智能電網(wǎng)PLC應用：窄帶單載波已經(jīng)成熟，OFDM成未來趨勢

引言：PLC是智能電網(wǎng)通信的第一選擇，在實現(xiàn)PLC的各種調(diào)制方式中，窄帶單載波方案已有成熟應用，OFDM因為出色的抗干擾特性及寬帶通信能力，將成為PLC技術的發(fā)展趨勢。

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

目前在實現(xiàn)各種PLC的調(diào)制方式中，正交頻分復用技術(OFDM)最受關注，而FSK等單載波方式在實際應用中已有大規(guī)模使用案例。具體選擇何種技術實現(xiàn)智能電網(wǎng)PLC應用，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方面。

智能電網(wǎng)通信及PLC的基本結(jié)構

下面以應用最廣泛的遠程抄表(AMR)為例說明?？傮w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)和個域網(wǎng)(HAN)。廣域網(wǎng)負責從電力公司的控制中心到下游集中器之間的長距離連接，這部分的通信可以由現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡比如GPRS或者3G無線通信來滿足，PLC也可成功用于WAN的中壓部分。鄰域網(wǎng)解決廣域網(wǎng)和個域網(wǎng)之間的通信，在鄰域網(wǎng)中，數(shù)據(jù)從多個個域網(wǎng)節(jié)點被采集，然后通過低壓線路傳到集中器，集中器再進一步把這些累積起來的數(shù)據(jù)傳給電力公司控制中心。個域網(wǎng)提供安裝在普通消費者家中或商業(yè)用戶處的終端間的通信，這兩部分通信完全可以采用PLC實現(xiàn)。三個部分間通過不同形式的網(wǎng)關連接，舉例來說，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)的用電量并實現(xiàn)和采集器之間的通信或者本身就擔任采集器的角色。

PLC分為三層，分別為物理層(PHY)、網(wǎng)絡層和應用層。除了這三層，PLC中還需要一個耦合電路把PLC收發(fā)器和高壓電力線連接起來。對于具體應用，主要的功能由應用層執(zhí)行，比如智能電網(wǎng)應用，應用層負責收集用電信息并執(zhí)行通/斷控制，同時它也參與PLC通信傳輸數(shù)據(jù)給網(wǎng)絡協(xié)議層。網(wǎng)絡協(xié)議層將從應用層獲取的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成PLC網(wǎng)絡可以理解的數(shù)據(jù)，它管理和控制通信的網(wǎng)絡功能，比如尋址、確認以及數(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，來自網(wǎng)絡協(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，隨后該信號被放大并通過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)電力線對通信來說并不理想，其阻抗、干擾是實時變化的，這是因為電力線載波信道有各種不同的負載，這些負載具有以下特性：a. 負載的接入和斷開隨時間不斷變化；b. 負載阻抗是頻率的函數(shù)；c. 電器本身在用電過程中產(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。這些負載特性的綜合效應，再加上電力線本身對信號的衰減，以及終端阻抗不匹配產(chǎn)生的信號反射，使得低壓電力線載波信道呈現(xiàn)極不平坦的頻率響應特性，且隨時間而變化，同時受頻率選擇性、時變性干擾。此外，由于用電負載及負荷的不同，在不同的地區(qū)、不同的地點，這種頻率響應特性及干擾特性也會不同。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)境下實測的電力線信道噪聲與干擾如方波信號為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)很強的周期性干擾，這些干擾一般由節(jié)能燈產(chǎn)生。”實際上，調(diào)光器、開關電源、電力線內(nèi)部通話設備、通用串聯(lián)線圈電動機如豆?jié){機這樣的食物處理設備，都是電力線通信的噪聲源。賽普拉斯公司一位PLC領域的專家表示：“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。這兩種噪聲都會使PLC信號失真并導致丟包。”

噪聲客觀存在，因此當PLC信號到達接收器時，信號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體公司應用工程經(jīng)理劉耀輝所言：“電磁兼容規(guī)范限制了PLC信號的發(fā)射電平，使得不能通過單純提高發(fā)射信號強度來提升通信效果。”那么該如何克服噪聲的影響呢？賽普拉斯的專家表示，有多種技術可以克服脈沖噪聲的影響，比如具有確認機制的雙向通信，包括錯誤偵測和數(shù)據(jù)重傳等。具體來說，如果由于脈沖噪聲的影響而沒有收到確認信息，發(fā)射機會重傳數(shù)據(jù)包直到知道成功收到確認信息為止。“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接收機中移出，或者在噪聲產(chǎn)生設備的電源上加上電感模塊，使噪聲頻率低于接收機的信噪比。”他補充道。當然，采用不同的調(diào)制方式會對抗干擾性能產(chǎn)生關鍵性的影響，留待稍后筆者對比不同調(diào)制方式的優(yōu)劣時再加以分析。

和噪聲干擾同時存在的還有阻抗匹配問題，終端阻抗不匹配產(chǎn)生的信號反射也是一種干擾。當不同的用電設備插入插座時，電力線的阻抗就會產(chǎn)生變化。賽普拉斯的專家認為，阻抗的動態(tài)變化是PLC需要解決的老問題。PLC發(fā)射機和接收機需要設計為可以預先感知這些電力線上的阻抗變化，以保證信號傳輸?shù)男阅堋Ｋ赋觯?ldquo;使發(fā)射機和電力線阻抗匹配對保證信號在電力線上的最大化傳輸有利，高接收機阻抗則可以確保接收的信號損失最小。”損耗是衡量PLC的重要指標，噪聲和阻抗匹配問題解決得越好，損耗就越少。

將調(diào)制解調(diào)器出來的信號恰當?shù)伛詈系诫娏€上非常重要，必須采用適當?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)界尤其是中國的電力通信行業(yè)對耦合方法并不陌生，但恰當耦合所需的知識對于優(yōu)化性能確實非常重要。”耦合需要變壓器幫忙，把PLC信號從一個相位耦合到另外一個相位上。兩種常用的耦合方法是電容耦合和無線耦合，電容耦合技術需要給變壓器連接一個能夠跨越這兩個相位的電容，系統(tǒng)允許PLC信號通過；無線耦合則使用射頻通信技術，在發(fā)射時把PLC信號從一個相位移到另外一個相位，無線耦合對原有系統(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用，OFDM是未來發(fā)展趨勢

上文提到的噪聲抑制問題，采用不同的調(diào)制方式會對噪聲抑制產(chǎn)生根本性的影響。劉鯤表示：“單載波窄帶調(diào)制技術的最大缺陷是對于時變頻率選擇性衰落及干擾不具備自適應能力，因而在通信可靠性上呈現(xiàn)很大的局限性。多載波調(diào)制技術由于將數(shù)據(jù)信息調(diào)制到多個載波上，當某個頻點深度衰落或被干擾時，其他頻點可能仍處在較好的傳輸條件下，因而通過糾錯后編碼完整的數(shù)據(jù)信息仍然可以被正確接收。單載波窄帶調(diào)制技術主要包括FSK、BPSK、跳頻、直接序列擴頻等，多載波調(diào)制技術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。

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，這主要歸因于該方式成本低廉且易于開發(fā)，例如意大利就部署了一個非常大的FSK調(diào)制方式抄表系統(tǒng)。”如果站在系統(tǒng)的角度看，對于PLC應用，成熟可靠的網(wǎng)絡協(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)絡協(xié)議，比如安森美半導體PLC方案依托IEC 61334標準，采用該方案的抄表系統(tǒng)在歐洲工業(yè)現(xiàn)場已有超過8年的可靠運行。”而窄帶FSK調(diào)制方式也可以在一定程度上實現(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自動切換的方式來應對最常見的窄帶干擾，一般情況下，PLC Modem工作在所謂S-FSK調(diào)制方式，兩個載頻分開得較遠(>10kHz)，如果有窄帶干擾影響了某一個載頻，調(diào)制解調(diào)器還可以利用另一個載頻通信，此時調(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。傳統(tǒng)意義上使用OFDM技術尤其是寬帶OFDM技術會帶來成本的提升，這是因為基于OFDM技術的PLC方案通常采用多達幾十組的載波頻率，由于載波的冗余使其對窄帶干擾具有較好的抑制能力，通訊速率可以相應提高，信道帶寬的利用率也較高，但以目前的技術水平，相對通?；贛CU的窄帶方案，OFDM調(diào)制解調(diào)需要復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為，OFDM一般必須使用DSP進行處理，這在成本和功耗上需要增加許多。當然，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來實現(xiàn)的。

在窄帶單載波領域，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，安森美半導體AMIS-30585在AMR領域已有多年成功應用。AMIS-49587是與其引腳兼容的新一代PLC Modem，采用S-FSK/ASK模式，通訊速率達到2,400bps，同樣依托于IEC 61334規(guī)范，采用獨到的智能自適應中繼方案。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)絡層協(xié)議到完整的耦合電路參考設計的全套解決方案，它包括三個器件：CY8PLC10、CY8CPLC20和CY8CLED16P01，其中，CY8CPLC20是一個可編程的SoC，它集成了PHY調(diào)制解調(diào)器和網(wǎng)絡協(xié)議。賽普拉斯在業(yè)內(nèi)第一個真正實現(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，同時又具備PLC所需的性能。

雖然窄帶單載波方案已有成熟的應用，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，代表了未來的技術發(fā)展方向，尤其是在中國這樣電網(wǎng)質(zhì)量較差的國家更是如此。Navid就表示：“OFDM代替單載波調(diào)制方式是全球PLC領域的發(fā)展趨勢。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量數(shù)據(jù)可以被更頻繁地來回傳遞，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，且可以采用更先進的數(shù)據(jù)重傳技術以提高可靠性。”另外，OFDM具備的糾錯技術如Vitirbi和Reed Solomon可以被用于恢復錯誤的碼元，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。這樣的架構保證該方案能夠以非常低的成本實現(xiàn)復雜的OFDM技術。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標準的OFDM PLC解決方案MAX2992，該芯片進一步發(fā)展了MAX2990芯片的技術。安森美在提供目前成熟的PLC方案的同時，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兩大主流標準對比

在OFDM PLC領域，一些公司已經(jīng)實驗了多種技術，最著名的兩種競爭技術是Prime和G3 標準。這兩個標準都使用OFDM技術，只是實現(xiàn)的方法不同。兩者之間還有許多共同點，比如都是開放的標準，都被很多歐洲大的公共事業(yè)公司支持，都有很多領先半導體公司能夠提供相應方案，也都有很多大的表廠支持，頗有些勢均力敵的味道。但據(jù)Navid介紹，G3采用了一些獨有的技術來提高數(shù)據(jù)速率可靠性和易用性，比如自適應的色調(diào)映射(tone mapping)，這些技術監(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還有強壯的運行模式，確保在噪聲較大信道上的高可靠性傳輸。G3還具備更多的糾錯技術，它使用兩層糾錯技術去恢復由于突發(fā)噪聲帶來的錯誤碼元。