趙 東,趙鞠萌,劉仁云

(1.長(zhǎng)春師范學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,吉林長(zhǎng)春 130032;2.吉林省經(jīng)濟(jì)信息中心,吉林長(zhǎng)春 130051;3.長(zhǎng)春師范學(xué)院數(shù)學(xué)學(xué)院,吉林長(zhǎng)春 130032)

高速電力載波接入技術(shù)的研究

趙 東1,趙鞠萌2,劉仁云3

(1.長(zhǎng)春師范學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,吉林長(zhǎng)春 130032;2.吉林省經(jīng)濟(jì)信息中心,吉林長(zhǎng)春 130051;3.長(zhǎng)春師范學(xué)院數(shù)學(xué)學(xué)院,吉林長(zhǎng)春 130032)

本文通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)最后一公里問題的分析,并結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的多種過渡方案,提出了以高速電力載波為載體的接入設(shè)計(jì)方案,采用OFDM技術(shù)將高數(shù)據(jù)流分解為低速數(shù)據(jù)流,并有效地分離各信道信號(hào),以實(shí)現(xiàn)高速信息數(shù)據(jù)在電力線上的傳輸,從而使得通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)家庭智能化設(shè)備進(jìn)行控制變得簡(jiǎn)單、可行。

電力線載波;SCC;OFDM;寬帶接入方案

1 概述

互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)已成為人們工作、生活和學(xué)習(xí)不可或缺的部分,伴隨著人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)日益劇增的需求,要求對(duì)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)、功能、環(huán)境等提出改革與創(chuàng)新。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)有線傳輸介質(zhì)主要由網(wǎng)線、光纖和電纜組成,在網(wǎng)絡(luò)最后一公里的通信架設(shè)及所需材料方面都要耗費(fèi)大量財(cái)力、物力。

如何建設(shè)一個(gè)綜合、經(jīng)濟(jì)、可靠、有效的通信網(wǎng)絡(luò),既能滿足現(xiàn)在的各種網(wǎng)絡(luò)需求,又能適應(yīng)發(fā)展的需要,為不斷增多的用戶、更大的帶寬以及新的業(yè)務(wù)更大的空間,減少不必要的重復(fù)投資,已成為當(dāng)前亟待解決的問題。

電力線載波通信 (PLC)是電力系統(tǒng)特有的通信方式,以普遍存在的電力線為通信載體,實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)流在線路中的傳遞,高速載波方式安全穩(wěn)定,是唯一不需要線路投資的有線通信方式。電路線通信是先將數(shù)據(jù)調(diào)制成載波信號(hào)或擴(kuò)頻信號(hào),然后通過耦合器耦合到220V或其他交/直流電力線甚至是沒有電力的雙絞線上。電力線載波通信不僅提供了實(shí)用的新興通信手段,而且具有現(xiàn)有物理鏈路、易維護(hù)、易推廣、易使用、低成本等優(yōu)點(diǎn)。

2 主要研究技術(shù)內(nèi)容的國(guó)內(nèi)外發(fā)展水平及方向

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)需求發(fā)展空間的擴(kuò)大,國(guó)內(nèi)也把PLC技術(shù)的研究作為一項(xiàng)重要課題,并且取得較好的成效。從1997年起,中國(guó)電力科學(xué)研究院開始組織團(tuán)隊(duì)研究PLC技術(shù),并提出把基于PLC技術(shù)的遠(yuǎn)程抄表作為主要開發(fā)項(xiàng)目。在以后的兩年里著手進(jìn)行PLC技術(shù)的研發(fā)工作。對(duì)于低壓配電網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性提出了測(cè)試方案,并進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)試,通過對(duì)測(cè)試結(jié)果的分析,得到了低壓配電網(wǎng)絡(luò)的各項(xiàng)指標(biāo),為此類其他研發(fā)工作提供技術(shù)支持。但我們必須看到,我們與國(guó)外PLC發(fā)展還有一定的差距,我國(guó)現(xiàn)在主要針對(duì)在低流量、低速率的應(yīng)用場(chǎng)合,主要產(chǎn)品是100K BPS-500K BPS的抄表系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)等。

目前瑞士Ascom公司生產(chǎn)的PLC產(chǎn)品能達(dá)到的最大速率為415Mbps,韓國(guó)Xeline的產(chǎn)品最大速率為14Mbps,而西班牙DS2的產(chǎn)品能達(dá)到45Mbps。因此,研究高速電力載波通訊技術(shù),與國(guó)際接軌,研制出適合我國(guó)市場(chǎng)的電力載波通訊產(chǎn)品意義重大。

PLC寬帶接入技術(shù)可為用戶提供Internet接入、VOD點(diǎn)播、遠(yuǎn)程教育、遠(yuǎn)程醫(yī)療、IP電話、IP傳真、智能小區(qū)、智能家電控制等服務(wù)。隨著信息技術(shù)的發(fā)展、數(shù)字家庭市場(chǎng)的啟動(dòng),我們有理由相信寬帶電力線通信會(huì)和無線WiFi、xDSL一起成為數(shù)字家庭骨干網(wǎng)的選擇之一,在未來的數(shù)字家庭的市場(chǎng)上三分天下。

3 研究方法

電力載波目前主要有兩種實(shí)現(xiàn)方法,即擴(kuò)頻通信 (SCC)技術(shù)和正交頻分復(fù)用 (OFDM)技術(shù)。SCC主要用于低于1M的速率場(chǎng)合,OFDM技術(shù)用于高速帶寬的數(shù)據(jù)傳輸。

OFDM技術(shù)本質(zhì)是把電力線中存在高速數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)化為多個(gè)子比特流,被分解得到的子比特流擁有較低的傳輸速率,每個(gè)子比特流用以調(diào)制若干個(gè)子載波。如果設(shè)定在1個(gè)周期內(nèi)傳輸?shù)拇a元序列為a0,a1,…,aN-1經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換器依次調(diào)制在N個(gè)子載波b0,b1,…,bN-1上,因?yàn)槭褂玫淖虞d波符合正交特性,它們的頻譜彼此重疊。由于子載波頻譜正交特點(diǎn),使傳統(tǒng)的頻分復(fù)用 (FDMA)系統(tǒng)中2個(gè)相鄰子載波的頻率相差系統(tǒng)的碼元傳輸速率為v0,彼此相鄰的子信道的中心頻點(diǎn)相對(duì)于v0相差3～5倍,這樣就可以防止相鄰信道之間的信號(hào)干擾,由于OFDM的互相毗鄰的兩個(gè)子載波特性相近,因此頻譜利用率極大提高,并且具有相互交疊的頻域。通過研究表明,如果子載波彼此之間滿足約定的正交約束條件,我們即可利用變頻和積分的方法去分離出各個(gè)子信道信號(hào),達(dá)到信道分離的效果。

通過對(duì)OFDM調(diào)制的原理的分析,得出可以用N個(gè)相互正交的載頻分別調(diào)制N路子信道碼元序列,由于子信道彼此較大的鄰道干擾,實(shí)際環(huán)境中采用此種方法仍然存在困難。把DSP技術(shù)作為調(diào)制和解調(diào)的手段,使得OFDM調(diào)制技術(shù)進(jìn)一步得到廣泛應(yīng)用。

在實(shí)際環(huán)境中,我們采用DSP處理芯片并應(yīng)用快速傅里葉反變換 (IFFT)算法已達(dá)到上述目的。其中發(fā)送端主要由以下部分組成:串并聯(lián)轉(zhuǎn)換器、基帶調(diào)制模塊、合路器、IFFT和D/A轉(zhuǎn)換器等。系統(tǒng)的工作流程如下:

(1)首先發(fā)送端將高速數(shù)據(jù)流通過串并轉(zhuǎn)換器分解成N個(gè)低速數(shù)據(jù)塊;

(2)對(duì)每路低速數(shù)據(jù)進(jìn)行基帶調(diào)制;

(3)通過IFFT將基帶調(diào)制信號(hào)搬移到N路子載波上合路后發(fā)出;

(4)發(fā)送信號(hào)通過疊加了各種噪聲和干擾的電力線信道傳遞到接收端。

接收器主要由以下部分組成:帶通濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器、解調(diào)模塊、FFT等。接受器的工作流程如下:

(1)首先系統(tǒng)采用FFT技術(shù)進(jìn)行基帶信號(hào)的恢復(fù);

(2)然后采用適合的數(shù)據(jù)解調(diào)方式解調(diào)出N路的低速數(shù)據(jù);

(3)最后使用并串轉(zhuǎn)換合成方法,合成原始高速數(shù)據(jù)流。

通過對(duì)上述方案的探討,我們采用集成度非常高的INTELLON公司的INT5500做為調(diào)制解調(diào)的主控芯片,結(jié)合INT1200高速模擬前端,接收數(shù)據(jù)時(shí)電力線上的信號(hào)通過濾波器經(jīng)由INT1200的A/D通道傳輸給控制芯片,發(fā)送時(shí)控制芯片的數(shù)據(jù)經(jīng)由INT1200的D/A通道耦合到電力線上,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向通訊。

電力網(wǎng)上存在各種各樣的干擾,數(shù)據(jù)收發(fā)穩(wěn)定可靠是本項(xiàng)目的挑戰(zhàn)之一。電力載波通訊速度一直以來是影響其推廣的重要瓶頸,實(shí)際研制的產(chǎn)品會(huì)比理論的計(jì)算速度低,因此,優(yōu)化通訊速度,充分利用軟、硬件資源,使之更好地發(fā)揮作用,是本項(xiàng)目的另一個(gè)難點(diǎn)。

4 主要應(yīng)用前景

電力線載波通訊技術(shù)可以應(yīng)用在各個(gè)方面,家居自動(dòng)化、小型辦公室、家庭辦公室通訊、互聯(lián)網(wǎng)、音視頻、游戲、安防、自動(dòng)抄表系統(tǒng)等。對(duì)于采用工業(yè)自動(dòng)化控制的企業(yè),存在信號(hào)干擾大、布線較為困難的環(huán)境,采用電力載波通訊方式可以收到較好的效果。故而在西方國(guó)家電力線載波通信的比例一直保持在12%左右,有的國(guó)家甚至高達(dá)30%。

電力線載波技術(shù)的突出的優(yōu)點(diǎn)及廣闊的發(fā)展前景,使其成為了世界上所有國(guó)家都投入較大的財(cái)力、物力和人力進(jìn)行研發(fā)。在21世紀(jì)初,韓國(guó)首次把電力線通信作為通信的另一手段。此后,韓國(guó)對(duì)輸電線上網(wǎng)進(jìn)行推廣應(yīng)用。日本對(duì)于家庭和辦公場(chǎng)所普遍存在的電力線路進(jìn)行規(guī)劃,把其作為互聯(lián)網(wǎng)高速接入的新型通信方式。

電力線載波通訊的最大的特點(diǎn)是不需要重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò),只要有電線,就能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞,實(shí)現(xiàn)家庭上網(wǎng),無疑也成為了解決智能家居數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罴逊桨钢?。同時(shí)因?yàn)閿?shù)據(jù)僅在家庭這個(gè)范圍中傳輸,束縛PLC應(yīng)用的困擾問題將在很大程度上減弱,我們也能通過傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)先連接到PC然后再控制家電方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)家電的控制,PLC調(diào)制解調(diào)模塊的成本也遠(yuǎn)低于無線模塊。

我國(guó)擁有遍及全國(guó)各個(gè)角落的電力系統(tǒng)的條件,依托現(xiàn)有的資源用以建設(shè)本地寬帶網(wǎng)絡(luò)接入的物資基礎(chǔ)。對(duì)于城鄉(xiāng)的電力網(wǎng)的普及,也使電力網(wǎng)實(shí)現(xiàn)高速寬帶連接成為現(xiàn)實(shí)。隨著信息技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,家居智能化、信息現(xiàn)代化程度的進(jìn)一步提高,電力載波通訊技術(shù)定會(huì)迎來飛速發(fā)展的時(shí)代。因此,研制出適合我國(guó)的電力載波通訊設(shè)備,必將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益及深遠(yuǎn)的社會(huì)影響。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)基于OFDM技術(shù)研究電力線高速寬帶接入方案,可以充分利用現(xiàn)有的遍及各地的電力網(wǎng),避免了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的重復(fù)投資和浪費(fèi),對(duì)于分布較分散的住戶及偏遠(yuǎn)用戶優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)更明顯。而各用戶內(nèi)部的電力網(wǎng)又可以構(gòu)成區(qū)域局域網(wǎng),使得用戶更靈活地通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)家庭智能化設(shè)備進(jìn)行控制。

隨著電力系統(tǒng)通信的不斷社會(huì)化以及電力線通信新技術(shù)的迅猛發(fā)展,加之人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)需求的增加,基于電力線實(shí)現(xiàn)寬帶綜合業(yè)務(wù)接入終將成為網(wǎng)絡(luò)重要的組成部分,普及到人們的工作、生活和學(xué)習(xí)的活動(dòng)中。

[1]曾素瓊,張學(xué)成.基于89C2051與ST7538低壓電力線載波通信模塊的設(shè)計(jì)[J].低壓電器,2008(11):33-36.

[2]劉曉勝,胡永軍,張勝友.低壓配電網(wǎng)電力線載波通信與新技術(shù)[J].電氣應(yīng)用,2006(2):5-7.

[3]周順勇,楊平先.一種電力線載波通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].四川理工學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2005(1).

[4]周強(qiáng).高壓電力線載波通信中COFDM調(diào)制技術(shù)研究與應(yīng)用[D].武漢:武漢大學(xué),2004.

[5]李引新,趙姚同.正交頻分多路(OFDM)的實(shí)現(xiàn)方式及性能分析[J].電訊技術(shù),1998(6).

Research on the Access Technology of High-speed Power Line Carrier

ZHAO Dong1,ZHAO Ju-meng2,LIU Ren-yun3
(1.College of Computer Science and Technology,Changchun Normal University,Changchun 130032,China;2.Economic Information Center of Jilin Province,Changchun 130051,China;3.College of Mathematics,Changchun Normal University,Changchun 130032,China)

Through analyzing the problem of last kilometer of network and combining various transition plans of Internet ap2 plication,this paper put forward an access scheme for high-speed power line carrier.The OFDM technology can be applied to decompose high-speed data stream to low-speed data stream,and effectively separate signals of each channel,so as to realize the transmission of high-speed information data in power line,and make the control on home intelligent equipments based on network become simple and feasible.

PLC;SCC;OFDM;broadband access scheme

TP393

B

1008-178X(2011)02-0034-03

2011-02-01

吉林省教育廳“十一五”科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目 (吉科教合字 [2009433]號(hào))。

趙 東 (1978-),男,吉林長(zhǎng)春人,長(zhǎng)春師范學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院講師,從事嵌入式系統(tǒng)及智能控制研究。