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)器對信號進行調(diào)制，然后把信號加載到現(xiàn)有電力線中進行通信的技術(shù)。早在20世紀20年代電力載波通信就開始應用到l0kV配電網(wǎng)絡線路通信中，利用電力載波機和阻波器，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，并形成了相關國際和國家標準。對于低壓配電網(wǎng)來說，許多新興的數(shù)字技術(shù)，例如擴頻通信技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)和計算機控制技術(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;歐洲電氣標準委員會(CENELEC)的EN50065—1規(guī)定電力載波頻帶為3～148.5kHz。這些標準的建立為電力載波技術(shù)的發(fā)展做出了顯著貢獻。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，隨著電力載波應用領域的推廣和擴大，低壓配電網(wǎng)電力載波通信成本問題、協(xié)議(標準)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)的電力負載在低壓配電網(wǎng)的任意位置隨機地投入和斷開，使信道表現(xiàn)出很強的時變性。

(2)通信信道的頻率選擇性正是由于低壓配電網(wǎng)中存在負荷情況非常復雜、負載變化幅度大、噪聲種類多且強等特點，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雜，造成電力載波通信信道具有很強的頻率選擇性。

(3)噪聲干擾強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備的髓機投入或斷開而產(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40dB。正是因為具有上述特點，使得電力載波通信在實際應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;在接收端則用相同的擴頻碼進行相關解調(diào)來解擴及恢復所傳信息數(shù)據(jù)。目前電力線載波通信常用的擴頻技術(shù)主要有：直接序列擴頻(DirectSequenceSpreadSpectrum，DSSS)、線性調(diào)頻(Chirp)和正交頻分復用(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為重要的幾項技術(shù)：

2.1正交頻分復用(OFDM)

正交頻分復用(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、抗信道衰落好、抗噪聲干擾強、易實現(xiàn)等一系列優(yōu)點;由于OFDM通過動態(tài)選擇子載波?？梢詼p少窄帶干擾和頻率谷點的影響;即便是在配電網(wǎng)受到嚴重干擾的情況下，OFDM也可提供高帶寬并且保證帶寬傳輸效率，而且通過適當?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標準的另一個方案。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接收機結(jié)構(gòu)復雜，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定規(guī)律(一組偽隨機碼PN，Pseudo-Noise)進行離散變化，通信中使用的載波頻率受偽隨機碼的控制而隨機跳變。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。目前在軍事領域廣泛應用了快跳頻通信技術(shù)。隨著電子對抗的加劇，在快跳頻的基礎上.產(chǎn)生了自適應跳頻，進一步提高抗截獲和抗干擾目的。慢跳頻則主要應用于民用領域。

跳頻通信在電力載波通信中立用具有很強的適用性：①適應電力線的強干擾環(huán)境。低壓配電網(wǎng)噪吉干擾強，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適應低壓配電網(wǎng)頻率選擇性衰減。低壓配電網(wǎng)負載復雜，且具有時變性，各種干擾和信道特性均無法“長期”預測。跳頻系統(tǒng)則可以根據(jù)預設跳頻圖案，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)設備相對簡單。②跳頻系統(tǒng)具有很強的抗干擾能力，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用不僅是新的技術(shù)增長點，而且在網(wǎng)絡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)”的高度非線性特性，它揭示了“在看似無序的事物中蘊含著有序”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的多址性能。同時，混沌的長期行為還表現(xiàn)出明顯的隨機性和不可預測性，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、類隨機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碼序列。此外，混沌同步驅(qū)動也將大大改進通信的安全性。目前混沌序列是保密通信中的研究熱點。

2.4網(wǎng)絡自組與重構(gòu)

由于低壓配電網(wǎng)物理網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)會經(jīng)常發(fā)生變化，且邏輯拓撲隨信道質(zhì)量而變化，因此，電力載波通信在多點組成網(wǎng)絡時，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)自治運行的無線多跳網(wǎng)絡。在無線Ad-Hoc網(wǎng)中，每個節(jié)點既是主機，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?？梢?，采用這種網(wǎng)絡自組與重構(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)絡是由低壓配電網(wǎng)和當時線路負載組成的。物理網(wǎng)絡是動態(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，進行人工本地/遠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、以ADHoc理論為指導，通過某一中心載波通信節(jié)點，自動建立電力載波通信。