畢業(yè)設計（論文）基于低壓供電網(wǎng)通訊的軟件設計

1、基于低壓供電網(wǎng)通訊的軟件設計摘 要：電力線高速數(shù)據(jù)通信技術(plc)在電力系統(tǒng)通信中占有重要位置。文章首先對該項技術在國內(nèi)外的研究和應用現(xiàn)狀進行了回顧，介紹了我國plc方面的主要工作成果和國內(nèi)外plc關鍵技術發(fā)展情況(包括信道模型、噪聲特性、信道容量、調(diào)制技術及mac層 協(xié)議等)、標準的進展情況以及尚存在的主要問題。本文還簡要介紹了低壓供電網(wǎng)通訊的特點和研究價值。歸納了噪聲、多徑干擾、信道阻抗變化對通訊的影響，提出了基于低壓供電網(wǎng)通訊的系統(tǒng)模型。關鍵詞：電力線高速數(shù)據(jù)通信； 供電網(wǎng)； 通訊abstract: power line high-speed data communications t

2、echnology (plc) in the power system occupies an important position in communications. the article first of the technology at home and abroad in the research and application of a recall, on chinas plc of the main results of the work at home and abroad plc and the development of key technologies (incl

3、uding channel model, the noise characteristics, channel capacity, modulation and mac layer protocol, etc.), standards of progress and remaining in the main problems. it also gave a briefing on low-voltage power network communications for the characteristics and research value. summed up the noise, m

4、ultipath interference, channel impedance changes on the impact of communications, based on the proposed low-voltage power network for the communication system model. key words: power line high-speed data communication for the network; communications目錄第一章前言21.1電力線高速數(shù)據(jù)通信技術的國外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢41.1.1機理研究及產(chǎn)品開發(fā)41.1

5、.2應用情況51.1.3技術標準61.1.4發(fā)展趨勢6第二章 plc的關鍵技術72.1信道模型、噪聲特性以及信道容量72.2調(diào)制技術72.3 mac層協(xié)議8第三章 我國低壓供電網(wǎng)數(shù)據(jù)通信技術的研究及應用93.1 基本情況93.2機理研究及產(chǎn)品開發(fā)93.3實際應用103.4技術標準的進展113.5 基本評價113.6存在的問題及進一步的工作12第三章 供電網(wǎng)通訊系統(tǒng)模型133. 1噪聲和干擾133.2信道阻抗133.3信號衰減133.4多徑干擾143.5通訊系統(tǒng)模型153.5.1通訊系統(tǒng)及解決方案153.5.2模擬系統(tǒng)153.5.3數(shù)字系統(tǒng)(ask,fsk,psk)163.5.4擴頻通信163.

6、5.5其他方法183.6各種通訊系統(tǒng)的比較18第四章 數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)的實現(xiàn)194.1 基于濾波器組的多載波傳輸系統(tǒng)194.1.1 傳統(tǒng)ofdm的濾波器組表示方式194.1.2基于小波濾波器組的多載波傳輸系統(tǒng)214.2多徑信道下的多載波系統(tǒng)性能分析224.3 系統(tǒng)結果24參 考 文 獻:26致 謝27第一章 前言隨著科學技術的發(fā)展，生活水平的日益提高，人們對家庭環(huán)境的要求越來越高。智能大樓(in-telligent buildings)和家用電器自動化產(chǎn)品( home automation)應運而生。家庭中的電力線給這些產(chǎn)品提供了天然的通信介質(zhì)。電力線網(wǎng)絡覆蓋面積之大，是別的網(wǎng)絡無法比擬的。利用電

7、力線網(wǎng)絡進行通信非常方便，可以方便地組建計算機局域網(wǎng)絡(lan)、傳遞遠端監(jiān)視圖像、自動抄表(automatic meter reading)系統(tǒng)、火災報警( fire alarm)系統(tǒng)等。電力線高速數(shù)據(jù)通信技術(plc或plt)，是一種利用中、低壓配電網(wǎng)作為通信介質(zhì)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)、話音、圖像等綜合業(yè)務傳輸?shù)耐ㄐ偶夹g，不僅可以作為解決寬帶接入“最后1 km”的有效手段，而且可以為電力負荷監(jiān)控、遠程抄表、配用電自動化、需求側管理、企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡、智能家庭以及數(shù)字化社區(qū)提供高速數(shù)據(jù)傳輸平臺。電力線通信是在一個復雜的電磁環(huán)境里傳輸信號，信號會出現(xiàn)明顯的衰減和畸變，信道環(huán)境非常惡劣。一些通信信道的基本參數(shù)，

8、如阻抗、衰減幅度、噪聲隨時間波動的規(guī)律都是不能預知的。電力線網(wǎng)絡分為高電壓(100 kv以上)、中電壓(1100 kv)、低電壓(1 kv以下)3種。電力線網(wǎng)絡是一個獨立的通信網(wǎng)絡，電壓越低，干擾越復雜，通信難度越大。我們主要涉及低壓電力線通信的特點和通信技術。電力線通信存在很大的困難。長期以來，許多公司和學者對電力線通訊系統(tǒng)進行了大量的研究和實驗工作，取得了一定的成果。如何能夠在電力線通訊系統(tǒng)中提高傳輸速率、延長傳輸距離、增強抗干擾能力、提高頻帶利用率和降低通信成本是電力線通信中函待解決的問題。電力線是設計用來輸送電能的，因而并不具備通信鏈路的必要條件，所呈現(xiàn)的是一種高噪聲、強衰減、負荷變化

9、劇烈、阻抗變化大頻率響應不平坦等惡劣性能。要實現(xiàn)可靠的電力線高速數(shù)據(jù)傳輸，必須解決以下問題: (1）盡可能消除電氣設備、控制設備、空中無線電等噪聲對傳輸可靠性的影響; (2 努力阻止線路、各種電氣設備、阻抗波動阻抗不匹配以及容性負載引起的信號衰落;(3) 最大限度減緩電力線分支以及網(wǎng)絡不均衡引起的多徑衰落對傳輸可靠性的影響。 20世紀90年代以前，電力線載波系統(tǒng)采用的是fm(模擬調(diào)頻)、fsk(頻移鍵控)、psk（相移鍵控)等窄帶通信技術，由于抗噪聲干擾和多徑干擾能力差，對電力線信道的適應性也差，因此主要靠改善信道條件(使用阻波器)和提高信噪比(增大發(fā)送功率)來實現(xiàn)可靠傳輸。但由于窄帶調(diào)制技術

10、頻帶利用率極低，因此在有限的帶寬內(nèi)只能實現(xiàn)低速的數(shù)據(jù)傳輸，而目_僅限于適應經(jīng)過特殊改造的高壓線路。對于低壓和中壓配電線路，由于線路復雜、分支多，無法對線路進行諸如阻波等技術的改造，因此即使是低速數(shù)據(jù)，也無法實現(xiàn)可靠的傳輸。20世紀90年代以后，隨著通信技術的發(fā)展，國外開始研制專門用于配電網(wǎng)的高速數(shù)據(jù)通信技術，將擴頻通信技術、多載波調(diào)制(dmt)、正交 頻分多路復用(ofdm )、信道糾錯編碼、多路訪問等先進技術引入電力線載波通信領域。1997年英國的nor w eb公司在英國曼徹斯特的一個低壓配電網(wǎng)上成功進行了傳輸速率為1 m bit/s的數(shù)據(jù)通信試驗1，實現(xiàn)了電力線載波通信技術的突破，這個里

11、程碑式的試驗極大地推動了電力線高速數(shù)據(jù)通信技術的發(fā)展。1.1電力線高速數(shù)據(jù)通信技術的國外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢1.1.1機理研究及產(chǎn)品開發(fā) 電力線高速數(shù)據(jù)通信技術在英國試驗成功以后，許多國家的研究機構和企業(yè)相繼開展了這方面的研究和開發(fā)2-5，如美國的inari和intellon公司、西班牙的ds2公司、以色列的yitran公司、韓國的xe line公司、瑞士的ascom公司，以及歐美、亞洲的一些大學院校等。國外學者對電力線高速數(shù)據(jù)通信技術的機理進行了深入研究，成立了多個plc國際組織，從1997年開始每年舉辦數(shù)次plc國際專題會議，研究內(nèi)容非常廣泛，包括:電力線的信道模型、噪聲特性分析、調(diào)制方式、ma

12、c層協(xié)議、網(wǎng)絡管理、室內(nèi)網(wǎng)絡、接入網(wǎng)絡、系統(tǒng)設計方法、芯片制造技術、電磁輻射和傳播、信道預測技術信道容量預測、信道傳播特性測量、標準和協(xié)議、系統(tǒng)結構、組網(wǎng)方式、中壓高速載波技術等多方面內(nèi)容。經(jīng)過多年的努力，已經(jīng)基本建立起電力線高速數(shù)據(jù)通信技術的理論體系。 電力線高速數(shù)據(jù)通信技術從1997年到現(xiàn)在歷經(jīng)了3個階段(時間上有一些交叉)，產(chǎn)生了3代技術和產(chǎn)品。第1代:2001年底以前，采用fsk ,gm sib ,dsss或dm t技術，傳輸速率為14mbit/s主要目標是驗證了電力線高速數(shù)據(jù)通信技術應用的可行性;第2代:2001年第三季度至今，主流芯片的傳輸速率為10 45mbit/s 進入大規(guī)模、

13、多區(qū)域的試驗和實際運行階段，其主要標志是ntel-lon公司推出的傳輸速率為14mbit/s的芯片和ds2公司推出的傳輸速率為45 m bit / s的芯片，引入了ofdm技術，不僅有效消除了多徑干擾，增強了對電力線信道的自適應性和抗噪聲干擾的能力，而且大大提高了頻帶利用率，實現(xiàn)了l0mbit/s以上的高速率數(shù)據(jù)傳輸;第3代:從2004年第三季度開始，電力線高速數(shù)據(jù)通信技術更多使用子載波的ofdm和高頻帶利用率的調(diào)制技術，傳輸速率達到200 m bit/s (如ds2公司2004年推出的d ss9000系列芯片，ntellon公司即將推出的nt 6000芯片)，這代產(chǎn)品具有交換和傳輸功能，自動

14、中繼和自動路由選擇技術逐漸得到推廣，系統(tǒng)結構更加靈活方便，通用性和兼容性更強，網(wǎng)絡管理功能更加完善，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膓os得到充分保障，設備和系統(tǒng)成本進一步降低。1.1.2應用情況 歐盟為促進plc技術的發(fā)展，從2004年1月1日開始啟動了一個稱之為opera (open plc eu-ropean research a lliance)的計劃，旨在聯(lián)合歐洲的主要plc研究開發(fā)力量，致力于制定歐洲的plc統(tǒng)一技術標準、推動大規(guī)模商業(yè)化應用5-6，并將plc作為實現(xiàn)“e europe(信息化歐洲)的重要技術手段。美國、歐洲等國也出臺相應政策或措施推動plc的發(fā)展，許多大的電力企業(yè)也積極進行中壓及低壓p

15、lc的試驗。美國的american electricpower等17家主要電力企業(yè)，德國、奧地利、西班牙等15個歐洲國家的32個電力企業(yè)均建立了plc試驗網(wǎng)絡，有的還進行了plc商業(yè)化運營(如德國的mvv等)。亞洲開展plc研究和試驗的國家和地區(qū)除中國大陸外，還有日本、韓國、新加坡、中國香港、中國臺灣等地。日本對plc的態(tài)度，經(jīng)歷了從初期懷疑否定到開放試驗，直至今日的積極推動的三個階段。目前，東京電力、新加坡電力、香港中華電力等均建立了一定規(guī)模的試驗網(wǎng)絡。據(jù)不完全統(tǒng)計，截止2004年年底，plc的試驗網(wǎng)絡遍及歐洲、亞洲、北美洲、南美洲、非洲以及大洋洲的40多個國家和地區(qū)。1.1.3技術標準 技

16、術的標準化是產(chǎn)品成熟的重要標志和大規(guī)模應用的前提。歐洲、美國從2002年起開始研究plc系統(tǒng)的技術框架和技術標準7-9，目前已經(jīng)取得了積極進展。在產(chǎn)品技術規(guī)范方面，歐洲電信標準化組織etsi從2002年開始陸續(xù)公開了2個plc技術規(guī)范(ts 101 896,ts 101 867)和5個技術報告(tr 102 049 ,tr 102 175 ,tr 102 258 ,tr102 259,tr 102 324)。另外還有6個項目正在進行中(dts /plt-00005,dts/plt-00007,dts/plt-0000dts /plt-000010、dtr/ plt-000o11, dts/pl

17、t - 000017)0涉及網(wǎng)絡電磁兼容標準制定的機構主要有:itu-t, cenelec /etsi. jwg emc, cenelec的tc210、sc205a, et s i的tc erm ,ep plt,美國fcc等。目前定義了130 mh z范圍內(nèi)電信網(wǎng)絡輻射限值的技術標準有4個:德國的nb30、英國的mpt1570、美國的fccp art15以及國際電信聯(lián)盟于2003年7月推出的iiu-tic. 60。 總體而言，plc的相關技術標準正在制定中，目前還沒有形成相應的具有法律約束力的規(guī)范。對于電磁騷擾的測試方法，各國做法不盡相同，限值各異。但普遍認為，30 mhz以下的電磁騷擾主要體

18、現(xiàn)在傳導騷擾上，因此，在目前的國際標準中，并未規(guī)定相應的輻射騷擾限值。對于大規(guī)模的plc應用，如何制定科學的測試方法以及規(guī)定合理的限值，是歐洲以及一些國際性組織正在研究的重要課題之一。1.1.4發(fā)展趨勢電力線高速數(shù)據(jù)通信技術具有3個明顯的發(fā)展趨勢。一方面，正在向更高傳輸速率的方向發(fā)展.其表現(xiàn)為名家公司推傳輸速高達200 m bit/ s的專用芯片;另一方面，利用中壓(10 kv)配電網(wǎng)組建高速數(shù)據(jù)傳輸骨干網(wǎng)的設想也日益引起人們的重視，因為利用中壓配電網(wǎng)進行高速數(shù)據(jù)傳輸，不僅可以充分、有效地利用電力系統(tǒng)的資源，而民可以極大地延伸光纖骨干網(wǎng)的服務區(qū)域，成為骨干通信網(wǎng)的有效補充和有機組成部分，同時為

19、開展電信服務開辟了新的思路;第三方面，電力線寬帶接入技術正在向具有更高服務質(zhì)量和完善傳輸交換功能的方向發(fā)展。第二章 plc的關鍵技術2.1信道模型、噪聲特性以及信道容量 研究電力線網(wǎng)絡信道模型，通常使用多徑傳輸模型和傳輸矩陣模型2種方法。這2個模型從不同角度對高頻信號在電力線上的傳播特性進行研究。多徑傳輸模型是根據(jù)高頻信號的多條路徑傳播產(chǎn)生的合成效應(多分支及阻抗失配造成的傳輸反射)研究電力線信號的傳播特性;傳輸矩陣模型則把整個電力線看成為一個二端口網(wǎng)絡，利用二端口網(wǎng)絡的傳輸矩陣計算出電力線信道的傳遞函數(shù)2-3。 除了因線路衰減和多路傳輸所造成的信號失真外，噪聲是影響電力線數(shù)據(jù)可靠通信的最關鍵

20、因素。和其他信道不同的是，電力線信道的噪聲并不呈現(xiàn)白噪聲(awgn)特性，主要是有色背景噪聲窄帶干擾和脈沖噪聲的存在，容易引起突發(fā)性傳輸差錯。脈沖噪聲分為與工頻同步的周期性脈沖噪聲和異步脈沖噪聲2種。與工頻同步的脈沖噪聲主要是由與工頻同步運行的供電設備引起的，它一般在電壓的過零點產(chǎn)生;典型的異步脈沖噪聲是由電網(wǎng)上的開關事件引起的。脈沖噪聲可以用馬爾可夫鏈(markov- cha州的隨機統(tǒng)計模型表示，背景噪聲一般用ar回歸模型來模擬，窄帶噪聲用n個 獨立的正弦信號疊加表示。 電力線信道容量分析的意義在于了解信道的基本特性和信道傳輸能力。配電網(wǎng)的高速數(shù)據(jù)傳輸容量，主要受配電網(wǎng)拓撲結構、線路條件、噪

21、聲、eui c限制等條件的影響。電力線的信道容量主要利用信道傳播模型、噪聲模型以及“注水”理論進行計算。計算結果表明，一般情況下，大約1.6 km的電力線信道容量超過250 m bit/s 但電力線分支的增多將會導致信道容量的降低，負載阻抗的減小、容性負載的增大也會導致信道容量的降低。2.2調(diào)制技術 目前，有多種高速數(shù)據(jù)通信技術可以用于電力線通信，如擴頻通信、多載波通信等。選擇何種調(diào)制技術2-3，需要綜合考慮抗干擾能力、帶寬利用率以及實現(xiàn)的復雜程度等多種因素。由于ofdm能夠有效消除多徑干擾、脈沖干擾，以及具有較高的帶寬利用率，因此在plc系統(tǒng)中得到廣泛應用，并且逐漸成為plc的標準調(diào)制技術。

22、ofdm通過把電力線分為許多窄帶子信道，使得各個子信道呈現(xiàn)相對線性和平坦特性，不僅消除了由于電力線的低通效應和傳遞函數(shù)的劇烈波動而引起的失真，而且無需復雜的信道均衡系統(tǒng)，實現(xiàn)比較簡單，成本也比較低廉。ofdm通過在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊之間插入一個大于信道脈沖響應時間的保護間隔，消除了由于多徑時延擴展引起的符號間干擾(isi) 。ofdm還可以根據(jù)信道情況，采用子載波功率和比特位優(yōu)化分配算法自動控制各個子載波的使用，有效避開噪聲干擾以及頻率選擇性對數(shù)據(jù)傳輸可靠性的影響，實現(xiàn)對信道的自適應性。通過軟件編程，ofdm可以有選擇地屏蔽某些子載波，實現(xiàn)對民用或軍用重要頻點的保護。ofdm的子載波優(yōu)化分配算法，主

23、要有huges- hartogs, piazzo, fischer-huber等提出的3種算法。2.3 mac層協(xié)議 按照osi的七層分類，plc產(chǎn)品屬于兩層網(wǎng)絡設備，即只有物理層和mac層。mac層 協(xié)議2主要用于plc系統(tǒng)不同服務之間、不同用戶之間信道分配和再分配的管理、協(xié)調(diào)和控制。在plc中應用的mac協(xié)議，必須能夠滿足提供不同服務的要求。plc網(wǎng)絡的mac層協(xié)議考慮的服務包括: (1)面向連接的服務，如電話和其他cbr(恒速傳輸業(yè)務); (2)無需qos保證的無連接服務; (3)專門的plc服務(控制、安全防衛(wèi)等);(4)需要qos保障的數(shù)據(jù)傳輸(如vbr,可變速率傳輸)。 在plc中

24、應用的信道復用機制主要有fdma ,tdma ,cdma ,tdma /cdma ,tdma /fdma。多路接入方案可按固定接入、動態(tài)接入、預留接入?yún)^(qū)分。動態(tài)接入?yún)f(xié)議包括:(l)aloha預先分配時間片;(2)cam/ca (載波偵聽腫突避免);(3)令牌傳遞(令牌環(huán)，令牌總線);(4)輪循。 采用的主要糾錯技術為fe c(前向糾錯)+arq(自動請求重發(fā))。第三章 我國低壓供電網(wǎng)數(shù)據(jù)通信技術的研究及應用3.1 基本情況國外在電力線載波通信技術方面的進展，特別是英國試驗的成功引起了國家電網(wǎng)公司的高度重視和科研單位的密切關注。國家電網(wǎng)公司先后8次立項，由中國電力科學研究院、國電通信中心等單位承

25、擔了電力線高速數(shù)據(jù)通信技術研究，研制了一系列的產(chǎn)品和系統(tǒng)，并在北京等地建立了一定規(guī)模的試驗小區(qū)，申報了20余項發(fā)明及實用的新型專利。此外，清華大學、西安交通大學、華北電力大學等對電力線信道模型、信道測試等方面也進行了探討，國家自然科學基金2003年、2004年還資助了多個電力線通信課題，進行電力線通信機理的研究。3.2機理研究及產(chǎn)品開發(fā) 由于我國低壓配電網(wǎng)的網(wǎng)絡結構、負荷特性、供電方式與國外有很大的不同，國外已有的理論研究成果和開發(fā)的系統(tǒng)不能完全適應我國的實際。我國科技工作者在中國低壓配電網(wǎng)高頻信號傳播特性、電力線高速數(shù)據(jù)通信機理、應用產(chǎn)品開發(fā)等方面進行了大量的研究工作10-13，主要包括以下

26、幾方面。 (1)通過大量的實際測試，獲取了我國低壓配電網(wǎng)的高頻衰減特性、噪聲分布特性、阻抗特性等實際數(shù)據(jù)，結合理論分析，得出了相應的高頻信號傳播模型，為產(chǎn)品設計及研究提供了第一手資料和理論基礎。 (2)深入研究了電力線高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的技術體制最佳使用頻段、信道容量預測及優(yōu)化、適宜的調(diào)制技術、信道編碼及糾錯、mac層協(xié)議、藕合方式、電磁輻射、組網(wǎng)優(yōu)化技術、信道測試技術、網(wǎng)絡管理技術、計費系統(tǒng)等 plc關鍵技術問題。 (3) 研制了速率為2200 m bit/s的系列化產(chǎn)品。 (4) 根據(jù)應用的實際提出了電感藕合和電容藕合相結合的藕合技術，擴展了應用范圍，增強了不同應用場合的適應性，極大地方便了

27、施工，加快了plc的應用步伐。 (5) 提出了信道優(yōu)化技術，研制了相應的產(chǎn)品，有效地改善了電力線高頻信號傳輸環(huán)境，提高了系統(tǒng)的傳輸速率穩(wěn)定性和可靠性。(6) 提出了實現(xiàn)全電力線接入的混合組網(wǎng)技術，改善了系統(tǒng)的整體性能，提高了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和有效性。 (7) 提出并應用了具有我國特色的多種寬帶接入模式和應用模式。 (8) 開展了plc相關應用的研究，開發(fā)了基于plc的寬帶抄表系統(tǒng)、智能家居系統(tǒng)、adsl、無線局域網(wǎng)、電話線與plc 相混合的應用系統(tǒng)等。 (9) 研究了plc的測試技術、實用化工程技術、性能測試方法、技術標準等。 (10) 開展了中壓plc的研究及試驗，包括在農(nóng)村電信服務方面

28、的應用研究。 (11) 開展了plc電磁兼容特性的研究和測試。參照國際和國家標準，制定了測試方法和測試大綱，分別在國家權威檢測實驗室和現(xiàn)場環(huán)境進行了電磁騷擾和電氣性能測試。對plc的網(wǎng)絡性能也進行了相應測試。3.3實際應用 中國電力科學研究院和遼寧電力公司擾陽供電公司于2001年在沈陽建立了中國第一個高速plc試驗網(wǎng)絡11-14。2001年，國電通信中心開始組織實施低壓配電網(wǎng)電力線寬帶接入技術的實驗及推廣應用，成為中國plc試驗和運營的核心推動者。國電通信中心成立了plc領導小組，下設plc推進辦公室，確立了推動電力線通信技術研究、試驗及推廣應用的模式和總體安排，引進了國內(nèi)外多家企業(yè)的產(chǎn)品在北

29、京進行實驗。在短短的3年多時間內(nèi)，國電通信中心組織研究開發(fā)單位產(chǎn)品試驗單位以及網(wǎng)絡運營單位進行了大量的實驗、電磁兼容特性測試、網(wǎng)絡性能測試和工程探索，提出并應用了具有中國特色的電力線通信技術應用模式，建立了世界上最大的電力線寬帶接入試驗運行網(wǎng)絡，為電力線寬帶接入技術在中國的商業(yè)化運行以及大規(guī)模推廣應用奠定了扎實的基礎。國電通信中心的大規(guī)模試驗也極大地推動了電力線寬帶接入技術的研究進程，縮短了國內(nèi)研究開發(fā)機構研究成果的產(chǎn)品化轉(zhuǎn)化過程，促進了plc技術的進步和發(fā)展。到2005年7月為止，由國電通信中心組織、中電飛華公司實施的北京電力線寬帶接入試驗網(wǎng)接入用戶超過30萬戶，開通用戶37 000余戶，接

30、通率超過11%，建立了北京城域數(shù)據(jù)網(wǎng)、電力線寬帶接入網(wǎng)絡管理中心和計費系統(tǒng)。3.4技術標準的進展 我國在電力線高速通信技術標準化方面的研究18，還處于起步階段。由于沒有現(xiàn)成的國際或國家標準，大部分廠家將中國強制認證的ccc標準作為產(chǎn)品標準。ccc認證涉及到電氣安全gb4943信息技術設備的安全(等同于iec 60950)，電磁兼容gb9254信息技術設備無線電騷擾限值和測量方法 (等同于c zspr22)，防雷yd /t993電信終端設備防雷技術要求和試驗方法?，F(xiàn)有的ccc標準，沒有對電源端子和電信網(wǎng)絡端口共用的情況進行專門的考慮，也沒有涉及傳輸性能、網(wǎng)絡性能等方而的規(guī)定，因此存在局限性。 由

31、于我國擁有目前全世界最大規(guī)模的電力線寬帶接入實驗網(wǎng)，實現(xiàn)電力線高速通信技術的標準化已經(jīng)十分迫切，國家電網(wǎng)公司充分認識到了這一點，已經(jīng)立項準備制定國家電網(wǎng)公司企業(yè)標準。3.5 基本評價通過6年多的努力，中國科技工作者針對我國配電網(wǎng)的實際，在信道特性、通信機理、組網(wǎng)技術、試驗網(wǎng)絡、產(chǎn)品設計方法、plc應用技術、工程技術、測試技術、plc支撐系統(tǒng)等方面取得了豐富的研究成果，許多工作屬于我國率先提出并得到推廣應用。但應當指出的是在芯片技術、系統(tǒng)設計技術基礎理論等方面，歐美處于領先位置，我國還有待努力。 大量的試驗證明，目前國內(nèi)使用的主流plc寬帶接入系統(tǒng)(第2代產(chǎn)品)，在傳輸速率、數(shù)據(jù)吞吐量、丟包率、

32、響應速度、接入穩(wěn)定性等方面，已經(jīng)能夠滿足用戶對internet高速接入的要求。雖然用電高峰時的數(shù)據(jù)吞吐量會有所下降，但下降幅度普遍能夠控制在許可范圍內(nèi)，目_能滿足用戶基本的帶寬要求，用戶滿意度是比較高的。個別質(zhì)量較差的照明設備以及某些具有開關電源的設備，可能會產(chǎn)生較強的高頻干擾，影響plc系統(tǒng)的正常使用，此時需要使用可抑制高頻噪聲的信道優(yōu)化裝置或阻波器。經(jīng)實際環(huán)境測試，并未發(fā)現(xiàn)plc對電氣設備、電表及抄表系統(tǒng)的精度、短波收音機環(huán)境等有實質(zhì)性影響，試驗室測試的plc產(chǎn)品及系統(tǒng)的電磁騷擾、網(wǎng)絡性能、電氣性能等也能夠滿足現(xiàn)有可參照的國家標準的要求，因此可以說，plc已經(jīng)具備了大規(guī)模推廣應用的條件。對

33、于未來用戶需求的實時性更強的業(yè)務(如voip)，則目前的plc系統(tǒng)需要完善，同時plc寬帶接入系統(tǒng)也會逐漸從目前的第2代過渡到具有完整qos保障機制、強大網(wǎng)絡管理的第3代產(chǎn)品。3.6存在的問題及進一步的工作 目前電力線通信技術存在的問題有: (1)缺乏必要的技術規(guī)范和相關法律、法規(guī); (2)設備級的管理功能有待加強;(3) plc系統(tǒng)的qos保障機制、帶寬管理機制、安全性能有待完善; (4)中壓線路的高頻信道特性及通信機理研究還不充分; (5)設備及系統(tǒng)測試和評估技術還需完善; (6)芯片技術有待突破。下一步的研究工作包括: (1）研制具有信道性能、設備性能、網(wǎng)絡性能監(jiān)控功能的基于snm p的

34、plc終端設備; (2)研制具有完善qos保障機制和帶寬分配機制的plc系統(tǒng); (3)研究適合中壓plc的最佳頻段和最佳調(diào)制技術、mac層協(xié)議、信道編碼、組網(wǎng)方法、網(wǎng)絡管理以及安全機制、電磁輻射特性、寬帶藕合 技術以及遠距離中繼技術; (4)制定符合我國實際條件的電力線高速數(shù)據(jù)通信技術規(guī)范; (5)研究開發(fā)具有我國自主知識產(chǎn)權的專用電力線高速數(shù)據(jù)通信芯片。第三章 供電網(wǎng)通訊系統(tǒng)模型3. 1噪聲和干擾低壓電力線網(wǎng)絡中，各式各樣的家用電器和辦公設備產(chǎn)生的噪聲和干擾嚴重污染著電力線通信環(huán)境。v fines et al.定義了4種電力線噪聲:硅控整流器及一些電源產(chǎn)生的工頻噪聲，它會造成整數(shù)倍工頻上的頻

35、譜突變;平滑頻譜噪聲，其頻譜很平坦，可以看作有限帶寬的白噪聲，家電中的小電機是產(chǎn)生這類噪音的根源;單脈沖干擾，通常由開關切換、閃電、溫度調(diào)節(jié)器或電容充放電引起;非同步周期噪聲，如電視的行掃描頻率對電網(wǎng)的干擾。對于低壓電力線通訊系統(tǒng)而言，可以采用以下幾種辦法克服噪聲和干擾:(1)在接收端增加一個sin x / x形式的濾波器，在整數(shù)倍工頻上的增益是零，從而克服上述類噪聲干擾;(2)設計前向糾錯方案，克服上述類干擾;(3)應該避免使用電視的掃描頻率進行信號調(diào)制。在市場上所有的已經(jīng)實現(xiàn)的電力線通訊系統(tǒng)中，都采用了上述的一種或多種措施。3.2信道阻抗 電力線網(wǎng)絡是一個廣泛存在的網(wǎng)絡，變電站的二次變壓裝

36、置和用戶負載同時并聯(lián)在電力網(wǎng)絡中，信道阻抗隨著時間和用戶負載的不同而波動。實現(xiàn)阻抗匹配是很重要的，因為當發(fā)射機、信道和接收機的阻抗匹配時，接收端得到的有用信號能量最大。低壓電力線網(wǎng)絡總阻抗主要由三部分組成2 : (1)變電站的變壓器產(chǎn)生的阻抗，它隨著頻率的增高而增大; (2)導線的特性阻抗，導線可以看作電阻和電感的串聯(lián)，不同導線的特性阻抗相差70100 ;(3)接在電力線上的設備阻抗，一般相差101000。3.3信號衰減 對于低壓電力線通信來說，信號衰減十分嚴重，可以達到100db/ km。信號衰減有以下特點:(1)時間不同，衰減幅度也不同;(2)信號頻率不同，衰減幅度也不同;(3)距離不同，

37、衰減幅度也不同。圖3.1為某時刻電力線上的信號衰減幅度隨頻率變化的曲線。圖3.1 電力線上的信號衰減幅度隨頻率變化曲線3.4多徑干擾多徑效應(multi path)是電力線通信存在的干擾之一，產(chǎn)生原因如圖3.2所示。如在圖3.3所示的電力線通信結構模型中，1與2之間有1-4-2,1-5-6-2兩條通路。由于信號通過的這些通路所用的時間不同，延遲信號在接收機端與原始信號疊加產(chǎn)生干擾，即多徑干擾。圖3.2 多徑效應 (multi path) 產(chǎn)生原理圖3.5電力線通訊系統(tǒng)模型 電力線通信可以用圖3所示的模型來描述。a,b,c分別為電力線的三相，n為中線。圖中1,7為a相上的信號發(fā)射機(接收機)，2

38、, 8為b相上的信號發(fā)射機(接收機)，3, 9為c相上的信號發(fā)射機(接收機)。4為a相和b相的轉(zhuǎn)換設備，通過它可以實現(xiàn)a,b相的 跨相通信，相當于計算機網(wǎng)絡中網(wǎng)橋的作用。5,6分別是a,c相和b,c相的轉(zhuǎn)換設備。同相之間的設備通信可以直接進行，而跨相的設備必須通過轉(zhuǎn)換器才能實現(xiàn)通信。如1,7之間可直接通信，而1,2之間的通信則需通過4實現(xiàn)。3.5.1 電力線通訊系統(tǒng)及解決方案當前，市場上有幾種電力線通訊系統(tǒng)解決方案可以采用。用戶可以根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸速率和誤碼率的要求選用最合適的方案。圖3.3 電力線通訊系統(tǒng)結構模型3.5.2模擬系統(tǒng) 最早的電力線通訊系統(tǒng)是模擬的單載波通訊系統(tǒng)。模擬系統(tǒng)傳送的信號是

39、一個模擬的波形，它要求接收機能夠高保真地重現(xiàn)波形信號。模擬系統(tǒng)通過信道的信號頻譜比較窄，信道的利用率高，但是其抗干擾能力差，不易于大規(guī)模集成化。westinghouse系統(tǒng)5是通過電力線傳遞聲音信號的，利用單載波調(diào)幅方法，以10或20 w的功率在電力線上以8 136 khz之間的某個頻率傳遞信號。這個系統(tǒng)最初用在農(nóng)村電話上，可以不使用中繼器而覆蓋幾百公里的范圍。3.5.3數(shù)字系統(tǒng)(ask,fsk,psk) 隨著數(shù)字通信技術的完善和發(fā)展，出現(xiàn)了窄帶ask,fsk和psk電力線通訊系統(tǒng)。數(shù)字系統(tǒng)傳遞的信號離散的脈沖，接收端要求正確判斷發(fā)送的是那一種離散狀態(tài)，只要脈沖波形的失真不足以引起錯誤判決就不

40、會影響通信質(zhì)量。數(shù)字通信抗干擾能力強，可以通過差錯編碼提高可靠性，易于繼承化。其缺點是比模擬通信占帶寬。 national semiconductor的icss 10011003系列芯片采用一種自適應fsk方案，其特點是根據(jù)噪聲和干擾的變化，在4組頻率中選擇最佳的1組頻率進行通信，除此之外該系統(tǒng)采用自動增益控制方案，根據(jù)干擾和信號的強弱，自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的增益。3.5.4擴頻通信 擴頻通信是目前應用廣泛的通信技術，它能夠很好的克服電力線上的噪聲和干擾，擴頻通信用偽隨機碼把基帶信號(信息數(shù)據(jù)窄帶信號)的頻譜進行擴展，形成相當帶寬的低功率譜密度信號發(fā)射。接收端使用相關處理方法，把要接收的寬帶擴頻信號恢

41、復成基帶信號。這些特征使擴頻通信信號不易受干擾，也不容易干擾他人。 擴頻通信技術的理論基礎是香農(nóng)建立的關于通訊系統(tǒng)效率的理論。即:對加性高斯白噪聲信道來說，如果系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率小于或等于信道容量c時，就有可能存在在信道內(nèi)進行無差錯的數(shù)據(jù)通信的編碼方案。信道容量定義如下:式中，c為信道容量，bit/ s; b為帶寬，hz; n為噪聲功率，w;s為信號功率，w。上式說明了在功率譜平坦的高斯噪聲信道內(nèi)，信道無誤傳輸信息的能力(即信道容量)與信道的信噪比和傳輸信息的帶寬之間的關系?？梢钥闯觯诒３忠欢ǖ腸值時，可通過增加帶寬來相應地降低對信噪比的要求。利用擴頻技術傳送數(shù)據(jù)，可以在信噪比很低的情況下進行無差

42、錯數(shù)據(jù)通信。擴頻通訊系統(tǒng)的基本工作方式有:(1)直接序列擴頻(direct sequence spread spectrum)工作方式;(2)跳變頻率(frequency hopping)工作方式;(3) 跳變 時間(time hopping)工作方式;(4)寬帶線性調(diào)頻(chirp m adulation)工作方式。 lehman提出的一種直接序列擴頻通訊系統(tǒng)，可以實現(xiàn)2. 4 kbit / s甚至9.6 kbit / s的速率，在能夠使用10 450 khz通信頻帶的北美和日本，通信速率可以達到19.2 kbit / s，通信距離達到4 km。 schaap描述的robcom系統(tǒng)使用跳頻擴

43、展頻譜方法，利用20 95 khz的頻段、psk調(diào)制方式，可以達到1 kbit /s的速率。這個系統(tǒng)使用45 bit 的crc校驗，使誤碼率低于10-12。該系統(tǒng)還擁有高級自動網(wǎng)絡功能。圖3.4 線性調(diào)頻信號 intellon公司的ssc p200/p300網(wǎng)絡接口控制器應用線性調(diào)頻技術(ssctm)，實現(xiàn)擴頻通信8。線性調(diào)頻信號是指瞬時頻率隨時間成線性變化的信號，如圖4所示。ssc p200/p300采用線性調(diào)頻技術進行通信，使用100400 khz的線性調(diào)頻信號作為通信載體，將在100 us內(nèi)頻率從200 khz線性增加到400 khz，然后從100 khz線性增加到200 khz的chi

44、rp信號作為信號傳遞的基本單位(ust) 。ssc p200/ p300使用ask方式發(fā)送同步碼，psk方式發(fā)送通信內(nèi)容，有16bit的循環(huán)校驗碼。傳輸速率可以達到10 kbit /s。 adaptive network公司生產(chǎn)的an48,an192等產(chǎn)品使用自適應同步的直接序列擴頻方式。這種技術能夠很快地實現(xiàn)同步碼的捕捉。對于一個快速的、實用的可靠的電力線通訊系統(tǒng)來說，快速同步是必須的。an48/192將數(shù)據(jù)分割成很小的幀進行傳遞，能夠快速捕捉同步碼和數(shù)據(jù)，接收端能自動均衡接收到的信號。傳輸速率為4. 8 kbit/s(an48)、19. 2 kbit/ s( a n 192)。3.5.5其

45、他方法 其他的通信方法包括雙音頻調(diào)制法(dtmf)、雙向工頻通信技術(t wacs)、正交頻分多路(ofdm)調(diào)制技術等。3.6各種通訊系統(tǒng)的比較電力線通信方法性能的比較如表1所示。表1 電力線通信方法比較 第四章 數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)的實現(xiàn)4.1 基于濾波器組的多載波傳輸系統(tǒng)ofdm技術把需要傳輸?shù)母咚贁?shù)據(jù)流分解成多個低速的子數(shù)據(jù)流，并目_用這些子數(shù)據(jù)流調(diào)制多個正交的子載波，這些調(diào)制子信號經(jīng)過合成后才在共用通道上進行傳輸。為了便于應用，整個過程一般是通過數(shù)字信號處理技術來實現(xiàn)的，各子載波可用離散時間的正交函數(shù)集來表示，并目_是在一個時間窗(等于碼元周期)內(nèi)實現(xiàn)正交，這實質(zhì)上是一個多速率濾波器組問題。

46、4.1.1 傳統(tǒng)ofdm的濾波器組表示方式一個未考慮保護間隙的傳統(tǒng)ofdm系統(tǒng)的基本結構如圖4.1所示。圖4.1ofdm通訊系統(tǒng)的基本結構在發(fā)送端，ofdm在一個碼元周期內(nèi)的輸出信號y(n)可表示為:(1)式中:n= 0, 1，.，n- 1 。由圖1和式(1)可看出，在一個碼元周期內(nèi)，輸出y(n)少有n個采樣點，而各個子載波上的輸入xi(n)均為1個采樣點則連續(xù)多個ofdm信號可表示為: (2)式中: 。式(2)中的被求和項可表示為:（3）其他式(3)等號右邊實際上可看成是子載波(或子通道)上的輸入xi(kn+ n)先經(jīng)過系數(shù)為n的增采樣(upsampling)，再與長度為n的濾波器進行卷積5

47、。這里，濾波器的沖激響應函數(shù)為 ( n =0，1，n-1)，i 對應于不同的子載波。 同樣地，在接收端對接收信號:r(n的fft也可看成是:r(n先分別與對應于不同子通道的長度為n的濾波器進行卷積，再進行系數(shù)為n的減采樣( down sampling)。這里，濾波器的沖激響應函數(shù)為：。因此，圖4.1所示的ofdm系統(tǒng)可用如圖4.2所示的濾波器組的形式表示。圖4.2基于濾波器組的ofdm系統(tǒng)結構若先不考慮實際低壓電力線信道的影響，圖2中各子通道的正交性可由下式得以實現(xiàn):式(4)中，項的出現(xiàn)是考慮了濾波器長度限制的結果，即從式 (4）可看出，在理想情況下，不同子通道之間是完全正交的。對于傳統(tǒng)的of

48、dm多載波調(diào)制方案，圖2中的濾波器是由離散的余弦函數(shù)組成。不失一般性，它可表示為6:（5）式中: 為歸一化系數(shù)。4.1.2基于小波濾波器組的多載波傳輸系統(tǒng)根據(jù)小波變換的多分辨率分析和濾波器組理論，尺度函數(shù)和小波均可看成是濾波函數(shù)3。基于正交小波基的多路正交復用系統(tǒng)各子通道的等效濾波器，可由一對基本的正交鏡像濾波器(qmf)計算得到4，7，其中，低通濾波器對應尺度函數(shù)，高通濾波器對應所選定的小波。因此，在多載波系統(tǒng)的發(fā)送端，各子載波信號的合成相當于小波的重構;在接收端，對各子載波信號的提取相當于小波的分解。一個具有n-1階層的快速二進小波-mallat小波重構算法，如圖4.3所示。圖4.3 ma

49、llat小波重構算法g (n)和/r(n)分別對應于具有完全重構性質(zhì)的qmf組的低通和高通濾波器的離散沖激響應; ，其中i.為濾波器長度。經(jīng)過多速率轉(zhuǎn)換和濾波器的級聯(lián)運算，圖3可以等效為一個n通道的濾波器組，如圖4.4所示 圖4.4 n通道重構濾波器組 圖4.4中，前n-1個通道( 0,1，.，n-2分別對應圖3中不同階層的高通濾波器的分支，而最后一個通道n-1對應第n- 1階層的低通濾波器分支，它與通道n- 2處于同一階層。這樣，各通道的采樣系數(shù)ni和等效濾波器hi(n)可表示如下:（6）（7）式中:ii表示多個濾波器的級聯(lián)卷積運算。g(n)和h(n)的長度l與所選定的離散小波函數(shù)基有關，各

50、通道的濾波器長度li可表示為8 。（8）因此，用正交小波濾波器組表示的多載波傳輸系統(tǒng)與圖2所示的結構相似，不同之處是，要用式(6)所示的各子通道的增采樣系數(shù)(或減采樣系數(shù))和式(7)所示的通道濾波器組代替圖2中的相應項。此時，各子通道的正交性可表示為:（9）式(9)中的求和區(qū)間是由濾波器的長度決定的。4.2多徑信道下的多載波系統(tǒng)性能分析前面所述的傳統(tǒng)ofdm和基于小波的正交多載波傳輸系統(tǒng)，在理想信道上均可實現(xiàn)各子通道的完全正交，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)在各子通道上無相互干擾的并行傳輸。但是，實際低壓電力線信道并非理想信道，它所具有的多徑效應必然會影響各子通道的正交性，造成ici和isi。 低壓電力線通道模

51、型可表示為一個多徑模型。文獻 10在此基礎上根據(jù)實際測量結果歸納出了一個更簡化的時域模型，在離散時間下，低壓電力線的通道沖激響應hch(n)可表示為:（10）式中:t為正整數(shù)，表示通道的超量延遲(excessdelay)，標準化為傳輸通道上信號采樣周期的倍數(shù)。 根據(jù)圖4.2和式(6)表示的速率變換系數(shù)，基于濾波器組的多載波系統(tǒng)發(fā)送端所送出的信號y(n)為:（11）由式(10)和式(11)可得到接收端接收到的信號r(n)為:（12） 因此，利用式(9)和式(12)可將接收端的子通道的輸出表示為:（13）式(13)最后一個等式右邊包括3項，第1項為所需信號，第2項和第3項均為干擾信號，分別對應于i

52、si和ici。不失一般性，假定不同子通道的數(shù)據(jù)獨立不相關，同一通道不同時刻的數(shù)據(jù)也不相關，即有:（14）因此，根據(jù)式(13)所示的isi和ici項，可以得到如下衡量isi和ici功率大小的表達式:（15）式(15)中，k和m的實際取值范圍可根據(jù)濾波器的長度選定，對基于小波濾波器組的多載波傳輸系統(tǒng)，其各子通道的濾波器長度由式(8)決定，而傳統(tǒng)ofdm系統(tǒng)的濾波器長度均與子通道數(shù)相同。4.3 系統(tǒng)結果根據(jù)某實際低壓電力線上的測量結果，式(10)所示二徑通道模型中的超量延遲約1，假設需要在通道上傳輸2 mhz帶寬的信號，最低采樣率為4 mhz，則標么化的超量延遲為。在此通道上，根據(jù)式(15)進行數(shù)字

53、仿真，得到兩種多載波傳輸系統(tǒng)每個子通道isi和ici的功率值。傳統(tǒng)ofdm的濾波器組的離散沖激函數(shù)由式(5)得到，而基于正交小波基的ofdm濾波器組則由式(7)得到，其中基本低通濾波器(g(n)和高通濾波器(h(n)由所選定的小波決定，這里考慮了haar小波和daubenchies 小波族的2階、3階、4階、5階小波。 考慮到isi和ici對于系統(tǒng)有用信號來說都是不需要的干擾量，兩者本質(zhì)上并無任何區(qū)別，因此，可以綜合考慮它們對信號傳輸性能的影響。圖4.5給出了傳統(tǒng)ofdm和基于小波ofdm在不同子載波或通道數(shù)下，所有子通道平均isi和ici標準功率累加的比較?？梢钥闯?，基于小波ofdm的綜合干擾明