低壓配電網(wǎng)電力線載波通信與新技術(shù)

近年來，電力線載波通信(PowerLineCommunication，PLC)技術(shù)已經(jīng)成為通信系統(tǒng)中新的研究熱點，它被看成一種未來重要的現(xiàn)場設(shè)備總線通信技術(shù)。然而，作為一種具有光明前景的通信方式，電力載波通信由于具有時變性、頻率選擇性等固有特點，使其在具體應(yīng)用中還存在很多問題等待解決。

電力載波通信特點

1、電力線載波通信技術(shù)概況

電力線載波通信(PLC)是指利用專用調(diào)制解調(diào)器對信號進(jìn)行調(diào)制，然后把信號加載到現(xiàn)有電力線中進(jìn)行通信的技術(shù)。早在20世紀(jì)20年代電力載波通信就開始應(yīng)用到l0kV配電網(wǎng)絡(luò)線路通信中，利用電力載波機(jī)和阻波器，在中高壓配電網(wǎng)中傳輸語音、控制指令和系統(tǒng)狀態(tài)等信息，并形成了相關(guān)國際和國家標(biāo)準(zhǔn)。對于低壓配電網(wǎng)來說，許多新興的數(shù)字技術(shù)，例如擴(kuò)頻通信技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)和計算機(jī)控制技術(shù)等，大大提高和改善了低壓配電網(wǎng)電力載波通信的可用性和可靠性，使電力載波通信技術(shù)具有更加誘人的應(yīng)用前景。為此，美國聯(lián)邦通信委員會FCC規(guī)定了電力線頻帶寬度為100～450kHz;歐洲電氣標(biāo)準(zhǔn)委員會(CENELEC)的EN50065—1規(guī)定電力載波頻帶為3～148.5kHz。這些標(biāo)準(zhǔn)的建立為電力載波技術(shù)的發(fā)展做出了顯著貢獻(xiàn)。盡管如此，低壓配電網(wǎng)電力線載波通信中的很多問題仍沒有得到很好解決。同時，隨著電力載波應(yīng)用領(lǐng)域的推廣和擴(kuò)大，低壓配電網(wǎng)電力載波通信成本問題、協(xié)議(標(biāo)準(zhǔn))問題、安全問題等一系列問題也開始浮出水面。低壓配電網(wǎng)電力線載波通信的實用化還面臨著許多考驗。

2、電力線載波通信特點

就低壓配電網(wǎng)來說，電力線載波通信一般具有以下特點：

(1)通信信道的時變性對載波信號來說，低壓電力線是一根非均勻分布的傳輸線，各種不同性質(zhì)的電力負(fù)載在低壓配電網(wǎng)的任意位置隨機(jī)地投入和斷開，使信道表現(xiàn)出很強(qiáng)的時變性。

(2)通信信道的頻率選擇性正是由于低壓配電網(wǎng)中存在負(fù)荷情況非常復(fù)雜、負(fù)載變化幅度大、噪聲種類多且強(qiáng)等特點，各節(jié)點阻抗不匹配，信號很容易產(chǎn)生反射、駐波、諧振等現(xiàn)象，使信號的衰減變得極其復(fù)雜，造成電力載波通信信道具有很強(qiáng)的頻率選擇性。

(3)噪聲干擾強(qiáng)而信號衰減大一般來說，影響電力通信噪聲主要有以下三種，即背景噪聲、周期性噪聲和突發(fā)性噪聲。背景噪聲一般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)性噪聲一般是由用電設(shè)備的髓機(jī)投入或斷開而產(chǎn)生的。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，信號衰減可達(dá)40dB。正是因為具有上述特點，使得電力載波通信在實際應(yīng)用過程中一直面臨著可用性與可靠性的考驗。

電力線載波通信種類與新技術(shù)

1、電力線載波通信種類

從使用的帶寬角度來說，電力線載波通信分為寬帶電力線載波通信和窄帶電力線載波通信。所謂電力線寬帶(BroadbandoverPowerLine，BPL)通信技術(shù)就是指帶寬限定在2～30MHz之間、通信速率通常在1Mbit/s以上的電力線載波通信技術(shù)，它多采用各種擴(kuò)頻通信技術(shù)，是目前研究“四網(wǎng)(寬帶數(shù)據(jù)網(wǎng)、電話網(wǎng)、有線電視網(wǎng)和低壓配電網(wǎng))融合”的關(guān)鍵技術(shù)之一。所謂窄帶電力線載波通信技術(shù)就是指帶寬限定在3～500kHz、通信速率小于1Mbit/s的電力線載波通信技術(shù)，它多采用普通的PSK技術(shù)、DSSS技術(shù)和線性調(diào)頻Chirp技術(shù)等。

從技術(shù)發(fā)展的角度來說，電力線載波通信分為傳統(tǒng)的頻帶傳輸技術(shù)和目前流行的擴(kuò)頻通信(SpreadSpectrumCommunication，SSC)技術(shù)：所謂頻帶傳輸就是用載波調(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(PSK)和相位鍵控(PSK)以及相關(guān)派生調(diào)制技術(shù)。傳統(tǒng)的載波通信原理的最大的弱點就是去噪能力有限;所謂擴(kuò)展頻譜通信是一種信息傳輸方式，其信號所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必需的最小帶寬，頻帶的展寬是通過編碼及調(diào)制的方法來實現(xiàn)的，并與所傳信息數(shù)據(jù)無關(guān);在接收端則用相同的擴(kuò)頻碼進(jìn)行相關(guān)解調(diào)來解擴(kuò)及恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)。目前電力線載波通信常用的擴(kuò)頻技術(shù)主要有：直接序列擴(kuò)頻(DirectSequenceSpreadSpectrum，DSSS)、線性調(diào)頻(Chirp)和正交頻分復(fù)用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM)等。此外，跳頻(FrequencyHopping，F(xiàn)H)，跳時(TimeHopping，TH)以及上述各種方式的組合擴(kuò)頻技術(shù)也較為常用。

2、電力線載波通信新技術(shù)

實現(xiàn)低壓配電網(wǎng)電力線載波可靠通信，需要很多新技術(shù)來支撐。這里僅列舉了作者認(rèn)為重要的幾項技術(shù)：

2.1正交頻分復(fù)用(OFDM)

正交頻分復(fù)用(OFDM)是一種被電力載波通信行業(yè)普遍看好的高效多載波寬帶數(shù)字調(diào)制技術(shù)，采用一組相互正交的子載波構(gòu)成信道來傳輸數(shù)據(jù)流，這些載波在頻率上等間隔地分布，載波間隔一般取碼元周期的倒數(shù)。它采用并行調(diào)制技術(shù)、長碼元周期、FET/IFFF調(diào)制與解調(diào)技術(shù)，使OFDM具有頻帶利用率高、抗ISI干擾能力強(qiáng)、抗信道衰落好、抗噪聲干擾強(qiáng)、易實現(xiàn)等一系列優(yōu)點;由于OFDM通過動態(tài)選擇子載波。可以減少窄帶干擾和頻率谷點的影響;即便是在配電網(wǎng)受到嚴(yán)重干擾的情況下，OFDM也可提供高帶寬并且保證帶寬傳輸效率，而且通過適當(dāng)?shù)募m錯技術(shù)可以確保數(shù)據(jù)可靠傳輸[2]。OFDM是目前電力載波寬帶通信的首選技術(shù)，跳頻OFDM方式在無線通信中被選作IEEE802.15.3a標(biāo)準(zhǔn)的另一個方案。盡管OFDM具有很多優(yōu)點，但是，它也存在一定的缺點：①對頻偏和相位噪聲比較敏感，1%的頻偏會使信噪比下降30dB。②功率峰值與均值比(PAPR)大，降低了驅(qū)動放大電路的效率。③接收機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，同時對瞬間干擾敏感。此外，對于電力線載波通信的安全性方面沒有任何措施。

2.2跳頻(PH)

跳頻(FH)是一種無線通信中最常用的擴(kuò)頻方式。工作原理是收發(fā)雙方傳輸信號的載波頻率按照預(yù)定規(guī)律(一組偽隨機(jī)碼PN，Pseudo-Noise)進(jìn)行離散變化，通信中使用的載波頻率受偽隨機(jī)碼的控制而隨機(jī)跳變。從通信技術(shù)的實現(xiàn)方式來說，跳頻是一種用碼序列進(jìn)行多頻頻移鍵控的通信方式;從時域上來看，跳頻信號是一個多頻率的頻移鍵控信號;從頻域上來看，跳頻信號是一個在很寬頻帶上以不等間隔隨機(jī)跳變的信號。因此，跳頻通信在某一特定頻點上仍為普通調(diào)制技術(shù)。跳頻系統(tǒng)根據(jù)頻率變化的快慢，通常分為快跳頻和慢跳頻。目前在軍事領(lǐng)域廣泛應(yīng)用了快跳頻通信技術(shù)。隨著電子對抗的加劇，在快跳頻的基礎(chǔ)上.產(chǎn)生了自適應(yīng)跳頻，進(jìn)一步提高抗截獲和抗干擾目的。慢跳頻則主要應(yīng)用于民用領(lǐng)域。

跳頻通信在電力載波通信中立用具有很強(qiáng)的適用性：①適應(yīng)電力線的強(qiáng)干擾環(huán)境。低壓配電網(wǎng)噪吉干擾強(qiáng)，并且噪聲不是分布在所有頻段內(nèi)，可用信道是變化的，跳頻技術(shù)恰好可以滿足這一需要。②適應(yīng)低壓配電網(wǎng)頻率選擇性衰減。低壓配電網(wǎng)負(fù)載復(fù)雜，且具有時變性，各種干擾和信道特性均無法“長期”預(yù)測。跳頻系統(tǒng)則可以根據(jù)預(yù)設(shè)跳頻圖案，自動切換載波頻率，避開干擾源頻點，同時也可以根據(jù)信道估計的結(jié)果，通過自適應(yīng)跳頻，選擇適宜信道，實現(xiàn)可靠通信。

可以看出，相對FSK、OFDM、Chirp等通信系統(tǒng)，跳頻系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：①普通跳頻系統(tǒng)只需在常規(guī)調(diào)制方式中增加載頻跳力，實現(xiàn)設(shè)備相對簡單。②跳頻系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗干擾能力，并對頻率性衰減有抑制作用。③可以多址工作，無ICI和ISI干擾。④跳頻序列的擴(kuò)頻碼跳變速率較低，易于實現(xiàn)。跳頻技術(shù)在低壓配電網(wǎng)電力線載波通信中的應(yīng)用不僅是新的技術(shù)增長點，而且在網(wǎng)絡(luò)安全日益重要的今天，該技術(shù)將起到不可替代的作用。

2.3混沌(Chaos)

混沌有很多種定義，其本質(zhì)特征在于描述事物對“初始條件高度敏感(蝴蝶效應(yīng))”的高度非線性特性，它揭示了“在看似無序的事物中蘊(yùn)含著有序”的道理。

由于初始值間任意小的差別在迭代中將被指數(shù)放大，使得混沌序列具有很強(qiáng)的多址性能。同時，混沌的長期行為還表現(xiàn)出明顯的隨機(jī)性和不可預(yù)測性，它的引入為改善跳頻通信系統(tǒng)性能提供了一個新的途徑。由于混沌系統(tǒng)對初始條件和混沌參數(shù)非常敏感，能夠產(chǎn)生大量、非相關(guān)、類隨機(jī)但為確定性和可再生的非周期性信號等特點，使其非常適合用作抗干擾和保密通信的偽隨機(jī)碼序列。此外，混沌同步驅(qū)動也將大大改進(jìn)通信的安全性。目前混沌序列是保密通信中的研究熱點。

2.4網(wǎng)絡(luò)自組與重構(gòu)

由于低壓配電網(wǎng)物理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會經(jīng)常發(fā)生變化，且邏輯拓?fù)潆S信道質(zhì)量而變化，因此，電力載波通信在多點組成網(wǎng)絡(luò)時，具有與無線移動通信相類似的特征。

自組(ADHoc)網(wǎng)是一種不需要固定路由器就能夠?qū)崿F(xiàn)自治運(yùn)行的無線多跳網(wǎng)絡(luò)。在無線Ad-Hoc網(wǎng)中，每個節(jié)點既是主機(jī)，又可以是路由器。因此，在低壓配電網(wǎng)電力線載波通信中采用網(wǎng)絡(luò)自組與重構(gòu)技術(shù)，具有以下優(yōu)點：①可以根據(jù)電力線信道質(zhì)量變化，自動偵測可通信邏輯節(jié)點，動態(tài)調(diào)整路由配置，在網(wǎng)絡(luò)鏈路層保持可靠連接。②自動探測最佳中繼節(jié)點，動態(tài)配置中繼信息，自動識別節(jié)點投入或切除。可見，采用這種網(wǎng)絡(luò)自組與重構(gòu)技術(shù)，可以實現(xiàn)低壓配電網(wǎng)中點到點、點到多點的可靠通信。當(dāng)然，該技術(shù)對底層硬件平臺要求較高。

毫無疑問，電力載波通信具有誘人的發(fā)展前景。但是，由于低壓配電網(wǎng)本身的特點，目前在實際大規(guī)模使用電力載波通信時還會遇到很多問題?，F(xiàn)僅就以下幾個問題闡述一下作者的觀點。

(1)抗干擾問題與對策盡管OFDM是一種被電力載波通信行業(yè)普遍看好的高效調(diào)制技術(shù)，然而，在電力線信帶有限的情況下，緊緊依靠OFDM技術(shù)還具有一定的局限性。為此，一方面采用OFDM與跳頻相結(jié)合技術(shù)將進(jìn)一步改善電力載波通信的可靠性;另一方面還可以考慮采用混沌理論，提高抗通信介質(zhì)開放的低壓配電網(wǎng)中的惡意干擾能力。

(2)路由組網(wǎng)問題與對策電力線載波通信物理網(wǎng)絡(luò)是由低壓配電網(wǎng)和當(dāng)時線路負(fù)載組成的。物理網(wǎng)絡(luò)是動態(tài)的，信道特性也是動態(tài)的，這種特殊性，決定了組網(wǎng)的困難性。為解決這一問題，有兩種方法：第一種是根據(jù)實地經(jīng)驗和現(xiàn)場試驗，通過某一中心載波通信節(jié)點，進(jìn)行人工本地/遠(yuǎn)程配置中繼路由信息，來保證一定范圍內(nèi)電力載波節(jié)點的可靠通信;第二種方法是以圖論為基礎(chǔ)、以ADHoc理論為指導(dǎo)，通過某一中心載波通信節(jié)點，自動建立電力載波通信。