低壓配電網(wǎng)電力線載波通信與新技術(shù)

2、電力線載波通信新技術(shù)

實(shí)現(xiàn)低壓配電網(wǎng)電力線載波可靠通信，需要很多新技術(shù)來支撐。這里僅列舉了作者認(rèn)為重要的幾項(xiàng)技術(shù)：

2.1正交頻分復(fù)用(OFDM)

正交頻分復(fù)用(OFDM)是一種被電力載波通信行業(yè)普遍看好的高效多載波寬帶數(shù)字調(diào)制技術(shù)，采用一組相互正交的子載波構(gòu)成信道來傳輸數(shù)據(jù)流，這些載波在頻率上等間隔地分布，載波間隔一般取碼元周期的倒數(shù)。它采用并行調(diào)制技術(shù)、長碼元周期、FET/IFFF調(diào)制與解調(diào)技術(shù)，使OFDM具有頻帶利用率高、抗ISI干擾能力強(qiáng)、抗信道衰落好、抗噪聲干擾強(qiáng)、易實(shí)現(xiàn)等一系列優(yōu)點(diǎn);由于OFDM通過動(dòng)態(tài)選擇子載波?？梢詼p少窄帶干擾和頻率谷點(diǎn)的影響;即便是在配電網(wǎng)受到嚴(yán)重干擾的情況下，OFDM也可提供高帶寬并且保證帶寬傳輸效率，而且通過適當(dāng)?shù)募m錯(cuò)技術(shù)可以確保數(shù)據(jù)可靠傳輸[2]。OFDM是目前電力載波寬帶通信的首選技術(shù)，跳頻OFDM方式在無線通信中被選作IEEE802.15.3a標(biāo)準(zhǔn)的另一個(gè)方案。盡管OFDM具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是，它也存在一定的缺點(diǎn)：①對(duì)頻偏和相位噪聲比較敏感，1%的頻偏會(huì)使信噪比下降30dB。②功率峰值與均值比(PAPR)大，降低了驅(qū)動(dòng)放大電路的效率。③接收機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，同時(shí)對(duì)瞬間干擾敏感。此外，對(duì)于電力線載波通信的安全性方面沒有任何措施。

2.2跳頻(PH)

跳頻(FH)是一種無線通信中最常用的擴(kuò)頻方式。工作原理是收發(fā)雙方傳輸信號(hào)的載波頻率按照預(yù)定規(guī)律(一組偽隨機(jī)碼PN，Pseudo-Noise)進(jìn)行離散變化，通信中使用的載波頻率受偽隨機(jī)碼的控制而隨機(jī)跳變。從通信技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式來說，跳頻是一種用碼序列進(jìn)行多頻頻移鍵控的通信方式;從時(shí)域上來看，跳頻信號(hào)是一個(gè)多頻率的頻移鍵控信號(hào);從頻域上來看，跳頻信號(hào)是一個(gè)在很寬頻帶上以不等間隔隨機(jī)跳變的信號(hào)。因此，跳頻通信在某一特定頻點(diǎn)上仍為普通調(diào)制技術(shù)。跳頻系統(tǒng)根據(jù)頻率變化的快慢，通常分為快跳頻和慢跳頻。目前在軍事領(lǐng)域廣泛應(yīng)用了快跳頻通信技術(shù)。隨著電子對(duì)抗的加劇，在快跳頻的基礎(chǔ)上.產(chǎn)生了自適應(yīng)跳頻，進(jìn)一步提高抗截獲和抗干擾目的。慢跳頻則主要應(yīng)用于民用領(lǐng)域。

跳頻通信在電力載波通信中立用具有很強(qiáng)的適用性：①適應(yīng)電力線的強(qiáng)干擾環(huán)境。低壓配電網(wǎng)噪吉干擾強(qiáng)，并且噪聲不是分布在所有頻段內(nèi)，可用信道是變化的，跳頻技術(shù)恰好可以滿足這一需要。②適應(yīng)低壓配電網(wǎng)頻率選擇性衰減。低壓配電網(wǎng)負(fù)載復(fù)雜，且具有時(shí)變性，各種干擾和信道特性均無法“長期”預(yù)測(cè)。跳頻系統(tǒng)則可以根據(jù)預(yù)設(shè)跳頻圖案，自動(dòng)切換載波頻率，避開干擾源頻點(diǎn)，同時(shí)也可以根據(jù)信道估計(jì)的結(jié)果，通過自適應(yīng)跳頻，選擇適宜信道，實(shí)現(xiàn)可靠通信。

可以看出，相對(duì)FSK、OFDM、Chirp等通信系統(tǒng)，跳頻系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①普通跳頻系統(tǒng)只需在常規(guī)調(diào)制方式中增加載頻跳力，實(shí)現(xiàn)設(shè)備相對(duì)簡單。②跳頻系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗干擾能力，并對(duì)頻率性衰減有抑制作用。③可以多址工作，無ICI和ISI干擾。④跳頻序列的擴(kuò)頻碼跳變速率較低，易于實(shí)現(xiàn)。跳頻技術(shù)在低壓配電網(wǎng)電力線載波通信中的應(yīng)用不僅是新的技術(shù)增長點(diǎn)，而且在網(wǎng)絡(luò)安全日益重要的今天，該技術(shù)將起到不可替代的作用。

2.3混沌(Chaos)

混沌有很多種定義，其本質(zhì)特征在于描述事物對(duì)“初始條件高度敏感(蝴蝶效應(yīng))”的高度非線性特性，它揭示了“在看似無序的事物中蘊(yùn)含著有序”的道理。

由于初始值間任意小的差別在迭代中將被指數(shù)放大，使得混沌序列具有很強(qiáng)的多址性能。同時(shí)，混沌的長期行為還表現(xiàn)出明顯的隨機(jī)性和不可預(yù)測(cè)性，它的引入為改善跳頻通信系統(tǒng)性能提供了一個(gè)新的途徑。由于混沌系統(tǒng)對(duì)初始條件和混沌參數(shù)非常敏感，能夠產(chǎn)生大量、非相關(guān)、類隨機(jī)但為確定性和可再生的非周期性信號(hào)等特點(diǎn)，使其非常適合用作抗干擾和保密通信的偽隨機(jī)碼序列。此外，混沌同步驅(qū)動(dòng)也將大大改進(jìn)通信的安全性。目前混沌序列是保密通信中的研究熱點(diǎn)。

2.4網(wǎng)絡(luò)自組與重構(gòu)

由于低壓配電網(wǎng)物理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)經(jīng)常發(fā)生變化，且邏輯拓?fù)潆S信道質(zhì)量而變化，因此，電力載波通信在多點(diǎn)組成網(wǎng)絡(luò)時(shí)，具有與無線移動(dòng)通信相類似的特征。

自組(ADHoc)網(wǎng)是一種不需要固定路由器就能夠?qū)崿F(xiàn)自治運(yùn)行的無線多跳網(wǎng)絡(luò)。在無線Ad-Hoc網(wǎng)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)既是主機(jī)，又可以是路由器。因此，在低壓配電網(wǎng)電力線載波通信中采用網(wǎng)絡(luò)自組與重構(gòu)技術(shù)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①可以根據(jù)電力線信道質(zhì)量變化，自動(dòng)偵測(cè)可通信邏輯節(jié)點(diǎn)，動(dòng)態(tài)調(diào)整路由配置，在網(wǎng)絡(luò)鏈路層保持可靠連接。②自動(dòng)探測(cè)最佳中繼節(jié)點(diǎn)，動(dòng)態(tài)配置中繼信息，自動(dòng)識(shí)別節(jié)點(diǎn)投入或切除?？梢姡捎眠@種網(wǎng)絡(luò)自組與重構(gòu)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)低壓配電網(wǎng)中點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)的可靠通信。當(dāng)然，該技術(shù)對(duì)底層硬件平臺(tái)要求較高。

毫無疑問，電力載波通信具有誘人的發(fā)展前景。但是，由于低壓配電網(wǎng)本身的特點(diǎn)，目前在實(shí)際大規(guī)模使用電力載波通信時(shí)還會(huì)遇到很多問題。現(xiàn)僅就以下幾個(gè)問題闡述一下作者的觀點(diǎn)。

(1)抗干擾問題與對(duì)策盡管OFDM是一種被電力載波通信行業(yè)普遍看好的高效調(diào)制技術(shù)，然而，在電力線信帶有限的情況下，緊緊依靠OFDM技術(shù)還具有一定的局限性。為此，一方面采用OFDM與跳頻相結(jié)合技術(shù)將進(jìn)一步改善電力載波通信的可靠性;另一方面還可以考慮采用混沌理論，提高抗通信介質(zhì)開放的低壓配電網(wǎng)中的惡意干擾能力。

(2)路由組網(wǎng)問題與對(duì)策電力線載波通信物理網(wǎng)絡(luò)是由低壓配電網(wǎng)和當(dāng)時(shí)線路負(fù)載組成的。物理網(wǎng)絡(luò)是動(dòng)態(tài)的，信道特性也是動(dòng)態(tài)的，這種特殊性，決定了組網(wǎng)的困難性。為解決這一問題，有兩種方法：第一種是根據(jù)實(shí)地經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，通過某一中心載波通信節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行人工本地/遠(yuǎn)程配置中繼路由信息，來保證一定范圍內(nèi)電力載波節(jié)點(diǎn)的可靠通信;第二種方法是以圖論為基礎(chǔ)、以ADHoc理論為指導(dǎo)，通過某一中心載波通信節(jié)點(diǎn)，自動(dòng)建立電力載波通信。