低壓電力線載波通信技術(shù)綜述

低壓電力線載波通信技術(shù)綜述

1低壓電力線載波通信技術(shù)概述低壓電氣線壓波通信是指將現(xiàn)有的低壓電氣網(wǎng)作為傳輸手段，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和信息交換的技術(shù)。其誘人之處在于它利用已有的低壓配電網(wǎng)作為信息傳輸?shù)妮d體,從而避免了新的通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和投資。同時(shí),隨著信息技術(shù)(InformationTechnology)的不斷發(fā)展,美、德、法等國家已提出家庭插座(HomePlug)計(jì)劃,旨在推動(dòng)以電力線為傳輸媒介的數(shù)字化家庭(DigitalHome)?？梢灶A(yù)見,低壓電力線載波通信技術(shù)必將成為新的研究熱點(diǎn),它已經(jīng)引起了世界各國的廣泛關(guān)注。然而,由于低壓配電網(wǎng)自身固有的特點(diǎn),要在其上實(shí)現(xiàn)可靠、安全的數(shù)據(jù)傳輸是相當(dāng)困難的。世界各國已就其進(jìn)行了大量的研究,如:傳統(tǒng)的頻帶傳輸技術(shù),擴(kuò)頻通信(SSC:SpreadSpectrumCommunication)技術(shù)和最近試驗(yàn)的多載波正交頻分多址(OFDM:OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)技術(shù)。大量的研究結(jié)果表明,隨著通信方案的不斷改進(jìn)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的不斷發(fā)展,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在低壓電力線上的優(yōu)質(zhì)傳輸是可能的。本文在分析了低壓電力線載波通信特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,綜述了低壓電力線載波通信技術(shù)的發(fā)展研究狀況,從理論上闡述了擴(kuò)頻通信(SSC)技術(shù)、多載波正交頻分多址(OFDM)技術(shù)和傳統(tǒng)的低壓載波通信技術(shù)的原理。同時(shí),綜述了X-10、LonWorks、CEBus等多種通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),并從應(yīng)用的角度,介紹了基于已有技術(shù)的通信網(wǎng)絡(luò)的解決方案及其試驗(yàn)研究結(jié)果。最后,作者展望了這一領(lǐng)域的發(fā)展前景并提出有待進(jìn)一步研究解決的問題。2用戶通信環(huán)境分析與中、高壓電力線的載波通信不同,低壓配電網(wǎng)由于直接面向用戶,這一固有的特點(diǎn)使其通信環(huán)境極其惡劣,如:負(fù)荷情況復(fù)雜,噪聲干擾強(qiáng)且具有時(shí)變性,信號(hào)衰減大,信道容量小等。因此,要實(shí)現(xiàn)高性能的低壓電力線載波通信有相當(dāng)大的困難。2.1噪聲的產(chǎn)生過程已有的研究結(jié)果表明,噪聲的大量存在是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在低壓電力線上優(yōu)質(zhì)傳輸?shù)闹饕系K之一。一般來說,影響電力通信質(zhì)量的噪聲主要有以下3種:背景噪聲—分布在整個(gè)通信頻帶;周期性噪聲—包括周期性的連續(xù)干擾和周期性的脈沖干擾;突發(fā)性噪聲—用電設(shè)備的隨機(jī)接入或斷開而產(chǎn)生。研究表明,脈沖干擾對(duì)低壓電力線載波通信的質(zhì)量影響最大。有文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)出,脈沖干擾的強(qiáng)度最大可達(dá)40dBm,如此強(qiáng)的干擾將給通信帶來致命的傷害,以致于在接收端根本無法識(shí)別出發(fā)送的信號(hào)。2.2信號(hào)衰減的影響信號(hào)在電力線上傳輸過程中的衰減是低壓載波通信遇到的另一難點(diǎn)。同時(shí),由于低壓配電網(wǎng)直接面向用戶,負(fù)荷情況復(fù)雜,各節(jié)點(diǎn)阻抗不匹配,所以信號(hào)會(huì)產(chǎn)生反射、諧振等現(xiàn)象,使得信號(hào)的衰減變得極其復(fù)雜?？偟恼f來,信號(hào)的衰減隨著傳輸距離的增加而增加,同時(shí),有文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo),信號(hào)的衰減與頻率、工頻電源的相位有關(guān),一般來說,隨著頻率的增加,信號(hào)的衰減也將增加,而在某些特殊的頻段,由于反射、諧振及傳輸線效應(yīng)等的影響,衰減會(huì)出現(xiàn)突然劇增。文獻(xiàn)指出,在100～400kHz頻帶內(nèi),信號(hào)的平均衰減為40dB,標(biāo)準(zhǔn)偏差為20dB。2.3研究方法的一般規(guī)律低壓電力線直接面向用戶的特點(diǎn)導(dǎo)致其干擾具有隨機(jī)性和時(shí)變性,這是低壓載波通信面臨的又一挑戰(zhàn)。由于用戶負(fù)荷的隨機(jī)接入和切除,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化以及不可抗拒的自然因素,如雷電等的影響,使得其干擾表現(xiàn)出很強(qiáng)的隨機(jī)性和時(shí)變性,從而難以找到一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型來加以描述。從以上分析可見,低壓電力線自身所具有的特點(diǎn),大大限制了以其為傳輸媒介的低壓載波通信技術(shù)的發(fā)展。科學(xué)工作者在研究有效的信號(hào)分析方法上進(jìn)行了大量的工作,如用小波變換(WaveletTransform)、維格納分布(Wigner-VilleDistribution)等來解決這一問題。文獻(xiàn)表明,這些方法雖能在很大的程度上改善信號(hào)處理的結(jié)果,但并不是對(duì)所有的傳輸信號(hào)都能達(dá)到理想的效果。3載波通信技術(shù)的發(fā)展隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展和人們對(duì)通信質(zhì)量要求的不斷提高,通信技術(shù)正朝著高速率、寬頻帶、大容量方向發(fā)展。就理論研究而言,低壓電力線載波通信已從傳統(tǒng)的頻帶傳輸(幅移鍵控ASK:Amplitude-ShiftKeying,頻移鍵控FSK:Frequency-ShiftKeying,相移鍵控PSK:Phase-ShiftKeying)發(fā)展到了擴(kuò)頻通信(SSC)技術(shù)、多載波正交頻分多址(OFDM)技術(shù)以及使用高速光纖的光波分復(fù)用(WDM:WavelengthDivisionMultiplexing)技術(shù)等。3.1基本調(diào)制方法比較傳統(tǒng)的低壓電力線載波通信一般采用頻帶傳輸,也就是用載波調(diào)制的方法將攜帶信息的數(shù)字信號(hào)的頻譜搬移到較高的載波頻率上。其基本的調(diào)制方式分為幅值鍵控(ASK),頻率鍵控(FSK),相位鍵控(PSK)。在此基礎(chǔ)上,又派生出了差分移相鍵控(DPSK),最小移頻鍵控(MSK:MinimumShiftKeying)、四相移相鍵控(QPSK:Quadriphase-shiftKeying)、正交幅度調(diào)制(QAM:Quadratureamplitudemodulation)等。這里,將幾種基本調(diào)制方式的性能進(jìn)行了比較,比較結(jié)果如表1所示。(比較條件為:碼元速率(fb=1/Tb)、信號(hào)的平均功率(A02/2)和噪聲功率(σ2)均相同)。其中:輸入信號(hào)噪聲比:ε=(A02/2)/σ2,由表1可見,PSK系統(tǒng)的綜合性能最好,因此在載波通信技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。FSK系統(tǒng)的誤碼率指標(biāo)比ASK系統(tǒng)好,但要求傳輸帶寬比較大,一般用于低速數(shù)據(jù)傳輸,ASK系統(tǒng)由于誤碼率指標(biāo)最差,實(shí)際中較少使用。傳統(tǒng)的載波通信原理的最大的弱點(diǎn)就是去噪能力不強(qiáng),隨著配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的不斷復(fù)雜和人們對(duì)低壓載波通信質(zhì)量要求的不斷提高,傳統(tǒng)的載波通信技術(shù)已越來越不適應(yīng)現(xiàn)代高速率、大容量的要求。3.2擴(kuò)頻通信技術(shù)的應(yīng)用簡單地說,擴(kuò)頻通信(SpreadSpectrumCommunication)是用偽隨機(jī)編碼(擴(kuò)頻序列:SpreadSequence)將待傳送的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制,實(shí)現(xiàn)頻譜擴(kuò)展后再傳輸,在接收端則采用同樣的編碼進(jìn)行解調(diào)及相關(guān)處理。其基本原理圖如圖1所示:香農(nóng)公式C=Wlog2(1+P/N)(其中:C為信道容量,W為頻帶寬度,P/N為信噪比)指出,頻帶W和信噪比P/N是可以互換的,這意味著如果增加頻帶的寬度,就可以在較低的信噪比的情況下用相同的信息率以任意小的差錯(cuò)概率來傳輸信息。這就是用擴(kuò)展頻譜的方法獲得的好處,也是擴(kuò)頻通信的核心所在。就低壓電力載波通信而言,應(yīng)用擴(kuò)頻通信的主要優(yōu)點(diǎn)如下:(1)抗干擾能力強(qiáng),適合在低壓電力線這樣的惡劣通信環(huán)境下實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)通信。(2)可以實(shí)現(xiàn)碼分多址(CDMA:CodeDivisionMultipleAccess)技術(shù),在低壓配電網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)不同用戶的同時(shí)通信。(3)信號(hào)的功率譜密度很低,具有良好的隱蔽性,不易被截獲。就擴(kuò)展頻譜方式的不同,擴(kuò)頻通信系統(tǒng)可分為:直接序列(DS:DircetSequency)擴(kuò)頻,跳頻(FH:FrequencyHopping),跳時(shí)(TH:TimeHopping),線性調(diào)頻(Chirp)以及上述各種基本方式的組合,如:FH/DS,DS/TH等。就擴(kuò)頻技術(shù)的真正全面研究是從50年代美國麻省理工學(xué)院成功研制的NOMAC系統(tǒng)(NoiseModulationandCorrelationSystem)開始的。1976年,R.CDixon撰寫了第一部關(guān)于擴(kuò)頻通信的概述性專著:SpreadSpectrumSystem。1982年J.K.Holmes撰寫的CoherentSpreadSpectrumSystem是第一部擴(kuò)頻通信的理論性專著。90年代以來,隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展,擴(kuò)頻技術(shù)在理論上和應(yīng)用中都取得了長足的進(jìn)展。3.3ofd的發(fā)展多載波正交頻分多址(OFDM:OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)技術(shù)是指將可用的頻譜分解成一系列低速的窄帶—次載波(Subcarrier),各次載波相互正交重疊,在發(fā)送端分別對(duì)其進(jìn)行調(diào)制。OFDM的基本原理如圖2所示。從圖2可以看出,設(shè)原信號(hào)的帶寬為B,碼元速率為R,OFDM將原信號(hào)分解成M個(gè)子信號(hào),分解后碼元的速率為R/M,然后用M個(gè)子信號(hào)分別調(diào)制M個(gè)相互正交的次載波進(jìn)行信息傳遞。其優(yōu)越性主要是:(1)由于多路次載波能互不干擾地同時(shí)傳送信息,因此可以從整體上極大地提高通信的速率。(2)由于每個(gè)子信號(hào)的傳輸速率是原信號(hào)的1/M,因此可以很好地抑制因延遲、多徑干擾而帶來的誤碼,從而提高通信質(zhì)量。OFDM的發(fā)展可追溯到1966年,R.W.Chang首次提出多路傳輸?shù)恼l帶正交分解及合成的概念(BellSystemTechnicalJournal);1971年S.B.Weinstein和P.M.Ebert使用離散傅立葉變換(DFT:discreteFouriertransform)進(jìn)行基帶的調(diào)制和解調(diào),為OFDM的發(fā)展作出了巨大的貢獻(xiàn);1980年,APeled和A.Ruiz提出利用循環(huán)前綴來保持正交性,將OFDM向?qū)嵱没七M(jìn)了一大步。Intellon等一批全球知名企業(yè)已將OFDM技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng),其PowerPacket技術(shù)的傳輸速率已達(dá)14Mbps(頻帶:4.3MHz～20.9MHz,84路載波)。4lonwell和cebus目前,低壓電力線載波通信的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要有三種:X-10、LonWorks和CEBus。原有的低壓電力線載波技術(shù)主要是基于X-10標(biāo)準(zhǔn)的,但隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展,CEBus以其自身的優(yōu)越性,已被越來越廣泛地采用。4.1雙向通信X-10技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)于1978年首次提出,由于其在家庭自動(dòng)控制(HomeAutomation)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用而成為事實(shí)上的國際標(biāo)準(zhǔn)。其最初的設(shè)計(jì)只是用于單向通信,后來增加了雙向通信功能。就調(diào)制方式而言,由于過零點(diǎn)通常含最少量的噪聲和干擾,它使用過零調(diào)制技術(shù),調(diào)制方式為幅值調(diào)制(AM:AmplitudeModulation),為減少誤碼,它需要兩個(gè)過零點(diǎn)來傳送一個(gè)“0”或“1”信息,因此,其主要缺點(diǎn)在于通信速率太低和容量太小,難以適應(yīng)現(xiàn)代高速率、大容量通信的要求。4.2采用彈性訪問方式LonWorks技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)由Echelon公司提出,它是點(diǎn)到點(diǎn)的對(duì)等網(wǎng)絡(luò)通信(Peer-to-PeerCommunication)方式,使用載波偵聽多路訪問(CSMA:CarriersensemultipleAccess)技術(shù)。目前,Echelon公司已研制開發(fā)出基于該技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)頻通信(SSC)芯片(10kbps)。4.3基于cebus的等網(wǎng)通信1984年,電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA:ElectronicIndustriesAssociatio)開始著手研究適用于家庭用戶設(shè)備通信的標(biāo)準(zhǔn),這就是后來的CEBus標(biāo)準(zhǔn)(1992年正式頒布)。CEBus是提供獨(dú)立物理層連接規(guī)范的開放式通信標(biāo)準(zhǔn),使用EIA-600協(xié)議。由于它使用對(duì)等網(wǎng)路通信方式,因此通信網(wǎng)上的任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可隨時(shí)接入。為避免數(shù)據(jù)沖突,它使用載波偵聽多路訪問/沖突檢測(cè)(CSMA/CD:CarriersensemultipleAccess/CollisionDetection)技術(shù),即在發(fā)送數(shù)據(jù)前監(jiān)聽信道上是否有數(shù)據(jù)正在傳輸,邊發(fā)送邊監(jiān)聽,一旦監(jiān)聽到?jīng)_突,則沖突雙方停止發(fā)送。這樣,信道很快進(jìn)入空閑期,提高了信道的利用率。目前,以Intellon公司為代表的一批企業(yè)已開發(fā)出基于CEBus的系列產(chǎn)品。圖3給出的是OFDM與開放系統(tǒng)互聯(lián)(OSI:OpenSystemsInterconnection)模型的比較。由圖3可見,CEBus減少了表示層、會(huì)話層和運(yùn)輸層,但增加了內(nèi)部層次的管理LSM(LayerSystemManagement)并擴(kuò)展了所支持的物理媒介。其優(yōu)點(diǎn)在于,不但簡化了協(xié)議,使家庭智能網(wǎng)絡(luò)易于實(shí)現(xiàn),而且,LSM在維護(hù)各層之間的整體性和協(xié)調(diào)性、尋址和路由選擇中都發(fā)揮了重要的作用。5u3000引物低壓電力線載波通信的研究,在美、德、英等國家已取得了突破性的進(jìn)展。最早提出低壓電力線載波通信概念并進(jìn)行可行性研究的是英國曼徹斯特的一家地區(qū)性供電公司NORWEB,文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo),NORWEB公司在完成世界上首次配電網(wǎng)上的25個(gè)終端用戶的電話與數(shù)據(jù)通信試驗(yàn)后(1992～1993),已開發(fā)出2MHz帶寬內(nèi)傳輸速率為1Mbps的系統(tǒng)。1993年,英國SWEB公司成功地在一地區(qū)性有限遙測(cè)系統(tǒng)(RMS)中采用中、低壓配電網(wǎng)進(jìn)行兩路數(shù)字載波通信,將已有的水、電表計(jì)與電能表計(jì)連接起來,能提供包括水、天然氣、電能的自動(dòng)抄表等功能。文獻(xiàn)指出,ABB公司已成功開發(fā)出基于跳頻方式的低壓電力載波通信系統(tǒng)DartNet(1999),其信號(hào)傳輸速率為1.2kbps。Intellon公司已研制開發(fā)出SSCP111/P200/P300/P485系列擴(kuò)頻芯片,并在實(shí)際中得到使用。目前,在英、美等國,擴(kuò)頻技術(shù)的使用已有現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的報(bào)告,至于擴(kuò)頻芯片,據(jù)Intellon公司2000年5月3日發(fā)布的最新報(bào)道,其PowerPacketTechnology信號(hào)傳輸速率已達(dá)14Mbps。以此為背景,其OFDM技術(shù)也取得了突破性進(jìn)展,2000年1月和4月進(jìn)行的組網(wǎng)試驗(yàn),可實(shí)現(xiàn)速率為14Mbps的數(shù)據(jù)傳輸。在我國,清華大學(xué)已研制成功基于SSC技術(shù)的配電網(wǎng)通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái),可在兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間通過220V低壓電力線實(shí)現(xiàn)文件或數(shù)據(jù)的傳輸,速率為10kbps。6家庭宣傳網(wǎng)絡(luò)用載波技術(shù)的研究隨著信息技術(shù)朝著大容量、高速率方向發(fā)展,同時(shí),Intel、Compaq等13