雨 田
摘要：分別從網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)組成、安全性與私密性、傳輸距離與覆蓋范圍、小區(qū)間干擾、信號耦合方式與安裝幾方面介紹了歐洲寬帶電力線通信(PLC)接入系統(tǒng)的一個實例。現(xiàn)場試驗表明，PLC系統(tǒng)室外部分使用低頻段，室內(nèi)部分使用高頻段可解決通路損耗與電磁兼容性問題；時分多址和時分雙工將成為比較好的候選技術(shù)；在無中繼器情況下，最大室外傳輸距離可達250-300m；保證相鄰PLC系統(tǒng)之間上行時隙和下行時隙的同步能解決鄰室PLC系統(tǒng)間的干擾問題；選擇適當?shù)男盘栺詈戏绞綄Λ@得良好覆蓋十分重要。
作為有一種成本有效的最后1英里接入技術(shù)，帶寬電力線通信(PLC)近幾年引起了業(yè)界極大的關(guān)注。它通過低壓電力線向住宅用戶和企業(yè)用戶提供數(shù)據(jù)和話音業(yè)務。目前全世界已經(jīng)有若干種PLC系統(tǒng)在進行現(xiàn)場試驗。在歐洲、德國、西班牙、法國、奧地利和瑞士都開始大規(guī)模現(xiàn)場試驗。PLC接入網(wǎng)一般都覆蓋從變電站到用戶住宅的公共區(qū)域(室外)和用戶家庭的私人區(qū)域(室內(nèi))兩部分。可用于通信的頻譜在1-30MHz之間。在此頻譜范圍內(nèi)，室外部分通信通常使用較低頻率，室內(nèi)部分通信使用較高頻率。大多數(shù)系統(tǒng)能提供的最高純數(shù)據(jù)速率為幾兆比特每秒以上世界各國都在準備迎接這一挑戰(zhàn)。本文主要介紹歐洲的一種電力線接入系統(tǒng)，以饗讀者。
網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)組成
為了橋接變電站至用戶住宅電氣插座的最后1英里，必須把低壓配電網(wǎng)分成室外PLC和室內(nèi)PLC 兩部分。這是因為整條通路的損耗通常非常高，在滿足電磁兼容(EMC)要求給出的電力限制情況下，只有大約10%的用戶才能享有直接由單跳鏈路提供的服務。
室外部分包括從變電站到住宅接入點(HAP)的公共區(qū)域，室內(nèi)部分系指從HAP到家里電氣插座的私人區(qū)域。這里介紹的PLC系統(tǒng)是一個集中式的主/從體系結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)反映了電力線網(wǎng)絡拓撲和點到多點網(wǎng)絡流向的特性。室外主控器(OM)通常安裝在變電站，它控制用戶住宅的室外接入點(OPA)。為了覆蓋遠處的建筑物，還要有一個室外中繼器(OR)。
在每一住宅內(nèi)，都有一個獨立的室內(nèi)PLC部分，它由室內(nèi)控制器(IC)進行控制。IC的控制對象是室內(nèi)適配器(IA)，IA給最終用戶提供標準網(wǎng)絡接口(如以太網(wǎng)、UBS和模擬電話線等接口)。室內(nèi)外的PLC通過OAP與IC之間的以太網(wǎng)鏈路進行連接。OM為主干連接提供以太網(wǎng)接口。主干連接普遍使用光纖和數(shù)字用戶線(DSL)。對于無線有電信基礎設施的變電站，可以使用中等電壓PLC作為代替方案。
室外PLC使用1-10MHz的低頻段，室內(nèi)PLC使用15-30MHz的高頻段。每一頻段能容納3個載波，每載波帶寬約為2MHz。載波頻率的分配基于一下考慮：
*與原有重要的廣播與業(yè)余無線電業(yè)務的頻率共存；
*頻率低意味線路損耗小，適宜于室外使用，以便覆蓋最大范圍；
*室外與室內(nèi)頻率要有足夠隔離度，使室外系統(tǒng)在非常靠近時(例如OAP與IC)不用協(xié)調(diào)即能同時工作；
*室內(nèi)距離一般短于室外距離，故室內(nèi)可以使用較高的頻率，而且電氣設備在較高頻率時產(chǎn)生的信道噪聲比低頻時小得多；
*由于在高頻時不同相之間得串話特性較好，每一相得信號和質(zhì)量幾乎相同，故室內(nèi)系統(tǒng)的性能較少受服務于IA的不同相或網(wǎng)絡分支的影響。
PLC協(xié)議包括物理層(PHY)、媒體接入控制層(MAC)、邏輯鏈路控制層(LLC)、以及與標準以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路控制的橋接功能。
PLC-PHY基于GMSK調(diào)制，并采用判決反饋均衡(DFE),以處理多徑擴散。為了掩蓋脈沖噪聲，DFE與軟判決算法配合使用，通過調(diào)整卷積碼的碼率每載波可以提供3種不同的用戶數(shù)據(jù)數(shù)率。碼率與載波的選擇將適應于下行鏈路(主到從)和上行鏈路(從到主)兩個方向上的信道情況以及每個主/從鏈路的信道情況。
PLC-MAC的設計基于需求驅(qū)動的動態(tài)頻率與時間分割。在每一載波上，時間被分成幀與時隙。主控器每幀向被控部分指配一次發(fā)送載波和接受載波以及時隙。因此，在每幀的基礎上，在PLC工作用戶之間可以動態(tài)共享的最大累計吞吐量為4.5Mbit/s。由于鏈路按時分雙工方式工作，故每一頻率都將在兩個方向上使用。這保證了具有頻率高度相關(guān)通路損耗之傳輸媒體內(nèi)的鏈路對稱性。
PLC-LLC為以太網(wǎng)橋提供可靠穩(wěn)固的分組傳輸。為了恢復PLC鏈路級上被污染的LLC數(shù)據(jù)塊，采用了選擇性自動重復請求(ARQ)方案。此專門的糾錯方案明顯降低了TCP/IP的分組丟失率。
在試驗中，支持4種業(yè)務優(yōu)先等級：話音、金、銀、盡力而為。在重載系統(tǒng)中，載吞吐量和時延方面，高優(yōu)先級業(yè)務的性能將優(yōu)于低優(yōu)先級業(yè)務。
安全性和私密性
因為電力線是一種共享媒體，獲取數(shù)據(jù)和監(jiān)視數(shù)據(jù)是非常容易的，因此要求加密。在本系統(tǒng)現(xiàn)場試驗中，是用Rivest,s Cipher 4(RC4)來完成加密的，最大可能密匙長度為128為。它在加密力度與數(shù)據(jù)處理要求之間提供了很好的折中。密匙的交換服從Diffie-Hellman算法。
當每一PLC節(jié)點完成以太網(wǎng)橋接功能后，PLC系統(tǒng)就相當于一個具有以太網(wǎng)透明接口的局域網(wǎng)。為了保護在同一PLC網(wǎng)中的兩臺計算機之間不發(fā)生非法接入，系統(tǒng)支持符合IEEE802.1Q標準的虛擬局域網(wǎng)(VLAN)。為了讓終端能夠使用共享的電力線，把PLC節(jié)點分配到不同的VLAN組，就要為對屬于同一用戶的PLC節(jié)點分配相同的VLAN身份號(VLAN ID)。因此，進入電力線網(wǎng)的每一以太網(wǎng)幀將標有VLAN ID。PLC只橋接具有相同VLAN ID的以太網(wǎng)幀，而其它幀將被丟棄。
傳輸距離與覆蓋
通路損耗和本地噪聲是限制室外傳輸距離的主要因素。通路損耗取決于電纜類型、電纜長度、耦合適配、分支數(shù)量和路邊配電盒數(shù)量等。一般，通路損耗隨著頻率和距離的增加而增加。但另一方面，電力線噪聲卻隨著頻率在-80--65dBm/MHz之間變動。
對覆蓋范圍只能按概率方法進行估測。對3個獨立室外載波(2.4、4.8、8.4、MHz)的覆蓋范圍估測。它基于通路損耗模型，此模型是根據(jù)從歐洲不同室外網(wǎng)收集的統(tǒng)計數(shù)據(jù)推導、并假設按對數(shù)線性距離定律和對數(shù)正態(tài)分布(標準偏差為12dB)得到的。按此估測，當使用2.4MHz載波時，成功連接距主控站200m的用戶的概率大于90%，考慮到這3個載波的通路損耗是部分相關(guān)的，故在250m時，至少有一個載波的覆蓋概率可以達到90%。為了延長傳輸距離，可以使用OR。OR與OM分享頻率資源，可以安裝在路邊配電盒內(nèi)。用戶住地的OAP除了具有網(wǎng)關(guān)功能外，也可承擔中繼功能。
室內(nèi)的覆蓋統(tǒng)計數(shù)據(jù)標明通路損耗與距離之間只有適度的相關(guān)性。通路損耗主要取決于沿信號通路的配電分支數(shù)量，數(shù)量可以根據(jù)采用簡單對數(shù)正態(tài)分布的隨機模型、標準和平均偏差，視建筑物而定。現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，只要安裝適當，在室內(nèi)90%以上的電氣插座都可以被覆蓋。
小區(qū)間干擾
理論上，重復使用頻率的相鄰PLC系統(tǒng)相互之間是會產(chǎn)生干擾的(即小區(qū)間干擾)。在室外網(wǎng)絡中，估計在小區(qū)的邊緣會發(fā)生這種干擾，這主要是由電纜末端(位于路邊配電盒或鏈路盒)的殘余串話造成的。但實際在室外很少發(fā)生小區(qū)間干擾。
室內(nèi)相鄰PLC系統(tǒng)之間的干擾是主要問題。在許多情況下，在相鄰IC之間室外通路的損耗是接近或者小于室內(nèi)鏈路損耗的，所以在小區(qū)之間對上行時隙盒下行時隙的使用進行協(xié)調(diào)，就可把IC之間的干擾減至最小。按此概念，可以把一個IC定義為一組潛在干擾IC的同步主控器。降低小區(qū)間干擾的另一方法是把IC耦接在配電表盤之后。
耦合與安裝
在三相電力線網(wǎng)中，可以利用相到中性線的耦合方式。一般講，相到相耦合方式較好，產(chǎn)生的輻射較小。
電感耦合盒電容耦合方式都可以使用。電感耦合可以利用鐵氧體等高飽盒環(huán)形磁心來完成。咬接在電力線一金屬線上的鐵氧體磁心相當于一個單匝高頻變壓器。在低阻抗(電流最大)的地方應該使用電感耦合，而在高阻抗(電壓最大)的地方則應使用電容耦合。電容耦合是比較適用于變電站的技術(shù)，尤其是當電流額定值高于200A、空間受限制、幾條饋電線必須得到同樣好的服務的時候。
對配電盤小巧的變電站來說，單點耦合到匯流條是比較適當?shù)慕鉀Q辦法。對配電盤笨、大并有多條(6-10條)饋電線的老式變電站而言，采用多饋電線耦合技術(shù)(使用電力分合器S/C)比較有利。
如果只為一個家庭服務，OAP和IC聯(lián)合電容耦合就是優(yōu)選的辦法，因為這樣做比較簡單。在有多個住戶的住宅里，則在配電表之后采用多點電感耦合可以旁路樓里的配電系統(tǒng)。在較大的多層建筑里，通常的做法是在中間樓層的立管處連接OAP和IC。這在室外通路損耗與室內(nèi)通路損耗之間能夠取得較好的平衡，因為在人口較密的住宅區(qū)，室外電力線部分一般是較短的。
總之，選擇合適的耦合方式對覆蓋范圍是十分重要的。正確的耦合方式可以減少10-30dB的通路損耗。在安裝方面多下功夫一定會獲益。
從歐洲電力線網(wǎng)絡的一個現(xiàn)場試驗系統(tǒng)獲得的統(tǒng)計數(shù)字。改系統(tǒng)包括153個室外網(wǎng)絡和342個室內(nèi)網(wǎng)絡就需要一個中繼器，對于OM信號的連接，通常采用多饋電線電容耦合。OAP和IC則分別連接至電力線。有10%的情況需要在相鄰室內(nèi)PLC系統(tǒng)之間進行協(xié)調(diào)，以避免干擾。
結(jié)語
以上分別從網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)組成、安全性與私密性、傳輸距離與覆蓋范圍、小區(qū)間干擾、信號耦合方式與安裝幾方面介紹了歐洲寬帶PLC接入系統(tǒng)的一個實際例子。
