智能電網(wǎng)PLC應(yīng)用：窄帶單載波已經(jīng)成熟，OFDM成未來(lái)趨勢(shì)

引言：PLC是智能電網(wǎng)通信的第一選擇，在實(shí)現(xiàn)PLC的各種調(diào)制方式中，窄帶單載波方案已有成熟應(yīng)用，OFDM因?yàn)槌錾目垢蓴_特性及寬帶通信能力，將成為PLC技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

“自知者智”，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)智能化，首先要建立在對(duì)電網(wǎng)自身以及終端用戶情況充分了解的基礎(chǔ)之上，這就需要電網(wǎng)具備雙向通信功能。在實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)通信的各種技術(shù)中，因利用現(xiàn)有電力線網(wǎng)絡(luò)而無(wú)需重新布線，以及不存在微波傳輸固有的視距限制和其他無(wú)線傳輸方式受建筑物阻礙所帶來(lái)的傳輸距離有限等問(wèn)題，加之電力線本身就屬于電力公司管轄，電力線載波(PLC)成為實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)通信的首選技術(shù)。

目前在實(shí)現(xiàn)各種PLC的調(diào)制方式中，正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDM)最受關(guān)注，而FSK等單載波方式在實(shí)際應(yīng)用中已有大規(guī)模使用案例。具體選擇何種技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)PLC應(yīng)用，需要衡量各種方案的成本、抗干擾能力、整體方案成熟度等各個(gè)方面。

智能電網(wǎng)通信及PLC的基本結(jié)構(gòu)

下面以應(yīng)用最廣泛的遠(yuǎn)程抄表(AMR)為例說(shuō)明。總體而言，智能電網(wǎng)通信可以分成以下三部分：廣域網(wǎng)(WAN)、鄰域網(wǎng)(NAN)和個(gè)域網(wǎng)(HAN)。廣域網(wǎng)負(fù)責(zé)從電力公司的控制中心到下游集中器之間的長(zhǎng)距離連接，這部分的通信可以由現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)比如GPRS或者3G無(wú)線通信來(lái)滿足，PLC也可成功用于WAN的中壓部分。鄰域網(wǎng)解決廣域網(wǎng)和個(gè)域網(wǎng)之間的通信，在鄰域網(wǎng)中，數(shù)據(jù)從多個(gè)個(gè)域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)被采集，然后通過(guò)低壓線路傳到集中器，集中器再進(jìn)一步把這些累積起來(lái)的數(shù)據(jù)傳給電力公司控制中心。個(gè)域網(wǎng)提供安裝在普通消費(fèi)者家中或商業(yè)用戶處的終端間的通信，這兩部分通信完全可以采用PLC實(shí)現(xiàn)。三個(gè)部分間通過(guò)不同形式的網(wǎng)關(guān)連接，舉例來(lái)說(shuō)，WAN和NAN之間有集中器，NAN和HAN之間有電子式電表或采集器。集中器匯總電表數(shù)據(jù)并且將這些信息傳給電力公司，電表收集家庭和企業(yè)的用電量并實(shí)現(xiàn)和采集器之間的通信或者本身就擔(dān)任采集器的角色。

PLC分為三層，分別為物理層(PHY)、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。除了這三層，PLC中還需要一個(gè)耦合電路把PLC收發(fā)器和高壓電力線連接起來(lái)。對(duì)于具體應(yīng)用，主要的功能由應(yīng)用層執(zhí)行，比如智能電網(wǎng)應(yīng)用，應(yīng)用層負(fù)責(zé)收集用電信息并執(zhí)行通/斷控制，同時(shí)它也參與PLC通信傳輸數(shù)據(jù)給網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層將從應(yīng)用層獲取的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成PLC網(wǎng)絡(luò)可以理解的數(shù)據(jù)，它管理和控制通信的網(wǎng)絡(luò)功能，比如尋址、確認(rèn)以及數(shù)據(jù)包丟失情況下的數(shù)據(jù)重傳等。

在采用FSK調(diào)制方式的PLC系統(tǒng)中，來(lái)自網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層的數(shù)據(jù)包被物理層調(diào)制解調(diào)器調(diào)制成FSK信號(hào)，隨后該信號(hào)被放大并通過(guò)耦合電路傳送到電力線上。

噪聲、阻抗匹配、耦合是PLC面臨的三大挑戰(zhàn)

PLC的傳輸介質(zhì)電力線對(duì)通信來(lái)說(shuō)并不理想，其阻抗、干擾是實(shí)時(shí)變化的，這是因?yàn)殡娏€載波信道有各種不同的負(fù)載，這些負(fù)載具有以下特性：a. 負(fù)載的接入和斷開(kāi)隨時(shí)間不斷變化；b. 負(fù)載阻抗是頻率的函數(shù)；c. 電器本身在用電過(guò)程中產(chǎn)生各種干擾，包括脈沖干擾、連續(xù)干擾、寬帶干擾及窄帶干擾，尤其在500kHz以下的頻段。這些負(fù)載特性的綜合效應(yīng)，再加上電力線本身對(duì)信號(hào)的衰減，以及終端阻抗不匹配產(chǎn)生的信號(hào)反射，使得低壓電力線載波信道呈現(xiàn)極不平坦的頻率響應(yīng)特性，且隨時(shí)間而變化，同時(shí)受頻率選擇性、時(shí)變性干擾。此外，由于用電負(fù)載及負(fù)荷的不同，在不同的地區(qū)、不同的地點(diǎn)，這種頻率響應(yīng)特性及干擾特性也會(huì)不同。深圳力合微電子有限公司的劉鯤總經(jīng)理舉例道：“觀察典型辦公室環(huán)境下實(shí)測(cè)的電力線信道噪聲與干擾如方波信號(hào)為50Hz交流整流后的波形，可以看到在交流50Hz峰值附近，該環(huán)境出現(xiàn)很強(qiáng)的周期性干擾，這些干擾一般由節(jié)能燈產(chǎn)生。”實(shí)際上，調(diào)光器、開(kāi)關(guān)電源、電力線內(nèi)部通話設(shè)備、通用串聯(lián)線圈電動(dòng)機(jī)如豆?jié){機(jī)這樣的食物處理設(shè)備，都是電力線通信的噪聲源。賽普拉斯公司一位PLC領(lǐng)域的專家表示：“這些噪聲可以被歸為兩類，一類是脈沖噪聲，另一類是持續(xù)性噪聲。這兩種噪聲都會(huì)使PLC信號(hào)失真并導(dǎo)致丟包。”

噪聲客觀存在，因此當(dāng)PLC信號(hào)到達(dá)接收器時(shí)，信號(hào)的信噪比必須足夠大才能夠被接收器正確解調(diào)。然而正如安森美半導(dǎo)體公司應(yīng)用工程經(jīng)理劉耀輝所言：“電磁兼容規(guī)范限制了PLC信號(hào)的發(fā)射電平，使得不能通過(guò)單純提高發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度來(lái)提升通信效果。”那么該如何克服噪聲的影響呢？賽普拉斯的專家表示，有多種技術(shù)可以克服脈沖噪聲的影響，比如具有確認(rèn)機(jī)制的雙向通信，包括錯(cuò)誤偵測(cè)和數(shù)據(jù)重傳等。具體來(lái)說(shuō)，如果由于脈沖噪聲的影響而沒(méi)有收到確認(rèn)信息，發(fā)射機(jī)會(huì)重傳數(shù)據(jù)包直到知道成功收到確認(rèn)信息為止。“如果在PLC系統(tǒng)的頻率范圍內(nèi)有大幅度持續(xù)的噪聲，最好的隔離方法是將他們從PLC接收機(jī)中移出，或者在噪聲產(chǎn)生設(shè)備的電源上加上電感模塊，使噪聲頻率低于接收機(jī)的信噪比。”他補(bǔ)充道。當(dāng)然，采用不同的調(diào)制方式會(huì)對(duì)抗干擾性能產(chǎn)生關(guān)鍵性的影響，留待稍后筆者對(duì)比不同調(diào)制方式的優(yōu)劣時(shí)再加以分析。

和噪聲干擾同時(shí)存在的還有阻抗匹配問(wèn)題，終端阻抗不匹配產(chǎn)生的信號(hào)反射也是一種干擾。當(dāng)不同的用電設(shè)備插入插座時(shí)，電力線的阻抗就會(huì)產(chǎn)生變化。賽普拉斯的專家認(rèn)為，阻抗的動(dòng)態(tài)變化是PLC需要解決的老問(wèn)題。PLC發(fā)射機(jī)和接收機(jī)需要設(shè)計(jì)為可以預(yù)先感知這些電力線上的阻抗變化，以保證信號(hào)傳輸?shù)男阅堋Ｋ赋觯?ldquo;使發(fā)射機(jī)和電力線阻抗匹配對(duì)保證信號(hào)在電力線上的最大化傳輸有利，高接收機(jī)阻抗則可以確保接收的信號(hào)損失最小。”損耗是衡量PLC的重要指標(biāo)，噪聲和阻抗匹配問(wèn)題解決得越好，損耗就越少。

將調(diào)制解調(diào)器出來(lái)的信號(hào)恰當(dāng)?shù)伛詈系诫娏€上非常重要，必須采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄒ允柜詈蠐p耗最小。美信公司PLC通信事業(yè)部總經(jīng)理Michael Navid表示：“雖然業(yè)界尤其是中國(guó)的電力通信行業(yè)對(duì)耦合方法并不陌生，但恰當(dāng)耦合所需的知識(shí)對(duì)于優(yōu)化性能確實(shí)非常重要。”耦合需要變壓器幫忙，把PLC信號(hào)從一個(gè)相位耦合到另外一個(gè)相位上。兩種常用的耦合方法是電容耦合和無(wú)線耦合，電容耦合技術(shù)需要給變壓器連接一個(gè)能夠跨越這兩個(gè)相位的電容，系統(tǒng)允許PLC信號(hào)通過(guò)；無(wú)線耦合則使用射頻通信技術(shù)，在發(fā)射時(shí)把PLC信號(hào)從一個(gè)相位移到另外一個(gè)相位，無(wú)線耦合對(duì)原有系統(tǒng)的改變更少，因此也是更優(yōu)的選擇。

窄帶單載波已有成熟應(yīng)用，OFDM是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

上文提到的噪聲抑制問(wèn)題，采用不同的調(diào)制方式會(huì)對(duì)噪聲抑制產(chǎn)生根本性的影響。劉鯤表示：“單載波窄帶調(diào)制技術(shù)的最大缺陷是對(duì)于時(shí)變頻率選擇性衰落及干擾不具備自適應(yīng)能力，因而在通信可靠性上呈現(xiàn)很大的局限性。多載波調(diào)制技術(shù)由于將數(shù)據(jù)信息調(diào)制到多個(gè)載波上，當(dāng)某個(gè)頻點(diǎn)深度衰落或被干擾時(shí)，其他頻點(diǎn)可能仍處在較好的傳輸條件下，因而通過(guò)糾錯(cuò)后編碼完整的數(shù)據(jù)信息仍然可以被正確接收。單載波窄帶調(diào)制技術(shù)主要包括FSK、BPSK、跳頻、直接序列擴(kuò)頻等，多載波調(diào)制技術(shù)的代表有力合微電子正交四載波、ECHELON智能雙頻等。”美信的PLC方案也采用OFDM多載波調(diào)制技術(shù)。

窄帶單載波在全球已有成熟的部署，賽普拉斯的專家表示：“FSK歷史悠久并且依然是最常用的方式，這主要?dú)w因于該方式成本低廉且易于開(kāi)發(fā)，例如意大利就部署了一個(gè)非常大的FSK調(diào)制方式抄表系統(tǒng)。”如果站在系統(tǒng)的角度看，對(duì)于PLC應(yīng)用，成熟可靠的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是不可或缺的。劉耀輝就指出：“目前知名的窄帶方案大多依托一套完備的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，比如安森美半導(dǎo)體PLC方案依托IEC 61334標(biāo)準(zhǔn)，采用該方案的抄表系統(tǒng)在歐洲工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)已有超過(guò)8年的可靠運(yùn)行。”而窄帶FSK調(diào)制方式也可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)多載波的抗干擾效果，如安森美的PLC Modem AMIS-49587采用S-FSK和ASK自動(dòng)切換的方式來(lái)應(yīng)對(duì)最常見(jiàn)的窄帶干擾，一般情況下，PLC Modem工作在所謂S-FSK調(diào)制方式，兩個(gè)載頻分開(kāi)得較遠(yuǎn)(>10kHz)，如果有窄帶干擾影響了某一個(gè)載頻，調(diào)制解調(diào)器還可以利用另一個(gè)載頻通信，此時(shí)調(diào)制解調(diào)器工作在ASK調(diào)制方式。

窄帶單載波方案在成本上也具備一定的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)意義上使用OFDM技術(shù)尤其是寬帶OFDM技術(shù)會(huì)帶來(lái)成本的提升，這是因?yàn)榛贠FDM技術(shù)的PLC方案通常采用多達(dá)幾十組的載波頻率，由于載波的冗余使其對(duì)窄帶干擾具有較好的抑制能力，通訊速率可以相應(yīng)提高，信道帶寬的利用率也較高，但以目前的技術(shù)水平，相對(duì)通常基于MCU的窄帶方案，OFDM調(diào)制解調(diào)需要復(fù)雜得多的算法和很高的精度。安森美和賽普拉斯的的專家都認(rèn)為，OFDM一般必須使用DSP進(jìn)行處理，這在成本和功耗上需要增加許多。當(dāng)然，如果只是窄帶的OFDM，MCU也可勝任，比如力合和美信的OFDM多載波方案都是基于MCU來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

在窄帶單載波領(lǐng)域，如上面提到的，目前安森美提供的是S-FSK/ASK雙模的解決方案，安森美半導(dǎo)體AMIS-30585在AMR領(lǐng)域已有多年成功應(yīng)用。AMIS-49587是與其引腳兼容的新一代PLC Modem，采用S-FSK/ASK模式，通訊速率達(dá)到2,400bps，同樣依托于IEC 61334規(guī)范，采用獨(dú)到的智能自適應(yīng)中繼方案。而賽普拉斯可以提供基于FSK調(diào)制的單載波PLC解決方案，該方案是從PHY調(diào)制解調(diào)器、網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議到完整的耦合電路參考設(shè)計(jì)的全套解決方案，它包括三個(gè)器件：CY8PLC10、CY8CPLC20和CY8CLED16P01，其中，CY8CPLC20是一個(gè)可編程的SoC，它集成了PHY調(diào)制解調(diào)器和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。賽普拉斯在業(yè)內(nèi)第一個(gè)真正實(shí)現(xiàn)了可編程的PLC解決方案，CY8CPLC20既具備可編程SoC可編程特性和靈活特性，同時(shí)又具備PLC所需的性能。

雖然窄帶單載波方案已有成熟的應(yīng)用，但OFDM多載波調(diào)制因其出色的抗窄帶噪聲性能，以及在提供寬帶PLC上所具備的巨大潛力，代表了未來(lái)的技術(shù)發(fā)展方向，尤其是在中國(guó)這樣電網(wǎng)質(zhì)量較差的國(guó)家更是如此。Navid就表示：“OFDM代替單載波調(diào)制方式是全球PLC領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。OFDM的帶寬更寬，可以傳遞更多數(shù)據(jù)，這意味著傳感器上的測(cè)量數(shù)據(jù)可以被更頻繁地來(lái)回傳遞，數(shù)據(jù)可以做安全加密，更多的終端可以被尋址，從而增加了數(shù)據(jù)容量，且可以采用更先進(jìn)的數(shù)據(jù)重傳技術(shù)以提高可靠性。”另外，OFDM具備的糾錯(cuò)技術(shù)如Vitirbi和Reed Solomon可以被用于恢復(fù)錯(cuò)誤的碼元，從而提高傳輸?shù)某晒β省?/p>

而美信采用OFDM方式的MAX2990是一顆SoC芯片，基于美信16位MAXQ MCU內(nèi)核，芯片包含了PHY和MAC。這樣的架構(gòu)保證該方案能夠以非常低的成本實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的OFDM技術(shù)。此外，美信還新推出了PLC模擬前端MAX2991。美信還將在2011年推出支持G3標(biāo)準(zhǔn)的OFDM PLC解決方案MAX2992，該芯片進(jìn)一步發(fā)展了MAX2990芯片的技術(shù)。安森美在提供目前成熟的PLC方案的同時(shí)，也在研制多載波、高速率的PLC產(chǎn)品，以及OFDM的PLC調(diào)制解調(diào)器。

OFDM兩大主流標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

在OFDM PLC領(lǐng)域，一些公司已經(jīng)實(shí)驗(yàn)了多種技術(shù)，最著名的兩種競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)是Prime和G3 標(biāo)準(zhǔn)。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都使用OFDM技術(shù)，只是實(shí)現(xiàn)的方法不同。兩者之間還有許多共同點(diǎn)，比如都是開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)，都被很多歐洲大的公共事業(yè)公司支持，都有很多領(lǐng)先半導(dǎo)體公司能夠提供相應(yīng)方案，也都有很多大的表廠支持，頗有些勢(shì)均力敵的味道。但據(jù)Navid介紹，G3采用了一些獨(dú)有的技術(shù)來(lái)提高數(shù)據(jù)速率可靠性和易用性，比如自適應(yīng)的色調(diào)映射(tone mapping)，這些技術(shù)監(jiān)視不同子信道并且在最好的信道上安排最多的傳輸，因此消除了在差道上的嘗試，能夠提高數(shù)據(jù)速率。G3還有強(qiáng)壯的運(yùn)行模式，確保在噪聲較大信道上的高可靠性傳輸。G3還具備更多的糾錯(cuò)技術(shù)，它使用兩層糾錯(cuò)技術(shù)去恢復(fù)由于突發(fā)噪聲帶來(lái)的錯(cuò)誤碼元。