（电力系统及其自动化专业论文）宽带电力线通信信道特性及网管技术研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t b r o a d b a n dp l c 【p o w e rl i n e c o m m u n i c a t i o n ) ，a s an e wb r o a d b a n da c c e s s t e c h n o l o g y ，h a sb e c o m i n go n eo ft h eh o t t e s td i s c u s s i n gp r o b l e m sr e c e n t l y t h er e s e a r c h o nt h ep l ct e c h n o l o g ya n da p p l i c a t i o nh a sp r o f o u n dp r a c t i c a lv a l u ea n dt h e o r e t i c a l s e n s e b a s e do nc h a r a c t e r i s t i c sa n ds t r u c t u r eo fo u rc o u n t r i e sp o w e rg r i d ，t h ef o l l o w i n g t e c h n i c a lp r o b l e m sw a sd i s c u s s e d ，s u c ha st h ep r o b l e mo fb r o a d b a n dp l ca c c e s s ，t h e o p t i m i z a t i o n o fo f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) a n dt h e b r o a d b a n dp l cs i g n a l si n f l u e n c eo np o w e rq u a l i t ye t c i na d d i t i o n ，t h et e s to fm e d i u m v o l t a g ep o w e rl i n ec h a n n e li sf i n i s h e df o rt h ef i r s tt i m e ，a sw e l la st h ec r e a t i o nf o rt h e m o d e lo fm e d i u mv o l t a g ep o w e rl i n ec h a n n e ln o i s ea n da t t e n u a t i o n o nt h eb a s eo ft h e n e wt e c h n o l o g yo fc o m p u t e rn e t w o r ka n dc o m m u n i c a t i o n ，an e wb r o a d b a n dp l c n e t w o r km a n a g e m e n tm o d e la n ds t r a t e g yi sp r e s e n t e d ，i nt h em e a n t i m et h eb r o a d b a n d p l cn e t w o r km a n a g e m e n ti n f o r m a t i o nm o d e li sd e s i g n e da n dt h ep r o b l e mo fn e t w o r k d e v i c e sm a n a g e m e n ti sd i s c u s s e dt o o t h ei n f l u e n c eo fb r o a d b a n dp l ct e c h n o l o g yo dt h ep o w e rq u a l i t ya n de l e c t r i c e q u i p m e n t si sa n a l y z e d f o rt h e1 1 k i n d so fp o w e rq u a l i t yp e r t u r b a t i o n ，w ec o m p u t e d a n da n a l y z e dt h a ti ft h eb r o a d b a n dp l cs i g n a lh a ss o m ei n f l u e n c eo nt h ep o w e rq u a l i t y a tl a s tw ed r a wac o n c l u s i o nt h a tt h eb r o a d b a n dp l cc a r r i e rs i g n a lh a sn oa p p a r e n t i n f l u e n c eo nt h ep o w e rq u a l i t y , a sw e l la st h ee l e c t r i ce q u i p m e n t so fe l e c t r i cp o w e r s y s t e m b a s e do nt h ew a v e l e tt r a n s f o r mt e c h n i q u ea n do f d mm o d u l a t i o nt e c h n i q u e ，a s w e l la st h ec o m p a r i s o no ft h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dp e r f o r m a n c eb e t w e e nm o d u l a t i o n t e c h n i q u e s i n v o l v e di nt h eb r o a d b a n d p o w e r l i n ec o m m u n i c a t i o n ，at e c h n i q u e s u b s t i t u t i n gm u l t i s c a l eo r t h o g o n a lw a v e l e tf o rc o s i n e f u n c t i o ni no f d mf o rt h e o p t i m i z a t i o nd e s i g no fs y s t e mi sp r o p o s e d t h i sm e t h o dc a no b v i o u s l yi m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo fo f d m ，o v e r c o m et h ed e f i c i e n c yo fo f d ma n de n f o r c et h es y n t h e t i c a n t i - j a m m i n gc a p a b i l i t yo fo f d m i na d d i t i o n ，b yt h ee m u l a t i o no fo f d mt e c h n i q u e ，i t p r o v e dt h a tu s i n gt h et i m ei n t e r n a lc o u l dr e d u c eb o t ht h ei s ia n dt h ei c i ，w h i c hs e e m st o h a v em u c hm e a n i n gf o rt h ed e s i g n so ft h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h em e d i u mv o l t a g ep o w e rl i n ec h a n n e l t e s ti sp e r f o r m e df o rt h ef i r s tt i m ei n o u rc o u n t r y t h ei m p e d a n c ec h a r a c t e r i s t i c s ，n o i s ec h a r a c t e r i s t i c s ，a t t e n u a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s a n dc o m m u n i c a t i o np e r f o r m a n c eo fm e d i u mv o l t a g ep o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o nc h a n n e la r e t e s t e d ，a n dt h et e s td a t a ，t e s tr e s u l ta n dr e s u l ta n a l y s i sa r ep r e s e n t e d ， 丌 华北电力大学博士学位论文摘要 t h em e t h o d so fb u i l dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fm e d i u mv o l t a g ep o w e rl i n e c h a n n e lc h a r a c t e r i s t i ca r ed i s c u s s e d a n dt h et r a n s m i s s i o nm o d e li sc r e a t e db a s e do nt h e c h a r a c t e r i s t i c so f m e d i u mv o l t a g ep o w e rl i n ea n dp r a c t i c a lc a s e s t h i sm o d e l i n gm e t h o d c a ne m u l a t et h et i m ed o m a i nc h a r a c t e r i s t i c sa n df r e q u e n c yd o m a i nc h a r a c t e r i s t i c so f b a c k g r o u n dn o i s ee f f e c t i v e l y b a s e do nt h ec o m b i n a t i o no fw e bt e c h n o l o g ya n dm o b i l ea g e n tt e c h n o l o g y , a b r o a d b a n dp l cn e t w o r km a n a g e m e n tm o d e la n ds t r a t e g yi sp r e s e n t e d i nt h em e a n w h i l e ， t h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h ec o n v e n t i o n a ls n m pn e t w o r km a n a g e m e n ta n dm o b i l ea g e n t b a s e db r o a d b a n dp l cn e t w o r km a n a g e m e n ti sm a d e ，f o r mt h et w oa s p e c t st h r o u g h p u t a n dr e s p o n s et i m e t h ec o n c l u s i o np r o v e st h a tt h i sm o d e lh a sg o o dp e r f o r m a n c ea n dt h e n e t w o r km a n a g e m e n ts t r a t e g yi sf e a s i b l e t h em i ba n di t si n f o r m a t i o nm o d e lo fb r o a d b a n dp l cn e t w o r km a n a g e m e n ta l e d e s i g n e d a tl a s t ，t h ea p p l i c a t i o nc a s e so f b r o a d b a n dp l c a l eg i v e n k e yw o r d s ：b r o a d b a n dp l c ，m o d u l a t i o nt e c h n o l o g y ，m e d i u mv o l t a g ep o w e rl i n e ，c h a n n e l c h a r a c t e r i s t i c ，c h a n n e lm o d e l ，n e t w o r km a n a g e m e n t i l i 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含 任何他人享有著作权的内容，对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 特此申明。 签名： 日期：竺芏：尘：里 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 导师签名： 日期： 遴 之塑墨! ! ! ：7 第一章引言 1 1 课题研究背景及意义 第一章引言 电力线通信( p l c ，p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ) 在宽带网络多元化发展的过程中， 已经成为宽带网络发展的一个新方向，它以广泛、便捷、经济等优势以及p l c 崭新的网 络接入方式逐渐进入人们的生活，并期望能实现“四网合一”。电力线通信是利用电力 线传输数据的一种通信媒介和手段，分为窄带和宽带两种。窄带电力线通信技术主要应 用于远程抄表和简单的自动控制，宽带电力线通信技术主要应用于低、中压电力线的宽 带接入，家庭智能控制等。 宽带电力线通信技术是通过供电电网将语言、视频、数据、电力等综合信息传输的 技术。开发的调制芯片速率有2 m 、1 6 m 、3 2 m 、4 5 m 、6 8 m 及第三代产品2 0 0 m ，电力 线是一种分布广泛的线路资源，是当今网络中拥有用户最多、最普及、最必不可少的网 络，电源线是无需附加费用，最经济实用的通信信道，几乎不须改造和维护，其成本远 低于五类线、同轴电缆、光纤等传输媒介，灵活地实现多端口的即插即用，性能价格比 高，与目前应用的a d s l 、d d n 、f r 等相比费用低、传输速度快，只要铺设电力线的 地方就可以进行联网。除上网、打电话外还可帮助人们完成远程自动读水、电、气表数 据，组成智能家庭局域网，实现智能小区的各种遥控、遥测、遥信各项功能，并可构建 防火、防盗、防有毒气体泄漏、保安监控、医疗急救等系统，尤其在电力系统中应用p l c 技术进行远程抄表、电力需求侧管理及配网自动化等方面能发挥巨大的的作用和优势， 为我国电力系统的信息传输提供新的通道，同时可提高我国广大农村中压线路的利用率 和高速信息服务的普及速度。利用电力线实现数据传输和作为通信媒介是将来互联网发 展的一个方向。近几年在德国、日本、西班牙、美国、韩国等地开展了一些试验和研究， 宽带电力线通信技术的研究势在必行【l 】。 随着p l c 试验网络成功运行及其规模的不断扩大，i n t e m e t 对最后l o o 米和最后l 公里的高速宽带接入的需求，p l c 的应用在国内外逐渐走向普及。p l c 的理论研究及实 验研究成为热点问题【2 】。在p l c 研究与实验中遇到的关键问题之一就是电力线信道的 传输特性问题。电力线信道不同于传统的有线通信信道，其高频噪声特性与专用的有线 通信信道和无线信道的噪声特性都有很大的不同，因此有必要对电力线信道的调制技术 进行研究和实际的测量分析，以建立可行的信息模型。为宽带电力线的接入和设备研制 做技术支持。 虽然p l c 的研究和应用有着重大的理论研究意义和应用价值，在理论上首先应分 析p l c 是否会对我国的电力系统中的电能质量和电气设备产生影响，电力线通信的载 波信号不可避免的将高频信号叠加到现有的电源线上，是否会对电能质量产生影响的问 1 华北电力人学博士学位论文 题，在国内通过一定的实验得到过相关报到，但没有见到从电能质量的十一个方面进行 计算和分析的结论。因此，本文结合这方面的实际问题进行了研究，首先以我国电能质 量标准以及电气设备的电磁兼容特性为基础，分析了目前p l c 技术对电能质量和电气设 备的影响，并针对电力系统中的十一种电能质量扰动，计算和分析了p l c 信号是否会对 电能质量产生影响。经过计算和分析得出了p l c 载波信号不会对电力系统的电能质量构 成威胁的结论，并且也不会对联接于电力输配电网的电气设备造成明显的影响。因此， 可以在电力线上进行相关的宽带应用，从而为宽带电力线的接入条件和后续低、中压宽 带电力线的接入、特性分析、模型建立、网络管理研究和分析铺平道路和提供保障。 在低压电力线方面国内外都已有了一些研究工作，文献 3 对新加坡的住宅低压配 电网在1 m 1 0 m h z 频率范围的噪声和衰减特性给出了测量结果；文献 4 对德国典型的 低压配电网在卜2 2 m h z 频段的噪声给出了测量结果；文献 5 给出了德国几百k h z 至 2 0 m h z 的噪声测量与分析结果：国内在较低频段也有一些研究成果，文献 6 对我国某实 验室环境下8 4 m h z 以下频率范围的电力线噪声进行了测量，文献 7 测量了我国低压配 电网l o o k h z 一3 m h z 频段的电力线噪声，而宽带p l c 所用频带一般在2 - 3 0 m h z 以内。由于 配电网结构的不同，我国的电力线信道特性与国外相比也有不同，因此有必要对我国的 中、低压电力线高频段的信道进行测量和研究。 中压电力线在高频段的信道特性研究国内外目前还处于起步阶段，相关文献很少， 而中压( m v ，l o k v ) 宽带电力线通信可用于配电网自动化系统的数据传输及解决广大 农村地区的电话、网络等问题。因此在中压宽带电力线信道特性研究上具有很大的理论 研究意义与实际应用价值。 除了研究宽带电力线通信信道特性、信道模型及多径传输干扰等研究之外，宽带p l c 网络管理的网络结构模式、网络规划、管理范围、管理功能、网络系统安全与控制等问 题的研究也势在必行。这直接关系着宽带p l c 信息网络的运行效率、服务质量、管理 和控制网络内资源的合理利用及对网元元素的维护、管理，并避免故障及中断等现象发 生，体现出宽带p l c 网络管理的网络管理水平和运行质量。因此，本论文选取宽带p l c 信道特性与网络管理的理论与应用技术作为主要研究内容【副_ 【”j 。 1 2 宽带电力线通信技术的研究现状 1 2 1 宽带电力线通信调制技术研究与o f d m 系统仿真研究 1 2 ，1 1 电力系统中的通信技术 目前在电力系统中使用的通信技术主要有扩频通信、微波通信、光纤通信、市话通 信和载波通信。 扩频通信的优点是抗干扰能力强，传输效率较高，但缺点是要求通信两端无阻挡， 2 第一章引言 这一点对位于高楼林立中的城市配电网来说很难满足要求，所以扩频通信一般用于通信 点不多、环境比较开阔、传输距离比较远的场合。 微波通信是点对点的无线传输方式，它主要是应用于调度自动化和变电站综合自动 化数据的传输，对于在配网自动化系统中的应用存在着与扩频通信一样的问题，就是路 由的选择比较困难。 光纤通信的主要特点是传输速率高、可靠性好、不受环境条件的影响、使用和维护 方便。但是，光纤通信需要在中心站及各可控设备间敷设光纤电路，而二次布线又受制 于各种因素不利于施工。同时由于配电网中需要控制的设备很多，且十分分散，所以在 配网中全部采用光纤通信技术势必投资巨大，施行难度较高。 市话通信是利用公共通信网的通道来解决电力生产数据的传输，市话通信的优点是 没有基础设施的建设问题，开通时间短。但是目前采用的d d n 专线，g s m 载波和g p r s 等方式都不同程度的存在着通信保密性差、运行维护成本高、通道速率低等缺点。 1 2 1 2 电力线通信调制技术 电力线通信调制技术主要有频移键控f s k ( f r e q u e n c ys h i f tk e y i n g ) 、正交幅度调制 q a m ( q u a d r a t u r e a m p l i t u d em o d u l a t i o n ) 、扩频通信、正交频分多路复用o f d m ( o n h o g o n a i f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 几种方式。 f s k 调制技术属于传统的电力线通信调制技术，其调制原理是载波随着调制信号l 或0 而变，该调制技术实现容易，广泛应用于电力线的低速数据传输中，它对频谱利用 率不高，抗噪声能力差，不适合高速p l c 使用。f s k 系统无信道均衡器，在p l c 通信 中由于信道失真和不平坦，在传输速率 1 m b p s 时， 几乎整个频段均不可用。f s k 在传输速率5 1 0 m b p s 范围内不可能实现高速p l c 通信 【l8 1 。 q a m ( q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ) 正交幅度调制是将振幅和相位结合的多进 制调制方式，q a m 的实质已覆盖p s k 的内含，q a m 的频带利用率高，抗噪性强，适用 于高速信号传输，若将其应用到p l c 中必须进行具体设计使之适应p l c 信道的特点， 方可达到好的传输性能。 扩频通信采用直接序列扩频，工作频率在4 2 0 m h z 。在无线通信中使用的接收机 在电力线通信中不能直接应用，其原因为码间干扰严重和无法区分脉冲响应中具有较大 能量的几个主要途径，可采用前向纠错方法及非线性量化器，如采用约束长度为4 ，编 码效率为1 2 卷积码，量化处理之后进行交织卷积译码，量化器的输出提出给卷积译码 器，通过维特比( v i t e r b i ) 算法进行解码。因此，扩频通信在所用的频带内都将传输信 号、接收机从具有正值信噪比的频谱中接收信号能量，接收机通过使用纠错编码抑制短 的尖峰干扰。 华北电力大学博士学位论文 o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) ，正交频分多路复用1 19 j 一川的基 本原理是将带宽分割成若干窄带、低速率载波( 或子载波) ，o f d m 是一种并行数据传 输系统，采用频率上等间隔的n 个子载波构成，他们分别调制一路独立的数据信息，调 制后n 个子载波信号相加后同时发送，这些子载波之间保持频谱的正交特性，从而提高 了系统频谱的利用率。o f d m 具有良好的性能，是应用于宽带p l c 的一种最有效的调 制方式，尤其在具有频率选择性衰落信道中效果更加明显，o f d m 可通过对信道的预测 及自适应信道处理技术实现较高速率的数据传输。 1 2 1 3o f d m 调制技术现状及应用 中压宽带电力线通信采用的是正交频分复用( o f d m ) 调制技术。虽然应用在电力 线载波通信上的调制方式有很多种，但经过研究和大量的测试后，得出的结论认为o f d m 是相对最优的调制技术。这主要是因为它能够很好的抵抗电力线的干扰，并提供最高的 频谱效率和性能，o f d m 尤其易于抵抗频率选择性衰落和突发性脉冲噪声。如果一些子 载波在传输过程中受到较大的干扰，系统可以自动测到这种劣化，并在传输进行的过程 中丢掉这些载波继续使用其他存在的载波进行传输，这样就大大提高了通信的可靠性。 尤其是电力线载波通信是在电网这种干扰源十分复杂的介质上完成数据的传输，所以 o f d m 更能极大的体现出它的技术优势。目前国际上已经投入使用的中压宽带p l c 系统， 其调制系统的芯片传输速度从2 5 m b p s 到2 0 0 m b p s 均有研制，o f d m 技术与传统的频分 复用技术相比也是很有优势的。但o f d m 也有缺点，如技术复杂，当信道中出现较大 频率范围很宽的衰减或强干扰时，性能显著恶化，因此有待于利用新的技术提高和改进 o f d m 的算法和性能。【2 2 】【2 4 】 1 2 1 4o f d m 系统研究 由于宽带电力线通信主要采用的调制技术为o f d m ，并且其正交性有独特的优 点，在保护间隔上的研究采用多种方式和手段，更加进一步的提高其性能。o f d m 系统中插入保护间隔后可以避免i s i ( 码问干扰) 并减小i c i ( 子载波间干扰) 问题， 但信号经过多径衰落信道到达接收端的所有子载波上的信号幅度可能不同。事实 上，某些子信道由于衰落可能会完全被淹没。因此，即使在大多数子载波上都能做 到无差错检测，但整个系统的误比特率却会由于幅度很小的个别子信道的影响而变 得很高。因此对o f d m 进行研究，并且进行仿真研究插入保护间隔，可以消除i s i 和多径造成的i c i 的影响，即将每个i f f t 的输出波形的最后部分样点复制到前面， 形成前缀，作为保护间隔，插入在o f d m 系统中。为了避免这种干扰现象出现，利 用引入前向纠错编码方法。在子载波中引入纠错编码，较差子信道中的部分差错被 纠正后使o f d m 达到一定的性能，这与具体的编码技术和信道本身的特征有关。因 此成功的编码就意味着o f d m 链路的性能应由平均接收功率来确定，而不是由最差 第一章引言 子信道的接收功率来确定。另一方面，为了避免对其它无线通信方式的干扰，也不 可能通过无限制地增加发射功率以提高信噪比来对抗衰落。因此必须采用适当的前 向纠错编码技术来提高系统的误码率性能。在o f d m 系统中，可以从时域和频域两 个角度使用前向纠错编码来对抗频率选择性衰落和时间选择性衰落。通常采用的技 术是交织编码技术，并结合其它的纠错编码技术组成级联码。 一旦确定了保护间隔，则符号周期长度就可确定。为了最大限度地减小由于插 入保护比特所带来的信噪比损失，希望o f d m 符号周期长度远远大于保护间隔的长 度。但是符号周期长度又不可能任意加大，否则就意味着o f d m 系统中要包括更多 的子载波，从而导致子载波间隔相应减小，系统的实现复杂度就会增加，而且还加 大了系统的峰值平均功率比，并且使系统对频率偏差更加敏感，更易造成信道间干 扰。因此在实际应用中，一般选择符号周期长度是保护问隔长度的五倍，这样由于 插入保护间隔而造成的信噪比损失只有l d b 左右旺”。 确定了符号周期和保护间隔后，子载波的数量可以直接利用一3 d b 带宽除以子载 波间隔( 有用码元周期的倒数) 得到，或者可以利用所要求的比特速率除以每个子 信道中的比特速率来确定子载波的数量。每个子信道中传输的比特速率可以由调制 类型来确定。并可以建立适合我国电力线传输的o f d m 通信系统1 2 “。 1 2 2 宽带电力线通信信道特性研究 由于宽带p l c 通信系统的性能强烈依赖于电力线网络拓扑结构和网络特性， 在p l c 研究与实践中遇到的关键问题之一就是电力线信道的传输特性问题。电力信 道不同于传统的有线通信信道，其高频噪声特性与专用的有线通信信道和无线信道 的噪声特性相比，都有很大的不同。大量的实测结果表明，中、低压配电网是富含 各种噪声的网络( 包括背景噪声、窄带干扰和脉冲噪声) 。此外由于传输阻抗的不 匹配，在信号的传输过程中，由于信号在网络的节点上的反射和折射，还会产生多 径效应，对传输的信号具有较高的频率选择性衰落。目前研究最多的是中、低压宽 带电力线上信道的噪声、阻抗和衰减特性三个方面。 1 2 2 1中、低压电力线宽带接入信道特性主要研究的问题和现状 低压信道特性研究是针对户内组网的低压( l v - p l c ) 接入方案。户内组网方案是在 住宅或商业楼宇内，通过户内低压电力线路和电源插座作为传输介质和节点组建内部局 域网( l a n ) 。对于低压电力线的研究主要集中在接入方式和低压电力线信道特性分析、 噪声抑制、调制技术、家庭智能化、网络组织等相关技术问题上【2 6 1 【2 9 1 。对于低压信道 的信道特性研究，如噪声、衰减、多径传输干扰等方面国内外在此方面的相关技术文献 和成果较多【3 0 】一【4 “。 中压信道特性研究针对户外从中压( m v p l c ) 到低压( l v - - p l c ) 的接入方案， 5 华北l 乜力大学尊+ 学位论文 户外组网方案通过中压输电线建立宽带传输骨干网络，首先以传统的通信方式将i n t e m e t 信息通过光纤接到变电站配电室，通过1 0 k v 输电线送到下属的各低压变压器，再由从 中压到低压的转换设备连通变压器以下的低压线作为传输支线，最终接入户内计算机， 以解决宽带电力线通信的“最后一公里”问题。对于中压宽带电力线通信的研究目前在 国内外均处于起步阶段。我国中压线路分布广泛、密度大，有真正的优势，只有解决了 从中压接入到低压线路，宽带p l c 接入才能在中压线路上得到推广。对于中压宽带p l c 研究相关的理论和实验数据很少，美因电力企业及研究机构正在集中研究变电站至变压 器之间4 3 4 5 k v 输电线路上的高速数据传输技术，以及m v - - p l c 和l v p l c 为一 端、光纤和无线网络为另一端的接口技术，在我国中压线路p l c 的研究上，在北京丰台 已经建立了中压配电网的自动抄表和宽带网络综合接入，实现了中压线路上宽带p l c 的 综合应用。但在中压宽带电力线通信线路特性研究上国内外均处于起步阶段，相关的文 献甚少，这个原因也直接影响着在中压上的普及应用。其研究内容也主要集中在宽带电 力线信道特性分析、噪声抑制、调制技术方面，为了能通过仿真评估中压的发送方案是 否恰当，本文建立了用特性参数描述信道特性的模型，就需要对实际的中压宽带p l c 线路参数进行实地测量，如何构建实验方案得到相关噪声、阻抗、衰减特性的数据，以 及如何对获得的数据进行仿真、计算，最终得到传输模型等方面的研究。这也是本论文 研究的重点内容之一。 “2 2 2 宽带电力线通信信道实验测量及特性分析 h 宽带电力线通信信道实验测量及特性分析一直是国内外研究的重点课题之一，在低 压线路的实验研究上成果较多，原因主要是实验条件和环境较易搭建，而对于中压宽带 p l c 线路的实验就显得困难一些，原因主要是实际运行的中压宽带p l c 线路在我国乃 至世界均很少，且并不对外开放，所以相关的实验数据很少，为后续的工作带来困难。 由于我们承担了国家自然科学基金项目，并和我国负责宽带p l c 接入的国电公司具有 良好的合作关系，因此本论文进行了测试方案的设计，联合国电公司的科技人员首次在 国内分别对装有宽带p l c 耦合设备的河北阜平中压线路以及北京丰台某居民小区的中 压配电线路进行了多次实地试验测试，取得了真实、可贵的原始数据，测试内容主要包 括信道阻抗特性、噪声特性、衰减特性和通信性能，并对这些数据进行了分析，用 m a t l a b ( m a t r i xl a b o r a t o r y ) 进行了数据提取和仿真分析，取得了一定的效果和研 究进展。所给出的实验数据均为现场测试的数据，由于是我国首次构建的实验线路，因 此数据非常真实、难得和珍贵。本文给出了反应信道特性的测试结果并进行了特性分析。 1 2 3 宽带电办线通信信道模型研究 由于国际上针对中压电力线高速通信性能测试方面的方法或理论很少，电力线高速 信道的模拟、信道模型及仿真技术等是目前中压电力线高速通信中问题研究之一。本文 6 第一章引言 在测试了信道数据的基础上，对信道的特性和模型做了进一步的研究。 1 2 3 1 噪声模型的研究 为了能通过仿真评估发送方案是否恰当，建立用特性参数描述噪声情况的模型是 重要的，每类噪声都可以用产生该类噪声的模块来代表。通过这种方法可以获得发送方 案对各类噪声的敏感度，多种噪声并存的复杂噪声情况可以由多个噪声模块的输出叠加 得到。 噪声特性是描述信道传输性质的重要参数之一，p l c 信道噪声主要分为背景噪声、 周期性噪声、突发性噪声几类”孙。根据测量结果分析，认为中压电力线上的噪声主要 是背景噪声，且在相当长的时间内可以认为是稳定的。背景噪声可以认为是有色背 景噪声和窄带干扰的叠加。其中有色背景噪声在时域表现为个缓慢变化的随机过 程，根据自回归模型的理论，可以把这样个随机过程看作是一个白噪声过程通过 一个特定的a r 滤波器的输出。只要给出白噪声的参数和这个滤波器的系数，就能 够用它们来表示这一随机过程。窄带干扰由多个独立的正弦波的叠加来模拟。 这种建模方式可以很好地模拟中压电力线上的背景噪声的时域和频域特性。 1 2 3 2 衰减模型的研究 衰减特性研究上本文用f i r 滤波器模型进行信道衰减特性建模( 4 3 】。把信道等效 为一个f i r 滤波器，则信道的冲激响应h ( f ) 对应数字f i r 滤波器的h ( t ) ，信道的频 率响应日对应数字f i r 滤波器的频率响应日( 助。由于我们已经通过实地测试得 到了中压线路的频率响应特性，所以可采用频率取样法求出f i r 滤波器的参数。先 对理想频率响应皿( ，“) 抽样，得到采样值h ( k ) ，再利用插值公式直接求出系统函 数h ( z ) 以便实现之，或者求出频响协( 一“) 以便与理想频晌作比较。通过本文研究 给出了实测的信道频率响应曲线与f i r 滤波器模型的频率响应曲线的比较。可以看 到，选取的1 5 0 阶的f i r 滤波器比较准确地反映了信道的衰减特性。 1 2 4 宽带电力线通信网络管理模型与性能分析研究 国内外此领域的研究处于起步阶段，宽带电力线通信的网络管理研究有别于 i n t e r n e t 网络管理研究，其特殊的网络调制设备和接入设备为网络管理带来困难。宽带 p l c 缺乏合理的网络管理模式与方法，其网管标准( 协议) 、网管模式、故障管理、配置 管理、性能管理、计费管理、安全问题、拥塞控制、网络服务等有待于进一步研究和制 定，提出一套合理可行的管理策略势在必行。 计算机网络管理技术及新的网络管理模式发展迅速，w e b 技术、移动a g e n t 智能技 术的发展和应用为网络管理提供了更好的管理手段。新技术的出现也为宽带电力线通信 网络管理提供了新的管理方式烨 4 6 1 。在网络模型的研究中可将w e b 技术与移动a g e n t 华北电力大学博士学位论文 技术集成与结合，并应用于p l c 网络管理中。这些技术为宽带电力线网络管理系统设计 提供了技术支持和设计依据。 由于传统的s n m p ( s i m p l e n e t w o r k m a n a g e m e n t p r o t o c 0 1 ) 网管具有简单、实用、 普及等特点，目前研究纯s n m p 网络管理理论的较多f 4 7 1 1 4 8 1 。网络管理技术发展迅速，体 系结构和模型随着计算机新技术而发展变化。w e b 技术、移动a g e n t 技术、智能技术与 网络管理技术相结合后使网络管理的模式和技术更加完善h 9 1 。f 5 6 】。 因此，本文在研究宽带电力线网络的问题时借鉴和引用了它们的优点和先进之处， 并且把设计的基于移动a g e n t 的宽带p l c 网络管理模式与之进行对比，就会得到一些新 的成果，本文从数据流量和响应时间两方面分析和验证了基于移动a g e n t 的宽带p l c 网 络管理模式在性能方面的优越性， 1 2 5 宽带电力线信息模型及设备管理研究 宽带p l c 网络管理的范围除了常规的网络设备外，还有其特殊的p l c 局端设备和 各种调制设备，主要为局端p l c 设备、中压m o d e m 设备、低压m o d e m 设备、p c m o d e m 等。从目前实际情况看对这些设备的管理非常困难，这些网元设备的协议非统 一、非规范、是否支持网络管理等问题，使得对这些网元设备的管理存在着相应的难度， 主要集中在设备协议对网管支持力度的不同程度、规范性的影响及网络管理m i b ( m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o nb a s e ) 的信息模型系统建立等方面，目前这方面的研究成果较 少，没有一个理想的方法解决。 本文在建立了网络管理模式和策略的基础上，首先分析了宽带p l c 网络管理的设 备分类和管理内容，建立了宽带p l c 网络管理的信息库( b p m i b ，b r o a d b a n dp l c m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o nb a s e ) 、构建了m i b 的信息模型。定义了在宽带p l c 网络管理 的信息库中对于支持s n m p 设备的数据类型以及不支持s n m p 设备的处理和其中的资 源。给出了m i b 库定义实例。并在定义信息模型的基础上，研究了拓扑发现算法，并 对算法进行了改进，该算法能快速发现路由器与路由器、路由器与子网之间的连接关系， 并能发现一个子网内交换机与交换机之间、交换机与路由器、局端设备与交换机之间、 局端设备与主机之间的连接关系，具有较高的执行效率。尤其在对不支持s n m p 协议的 p l c 特殊设备的管理上，首先改进了常规的拓扑算法，而后利用基于推理的方法从连通 性上来判断网络设备的运行情况，提供了在实际中难于对p l c 设各管理的特殊问题的 技术手段和理论方法，并实现了对此类p l c 设备进行简单故障检测与管理，依靠测试 结果来判别设备的运行状态，最终达到对这些特殊设备的管理。 因此，在宽带p l c 网络管理模型及对具体宽带电力线网络管理功能、管理协议、 管理t d i l 3 库的设计等方面均需进一步进行理论和应用研究。在任何一方面的研究均填补 我国在此方面的空白，并具有较大的理论研究意义和实用价值。 第一章引言 1 。3 宽带电力线通信技术目前存在的问题 由于我国拥有目前世界上最大规模的电力线宽带接入实验网，并且世界上也无成型 的理论与技术标准，建议电力线通信技术标准框架为图l l 所示，p l c 技术规范、技术 条件、f 包磁兼容、宽带接入网络管理、设备测试、安装验收、运行规范等方面部存在可 研究的问题【5 7 j 。 电 力 线 高 速 通 信 技 术 标 准 怂规范 技术条件 电磁兼容特性 宽带接入网络管理 设备检验规则 装、测试、验收规 运行规范 低艇f “力线宽带接a 中压电力线宽带接入 b 类设备 网络e m c 抗十扰能力 传导骚扰 辐射骚扰 传导骚扰 辐射骚扰 图1 1 建议电力线通信技术标准框架 随着宽带p l c 的应用推广和通信技术、计算机技术的快速发展，为宽带p l c 信道特 性和网络管理技术的研究奠定了理论和技术基础，但仍有许多问题需，要进一步的研究 和解决。下面结合图1 一l 的建议及本论文研究内容，对宽带p l c 技术研究存在的问题 进行进一步的总结。主要在以下几方面： ( 1 ) 宽带电力线通信技术的应用不可避免的要将宽带p l c 信号加载到电力线上， 是否会对电力线传输的电能质量产生影响值得分析和研究。 ( 2 ) 电力线通信的调制技术种类多样，实用于不同情况和线路特点的调制技术需 要因地制宜，尤其是满足宽带电力线接入的条件使调制技术选取、使用有了一定的约 束，因此，研究一种抗干扰和衰减能力强、提高网络传输质量、可行、高效的调制方式 及对调制技术性能的提高和改善是宽带电力线通信技术重点问题所在。 ( 3 ) d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 高速信号处理技术实现【5 8 l 。利用数字信号处 9 竺兰竺竺竺黼 票重等 华北电力人学| 尊士学位论文 理的手段实现m o d e m 需要极高的运算能力和极高的运算速度，在高速的d s p 出现之 前采用普通的微处理器，速度受到了极大的限制。出现高速的d s p 芯片后使高速的d s p m o d e m 实现成为可能，研究和开发软硬件设备实现高性能的0 f d m 传输设备，也是实 现宽带p l c 的研究问题之一。 ( 4 ) 宽带电力线信道特性的研究是目前宽带电力线通信技术中的难点问题。尽管 目前已经在低压信道特性上的研究有许多，但很难找到一种准确的数学模型来描述信道 特性的真实情况，尤其是在中压线路宽带p l c 应用上，我固中压宽带p l c 线路刚开始 架设实验线路、实验数据奇缺，因此，中压p l c 线路上的线路特性和模型研究问题更 加突出和迫切。 ( 5 ) 电磁兼容问题研究。当不同的电信设备使用电力线网络作为共享媒体时，p l c 传输信号一方面直接影响同一网段的其他p l c 系统，另一方面通过辐射电场影响不同 的无线设备，电磁兼容性指不同临近的p l c 系统的共存性和与其它无线设备的共存性 问题。不同系统的兼容性是p l c 成功的关键，因此电磁兼容问题的研究5 9 】【删也是非常 重要的。 ( 6 ) 宽带p l c 网络特殊的网络调制设备和接入设备为网络管理带来困难。其网络 设备、技术标准不一，且