s e c o n d l y ，0 p t i m 啪 t i l r b od e c o d i n go v e ra w a nr l o i s ei sp r e s e n t e ds u i t e dt op o w e rl i n ed l a m l e la c c o r d i i l gt o 也er e s u l to fl d p c u s i n gj a c o b i 姐l o g a r i 妇lc a l c u l a t e 也ec h a n n e lv a l u ea p p r o x 王m a t e l y w ee v a l ua _ t e 血eb e r p e r f o n l l a n c eo fo u rp r o p o s e dt u r b od e c o d e r o v e ra 、张nc h m e l s t h ei l p u l s i v en o i s ea 1 1 dm u l t i p a t he 舶c t se n c o u m g er e s e a r c ho nc o 衄1 1 i l i c 撕o n t e c h l l i q u e sm a tc a ne f 如c t i v e l yf 如es u ( mah o s m ee 耐r o n m e n t o m l o g o 工l a lf h q u e n c y d i v i s i o nm u h i p l e x 血gi ss u c hag o o dc 姐d i d 砒ef o rb r o a d b a i l dp l c o f d mc a np e r f o r 工n b e t t e rt h a l ls i n g l ec a r r i e r 、v h e n 廿1 ec h 锄e 1i si n t e r f e r e db yi r n p u l s i v en o i s e ，b e c a u s ei t s p r e a d sm ee f f e c to fi m p u l s i v en o i s eo v e rm u l t i p l es y m b o l sd u et o d i s c r c t ef 0 1 】r i e r t r a n s f o ma l g o r i t 王l i l l na l s op e m l i t st os e p a r a t eo v e r a l l 心m s m i t c e dd a t ai nm a n yp a r a l l e l i 1 1 d e p e n d e n ts u b c a 工t i e r s t h el o n gs y m b o ld u r a t i o nt i m em 出，e so f d m t op e r f o m l b e t 七e r 北京邮电大学博士学位论文摘要 m a ns i n 9 1 ec 枷e ru 1 1 d e rm em u l t i p 础e 恐c t 1 1 1 eb i te r r o r r a t ep e r f o n n a n c eo ft h e o r t h o g o n a l 疗e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n gs y s t e m l l l l d e rt h ei m p u l s i v en o i s ea 1 1 d m m t i p 8 也e 恐c t sa r em e o r e t i c a l i ya n a l y z e di nt e 咖so f c l o s e df b r i nf o i i n u l a s s i n c e 1 ew i d e b a i l dp o w e r1 i n ec o m m u n i c a t i o nc h 咖e li st i m e v a r i a n ta d 丘它q u e r l c y s e l e c t e d ，t ou s es o m ea d a p t i v et e c 皿q u e sc h a n g e 也es y s t e ms c h e m er e a lt i m e t om a ：k e u s eo ft 1 1 ec h a 工l n e l c a p a c i t yf u l l ya n de n h a n c et h ep e r f b m a n c e an o v e lb i tl o a d i n g a l g o r i 也mi sp r e s e n t e df o re n e r g ys p e c 慨l i r n j t e dp o w e rl i mc o m m i c a t i o n t h e a l g o r i t h mc o n v e r g e sf a s t e rt ot h es a m eb i ta l l o c a t i o na st h eo p t h a 王d i s c r e t eb i t f i l i i n ga n d b i t r e m o v a lm e m o d s t h ea l g o r i m me x p l o “s 也ed i 航r e n c e sb e t 、e nt h es u b c h a i l l l e l g a i n - t o - n o i s er a t i o si no r d e rt od e t e r m i l l ea n 协i t i a lb i ta u o c a t i o na n dt h e np 盯f o h n sa m u l t i p l e - b i t sl o a d i n gp r o c e d u r et h a tr e s u l t si 1 1f 缸t e rc o n v e r g e n c et ot h et a r g e tr a t e t h e a l g o r i t h n li st e s t e di nt h et y p i c a lp o w e rl i n ec h 髓n e le n v i r o l l i l l t ，a 1 1 d 廿1 es i n l u l a t i o n r c s u l t si n d i c a t et h ea l g o r i t i ss u i t a b l et oa p p l yi nt h ee n e r g ys p e c t m m1 i m i t e dp l c s y s t e m s n en o v e li d e ao f c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y i si n t r o d u c e df o rm e p o 谣r 1 i n e c o m m l l i l i c a t i o n e a c hn o d ei sp o t e n t i a lr e p e a t e rt or e l a ym e s s a g eo ft h et r 趾s m i t t e r t h e p e 哟m l a l l c e so fs e v e r a lr e 呦n s m i s s i o nm “h o d sa r es t u d i e d w e l e r e f o r ea d v o c a t et h e a p p l i c a t i o no fd i s t r i b u t e ds p a c e - t i m eb l o c kc o d e s ( d s t b c s ) t ot h ep r o b l e ma th a n d m o r e s p e c i a l l y ，w ep r o p o s et h a te a c hn e t w o r kn o d ei sa s s i g n e dau 1 1 i q u es i 朗a t u r es e q u e n c e ， w h i c ha i l o 、v se f 五c i e n t c o m b i l l i n g a tt h er e c e i v e r m o s t n o t a b l y ， d s t b c - b a s e d r e t r a n s m i s s i o nd o e sn o tr e q u i r ee x p l i c i tc o l l a b o r a t i o na m o n gn e 晰o r kn o d e sf o rm u l d h o p t r a n s 血s s i o n粗dd e t e c t i o n c o m p l e ) c i t y i sn o tm c r e a s e d c o m p a r e d t o s i n g l e n o d e r e 虹a n s i i l i s s i o n k e y w o r d s ：p o w e r 】j n ec o m m u n i c 舡i o n ；l d p c ；o f d m ；r e l a yd i v e r s i t y v 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： ! 墨基盟日期：趔：6 ：兰三 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学 校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段 保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文 注释：本学位论 本人签名： 导师签名： 北京邮电大学博士学位论文 第一章序言 1 1 选题的意义 第一章序言 电力线上网是一种全新的宽带上网方式，目前已经普遍受到关注“”。“电力线 宽带通信”，指通过架设在电力线杆和布置于室内的电力线进行通信，即利用专用调 制解调器对信号进行调制，然后把信号加载到现有电力线中进行通信的技术。因为 它不需要重新铺设光纤光缆建设网络，可以充分利用现在的电力系统的资源。很长 时间内，人们对电力线上网充满了期待。电力线上网的关键技术是p l c 传输技术， 它是专门为提供端到端接入而设计的。目前，开展接入网业务有两种方式：一种是 建立新的网络，另一种是利用已有的线路资源。第一种方式可通过无线、新铺电缆 或光纤等方法实现，无线方式需要射频转换的硬件，由于成本较高，难以得到大面 积推广，只能作为有线接入的一种补充；新铺电缆或光纤需要重新布线，费时费力， 并给用户带来诸多不便。在国内，除了特别偏僻的山区外，电力线几乎无所不在， 在每个家庭的每个房间，至少都有一个以上的电源插座，这对开展接入业务而言非 常方便。 电力线通信的环境极为恶劣。电力线通信的噪音主要来源于与低压电网相连的 所有负载以及无线电广播的干扰等，由于负载的开关会引起电力线上电流的波动， 使得电力线的周围会产生电磁辐射，所以，沿电力线传送数据时，会出现许多意想 不到的问题。另外，信号衰减与信道的物理长度和低压电网的阻抗匹配情况有关， 由于低压电网上负载的开关是随机的，因此，其阻抗是随时间而变化的，很难进行 匹配。插入到变压器用户侧的输出电力线上，该通信设备可以通过光纤与主干网相 连，向用户提供数据、语音和多媒体等业务。在通信设备内部，高频网络信号与 5 0 6 0 h z 低频电信号一起，耦合到用户端电力线上，由此可把通信网、电力输送网和 用户驻地网连接起来。户外设备与各用户端设备之间的所有连接都可看成是具有不 同特性和通信质量的信道，如果通信系统支持室内组网，则室内任两个电源插座间 的连接都是一个通信信道。因此，低压电力网有多个通信信道。通信质量的好坏与 通信信道直接相关，很大程度上取决于接收端的噪音水平和不同频率信号的衰减。 噪音越大，接收端将越难提取出有用的信号：同样，如果信号从发送端到接收端的 传输过程中发生衰减，在接收端，信号可能被淹没在噪音之中，也很难提取出有用 的信号。所以，在这样恶劣的环境下，很难保证数据传输的质量，必须采用许多相 关的技术加以解决。 利用低压电力线作为通信信道实现宽带高速数据传输是当前一个热门研究课 北京邮电大学博士学位论文 第一章序言 题。由于低压配电网本身是一个富含各种噪声( 包括背景噪声、窄带干扰和脉冲噪 声) 的网络，对传输信号具有较高的频率衰落特性和一定程度的时变特性；此外， 由于阻抗不匹配，在信号传输过程中信号在网络节点上的反射和折射还会产生多径 效应。而正交频分复用技术在强干扰条件下仍具有有效传送信号的能力，是目前在 具有频率选择性衰减特性通信环境中实现高速信号传输的主流技术，因此常常应用 于容易受外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。采用o f d m 技术可以有 效克服电力线通道多径、时变、频率选择性衰落特性的影响，实现宽带数据高速传 输。不过，目前普遍认为电力线上网在技术方面还存在着一些障碍，即中继器、路 由器、中压线与低压线、耦合器等基础设施所需设备的安全性与性能标准尚未制定。 从通信角度讲电力线上网只是从电信网上获取和发送信息，是全国通信网的一 种接入网。由于电力线网覆盖范围广泛，接入操作比较简单，利用现有的电力网网 络资源，将用户通过高带宽、高质量的接入方式接入到高速、大容量的骨干网上， 在技术上是可行的。 1 2 电力线上网的研究现状 通过多年的研究和发展，利用高压电力线来传输低速数据的技术己相当成熟。 随着网络技术及多媒体技术的发展，利用电力线来实现高速i n t e m e t 接入及多媒体信 息传输是当前的研究热点，国外在相关研究和应用方面已取得了很大进展。虽然， 世界范围内几年来的研究有了很大的进展，很多机构和公司都推出了各自先进的电 力线通信技术( 英文p o w e rl i n ec o m m u i l i c a t i o n ) ，简称p l c ，也就是我们一般所说 的用电力线上网。电力线上网，实际上就是利用电力线载波通信技术和电力线的入 户功能来实现多媒体数据的网络化传输。但这种方式从传输媒质上来讲，与电话线 上网并没有区别，都是利用余属导线作为传输媒质，不同的只是两者所适应的传输 频率不同( p l c 一般为1 7 3 0 m h z ) 。目前，利用电力线实现高速数据通信成为研究 热点，由于电力线当初的设计不是出于通信的目的，因此要想成为现实，还需解决 很多技术为。国内外对于电力线通信的研究非常活跃，发表了一系列的文章，解决 相关的技术问题。 文献 3 通过实验研究了电力线信道的噪声的建模，将电力线信道的噪声分为衰 减模型和噪声模型。衰减模型基于回声模型。表示为各种家电设备产生的噪声的和， 该模型与频率成比例。文献 4 研究了宽带电力线的传输特性 目前对于电力线的噪声模型还没有一个统一的标准。文献 5 将电力线的传递函数归 结为多径衰落模型。文献 4 指出电力线信道具有时变特性，因此不适合采用自动重 2 北京邮电大学博士学位论文第一章序言 传机制，而是应该采用前向纠错方法，消除脉冲噪声。文献 6 对电力线通信的采用 调制方式进行研究，分析对比了o f d m 和c d m a 方式，得出结论是0 f d m 调制方式适合 于电力线用于接入i n t e r n e t 。文献c 8 对电力线上采用离散小波多音调制和o f d m 对 抗多径和窄带脉冲噪声的的能力进行仿真，得出，尽管d 1 v m t 在对抗窄带噪声方面有 一定的优势，但在对抗多径衰落方面，其性能比0 f d m 要差。因此宽带电力线通信青 睐于o f d m 多载波调制。 尽管电力线上网是一种全新的宽带上网方式，但认真追溯起来，其实通过电力 线通讯已经有十几年的发展历史，早在1 9 9 0 年英国n o r w e b 通讯公司就开始对电力 线载波通讯进行研究，随后n o r w e b 通讯公司又与加拿大北电网络联手，共同开发这 项新技术，并且于1 9 9 8 年就己成功地进行了采用传统的输电线路进行i n t e r n e t 接 入的试验。2 0 0 1 年3 月德国电力工业巨头r w e 公司和它的合作伙伴瑞士的a s c o m 发 起一项名p o w e r n e t 的计划。根据这项计划，两家公司将向大约2 0 0 0 0 用户提供这种 利用电源线路的互联网接入服务。配电网是一种共享介质，所有与之相连的用户都 共享同一“电缆”，在典型的城市配置中，一般一个变压器要与大约1 0 0 到2 0 0 个用 户相连。在这种情况下，p l c 系统能够在l m b p s 的最佳传输速率下支持8 0 个用户。 i n t e r n e t 上的服务和资源。 用户在使用程序访问i n t e r n e t 所提供的服务之前，必须首先把自己的计算机接 入i n t e r n e t 。用户的计算机一旦接入i n t e r n e t ，便成为i n t e r n e t 中的一员，可以 访问i n t e r n e t 中的各类服务及丰富的信息资源，这就需要i s p ( i n t e r n e t 服务提 供者) 。i s p 位于i n t e r n e t 边缘，用户通过某种通信线路连接到i s p ，借助于i s p 与 i n t e r n e t 的连接便可以接入i n t e r n e t 。当前电力线上网还不具备i s p 的能力，而从 通信角度讲电力线上网只是从电信网上获取和发送信息，是全国通信网的一种接入 网。由于电力线网覆盖范围广泛，接入操作比较简单，利用现有的电力网网络资源， 将用户通过高带宽、高质量的接入方式接入到高速、大容量的骨干网上，在技术上 是可行的，随着新技术的发展，家庭用户端接入方案越来越趋于实际，一旦条件成 熟，基于电力线的因特网服务将势不可挡。 在我国，电力线上网的试验工作从2 0 0 1 年1 2 月份就开始了，尽管最初参与试 验的用户只有7 户，但这标志着中国电力线上网运用的一个开端。当时使用的是国 外的产品，这一试验的目的是为了验证中国的低压配电线路是否适合电力线上网的 应用和推广。小范围内试验结果证明，目前家电的使用不会影响到上网的速率，因 为上网所使用的频率和家电使用的频率不是同一频段，因此家电不会严重干扰电力 线上网。 北京邮电大学博士学位论文 第一章序言 1 3 电力线上网的优势 1 3 1 投资很少 由于电力线上网是以电力线路为传输通道，因此电力线上网可以充分利用现有 的配电网络基础设施，无需任何布线，从而可以节省巨大的新增投资。目前，我国 拥有全世界长度排名第二的电力输电线路，全国5 0 0 k v 和3 3 0 k v 的电力线路长达 2 5 0 9 4 1 6 千米，2 2 0 k v 线路1 0 7 3 4 8 0 6 千米，加上1 1 0 k v 线路共计3 1 0 0 0 0 千米，可绕 地球近8 圈。我国目前电话用户不到3 亿，但用电用户已超过l o 亿，显然这连接1 0 亿用户的既存电力线是提供上网服务的巨大物质基础，直接在覆盖全国的电力网络 上架构互联网连接将比现在铺设光纤的方式节省大量的人力和物力。 1 3 2 连接方便 现在2 2 0 v 低压电力线几乎已经接入每一个普通家庭中，因此家庭用户在需要宽 带上网时，就可以利用电力线来轻松实现因特网接入，不需要重新添置其他什么设 备，只需在事先安装好的万能插座上插入电源插头即可方便连接到因特网中，所以 电力线上网技术也被认为是提供“最后一公里”解决方案最具竞争力的技术之一。 1 3 3 传输速率高 家庭用户通过电力调制解调器连接到电力网上后，能够获得不错的数据传输速 率，信息传送速度可达到1 0 m b p s ；而且能够将整个家庭的电器与网络联为一体，在 室内的设备之间构筑起可自由交换信息的局域网，使人们能够通过网络来控制自己 家里的电器设备。 1 3 4 有安全性 许多人认为利用电力线上网，可能会经常出现触电事故，因此电力线上网会有 安全隐患；其实用户大可不必担心，因为用户操作端与电力线输出端已经通过电力 调制解调器进行了隔离，不可能出现触电事故。 1 3 5 使用范围广 在未来的宽带接入服务市场，电力线上网将占有一席之地。在市场需求旺盛的 城市，随着电力线上网技术的完善，电力线上网将逐步渗透城区各个角落，这对现 有的宽带运营商来说将是一个很大的挑战。在广阔的农村地区，电力线上网也具有 4 北京邮电大学博士学位论文 第一章序言 一定的优势，毕竟，电力网规模之大，是其他任何网都不可比拟的。但是电力部门 不会将目标锁定农村市场，因为通信业发展是靠市场需求驱动的，而农村的上网需 求量并不大。 1 4 电力线上网面临的问题 电力线上网作为一个新生事物进军宽带市场，虽然有着上面几个特点，但必须 肯定的是，电力线上网的发展还有很长一段路程要走，因为它还存在下丽几个主要 困难： l 、使用费用高 现在大部分电力线上网的用户都是通过电力调制解调器实现的，而目前这种特 殊的调制解调器的价格在8 0 0 元至1 2 0 0 元之间，这与目前中国电信的入网接入成本 相比，显得礴点偏高，而且随着电信运营商的上网资费逐步下调，电力线上网如不 能解决设备、网络运营的成本高等问题，制定低的资费标准，只是依赖电力的网络 优势，是不具备竞争力的。 2 、通信不稳定 电力线上网很难保证数据通信的稳定性，因为电力系统的基础设施，无法提供 高质量的数据传输服务，且每一个家庭的用电量都比较复杂，用电负荷不断变化。 当在电线上还在传送数据，电压的变化肯定会带来干扰，从而影响上网的质量。而 且，使用电力线上网可能还会发生一些不可预知的麻烦，如家庭电器产生的电磁波 会对信息的传输产生干扰，利用电力线上网也会影响短波收音机的信息接收等。 在电力线上进行超高速可靠的通信目前还存在很多严重的障碍，多路延时散射 是高速率面临的一个难题。在实用中的交流电力线路上还存在不可预测的噪声、无 数的干扰源、高度的信号衰减、大范围变化的阻抗，以及刚才提到的多路延时散射。 另外，f c c 辐射标准也是一个障碍。 从技术角度而言，在利用电力线作为传输媒介的通信过程中，主要存在着以下 几个不利因素”1 ，它们对于电力线上信号的传输都有着较大的影响。 1 4 1 可变的信号衰减和电力线阻抗 信号衰减和电力线阻抗的变化是与所传输信号的频率及其物理位置相关联的。 在某些情况下，电力线阻抗可小于o 1 8 ，但在另外的条件下，它又会增大到1 0 0 8 左右：同样，信号衰减在多数情况下都小于5 5 d b ，但有时又可高达1 0 0 d b 。这些情 况对于载波信号的稳定传输都有着较大的影响。 北京邮电大学博士学位论文第一章序言 1 4 2 阻抗调制 阻抗与时间也有一定关系。一般而吉，在交流波形中，信号接近零点的部分比 其波峰部分具有更高的阻抗，这个现象可以通过电源的操作来作一些解释：如果线 性电源的整流器在波形的波峰处开始工作的话，则通过变压器，整流器就会与电源 的低阻抗电容相连，从而导致了此时具有较低阻抗的态。 1 4 3 脉冲噪声( i m p u l s e n o i s e ) 脉冲噪声应该说是电力线通信中存在的最大障碍。由于脉冲噪声具有瞬间、高 能和覆盖频率范围广的特点，因而对于载波信号传输的影响相当大，不仅会造成信 号的误码率( p e r ) 高，使得接收装置无法对信号进行正确的纠错：另外，它还有可 能使接收设备内部产生自干扰，严重影响整个系统的工作。所以，对这种干扰的抵 御就显得尤为重要了。 。 1 4 4 等幅振荡波干扰( c o n t i n u o u s 一v ej a 衄i n g ) h 、 等幅振荡波干扰源包括有意干扰源和无意干扰源2 种。前者如婴儿监控器和对 讲机等家庭用产品，其工作频率都在l o o 3 0 0k h z 之间；而后者( 如电源开关等) 产生的主谐波频率也都在5 0k h z 以上。这些频率范围恰恰是大多数载波信号的频频 率范围，因而，这种干扰所占的比重也是较高的。 1 5 电力线上网发展备忘录1 早在1 9 9 0 年英国n o r w e b 通讯公司就开始对电力线载波通讯进行研究。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 8 年就己成功地进行了 采用传统的输电线路进行i n t e r n e t 接入的试验。 2 0 0 0 年4 月由思科、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”( h o m e p l u gp o w e r l i n ea 1 l i a n c e ，简称h p a ) ，致力于创造共同的家用电线网 络通信技术标准。此后，“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 伽。 在电力线家庭网络中，只需在事先安装好的万能插座上插入电源插头即可构筑起 l 州。2 0 0 1 年3 月德国电力工业巨头r w e 公司和它的合作伙伴瑞士的a s c o m 发起一项 名p o w e r n e t 的计划。根据这项计划，两家公司将向大约2 0 ，0 0 0 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5 月，日本6 0 家有关企业设立联合机构“电线 载波通信设备开发部会”，研究用输电线做通信线路的技术。 最近，我国福建省电力试验研究院研制成功“数字化输电线路技术”的核心产 北京邮电大学博士学位论文 第一章序言 品电力调制解调器及多个相关产品，其传输速率达到1 0 m 。同时国电通信中心采 用国内外电力线通信( p l c ) 组网设备，在北京某生活小区成功地进行了i n t e r n e t 接 入试验，并获得了较理想效果。 以上的进展表明电力线上网已经走出试验室，开始趋于成熟走向应用，开始展 示出自身的优势。事实上从广义上来讲电力线上网从层次上可分为中压配电网、低 压配电网和家庭内部网络。家庭内部网络是指通过电力线组建高速l a n ；低压配电网 是指从中压变电站到用户电表的一点对多点通信，解决i n t e r n e t “最后一公里”问 题；中压配电网主要从中压变电站到主要变电站。由于电线通信的费用仅为利用光 纤通信电缆互联网服务的6 0 至7 0 ，并且不必支付使用线路费，从而大大降低了 通信费用，据称目前实验室的最高通信速率可达到2 5 g b s 。如果该技术得到广泛的 应用，那么将极大的影响电信市场。 电力网作为宽带接入能够有效解决“最后一公里”的问题，有望在中国成为实 现电信普遍服务的业务之一。p l c ( p o w e rl i n ec o 唧u n i c a t i o n ) 乃是一种宽频技术， 利用一般传输电流的电力线作为媒介，进行传输声音、资料或影像的方式。因此， 只要是在有任何电源的地方，即使是位处不同的国家，也能够进行联网。美国电子 工程师协会( i e e e ) 此前也预计，该组织的p l c 宽带上网技术标准将在2 0 0 6 年中期 发布。而在中国，包括国电科技中心在内的多家研究机构，也都在为p l c 标准的制 定忙碌。因此，电力线上网目前在全球都还处于试验阶段。目前，国内最大的p l c 运营商是北京中电飞华通信公司( 下称中电飞华) 。记者获悉，截至2 0 0 5 年底，中 电飞华全年开通p l c 用户3 6 4 5 7 户，累计开通p l c 用户6 0 4 3 2 户，开通楼宇6 4 3 5 栋， 小区8 0 2 个，覆盖用户5 6 4 万户，接入率为1 0 7 1 2 0 0 5 年p l c 业务共计收费2 2 3 5 万元。相对于其他各种接入方式而吉，p l c 接入还具有通信速度比a d s l 更快和方便 快捷( 即插即用，不用拨号只要插入家中的任何一个电源插座即可上网) 等优势。 对于家庭用户，如果将电力线用作家庭布线的总线，不但具有成本低、施工方便、 一线两用，价格低廉，延伸方便等特性，而且电力线在家庭、公司及各种场所处处 都是，它比电缆甚至固定电话网络更有优势。例如，用户能自由选择在家中任何有 电源插座的角落上网，用量大都不必担忧电话费，也不用花钱铺设更多电话线。理 论上电线作为通信线路的通信速度，根据不同的频率可达1 4m b p s 、4 5m b p s 、2 0 0 m b p s 等。而且在用户较少的情况下，还可以把几个变压器线路区域内的用户联在一 起，提高服务器的利用率。相反，如果用户增多了，可把不同变压器区域内的用户 分开，使用本区域的主服务器，从而使资源的利用率始终保持在较高的水准。 对于未来，电力线上网技术将面临技术和市场的双重考虑，由于电压变化所带 来的干扰影响上网质量，用电高峰时期数率波动大，p l c 芯片主要来自欧美，以及 国家法律法规不明确等因素，都将严重制约着电力线上网技术的良性发展，其未来 北京邮电大学博士学位论文第一章序言 之路绝非一帆风顺。 技术还需重大改进。在带宽、传输距离以及信号干扰方面虽已取得了长足进步， 但由于电力网使用的是非屏蔽线，用它来传输数据不可避免地会形成电磁辐射，影 响数据的保密性，因此信息安全性能差。多数电力线接入产品采用带宽共享，导致： 用户数量增加之后带宽下降，电力线接入时数据需要通过电表传输，带宽在电表处 产生衰减；用电高峰期传输数率严重下降等方面还亟待改进。 商业模式不成熟。由于受到有关政策的限制，目前还没有相关业务的支持，而 且在商业模式方面也只是处于摸索阶段。此外，中国厂商在产品芯片技术方面的缺 乏，最终用户的认可、接受，市场的培育以及与该技术相关的产业链等问题也必须 重点考虑。毕竟，即使是研究电力线上网技术较早的德国、瑞士等国，在大规模商 用化方面也还停滞不前。i t 界是创造神话和奇迹的领域，正如当年有人质疑莱特兄 弟制造飞机，马可尼发明无线电一样，对于电力线上网技术的发展能否创造新的神 话，目前虽然还不得而知，但作为一种新的接入方式，留下的将会是更多一种的选 择和期盼。 1 5 1 各国电力线上网情况嘲 美国：在美国联邦通信委员会( f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o 哪i s s i o n ，简称 f c c ) 的推动下，在不久的将来，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。美国辛辛那提天然气电力公司，计划 通过该公司的电力网提供高速互联网接入服务。并已有众多的电力企业悄悄地进行 相关试验，美国电线通信协会主席a 1 a ns h a r k 表示：“在发展这项技术上所有的企 业都相当谨慎，但是我认为，这个市场将会大得惊人。” 日本：对于电力线通信技术十分积极的日本东京电力计划到2 0 0 5 年3 月底，将 在该公司的住宅内进行最高速度为2 0 0m b i t s 的电力线通信( p l c n ) 实验，并希望 2 0 0 5 年秋季开始提供电力线通信商用服务，以便利用电力线通信建立家庭内部网。 在日本电力线上网试验可谓一波三折。2 0