低壓電力線通信技術(shù)綜述

在該設(shè)計(jì)方案中，采用直接數(shù)字頻率合成器生成載波信號(hào)，這樣可以將FSK調(diào)制功能由頻率合成器實(shí)現(xiàn)，避免了傳統(tǒng)跳頻系統(tǒng)中先產(chǎn)生FSK信號(hào)，再與頻率合成器的輸出頻率進(jìn)行混頻的做法，省去FSK信號(hào)的產(chǎn)生與混頻過程，較大程度降低了系統(tǒng)的軟硬件復(fù)雜度。
4．2 正交頻分復(fù)用調(diào)制／解調(diào)技術(shù)(OFDM)
隨著正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing-OFDM)技術(shù)的興起及寬帶電力線載波通信應(yīng)用的需求，低壓電力線通信OFDM相關(guān)技術(shù)成為近幾年的重點(diǎn)研究方向之一。OFDM技術(shù)因?yàn)槟軌蛴行У貙?duì)抗多徑傳播、頻率選擇性衰落與窄帶噪聲干擾而受到從事電力線通信研究人員的重視，而且接近于Shannon定理極限值的頻譜利用率也是其顯著的優(yōu)勢。OFDM技術(shù)相關(guān)的研究集中在信道估算及均衡算法、時(shí)域和頻域同步、降低峰值平均功率比、頻譜優(yōu)化分配、信道編碼和交織等方面，其中，調(diào)制解調(diào)算法、頻譜優(yōu)化及信道估計(jì)是電力線正交頻分復(fù)用通信技術(shù)中的熱點(diǎn)研究方向，也是近幾年來很多專家學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。
在OFDM的核心技術(shù)調(diào)制／解調(diào)方向上，同步技術(shù)與頻譜資源分配是兩大較為核心的內(nèi)容。文獻(xiàn)在調(diào)制／解調(diào)同步技術(shù)上做了深入的研究，根據(jù)文獻(xiàn)，正交頻分復(fù)用技術(shù)用于低壓電力線通信可以有效克服電力線彌散信道的多徑、頻率選擇性衰落特性的影響，但OFDM系統(tǒng)對(duì)同步誤差的影響相當(dāng)敏感，準(zhǔn)確的符號(hào)定時(shí)與頻偏估計(jì)是實(shí)現(xiàn)OFDM系統(tǒng)的關(guān)鍵，文獻(xiàn)中采用改進(jìn)延遲相關(guān)符號(hào)定時(shí)同步方法實(shí)現(xiàn)了低壓電力線OFDM載波通信系統(tǒng)的準(zhǔn)確符號(hào)同步，并對(duì)比分析了采用雙滑動(dòng)窗功率比值法、延遲相關(guān)算法、改進(jìn)延遲相關(guān)算法應(yīng)用于實(shí)際低壓電力線彌散通信環(huán)境中的效果，結(jié)果表明采用改進(jìn)延遲相關(guān)算法更穩(wěn)定可靠，精度更高。對(duì)實(shí)際低壓電力線信道實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)的測試表明，改進(jìn)延遲相關(guān)算法可以更準(zhǔn)確有效地進(jìn)行OFDM系統(tǒng)符號(hào)定時(shí)，且符號(hào)定時(shí)同步不受頻偏影響，具有較強(qiáng)的魯棒性。
由于電力線信道頻譜資源是有限的，如何有效利用有限的信道資源也是一個(gè)比較熱點(diǎn)的研究方向。郭靜波教授課題組對(duì)該方面的內(nèi)容展開了相關(guān)研究，取得了一定突破：(1)提出了一類解決信號(hào)功率譜限制條件下的多用戶頻譜優(yōu)化快速算法。(2)合理優(yōu)化利用配電網(wǎng)信道的特性使配電網(wǎng)通信系統(tǒng)的整體性能達(dá)到最優(yōu)，提高了配電網(wǎng)多用戶通信系統(tǒng)的性能。這方面值得相關(guān)研究人員參考與借鑒。
4．3 調(diào)制／解調(diào)芯片應(yīng)用技術(shù)
電力線通信調(diào)制／解調(diào)芯片分為窄帶與寬帶兩大類，一般來說，低速和高速以2 Mbit·s-1為界，窄帶低速芯片的指定帶寬一般在3～500 kHz，多采用FSK、PSK、DSSS和線性調(diào)頻Chirp等技術(shù)，一般應(yīng)用于遠(yuǎn)程自動(dòng)集抄、照明監(jiān)控、設(shè)備管理等領(lǐng)域。寬帶高速芯片指帶寬限定在2～30 MHz，采用以O(shè)FDM為核心的通信技術(shù)，一般應(yīng)用于Internet接入、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。芯片研制主要集中在英國、法國、美國、以色列、德國、奧地利、西班牙等國家和地區(qū)，比較著名的芯片產(chǎn)品公司有ST、Intellon、DS2、Yitran、Spidcom等。目前，電力線通信產(chǎn)品多使用電力線調(diào)制解調(diào)器(PLC modem)加微處理器的模式。寬帶電力線通信產(chǎn)品比較主流的有中電飛華推出的14、45 Mbit·s-1等系列產(chǎn)品，主要用于Internet高速接入。在更高速領(lǐng)域，德國相關(guān)公司已經(jīng)利用Intellon的200 Mbit·s-1芯片研制出產(chǎn)品，羅克韋爾、西門子等公司正在推進(jìn)200 Mbit·s-1產(chǎn)品應(yīng)用于工業(yè)控制場合，并做了可行性分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證?？梢钥闯?，高速電力線載波通信將在某些應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊的前景。

5 研究展望
隨著信息與通信領(lǐng)域新技術(shù)的不斷變革，低壓電力線通信正朝著高速率、高可靠性、大容量的方向迅猛發(fā)展，但是，無論是跳頻技術(shù)還是OFDM技術(shù)都是基于載波的，加之電力線信道的惡劣傳輸特性，致使這些技術(shù)在本質(zhì)上都存在一定局限性，仍需要不斷地加以探索和研究，建議可從以下幾方面來展開：
(1)進(jìn)一步研究增強(qiáng)型的模擬前端技術(shù)，包括自適應(yīng)濾波與自適應(yīng)均衡，以適應(yīng)時(shí)變的、大范圍的線路衰減與阻抗變化，這一點(diǎn)較為重要，也是目前技術(shù)難點(diǎn)所在。
(2)低壓載波通信在變壓器跨相和穿越變壓器方面的實(shí)用技術(shù)研究，在多路供電的現(xiàn)場也需解決電源切換時(shí)的通信中斷問題，這關(guān)系到通信制式、耦合制式等多方面的設(shè)計(jì)考慮。
(3)研究面向可靠性的電力線通信理論與技術(shù)，是未來最重要的發(fā)展方向之一，以系統(tǒng)的觀點(diǎn)，多角度、全方位提高電力線通信的可靠性，對(duì)信道的分析、建模、估計(jì)，對(duì)信源、信道的編解碼有必要繼續(xù)深入研究，加強(qiáng)智能理論與技術(shù)的引入研究，如蟻群理論、遺傳算法、模糊控制、自適應(yīng)理論等，提高系統(tǒng)抵抗能力、識(shí)別能力、可恢復(fù)能力與速率自適應(yīng)性。
(4)路由組網(wǎng)問題與對(duì)策，低壓電力線通信物理網(wǎng)絡(luò)是由低壓配電網(wǎng)與當(dāng)時(shí)線路負(fù)載組成，物理網(wǎng)絡(luò)是動(dòng)態(tài)的，信道特性也是動(dòng)態(tài)的，這種特性決定了組網(wǎng)的困難。
(5)隨著人們對(duì)EMI的認(rèn)識(shí)提高，電網(wǎng)質(zhì)量會(huì)逐步改善，同時(shí)對(duì)載波通信的相關(guān)要求也會(huì)必然提高，因此，面向服務(wù)的資源控制將是一個(gè)不可回避的課題。
(6)低壓電力線通信最終實(shí)現(xiàn)高性能、低價(jià)格的關(guān)鍵在于專用芯片的設(shè)計(jì)和制造，而這正是我國微電子行業(yè)的弱點(diǎn)所在，加大在此方面的研究和投資力度對(duì)于低壓電力線通信的實(shí)用化至關(guān)重要。
(7)電力線有限的頻道資源必將隨著電力線通信的推廣而日趨匱乏，因此，對(duì)信道資源的使用及相關(guān)問題進(jìn)行合理的前期規(guī)劃，將是一項(xiàng)重要的研究內(nèi)容。
(8)低壓配電網(wǎng)是一個(gè)共享開放式網(wǎng)絡(luò)，非惡意或惡意干擾在所難免，因此有必要研究電力線通信在物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層乃至應(yīng)用層的信息安全性保護(hù)機(jī)理與可靠性防護(hù)措施，即通信安全性也將是一項(xiàng)重要的研究內(nèi)容。
因此，如何保證低壓電力線通信網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性、強(qiáng)健性，以及提高通信的可靠性，是當(dāng)前及今后低壓電力線通信領(lǐng)域需要迫切研究和重點(diǎn)解決的問題。

6 結(jié)束語
低壓電力線是一種各項(xiàng)特性十分復(fù)雜的傳輸介質(zhì)，文中具體分析和總結(jié)了低壓電力線信道阻抗特性噪聲特性、信號(hào)衰減特性及信道模型問題，輸入阻抗隨頻率的增加呈上升趨勢，信道噪聲由各種特定性質(zhì)的噪聲源疊加而成，信號(hào)衰減是距離的函數(shù)并與頻率有關(guān)，決定了低壓電力線通信應(yīng)合理選擇通信頻率及采用具有較強(qiáng)抗干擾性能的調(diào)制／解調(diào)模式；對(duì)適合低壓電力線領(lǐng)域的跳頻調(diào)制／解調(diào)技術(shù)以及正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDM)進(jìn)行了具體的分析與闡釋。