趙丙鎮
摘要:利用遍布城鄉的電力線作為通信介質，在其上構筑高速數據通道，為用戶提供高速互聯網訪問、視頻點播、IP電話等服務，從而形成包括電力在內的"四網合一"，創造出巨大的經濟和社會效益的高速電力線通信技術正日益引起人們的關注。利用該技術，不僅可以組成小區配電變壓器供電范圍內的寬帶接入網，而且可以利用遍布家庭各個房間的電源插座組成家庭局域網，作為其他寬帶接入方式的延伸和補充。由于高速電力線通信利用原有的電力線，不用重新布線，加上220V低壓電力用戶比有線電視、電話用戶普遍得多，電力線高速通信技術擁有其他寬帶接入技術無法比擬的巨大潛在用戶群。本文介紹了該技術的國內外現狀及發展趨勢。
Abstract:PowerLine Communication technology is catching our attention greatly now, which uses the power line as a communication media to create a high speed data channel and supply services such as high speed Internet access, VOD and VoIP, so as to get "four network union" and create great economic and social profit. Using the technology, we can get a broad band access within rang of a distribution transformer as well as a home LAN through outlet of every house. It's a complementarity and extent of other broad band access method. As the high speed powerline communication uses the intrinsic powerline and the number of power users of 220V is much larger than that of CATV and telephone, this technology has a large number of latent users. The developing state and trend of the technology are introduced in this paper.
關鍵詞Key words
低壓配電網--Low voltage distribution network
電力線通信--Powerline communication
寬帶接入--Broadband access
1.簡介
電力線通信(Power Line Communication)技術簡稱PLC，是指利用電力線傳輸數據和話音信號的一種通信方式。電力線通信并不是新技術，已經有幾十年的發展歷史，在中高壓輸電網(35kV以上)上通過電力載波機利用較低的頻率(9-490kHz)以較低速率傳送遠動數據或話音，就是電力線通信技術應用的主要形式之一。在低壓(220V)領域，PLC技術首先用于負荷控制、遠程抄表和家居自動化，其傳輸速率一般為1200bps或更低，稱為低速PLC。近幾年國內外開展的利用低壓電力線傳輸速率在1Mbps以上的電力線通信技術稱之為高速PLC。
近年來，隨著Internet技術的飛速發展，登錄上網的人數成倍增長。然而，采用何種通信方式使用戶終端連接到最近的寬帶網絡連接設備，成為長期困擾人們的難點之一，也是Internet普及的瓶頸之一，被業內人士稱為寬帶網絡接入的"最后一公里"問題。利用四通八達、遍布城鄉、直達用戶的220V低壓電力線傳輸高速數據的PLC技術以其不用布線、覆蓋范圍廣、連接方便的顯著特點，被業內人士認為是提供"最后三百米"解決方案最具競爭力的技術之一。目前高速PLC已可傳輸高達45Mbps的數據，而且能同時傳輸數據、語音、視頻和電力，有可能帶來"四網合一"的新趨勢。
圖1為典型的PLC系統應用示意圖。在配電變壓器低壓出線端安裝PLC主站，將電力線高頻信號和傳統的光纜等寬帶信號進行互相轉換。PLC主站的一側通過電容或電感耦合器連接電力電纜，注入和提取高頻PLC信號；另一側通過傳統通信方式，如光纖、CATV、ADSL等連接至Internet。在用戶側，用戶的計算機通過以太網接口或USB接口與PLC調制解調器相連，普通話機通過RJ-11接口連至PLC調制解調器，而PLC調制解調器直接插入墻上插座。如果PLC高頻信號衰減較大或干擾較大，可以在適當的地點加裝中繼器以放大信號。
圖1 典型的PLC系統應用示意圖
2.背景
隨著電信和電力市場的逐漸開放，電力公司正在尋找支持其在市場上競爭優勢的新方法。高速PLC提供一種無需額外布線、低價高效、從配變抵達每個家庭的"最后三百米"解決方案，這對電力公司是一個極具誘惑的網絡接入解決方案。利用已經存在的電力網設施，電力公司僅需投入較低的PLC設備費用，就可以迅速進入通信和網絡市場，為其創造新的利潤增長點，今天的電力公司完全可能成為明天的電信公司。此外，高速PLC提供的電力增值服務為電力公司節省了大筆的費用，這些服務包括遠方自動抄表、需求側管理、負荷控制、實時計費等。
電力公司提供電信服務，具有十分明顯的優越性。首先其擁有比電信和有線電視多得多的電力用戶、詳盡的客戶信息和費單系統；其次很多電力公司已經建立了深入各中高壓變電站的高速光纖網絡，用于電網監控和用電量信息的內部傳輸，有的電力公司同甚至已將光纖架設到低壓配電變壓器。利用這些基礎設施，加上高速PLC解決"最后三百米"、家庭網絡方案，電力公司投入的費用是極少的，但產生的利潤卻是極為可觀的。
對于不打算自己提供高速PLC服務的電力公司，可以向一個或多個獨立的網絡運營商(如中國電信、中國網通、中國聯通、長城寬帶、藍波萬維等)頒發利用電力公司網絡的許可證，并從中收取一定的網絡租用費。
同其他通信方式相比，高速PLC具有如下優越性。
1)充分利用現有的低壓配電網絡基礎設施，無需任何布線，是一種"No New Wires"技術，節約了資源。無需挖溝、無需穿墻打洞，避免了對建筑物和公用設施的破壞。
2)可以為用戶提供價格低廉的高速因特網訪問服務、IP話音服務，從而使用戶上網和打電話增加了新的選擇，有利于同其它電信服務商的競爭。
3)對家庭聯網提供支持，使人們可以盡享由PLC技術帶來的家庭音、視頻網絡，多人對抗游戲等娛。
4)是家居自動化的生力軍，通過遍布各個房間的墻上插座將智能家電聯網，提前享用數字化家庭的舒適和便利。
5)利用PLC的永久在線連接構建的防火、防盜、防有毒氣體泄漏等的保安監控系統，讓上班族高枕無憂；構建的醫療急救系統，讓家有老人、孩子和病人的家庭倍感方便。
6)遠程自動讀出水、電、氣表數據，為公用事業公司節省大量的抄表費用，也方便了用戶。
7)為電力公司提供負荷控制、需求側管理的新手段，提高電力公司管理水平。
8)電力公司以極低的投資就可以進入ISP、ICP和話音等電信服務市場，成為新的利潤增長點。
9)實現數據、話音、視頻、電力"四網合一"，創造巨大的經濟和社會效益。
表1 高速PLC同其他接入技術的比較
3.國內、外技術發展現狀和趨勢
英國聯合電力公司的子公司Norweb通訊公司在1990年開始對電力線載波通訊進行研究。1995年，該公司又與加拿大Nortel(北電網絡)公司聯手，共同開發這項新技術。1995～1997年的兩年間，Norweb和Nortel公司已經成功地在英國曼徹斯特對20個居民用戶進行了試驗，其中包括話音服務。1997年10月，這兩家公司聲稱已經解決了電力噪聲等問題，取得了電力線載波技術的重大突破，利用新開發的數字電力線載波技術DPL(Digital Power Line，數字電力線)實現了在低壓配電網上進行1Mbps的遠程通訊，從而將四通八達的電力線轉化為信息高速公路。1998年3月25日，成立合資公司NOR.WEB，進行該技術的市場推廣。
從此以后，許多國家的研究機構開展了高速電力線技術的研究和開發，如美國的Intellon、Inari(Intelogis) 公司，以色列的ITRAN、Main.Net公司，韓國的Xeline公司，瑞士的ASCOM公司，德國的Polytrax公司，西班牙的DS2公司等，產品的傳輸速率也從1Mbps發展到2Mbps、14Mbps、24Mbps，甚至45Mbps。表2為當前國際上高速PLC產品的情況。
表2 當前國際上高速PLC廠商和產品狀況
當前，在高速PLC進行商用化運營方面走在前列的是德國公司。早在2000年5月，德國頂級電力公司RWE就開始采用瑞士ASCOM的產品為埃森的電力用戶提供電力線數據服務，數率達到2Mbps。收費方式為，當每月訪問的數據量在250MB以內時，用戶需支付22歐元。截至2001年10月，RWE電力線通信公司大致安裝了1500個電力線上網用戶。2002年10月，RWE放棄了進一步推廣高速PLC的計劃，其主要原因被認為與公司的特定市場環境、商業模式以及戰略選擇有關。
在德國的曼海姆，當地的能源公司MVV采用以色列Main.Net公司的產品進行了商用化運營實驗，并為此成立了合資公司PPC (Power PLUS Communications AG)。最近，ABB通過購買股權的方式，成為PPC的戰略伙伴。PPC可以為每個終端用戶提供350kbps ~1.2Mbps的帶寬，典型小區的用戶數為250到300戶，最大傳輸距離為500米，一般的典型傳輸距離為150~180米。目前在曼海姆已經擁有45,000個用戶，并期望在2003年底這一數字達到120,000，將2006年的目標定為500,000戶。PPC推出的PLC服務品牌為"VYPE"，初裝費119歐元，用戶可得到一個用戶終端、5個郵件地址和5兆的網頁空間。普通家庭的月租費為14.90歐元，每兆字節的收費為3.3歐分。包月家庭用戶每月的費用為24.90歐元。
迄今為止，只有德國在埃森和曼海姆的兩個電力線高速通信網絡投入商用化運營，其他國家均在試點之中。其主要原因首先是法律上的，德國在2001年4月通過了一個法令，允許在電力線上經營Internet服務和電信服務，并制定了相應的規范NB30。在美國，高速PLC主要用于家庭內部聯網，實現網絡接入點的移動性，并要求高速PLC產品遵循FCC 15規范。
自從英國誕生高速PLC技術以后，我國的研究機構也進行了相應的研究，取得了一定的成果。中國電力科學研究院自1999年開始從事高速PLC的研究工作，開發了2Mbps、14Mbps、45Mbps等高速PLC系列產品。并于2001年8月起在沈陽電業新村小區建立了我國第一個高速PLC實驗網絡，開通了基于該網絡的數字化社區。福建電力試驗研究院基于家庭插電聯盟標準，研制了10Mbps電力線調制解調器。
從2001年12月起，國電通信中心開始組織國內外廠商在北京的一些小區開展電力線上網實驗。包括廣華軒小區的韓國Xeline公司14Mbps產品、華景園小區的瑞士ASCOM公司4.5Mbps產品(含IP電話功能)、善果小區的福建電力試驗研究院10Mbps產品、岳峰園小區的美國Leap公司14Mbps產品、椿樹園小區16號樓的西班牙DS2公司45Mbps產品，以及華能平淵里小區3號樓中國電力科學研究院的14Mbps產品等。
隨著高速PLC研究的進一步深入，該技術也在不斷發展中。一方面，高速PLC技術正在向更高速率的方向發展，西班牙DS2公司繼推出45Mbps PLC芯片后，目前正在研制更高速率100Mbps，甚至200Mbps的芯片，預計將于2003年底前交付開發商使用。而Intellon公司也計劃于2003年推出速率高達54Mbps的芯片。
另一方面，隨著技術的發展，利用位于中壓變電站和低壓配電變壓器之間的中壓(10kV)配電網傳輸高速(高于10Mbps)數據信號的設想也日益引起人們的重視，每條地埋中壓電纜都可以被用于高速骨干網。最近的研究表明，地埋中壓電纜的通道特性不亞于同軸電纜。如果能夠解決中壓配電網高頻傳輸中的一些特殊問題(如補償電容旁路，阻抗匹配等)，就可以充分利用現有資源，用中壓配電網部分取代光纖、同軸電纜或雙絞線作為(寬帶骨干)通信網，可以為電力公司提供一個新的、極富前景的經濟增長點。
4.相關國際組織
電力線高速通信的國際組織主要有家庭插電聯盟HPA(HomePlug Powerline Alliance)、電力線通信論壇PLC Forum、PALAS (Powerline as an Alternative Local AccesS)、以及日本的ECHONET。
由思科、英特爾、惠普、松下和夏普等13家公司組成的家庭插電聯盟成立于2000年4月，致力于創造共同的家用電力線網絡通信技術標準。目前HPA現已發展成為由90家公司組成的企業集團，并選用美國Intellon公司的技術作為統一技術標準的原型。2001年6月，HPA發布了其標準的第1個版本Home-Plug Specfication1.0，將數據傳輸速率定為14Mbps，采用OFDM調制解調技術，MAC層協議為CSMA/CA。該標準定位于家庭內部網絡應用，對戶外高速電力線接入較少涉及。
PLC Forum于2000年3月23日在瑞士成立。它的72個成員來自三大洲的18個國家，包括著名的Alcatel Microelectronics、Ascom Management AG、CISCO Communications、Enikia、Nortel Networks、Polytrax Information Technology AG等公司。論壇的目標是為所有對PLC感興趣的制造商、客戶、研究人員以及政府機構提供一個平臺，促進他們交流和豐富有關PLC的知識。該論壇的市場目標是提供包括戶外接入和戶內聯網在內全面PLC解決方案。PLC Forum不制定標準，但致力于將會員的提議提交給國際標準化組織，促使其成為標準。PLC Forum的目標是使用PLC為大眾提供端到端的寬帶服務。
HPA和PLC Forum的目標各有千秋，兩者之間的工作大約有40%是重疊的，HPA偏重于室內聯網，而PLC Forum則側重于接入部分，它們使用不同的頻段。另一個區別在于，PLC Forum主要與電力公司打交道，因為室外部分是電力公司的財產；而家庭內部的電力線不屬于電力公司，所以HPA主要針對用戶進行工作。考慮到頻率劃分的兼容性問題，PLC Forum提出了對戶內外使用頻率的劃分建議，目前已得到ETSI的支持。目前該組織正致力于放寬對PLC的電磁輻射限值，并納入國際標準。
PALAS將目標定位于為高速PLC市場上的潛在用戶開發一套完整的、商業化的測試服務工具包，該工具包包括技術模擬和咨詢工具、最初的商業和轉型服務模型以及具體的產品策略。除此之外，PALAS還提供一套綜合方法，以減少產品面市的時間，增強產品在市場、技術、組織和經濟問題上的確定性。
2001年，日本60家有關企業設立了聯合機構"電力線載波通信設備開發會"，研究用電力線作通信線路的技術。
當前高速PLC技術主要有兩種發展模式：其一為以美國為代表的家庭聯網模式。這種模式的PLC只提供家庭內部聯網，戶外訪問使用其它傳統的通信方式。這一方面是由于美國ADSL、HFC等技術和產品已經比較成熟和普及，更重要的是由于美國的低壓配電變壓器一般為單相，平均只為5～6個用戶提供供電服務，推廣高速PLC接入技術成本過高的緣故。目前室內產品的較高速率是Intellon公司的PowerPacket達到14Mbps；另一種模式是面向歐洲和亞太市場的，因為這些地區的低壓配電網結構比較類似，一般為200～300個用戶提供供電服務，推廣高速PLC接入服務平均成本較低。該應用模式提供自配電變壓器或樓邊至用戶家庭的全面PLC解決方案。由于室外產品同室內產品的使用環境不同，技術上實現起來難度較大，因此能夠提供該種方案的公司數量較少，主要有西班牙DS2公司、瑞士Ascom公司、以色列Main.Net公司等。這幾家公司在歐洲的西班牙、德國、奧地利、法國和亞洲的韓國、新加坡、香港等國家和地區建有實驗網絡。
5.有關標準
電力線相當于一根天線，它一方面將產生的電磁波向外輻射，另一方面吸收來自外界的電磁波。由于電力線通信產生的電磁波同短波收音機共用頻段，它們之間會互相產生干擾，為了避免這種干擾，有必要制定一些標準和規范。目前世界上僅有英國的MPT1570、德國的NB30是專門針對高速PLC通信制定的法規。加上美國的通用電磁兼容標準FCC15，實際上高速PLC現有三個電磁兼容標準。三個標準中，FCC15最為寬松，NB30次之，MPT1570最為嚴格。
圖2 FCC15、NB30及MTP1570電磁輻射限值比較
德國多特蒙德大學的研究表明，在64臺計算機同時使用五類雙絞線上網時產生的電磁輻射都已經超過了NB30標準的限值，可見該標準限值的設定不是十分科學。
圖3 64臺計算機同時訪問時產生的電磁輻射曲線
通過和美國的FCC15比較，德國規定的缺點是顯而易見的。例如，在2MHz左右時，美國限值比德國的建議限值要高30dB，這就意味著傳送功率高1000倍或者可能的數據傳輸速率大約高10倍。在這一先決條件下，就不會奇怪第一個速率在10Mbps以上的PLC系統產生于美國了。與美國相比，目前德國的限值已經成為PLC系統發展的嚴重障礙。一些國際組織如PLC Fourm正在致力于推翻該標準。
英國的情況更糟，因為其建議的限值更低，一般比德國的NB30低20dB左右，這大體上相當于將可能的傳輸速率打了六折。在這種環境下，不能指望電力公司對PLC技術進行投資。此外，從技術方面考慮這樣低的限值也有很大的問題，通常有線電視、計算機網絡、甚至電話線的電磁輻射都會超過這些限值。
6.結束語
據來自PLC Forum的統計，目前在全球范圍內共分布著超過60個PLC現場實驗點，連接了數千個付費用戶。我國的高速PLC實驗在國電通信中心的精心組織下正在有序進行，預計今年將會有近2000個用戶通過電力線上網沖浪。相信隨著技術的不斷進步，我們將迎來電力線高速通信光輝燦爛的明天！
參考文獻
[1]www.intellon.com
[2]www.plcforum.com
[3]www.homeplug.com
[4]www.ds2.es
[5]趙丙鎮、王麗平、許勇剛《高速PLC技術及其應用》，中國電機工程學會電力通信專業委員會第四屆學術會議論文集，2000年9月
[6]趙丙鎮、王麗平《高速PLC技術應用前景十分看好》，中國電力報，2001年10月25日
作者簡介
趙丙鎮：男，1971年出生。1994年畢業于武漢水利電力大學電力系，2000年獲中國電力科學研究院電力系統及其自動化專業碩士學位。現任中國電力科學研究院通信與信息技術公司電力線通信部經理。曾從事電力通信網規劃、設計、監控，計算機網絡、數據通信、配網自動化等方面的研究工作，自1998年起開始從事電力線高速通信技術研究，作為項目負責人主持了國家電力公司科技項目《低壓配電網(220V/380V)復合通信方式研究》和《實用化45Mbps高速PLC的研究和開發》。
