高速电力载波接入技术的研究

赵 东,赵鞠萌,刘仁云

(1.长春师范学院计算机科学与技术学院,吉林长春 130032;2.吉林省经济信息中心,吉林长春 130051;3.长春师范学院数学学院,吉林长春 130032)

高速电力载波接入技术的研究

赵 东1,赵鞠萌2,刘仁云3

(1.长春师范学院计算机科学与技术学院,吉林长春 130032;2.吉林省经济信息中心,吉林长春 130051;3.长春师范学院数学学院,吉林长春 130032)

本文通过对网络最后一公里问题的分析,并结合互联网络应用的多种过渡方案,提出了以高速电力载波为载体的接入设计方案,采用OFDM技术将高数据流分解为低速数据流,并有效地分离各信道信号,以实现高速信息数据在电力线上的传输,从而使得通过网络对家庭智能化设备进行控制变得简单、可行。

电力线载波;SCC;OFDM;宽带接入方案

1 概述

互联网络已成为人们工作、生活和学习不可或缺的部分,伴随着人们对网络日益剧增的需求,要求对网络的技术、功能、环境等提出改革与创新。传统的网络有线传输介质主要由网线、光纤和电缆组成,在网络最后一公里的通信架设及所需材料方面都要耗费大量财力、物力。

如何建设一个综合、经济、可靠、有效的通信网络,既能满足现在的各种网络需求,又能适应发展的需要,为不断增多的用户、更大的带宽以及新的业务更大的空间,减少不必要的重复投资,已成为当前亟待解决的问题。

电力线载波通信 (PLC)是电力系统特有的通信方式,以普遍存在的电力线为通信载体,实现高速数据流在线路中的传递,高速载波方式安全稳定,是唯一不需要线路投资的有线通信方式。电路线通信是先将数据调制成载波信号或扩频信号,然后通过耦合器耦合到220V或其他交/直流电力线甚至是没有电力的双绞线上。电力线载波通信不仅提供了实用的新兴通信手段,而且具有现有物理链路、易维护、易推广、易使用、低成本等优点。

2 主要研究技术内容的国内外发展水平及方向

对于网络需求发展空间的扩大,国内也把PLC技术的研究作为一项重要课题,并且取得较好的成效。从1997年起,中国电力科学研究院开始组织团队研究PLC技术,并提出把基于PLC技术的远程抄表作为主要开发项目。在以后的两年里着手进行PLC技术的研发工作。对于低压配电网络的传输特性提出了测试方案,并进行了详细测试,通过对测试结果的分析,得到了低压配电网络的各项指标,为此类其他研发工作提供技术支持。但我们必须看到,我们与国外PLC发展还有一定的差距,我国现在主要针对在低流量、低速率的应用场合,主要产品是100K BPS-500K BPS的抄表系统、智能控制系统等。

目前瑞士Ascom公司生产的PLC产品能达到的最大速率为415Mbps,韩国Xeline的产品最大速率为14Mbps,而西班牙DS2的产品能达到45Mbps。因此,研究高速电力载波通讯技术,与国际接轨,研制出适合我国市场的电力载波通讯产品意义重大。

PLC宽带接入技术可为用户提供Internet接入、VOD点播、远程教育、远程医疗、IP电话、IP传真、智能小区、智能家电控制等服务。随着信息技术的发展、数字家庭市场的启动,我们有理由相信宽带电力线通信会和无线WiFi、xDSL一起成为数字家庭骨干网的选择之一,在未来的数字家庭的市场上三分天下。

3 研究方法

电力载波目前主要有两种实现方法,即扩频通信 (SCC)技术和正交频分复用 (OFDM)技术。SCC主要用于低于1M的速率场合,OFDM技术用于高速带宽的数据传输。

OFDM技术本质是把电力线中存在高速数据流转化为多个子比特流,被分解得到的子比特流拥有较低的传输速率,每个子比特流用以调制若干个子载波。如果设定在1个周期内传输的码元序列为a0,a1,…,aN-1经过串并转换器依次调制在N个子载波b0,b1,…,bN-1上,因为使用的子载波符合正交特性,它们的频谱彼此重叠。由于子载波频谱正交特点,使传统的频分复用 (FDMA)系统中2个相邻子载波的频率相差系统的码元传输速率为v0,彼此相邻的子信道的中心频点相对于v0相差3～5倍,这样就可以防止相邻信道之间的信号干扰,由于OFDM的互相毗邻的两个子载波特性相近,因此频谱利用率极大提高,并且具有相互交叠的频域。通过研究表明,如果子载波彼此之间满足约定的正交约束条件,我们即可利用变频和积分的方法去分离出各个子信道信号,达到信道分离的效果。

通过对OFDM调制的原理的分析,得出可以用N个相互正交的载频分别调制N路子信道码元序列,由于子信道彼此较大的邻道干扰,实际环境中采用此种方法仍然存在困难。把DSP技术作为调制和解调的手段,使得OFDM调制技术进一步得到广泛应用。

在实际环境中,我们采用DSP处理芯片并应用快速傅里叶反变换 (IFFT)算法已达到上述目的。其中发送端主要由以下部分组成:串并联转换器、基带调制模块、合路器、IFFT和D/A转换器等。系统的工作流程如下:

(1)首先发送端将高速数据流通过串并转换器分解成N个低速数据块;

(2)对每路低速数据进行基带调制;

(3)通过IFFT将基带调制信号搬移到N路子载波上合路后发出;

(4)发送信号通过叠加了各种噪声和干扰的电力线信道传递到接收端。

接收器主要由以下部分组成:带通滤波器、A/D转换器、解调模块、FFT等。接受器的工作流程如下:

(1)首先系统采用FFT技术进行基带信号的恢复;

(2)然后采用适合的数据解调方式解调出N路的低速数据;

(3)最后使用并串转换合成方法,合成原始高速数据流。

通过对上述方案的探讨,我们采用集成度非常高的INTELLON公司的INT5500做为调制解调的主控芯片,结合INT1200高速模拟前端,接收数据时电力线上的信号通过滤波器经由INT1200的A/D通道传输给控制芯片,发送时控制芯片的数据经由INT1200的D/A通道耦合到电力线上,实现数据的双向通讯。

电力网上存在各种各样的干扰,数据收发稳定可靠是本项目的挑战之一。电力载波通讯速度一直以来是影响其推广的重要瓶颈,实际研制的产品会比理论的计算速度低,因此,优化通讯速度,充分利用软、硬件资源,使之更好地发挥作用,是本项目的另一个难点。

4 主要应用前景

电力线载波通讯技术可以应用在各个方面,家居自动化、小型办公室、家庭办公室通讯、互联网、音视频、游戏、安防、自动抄表系统等。对于采用工业自动化控制的企业,存在信号干扰大、布线较为困难的环境,采用电力载波通讯方式可以收到较好的效果。故而在西方国家电力线载波通信的比例一直保持在12%左右,有的国家甚至高达30%。

电力线载波技术的突出的优点及广阔的发展前景,使其成为了世界上所有国家都投入较大的财力、物力和人力进行研发。在21世纪初,韩国首次把电力线通信作为通信的另一手段。此后,韩国对输电线上网进行推广应用。日本对于家庭和办公场所普遍存在的电力线路进行规划,把其作为互联网高速接入的新型通信方式。

电力线载波通讯的最大的特点是不需要重新架设网络,只要有电线,就能进行数据传递,实现家庭上网,无疑也成为了解决智能家居数据传输的最佳方案之一。同时因为数据仅在家庭这个范围中传输,束缚PLC应用的困扰问题将在很大程度上减弱,我们也能通过传统网络先连接到PC然后再控制家电方式实现远程对家电的控制,PLC调制解调模块的成本也远低于无线模块。

我国拥有遍及全国各个角落的电力系统的条件,依托现有的资源用以建设本地宽带网络接入的物资基础。对于城乡的电力网的普及,也使电力网实现高速宽带连接成为现实。随着信息技术的进一步发展,家居智能化、信息现代化程度的进一步提高,电力载波通讯技术定会迎来飞速发展的时代。因此,研制出适合我国的电力载波通讯设备,必将产生巨大的经济效益及深远的社会影响。

5 结束语

本系统基于OFDM技术研究电力线高速宽带接入方案,可以充分利用现有的遍及各地的电力网,避免了网络系统的重复投资和浪费,对于分布较分散的住户及偏远用户优势体现更明显。而各用户内部的电力网又可以构成区域局域网,使得用户更灵活地通过网络对家庭智能化设备进行控制。

随着电力系统通信的不断社会化以及电力线通信新技术的迅猛发展,加之人们对网络需求的增加,基于电力线实现宽带综合业务接入终将成为网络重要的组成部分,普及到人们的工作、生活和学习的活动中。

[1]曾素琼,张学成.基于89C2051与ST7538低压电力线载波通信模块的设计[J].低压电器,2008(11):33-36.

[2]刘晓胜,胡永军,张胜友.低压配电网电力线载波通信与新技术[J].电气应用,2006(2):5-7.

[3]周顺勇,杨平先.一种电力线载波通信系统的设计[J].四川理工学院学报:自然科学版,2005(1).

[4]周强.高压电力线载波通信中COFDM调制技术研究与应用[D].武汉:武汉大学,2004.

[5]李引新,赵姚同.正交频分多路(OFDM)的实现方式及性能分析[J].电讯技术,1998(6).

Research on the Access Technology of High-speed Power Line Carrier

ZHAO Dong1,ZHAO Ju-meng2,LIU Ren-yun3
(1.College of Computer Science and Technology,Changchun Normal University,Changchun 130032,China;2.Economic Information Center of Jilin Province,Changchun 130051,China;3.College of Mathematics,Changchun Normal University,Changchun 130032,China)

Through analyzing the problem of last kilometer of network and combining various transition plans of Internet ap2 plication,this paper put forward an access scheme for high-speed power line carrier.The OFDM technology can be applied to decompose high-speed data stream to low-speed data stream,and effectively separate signals of each channel,so as to realize the transmission of high-speed information data in power line,and make the control on home intelligent equipments based on network become simple and feasible.

PLC;SCC;OFDM;broadband access scheme

TP393

B

1008-178X(2011)02-0034-03

2011-02-01

吉林省教育厅“十一五”科学技术研究项目 (吉科教合字 [2009433]号)。

赵 东 (1978-),男,吉林长春人,长春师范学院计算机科学与技术学院讲师,从事嵌入式系统及智能控制研究。