低压电力线通信若干关键技术研究

1、哈尔滨工业大学低压电力线通信若干关键技术研究课题研究现状1.1 课题背景人类在传输和使用电能的过程中建立了遍及全球的电力网,利用它作为信息传输的物理网络来建成电力线通信网,不需另外布线,可节省大量的信道建设费用是目前唯一不需线路投资的有线通信方式。电力线载波通信 （PLC）并不是一项新技术,它出现于上世纪20年代。在我国的应用也已有半个多世纪的历史了。利用高压输电网进行载波通讯早已被电力部门用于电网管理和话音通信,并有包括加工设备（高频阻波器等）、结合设备（耦合电容、结合滤波器等）及载波机等在内的成套设备供应。而利用低压输电线路组成数据通信网络,则是近十几年迅速发展的一门新技术。1.2 课题意

2、义电力线通信（Power Line Communication）技术简称为 PLC技术，有时也称电力线上网技术。主要是指利用电力线传输数据和话音信号的一种通信方式。该技术是将载有信息的高频信号加载到电力线上,用电线进行数据传输,通过专用的电力线调制解调器将高频信号从电力线上分离出来,传送到终端设备。是目前发展前景十分看好的宽带接入技术，也是利用配电网低压线路传输高速数据、话音、图像等多媒体业务信号的一种通信方式。最早出现于上世纪二十年代初期。近年来，随着Internet技术的飞速发展，利用220V低压电力线传输高速数据的价值越来越为人们所重视，因为它具有不用布线、覆盖范围广、连接方便的显著特点

3、。随着全球化的广泛渗透，电力线通信（PLC）作为一种新的家庭联网和宽带接入技术日益引起了人们极大的关注。高速上网变得越来越重要, 尤其对许多家庭和小办公室来说, 如何利用入户的线路提供互联网高速接入已经成为非常实际和日益迫切的需求。众所周知, 入户的线路除了电话线和有线电视电缆以外, 就是电力线。而电力线是其中普及最广的线路,几乎家家户户每个房间都有电源插座。电力供电网络四通八达,而低压电力线连接千家万户,构成最普及的网络。利用它进行数据通信,传递各种信息,不占用无线频道资源,亦无需铺设专用通讯线路 ,省工、省钱、维护简单、无疑有着美好的前景。这项技术越来越受到计算机与通讯界专业人士的高度重视

4、,并成为IT 业的又一个新的研究热点。1.3 课题目的虽然低压电力线宽带通信具有投资成本少、建设速度快、接入方便的特点，是解决宽带接入“最后一公里”的理想方案之一1。但由于低压电力线最初的设计是用来传送电力而非通信，相比于其它有线通信媒介而言，电力载波通信为在已加载工频电力信号的通路上传输高速数据信息，它也具有信道不稳定，工作环境恶劣、 干扰严重以及时变性大等特点从而成为了限制低压电力线通信发展的根本原因。同时，信号很容易产生反射、驻波和谐振等现象，使信号的衰减特性极其复杂，造成电力载波通信信道具有很强的频率选择性。由于低压电力线主要任务是在短距离内对50 Hz 电能实行分配,故与专用的通信线

5、路相比,其信道环境极为恶劣。主要有:(1)在广阔的范围内遇到干扰信号。如用户的各种电气设备,特别是陈旧的和有质量缺陷的电器,会给电力线上传送的信号带来灾难性的干扰。(2)电力网络上的阻抗随负载的变化而会有大幅度的变化,且具有较强的时变性。(3)由于存在较强的衰减特性,使得电力线上的各个节点表现出的性能也不尽相同。并且，和许多其他通信信道不同的是，低压电力线信道的噪声不仅仅是一个附加的高斯白噪声环境，从几KHZ 到 20MHZ 范围内主要由窄带噪声和脉冲噪声主导。 并且具有时变性，随着环境的不同，噪声的大小也是不一样的。可分为：(1)有色背景噪声(colored noise)：具有相对较低的功率

6、谱密度，并且随着频率的变化而变化。这类噪声主要是由众多低功率的噪声源合并在一起造成的，他的功率谱密度在数分钟或者数小时内是保持不变的。(2)窄带噪声(narrow band noise):大多数是幅度调制的正弦信号，这种类型的噪声主是由于中短广播频段的广播电台引起的，白天和晚上该噪声对信号的影响是不同的。( 3) 与工频异步的脉冲性周期噪声( periodic impulse noise asynchronous to themains) ： 这些脉冲大多数情况下的重复频率在50KHZ 到 200KHZ 之间， 从而导致了在频谱上有许多重复频率间隔的离散的线。这类类型的噪声主要是由电源设备的开

7、关引起的。( 4) 与工频同步的周期性脉冲噪声( periodic impulse noise synchronous to themains):这种脉冲的重复频率为 50HZ或者100HZ,和电源的周期是同步的。他们具有很短的持续时间，并且功率谱密度是随着频率下降而下降的。这种类型的噪声主要是由于供电设备的操作和电源周期同步引起的。(5)异步脉冲噪声(asynchronousimpulse noise):主要是由于电力线网络中的开关瞬间引起的一种噪声，这种噪声持续从几微秒到几毫秒，间隔时间是随机的，这种噪声的功率谱甚至可以高出背景噪声50dB。如何精确地建立有效的电力载波通信信道传输模型，降

8、低噪声对电力线通信的干扰，对于电力载波通信技术的发展和应用支持具有重大理论意义和实用价 值。因此， 本课题着重研究精确地有效的电力载波通信信道传输模型和有效的抗噪声干扰技术。、国内外相关技术研究作为通讯技术的一个新兴应用领域,电力载波通讯技术以其诱人的前景及潜在的巨大市场而为全世界所关注,成为世界各大公司及研究单位争相研究的热点。国外许多著名公司和研究单位都在对此进行研究,并开发出相对应的器件和产品,如 : Intellon、 Thomson、 Atmel、 Itron、 Ds2 等等。随着PLC 的发展,相继成立了相关的一些国际性PLC 组织 ,如由3Com、 AMD 公司发起组织的Home

9、Plug电力线联盟,该联盟已制定了第一个标准草案(Home Plug 1. 0 Specification)。我国研究低压电力线载波技术起步较晚,但发展速度较快。中国电科院1997年开始研究低压电力线载波技术 ，2000年开始引进国外的 PLC芯片，研制了 2Mbps样机。2001年下半年进行了小规模现场试验，取得了较好实验效果。2003 年成功研制了 EPLC-45M和EPL-14系统。另外，一些高等院校的电力系、通信系 也对PLC进行理论研究，如华中科技大学电力系对时变信道的信号均衡取得了一 定的进展。此外，一些企业也在对PLC技术进行研究，如深圳国电有限公司、福建 电力公司、中电飞华公司

10、等都引进国外芯片进行PLC研究。2.1 信道建模技术决定信道建模可靠性和准确性的2个重要因素是模型参数和建模算法。按照 模型参数的获取方法，建模方法可分为自顶向下法和自底向上法。自顶向下法的又分为两类：一类是将电力线信道看成一个整体， 通过各种参数拟合算法得到所 需的各种参数；第二类是将传输线系统看作一个二端口网络，通过求解传输矩阵来建立信道模型。与上述方法相对应的自底向上法，基本思想是按照网络的实际接线，考虑阻 抗不匹配点的反射和衰减来建立信道模型。信道建模技术中的自顶向下法最早采用此方法并进行仿真验证的是1999年Philipps提出的电力线多径传输模型。具指出由于信号在阻抗不匹配点会产生

11、 反射，因此从信号发射点到达信号接收点间的波不止一条通路，由多条路径重叠而成，因此电力线传输信道可以用多径传输模型来建模。文献2中提出一种自低向上的一种建模方法，但是该方法要了解低压配电 网络中所有元件的特性，然后建立传输矩阵，需要大量的计算量。文献 3中则 提出一种自顶向下的建模方法，该方法只需要少量的几个参数就可以模拟低压电 力线传输特性。2.1.2信道建模技术自顶向下法(1)二端口网络一种方法是将传输线系统看作二端口网络如图 1,通过求解传输矩阵来建立 信道模型。由于二端口网络级联时传输矩阵可表示为一系列矩阵的乘积形式，因此能很方便地对网络拓扑发生改变时的传输特性进行分析。用二端口网络级

12、联模 型求解传递函数，参数容易求得，且能很方便地对网络拓扑发生改变时的传输特 性进行分析；但由于该方法并未考虑信号在不同电力线间传输时多径、时延等特点，因此模型精确度不高。图2-1二端口网络(2)多径信号传播3由于信号在电力线传播过程中，会在不同节点之间反射和折射，从而导致了 具有频率选择性衰落的多径情况。下面两点传输过程中有一个节点的情况。如图 2。ACnc：oB图2-2多径传输示意图假设相关的阻抗已经匹配，则上面的情况会导致信号传输过程中产生多径效 应。即(A->B->C, A->B->D->B->C ,.)。在对所有可能通路进行分类时，设定发送端和接收

13、端的阻抗匹配，对信号的传输路径进行了极大的简化。知道路 径的延时和电缆损耗就可以建立模型。但它的扩展性差。当电力拓扑发生改变时，需要对通路进行重新分类，且 通路类型随着拓扑复杂程度的增加而增多。(3)信道建模技术自底向下法4-10与自顶向下法相对应的是自底向上法。 该方法按照网络的实际接线，考虑阻 抗不匹配点的反射和衰减来建立信道模型。 该方法计算量大，但建模物理概念清 晰，便于分析各种影响信道传输特性的因素及其影响规律， 且适用性强，对不同 的电力拓扑均能快速准确地确定其传递函数。Galli等早在2006年考虑实际网络接线11,对简单的电力拓扑中波的传输 路径进行了分类。该方法建模物理概念清

14、晰，提供了一种完全不同于参数模拟建 模思路，但是，在实际情况下，由于负载阻抗的时变性和复杂性，不能同线路特 性阻抗完全匹配，因此本建模方法实用性差。现在高速电力线通信(PLC)系统已经向家庭网络发展。但是，室内 AC主线的传输特性还不是很清楚。2.2 载波调制技术即抗干扰技术传统的低压电力线载波通信一般采用频带传输，也就是用载波调制的方法将携带信息的数字信号的频谱搬移到较高的载波频率上。其基本的调制方式分为幅值键控(ASK),频率键控(FSK),相位键控(PSK)。在此基础上，又派生出了差分移相 键控(DPSK),最小移 频键控(MSK:Minimum Shift Keying)、四相移相键控

15、 (QPSK:Quadriphase-shift Keying)、正交幅度调制(QAM:Quadrature amplitude modulation)等。低压电力线载波通信已从传统的频带传输(幅移键控ASK:Amplitude-Shift Keying,频移键控 FSK:Frequency-Shift Key-ing,相移键控 PSK:Phase-Shift Keying) 发展到了扩频通信(SSC)tfc术、多载波正交频分多址(OFDM)技术术以及使用高 速光纤的光波分复用(WDM:Wave-length Division Multiplexing)技术等。2.2.1 扩频载波通信(SSC

16、)原理12简单地说，扩频通信(Spread Spectrum Communication)是用伪随机编码(扩频 序列:Spread Sequence将待传送的信息数据进行调制，实现频谱扩展后再传输，在 接收端则采用同样的编码进行解调及相关处理。就低压电力载波通信而言，应用扩频通信的主要优点如下：(1)抗干扰能力强,适合在低压电力线这样的恶劣通信环境下实现可靠的数据通信。(2)可以实现码分多址(CDMA: Code Division Multiple Access) 技术,在低压配电网上实现不同用户的同时通信。(3)信号的功率谱密度很低,具有良好的隐蔽性,不易被截获。就扩展频谱方式的不同,扩频通

17、信系统可分为:直接序列(DS: Direct Sequency犷频，跳频(FH: Frequency Hopping),跳时(TH: Time Hopping),线性调频(Chirp)以及上述各种基本方式的组合，如:FH/DS,DS/TH 等。就扩频技术的真正全面研究是从50 年代美国麻省理工学院成功研制的NOMAC 系统(Noise Modulation and Correlation System)开始的。1976 年,R.C Dixon 撰写了第一部关于扩频通信的概述性专著:Spread Spectrum System。 1982年 J.K. Holmes撰写的 Coherent Spr

18、ead Spectrum System1第一部扩频通信的理论 性专著。 90 年代以来,随着信息技术的不断发展,扩频技术在理论上和应用中都取得了长足的进步。2.2.2 多载波正交频分多址(OFDM)技术的原理13-16多载波正交频分多址(OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 技术是指将可用的频谱分解成一系列低速的窄带一次载波(Subcarrier)各次载波相互 正交重叠,在发送端分别对其进行调制。其优越性主要是:(1) 由于多路次载波能互不干扰地同时传送信息,因此可以从整体上极大地提高通信的速率。(2)由于每个子信号的传输速率是原信

19、号的1/M,因此可以很好地抑制因延迟、多径干扰而带来的误码,从而提高通信质量。OFDM的发展可追溯到1966年,R. W. Chang首次提出多路传输的窄频带正交分解及合成的概念(Bell System Technical Journal);1971 年 S. B. Wein-stein 和 P.M. Ebert使用离散傅立叶变换(DFT: discrete Fourier transform)进行基带的调制和 解调，为OFDM的发展作出了巨大的贡献；1980年,A Peled和A. Ruiz提出利用循环前缀来保持正交性,将 OFDM 向实用化推进了一大步。Intellon 等一批全球知名企业

20、已将OFDM 技术应用于实际系统,其 Power Packet 技术的传输速率已达14Mbps(频带 43MHz20.9MHz,84 路载波)。2.3 电力线通信组网17低压电力线作为信息传输工具，可以发送和接收控制、监视和通讯信息，也可通过特殊的数字设备(网关) 实现视频业务扩展和电话扩展。下图就是一个通过电源线组成的家庭网络图。电视电缆电话线电线网络图2-3家庭网络图由于低压电力线网络的拓扑结构比较复杂，没有一种固定的拓扑结构形式 来描述电力线网络，因此考虑到低压电力网络的复杂性，可以将其分为低压电力 线网络和连接用户的室内电力线网络。三、课题主要研究内容如图3-1所示图3-1主要研究内容

21、3.1 宽带低压电力线通信信道拓扑结构与电磁特性3.1.1 低压电力线通信信道拓扑结构分析可分为点对点直线连接传输模型、单节点多分支的直线传输模型和多节点多 支路的直线传输模型。图3-2 (a)点对点直线连接传输模型(b)单节点多分支的直线传输模型和(c)多节点多支路的直线传输模型3.1.2 低压电力线特性的三维电磁仿真主要研究设备运行状态对市内办公区家庭电力线主线传输特性的影响。电力线和设备都是由四端口和二端口网络进行等多端口网络描述的。通过这些网络构成的模型可计算出传输特性。3.1.3 低压电力线通信信道实验测试：(1)实验目的：测试实际条件下的低压电力线传输特性，获得信道的噪声和干扰特性

22、。(2)实验条件：线缆长度：96米；线缆直径：3毫米线缆个数：2.根架设方式：墙上和地下实验仪器：信号源：示波器：频率范围：2MHz30MHz(3)实验数据：表1.连接磁环置于地面上的白色电线测试结果F(MHZ)F(MHZ)FF(MHZ) (MHZ)Vo/ViVi(v)Vo/ViVi(v)13520.80000.81330.1612100.35300.35200.0720200.05070.05030.0100300.01560.01500.0029表2不连接磁环置于地面上的白色电线测试结果F(MHZ)Vo/ViVi(v)Vo/ViVi(v)13521.25001.18671.1880100.

23、94400.97330.9680200.51300.51670.5040300.20800.19470.20003.2 认知无线电技术的低压电力线通信抗干扰技术3.2.1 认知无线电技术的原理与应用认知无线电的概念是针对当前没有被充分利用的频谱资源提出的一种频谱 利用方式，它是基于软件无线电设备的，并可以为认知无线电用户提供智能频谱 感知、频谱管理和频谱接入等机制，以便对频谱资源中未被充分利用的频谱加以 利用。认知无线电定义如下：认知无线电是一种可以感知周围环境的无线通信系 统，它可以通过对通信环境的学习，实时地对自身的通信传输参数做出改变，从而更加满足当前的通信需求。认知无线电的目的在于通过

24、对当前空闲频谱的使 用，对无线通信的可靠性和高效性做出改进。当前，利用认知无线电进行通信的主要思路可以概括为认知用户以“择机” 的方式对授权频谱资源进行利用，即授权用户不使用该频谱的时候，认知用户使 用其进行通信；授权用户重新使用该频谱时，认知用户退出该频谱并寻求其他空 闲频谱进行通信。然而，根据当前的频谱管理策略，授权给某个特定用户群的频 谱资源是受到法律保护的，非授权用户不被允许进入该频谱资源使用，这使得认知无线电概念提出的初期，技术发展缓慢。但是，随着目前通信系统的发展和对 频谱资源需求的增加，美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission, FC

25、C)终于在2004年5月发布通告，建议制定规则使用认知无线电技术对电 视广播频段的空闲频谱资源进行利用。之后，认知无线电技术得到了广泛关注， 国内外管理机构、著名高校、研究机构以及国际标准化组织也都投入到认知无线 电的研究当中。5.1.1低压电力线条件下的认知无线电方法抗干扰方法(1)频谱感知技术频谱环境的检测方法因为认知无线电要面对各种不同需求的用户，所以也就要求其具有不同的灵敏度和感知速度，因此频谱环境的检测方法也有所不同。现在研 究较多的方法有：匹配滤波法、能量检测法、循环平稳特性检测法、合作分集法 和协同机制。顿谱感知<r作检测发射机总测基于干扰基于接收的检测机的检测能:立检犯“

26、配滤波器楼测能态循环特针枪测图1频谱感知技求的分类(2)频谱分配技术a基于图论着色模型的分配算法基于图论着色的频谱分配模型是由 Zheng等人提出的3。该模型以图论为基 础，在频谱分配的研究中，将认知用户构成的网络拓扑结构抽象成图基于 OFDM 技术的认知无线电系统b.基于干扰温度的频谱分配模型2003年，FCC引入干扰温度概念量化和管理干扰4。采用这个模型，工作在授 频段的认知设备可以测量干扰环境， 相应地调整发射机的功率、频谱等，避免对 授权用户的干扰超过规定的温度限。OFDM(正交频分复用)技术的主要思想是将给定信道分成许多正交子信道，在每 个子信道上使用一个子载波进行调制。OFDM技术

27、的正交子信道频谱相互重叠，适合在多径传播和多普勒频移的无线移动信道中传输高速数据，是目前公认的比较容易实现频谱资源控制的方法，促使了 OFDM技术在CR中得到应用。OFDM技术中已有的频率分配算法主要是基于在功率限制条件下最大化系统容 量或者在用户数据速率限制条件下最小化发射功率，引入CR概念后，这个问题可以转化成在通信质量需求约束条件下求干扰温度最小的最优化解的问题。假设存在L个子信道，每个子信道上的干扰温度用IT1来表示，通信质量需求的 约束有总数据率要求R和总误码率要求Pe,其最优化模型描述为分别表示每个 子信道上的数据率和误码率。根据上述优化模型可以得到一个优化的分配方案向 量用这个分

28、配算法设计CR系统，可以更好的使用无线资源。文献12提供了一个 基于OFDM技术的CR系统设计方案，该设计方案仿真结果表明，基于 OFDM 技术的CR系统可以方便地查找到频谱空穴，能够更加合理地分配频谱资源，在 引入认知功能后系统性能明显改善，研究表明OFDM技术与CR技术的结合可以实现优势互补。六、研究方案6.1信道建模一种方法是将传输线系统看作二端口网络，通过求解传输矩阵来建立信道模型。由于二端口网络级联时传输矩阵可表示为一系列矩阵的乘积形式，因此能很方便地对网络拓扑关于信道建模应通过研究电力线信道建模问题，采用传输线理论，将电力线与设备模拟成多端口网络。研究步骤：（ 1） ）绘出实际家庭

29、电力线网络拓扑结构。（ 2） 使用相关软件建立网络拓扑三维结构，即将电力线，用电设备及大地、空气模拟成多端口网络（如二端口、四端口）。也即在软件上对电力线进行了三维重建。（ 3） 使用 EMSS 公司的 FEKO 5.5 对该三维结构进行仿真分析。得到其S 参数矩阵。相当于增益和衰减。（ 4） 就得到了传输矩阵了设备的多端口网络参数是应该电力线上设备在工作和停止两个状态下在进行测量的。在电路的频率特性满足测量值的条件下，以此为基础，根据两种状态来决定等效电路。建立一个简单系统，测量其传输特性并与不同状态下的计算值进行比较。结果说明，计算值与测量值是一致的。由设备状态导致的传输损耗偏差在10dB

30、 以内。用扼流圈插入到AC 主线和设备之间，可减小由不同状态导致的传输损耗偏差。测量和计算值表明，插入滤波器后，偏差就由10dB 减小到 0.5dB。（ 5） 消噪选择一种好的调制方式可以极大的抑制噪声。我们这里选用认知无线电的相关技术。具体步骤：（ 1） ）应用陷波滤波器，滤掉业余无线电的频段及工频信号，和与工频信号同步和异步的信号，因为它们具有周期性。（ 2） 对电力线信道的噪声进行检测，采用能量检测法进行双门限对信道中的信号进行判决，判断是否为噪声及有用信号。对于双门限之间采用循环特征检测法可大大减小虚警概率。（ 3） 对于占用了的电力线信道中2-30Mhz 中的某些频段的噪声，应用OF

31、DM 技术，采用改变调制频率的方法，改变功率和载波函数的方法来传递信号。（ 4） 这样就避开了噪声的干扰。6.3 测试方案做出来的东西，需要测试，检验其误码率（1） 搭建点到点通信的实验平台。（2） 在实验室内通过两个插头之间的电力线进行测试。七、参考文献背景噪声由窄带干扰和有色噪声构成。窄带干扰主要是由电力线信道内的驻波和中短波广播电台引起的干扰。根据我国无线电频带的划分，我国调幅广播的频率范围为525KH z至ij 1.605MHz,大部分短波的频率范围是4.75MHz至ij 19.02MHz,因此窄带干扰对信号的影响是不稳定的，建模采用多个正弦波叠加的方式进行模拟，其建模方程式如下：1齐

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