PLC技術(shù)組建寬帶接入網(wǎng)技術(shù)研究

林斯

（杭州師范大學(xué)錢江學(xué)院 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，浙江 杭州 310012）

1 引言

電力線載波通信(PLC)利用輸電線路作為信號的傳輸媒介，人們利用電力線可以傳輸電話、電報、遠(yuǎn)動、數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)方保護(hù)信號等。由于電力線機(jī)械強(qiáng)度高，可靠性好，不需要線路的基礎(chǔ)建設(shè)投資和日常的維護(hù)費(fèi)用，因此PLC具有較高的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，在電力系統(tǒng)的調(diào)度通信、生產(chǎn)指揮、行政業(yè)務(wù)通信以及各種信息傳輸方面發(fā)揮了重要作用。隨著電力部門逐步實(shí)現(xiàn)調(diào)度自動化和管理現(xiàn)代化，PLC日益受到重視。而且隨著家庭自動化和智能大樓概念的出現(xiàn)，PLC能方便地為各種設(shè)備 (如警報系統(tǒng)的傳感器)提供通信鏈路。近年來低壓PLC作為最后一公里的一種解決方案也己經(jīng)取得成功，特別是在小區(qū)內(nèi)采用低壓網(wǎng)作為局域網(wǎng)的接入方案已經(jīng)投入使用。

2 現(xiàn)有組網(wǎng)方案與協(xié)議

電力線通信是使用低壓民用電線來傳輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的通信技術(shù)，從目前的發(fā)展階段來看，電力線通信的技術(shù)涵蓋了以太網(wǎng)技術(shù)與電力技術(shù)及一些特殊的通信編碼調(diào)制技術(shù)。PLC在OSI的第二層以上符合標(biāo)準(zhǔn)的802.3以太網(wǎng)規(guī)范。以太網(wǎng)是以點(diǎn)對點(diǎn)方式傳輸802.3格式幀的網(wǎng)絡(luò)，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀均遵從工EEE發(fā)布的802.3標(biāo)準(zhǔn)。PLC則是以太網(wǎng)的一個分支，區(qū)別在于在物理層中介質(zhì)更換為電力線，并且在第二層上采用了基于CSMA/CA的廣播共享方式，在此規(guī)范下歐洲電力線聯(lián)盟HomePLUG 1.0的通信速率為14M bps。

HomePLUG是歐洲電力線聯(lián)盟專為家庭電力環(huán)境下開發(fā)的通信標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，因此在辦公及居民家庭環(huán)境下使用HomePLUG的產(chǎn)品與技術(shù)沒有任何限制;為了解決在強(qiáng)電環(huán)境下對高頻數(shù)據(jù)通信的干擾，HomePLUG規(guī)范中引入了OFDM調(diào)制方式，并且在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中保證了與國際電磁兼容的適配，以避免電磁泄漏對通信及其他設(shè)備電器的影響。

CSMA/CA:載波監(jiān)聽多路訪問/沖突防止，由于電力線通信技術(shù)基于民用家庭(辦公)電線，因此無法為每一個端站劃分獨(dú)立的物理信道，從而PLC只能基于共享方式。這樣沖突就不能避免，而電力線的拓?fù)洵h(huán)境比較隨意無序，因此傳統(tǒng)的沖突檢測難以進(jìn)行，因此引入了新的協(xié)議:CSMA/CA，該協(xié)議的目的不是為了檢測沖突，而是籍由劃分時間段的方法來避免沖突。

OFDM:正交頻分復(fù)用，OFDM是在嚴(yán)重電磁干擾的通信環(huán)境下保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定完整傳輸?shù)募夹g(shù)措施，HpmePLUG 1.0的規(guī)范覆蓋4-21MHz的通信頻段，在這個頻段內(nèi)劃分了84個OFDM通信信道，。OFDM的原理是幾個通信信道按90度的相位作頻分，這樣的結(jié)果是當(dāng)某一個信道波形過零點(diǎn)時相鄰信道的波形恰好是幅值最大值，這樣就保證了信道間的波形不會因外來的干擾而交疊，串?dāng)_。

3 利用PLC組網(wǎng)技術(shù)

3.1 組網(wǎng)原理

在樓宇接入的環(huán)境下使用時，HomePLUG并不建議使用純電力環(huán)境來架設(shè)PLC網(wǎng)絡(luò)。相應(yīng)的解決方法是使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)介質(zhì)來連接大樓內(nèi)的多個PLC網(wǎng)絡(luò)。

PLC利用1.6M到30M頻帶范圍傳輸信號。在發(fā)送時，利用GMSK或OFDM調(diào)制技術(shù)將用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，然后在電力線上進(jìn)行傳輸，在接收端，先經(jīng)過濾波器將調(diào)制信號濾出，再經(jīng)過解調(diào)，就可得到原通信信號。目前可達(dá)到的通信速率依具體設(shè)備不同在4.5M-45M之間。PLC設(shè)備分局端和調(diào)制解調(diào)器，局端負(fù)責(zé)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。在通信時，來自用戶的數(shù)據(jù)進(jìn)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，局端將信號解調(diào)出來，再轉(zhuǎn)到外部的Internet。

國內(nèi)的低壓配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不同樓層、不同建筑時期的樓宇配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)都不相同，接入方案尚無法統(tǒng)一。PLC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈活，可根據(jù)用戶數(shù)的數(shù)量做出相應(yīng)的改變。根據(jù)配電網(wǎng)線路、樓宇結(jié)構(gòu)和用戶的特點(diǎn)，住戶小區(qū)接入方案可分為高層住宅樓、低層住宅樓兩種典型情況考慮。

(1)低層住宅組網(wǎng)

樓宇結(jié)構(gòu)特點(diǎn):底層住宅樓每棟有5到6層，分為多個單元，每個單元有獨(dú)立的樓梯，每層2-4戶。樓中通常有60-80住戶，大一些的可達(dá)100戶。低壓配電網(wǎng)結(jié)構(gòu):一臺配電變壓器負(fù)責(zé)5-6棟樓，每單元有一條電力線從底層一直到達(dá)頂層，在每樓層有該層用戶的電表，一層有單元所有用戶的總電表。組網(wǎng)方案:采用FTTZ+PLC或光纖到變壓器++PLC的方案。以配電網(wǎng)物理網(wǎng)絡(luò)劃分為基礎(chǔ)，一個單元放置一臺PLC局端設(shè)備，用戶共享電力線。用戶較少時，可以擴(kuò)大共享范圍，幾個單元甚至幾棟樓實(shí)現(xiàn)共享。當(dāng)用戶增多時，再根據(jù)用戶的分布，靈活劃分共享范圍。PLC Modem通過USB,RJ45等接口與用戶計算機(jī)相連，保證端到端2Mbps帶寬，多個PLC Modem可組成小型局域網(wǎng)。該方案針對用戶相對集中、上網(wǎng)需求較少的住宅樓。

(2)高層住宅組網(wǎng)

樓宇結(jié)構(gòu)特點(diǎn):新建的高層住宅樓高度為十幾到二十幾層，住戶密度大且集中，每棟樓內(nèi)大約有150到200戶。低壓配電網(wǎng)結(jié)構(gòu):樓內(nèi)地下室通常有獨(dú)立的配電間，一臺配電變壓器將lOKV電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?20V民用電壓。樓內(nèi)有多條電力線通向住戶，每條電力線為一層或相鄰幾層的住戶輸電。電力線三相負(fù)載基本平均，樓層的豎井有配電箱，箱內(nèi)有樓層總電表和各戶的分電表。組網(wǎng)方案:接入采用FTTB+PLC的方案，光纖到小區(qū)，光纖到樓。樓內(nèi)采用PLC接入，以配電網(wǎng)物理網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，將配.電網(wǎng)分為不同的用戶接入共享區(qū)域，根據(jù)實(shí)際情況確定接入方案。PLC局端設(shè)備放在地下室的配電間內(nèi)，使用同一條電力線的一層或相鄰幾層用戶作為一共享區(qū)域，共用一臺PLC局端設(shè)備。若用戶較少，可將多個共享區(qū)域合并，連接到同一臺設(shè)備。如將用戶按三相線路劃分，使用A相線路的用戶共享A相電力線;甚至可以讓全樓的用戶共享同一條電力線。這樣可在保證用戶上網(wǎng)帶寬的同時，使設(shè)備保持較高的利用率。用戶增多后，可方便的把共享區(qū)域分開，對原有用戶的使用不會產(chǎn)生影響。用戶端設(shè)備PLC Modem從電力線中分離出數(shù)據(jù)信號，通過USB,RJ45等接口與用戶計算機(jī)相連，保證端到端2Mbps帶寬。多個PLC Modem可組成小型局域網(wǎng)。該方案主要針對用戶居住集中、上網(wǎng)率高的小區(qū)高層住宅樓，可結(jié)合遠(yuǎn)程抄表、家政自動化等應(yīng)用。

3.2 設(shè)計方案

3.2.1 多層住宅樓設(shè)計方案

對于多層住宅樓，供電方式一般采用每單元三相四線制，再以單相方式通過電表平衡供電給每個用戶，單元內(nèi)每戶電表集中在1至2個電表箱內(nèi)，安裝時分別給每個單元配備一臺FPC-10MB型電力橋集器，采用信號回路迂回至電表箱，分別在用戶電表后端利用LB-O1型電力線禍合器將信號禍合到供電線路，此方案信號加入后不受電表的強(qiáng)磁場干擾，信號分配均勻，受電源總負(fù)荷變化的影響力小，同時在每臺網(wǎng)橋前配備一臺IP路由器，進(jìn)行網(wǎng)段隔離，提高用戶使用網(wǎng)絡(luò)的安全性，最后數(shù)據(jù)網(wǎng)線匯總到交換設(shè)備連接外網(wǎng)。用戶終端采用FPM-lOM A型電力調(diào)制解調(diào)器，并提供一根USB數(shù)據(jù)線及一個USB接口和一個兩針Power Line接口。

3.2.2 高層住宅樓設(shè)計方案

對于高層住宅，供電方式一般采用總電源三相四線制，到每一層再分配單相供電，用戶供電回路有電度表，強(qiáng)磁場會對信號產(chǎn)生干擾，在每層用戶數(shù)量一定的情況下，采用每四層安裝一臺FPC-lOMB型電力橋集器，用信號線回路連接四層的配電箱，在用戶電表后端利用LBOl型電力線禍合器將信號禍合到用戶供電線路，同時在每臺網(wǎng)橋前配備一臺IP路由器，進(jìn)行網(wǎng)段隔離，提高用戶使用網(wǎng)絡(luò)的安全性。此方案信號加入后不受電表的強(qiáng)磁場干擾，信號分配均勻，受電源總負(fù)荷變化的影響力小，同時建議將主干線和交換設(shè)備放置在高層住宅樓的中間層，使數(shù)據(jù)線或信號線上下分配，最小程度的減少數(shù)據(jù)的傳輸路徑，最后數(shù)據(jù)網(wǎng)線匯總到交換設(shè)備連接外網(wǎng)。用戶終端采用FPM-lOM A型電力調(diào)制解調(diào)器，并提供一根USB數(shù)據(jù)線及一個USB1.1接口和一個兩針Power Line接口。

[1]趙強(qiáng).電力線高速通信技術(shù)初探.電力系統(tǒng)通信.2003

[2]李宏喬.寬帶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)原理.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[3]趙丙鎮(zhèn)，王麗平.高速PLC技術(shù)應(yīng)用前景十分看好.中國電力報.2001