電力線通信技術(shù)原理及應(yīng)用
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信道衰減特性對于數(shù)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(yán)重，有實驗表明，平均每100m幅值衰減可達(dá)到8dB~11dB。同時，中壓線路的衰減也表現(xiàn)出明顯的頻率選擇性，在一些頻率點或者頻段，會出現(xiàn)深度的傳輸衰減。由大量分支點造成的多徑效應(yīng)被認(rèn)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(xiàn)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(nèi)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(chǎn)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(dāng)沖激噪聲發(fā)生時，噪聲頻段內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸將可能出現(xiàn)嚴(yán)重的突發(fā)性誤碼。圖3為我國農(nóng)村中壓電力線在40k~560kHz頻段內(nèi)的典型噪聲頻譜。本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/179962.htm
圖3國內(nèi)農(nóng)村中壓線路噪聲特性曲線（40k-560kHz）
中壓PLC關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)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(diào)制編碼技術(shù)對于電力線通信非常重要。目前，國內(nèi)外針對不同通信場景對速率、可靠性的要求，對各種調(diào)制技術(shù)在中壓PLC中的應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究和測試。
根據(jù)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(yīng)所引起的深衰落也在高頻端更為嚴(yán)重，因此，在選擇PLC載波頻率時，需要根據(jù)實際線路情況在二者之間進(jìn)行折衷。國內(nèi)外的大量實踐證明，5k~50kHz的載波頻率對于多數(shù)中壓配電自動化系統(tǒng)是比較合適的。在配電自動化的應(yīng)用中，多為單向數(shù)據(jù)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(diào)制技術(shù)方面，目前使用最多的是窄帶調(diào)制方法，如ASK，F(xiàn)SK或者CPSK都得到了比較廣泛的應(yīng)用。近年來為在強噪聲干擾的環(huán)境下實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，跳頻、直接序列擴頻、Chirp跳頻等擴頻通信技術(shù)也被引入到中壓PLC系統(tǒng)中。
在利用中壓PLC實現(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)接入的場景中，由于通信速率較高，對所采用的調(diào)制編碼技術(shù)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(wǎng)研究中，BPSK、QPSK等調(diào)制方法得到了應(yīng)用，為了對抗頻率選擇性衰落的信道特性，一般都會同時應(yīng)用高階的差錯控制編碼，這同該調(diào)制方法本身不高的頻帶利用率相結(jié)合，使得系統(tǒng)的通信速率會受到較大限制。
CDMA技術(shù)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(yán)重的頻率選擇性衰落的電力線信道上很難達(dá)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(rèn)為，速率超過1Mbps，它就不再適用。對于更高傳輸速率的接入網(wǎng)絡(luò)，多載波正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)被認(rèn)為是最為合適的技術(shù)方案。OFDM以多個相互正交的載波對數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，將串行數(shù)據(jù)流變換為并行處理。其擁有接近香農(nóng)限的高信道利用率；并且可以有效的對抗多徑效應(yīng)，解決碼間串?dāng)_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(nèi)深度衰落的頻帶；OFDM技術(shù)在高速PLC中應(yīng)用廣泛。
在MAC層協(xié)議中，目前的研究表明，帶有沖突避免的有競爭CSMA/CA協(xié)議，基于TDMA的無競爭預(yù)約協(xié)議，以及將兩者相結(jié)合的混合型協(xié)議，比較適合于中壓寬帶接入網(wǎng)絡(luò)，并且已在實際系統(tǒng)中得到應(yīng)用。
總體而言，PLC應(yīng)用系統(tǒng)經(jīng)過了模擬——單片機集成電路——現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)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(jì)90年代中期以后，高速PLC芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，國外多家公司都研究開發(fā)了相應(yīng)產(chǎn)品。
在市場的推動下，北美的中壓PLC寬帶接入應(yīng)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(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，以及MV-PLC與LV-PLC為一端、光纖和無線網(wǎng)絡(luò)為另一端的接口技術(shù)，從而提供了從中壓傳輸?shù)降蛪簜鬏?，從戶外接入到戶?nèi)組網(wǎng)的端到端PLC解決方案。目前，該系統(tǒng)的主要技術(shù)已經(jīng)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(wǎng)絡(luò)的商業(yè)進(jìn)程。
近年來受到廣泛關(guān)注的MV-PLC接入在農(nóng)村地區(qū)的應(yīng)用，目前主要還停留在實驗系統(tǒng)的階段。文獻(xiàn)[1]中所介紹的接入系統(tǒng)物理層采用BPSK調(diào)制方法，利用BCH編碼、交織等技術(shù)對抗信道衰減和突發(fā)噪聲，MAC層使用CSMA/CD和TDMA的混合協(xié)議，在南非的郊區(qū)和低人口密度地區(qū)的中壓電力線網(wǎng)絡(luò)傳輸實驗中實現(xiàn)了Internet接入，傳輸距離達(dá)到了4km，但未能達(dá)到VoIP所要求的QoS保證。文獻(xiàn)[2]中，在北美農(nóng)村13.8kV電網(wǎng)上采用基于QPSK調(diào)制的全雙工數(shù)字寬帶通信方案，在17MHz和83MHz頻段上在實現(xiàn)了2Mbps的TCP/IP連接。
中壓電力線通信技術(shù)在中壓配電自動化、城市和農(nóng)村地區(qū)寬帶網(wǎng)絡(luò)接入等方面具有獨特的優(yōu)勢和很大的發(fā)展?jié)摿?，如果得到廣泛應(yīng)用，將對國民經(jīng)濟的發(fā)展產(chǎn)生積極的促進(jìn)作用。近年來，國內(nèi)外相關(guān)的研究和應(yīng)用都得到了迅速的發(fā)展，有理由相信，隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)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。
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