基于低壓電力線載波通信方法的比較

張平澤，趙振勇

（1.常州機電職業(yè)技術(shù)學院 江蘇 常州 213164；2.常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學院 信息技術(shù)系，江蘇 常州 213164）

近年來，電力線載波 PLC（Power Line Carrier）[1]技術(shù)已成為通信系統(tǒng)中的研究熱點，它被看作一種未來重要的現(xiàn)場設(shè)備總線通信技術(shù)。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，電力供電網(wǎng)絡(luò)越來越完善，覆蓋面積越來越大，如何充分利用寶貴的供電網(wǎng)絡(luò)資源，在電力供電線路上實現(xiàn)可靠的信息傳輸，正逐步引起業(yè)界的廣泛關(guān)注和研究。目前，低壓配電網(wǎng)[2]是一個用戶多、分布廣、用戶必需的動力能源傳輸網(wǎng)絡(luò)，同時也是一個日益被看好、可隨時使用的高速數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)，低壓配電網(wǎng)被認為是“最后1公里”互聯(lián)網(wǎng)接入的理想解決方案[3]。而利用低壓輸電線路組成數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)是近年來迅速發(fā)展的新技術(shù)，日益受到計算機與通訊界的重視，并成為IT業(yè)又一研究熱點。因此，研究低壓電力載波通信特點、原理及數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)耐ㄐ欧椒ň哂兄卮蟮默F(xiàn)實意義。

1 低壓電力線載波傳輸特點

目前，利用10 kV及以上中、高壓電力線作為信道傳輸通道的電力線載波通信已獲得廣泛應(yīng)用，但在220 V/380 V低壓電力線上傳輸信號與高壓電力線載波通信有較大區(qū)別[4]。這是因為，對于低壓電力線上的干擾特性，阻抗變化及信號衰減情況，很難找到一個較為明確的解析式或數(shù)學模型加以描述，這些對通信系統(tǒng)的設(shè)計提出較高要求，也是嚴重影響通信質(zhì)量的主要技術(shù)障礙[5]。

對高頻信號而言，低壓電力線是一根非均勻分布的傳輸線，各種不同性質(zhì)的負載在任意位置隨機連接和斷開。因此，隨著通信距離、信號頻率，甚至工頻電源相位的變化，高頻信號的衰減變化很大。這些變化對載波通信設(shè)備設(shè)計有很大影響。電力線上的干擾不能簡單地認為是可加性高斯白噪聲[6]，可近似分為周期性連續(xù)干擾、周期性脈沖干擾、時不變連續(xù)干擾和隨機產(chǎn)生的突發(fā)干擾。通常情況下以前兩種干擾為主。低壓電力線上的干擾存在多變性，表現(xiàn)在以下兩方面：1）因時而變。在不同時刻，干擾的頻率、強度都不同；2）因地而變。在不同的電網(wǎng)之間，干擾情況各不相同，而在同一個低壓電壓之間的干擾情況也不同。因此抗干擾是低壓電力線通信的難點。

輸入阻抗是表征低壓電力線傳輸特性的重要參數(shù)，低壓電力線的輸入阻抗與所傳輸信號的頻率密切相關(guān)。由于電力線上負載的數(shù)量、類型不同，使不同頻率的阻抗變化也不同，電力線負載網(wǎng)絡(luò)由若干電阻、電容和電感組成，從不同的點看，輸入阻抗顯然是不同的。所以實際情況非常復雜，甚至不可預測輸入的阻抗變化。由于低壓電力線輸入阻抗的變化，發(fā)送設(shè)備的輸出阻抗和接收設(shè)備的輸入阻抗難以與之保持匹配，因而給電路設(shè)計帶來很大困難。

2 低壓電力線通信原理

電力線載波通信[6]是利用傳輸工頻電能的低壓配電線路（220 V或380 V交流供電線路）作為傳輸媒介的通信方式，是電力線特有的通信方式。PLC通常利用1～30 MHz頻率范圍傳輸信號。發(fā)送時，利用調(diào)制技術(shù)將用戶數(shù)據(jù)進行調(diào)制，然后在電力線上傳輸。在接收端，先經(jīng)濾波將調(diào)制信號濾出，再解調(diào)，即可得到原始通信信號。通信速率依據(jù)調(diào)制方法和具體設(shè)備不同而不同，目前的傳輸速率在4.5～45 MB/s之間。PLC設(shè)備包括局端和調(diào)制解調(diào)器，局端負責與內(nèi)部PLC調(diào)制解調(diào)器的通信和與外部網(wǎng)絡(luò)的連接。通信時，來自用戶的數(shù)據(jù)進入調(diào)制解調(diào)器調(diào)制后，通過用戶的配電線路傳輸?shù)骄侄嗽O(shè)備，局端設(shè)備解調(diào)出信號，再傳送到外部Internet。圖1為低壓電力線通信系統(tǒng)原理框圖。

圖1 低壓電力線通信系統(tǒng)原理框圖

3 低壓電力線載波通信方法

目前低壓電力線載波通信主要采用窄帶通信、擴頻通信、OFDM調(diào)制等方式。

3.1 窄帶通信技術(shù)

早期的電力載波通信電路多采用窄帶通信技術(shù)[1-7]，主要是頻移鍵控FSK（Frequency Shift Keying）與二進制相移鍵控PSK（Phase Shift Keying）方式。FSK的調(diào)制原理是載波頻率隨著調(diào)制信號“1”或“0”而變，“1”對應(yīng)載波頻率 f1，“0”對應(yīng)載波頻率f2。PSK調(diào)制原理是載波的相位隨調(diào)制信號“1”或“0”而改變，通常用相位 0°和 180°分別表示“1”或“0”。

窄帶通信方式具有技術(shù)簡單、成本低廉和容易實現(xiàn)的特點，因此在應(yīng)用初期較為流行，但該方式極易受帶內(nèi)干擾影響，阻抗匹配也影響信號傳輸，抗干擾能力較差。為了降低PLC在強背景噪聲下的誤碼率，提高PLC信號的傳輸速率，目前多采用擴頻通信技術(shù)與正交頻分復用技術(shù)。

3.2 擴頻通信技術(shù)

所謂擴頻通信 SS（Spread Spectrum Communication）[7-8]就是在發(fā)信端將信號頻譜擴展后再進行傳輸，在收信端運用相關(guān)手段將接收信號解擴后再解調(diào)的通信手段。圖2給出其通信原理。

圖2 擴頻通信原理

擴頻通信技術(shù)的理論基礎(chǔ)是信息論中的香農(nóng)定理。擴頻通信系統(tǒng)主要有4種基本擴頻方式：1）直接序列擴頻DS（Direct Sequence）；2）跳頻 FH（Frequency Hopping）；3）跳 時 TH（Time Hopping）；4）線性調(diào)頻（Chirp）；此外，還有這些擴頻方式的組合方式，諸如DS/FH，DS/TH，DS/FH/TH等。常用于低壓電力線載波通信的是直擴（DS）和線性調(diào)頻（Chirp）?；贑hirp方式的通信電路在我國應(yīng)用較多的是Intellon-p200系列，而直擴方式在當前應(yīng)用最為廣泛，多數(shù)低壓電力線載波通信電路都是基于直擴方式。擴頻通信抗干擾能力強、可進行多址通信、抗多徑干擾能力強，在低壓電力載波通信中具有很大應(yīng)用優(yōu)勢。

3.3 OFDM調(diào)制技術(shù)

正交頻分復用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）[8-10]是一種多載波傳輸技術(shù)。其最大的特點是傳輸速率高，抗碼間干擾和信道衰落能力強。其基本思想是將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為N個并行數(shù)據(jù)分配給N個不同的正交子載波，實現(xiàn)并行數(shù)據(jù)傳輸，這樣既可得到很高的數(shù)據(jù)傳輸速率，又能夠有效抑制碼間干擾，而且無須復雜的信道均衡處理。

在K條子信道的OFDM系統(tǒng)中，子載波頻率為{cos2πfkt，0≤k≤T-1}，其中相鄰子載波頻率之間的間隔Δf=1/T，即Δf=fk+1-fk=，T為碼元間隔。這與OFDM傳輸速率相同的單載波系統(tǒng)相比，碼元速率1/T降低了K倍。因此，OFDM系統(tǒng)的碼元間隔T=KTs，其中Ts是單載波系統(tǒng)的碼元間隔。只要將K選得足夠大，碼元間隔T就會比信道時間偏移持續(xù)時間大得多。通過選擇適當?shù)腒，可以使碼間干擾任意小。即每條信道看上去都有固定的頻率 C（fk），其中 k=0，1，…，K-1。

因此，OFDM調(diào)制技術(shù)實際上是大量的窄帶載波 （有時也稱為子載波）同時傳送，每個載波的調(diào)制速率較低，但總體表現(xiàn)為極高的傳輸速率。因此，OFDM在電力載波通信中主要應(yīng)用于電力線上網(wǎng)等通信速率要求高的領(lǐng)域。

4 3種通信方式比較

低壓電力線載波通信[6]客觀環(huán)境非常惡劣，要實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的通信，則必須采用先進的技術(shù)手段。電力載波抄表系統(tǒng)所使用的通信方式各有其特點[11]。因此，結(jié)合窄帶通信、擴頻通信、OFDM各自的特點，比較這3種通信方式的優(yōu)缺點，如表1所示。

表1 窄帶、擴頻及OFDM優(yōu)缺點比較

由上表可知，這3種通信方式在實際應(yīng)用中各有優(yōu)勢和缺點。窄帶通信技術(shù)價格低廉并且較易實現(xiàn)，所以在以往的應(yīng)用中比較流行，但由于存在干擾問題，實際應(yīng)用仍不很理想，而且具有傳輸距離較短，數(shù)據(jù)傳輸率比較低等缺點。

擴頻技術(shù)在抗干擾、保密等方面的突出優(yōu)點，使其在低壓電力線載波通信中應(yīng)用越來越廣泛。當整個頻帶內(nèi)的干擾情況較平均時，或當整個頻帶干擾嚴重而載波通信所選擇的通信頻帶內(nèi)干擾較小時，窄帶調(diào)頻通信都具有優(yōu)勢。由于電力線路上的干擾大多是窄帶干擾，寬帶擴頻方式占用頻段寬，干擾信號無法將其覆蓋，因此具有較強的抗窄帶干擾能力。但電力線耦合電路的品質(zhì)因數(shù)（Q值）也因?qū)拵б蛩亟档?，這樣嚴重影響通信性能。窄帶通信方式具有較好的電力線耦合性能，當強干擾噪聲在通信頻帶外時，其通信效果一般優(yōu)于寬帶擴頻通信方式，但強干擾信號與通信頻帶相近時則會經(jīng)常出現(xiàn)通信中斷。總體來說，采用擴頻方式的電力線通信芯片在抗干擾和噪聲，以及數(shù)據(jù)傳輸性能上比窄帶通訊有較大提高。

理論分析與大量實驗均表明，在相同路徑條件下，擴頻通信技術(shù)的成功率普遍強于OFDM通信技術(shù)，而通信速率則是OFDM技術(shù)遠遠高于擴頻技術(shù)。但基于擴頻通信技術(shù)的電路成本也遠低于OFDM通信技術(shù)的電路成本。目前，OFDM技術(shù)應(yīng)用于電力線高速數(shù)字通信剛剛開始，還存在許多問題，其中最主要的問題是到目前為止還沒有制定出相應(yīng)的標準規(guī)范。

5 結(jié)論

電力線載波通信是以電力網(wǎng)作為信道，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞和信息交換的通信方式。由于電力線信號傳輸?shù)目煽啃院懿?，電力線的通信環(huán)境惡劣，要在這樣的低壓電力線上實現(xiàn)高質(zhì)量的數(shù)據(jù)通信還有相當大的困難。通過分析和比較3種常用電力線通信方式，列出各自的優(yōu)缺點。應(yīng)用中可根據(jù)實際需要選擇使用或混合使用。本研究對新的低壓電力線載波通信方法的研究具有一定借鑒意義。

[1]齊淑清.電力線通信（PLC）技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2005.

[2]劉海濤，張保會，譚倫農(nóng).低壓電網(wǎng)通信信道的理論分析[J].西安交通大學學報，2003，37（10）：1 048-1 051.

[3]Silva J M，Whitney B.Evaluation of the potential for power line carrier to interfere with use of the nationwide differential GPS network[C].IEEE Trans Power Delivery,2002，4（17）：348-352.

[4]王月志，劉伯剛.自動抄表系統(tǒng)[J].電測與儀表，2004，41（9）：48-51.

[5]忻龍彪.電力載波遠程抄表系統(tǒng)綜述[J].低壓電器，2008（4）：1-4，9.

[6]Zimmermann M，Dostert K.An analysis of the broadband noise scenario in power line networks[C].//Proceedings of the 4th International symposium on Power Line Communications and Its Applications.Limerick（Ireland），2000：131-138.

[7]王贊基，郭靜波.電力系統(tǒng)擴頻載波通信技術(shù)及其應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動化，2000，24（21）：64-68.

[8]劉 恒，汪光森，王 乘.OFDM、擴頻通信技術(shù)在電力線通信中的應(yīng)用分析與仿真[J].繼電器,2003（7）：41-45.

[9]顧 威.基于OFDM的高速電力線載波通信系統(tǒng)設(shè)計[D].北京：清華大學，2005.

[10]田新成，候思祖，王 旭.基于OFDM的低壓電力線通信系統(tǒng)信道噪聲特性分析[J].華北電力大學學報,2007,34（1）：111-114.

[11]楊宏業(yè)，張 躍，呂 芳.自動抄表系統(tǒng)中通信方案的現(xiàn)狀與展望[J].電測與儀表，2001（8）：8-11，34.