電力線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究

1　電力線聯(lián)網(wǎng)概念

電力線聯(lián)網(wǎng),準(zhǔn)確的說(shuō)法是電力線通信技術(shù),英文簡(jiǎn)稱PLC(Power Line Communication),是指利用電力線傳輸數(shù)字化數(shù)據(jù)和話音信號(hào)的一種通信方式,是對(duì)原有電力線傳輸技術(shù)的發(fā)展.電力線通信技術(shù)一般用作接入技術(shù),與xDSL、LMDS等技術(shù)一樣,PLC技術(shù)也可以作為一種網(wǎng)絡(luò)接入手段來(lái)使用,所以又可以稱作“電力線上網(wǎng)”.另外PLC也可以用做家庭聯(lián)網(wǎng)技術(shù)(Home Plug).

毋庸置疑,電力線是覆蓋最廣泛的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施,幾乎所有的設(shè)備都會(huì)連接到電力線網(wǎng)絡(luò)之上,這使得電力線成為組網(wǎng)的一個(gè)自然選擇.

通過(guò)載波調(diào)制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)基于電力線的數(shù)字通信,其采用的載波頻率高于電力傳輸所使用的50~60 Hz.寬帶PLC所采用的載波頻率一般在2~30 MHz范圍內(nèi),可以提供2~10 Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率,可以達(dá)到多媒體數(shù)據(jù)傳輸及網(wǎng)絡(luò)接入的要求;窄帶PLC所采用的載波頻率在150 kHz以下,一般用于電表的自動(dòng)抄表和設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)這樣對(duì)傳輸速率要求不高的應(yīng)用.

“電力線上網(wǎng)”的用戶需要添加一個(gè)特制的調(diào)制解調(diào)器,這個(gè)調(diào)制調(diào)解器的數(shù)據(jù)線頂端是一個(gè)與常規(guī)電源插頭規(guī)格相同的插頭,用戶只要將電腦的網(wǎng)卡與調(diào)制解調(diào)器接通,再將調(diào)制解調(diào)器插上電源插座,電腦即可上網(wǎng),用這種方法傳送信息的速度比ISDN要快30多倍,目前實(shí)驗(yàn)室的最高通信速率可達(dá)到2·5Gb/s.

從廣義上來(lái)講電力線上網(wǎng)從層次上可分為中壓配電網(wǎng)、低壓配電網(wǎng)和家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò).家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)是指通過(guò)電力線組建高速LAN;低壓配電網(wǎng)是指從中壓變電站到用戶電表的一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信,中壓配電網(wǎng)主要從中壓變電站到主要變電站.

目前PLC技術(shù)發(fā)展模式主要是為以美國(guó)為代表的家庭聯(lián)網(wǎng)模式,這種模式的PLC只提供家庭內(nèi)部聯(lián)網(wǎng),即是指通過(guò)家庭的內(nèi)部的普通電力線,進(jìn)行組網(wǎng)連接家庭內(nèi)部局域網(wǎng),戶外訪問(wèn)使用其它傳統(tǒng)的通信方式.支持該模式的國(guó)際組織為Home-Plug,是一個(gè)為高速家用電力線通信網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品和服務(wù)提供開(kāi)放規(guī)范而成立的論壇.

第二種是以歐洲和亞太地區(qū)為代表的戶外接入模式-低壓配電網(wǎng),具體是光纜或其他高速的通信線路已經(jīng)連接到樓內(nèi)的總配電室,利用220V/380V線路解決從樓內(nèi)總配電室到每個(gè)住戶的通信接入,從而實(shí)現(xiàn)從配電室到住戶的高速的數(shù)據(jù)的接入.

2　電力線聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

基于電力線的上網(wǎng)技術(shù)目前已經(jīng)有一個(gè)業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)Home Plug.

Home Plug是非贏利業(yè)界組織Home PlugPowerLineAlliance開(kāi)發(fā)的通過(guò)電力線進(jìn)行家庭組網(wǎng)的規(guī)范,以便促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)和保證互通性.通過(guò)建立一個(gè)開(kāi)放的規(guī)范,Home Plug解決了由于缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)而引起的市場(chǎng)混亂和用戶困惑,消除了電力線組網(wǎng)技術(shù)的市場(chǎng)阻力.與PLC類似,以往除了缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)之外,各種噪聲等方面的影響也阻礙了將家庭電力線做為組網(wǎng)媒介的可能性.Home Plug通過(guò)建立統(tǒng)一規(guī)范以及采用新技術(shù)來(lái)克服這些挑戰(zhàn).

Home Plug評(píng)估了業(yè)界現(xiàn)有的各種電力線組網(wǎng)技術(shù),制定了Home Plug規(guī)范的開(kāi)發(fā)原則,包括以太網(wǎng)級(jí)的傳輸速率、兼容性、穩(wěn)定性、易實(shí)施及擴(kuò)展性等方面.目前已經(jīng)發(fā)布了Home Plug 1·0規(guī)范.Home Plug的最終組網(wǎng)技術(shù)規(guī)范將提供一個(gè)功能強(qiáng)大的、簡(jiǎn)單易用的、具有14 Mbps傳輸速率的電力線組網(wǎng)規(guī)范.

Home Plug 1·0規(guī)范支持14 Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率,基于這個(gè)高速電力線組網(wǎng)技術(shù),Home Plug PowerLine Alliance成員將開(kāi)發(fā)具有互操作性的產(chǎn)品,使得各家的計(jì)算機(jī)、外設(shè)、消費(fèi)電器及其它信息設(shè)備可以通過(guò)電源插座連接起來(lái).

3　電力線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)構(gòu)和優(yōu)勢(shì)

3·1　電力線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)構(gòu)模型

電力線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要的組成部分是數(shù)字電力線(DPL)、電力線交換技術(shù)(PLX)以及應(yīng)用系統(tǒng)(ICAL).其中數(shù)字電力線對(duì)應(yīng)于OSI/RM模型的物理層,電力線交換技術(shù)對(duì)應(yīng)于OSI/RM模型的數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層,應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)應(yīng)于會(huì)話層、表示層和應(yīng)用層,如圖.

3·2　電力線聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)特點(diǎn)

數(shù)字電力線技術(shù)(DPL)包括多載波體系、載波的使用、調(diào)制、編碼、控制和同步,為了抑制電力線內(nèi)部的噪聲對(duì)通信頻段內(nèi)的信號(hào)的干擾,數(shù)字電力線技術(shù)大多采用OFDM/DPSK調(diào)制方法,OFDM調(diào)制方法將通信頻段劃分為若干子通道,每個(gè)子通道采用DPSK方式調(diào)制,可以大大衰減電力線中的干擾和噪聲.

為了提高電力線通信的可靠性,關(guān)于電力線交換技術(shù)(PLX)在MAC子層,專家提出了一種優(yōu)于CSMA/CD的協(xié)議———DSMA/CTP協(xié)議. DSMA/CTP是兩個(gè)獨(dú)立的協(xié)議,分別叫做數(shù)據(jù)報(bào)偵聽(tīng)多路訪問(wèn)協(xié)議(DSMA)和集中令牌傳遞協(xié)議(CTP).DSMA機(jī)制采用數(shù)據(jù)偵聽(tīng)和隨機(jī)回退方法解決多個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)同時(shí)占用信道的問(wèn)題;CTP協(xié)議可以有效避免多個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)使用信道而發(fā)生沖突.

ICAL是電力線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用層協(xié)議.ICAL采用改進(jìn)了的CEBUS標(biāo)準(zhǔn)的公共應(yīng)用語(yǔ)言,是一種分布式、面向?qū)ο笮汀Ⅲw系化的編程語(yǔ)言.該語(yǔ)言采用客戶機(jī)/服務(wù)器(Client/Server)結(jié)構(gòu).ICAL采用了CAL的網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上下文(context)、對(duì)象(object)、變量(instance variables)和方法(methods).ICAL可以使用一個(gè)或多個(gè)ICAL context來(lái)描述ICAL設(shè)備,每個(gè)ICAL context又可以表示為一系列的ICAL object的集合.ICAL object則通過(guò)一系列的ICAL instance variables來(lái)描述;通過(guò)ICAL methods實(shí)現(xiàn)對(duì)ICALinstance variables的操作.

3·3　電力線聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)

通過(guò)電力線傳輸數(shù)據(jù),主要的優(yōu)勢(shì)是覆蓋面廣、使用方便、不用布線、永久在線、施工費(fèi)少、安裝周期短等優(yōu)勢(shì),不需要重新建設(shè)網(wǎng)絡(luò),就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、視頻和電力的“四網(wǎng)合一”.

首先,PLC充分利用現(xiàn)有的低壓配電網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施,無(wú)需任何布線,是一種“No New Wires”技術(shù),節(jié)約了資源.無(wú)需挖溝和穿墻打洞,避免了對(duì)建筑物和公用設(shè)施的破壞,同時(shí)也節(jié)省了人力.這樣PLC技術(shù)可以為用戶提供高速因特網(wǎng)訪問(wèn)服務(wù)、話音服務(wù),從而為用戶上網(wǎng)和打電話增加了新的選擇,有利于其他電信服務(wù)商改善服務(wù)、降低價(jià)格.

其次,PLC對(duì)家庭聯(lián)網(wǎng)也提供支持,是家居自動(dòng)化的生力軍,除了上網(wǎng)、打電話,PLC技術(shù)通過(guò)遍布各個(gè)房間的墻上插座將智能家電聯(lián)網(wǎng),能夠?qū)⒄麄€(gè)家庭的電器與網(wǎng)絡(luò)聯(lián)為一體,在室內(nèi)的設(shè)備之間構(gòu)筑起可自由交換信息的局域網(wǎng),使人們能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)控制自己家里的電器設(shè)備,享用數(shù)字化家庭的舒適和便利.

另外利用PLC技術(shù)還可以進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)讀出水、電、氣表的數(shù)據(jù),可以用一張收費(fèi)單解決用戶生活的所有收費(fèi)項(xiàng)目,節(jié)省大量人力、物力,使公用事業(yè)公司節(jié)省大量費(fèi)用,也極大地方便了用戶.

同時(shí)利用“電線聯(lián)網(wǎng)”永久的在線連接,構(gòu)建的防火、防盜、防有毒氣體泄漏等的保安監(jiān)控系統(tǒng),讓上班族高枕無(wú)憂;構(gòu)建的醫(yī)療急救系統(tǒng),讓家有老人、孩子和病人的家庭更加放心.而且人們還可以享用由PLC技術(shù)帶來(lái)的家庭音頻、視頻網(wǎng)絡(luò),多人對(duì)抗游戲等娛樂(lè).

4　電力線聯(lián)網(wǎng)存在的主要問(wèn)題

電力線聯(lián)網(wǎng)可能嚴(yán)重影響短波無(wú)線電廣播.為了實(shí)現(xiàn)高速傳輸、衰減最小,輸電線用于數(shù)字傳輸?shù)淖罴褌鬏旑l帶是2M-30MHz.這一頻段是國(guó)際上通用的電力線通信的傳輸頻段.據(jù)日本媒體2002年7月的消息,當(dāng)電力線數(shù)據(jù)通信使用2M-30MHz的頻帶傳輸數(shù)據(jù)時(shí),將會(huì)對(duì)該頻段的短波無(wú)線電廣播、業(yè)余愛(ài)好者無(wú)線電臺(tái)等產(chǎn)生重大影響.在電力線調(diào)制解調(diào)器工作時(shí),電力線將會(huì)產(chǎn)生較高的泄漏電波,這將會(huì)變成無(wú)線通信中的噪音.而2-30MHz的頻段集中了海岸電臺(tái)、短波無(wú)線電廣播、固定和移動(dòng)通信短波頻段等眾多用戶.

實(shí)際上,國(guó)際上電磁輻射的標(biāo)準(zhǔn)主要有美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)和歐洲標(biāo)準(zhǔn).歐洲標(biāo)準(zhǔn)比較嚴(yán)格,美國(guó)的比較寬松.

中國(guó)在沒(méi)有制訂出自己的電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)以前傾向于參照美國(guó)標(biāo)準(zhǔn),因此電磁輻射對(duì)于中國(guó)電力線上網(wǎng)的進(jìn)程是否會(huì)有影響并不明確.因?yàn)樵谘芯繒r(shí)為了避免這些干擾,已經(jīng)盡量不占用短波收音機(jī)等使用的窄帶頻率.

另外電力線聯(lián)網(wǎng)還存在如電網(wǎng)穩(wěn)定性、安全性等眾多問(wèn)題困擾.除此以外電力線聯(lián)網(wǎng)還存在的問(wèn)題有:缺乏成熟的PLC技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),提供的速率和服務(wù)質(zhì)量不穩(wěn)定,還有費(fèi)用問(wèn)題等等,因此這一技術(shù)在國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)突破還面臨著一定的問(wèn)題.

電力線聯(lián)網(wǎng)若具備競(jìng)爭(zhēng)力必須降低設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)的高成本,降低資費(fèi)標(biāo)準(zhǔn),提高傳輸速率和傳輸質(zhì)量,否則光依賴電力的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)還很難在短期內(nèi)搶占市場(chǎng).

5　電力線聯(lián)網(wǎng)的前景

近年來(lái),隨著Internet技術(shù)的飛速發(fā)展,登錄上網(wǎng)的人數(shù)成倍增長(zhǎng),采用何種通信方式使用戶終端連接到最近的寬帶網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,成為困擾人們的難點(diǎn)之一,也是Internet普及的瓶頸之一,被業(yè)內(nèi)人士稱為寬帶網(wǎng)絡(luò)接入的“最后一公里”問(wèn)題.利用四通八達(dá)、遍布城鄉(xiāng)、直達(dá)用戶的220V低壓電力線傳輸高速數(shù)據(jù)的PLC技術(shù),以其不用布線、覆蓋范圍廣、連接方便的顯著特點(diǎn),被認(rèn)為是提供“最后一公里”解決方案最具競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)之一.目前高速PLC已可傳輸高達(dá)1M bps以上的數(shù)據(jù),預(yù)計(jì)不久的將來(lái)速率將達(dá)到10Mbps以上,而且能同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、視頻和電力,有可能帶來(lái)“四網(wǎng)合一”的新趨勢(shì)電力線聯(lián)網(wǎng)充分利用現(xiàn)有的配電網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施,無(wú)需任何布線,是一種“No NewWires”技術(shù).可以節(jié)省巨大的新增投資.由于電線通信的費(fèi)用僅為利用光纖通信電纜互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的60%至70%,并且不必支付使用線路費(fèi),從而大大降低了通信費(fèi)用.目前,我國(guó)擁有全世界長(zhǎng)度排名第二的電力輸電線路,全國(guó)500kV和330kV的電力線路長(zhǎng)達(dá)25094·16千米,220kV線路107348·06千米,加上110kV線路共計(jì)310000千米,可繞地球近8圈.我國(guó)目前電話用戶不到3億,但用電用戶已超過(guò)10億,顯然這連接10億用戶的既存電力線是提供上網(wǎng)服務(wù)的巨大物質(zhì)基礎(chǔ),直接在覆蓋全國(guó)的電力網(wǎng)絡(luò)上架構(gòu)互聯(lián)網(wǎng)連接將比現(xiàn)在鋪設(shè)光纖的方式節(jié)省大量的人力和物力.

因此,在未來(lái)的寬帶接入服務(wù)市場(chǎng),電力線聯(lián)網(wǎng)必將占有重要的一席之地.在市場(chǎng)需求旺盛的城市,隨著電力線上網(wǎng)技術(shù)的完善,電力線聯(lián)網(wǎng)將逐步滲透城區(qū)各個(gè)角落,在我國(guó)廣闊的農(nóng)村地區(qū),由于電力網(wǎng)規(guī)模之大,電力線上網(wǎng)也具有一定的優(yōu)勢(shì),是其他任何網(wǎng)都不可比擬的.電力線聯(lián)網(wǎng)作為一個(gè)新生事物進(jìn)軍寬帶市場(chǎng),為百姓上網(wǎng)提供了一個(gè)新選擇,還是極具發(fā)展?jié)摿?它必然推動(dòng)整個(gè)寬帶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與繁榮.