市場(chǎng)需求響應(yīng)-寬帶載波技術(shù)及應(yīng)用淺析1029

第寬帶載波電力線通信技術(shù)及應(yīng)用淺析研發(fā)中心--李勇電力線載波通訊PLC（PowerLineCommunication），是一種通過(guò)電線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ偶夹g(shù)。寬帶電力線通信BPL(BroadbandoverPowerLine)，是指帶寬限定在2～30MHz之間、通信速率通常在1Mbps以上的電力線載波通信。寬帶電力線通信技術(shù)和窄帶電力線通信技術(shù)均是是利用現(xiàn)有電網(wǎng)作為信號(hào)的傳遞介質(zhì)，使電網(wǎng)在傳輸電力的同時(shí)可以進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。圖1：電力線載波帶寬分布一、寬帶載波的技術(shù)信息采用擴(kuò)頻通信(SSC)技術(shù)的PLC通常稱為窄帶PLC。但在用電設(shè)備類型日益豐富，電路中開關(guān)電源和無(wú)功補(bǔ)償裝置等電容性負(fù)載日益增多的環(huán)境下，信號(hào)吸收和突發(fā)干擾大大降低了窄帶載波通信系統(tǒng)的適應(yīng)性和可靠性。為克服電力線通信線路噪聲顯著且信號(hào)衰減嚴(yán)重問題，滿足日益增長(zhǎng)的信息傳輸要求，\o"寬帶載波新聞專題"寬帶載波技術(shù)采用了擴(kuò)頻、OFDM(正交頻分復(fù)用)等調(diào)制技術(shù)，不但使頻帶利用率進(jìn)一步提高，而且還能消除子信道之間的干擾，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速可靠通信。1、相比窄帶載波SSC技術(shù)，寬帶載波OFDM技術(shù)具有以下的優(yōu)點(diǎn)：（1）抗衰減能力強(qiáng)。OFDM通過(guò)多個(gè)子載波傳輸用戶信息，對(duì)脈沖噪聲(ImpulseNoise)和信道快衰落的抵抗力很強(qiáng)。同時(shí)，通過(guò)子載波的聯(lián)合編碼，OFDM實(shí)現(xiàn)了子信道間的頻率分集作用，也增強(qiáng)了對(duì)脈沖噪聲和信道快衰落的抵抗力。（2）頻率利用率高。OFDM允許重疊的正交子載波作為子信道，而不是傳統(tǒng)上利用保護(hù)頻帶分離子信道的方式，因此提高了頻率利用效率。圖2：OFDM系統(tǒng)頻譜圖（3）適合高速數(shù)據(jù)傳輸。OFDM的自適應(yīng)調(diào)制機(jī)制，使不同的子載波可以根據(jù)信道情況和噪音背景的情況選擇不同的調(diào)制方式。當(dāng)信道條件好的時(shí)候，子載波采用效率高的調(diào)制方式。當(dāng)信道條件差的時(shí)候，子載波采用抗干擾能力強(qiáng)的調(diào)制方式。而且，OFDM加載算法技術(shù)，使系統(tǒng)可以把更多的數(shù)據(jù)集中放在條件好的信道上，以高速率的方式進(jìn)行傳送。（4）抗碼間干擾(ISI)能力強(qiáng)。碼間干擾是數(shù)字通信系統(tǒng)中除噪聲干擾之外最主要的干擾，它與加性的噪聲干擾不同，是一種乘性的干擾。造成碼間干擾的原因有很多。實(shí)際上，只要傳輸信道的頻帶是有限的，就會(huì)造成一定的碼間干擾。由于OFDM采用了循環(huán)前綴，因此，對(duì)抗碼間干擾的能力很強(qiáng)。2、OFDM技術(shù)亦有以下不足：

（1）對(duì)頻偏和相位噪聲比較敏感。OFDM技術(shù)利用各個(gè)子載波之間嚴(yán)格的正交性來(lái)區(qū)分各個(gè)子信道。頻偏和相位噪聲會(huì)使各個(gè)子載波之間的正交特性惡化，僅僅1%的頻偏就會(huì)使信噪比下降30dB。因此，OFDM系統(tǒng)對(duì)頻偏和相位噪聲比較敏感。（2）峰均功率比(PAPR)大，導(dǎo)致射頻放大器的功率效率降低。與單載波系統(tǒng)相比，由于OFDM信號(hào)是由多個(gè)獨(dú)立的、經(jīng)過(guò)調(diào)制的子載波信號(hào)相加而成的，這樣的合成信號(hào)就有可能產(chǎn)生比較大的峰值功率，也就會(huì)帶來(lái)較大的峰均功率比。（3）負(fù)載算法和自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)會(huì)增加系統(tǒng)復(fù)雜度。負(fù)載算法和自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)的使用會(huì)增加發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的復(fù)雜度。3、寬帶載波技術(shù)性能指標(biāo)中心頻率2MHz-12MHz，可選擇工作頻率2.5~5.7MHz，8~11.2MHz采用OFDM調(diào)制方式,子載波支持BPSK，QPSK，8QAM，16QAM，64QAM調(diào)制子載波自適應(yīng)調(diào)制支持FEC和CRC功能，強(qiáng)大的去噪和糾錯(cuò)能力針對(duì)復(fù)雜電力信道設(shè)計(jì)的高魯棒性幀結(jié)構(gòu)4、寬帶載波抄表性能指標(biāo)模塊節(jié)點(diǎn)掉線時(shí)間<3min點(diǎn)抄時(shí)間（一個(gè)量）<1s輪抄時(shí)間（300塊表、一個(gè)量）<1min對(duì)客戶端事件的響應(yīng)時(shí)間<5min通訊距離大于500-1000m寬帶電力載波技術(shù)滿足國(guó)網(wǎng)、南網(wǎng)的技術(shù)規(guī)范；滿足全費(fèi)控、防竊電等關(guān)鍵功能的實(shí)現(xiàn)；能提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)滿足大客戶用電管理的需求。5、寬帶載波芯片目前市場(chǎng)上的2-12M的寬帶載波模塊，所用芯片是中電華瑞技術(shù)有限公司和華為海思共同研發(fā)的專門針對(duì)國(guó)內(nèi)電力環(huán)境定制的一款芯片，避免了從國(guó)外高速電力線載波芯片改造而來(lái)造成水土不服的芯片使用問題。2-12M寬帶載波芯片在和電能表接口和集中器接口上與窄帶載波沒有任何差別，完全兼容。特別是國(guó)網(wǎng)推出2013標(biāo)準(zhǔn)，在本地通信接口實(shí)現(xiàn)互換性后，寬帶模塊完全可以和符合國(guó)網(wǎng)13標(biāo)準(zhǔn)的集中器無(wú)縫銜接。相較窄帶載波而言，寬帶載波在實(shí)時(shí)性、通信速率、動(dòng)態(tài)組網(wǎng)上有明顯優(yōu)勢(shì)。（1）芯片關(guān)鍵指標(biāo)物理層速率100Kbit/s～16Mbit/s應(yīng)用層速率30Kbit/s～4Mbit/s芯片工作功耗<600mW，待機(jī)功耗<100mW表側(cè)通信模塊工作功耗<1.2W，待機(jī)功耗<250mW（2）物理層特性工作頻率范圍200KHz～12.5MHz，帶寬2MHz，并支持頻率擴(kuò)展采用OFDM技術(shù)，子載波支持BPSK、QPSK、8QAM、16QAM、64QAM調(diào)制子載波自適應(yīng)調(diào)制支持FEC和CRC功能，強(qiáng)大的去噪和糾錯(cuò)能力針對(duì)復(fù)雜電力信道設(shè)計(jì)的高魯棒性幀結(jié)構(gòu)可在240VAC,120VAC,24VAC或直流電力線上穩(wěn)定工作，最大傳輸距離大于1K（3）MAC特性支持TDMA和CSMA/CA，提供沖突避免機(jī)制支持?jǐn)?shù)據(jù)分段和重組，提高傳輸效率支持?jǐn)?shù)據(jù)重傳機(jī)制支持AES/3DES/DES數(shù)據(jù)加解密支持4級(jí)QoS，滿足不同業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量需求（4）組網(wǎng)特性支持自動(dòng)快速組網(wǎng)支持終端個(gè)數(shù)1000個(gè)支持自動(dòng)中繼，最大可支持15級(jí)中繼支持動(dòng)態(tài)路由，多路徑尋址支持靜態(tài)路由（5）網(wǎng)絡(luò)共存支持ITUG.9972ISP協(xié)議，與家庭互聯(lián)設(shè)備共存支持集中器級(jí)聯(lián)，支持跨臺(tái)變識(shí)別、避免串?dāng)_（6）CPU高性能的ARM處理器，工作頻率266MHz內(nèi)嵌I-Cache8KB、D-Cache8KB、ITCM（4KB）（7）存儲(chǔ)接口內(nèi)嵌SDRAM存儲(chǔ)器，最大支持16MB支持SPI外接存儲(chǔ)器(8)外圍接口1個(gè)MII接口，支持10/100Mbit/s網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展（Hi3911C支持）1個(gè)SPIMaster/Slave接口（Hi3911C支持）4個(gè)UART接口32個(gè)GPIO接口1個(gè)I2C接口(9)封裝Hi3911T：QFN649mm×9mm0.5mm封裝Hi3911C：Epad-LQFP12814mm×14mm0.4mm封裝工作溫度：-40℃～+85℃工作電壓：IO3.3V、Core1.2V二、寬帶載波的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)方案1、寬帶載波集抄系統(tǒng)構(gòu)成寬帶電力集抄系統(tǒng)由三部分組成：A主站軟件（應(yīng)用服務(wù)），B集中器終端，C采集器終端，系統(tǒng)組成簡(jiǎn)介方便，無(wú)需改動(dòng)窄帶電力集抄系統(tǒng)原有網(wǎng)絡(luò)線路，如下框圖：圖3：系統(tǒng)構(gòu)成框圖2、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：居民電表通過(guò)RS485與采集器相連，采集器通過(guò)電力寬帶載波與交換機(jī)或抄表集中器相連，實(shí)現(xiàn)抄表數(shù)據(jù)本地上傳。如下圖所示圖4：系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖所需產(chǎn)品：集中器寬帶載波模塊、采集器寬帶載波模塊寬帶載波電力線通信技術(shù)可直接利用電力線，無(wú)須重新布線，組網(wǎng)簡(jiǎn)單快捷、成本較低廉，應(yīng)用范圍廣，同時(shí)保障信息安全。三、寬帶載波在技術(shù)應(yīng)用上的優(yōu)缺點(diǎn)；1、OFDM技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：有效克服碼間干擾，抗干擾能力強(qiáng)頻帶利用率高系統(tǒng)的均衡簡(jiǎn)單2、電力線寬帶載波通信方式優(yōu)勢(shì)：(1)寬帶載波基于已經(jīng)過(guò)廣泛驗(yàn)證的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有完善的鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)保護(hù)與驗(yàn)證，遠(yuǎn)非各種輕量級(jí)的結(jié)點(diǎn)組織和中繼算法可比。(2)寬帶載波通信速率高，可以在極短的時(shí)間內(nèi)完成數(shù)據(jù)傳輸，可大大降低遭受突發(fā)干擾的影響，即使一次通信失敗，也可迅速進(jìn)行重發(fā)，確保數(shù)據(jù)可靠。(3)寬帶載波芯片大都基于高性能32位核心和DSP技術(shù)制造，在技術(shù)等級(jí)和性能上都具有優(yōu)勢(shì)。(4)除了應(yīng)用層的數(shù)據(jù)加密，寬帶載波在鏈路層支持DES、3DES、AES等高強(qiáng)度加密算法，數(shù)據(jù)通信安全性高。(5)即使是在窄帶載波較有優(yōu)勢(shì)的通信距離上，寬帶載波通過(guò)OFDM等高性能調(diào)制方式，以及完善的中繼組網(wǎng)機(jī)制，完全可以滿足當(dāng)前大部分臺(tái)區(qū)的應(yīng)用需求。(6)寬帶載波通信性能高、速率快、擴(kuò)展能力強(qiáng)，可加載多種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，但其成本相對(duì)于窄帶載波并未增加多少，因此具有性價(jià)比優(yōu)勢(shì)。3、寬帶載波對(duì)比窄帶載波優(yōu)點(diǎn)：窄帶和寬帶電力線載波方式，在應(yīng)用實(shí)施方式上有很多類似的地方，如借助電力線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通信節(jié)點(diǎn)間免布線或少布線，但在通信機(jī)制、通信協(xié)議、載波和調(diào)制方式等方面具有巨大的差別。(1)高速數(shù)據(jù)傳輸，寬帶載波通信速率高達(dá)2Mbps遠(yuǎn)高于窄帶載波的幾十K或幾百Kbps。(2)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制通斷電功能，窄帶由于中心頻率較低難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)抄通。寬帶避免了斷電之后難以送電現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)抄表通斷電功能。(3)寬帶載波中心頻率為2-12MHz，遠(yuǎn)高于窄帶東軟（270KHz）、曉程（120KHz）窄帶頻率。正由于中心頻率的增加，從而增加應(yīng)用層的存儲(chǔ)空間，從而達(dá)到同時(shí)向電力線并發(fā)多個(gè)載波數(shù)據(jù)幀的效果。寬帶載波可以在同一時(shí)間內(nèi)下發(fā)5-10條抄表命令，每塊表應(yīng)答時(shí)間為200-500毫秒。窄帶載波每抄一塊表及應(yīng)答時(shí)間約為10-15秒。（4）多個(gè)數(shù)據(jù)量的抄讀，正由于寬帶載波抄讀數(shù)據(jù)快（300塊表、一個(gè)量<1min），窄帶載波（300塊表、一個(gè)量約3-4個(gè)小時(shí)，線路好的情況下）。寬帶載波可用剩余時(shí)間抄收其它電表數(shù)據(jù)量，從而解決如偷竊電等客觀問題。（5）寬帶載波通信速率高，可以在極端的時(shí)間內(nèi)完成數(shù)據(jù)傳輸，可大大降低遭受突發(fā)干擾的影響，即使一次通信失敗，也可迅速進(jìn)行重發(fā)，確保數(shù)據(jù)可靠，現(xiàn)場(chǎng)抄表率大幅提高。4、寬帶載波對(duì)比塑料光纖的優(yōu)缺點(diǎn)：寬帶電力線載波對(duì)比塑料光纖通信方式，同樣具有傳輸帶寬高，傳輸速率快等特點(diǎn)。但在通信機(jī)制、一次性抄表成功率、抗干擾能力、施工安裝布線等有著巨大的差異：通信速率傳輸距離抗擾能力一次性成功率可靠性施工方式投資成本運(yùn)維成本寬帶載波2MHz-12MHz1-2KM強(qiáng)90%中無(wú)線布線中中塑料光纖100M100-300M不受影響99.99%高需要布線高低通信技術(shù)優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比從上表的對(duì)比中我們可以得出，寬帶載波在傳輸距離方面有著巨大的優(yōu)勢(shì)，也因無(wú)需施工布線的特性使得現(xiàn)場(chǎng)安裝更加容易，且初期投資成本相對(duì)比較低。同時(shí)寬帶載波在通信速率和抗干擾能力方面得到了很大的提升。因?yàn)樗芰瞎饫w通信技術(shù)傳輸速率高、抗干擾能力強(qiáng)、安全可靠性高等特性，從而保證了較高一次抄表成功率。5、寬帶載波缺點(diǎn)尚