丁國華 李鳴華術(shù)
摘 要 論文介紹了利用遍布城鄉(xiāng)的電力線作為通信介質(zhì)，在其上構(gòu)筑高速數(shù)據(jù)通道，為用戶提供高速互聯(lián)網(wǎng)訪問、視頻點(diǎn)播、IP電話等服務(wù)。敘述了利用電力線通信（PLC）這一技術(shù)將電腦、電話、音響、電冰箱等家用電器連成一體，實(shí)現(xiàn)集中控制，也可以連接多臺電腦，構(gòu)造家庭局域網(wǎng)。還具有自動抄表、家庭遠(yuǎn)程監(jiān)控、醫(yī)療急救、防火、防盜等功能，以及應(yīng)用范圍廣、速率高、安裝方便、使用靈活等優(yōu)點(diǎn)。論文還討論了PLC的有關(guān)技術(shù)及應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞 電力線通信 寬帶接入 電力貓
1 引言
從1999年起，電科院就開始對高速PLC進(jìn)行研究，并在2001年8月，在沈陽建立了第一個實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)。又從2001年12月起，國電通信中心開始組織國內(nèi)外廠商在北京居民區(qū)開展PLC應(yīng)用試驗(yàn)，這些公司包括韓國的Xeline（14Mb/s系統(tǒng)）、瑞士ASCOM公司（4.5Mb/s系統(tǒng)）、美國Leap公司（14Mb/s）、西班牙的DS2公司.福建電力試驗(yàn)研究院（10Mb/s系統(tǒng)），以及電科院（14Mb/s系統(tǒng)）等。隨著研究的深入，PLC也向更高速率發(fā)展。例如將速率提高到100Mb/s，甚至200 Mb/s。屆時，高速PLC將為寬帶接入通信作出更大貢獻(xiàn).本文試圖從高速PLC的主要技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式、主要優(yōu)勢、存在問題等方面對這一技術(shù)的發(fā)展和未來進(jìn)行闡述。
2 電力線通信的主要技術(shù)
近幾年國內(nèi)外開展的利用低壓電力線傳輸，其速率在1Mb/s以上的PLC技術(shù)，稱為高速PLC。高速PLC利用1.6M~30M頻帶范圍傳輸信號。在發(fā)送時，利用GMSK（高斯濾波最小頻移鍵控）或OFDM（正交頻分多路復(fù)用）調(diào)制技術(shù)將用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，把載有信息的高頻加載于電流,然后在電力線上進(jìn)行傳輸；在接收端，先經(jīng)過濾波器將調(diào)制信號取出，再經(jīng)過解調(diào)，就可得到原通信信號, 并傳送到計算機(jī)或電話，以實(shí)現(xiàn)信息傳遞。目前可達(dá)到的通信速率依具體設(shè)備不同在4.5M~45M之間。PLC設(shè)備分局端和調(diào)制解調(diào)器，局端負(fù)責(zé)與內(nèi)部PLC調(diào)制解調(diào)器的通信和與外部網(wǎng)絡(luò)的連接。在通信時，來自用戶的數(shù)據(jù)進(jìn)入調(diào)制解調(diào)器調(diào)制后，通過用戶的配電線路傳輸?shù)骄侄嗽O(shè)備，局端將信號解調(diào)出來，再轉(zhuǎn)到外部的Internet。該技術(shù)在不需要重新布線的基礎(chǔ)上，在現(xiàn)有電線上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、語音和視頻等多業(yè)務(wù)的承載，也就是實(shí)現(xiàn)四網(wǎng)合一。終端用戶只需要插上電源插頭，就可以實(shí)現(xiàn)因特網(wǎng)接入，電視頻道接收節(jié)目，打電話或者是可視電話。
LC傳輸技術(shù)，是為提供端到端接入而設(shè)計的。它貫穿了從家用電源插座和最終用戶終端到電信網(wǎng)絡(luò)的入口點(diǎn)。PLC技術(shù)利用室內(nèi)電源線網(wǎng)絡(luò)將IP包從用戶PC傳送至一個家庭室內(nèi)入口點(diǎn)的集成器，在這一入口點(diǎn)，另外一個傳輸段利用低壓配電網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸至同時為多個家庭提供電源的變壓器。PLC技術(shù)主要包括以下幾個要素：
（1）電力線網(wǎng)絡(luò)單元（PNU）
PNU負(fù)責(zé)控制電力線網(wǎng)絡(luò)并從單元配電網(wǎng)集成話務(wù)。通過適當(dāng)?shù)?a class="channel_keylink" href="/search.asp">電信干線接口，PNU再將話務(wù)傳至饋電網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)饋電網(wǎng)絡(luò)中使用的不同介質(zhì)，PNU也可轉(zhuǎn)換來自低壓配電網(wǎng)的數(shù)據(jù)話務(wù)。
（2）電源線網(wǎng)絡(luò)終端（PNT）
PNT為最終用戶PC或其它用戶提供適當(dāng)?shù)慕涌冢缫蕴W(wǎng)或是USB。為了降低成本，這一獨(dú)立設(shè)備能夠和PC或其他設(shè)備相集成。
（3）耦合設(shè)備（CouplingUnit）
耦合設(shè)備是將信號傳入線路并過濾噪音的。目前它還是一個使用插銷插入電插座的相對獨(dú)立的設(shè)備，今后它可能會和PLC調(diào)制解調(diào)器集成于一體。這個集合體有一天將使 PC可能直接在網(wǎng)上運(yùn)行。
（4）正交頻分多路復(fù)用技術(shù)（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM技術(shù)）
電力線上網(wǎng)采用的是這種多路復(fù)用技術(shù)，可以提高電力線網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量。它是一種多載波調(diào)制技術(shù)。傳輸質(zhì)量的不穩(wěn)定意味著電力線網(wǎng)絡(luò)不能保證如語音和視頻流這樣的實(shí)時應(yīng)用程序的傳輸質(zhì)量。然而對于傳輸突發(fā)性Internet數(shù)據(jù)流，它卻是個理想的網(wǎng)絡(luò)。即便是在配電網(wǎng)受到嚴(yán)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，而且適當(dāng)?shù)募m錯技術(shù)可以確保可靠的數(shù)據(jù)傳輸。
2 電力線通信的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式
近期，國電科技推出了200Mb/s高速PLC通信系統(tǒng)，這是我國電力通信工作者多年努力的結(jié)果。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低等特點(diǎn)，而且這種電力線通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)支持兩種模式，一種是主從式網(wǎng)絡(luò)，即在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有一主節(jié)點(diǎn)（access master），其他的PLC 終端（如：access slave、repeater）作為從節(jié)點(diǎn)，所有從節(jié)點(diǎn)間不能直接通信，從節(jié)點(diǎn)間的通信均通過主節(jié)點(diǎn)來完成；另一種是對等網(wǎng)絡(luò)，即網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有設(shè)備（In-home）都是平等的，他們之間是直接通信的。這種方式多用于小范圍內(nèi)組網(wǎng)的應(yīng)用，如家庭內(nèi)部組網(wǎng)。
200M電力線通信有以4種工作模式：
① 頭端路由器（access master）
② 用戶終端（access slave）
③ 轉(zhuǎn)發(fā)器（repeater）
④ 家用終端（In-home）
現(xiàn)分別介紹他們：
（1）頭端路由器
頭端路由器是PLC網(wǎng)絡(luò)的主控節(jié)點(diǎn)屬公用設(shè)備，它通常位于中壓/低壓變壓器附近，負(fù)責(zé)管理控制每個與它直接通信的PLC設(shè)備，并負(fù)責(zé)進(jìn)行外部寬帶網(wǎng)與PLC網(wǎng)絡(luò)之間的信息交換。
（2）用戶終端
用戶終端是PLC網(wǎng)絡(luò)的從節(jié)點(diǎn)，它是用戶通信終端設(shè)備，通常位于用戶的電源插座附近。CPE的通信必須通過頭端路由器管理。
（3）轉(zhuǎn)發(fā)器
轉(zhuǎn)發(fā)器分為時分轉(zhuǎn)發(fā)器與頻分轉(zhuǎn)發(fā)器兩種，時分轉(zhuǎn)發(fā)器由單個PLC通信模塊構(gòu)成，轉(zhuǎn)發(fā)前后的信號都工作在同一頻段，但轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送不能同時進(jìn)行。而頻分轉(zhuǎn)發(fā)器由兩個PLC通信模塊，并它們工作在不同的頻段。其中一個PLC通信模塊與在轉(zhuǎn)發(fā)前的設(shè)備工作在同一頻段，并負(fù)責(zé)于其通信，另一個PLC通信模塊與轉(zhuǎn)發(fā)后的設(shè)備工作在同一頻段，并負(fù)責(zé)于其通信，轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送能夠同時進(jìn)行。
（4）家用終端
家用終端只能應(yīng)用對等網(wǎng)絡(luò)，任何一個支持用戶終端模式的200M PLC設(shè)備都可工作在家用終端模式，但當(dāng)設(shè)備在家用終端模式時，它只能與其他家用終端或轉(zhuǎn)發(fā)器進(jìn)行通信。而不能與頭端路由器、用戶終端通信。
3 電力線通信的主要優(yōu)勢
電力線上網(wǎng)充分利用現(xiàn)有的配電網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，無需任何布線，是一種“No NewWires”技術(shù)。可以節(jié)省了巨大的新增投資。目前，我國擁有全世界長度排名第二的電力輸電線路，全國500kV和330kV的電力線路長達(dá)25094.16Km，220Kv線路107348.06Km，加上 110Kv線路共計310000Km，可繞地球近8圈。我國目前電話用戶不到3億，但用電用戶已超過 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。
用PLC上網(wǎng)需要增加的設(shè)備有兩種：PLC的局端設(shè)備以及PLC調(diào)制解調(diào)器。其中，PLC調(diào)制解調(diào)器放置在用戶家中，局端設(shè)備一般放置在樓宇的配電室內(nèi)。隨著上游芯片廠商在14M產(chǎn)品技術(shù)上相對成熟，目前PLC設(shè)備的整體投入在不斷下降，當(dāng)前14M的PLC Modem 產(chǎn)品，其成本價已經(jīng)降低到與ADSL貓相仿的水平，而局端設(shè)備則便宜很多。由于一般一個局端拖帶PLC調(diào)制解調(diào)器的規(guī)模為20～30臺，因此，隨著用戶的增長，局端設(shè)備可以隨時進(jìn)行動態(tài)增加。這一點(diǎn)對于運(yùn)營商來說就意味著，他可以不必在設(shè)備采購初期投入巨大的資金。因此也有寬帶網(wǎng)絡(luò)接入“最后一公里”最具競爭力的解決方案之稱。利用電力上網(wǎng)全天候在線的特點(diǎn)，可輕松實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、語音、視頻以及電力于一體的“四網(wǎng)合一”！更可以在智能家用電器控制、數(shù)字化社區(qū)服務(wù)、小區(qū)安防等領(lǐng)域大顯身手。
電力線接入不僅僅應(yīng)用于室外，而且能夠?qū)彝ヂ?lián)網(wǎng)提供支持，提供高速的家庭網(wǎng)解決方案，人們可以盡享由PLC技術(shù)帶來的家庭音、視頻網(wǎng)絡(luò)，多人對抗游戲等娛樂。它又是家居自動化的能手，通過遍布各個房間的墻上插座將智能家電聯(lián)網(wǎng)，提前享用數(shù)字化家庭的舒適和便利。
4 電力線通信存在的缺點(diǎn)
（1）存在衰減
在家庭的不同插座接入計算機(jī)，上網(wǎng)速度會不同，當(dāng)你的計算機(jī)所接的插座和電表之間有大功率電器（如空調(diào)）開啟會影響網(wǎng)速。這并不意味著PLC技術(shù)存在問題，因?yàn)橐呀?jīng)有相應(yīng)的設(shè)備去解決這一問題了，通信研究所的帶寬穩(wěn)定裝置就是一種。
（2）大部分情況下，PLC數(shù)據(jù)需要通過電表傳輸，帶寬往往在這里產(chǎn)生非常大的衰減，這成為PLC的主要技術(shù)瓶頸之一
PLC的帶寬是否在電表處形成衰減，主要問題在于電表的設(shè)計，而不是PLC自身的技術(shù)因素，不同電表設(shè)備提供商的電表設(shè)備是不同的，主要是電容器的位置問題，特別是對于電容器置前的電表產(chǎn)品，由于會使高頻信號發(fā)生短路。
（3）噪聲大、安全性低
出現(xiàn)這種情況的主要原因在于，電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施并不具備提供高質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的功能，而且，由于家庭電器產(chǎn)生的電磁波會對通信產(chǎn)生干擾，所以使用電力線進(jìn)行通信時經(jīng)常會發(fā)生一些不可預(yù)知的錯誤，不過這些問題已經(jīng)在努力解決之中。另外，由于電力線進(jìn)行上網(wǎng)服務(wù)是一種“共享帶寬”（shared bandwidth）技術(shù)，所以用戶上網(wǎng)時的速度，會取決于當(dāng)時有多少用戶上網(wǎng)。
（4）利用電力線上網(wǎng)的信息安全問題
因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施和使用特性決定了它是一個開放性結(jié)構(gòu)，雖然采用了技術(shù)保護(hù)措施，但還不能保證其信息的安全。其次，還存在著帶寬的拓寬問題。雖然，利用電力線上網(wǎng)信息傳送速度可能達(dá)到10Mbps左右，但相對于比較成熟的以太網(wǎng)接入技術(shù)，電力線上網(wǎng)技術(shù)必須尋求寬帶拓寬的空間。因?yàn)橐蕴W(wǎng)接入技術(shù)的帶寬拓展性非常好，它的帶寬可以拓寬到100M，甚至1000M。如果電力線上網(wǎng)不能解決帶寬的拓展問題，在與其它接入方式的市場競爭中就會有被淘汰的危險。
（5）不能解決傳輸帶寬的問題
PLC與電話線上網(wǎng)從本質(zhì)上來講并沒有區(qū)別，都是利用銅線作為傳輸媒質(zhì)。而銅線上網(wǎng)的最大問題就是不能解決傳輸帶寬的問題，這是電力線上網(wǎng)面臨的首道關(guān)卡。雖然 PLC試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)接入速度較快，不但遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通撥號和ISDN，也已超過ADSL，上網(wǎng)桌面速率達(dá)到2Mb/s。但這個速度只是理想情況下的最高速度，若同一地區(qū)多個用戶同時上網(wǎng)，則數(shù)據(jù)傳輸速度將會相應(yīng)地降低。電力線上網(wǎng)是一種共享的帶寬，如果將這些資源分配到每一個具體的用戶桌面，就成了窄帶的概念。電力線上網(wǎng)就是銅線上網(wǎng)，在銅線上不可能無限制地提升傳輸數(shù)據(jù)通信容量的潛能。但是如何使其潛能充分發(fā)揮，則是擺在我們面前的一個重要課題。
五、總結(jié)
其一，電力線上網(wǎng)作為一個新生的事物，雖然面對的是激烈的市場競爭，最近國電科技推出的200Mb/sPLC接入解決方案不僅具有布線簡單、電磁輻射低、價格便宜等優(yōu)點(diǎn)，更在接入帶寬和穩(wěn)定性方面有了重大突破，具有強(qiáng)大的市場競爭力和廣泛的市場應(yīng)用前景。200Mb/sPLC接入解決方案一旦進(jìn)入商業(yè)化階段，將會促進(jìn)電信市場的變革，并給互聯(lián)網(wǎng)普及帶來極大的發(fā)展空間。其二，針對目前高速PLC通信系統(tǒng)中存在的問題，加以研究和克服，這是各國同行們所努力投入和關(guān)注的。例如，利用位于中壓變電站和低壓變電器之間的中壓配電網(wǎng)傳輸高于10Mb/s信號，越來越被人們所重視。其三，無論速率提升受到何種程度限制，分布極廣。滲透到每個家庭、每座工廠、每幢大樓的電力線資源，充分地將通信潛力能發(fā)揚(yáng)廣大，這是人類通信史上重大進(jìn)步，其前景肯定是光明的。
參 考 文 獻(xiàn)
[1] www.forum.com.
[2] 趙丙鎮(zhèn). 電力線高速通信的技術(shù)及現(xiàn)狀. 中國電力報. 2004-01-07.
[3] 趙丙鎮(zhèn)、王麗平. 高速PLC技術(shù)應(yīng)用前景十分看好. 中國電力報. 2001- 10-25.
[4] 趙強(qiáng). 電力線高速通信技術(shù)初探. 電力系統(tǒng)通信. 2003,(1)25-27.
丁國華 在讀研究生，主要研究方向?yàn)闊o線電通信。
李鳴華 副教授，系主任，長期從事通信工程教學(xué)和研究工作。
