低压电力线通讯网络技术发展的研究

李非文

摘 要：高压电力线载波通信已有近百年的历史，它在电力调度话音通信、电力系统远动装置数据采集等方面取得了卓有成效的应用，但是利用一个台区的低压电力线建立Internet接入网是近几年来国际上刚刚兴起的技术。本文论述的电力线通信（Power Line Communications）计算机网络（以下简称PLC网络）是以电力线为通信介质实现数据传输或建立计算机网络的相关技术研究。由于低压电力线的普及程度比其他任何通信介质都广泛，研究电力线作为信息传输介质在技术和经济方面都有十分重要的意义。

关键词：PLC网络；电力线通信

1 PLC网络概述

随着Internet应用的迅速普及，登录上网的用户数急剧增加。在网络干线基础设施相对完善的情况下，连接千家万户的接入网络成为制约网络用户增长的主要障碍。新增或扩充计算机接入网络，人们通常都是敷设新的有线信道，如光纤、双绞线等。研究表明接入网的费用要占网络总投资的50%以上[Halid2001C]，因为新增线路不仅造价较高，而且对于已经使用的建筑物会造成一定程度的损坏。虽然利用无线或红外通信不会对建筑物造成破坏，但这类通信容易受天气原因、建筑物遮挡以及其它各种干扰等因素的影响，因而也不是一种理想的选择。能不能找到一种省钱、实用、方便的通信介质？近年来，利用低压电力线介质建立计算机局域网及接入网络已经成为国际上IT领域的热门研究内容[1]。

利用电力线介质传递信息分为中高压电力线载波通信和低压PLC计算机网络两个基本类别。中高压电力线载波通信指利用35kV以上高压电力线以载波方式传递信息，其主要特点是通讯速率低、传输距离远、采用点对点通信方式；低压PLC计算机网络指利用220V/380V的用户电力线为传输介质，在末端变压器和用户住宅之间或住宅内建立计算机局域网及接入网络，其特点是通讯速率高、传输距离近、采用网络化通信方式。中高压电力线载波通信并不是一种新出现的技术，它已经有近百年的发展历史[2]。长期以来，电力部门利用该技术在中高压（35kV以上）输电线路上通过电力线载波机传递远动信息、调度电话语音信息等，传输速率一般为300—600bps，载波频率为9-490kHz。本文主要讨论利用低压电力线介质建立计算机局域网及接入网络的相关技术（以下简称PLC网络）[3]。

2 PLC网络技术的发展及其现状

传统的电力线通信技术主要包括InteUon CEBus、Echelon Lon Works及AdaptiveNetworks等，下面简要介绍以上技术及其优缺点[4]。

2.1 Intellon CEBus技术

Intellon是一个生产符合消费电子总线CEBus（ConsumerElectronicsBus）标准产品的私有公司，CEBus标准是一个为在电力线和其它媒介上通信分别提供物理层规范的开放标准。Intellon技术面向住宅网络提供控制能力，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10kbps的速率传输数据包，每个数据包包含必需的发送地址和接收地址。CEBus协议使用对等通信模式，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，其使用载波侦听多路访问/冲突检测和解决CSMA/CDCR（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detectand Resolution）协议，该协议是在载波侦听多路访问/冲突检测CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect）的基础上加入解决冲突功能的结果。这种介质访问控制协议要求一个网络节点等待线路上没有其它数据包传送时才能发送数据包。CEBus包括一种公共应用语言CAL（Common Application Language），允许设备之间使用一种公共的语法和词汇彼此传递命令和状态请求。CAL定义了一系列叫做“环境”的电子设备功能子单元，例如电视机、立体声音响、CD播放器或盒式磁带。录像机的音量控制就是一种CAL环境。每种环境还可进一步细分为代表不同环境控制功能的“对象”，例如音量、低音、高音或静音功能。最后，对象被定义为一套规定对象功能操作的实例变量，例如音量对象的隐含或当前设定值。通过应用CAL规范，Intellon确信他们的芯片可以同其它CAL兼容设备通信。

2.2 Echelon Lon Works技术

像Intellon一样，Echelon规定了一种对等通信协议来完成CSMA技术。Echelon提供一种基于扩频技术的10kbps电力线芯片，还提供一种经过改进的、专有的、嵌入其神经元芯片中的MAC协议来服务于对等网络层。目前有两个版本的神经元芯片，都包含三个8位处理器、10k字节RAM和10k字节ROM。Echelon的专有协议策略最近有所变化，开放了其神经元协议，以允许同第三方的电力线收发器接口。由于Echelon芯片设计的巨大开销和MAC层能力，使得其对住宅用户解决方案来说价格较贵。因此Echelon技术应用被限制在工业/商业解决方案，而不是住宅应用。实际上，商业建筑自动化系统独占Echelon收入的30%，另外的30%来自面向工业的控制。

2.3 Adaptive Networks技术

像ntellon和Echelon一样，Adaptive也提供基于扩频技术的电力线芯片组，但其提供低速和高速两套芯片组，速率分别为19.2kbps和100kbps。与Intellon和Echelon使用的对等CSMA/CDCR模式相对应，Adaptive使用一种混合的令牌介质访问模式。混合令牌模式允许网络节点在轻负荷环境下使不必要的令牌传递减到最小，而在重负荷情况下保持令牌的可靠性。虽然Adaptive技术提供比Intellon和Echelon更快的传输速率，但对一些高带宽的应用来说它还略显不够，例如文件共享、打印共享、数字话音和图像传输。

2.4 现有的PLC技术的比较

表1.1列出了以上各现有PLC网络技术在速率、接入数量、通信方式和MAC层协议方面的比较情况。

3 现有高速PLC网络技术浅析

目前国际上关于高速PLC网络技术主要有两种模式。其一是以美国为代表的住宅连网模式。这种模式只提供住宅内部连网，户外访问使用其它的通信方式。美国推荐这种模式是因为其ADSL技术和产品已经比较成熟和普及。支持该模式的国际组织是HomePlug，目前该组织已制定了有关的技术规范（Specification1.0），用于规范PLC网络的调制方式、压缩编码方式、使用频带、发送功率、MAC协议等相关技术细节，以增强各厂商产品的兼容性。目前室内PLC网络较高速率的产品有Intellon公司的PowerPacket，速率达到14Mbps，1TRAN公司的产品速率达12Mbps。这两种产品目前均处于实验室阶段。另一种模式是面向欧洲和亚太市场，提供自配电变压器到用户住宅的PLC网络全面解决方案，包括“最后一公里”和住宅内的各类信息设施连网。该模式的国际组织是国际电力线通信论坛（IPCF，International Powerline cornlrlunicationForum）。由于室外产品和室内产品的环境差异，在技术上实现起来比较困难，因此目前能够提供该方案的系统产品很少，大都处于实验室阶段。

3.1 高速PLC原理简介

低压配电网在物理上呈树状总线结构，因此目前国际上大部分PLC研究实体将PLC网络构建为总线型结构的以太网。其介质访问控制主要以CSMA/CD方式工作，或使用令牌环（Token Ring）方式。但这些都是应用现有技术，是研究实体为尽快生产出产品而采取的权宜措施，它并不是适合PLC网络流量特性的最佳访问结构。因此，设计高速PLC网络上具有高性能的MAC层协议以及MAC的性能分析是高速PLC领域中的重要课题[5]。

由图可知，高速PLC网络由两部分组成：室内部分包括所有可能通过电力线连网的信息产品，如计算机、传真机、数字电视机等数字家电产品；室外部分包括跨接电表的设施，以及各住户通过“最后一公里”组建的网络。变压器是高速PLC网络的外部“网关”。电能通过变压器从高压侧送到居民用户，而PLC计算机网络则通过安装在变电站的网关实现与Internet连网。信息产品使用PLC调制解调器连接到PLC介质，PLC调制解调器主要由接口、调制解调和耦合等三部分组成。接V1部分是指电力线调制解调器同用户设备间的双向数据传输的接口，这些接口包括同智能设备之间的RS一232接口、同计算机之间的RJ.45以太网接口或USB接口、同模拟电话之间的RJ一11接口；调制解调部分由数字信号处理单元和相应的外围电路组成。数字信号处理单元负责同用户设备间的双向通信、实现MAC层协议，并将来自用户的数据进行编码、调制后进行数模转换、放大、滤波后送往耦合单元，或将来自耦合单元经滤波、放大、模数转换后的信号进行解调、解码后送往用户设备；耦合单元是电力线同调制解调部分的结合设备，它将调制好的高频模拟信号送入电力线进行传输，或在电力线上提取出高频信号以便进行解调[6]。

3.2 PLC网络技术的优势

PLC网络利用四通八达、遍布城乡，并与用户直接相连的220W380V低压电力线高速传输信息。因其免除布线、覆盖范围广、连接方便的显著特点，PLC网络被认为是提供“最后一公里”解决方案最具竞争力的技术之一。目前国外PLC网络的通信速率已经达到12Mbps，预计2003年将达到45Mbps，这种速率足以传输各种多媒体信息。与常规通信介质网络相比较，PLC网络具有一个独特的优势：即充分利用现有的低压电力线基础设施，无需任何布线，是一种“无线”技术手段，节约有线资源，无需挖沟和穿墙打洞，避免了对建筑物的损坏，节省资金、人力、时间；

与常规通信介质网络一样，PLC网络还具有以下明显的优势[7]：

1）低速的PLC网络是家居自动化的有效手段。通过遍布住宅内的电源插座，可对智能家用电器连网，并通过网关与外部连接。住宅主人在家可以享受数字化住宅设施的舒适和便利，在外可以通过互连网络及时了解和设定住宅内设施；

2）高速的PLC网络可以为人们提供Internet接入服务，并且可以享受居家视听一体化的服务。通过电力线实现网络浏览、网上购物、视频点播以及可视电话等将不再是遥远的梦想；

3）利用PLC的永久连接在线，可构建住宅楼宇自动化系统，如防火、防盗防有毒气体泄漏的保安监控系统让上班族倍感放心，医疗急救系统让住有老人、儿童或病人的家庭心里踏实。

以上插述的PLC网络的技术优势和美好前景，有些已经在国外成为现实，而其它甚至更好的未来正在探求之中。可以预测，PLC网络这一新技术对促进经济发展必将带来新的机遇。尤其对于中国这样的发展中国家，经济实力不够强大，要赶超发达国家的信息化水平，需要投入巨大的资金，而PLC网络提供了另一种可能的技术手段，这种技术手段可以帮助我们以较少的投入加快国家信息化的进程，我们没有理由不尽快研究适合中国电力网环境的PLC网络技术。

3.3 目前PLC网络技术存在的主要技术问题

PLC网络的关键技术难点集中在物理层和MAC子层，面临的主要问题和关键技术有[8]：

1）线路阻抗匹配问题。常规专用通信介质有比较固定的负载连接，而电力线介质不象其它专用通信介质那样，连接在电力线上的任何动力负荷都会影响电力线的阻抗。由于用电负荷接入和断开具有随机性，例如开关任何一盏电灯都可能引起线路负载变化。因此，收、发信机的输出阻抗和输入阻抗很难和线路的阻抗匹配。自适应均衡技术目前被认为是改善这个问题的关键技术之一，它可以动态诊断信道状态和动态设置信道参数，从而尽可能匹配阻抗。

2）多径反射问题。低压配电网络具有很复杂的树型结构，连接在电力线上的收发信机因位置不同，会产生多路径的信号反射，这种反射会引起传输信号的选择性衰减和码间串扰。OFDM调制技术是目前PLC网络的一项关键技术，它特别适用于像电力线这种具有频率选择性失真的信道。

3）频谱范围很宽的噪声问题。电力线的根本用途是输送能量，线路上连接着无数的配电设施和用电器具。当使用电力线传递信息时，除了存在和常规专用传输介质同样的问题之外，连接在电力线上的各种设施也成了噪声来源，因此PLC网络传输信道中存在频谱范围很宽的噪声。主要的噪声来源有：

·家用电器，尤其是计算机、电视机开关电源产生的噪声；

·利用可控硅制作的电子调光器、节能灯及其相关产品所产生的噪声；

·配电开关设备在电力线上产生的噪声；

·电动机产生的强噪声；

·其它高频信号在空间传输中耦合到电力线上的噪声。

在各种噪声中，一种称为非周期性脉冲干扰的噪声是影响PLC网络信道的最关键问题之一，也是当今本领域专家最关心的热点问题。在MAC层就如何消除非周期的异步脉冲干扰也没有获得有效进展。因此，如何消除或减弱脉冲干扰对物理层和数据链路层的影响是PLC网络中最关键的技术之一[9]。

4）电磁兼容性（EMC）问题。作为接入网的PLC网络，必须使用较高的信号频率和一定的发射功率，这就存在产品的EMC问题，包括其它电器对PLC产品的影响和PLC产品对其它产品的影响。目前国际上还没有制定统一的PLC网络产品EMC标准。

5）国外产品在国内的适应性问题。尽管国外已经研究出一些实验型PLC产品，但是直接拿到国内来使用可能造成意想不到的后果。因为我国的低压配电网络比国外的配网更复杂，用户多、接线方式多、线径细、屏蔽不好，这些特点将导致国内电力线的通信参数与国外有所不同。因此，必须对国内线路进行严格测试，国外产品必须在满足国内测试结果的条件下才能应用。

6）PLC网络的MAC层技术研究十分薄弱。由于PLC物理层本身尚有许多问题需要攻克，目前国外把PLC网络的研究重点放在PLC物理层，包括调制方式、编码方式、使用频带、发送功率等。而MAC层则简单地采用常规介质的处理方式。由于电力线介质与常规介质具有不同的特性，照搬常规介质的MAC协议将导致PLC网络的MAC协议运行失败或性能低下。事实上，针对电力线的特点，研究MAC的协议工作方式、信道分配方式、数据帧的设定等都是摆在我们面前的课题。

7）PLC网络研究人才匮乏。PLC网络不仅在国内是一个刚刚兴起的研究课题，而且在国际上也尚处于初期研究阶段，从概念定义、理论研究、技术标准、工程试点以及管制政策等方面都有大量需要明确的问题。研究内容涉及电力、通讯、计算机等多个专业学科，要求研究人员具有电力配网、通信、计算机网络等方面的知识，对研究人员要求高[10]。

4 结论

PLC网络技术是最近10年来发展起来的技术，具有广阔的市场应用前景，但作为新兴的通信和网络技术，PLC网络面临许多有待攻克的技术难题.目前国外把PLC网络研究重点放在它的物理层，包括抗干扰、调制方式、编码方式、频带分配等，而它的MAC层则简单的采用常规介质计算机网络的MAC层的工作方式，由于电力线介质与常规介质具有不通的物理特性，照搬常规介质的MAC协议将导致PLC网络的MAC协议运行失败或性能低下，因此，针对电力线的特点，研究MAC的协议工作方式、信道分配方式、数据帧长度的设定等都是摆在我们面前的课题。

[参考文献]

[1]曹志刚，钱亚生.《现代通信原理》.清华大学出版社，1992.

[2]陈长德，等.OFDM调制技术在宽带电力线通信中的应用.《电力系统自动化》，Sept.25，2001.

[3]国家电力科学研究院通信所：”The characteristics of Powerline at High frequencies on Chinese 220/380V Distribution Networks.

[4]李良沫.电力线数字载波及其发展.《电力系统通信》，2000年第一期.

[5 宋永华，肖颖，张棋.电力线载波技术重大突破---数字配电线及其应用.《电网技术》，1999年，第23卷，第二期.

[6]王越先，等.电源线介质计算机网络的设计与实现.《小型微型计算机系统》V0l.17 No.12 Dec.1996.

[7]赵瑞霖，等.电力线（PL）通信与扩频载波电路.《电子产品世界》1998.12.

[8]周明天，汪文勇.（（TCP/1P网络原理与技术》.清华大学出版社，1993.

[9]郭静波，等.“低压配电网扩频信号传输特性及通信系统实现对策”.《中国电机工程学报》，第21卷，第7期，2001年7月.

[10]陈坚，孙志月.《MODEM通信编程技术》.西安电子科技大学出版社， 1998.