國外高速電力線通信技術(shù)發(fā)展分析

　　電力線無處不在，利用它來進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，利用電力線來實現(xiàn)高速Internet接入及多媒體信息傳輸是當(dāng)前的研究熱點，國外在相關(guān)研究和應(yīng)用方面已取得了很大進展。
本文將詳細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、標準與管制方面的現(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的實用化成為可能。最早的PLC實用技術(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)射機功率為數(shù)十千瓦，主要用于路燈及負荷控制。20世紀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)度通信及保護廣泛使用的電力線載波機。20世紀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的特點大致可以概括為以下幾點。

　�。�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、簡單可選擇性實施，

　　室內(nèi)安裝快速簡單；（4）投資及運行費用跟xDSL相當(dāng)，比其他電纜服務(wù)費用低；（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)標準的基礎(chǔ)。經(jīng)過多年的發(fā)展，國外相關(guān)研究組織或個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一步深入。

　�。ㄒ唬┬诺纻鬏斕匦�

　　電力線網(wǎng)絡(luò)不同于常規(guī)的點對點或點對多點阻抗恒定傳輸媒介。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載阻抗不恒定等特點，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)研究不同拓撲結(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)計出PLC網(wǎng)絡(luò)。同時可以對不同的調(diào)制技術(shù)和編碼技術(shù)進行比較研究。

　�。ǘ�）信道噪聲特性

　　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，嚴重時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)時間很短（幾微秒）；（5）異步脈沖噪聲：它是由電網(wǎng)中瞬時的電氣開斷引起的，這類噪聲的功率譜密度有時比背景噪聲高50dB。

　�。ㄈ�）信道電磁兼容特性

　　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理進行了詳細的研究并作了大量的測試，大家認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，但目前還沒有一個世界范圍內(nèi)大家一致認同的標準。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相關(guān)組織正在研究的項目。

　�。ㄋ模┬诺勒{(diào)制編碼

　　電力線是一個極其不穩(wěn)定的高噪聲、強衰減的傳輸通道，要實現(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)計各種強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，因此也無法實現(xiàn)可靠的高速數(shù)據(jù)傳輸。對高速PLC來說，要實現(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)實現(xiàn)了在低壓配電網(wǎng)上進行1Mbit/s的遠程通信。

　　從此以后，許多國家的研究機構(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

　　公司名稱 芯片速率 相關(guān)產(chǎn)品 應(yīng)用范圍 備注

　　Intellon 14Mbit/s85Mbit/s 國內(nèi)外眾多廠商生產(chǎn)有電力線以太網(wǎng)橋、電力線路由器及與無線、ADSL相結(jié)合的產(chǎn)品 家庭網(wǎng)絡(luò)高速接入 85Mbit/s芯片可提供樣片，年底推出200Mbit/s芯片

　　Maxim 14Mbit/s 提供樣片、評估板 家庭網(wǎng)絡(luò)高速接入 與Intellon 14Mbit/s兼容

　　Conexant 14Mbit/s 提供樣片、評估板 家庭網(wǎng)絡(luò)高速接入 與Intellon 14Mbit/s兼容

　　DS2 45Mbit/s200Mbit/s 國內(nèi)外多廠商生產(chǎn)有用于家庭網(wǎng)絡(luò)及中低壓高速接入全系列產(chǎn)品、VoIP用戶端 家庭網(wǎng)絡(luò)高速接入 最早推出200Mbit/s芯片的廠商

　　Xeline 24Mbit/s 有用于家庭網(wǎng)絡(luò)及中低壓高速接入產(chǎn)品 家庭網(wǎng)絡(luò)高速接入 即將推出更高速率的芯片

　　ITRAN 2.5Mbit/s 有產(chǎn)品用于商業(yè)化網(wǎng)絡(luò)運行 家庭網(wǎng)絡(luò)高速接入

　　SPiDCOM 224 Mbit/s 樣機 家庭網(wǎng)絡(luò)高速接入

　�。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國家已達數(shù)百個試驗網(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網(wǎng)絡(luò)

　　公司名稱 業(yè)務(wù)范圍 用戶數(shù) 備注

　　Electricité De France 提供接入服務(wù) 1500/覆蓋35000 使用中低壓高速PLC,正在測試VoIP

　　EEF (Switzerland) 提供接入服務(wù) 2000 用戶反映良好

　　Endesa Net Factory (Spain) 提供接入服務(wù) 2000/覆蓋20000 85%用戶簽約使用VoIP

　　ENEL (Italy) 提供接入服務(wù) 2400/覆蓋75000 無電磁干擾反映

　　Iberdrola (Spain) 提供接入服務(wù) 覆蓋150000 正在測試VoIP

　　Drewag (Germany) 提供接入服務(wù) 700/覆蓋15000 提供768 kbit/s速率

　　Linz AG (Austria) 提供接入服務(wù) 3000/覆蓋37000

　　PPC (Germany) 提供接入服務(wù) 5000/覆蓋90000

　　SSE (United Kingdom) 提供接入服務(wù) 覆蓋20000 政府支持，無電磁干擾反映

　　Ameren（US） 提供接入服務(wù) 70/覆蓋20000

　　Cinergy 1000/覆蓋55000

　　City of Manassas（US） 提供接入服務(wù) 20000

　　Southern Company 提供接入服務(wù) 250

　�。ǘ�）高速PLC標準與管制

　　面對高速PLC技術(shù)的快速發(fā)展，各個國家反映不大一致�？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準。

　　高速PLC電磁兼容標準的制定是制約高速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的電磁兼容標準，其對FCC PART15進行了增補，確定了高速PLC的輻射限值，并且要求設(shè)備生產(chǎn)商滿足標準，要求應(yīng)用商進行備案登記，當(dāng)有人反映存在干擾時需進行現(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)標準，不過該項研究進展緩慢。CISPR SC I WG 3正在制定高速PLC的產(chǎn)品電磁兼容標準，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)標準。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)布了其標準的第1個版本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。基于該標準生產(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標準。

　　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(gòu)提供一個平臺，促進他們交流和豐富有關(guān)PLC的知識。該論壇的市場目標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不制定標準，但致力于將會員的提議提交給國際標準化組織，并通過努力，使其成為標準。OPERA成立時間不長，其是由歐盟資助并由DS2等多個歐洲研究機構(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)。

　　（三）展望

　　經(jīng)過多年的發(fā)展，高速PLC技術(shù)在世界范圍內(nèi)取得了很大的進步。通過大量試點及小規(guī)模應(yīng)用表明，高速PLC并不會帶來嚴重的電磁干擾，但我們必須遵守相關(guān)的電磁兼容標準。

　　相關(guān)技術(shù)標準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)標準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。