電力線無處不在，利用它來進(jìn)行信息的傳輸一直是人們的夢想。通過多年的研究和發(fā)展，利用高壓電力線來傳輸?shù)退贁?shù)據(jù)的技術(shù)已相當(dāng)成熟。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及多媒體技術(shù)的發(fā)展，利用電力線來實(shí)現(xiàn)高速Internet接入及多媒體信息傳輸是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，國外在相關(guān)研究和應(yīng)用方面已取得了很大進(jìn)展。 本文將詳細(xì)分析國外在高速電力線通信(PLC)基礎(chǔ)研究、產(chǎn)品研發(fā)、市場應(yīng)用、標(biāo)準(zhǔn)與管制方面的現(xiàn)狀及存在的問題。
一、高速PLC介紹
PLC就是以電力線作為通信媒介的一種通信方式。電力線從來就不是一種理想的通信介質(zhì)，但隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，特別是調(diào)制技術(shù)及微電子技術(shù)的發(fā)展，使得PLC的實(shí)用化成為可能。最早的PLC實(shí)用技術(shù)是一種稱之為“脈沖控制”的通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)提供速率極低的單向通信，發(fā)射機(jī)功率為數(shù)十千瓦，主要用于路燈及負(fù)荷控制。20世紀(jì)50年代以來，人們開始研究電力線（主要為高壓）通道的高頻特性（5kHz～500kHz），并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了電力系統(tǒng)調(diào)度通信及保護(hù)廣泛使用的電力線載波機(jī)。20世紀(jì)90年代國外開始研究電力線（主要為低壓及中壓）的高頻特性（2 MHz～80MHz），并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了實(shí)用的高速PLC產(chǎn)品及系統(tǒng)。當(dāng)前已有多種高速PLC產(chǎn)品及系統(tǒng)在家庭聯(lián)網(wǎng)、高速Internet接入、智能家居等方面得到了廣泛應(yīng)用。高速PLC的特點(diǎn)大致可以概括為以下幾點(diǎn)。
（1）采用電力線（中低壓）作為信息傳輸通道，跟其他接入技術(shù)相比可提供更高的覆蓋率；（2）電力線載波信號使用頻率為2 MHz～30MHz；（3）可快速、簡單可選擇性實(shí)施，
室內(nèi)安裝快速簡單；（4）投資及運(yùn)行費(fèi)用跟xDSL相當(dāng)，比其他電纜服務(wù)費(fèi)用低；（5）當(dāng)前提供的寬帶接入速率與其他方式相當(dāng)，下一步將提供更高的速率及多種應(yīng)用。
二、高速PLC基礎(chǔ)研究現(xiàn)狀
對電力線信道特性的研究是產(chǎn)品開發(fā)及制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。經(jīng)過多年的發(fā)展，國外相關(guān)研究組織或個(gè)人在中低壓電力線的信道特性研究方面取得了一定成果，但還有很多研究工作需要進(jìn)一步深入。
（一）信道傳輸特性
電力線網(wǎng)絡(luò)不同于常規(guī)的點(diǎn)對點(diǎn)或點(diǎn)對多點(diǎn)阻抗恒定傳輸媒介。由于大多電力線具有分支多、不同分支電纜物理特性不一致及負(fù)載阻抗不恒定等特點(diǎn)，其中，中壓電力線的阻抗變化稍小，中壓電纜線路分支一般不多。因而電力線信道是一個(gè)多徑反射以及頻率選擇性衰落信道。我們可以通過模擬技術(shù)研究不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)上通信性能的可能性。通過搭建模型，并基于大量的測試，可以研究和設(shè)計(jì)出PLC網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)可以對不同的調(diào)制技術(shù)和編碼技術(shù)進(jìn)行比較研究。
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除了因線路衰減和多路傳輸所造成的信號失真外，噪聲是影響電力線數(shù)據(jù)可靠通信的關(guān)鍵因素。通過大量理論研究和實(shí)際測試表明，電力線信道中的噪聲分布和其它常見信道有很大的不同，其噪聲并不呈現(xiàn)白高斯噪聲（AWGN）特性，在頻率從幾百kHz到數(shù)十MHz之間，主要為窄帶干擾和脈沖噪聲。為了克服這些影響，必須考慮采用復(fù)雜的信道編碼技術(shù)。中低壓配電網(wǎng)中的噪聲可以分為以下五類。
�。�1）有色背景噪聲：具有相對較低的功率譜密度(psd), 而且功率譜密度隨頻率的變化而變化；（2）窄帶噪聲：主要是一些經(jīng)過幅度調(diào)制的正弦信號，嚴(yán)重時(shí)在很寬的頻率范圍內(nèi)存在高電平的噪聲；（3）非電網(wǎng)諧波的周期性脈沖噪聲：這類噪聲大多是由開關(guān)電源引起的，在低壓電力線中出現(xiàn)的幾率較大；（4）與工頻同步的周期性脈沖噪聲：這些脈沖的重復(fù)頻率為50Hz或100Hz，與工頻同步，它們持續(xù)時(shí)間很短（幾微秒）；（5）異步脈沖噪聲：它是由電網(wǎng)中瞬時(shí)的電氣開斷引起的，這類噪聲的功率譜密度有時(shí)比背景噪聲高50dB。
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由于高速PLC需要在電力線上注入高頻信號（2 MHz～30MHz），但高速PLC的使用不能給其他通信系統(tǒng)帶來電磁干擾。為此國外對電力線的高頻輻射機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的研究并作了大量的測試，大家認(rèn)為電力線的對地不平衡是其輻射的主要原因。由于電力線的電磁輻射特性跟電力線結(jié)構(gòu)、耦合方式密切相關(guān)，一個(gè)地方的測量結(jié)果很難反映不同應(yīng)用環(huán)境的電磁輻射水平，而且對于2 MHz～30MHz頻率范圍電磁輻射的測量方法也存在較大的爭議，所以盡管有組織定義了高速PLC的電磁輻射水平，但目前還沒有一個(gè)世界范圍內(nèi)大家一致認(rèn)同的標(biāo)準(zhǔn)。如何設(shè)定高速PLC設(shè)備及系統(tǒng)的電磁輻射水平及定義測試方法仍然是各個(gè)相關(guān)組織正在研究的項(xiàng)目。
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電力線是一個(gè)極其不穩(wěn)定的高噪聲、強(qiáng)衰減的傳輸通道，要實(shí)現(xiàn)可靠的電力線高速數(shù)據(jù)通信，必須解決各種因素對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊�。高效可靠的調(diào)制編碼技術(shù)是高速PLC的關(guān)鍵，國外對各種調(diào)制技術(shù)在PLC中的應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究和測試。
常規(guī)單載波調(diào)制不但頻帶利用率不高，而且在無法預(yù)計(jì)各種強(qiáng)干擾噪聲頻譜分布的前提下是無法避開或抑制突發(fā)噪聲和脈沖噪聲干擾的，因此也無法實(shí)現(xiàn)可靠的高速數(shù)據(jù)傳輸。對高速PLC來說，要實(shí)現(xiàn)很高的通信速率，在有限的頻帶內(nèi)采用CDMA方案較難實(shí)現(xiàn)較高的處理增益，所以CDMA技術(shù)難以在高速PLC中使用。
三、高速電力線產(chǎn)品開發(fā)現(xiàn)狀
英國聯(lián)合電力公司的子公司Norweb通訊公司于1990年開始電力線載波通信的研究，1995年與加拿大北電網(wǎng)絡(luò)合作共同開發(fā)該項(xiàng)技術(shù)。1997年這兩家公司聲稱解決了電力線噪聲等問題，取得了電力線載波技術(shù)的重大突破，利用新開發(fā)的數(shù)字電力線載波技術(shù)DPL(Digital Power Line)實(shí)現(xiàn)了在低壓配電網(wǎng)上進(jìn)行1Mbit/s的遠(yuǎn)程通信。
從此以后，許多國家的研究機(jī)構(gòu)開展了高速PLC的研究和開發(fā)，如美國的Intellon、Inari公司，以色列的ITRAN、Main.Net公司，韓國的Xeline公司，西班牙的DS2，法國的SPiDCOM等公司開始了高速PLC專用芯片及應(yīng)用產(chǎn)品的研究開發(fā)，產(chǎn)品包括用于家庭聯(lián)網(wǎng)及高速接入兩大類產(chǎn)品，傳輸速率從1Mbit/s到2Mbit/s、14Mbit/s、45Mbit/s直至200Mbit/s。當(dāng)前國際上主流高速PLC芯片及產(chǎn)品如表一所示。
表一 國際上主流高速PLC芯片及產(chǎn)品表
�。ㄒ唬└咚貾LC應(yīng)用現(xiàn)狀
1．高速PLC應(yīng)用模式
目前高速PLC主要用于家庭、小型辦公室聯(lián)網(wǎng)及高速接入。在高速PLC家庭、辦公室聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，通過多個(gè)高速PLC MODEM組成內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，并可通過PLC MODEM共享外部ADSL、無線等寬帶Internet接入。
2．高速PLC試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)
在國外，已有數(shù)百萬電力線高速通信產(chǎn)品用于室內(nèi)、辦公室聯(lián)網(wǎng)，電力線高速接入在多個(gè)國家已達(dá)數(shù)百個(gè)試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)，主要應(yīng)用于歐洲和美國等。歐美主要的電力線高速接入試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)如表二所示。
表二 歐美主要的電力線高速接入試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)
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面對高速PLC技術(shù)的快速發(fā)展，各個(gè)國家反映不大一致�？偟膩碇v，歐盟及美國政府已明確表示支持高速PLC技術(shù)的使用，應(yīng)把PLC跟其他通信技術(shù)同等對待，不應(yīng)設(shè)置障礙阻止其發(fā)展，但高速PLC的使用應(yīng)滿足安全、電磁兼容及其他通信管制標(biāo)準(zhǔn)。
高速PLC電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的制定是制約高速PLC在各國快速發(fā)展的主要因素。2004年10月，美國FCC 發(fā)布了高速PLC的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，其對FCC PART15進(jìn)行了增補(bǔ)，確定了高速PLC的輻射限值，并且要求設(shè)備生產(chǎn)商滿足標(biāo)準(zhǔn)，要求應(yīng)用商進(jìn)行備案登記，當(dāng)有人反映存在干擾時(shí)需進(jìn)行現(xiàn)場測試并采取相應(yīng)解決辦法。歐盟要求高速PLC滿足89/336/EEC要求，如在應(yīng)用中存在干擾，對個(gè)案分別處理。ETSI/CENELEC聯(lián)合工作組正在制定高速PLC電磁兼容的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，不過該項(xiàng)研究進(jìn)展緩慢。CISPR SC I WG 3正在制定高速PLC的產(chǎn)品電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，不過其提交的草案幾經(jīng)修改一直未能通過。
隨著高速PLC的快速發(fā)展，各相關(guān)國際組織也越來越多。當(dāng)前電力線高速通信的國際組織主要有家庭插電聯(lián)盟HPA、PLC論壇、PALAS、OPERA、UPLC(UNITED POWER LINE COUNCIL)、PUA以及日本的ECHONET等。所有這些國際組織都由研究機(jī)構(gòu)及廠商共同組成，其中比較具有影響力的為HPA、PLC Forum和OPERA。
HPA致力于創(chuàng)造共同的電力線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。HPA現(xiàn)已發(fā)展成為由近百家公司組成的聯(lián)盟，國內(nèi)的中國電力科學(xué)研究院是該組織的成員。2001年6月，HPA發(fā)布了其標(biāo)準(zhǔn)的第1個(gè)版本Home-Plug Specfication1.0，將數(shù)據(jù)傳輸速率定為14Mbit/s，采用OFDM調(diào)制解調(diào)技術(shù)，MAC層協(xié)議為CSMA/CA。基于該標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的高速PLC產(chǎn)品目前占有大量的市場份額。其下一步將發(fā)布HomePlug AV及HomePlug BPL標(biāo)準(zhǔn)。
PLC Forum于2000年3月23日在瑞士成立。其包括來自各大洲的成員，國內(nèi)的中國電力科學(xué)研究院是該組織中惟一的中國會員。論壇的目標(biāo)是為所有對PLC感興趣的制造商、客戶、研究人員以及政府機(jī)構(gòu)提供一個(gè)平臺，促進(jìn)他們交流和豐富有關(guān)PLC的知識。該論壇的市場目標(biāo)是提供包括戶外接入和戶內(nèi)聯(lián)網(wǎng)在內(nèi)的全面PLC解決方案。PLC Forum不制定標(biāo)準(zhǔn)，但致力于將會員的提議提交給國際標(biāo)準(zhǔn)化組織，并通過努力，使其成為標(biāo)準(zhǔn)。OPERA成立時(shí)間不長，其是由歐盟資助并由DS2等多個(gè)歐洲研究機(jī)構(gòu)及廠商組成的組織，其主要目的是開發(fā)下一代用于本地接入的高速PLC技術(shù)。
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經(jīng)過多年的發(fā)展，高速PLC技術(shù)在世界范圍內(nèi)取得了很大的進(jìn)步。通過大量試點(diǎn)及小規(guī)模應(yīng)用表明，高速PLC并不會帶來嚴(yán)重的電磁干擾，但我們必須遵守相關(guān)的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)。
相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定才能保證高速PLC快速健康的發(fā)展，歐美不但在產(chǎn)品研究開發(fā)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定方面都走在中國的前面，國內(nèi)高速PLC要發(fā)展還需相關(guān)組織及人員的努力。
從目前國內(nèi)外的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀來看，我們把高速PLC技術(shù)與其他通信技術(shù)及應(yīng)用相結(jié)合，其才能具有充分的競爭力。
