電力線聯網技術研究

1　電力線聯網概念

電力線聯網,準確的說法是電力線通信技術,英文簡稱PLC(Power Line Communication),是指利用電力線傳輸數字化數據和話音信號的一種通信方式,是對原有電力線傳輸技術的發(fā)展.電力線通信技術一般用作接入技術,與xDSL、LMDS等技術一樣,PLC技術也可以作為一種網絡接入手段來使用,所以又可以稱作“電力線上網”.另外PLC也可以用做家庭聯網技術(Home Plug).

毋庸置疑,電力線是覆蓋最廣泛的網絡基礎設施,幾乎所有的設備都會連接到電力線網絡之上,這使得電力線成為組網的一個自然選擇.

通過載波調制技術來實現基于電力線的數字通信,其采用的載波頻率高于電力傳輸所使用的50~60 Hz.寬帶PLC所采用的載波頻率一般在2~30 MHz范圍內,可以提供2~10 Mbps的數據傳輸速率,可以達到多媒體數據傳輸及網絡接入的要求;窄帶PLC所采用的載波頻率在150 kHz以下,一般用于電表的自動抄表和設備監(jiān)控系統這樣對傳輸速率要求不高的應用.

“電力線上網”的用戶需要添加一個特制的調制解調器,這個調制調解器的數據線頂端是一個與常規(guī)電源插頭規(guī)格相同的插頭,用戶只要將電腦的網卡與調制解調器接通,再將調制解調器插上電源插座,電腦即可上網,用這種方法傳送信息的速度比ISDN要快30多倍,目前實驗室的最高通信速率可達到2·5Gb/s.

從廣義上來講電力線上網從層次上可分為中壓配電網、低壓配電網和家庭內部網絡.家庭內部網絡是指通過電力線組建高速LAN;低壓配電網是指從中壓變電站到用戶電表的一點對多點通信,中壓配電網主要從中壓變電站到主要變電站.

目前PLC技術發(fā)展模式主要是為以美國為代表的家庭聯網模式,這種模式的PLC只提供家庭內部聯網,即是指通過家庭的內部的普通電力線,進行組網連接家庭內部局域網,戶外訪問使用其它傳統的通信方式.支持該模式的國際組織為Home-Plug,是一個為高速家用電力線通信網絡產品和服務提供開放規(guī)范而成立的論壇.

第二種是以歐洲和亞太地區(qū)為代表的戶外接入模式-低壓配電網,具體是光纜或其他高速的通信線路已經連接到樓內的總配電室,利用220V/380V線路解決從樓內總配電室到每個住戶的通信接入,從而實現從配電室到住戶的高速的數據的接入.

2　電力線聯網的技術標準

基于電力線的上網技術目前已經有一個業(yè)界標準Home Plug.

Home Plug是非贏利業(yè)界組織Home PlugPowerLineAlliance開發(fā)的通過電力線進行家庭組網的規(guī)范,以便促進相關產品的生產和保證互通性.通過建立一個開放的規(guī)范,Home Plug解決了由于缺乏統一標準而引起的市場混亂和用戶困惑,消除了電力線組網技術的市場阻力.與PLC類似,以往除了缺乏統一標準之外,各種噪聲等方面的影響也阻礙了將家庭電力線做為組網媒介的可能性.Home Plug通過建立統一規(guī)范以及采用新技術來克服這些挑戰(zhàn).

Home Plug評估了業(yè)界現有的各種電力線組網技術,制定了Home Plug規(guī)范的開發(fā)原則,包括以太網級的傳輸速率、兼容性、穩(wěn)定性、易實施及擴展性等方面.目前已經發(fā)布了Home Plug 1·0規(guī)范.Home Plug的最終組網技術規(guī)范將提供一個功能強大的、簡單易用的、具有14 Mbps傳輸速率的電力線組網規(guī)范.

Home Plug 1·0規(guī)范支持14 Mbps的數據傳輸速率,基于這個高速電力線組網技術,Home Plug PowerLine Alliance成員將開發(fā)具有互操作性的產品,使得各家的計算機、外設、消費電器及其它信息設備可以通過電源插座連接起來.

3　電力線聯網技術結構和優(yōu)勢

3·1　電力線聯網技術結構模型

電力線聯網技術主要的組成部分是數字電力線(DPL)、電力線交換技術(PLX)以及應用系統(ICAL).其中數字電力線對應于OSI/RM模型的物理層,電力線交換技術對應于OSI/RM模型的數據鏈路層、網絡層和傳輸層,應用系統對應于會話層、表示層和應用層,如圖.

3·2　電力線聯網的技術特點

數字電力線技術(DPL)包括多載波體系、載波的使用、調制、編碼、控制和同步,為了抑制電力線內部的噪聲對通信頻段內的信號的干擾,數字電力線技術大多采用OFDM/DPSK調制方法,OFDM調制方法將通信頻段劃分為若干子通道,每個子通道采用DPSK方式調制,可以大大衰減電力線中的干擾和噪聲.

為了提高電力線通信的可靠性,關于電力線交換技術(PLX)在MAC子層,專家提出了一種優(yōu)于CSMA/CD的協議———DSMA/CTP協議. DSMA/CTP是兩個獨立的協議,分別叫做數據報偵聽多路訪問協議(DSMA)和集中令牌傳遞協議(CTP).DSMA機制采用數據偵聽和隨機回退方法解決多個網絡結點同時占用信道的問題;CTP協議可以有效避免多個網絡結點競爭使用信道而發(fā)生沖突.

ICAL是電力線聯網技術的應用層協議.ICAL采用改進了的CEBUS標準的公共應用語言,是一種分布式、面向對象型、體系化的編程語言.該語言采用客戶機/服務器(Client/Server)結構.ICAL采用了CAL的網絡通信標準規(guī)定的上下文(context)、對象(object)、變量(instance variables)和方法(methods).ICAL可以使用一個或多個ICAL context來描述ICAL設備,每個ICAL context又可以表示為一系列的ICAL object的集合.ICAL object則通過一系列的ICAL instance variables來描述;通過ICAL methods實現對ICALinstance variables的操作.

3·3　電力線聯網的優(yōu)勢

通過電力線傳輸數據,主要的優(yōu)勢是覆蓋面廣、使用方便、不用布線、永久在線、施工費少、安裝周期短等優(yōu)勢,不需要重新建設網絡,就可以實現數據、語音、視頻和電力的“四網合一”.

首先,PLC充分利用現有的低壓配電網絡基礎設施,無需任何布線,是一種“No New Wires”技術,節(jié)約了資源.無需挖溝和穿墻打洞,避免了對建筑物和公用設施的破壞,同時也節(jié)省了人力.這樣PLC技術可以為用戶提供高速因特網訪問服務、話音服務,從而為用戶上網和打電話增加了新的選擇,有利于其他電信服務商改善服務、降低價格.

其次,PLC對家庭聯網也提供支持,是家居自動化的生力軍,除了上網、打電話,PLC技術通過遍布各個房間的墻上插座將智能家電聯網,能夠將整個家庭的電器與網絡聯為一體,在室內的設備之間構筑起可自由交換信息的局域網,使人們能夠通過網絡來控制自己家里的電器設備,享用數字化家庭的舒適和便利.

另外利用PLC技術還可以進行遠程自動讀出水、電、氣表的數據,可以用一張收費單解決用戶生活的所有收費項目,節(jié)省大量人力、物力,使公用事業(yè)公司節(jié)省大量費用,也極大地方便了用戶.

同時利用“電線聯網”永久的在線連接,構建的防火、防盜、防有毒氣體泄漏等的保安監(jiān)控系統,讓上班族高枕無憂;構建的醫(yī)療急救系統,讓家有老人、孩子和病人的家庭更加放心.而且人們還可以享用由PLC技術帶來的家庭音頻、視頻網絡,多人對抗游戲等娛樂.

4　電力線聯網存在的主要問題

電力線聯網可能嚴重影響短波無線電廣播.為了實現高速傳輸、衰減最小,輸電線用于數字傳輸的最佳傳輸頻帶是2M-30MHz.這一頻段是國際上通用的電力線通信的傳輸頻段.據日本媒體2002年7月的消息,當電力線數據通信使用2M-30MHz的頻帶傳輸數據時,將會對該頻段的短波無線電廣播、業(yè)余愛好者無線電臺等產生重大影響.在電力線調制解調器工作時,電力線將會產生較高的泄漏電波,這將會變成無線通信中的噪音.而2-30MHz的頻段集中了海岸電臺、短波無線電廣播、固定和移動通信短波頻段等眾多用戶.

實際上,國際上電磁輻射的標準主要有美國標準和歐洲標準.歐洲標準比較嚴格,美國的比較寬松.

中國在沒有制訂出自己的電磁輻射標準以前傾向于參照美國標準,因此電磁輻射對于中國電力線上網的進程是否會有影響并不明確.因為在研究時為了避免這些干擾,已經盡量不占用短波收音機等使用的窄帶頻率.

另外電力線聯網還存在如電網穩(wěn)定性、安全性等眾多問題困擾.除此以外電力線聯網還存在的問題有:缺乏成熟的PLC技術標準,提供的速率和服務質量不穩(wěn)定,還有費用問題等等,因此這一技術在國內實現突破還面臨著一定的問題.

電力線聯網若具備競爭力必須降低設備和網絡運營的高成本,降低資費標準,提高傳輸速率和傳輸質量,否則光依賴電力的網絡優(yōu)勢還很難在短期內搶占市場.

5　電力線聯網的前景

近年來,隨著Internet技術的飛速發(fā)展,登錄上網的人數成倍增長,采用何種通信方式使用戶終端連接到最近的寬帶網絡設備,成為困擾人們的難點之一,也是Internet普及的瓶頸之一,被業(yè)內人士稱為寬帶網絡接入的“最后一公里”問題.利用四通八達、遍布城鄉(xiāng)、直達用戶的220V低壓電力線傳輸高速數據的PLC技術,以其不用布線、覆蓋范圍廣、連接方便的顯著特點,被認為是提供“最后一公里”解決方案最具競爭力的技術之一.目前高速PLC已可傳輸高達1M bps以上的數據,預計不久的將來速率將達到10Mbps以上,而且能同時傳輸數據、語音、視頻和電力,有可能帶來“四網合一”的新趨勢電力線聯網充分利用現有的配電網絡基礎設施,無需任何布線,是一種“No NewWires”技術.可以節(jié)省巨大的新增投資.由于電線通信的費用僅為利用光纖通信電纜互聯網服務的60%至70%,并且不必支付使用線路費,從而大大降低了通信費用.目前,我國擁有全世界長度排名第二的電力輸電線路,全國500kV和330kV的電力線路長達25094·16千米,220kV線路107348·06千米,加上110kV線路共計310000千米,可繞地球近8圈.我國目前電話用戶不到3億,但用電用戶已超過10億,顯然這連接10億用戶的既存電力線是提供上網服務的巨大物質基礎,直接在覆蓋全國的電力網絡上架構互聯網連接將比現在鋪設光纖的方式節(jié)省大量的人力和物力.

因此,在未來的寬帶接入服務市場,電力線聯網必將占有重要的一席之地.在市場需求旺盛的城市,隨著電力線上網技術的完善,電力線聯網將逐步滲透城區(qū)各個角落,在我國廣闊的農村地區(qū),由于電力網規(guī)模之大,電力線上網也具有一定的優(yōu)勢,是其他任何網都不可比擬的.電力線聯網作為一個新生事物進軍寬帶市場,為百姓上網提供了一個新選擇,還是極具發(fā)展?jié)摿?它必然推動整個寬帶產業(yè)的發(fā)展與繁榮.