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,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)計劃,旨在推動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,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,要在其上實現(xiàn)可靠、安全的數(shù)據(jù)傳輸是相當(dāng)困難的。世界各國已就其進行了大量的研究,如:傳統(tǒng)的頻帶傳輸技術(shù),擴頻通信(SSC:SpreadSpectrumCommunication)技術(shù)和最近試驗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和數(shù)字信號處理技術(shù)的不斷發(fā)展,實現(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,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,這一固有的特點使其通信環(huán)境極其惡劣,如:負荷情況復(fù)雜,噪聲干擾強且具有時變性,信號衰減大,信道容量小等。因此,要實現(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)備的隨機接入或斷開而產(chǎn)生。研究表明,脈沖干擾對低壓電力線載波通信的質(zhì)量影響最大。有文獻統(tǒng)計出,脈沖干擾的強度最大可達40dBm,如此強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別出發(fā)送的信號。2.2信號衰減的影響信號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。同時,由于低壓配電網(wǎng)直接面向用戶,負荷情況復(fù)雜,各節(jié)點阻抗不匹配,所以信號會產(chǎn)生反射、諧振等現(xiàn)象,使得信號的衰減變得極其復(fù)雜?？偟恼f來,信號的衰減隨著傳輸距離的增加而增加,同時,有文獻報導(dǎo),信號的衰減與頻率、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,衰減會出現(xiàn)突然劇增。文獻指出,在100～400kHz頻帶內(nèi),信號的平均衰減為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導(dǎo)致其干擾具有隨機性和時變性,這是低壓載波通信面臨的又一挑戰(zhàn)。由于用戶負荷的隨機接入和切除,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)出很強的隨機性和時變性,從而難以找到一個準(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,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?？茖W(xué)工作者在研究有效的信號分析方法上進行了大量的工作,如用小波變換(WaveletTransform)、維格納分布(Wigner-VilleDistribution)等來解決這一問題。文獻表明,這些方法雖能在很大的程度上改善信號處理的結(jié)果,但并不是對所有的傳輸信號都能達到理想的效果。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)、信號的平均功率(A02/2)和噪聲功率(σ2)均相同)。其中:輸入信號噪聲比: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,實際中較少使用。傳統(tǒng)的載波通信原理的最大的弱點就是去噪能力不強,隨著配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的不斷復(fù)雜和人們對低壓載波通信質(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擴頻通信技術(shù)的應(yīng)用簡單地說,擴頻通信(SpreadSpectrumCommunication)是用偽隨機編碼(擴頻序列:SpreadSequence)將待傳送的信息數(shù)據(jù)進行調(diào)制,實現(xiàn)頻譜擴展后再傳輸,在接收端則采用同樣的編碼進行解調(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概率來傳輸信息。這就是用擴展頻譜的方法獲得的好處,也是擴頻通信的核心所在。就低壓電力載波通信而言,應(yīng)用擴頻通信的主要優(yōu)點如下:(1)抗干擾能力強,適合在低壓電力線這樣的惡劣通信環(huán)境下實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)通信。(2)可以實現(xiàn)碼分多址(CDMA:CodeDivisionMultipleAccess)技術(shù),在低壓配電網(wǎng)上實現(xiàn)不同用戶的同時通信。(3)信號的功率譜密度很低,具有良好的隱蔽性,不易被截獲。就擴展頻譜方式的不同,擴頻通信系統(tǒng)可分為:直接序列(DS:DircetSequency)擴頻,跳頻(FH:FrequencyHopping),跳時(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)于擴頻通信的概述性專著:SpreadSpectrumSystem。1982年J.K.Holmes撰寫的CoherentSpreadSpectrumSystem是第一部擴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,擴頻技術(shù)在理論上和應(yīng)用中都取得了長足的進展。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)送端分別對其進行調(diào)制。OFDM的基本原理如圖2所示。從圖2可以看出,設(shè)原信號的帶寬為B,碼元速率為R,OFDM將原信號分解成M個子信號,分解后碼元的速率為R/M,然后用M個子信號分別調(diào)制M個相互正交的次載波進行信息傳遞。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)由于每個子信號的傳輸速率是原信號的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;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)用于實際系統(tǒng),其PowerPacket技術(shù)的傳輸速率已達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,由于其在家庭自動控制(HomeAutomation)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用而成為事實上的國際標(biāo)準(zhǔn)。其最初的設(shè)計只是用于單向通信,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,它需要兩個過零點來傳送一個“0”或“1”信息,因此,其主要缺點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,它是點到點的對等網(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(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。由于它使用對等網(wǎng)路通信方式,因此通信網(wǎng)上的任何一個節(jié)點都可隨時接入。為避免數(shù)據(jù)沖突,它使用載波偵聽多路訪問/沖突檢測(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、會話層和運輸層,但增加了內(nèi)部層次的管理LSM(LayerSystemManagement)并擴展了所支持的物理媒介。其優(yōu)點在于,不但簡化了協(xié)議,使家庭智能網(wǎng)絡(luò)易于實現(xiàn),而且,LSM在維護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展。最早提出低壓電力線載波通信概念并進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,文獻報導(dǎo),NORWEB公司在完成世界上首次配電網(wǎng)上的25個終端用戶的電話與數(shù)據(jù)通信試驗后(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)性有限遙測系統(tǒng)(RMS)中采用中、低壓配電網(wǎng)進行兩路數(shù)字載波通信,將已有的水、電表計與電能表計連接起來,能提供包括水、天然氣、電能的自動抄表等功能。文獻指出,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),其信號傳輸速率為1.2kbps。Intellon公司已研制開發(fā)出SSCP111/P200/P300/P485系列擴頻芯片,并在實際中得到使用。目前,在英、美等國,擴頻技術(shù)的使用已有現(xiàn)場試驗的報告,至于擴頻芯片,據(jù)Intellon公司2000年5月3日發(fā)布的最新報道,其PowerPacketTechnology信號傳輸速率已達14Mbps。以此為背景,其OFDM技術(shù)也取得了突破性進展,2000年1月和4月進行的組網(wǎng)試驗,可實現(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)通信實驗平臺,可在兩臺計算機之間通過220V低壓電力線實現(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,Intel、Compaq等13