国外高速电力线通信技术发展分析

　　电力线无处不在，利用它来进行信息的传输一直是人们的梦想。通过多年的研究和发展，利用高压电力线来传输低速数据的技术已相当成熟。随着网络技术及多媒体技术的发展，利用电力线来实现高速Internet接入及多媒体信息传输是当前的研究热点，国外在相关研究和应用方面已取得了很大进展。
本文将详细分析国外在高速电力线通信(PLC)基础研究、产品研发、市场应用、标准与管制方面的现状及存在的问题。

　　一、高速PLC介绍

　　PLC就是以电力线作为通信媒介的一种通信方式。电力线从来就不是一种理想的通信介质，但随着技术的不断进步，特别是调制技术及微电子技术的发展，使得PLC的实用化成为可能。最早的PLC实用技术是一种称之为“脉冲控制”的通信系统，该系统提供速率极低的单向通信，发射机功率为数十千瓦，主要用于路灯及负荷控制。20世纪50年代以来，人们开始研究电力线（主要为高压）通道的高频特性（5kHz～500kHz），并在此基础上开发了电力系统调度通信及保护广泛使用的电力线载波机。20世纪90年代国外开始研究电力线（主要为低压及中压）的高频特性（2 MHz～80MHz），并在此基础上开发了实用的高速PLC产品及系统。当前已有多种高速PLC产品及系统在家庭联网、高速Internet接入、智能家居等方面得到了广泛应用。高速PLC的特点大致可以概括为以下几点。

　　（1）采用电力线（中低压）作为信息传输通道，跟其他接入技术相比可提供更高的覆盖率；（2）电力线载波信号使用频率为2 MHz～30MHz；（3）可快速、简单可选择性实施，

　　室内安装快速简单；（4）投资及运行费用跟xDSL相当，比其他电缆服务费用低；（5）当前提供的宽带接入速率与其他方式相当，下一步将提供更高的速率及多种应用。

　　二、高速PLC基础研究现状

　　对电力线信道特性的研究是产品开发及制定相关标准的基础。经过多年的发展，国外相关研究组织或个人在中低压电力线的信道特性研究方面取得了一定成果，但还有很多研究工作需要进一步深入。

　　（一）信道传输特性

　　电力线网络不同于常规的点对点或点对多点阻抗恒定传输媒介。由于大多电力线具有分支多、不同分支电缆物理特性不一致及负载阻抗不恒定等特点，其中，中压电力线的阻抗变化稍小，中压电缆线路分支一般不多。因而电力线信道是一个多径反射以及频率选择性衰落信道。我们可以通过模拟技术研究不同拓扑结构网络上通信性能的可能性。通过搭建模型，并基于大量的测试，可以研究和设计出PLC网络。同时可以对不同的调制技术和编码技术进行比较研究。

　　（二）信道噪声特性

　　除了因线路衰减和多路传输所造成的信号失真外，噪声是影响电力线数据可靠通信的关键因素。通过大量理论研究和实际测试表明，电力线信道中的噪声分布和其它常见信道有很大的不同，其噪声并不呈现白高斯噪声（AWGN）特性，在频率从几百kHz到数十MHz之间，主要为窄带干扰和脉冲噪声。为了克服这些影响，必须考虑采用复杂的信道编码技术。中低压配电网中的噪声可以分为以下五类。

　　（1）有色背景噪声：具有相对较低的功率谱密度(psd), 而且功率谱密度随频率的变化而变化；（2）窄带噪声：主要是一些经过幅度调制的正弦信号，严重时在很宽的频率范围内存在高电平的噪声；（3）非电网谐波的周期性脉冲噪声：这类噪声大多是由开关电源引起的，在低压电力线中出现的几率较大；（4）与工频同步的周期性脉冲噪声：这些脉冲的重复频率为50Hz或100Hz，与工频同步，它们持续时间很短（几微秒）；（5）异步脉冲噪声：它是由电网中瞬时的电气开断引起的，这类噪声的功率谱密度有时比背景噪声高50dB。

　　（三）信道电磁兼容特性

　　由于高速PLC需要在电力线上注入高频信号（2 MHz～30MHz），但高速PLC的使用不能给其他通信系统带来电磁干扰。为此国外对电力线的高频辐射机理进行了详细的研究并作了大量的测试，大家认为电力线的对地不平衡是其辐射的主要原因。由于电力线的电磁辐射特性跟电力线结构、耦合方式密切相关，一个地方的测量结果很难反映不同应用环境的电磁辐射水平，而且对于2 MHz～30MHz频率范围电磁辐射的测量方法也存在较大的争议，所以尽管有组织定义了高速PLC的电磁辐射水平，但目前还没有一个世界范围内大家一致认同的标准。如何设定高速PLC设备及系统的电磁辐射水平及定义测试方法仍然是各个相关组织正在研究的项目。

　　（四）信道调制编码

　　电力线是一个极其不稳定的高噪声、强衰减的传输通道，要实现可靠的电力线高速数据通信，必须解决各种因素对数据传输的影响。高效可靠的调制编码技术是高速PLC的关键，国外对各种调制技术在PLC中的应用进行了大量的研究和测试。

　　常规单载波调制不但频带利用率不高，而且在无法预计各种强干扰噪声频谱分布的前提下是无法避开或抑制突发噪声和脉冲噪声干扰的，因此也无法实现可靠的高速数据传输。对高速PLC来说，要实现很高的通信速率，在有限的频带内采用CDMA方案较难实现较高的处理增益，所以CDMA技术难以在高速PLC中使用。

　　三、高速电力线产品开发现状

　　英国联合电力公司的子公司Norweb通讯公司于1990年开始电力线载波通信的研究，1995年与加拿大北电网络合作共同开发该项技术。1997年这两家公司声称解决了电力线噪声等问题，取得了电力线载波技术的重大突破，利用新开发的数字电力线载波技术DPL(Digital Power Line)实现了在低压配电网上进行1Mbit/s的远程通信。

　　从此以后，许多国家的研究机构开展了高速PLC的研究和开发，如美国的Intellon、Inari公司，以色列的ITRAN、Main.Net公司，韩国的Xeline公司，西班牙的DS2，法国的SPiDCOM等公司开始了高速PLC专用芯片及应用产品的研究开发，产品包括用于家庭联网及高速接入两大类产品，传输速率从1Mbit/s到2Mbit/s、14Mbit/s、45Mbit/s直至200Mbit/s。当前国际上主流高速PLC芯片及产品如表一所示。

　　表一 国际上主流高速PLC芯片及产品表

　　公司名称 芯片速率 相关产品 应用范围 备注

　　Intellon 14Mbit/s85Mbit/s 国内外众多厂商生产有电力线以太网桥、电力线路由器及与无线、ADSL相结合的产品 家庭网络高速接入 85Mbit/s芯片可提供样片，年底推出200Mbit/s芯片

　　Maxim 14Mbit/s 提供样片、评估板 家庭网络高速接入 与Intellon 14Mbit/s兼容

　　Conexant 14Mbit/s 提供样片、评估板 家庭网络高速接入 与Intellon 14Mbit/s兼容

　　DS2 45Mbit/s200Mbit/s 国内外多厂商生产有用于家庭网络及中低压高速接入全系列产品、VoIP用户端 家庭网络高速接入 最早推出200Mbit/s芯片的厂商

　　Xeline 24Mbit/s 有用于家庭网络及中低压高速接入产品 家庭网络高速接入 即将推出更高速率的芯片

　　ITRAN 2.5Mbit/s 有产品用于商业化网络运行 家庭网络高速接入

　　SPiDCOM 224 Mbit/s 样机 家庭网络高速接入

　　（一）高速PLC应用现状

　　1．高速PLC应用模式

　　目前高速PLC主要用于家庭、小型办公室联网及高速接入。在高速PLC家庭、办公室联网应用中，通过多个高速PLC MODEM组成内部网络，并可通过PLC MODEM共享外部ADSL、无线等宽带Internet接入。

　　2．高速PLC试验网络

　　在国外，已有数百万电力线高速通信产品用于室内、办公室联网，电力线高速接入在多个国家已达数百个试验网络，主要应用于欧洲和美国等。欧美主要的电力线高速接入试验网络如表二所示。

　　表二 欧美主要的电力线高速接入试验网络

　　公司名称 业务范围 用户数 备注

　　Electricité De France 提供接入服务 1500/覆盖35000 使用中低压高速PLC,正在测试VoIP

　　EEF (Switzerland) 提供接入服务 2000 用户反映良好

　　Endesa Net Factory (Spain) 提供接入服务 2000/覆盖20000 85%用户签约使用VoIP

　　ENEL (Italy) 提供接入服务 2400/覆盖75000 无电磁干扰反映

　　Iberdrola (Spain) 提供接入服务 覆盖150000 正在测试VoIP

　　Drewag (Germany) 提供接入服务 700/覆盖15000 提供768 kbit/s速率

　　Linz AG (Austria) 提供接入服务 3000/覆盖37000

　　PPC (Germany) 提供接入服务 5000/覆盖90000

　　SSE (United Kingdom) 提供接入服务 覆盖20000 政府支持，无电磁干扰反映

　　Ameren（US） 提供接入服务 70/覆盖20000

　　Cinergy 1000/覆盖55000

　　City of Manassas（US） 提供接入服务 20000

　　Southern Company 提供接入服务 250

　　（二）高速PLC标准与管制

　　面对高速PLC技术的快速发展，各个国家反映不大一致。总的来讲，欧盟及美国政府已明确表示支持高速PLC技术的使用，应把PLC跟其他通信技术同等对待，不应设置障碍阻止其发展，但高速PLC的使用应满足安全、电磁兼容及其他通信管制标准。

　　高速PLC电磁兼容标准的制定是制约高速PLC在各国快速发展的主要因素。2004年10月，美国FCC 发布了高速PLC的电磁兼容标准，其对FCC PART15进行了增补，确定了高速PLC的辐射限值，并且要求设备生产商满足标准，要求应用商进行备案登记，当有人反映存在干扰时需进行现场测试并采取相应解决办法。欧盟要求高速PLC满足89/336/EEC要求，如在应用中存在干扰，对个案分别处理。ETSI/CENELEC联合工作组正在制定高速PLC电磁兼容的网络标准，不过该项研究进展缓慢。CISPR SC I WG 3正在制定高速PLC的产品电磁兼容标准，不过其提交的草案几经修改一直未能通过。

　　随着高速PLC的快速发展，各相关国际组织也越来越多。当前电力线高速通信的国际组织主要有家庭插电联盟HPA、PLC论坛、PALAS、OPERA、UPLC(UNITED POWER LINE COUNCIL)、PUA以及日本的ECHONET等。所有这些国际组织都由研究机构及厂商共同组成，其中比较具有影响力的为HPA、PLC Forum和OPERA。

　　HPA致力于创造共同的电力线网络通信技术标准。HPA现已发展成为由近百家公司组成的联盟，国内的中国电力科学研究院是该组织的成员。2001年6月，HPA发布了其标准的第1个版本Home-Plug Specfication1.0，将数据传输速率定为14Mbit/s，采用OFDM调制解调技术，MAC层协议为CSMA/CA。基于该标准生产的高速PLC产品目前占有大量的市场份额。其下一步将发布HomePlug AV及HomePlug BPL标准。

　　PLC Forum于2000年3月23日在瑞士成立。其包括来自各大洲的成员，国内的中国电力科学研究院是该组织中惟一的中国会员。论坛的目标是为所有对PLC感兴趣的制造商、客户、研究人员以及政府机构提供一个平台，促进他们交流和丰富有关PLC的知识。该论坛的市场目标是提供包括户外接入和户内联网在内的全面PLC解决方案。PLC Forum不制定标准，但致力于将会员的提议提交给国际标准化组织，并通过努力，使其成为标准。OPERA成立时间不长，其是由欧盟资助并由DS2等多个欧洲研究机构及厂商组成的组织，其主要目的是开发下一代用于本地接入的高速PLC技术。

　　（三）展望

　　经过多年的发展，高速PLC技术在世界范围内取得了很大的进步。通过大量试点及小规模应用表明，高速PLC并不会带来严重的电磁干扰，但我们必须遵守相关的电磁兼容标准。

　　相关技术标准的制定才能保证高速PLC快速健康的发展，欧美不但在产品研究开发及相关标准的制定方面都走在中国的前面，国内高速PLC要发展还需相关组织及人员的努力。

　　从目前国内外的研究及应用现状来看，我们把高速PLC技术与其他通信技术及应用相结合，其才能具有充分的竞争力。

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