電力線通信技術原理及應用
加入技術交流群
信道衰減特性對于數字通信的效果有著重要影響。中壓線路的衰減比低壓線路的衰減嚴重，有實驗表明，平均每100m幅值衰減可達到8dB~11dB。同時，中壓線路的衰減也表現出明顯的頻率選擇性，在一些頻率點或者頻段，會出現深度的傳輸衰減。由大量分支點造成的多徑效應被認為是一個主要原因。實驗證明，在這些深度衰減的頻段上，很難實現成功的通信連接，必須在實際通信系統(tǒng)中予以回避。
中壓電力線平均噪聲功率在-60~-70dBm/Hz左右。其中，由多種低功率噪聲的疊加而成的有色背景噪聲功率一般在-60~-70dBm/Hz之間，在一些頻段可低于-80dBm/Hz，其整體隨頻率增高而減弱，且功率譜變化較慢，一般為分鐘甚至小時量級；主要由通信帶寬內的廣播電臺等其它無線通信信號造成的窄帶噪聲，平均占用2k~4kHz的帶寬，功率較高，較背景噪聲高出約30~50dBm/Hz，該類干擾一般長時穩(wěn)定存在；對通信效果影響最大的是沖激噪聲，該類噪聲隨機產生，持續(xù)時間很短，一般為幾十或者幾百毫秒，絕大部分功率高于背景噪聲10~30dBm/Hz，當沖激噪聲發(fā)生時，噪聲頻段內的數據傳輸將可能出現嚴重的突發(fā)性誤碼。圖3為我國農村中壓電力線在40k~560kHz頻段內的典型噪聲頻譜。本文引用地址：http://2s4d.com/article/179962.htm
圖3國內農村中壓線路噪聲特性曲線（40k-560kHz）
中壓PLC關鍵技術與應用系統(tǒng)
中壓電力線信道是一個很不穩(wěn)定的高噪聲、強衰減的傳輸通道，高效可靠的調制編碼技術對于電力線通信非常重要。目前，國內外針對不同通信場景對速率、可靠性的要求，對各種調制技術在中壓PLC中的應用進行了大量的研究和測試。
根據對中壓信道特性的研究，噪聲功率一般隨頻率升高而降低，但同時多徑效應所引起的深衰落也在高頻端更為嚴重，因此，在選擇PLC載波頻率時，需要根據實際線路情況在二者之間進行折衷。國內外的大量實踐證明，5k~50kHz的載波頻率對于多數中壓配電自動化系統(tǒng)是比較合適的。在配電自動化的應用中，多為單向數據傳輸，且主要要求有較高的可靠性，對實時性的要求不是很高，因此，一般都選取較低的傳輸速率，一般在10bps~1000bps之間。在調制技術方面，目前使用最多的是窄帶調制方法，如ASK，FSK或者CPSK都得到了比較廣泛的應用。近年來為在強噪聲干擾的環(huán)境下實現數據傳輸，跳頻、直接序列擴頻、Chirp跳頻等擴頻通信技術也被引入到中壓PLC系統(tǒng)中。
在利用中壓PLC實現數據網絡接入的場景中，由于通信速率較高，對所采用的調制編碼技術的信道利用率，對突發(fā)噪聲和脈沖噪聲的規(guī)避或者對抗能力都提出了較高的要求。目前，在中、低速率的接入網研究中，BPSK、QPSK等調制方法得到了應用，為了對抗頻率選擇性衰落的信道特性，一般都會同時應用高階的差錯控制編碼，這同該調制方法本身不高的頻帶利用率相結合，使得系統(tǒng)的通信速率會受到較大限制。
CDMA技術可以有效的對抗傳輸信道中的窄帶噪聲等干擾，但是在CDMA系統(tǒng)中所要求的較高處理增益，在存在嚴重的頻率選擇性衰落的電力線信道上很難達到，所以CDMA系統(tǒng)的優(yōu)勢在PLC中并不能得到完全的發(fā)揮，一般認為，速率超過1Mbps，它就不再適用。對于更高傳輸速率的接入網絡，多載波正交頻分復用(OFDM)技術被認為是最為合適的技術方案。OFDM以多個相互正交的載波對數據進行調制，將串行數據流變換為并行處理。其擁有接近香農限的高信道利用率；并且可以有效的對抗多徑效應，解決碼間串擾問題，也具備較強的抗突發(fā)干擾的能力；另外，在信道分配上，OFDM也提供了靈活操作的可能性，得以規(guī)避通信帶寬內深度衰落的頻帶；OFDM技術在高速PLC中應用廣泛。
在MAC層協議中，目前的研究表明，帶有沖突避免的有競爭CSMA/CA協議，基于TDMA的無競爭預約協議，以及將兩者相結合的混合型協議，比較適合于中壓寬帶接入網絡，并且已在實際系統(tǒng)中得到應用。
總體而言，PLC應用系統(tǒng)經過了模擬——單片機集成電路——現代數字信號處理技術的發(fā)展過程。中壓PLC系統(tǒng)起點較高，目前已廣泛采用DSP器件和專用芯片的解決方案。上世紀90年代中期以后，高速PLC芯片產業(yè)發(fā)展迅速，國外多家公司都研究開發(fā)了相應產品。
在市場的推動下，北美的中壓PLC寬帶接入應用系統(tǒng)發(fā)展迅速。Amperion公司研究了發(fā)變電站至變壓器之間的中壓電力線上的高速數據傳輸技術，以及MV-PLC與LV-PLC為一端、光纖和無線網絡為另一端的接口技術，從而提供了從中壓傳輸到低壓傳輸，從戶外接入到戶內組網的端到端PLC解決方案。目前，該系統(tǒng)的主要技術已經通過實驗室試驗，Amperion公司及合作伙伴正極力推動該類接入網絡的商業(yè)進程。
近年來受到廣泛關注的MV-PLC接入在農村地區(qū)的應用，目前主要還停留在實驗系統(tǒng)的階段。文獻[1]中所介紹的接入系統(tǒng)物理層采用BPSK調制方法，利用BCH編碼、交織等技術對抗信道衰減和突發(fā)噪聲，MAC層使用CSMA/CD和TDMA的混合協議，在南非的郊區(qū)和低人口密度地區(qū)的中壓電力線網絡傳輸實驗中實現了Internet接入，傳輸距離達到了4km，但未能達到VoIP所要求的QoS保證。文獻[2]中，在北美農村13.8kV電網上采用基于QPSK調制的全雙工數字寬帶通信方案，在17MHz和83MHz頻段上在實現了2Mbps的TCP/IP連接。
中壓電力線通信技術在中壓配電自動化、城市和農村地區(qū)寬帶網絡接入等方面具有獨特的優(yōu)勢和很大的發(fā)展?jié)摿Γ绻玫綇V泛應用，將對國民經濟的發(fā)展產生積極的促進作用。近年來，國內外相關的研究和應用都得到了迅速的發(fā)展，有理由相信，隨著相關技術的進步和成熟，中壓電力線通信會在信息社會中扮演日益重要的角色。
評論