電力線(xiàn)通信在路燈照明自動(dòng)化中的應用

圖1. PLC方案示意圖。在Nyx Hemera Technologies公司的TLACS系統中，本地控制器集成PLC，通過(guò)交流線(xiàn)與網(wǎng)絡(luò )控制器通信，并采用標準DALI接口控制每盞路燈。

優(yōu)化自動(dòng)化照明系統

自動(dòng)化照明系統的性能和容量由覆蓋范圍、數據速率、抗噪性以及PLC系統的路由能力決定。

典型的路燈照明拓撲如下圖所示（圖2）。通過(guò)WAN （例如光纖、2G/3G無(wú)線(xiàn)單元）連接的集中器與控制每盞燈的調制解調器網(wǎng)絡(luò )或節點(diǎn)通信。PLC調制解調器的覆蓋范圍決定了集中器能夠直接通信的節點(diǎn)數。節點(diǎn)數越多，系統實(shí)施的效率越高。

電力線(xiàn)通信范圍受多種因素影響：支路——分流信號功率；信號衰減——隨頻率變化；干擾——例如開(kāi)關(guān)電源、電機及線(xiàn)路上其它用戶(hù)引入的噪聲。由于電力線(xiàn)上的噪聲動(dòng)態(tài)分布（即噪聲源隨時(shí)間變化），抗噪性對于自動(dòng)化系統保持其基本性能起著(zhù)決定性作用。通過(guò)在節點(diǎn)引入路由功能，可以構建一個(gè)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )，允許連接到集中器的節點(diǎn)通過(guò)轉發(fā)/接收集中器甚至更遠距離節點(diǎn)的消息，擴展網(wǎng)絡(luò )的通信能力。盡管網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )可大大擴展單個(gè)集中器的覆蓋范圍，但電力線(xiàn)通信速率決定了相應服務(wù)能夠支持的規模。由于路燈照明網(wǎng)絡(luò )只有一條從網(wǎng)絡(luò )到集中器的信道，所有轉發(fā)消息必須經(jīng)過(guò)一條或多條共用鏈路傳輸，這樣，鏈路就成為系統瓶頸。

圖 2. 典型的自動(dòng)化路燈照明網(wǎng)絡(luò )拓撲。

MAX2992是一款G3-PLC兼容收發(fā)器。器件具有領(lǐng)先的性能，通過(guò)高級功能實(shí)現路燈照明自動(dòng)化管理，滿(mǎn)足PLC系統對覆蓋范圍、數據速率、抗噪性及路由的要求。MAX2992滿(mǎn)足標準IEEE? P1901.2對低頻PLC通信的要求，兼容于ITU G.9955/G.9956 G3-PLC。調制采用DBPSK、DQPSK和D8PSK，能夠在FCC頻帶（10kHz至487.5kHz）支持高達300kbps的數據速率。即使在信噪比（SNR）為-1dB的條件下，可靠模式也能維持正常通信。收發(fā)器采用動(dòng)態(tài)鏈路自適應技術(shù)，根據信道條件自動(dòng)選擇最優(yōu)的調制方法和數據速率。此外，自適應頻率映射通過(guò)選擇噪聲最小的子頻帶來(lái)避免干擾，進(jìn)而允許高階調制自動(dòng)調整到最高數據率。增加或減少節點(diǎn)時(shí)，自動(dòng)組網(wǎng)連接機制配置網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )。傳送消息時(shí)，動(dòng)態(tài)路由機制識別和更新網(wǎng)絡(luò )上的最佳路由選擇通路。

路燈照明網(wǎng)絡(luò )的容量和性能由電力線(xiàn)拓撲（包括變壓器數量和位置）、電力線(xiàn)條件、所選頻帶及消息頻率決定。整個(gè)FCC頻帶（10kHz至487.5kHz）下采用DB8PSK調制時(shí)，MAX2992的數據率高達300kbps。FCC頻帶廣泛用于美國等其它許多國家。通過(guò)電力線(xiàn)變壓器或長(cháng)距離通信時(shí)，由于信號衰減使得SNR降低。MAX2992自動(dòng)切換至DQPSK，典型數據率為150kbps。

路燈照明網(wǎng)絡(luò )的拓撲影響通信范圍及網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )配置。電力線(xiàn)上的支路分流PLC信號，從而縮短通信距離，并在網(wǎng)絡(luò )中產(chǎn)生附加支路。此外，網(wǎng)絡(luò )管理是網(wǎng)絡(luò )性能的基礎。對于由集中器輪詢(xún)節點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )，可預測消息延遲；對于每個(gè)節點(diǎn)按需發(fā)送的網(wǎng)絡(luò )，容易受網(wǎng)絡(luò )沖突的影響，從而造成延遲波動(dòng)。拓撲和線(xiàn)路條件對網(wǎng)絡(luò )性能的影響顯著(zhù)，所以難以估算特定網(wǎng)絡(luò )的容量和性能。因此，應該根據試運行中由相應的消息頻率和網(wǎng)絡(luò )管理系統收集的數據開(kāi)通網(wǎng)絡(luò )。

路燈照明應用中，相對于可變消息延遲，通常首選可預測消息延遲。這種情況下，建議由集中器輪詢(xún)節點(diǎn)。采用Round-Robin輪詢(xún)方法時(shí)，每個(gè)集中器的節點(diǎn)數越多，發(fā)送至任意節點(diǎn)的消息之間的間隔就越長(cháng)。照明自動(dòng)化管理，例如控制調光或檢查交通流量，為預定事件，能夠補償可預測的消息延遲。

方案優(yōu)勢

通過(guò)以下計算，大型網(wǎng)絡(luò )采用G3-PLC技術(shù)可以獲得最大益處。將G3-PLC用于10kHz至490kHz的FCC頻帶，點(diǎn)到點(diǎn)發(fā)送消息占用時(shí)間為0.017s，期間傳輸大約180字節數據。對于1000盞燈的大型網(wǎng)絡(luò )，平均間距為80m，線(xiàn)路總長(cháng)為80km。

由于距離或變壓器產(chǎn)生的PLC信號衰減，集中器不能直接與每個(gè)節點(diǎn)進(jìn)行通信。這種情況下，采用G3-PLC網(wǎng)狀架構，使每個(gè)節點(diǎn)成為轉發(fā)器，轉發(fā)集中器與每個(gè)節點(diǎn)之間的消息。本例采用了7個(gè)轉發(fā)器（表1），平均轉發(fā)延