電力線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究

1　電力線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)概念

電力線(xiàn)聯(lián)網(wǎng),準確的說(shuō)法是電力線(xiàn)通信技術(shù),英文簡(jiǎn)稱(chēng)PLC(Power Line Communication),是指利用電力線(xiàn)傳輸數字化數據和話(huà)音信號的一種通信方式,是對原有電力線(xiàn)傳輸技術(shù)的發(fā)展.電力線(xiàn)通信技術(shù)一般用作接入技術(shù),與xDSL、LMDS等技術(shù)一樣,PLC技術(shù)也可以作為一種網(wǎng)絡(luò )接入手段來(lái)使用,所以又可以稱(chēng)作“電力線(xiàn)上網(wǎng)”.另外PLC也可以用做家庭聯(lián)網(wǎng)技術(shù)(Home Plug).

毋庸置疑,電力線(xiàn)是覆蓋最廣泛的網(wǎng)絡(luò )基礎設施,幾乎所有的設備都會(huì )連接到電力線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )之上,這使得電力線(xiàn)成為組網(wǎng)的一個(gè)自然選擇.

通過(guò)載波調制技術(shù)來(lái)實(shí)現基于電力線(xiàn)的數字通信,其采用的載波頻率高于電力傳輸所使用的50~60 Hz.寬帶PLC所采用的載波頻率一般在2~30 MHz范圍內,可以提供2~10 Mbps的數據傳輸速率,可以達到多媒體數據傳輸及網(wǎng)絡(luò )接入的要求;窄帶PLC所采用的載波頻率在150 kHz以下,一般用于電表的自動(dòng)抄表和設備監控系統這樣對傳輸速率要求不高的應用.

“電力線(xiàn)上網(wǎng)”的用戶(hù)需要添加一個(gè)特制的調制解調器,這個(gè)調制調解器的數據線(xiàn)頂端是一個(gè)與常規電源插頭規格相同的插頭,用戶(hù)只要將電腦的網(wǎng)卡與調制解調器接通,再將調制解調器插上電源插座,電腦即可上網(wǎng),用這種方法傳送信息的速度比ISDN要快30多倍,目前實(shí)驗室的最高通信速率可達到2·5Gb/s.

從廣義上來(lái)講電力線(xiàn)上網(wǎng)從層次上可分為中壓配電網(wǎng)、低壓配電網(wǎng)和家庭內部網(wǎng)絡(luò ).家庭內部網(wǎng)絡(luò )是指通過(guò)電力線(xiàn)組建高速LAN;低壓配電網(wǎng)是指從中壓變電站到用戶(hù)電表的一點(diǎn)對多點(diǎn)通信,中壓配電網(wǎng)主要從中壓變電站到主要變電站.

目前PLC技術(shù)發(fā)展模式主要是為以美國為代表的家庭聯(lián)網(wǎng)模式,這種模式的PLC只提供家庭內部聯(lián)網(wǎng),即是指通過(guò)家庭的內部的普通電力線(xiàn),進(jìn)行組網(wǎng)連接家庭內部局域網(wǎng),戶(hù)外訪(fǎng)問(wèn)使用其它傳統的通信方式.支持該模式的國際組織為Home-Plug,是一個(gè)為高速家用電力線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品和服務(wù)提供開(kāi)放規范而成立的論壇.

第二種是以歐洲和亞太地區為代表的戶(hù)外接入模式-低壓配電網(wǎng),具體是光纜或其他高速的通信線(xiàn)路已經(jīng)連接到樓內的總配電室,利用220V/380V線(xiàn)路解決從樓內總配電室到每個(gè)住戶(hù)的通信接入,從而實(shí)現從配電室到住戶(hù)的高速的數據的接入.

2　電力線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)標準

基于電力線(xiàn)的上網(wǎng)技術(shù)目前已經(jīng)有一個(gè)業(yè)界標準Home Plug.

Home Plug是非贏(yíng)利業(yè)界組織Home PlugPowerLineAlliance開(kāi)發(fā)的通過(guò)電力線(xiàn)進(jìn)行家庭組網(wǎng)的規范,以便促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)和保證互通性.通過(guò)建立一個(gè)開(kāi)放的規范,Home Plug解決了由于缺乏統一標準而引起的市場(chǎng)混亂和用戶(hù)困惑,消除了電力線(xiàn)組網(wǎng)技術(shù)的市場(chǎng)阻力.與PLC類(lèi)似,以往除了缺乏統一標準之外,各種噪聲等方面的影響也阻礙了將家庭電力線(xiàn)做為組網(wǎng)媒介的可能性.Home Plug通過(guò)建立統一規范以及采用新技術(shù)來(lái)克服這些挑戰.

Home Plug評估了業(yè)界現有的各種電力線(xiàn)組網(wǎng)技術(shù),制定了Home Plug規范的開(kāi)發(fā)原則,包括以太網(wǎng)級的傳輸速率、兼容性、穩定性、易實(shí)施及擴展性等方面.目前已經(jīng)發(fā)布了Home Plug 1·0規范.Home Plug的最終組網(wǎng)技術(shù)規范將提供一個(gè)功能強大的、簡(jiǎn)單易用的、具有14 Mbps傳輸速率的電力線(xiàn)組網(wǎng)規范.

Home Plug 1·0規范支持14 Mbps的數據傳輸速率,基于這個(gè)高速電力線(xiàn)組網(wǎng)技術(shù),Home Plug PowerLine Alliance成員將開(kāi)發(fā)具有互操作性的產(chǎn)品,使得各家的計算機、外設、消費電器及其它信息設備可以通過(guò)電源插座連接起來(lái).

3　電力線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結構和優(yōu)勢

3·1　電力線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結構模型

電力線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要的組成部分是數字電力線(xiàn)(DPL)、電力線(xiàn)交換技術(shù)(PLX)以及應用系統(ICAL).其中數字電力線(xiàn)對應于OSI/RM模型的物理層,電力線(xiàn)交換技術(shù)對應于OSI/RM模型的數據鏈路層、網(wǎng)絡(luò )層和傳輸層,應用系統對應于會(huì )話(huà)層、表示層和應用層,如圖.

3·2　電力線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)特點(diǎn)

數字電力線(xiàn)技術(shù)(DPL)包括多載波體系、載波的使用、調制、編碼、控制和同步,為了抑制電力線(xiàn)內部的噪聲對通信頻段內的信號的干擾,數字電力線(xiàn)技術(shù)大多采用OFDM/DPSK調制方法,OFDM調制方法將通信頻段劃分為若干子通道,每個(gè)子通道采用DPSK方式調制,可以大大衰減電力線(xiàn)中的干擾和噪聲.

為了提高電力線(xiàn)通信的可靠性,關(guān)于電力線(xiàn)交換技術(shù)(PLX)在MAC子層,專(zhuān)家提出了一種優(yōu)于CSMA/CD的協(xié)議———DSMA/CTP協(xié)議. DSMA/CTP是兩個(gè)獨立的協(xié)議,分別叫做數據報偵聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議(DSMA)和集中令牌傳遞協(xié)議(CTP).DSMA機制采用數據偵聽(tīng)和隨機回退方法解決多個(gè)網(wǎng)絡(luò )結點(diǎn)同時(shí)占用信道的問(wèn)題;CTP協(xié)議可以有效避免多個(gè)網(wǎng)絡(luò )結點(diǎn)競爭使用信道而發(fā)生沖突.

ICAL是電力線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應用層協(xié)議.ICAL采用改進(jìn)了的CEBUS標準的公共應用語(yǔ)言,是一種分布式、面向對象型、體系化的編程語(yǔ)言.該語(yǔ)言采用客戶(hù)機/服務(wù)器(Client/Server)結構.ICAL采用了CAL的網(wǎng)絡(luò )通信標準規定的上下文(context)、對象(object)、變量(instance variables)和方法(methods).ICAL可以使用一個(gè)或多個(gè)ICAL context來(lái)描述ICAL設備,每個(gè)ICAL context又可以表示為一系列的ICAL object的集合.ICAL object則通過(guò)一系列的ICAL instance variables來(lái)描述;通過(guò)ICAL methods實(shí)現對ICALinstance variables的操作.

3·3　電力線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢

通過(guò)電力線(xiàn)傳輸數據,主要的優(yōu)勢是覆蓋面廣、使用方便、不用布線(xiàn)、永久在線(xiàn)、施工費少、安裝周期短等優(yōu)勢,不需要重新建設網(wǎng)絡(luò ),就可以實(shí)現數據、語(yǔ)音、視頻和電力的“四網(wǎng)合一”.

首先,PLC充分利用現有的低壓配電網(wǎng)絡(luò )基礎設施,無(wú)需任何布線(xiàn),是一種“No New Wires”技術(shù),節約了資源.無(wú)需挖溝和穿墻打洞,避免了對建筑物和公用設施的破壞,同時(shí)也節省了人力.這樣PLC技術(shù)可以為用戶(hù)提供高速因特網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)、話(huà)音服務(wù),從而為用戶(hù)上網(wǎng)和打電話(huà)增加了新的選擇,有利于其他電信服務(wù)商改善服務(wù)、降低價(jià)格.

其次,PLC對家庭聯(lián)網(wǎng)也提供支持,是家居自動(dòng)化的生力軍,除了上網(wǎng)、打電話(huà),PLC技術(shù)通過(guò)遍布各個(gè)房間的墻上插座將智能家電聯(lián)網(wǎng),能夠將整個(gè)家庭的電器與網(wǎng)絡(luò )聯(lián)為一體,在室內的設備之間構筑起可自由交換信息的局域網(wǎng),使人們能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò )來(lái)控制自己家里的電器設備,享用數字化家庭的舒適和便利.

另外利用PLC技術(shù)還可以進(jìn)行遠程自動(dòng)讀出水、電、氣表的數據,可以用一張收費單解決用戶(hù)生活的所有收費項目,節省大量人力、物力,使公用事業(yè)公司節省大量費用,也極大地方便了用戶(hù).

同時(shí)利用“電線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)”永久的在線(xiàn)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(wú)憂(yōu);構建的醫療急救系統,讓家有老人、孩子和病人的家庭更加放心.而且人們還可以享用由PLC技術(shù)帶來(lái)的家庭音頻、視頻網(wǎng)絡(luò ),多人對抗游戲等娛樂(lè ).

4　電力線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)存在的主要問(wèn)題

電力線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)可能?chē)乐赜绊懚滩o(wú)線(xiàn)電廣播.為了實(shí)現高速傳輸、衰減最小,輸電線(xiàn)用于數字傳輸的最佳傳輸頻帶是2M-30MHz.這一頻段是國際上通用的電力線(xiàn)通信的傳輸頻段.據日本媒體2002年7月的消息,當電力線(xiàn)數據通信使用2M-30MHz的頻帶傳輸數據時(shí),將會(huì )對該頻段的短波無(wú)線(xiàn)電廣播、業(yè)余愛(ài)好者無(wú)線(xiàn)電臺等產(chǎn)生重大影響.在電力線(xiàn)調制解調器工作時(shí),電力線(xiàn)將會(huì )產(chǎn)生較高的泄漏電波,這將會(huì )變成無(wú)線(xiàn)通信中的噪音.而2-30MHz的頻段集中了海岸電臺、短波無(wú)線(xiàn)電廣播、固定和移動(dòng)通信短波頻段等眾多用戶(hù).

實(shí)際上,國際上電磁輻射的標準主要有美國標準和歐洲標準.歐洲標準比較嚴格,美國的比較寬松.

中國在沒(méi)有制訂出自己的電磁輻射標準以前傾向于參照美國標準,因此電磁輻射對于中國電力線(xiàn)上網(wǎng)的進(jìn)程是否會(huì )有影響并不明確.因為在研究時(shí)為了避免這些干擾,已經(jīng)盡量不占用短波收音機等使用的窄帶頻率.

另外電力線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)還存在如電網(wǎng)穩定性、安全性等眾多問(wèn)題困擾.除此以外電力線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)還存在的問(wèn)題有:缺乏成熟的PLC技術(shù)標準,提供的速率和服務(wù)質(zhì)量不穩定,還有費用問(wèn)題等等,因此這一技術(shù)在國內實(shí)現突破還面臨著(zhù)一定的問(wèn)題.

電力線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)若具備競爭力必須降低設備和網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)的高成本,降低資費標準,提高傳輸速率和傳輸質(zhì)量,否則光依賴(lài)電力的網(wǎng)絡(luò )優(yōu)勢還很難在短期內搶占市場(chǎng).

5　電力線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)的前景

近年來(lái),隨著(zhù)Internet技術(shù)的飛速發(fā)展,登錄上網(wǎng)的人數成倍增長(cháng),采用何種通信方式使用戶(hù)終端連接到最近的寬帶網(wǎng)絡(luò )設備,成為困擾人們的難點(diǎn)之一,也是Internet普及的瓶頸之一,被業(yè)內人士稱(chēng)為寬帶網(wǎng)絡(luò )接入的“最后一公里”問(wèn)題.利用四通八達、遍布城鄉、直達用戶(hù)的220V低壓電力線(xiàn)傳輸高速數據的PLC技術(shù),以其不用布線(xiàn)、覆蓋范圍廣、連接方便的顯著(zhù)特點(diǎn),被認為是提供“最后一公里”解決方案最具競爭力的技術(shù)之一.目前高速PLC已可傳輸高達1M bps以上的數據,預計不久的將來(lái)速率將達到10Mbps以上,而且能同時(shí)傳輸數據、語(yǔ)音、視頻和電力,有可能帶來(lái)“四網(wǎng)合一”的新趨勢電力線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)充分利用現有的配電網(wǎng)絡(luò )基礎設施,無(wú)需任何布線(xiàn),是一種“No NewWires”技術(shù).可以節省巨大的新增投資.由于電線(xiàn)通信的費用僅為利用光纖通信電纜互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的60%至70%,并且不必支付使用線(xiàn)路費,從而大大降低了通信費用.目前,我國擁有全世界長(cháng)度排名第二的電力輸電線(xiàn)路,全國500kV和330kV的電力線(xiàn)路長(cháng)達25094·16千米,220kV線(xiàn)路107348·06千米,加上110kV線(xiàn)路共計310000千米,可繞地球近8圈.我國目前電話(huà)用戶(hù)不到3億,但用電用戶(hù)已超過(guò)10億,顯然這連接10億用戶(hù)的既存電力線(xiàn)是提供上網(wǎng)服務(wù)的巨大物質(zhì)基礎,直接在覆蓋全國的電力網(wǎng)絡(luò )上架構互聯(lián)網(wǎng)連接將比現在鋪設光纖的方式節省大量的人力和物力.

因此,在未來(lái)的寬帶接入服務(wù)市場(chǎng),電力線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)必將占有重要的一席之地.在市場(chǎng)需求旺盛的城市,隨著(zhù)電力線(xiàn)上網(wǎng)技術(shù)的完善,電力線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)將逐步滲透城區各個(gè)角落,在我國廣闊的農村地區,由于電力網(wǎng)規模之大,電力線(xiàn)上網(wǎng)也具有一定的優(yōu)勢,是其他任何網(wǎng)都不可比擬的.電力線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)作為一個(gè)新生事物進(jìn)軍寬帶市場(chǎng),為百姓上網(wǎng)提供了一個(gè)新選擇,還是極具發(fā)展潛力,它必然推動(dòng)整個(gè)寬帶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與繁榮.