市场需求响应-宽带载波技术及应用浅析1029

第宽带载波电力线通信技术及应用浅析研发中心--李勇电力线载波通讯PLC（PowerLineCommunication），是一种通过电线进行数据传输的通信技术。宽带电力线通信BPL(BroadbandoverPowerLine)，是指带宽限定在2～30MHz之间、通信速率通常在1Mbps以上的电力线载波通信。宽带电力线通信技术和窄带电力线通信技术均是是利用现有电网作为信号的传递介质，使电网在传输电力的同时可以进行数据通讯。图1：电力线载波带宽分布一、宽带载波的技术信息采用扩频通信(SSC)技术的PLC通常称为窄带PLC。但在用电设备类型日益丰富，电路中开关电源和无功补偿装置等电容性负载日益增多的环境下，信号吸收和突发干扰大大降低了窄带载波通信系统的适应性和可靠性。为克服电力线通信线路噪声显著且信号衰减严重问题，满足日益增长的信息传输要求，\o"宽带载波新闻专题"宽带载波技术采用了扩频、OFDM(正交频分复用)等调制技术，不但使频带利用率进一步提高，而且还能消除子信道之间的干扰，从而实现数据的高速可靠通信。1、相比窄带载波SSC技术，宽带载波OFDM技术具有以下的优点：（1）抗衰减能力强。OFDM通过多个子载波传输用户信息，对脉冲噪声(ImpulseNoise)和信道快衰落的抵抗力很强。同时，通过子载波的联合编码，OFDM实现了子信道间的频率分集作用，也增强了对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力。（2）频率利用率高。OFDM允许重叠的正交子载波作为子信道，而不是传统上利用保护频带分离子信道的方式，因此提高了频率利用效率。图2：OFDM系统频谱图（3）适合高速数据传输。OFDM的自适应调制机制，使不同的子载波可以根据信道情况和噪音背景的情况选择不同的调制方式。当信道条件好的时候，子载波采用效率高的调制方式。当信道条件差的时候，子载波采用抗干扰能力强的调制方式。而且，OFDM加载算法技术，使系统可以把更多的数据集中放在条件好的信道上，以高速率的方式进行传送。（4）抗码间干扰(ISI)能力强。码间干扰是数字通信系统中除噪声干扰之外最主要的干扰，它与加性的噪声干扰不同，是一种乘性的干扰。造成码间干扰的原因有很多。实际上，只要传输信道的频带是有限的，就会造成一定的码间干扰。由于OFDM采用了循环前缀，因此，对抗码间干扰的能力很强。2、OFDM技术亦有以下不足：

（1）对频偏和相位噪声比较敏感。OFDM技术利用各个子载波之间严格的正交性来区分各个子信道。频偏和相位噪声会使各个子载波之间的正交特性恶化，仅仅1%的频偏就会使信噪比下降30dB。因此，OFDM系统对频偏和相位噪声比较敏感。（2）峰均功率比(PAPR)大，导致射频放大器的功率效率降低。与单载波系统相比，由于OFDM信号是由多个独立的、经过调制的子载波信号相加而成的，这样的合成信号就有可能产生比较大的峰值功率，也就会带来较大的峰均功率比。（3）负载算法和自适应调制技术会增加系统复杂度。负载算法和自适应调制技术的使用会增加发射机和接收机的复杂度。3、宽带载波技术性能指标中心频率2MHz-12MHz，可选择工作频率2.5~5.7MHz，8~11.2MHz采用OFDM调制方式,子载波支持BPSK，QPSK，8QAM，16QAM，64QAM调制子载波自适应调制支持FEC和CRC功能，强大的去噪和纠错能力针对复杂电力信道设计的高鲁棒性帧结构4、宽带载波抄表性能指标模块节点掉线时间<3min点抄时间（一个量）<1s轮抄时间（300块表、一个量）<1min对客户端事件的响应时间<5min通讯距离大于500-1000m宽带电力载波技术满足国网、南网的技术规范；满足全费控、防窃电等关键功能的实现；能提供实时数据满足大客户用电管理的需求。5、宽带载波芯片目前市场上的2-12M的宽带载波模块，所用芯片是中电华瑞技术有限公司和华为海思共同研发的专门针对国内电力环境定制的一款芯片，避免了从国外高速电力线载波芯片改造而来造成水土不服的芯片使用问题。2-12M宽带载波芯片在和电能表接口和集中器接口上与窄带载波没有任何差别，完全兼容。特别是国网推出2013标准，在本地通信接口实现互换性后，宽带模块完全可以和符合国网13标准的集中器无缝衔接。相较窄带载波而言，宽带载波在实时性、通信速率、动态组网上有明显优势。（1）芯片关键指标物理层速率100Kbit/s～16Mbit/s应用层速率30Kbit/s～4Mbit/s芯片工作功耗<600mW，待机功耗<100mW表侧通信模块工作功耗<1.2W，待机功耗<250mW（2）物理层特性工作频率范围200KHz～12.5MHz，带宽2MHz，并支持频率扩展采用OFDM技术，子载波支持BPSK、QPSK、8QAM、16QAM、64QAM调制子载波自适应调制支持FEC和CRC功能，强大的去噪和纠错能力针对复杂电力信道设计的高鲁棒性帧结构可在240VAC,120VAC,24VAC或直流电力线上稳定工作，最大传输距离大于1K（3）MAC特性支持TDMA和CSMA/CA，提供冲突避免机制支持数据分段和重组，提高传输效率支持数据重传机制支持AES/3DES/DES数据加解密支持4级QoS，满足不同业务服务质量需求（4）组网特性支持自动快速组网支持终端个数1000个支持自动中继，最大可支持15级中继支持动态路由，多路径寻址支持静态路由（5）网络共存支持ITUG.9972ISP协议，与家庭互联设备共存支持集中器级联，支持跨台变识别、避免串扰（6）CPU高性能的ARM处理器，工作频率266MHz内嵌I-Cache8KB、D-Cache8KB、ITCM（4KB）（7）存储接口内嵌SDRAM存储器，最大支持16MB支持SPI外接存储器(8)外围接口1个MII接口，支持10/100Mbit/s网络扩展（Hi3911C支持）1个SPIMaster/Slave接口（Hi3911C支持）4个UART接口32个GPIO接口1个I2C接口(9)封装Hi3911T：QFN649mm×9mm0.5mm封装Hi3911C：Epad-LQFP12814mm×14mm0.4mm封装工作温度：-40℃～+85℃工作电压：IO3.3V、Core1.2V二、宽带载波的现场应用实现方案1、宽带载波集抄系统构成宽带电力集抄系统由三部分组成：A主站软件（应用服务），B集中器终端，C采集器终端，系统组成简介方便，无需改动窄带电力集抄系统原有网络线路，如下框图：图3：系统构成框图2、系统网络结构设计：居民电表通过RS485与采集器相连，采集器通过电力宽带载波与交换机或抄表集中器相连，实现抄表数据本地上传。如下图所示图4：系统网络结构图所需产品：集中器宽带载波模块、采集器宽带载波模块宽带载波电力线通信技术可直接利用电力线，无须重新布线，组网简单快捷、成本较低廉，应用范围广，同时保障信息安全。三、宽带载波在技术应用上的优缺点；1、OFDM技术优点：有效克服码间干扰，抗干扰能力强频带利用率高系统的均衡简单2、电力线宽带载波通信方式优势：(1)宽带载波基于已经过广泛验证的TCP/IP网络技术，具有完善的链路层和网络层数据保护与验证，远非各种轻量级的结点组织和中继算法可比。(2)宽带载波通信速率高，可以在极短的时间内完成数据传输，可大大降低遭受突发干扰的影响，即使一次通信失败，也可迅速进行重发，确保数据可靠。(3)宽带载波芯片大都基于高性能32位核心和DSP技术制造，在技术等级和性能上都具有优势。(4)除了应用层的数据加密，宽带载波在链路层支持DES、3DES、AES等高强度加密算法，数据通信安全性高。(5)即使是在窄带载波较有优势的通信距离上，宽带载波通过OFDM等高性能调制方式，以及完善的中继组网机制，完全可以满足当前大部分台区的应用需求。(6)宽带载波通信性能高、速率快、扩展能力强，可加载多种网络应用，但其成本相对于窄带载波并未增加多少，因此具有性价比优势。3、宽带载波对比窄带载波优点：窄带和宽带电力线载波方式，在应用实施方式上有很多类似的地方，如借助电力线网络实现通信节点间免布线或少布线，但在通信机制、通信协议、载波和调制方式等方面具有巨大的差别。(1)高速数据传输，宽带载波通信速率高达2Mbps远高于窄带载波的几十K或几百Kbps。(2)实现远程控制通断电功能，窄带由于中心频率较低难以实现实时抄通。宽带避免了断电之后难以送电现象，实现实时抄表通断电功能。(3)宽带载波中心频率为2-12MHz，远高于窄带东软（270KHz）、晓程（120KHz）窄带频率。正由于中心频率的增加，从而增加应用层的存储空间，从而达到同时向电力线并发多个载波数据帧的效果。宽带载波可以在同一时间内下发5-10条抄表命令，每块表应答时间为200-500毫秒。窄带载波每抄一块表及应答时间约为10-15秒。（4）多个数据量的抄读，正由于宽带载波抄读数据快（300块表、一个量<1min），窄带载波（300块表、一个量约3-4个小时，线路好的情况下）。宽带载波可用剩余时间抄收其它电表数据量，从而解决如偷窃电等客观问题。（5）宽带载波通信速率高，可以在极端的时间内完成数据传输，可大大降低遭受突发干扰的影响，即使一次通信失败，也可迅速进行重发，确保数据可靠，现场抄表率大幅提高。4、宽带载波对比塑料光纤的优缺点：宽带电力线载波对比塑料光纤通信方式，同样具有传输带宽高，传输速率快等特点。但在通信机制、一次性抄表成功率、抗干扰能力、施工安装布线等有着巨大的差异：通信速率传输距离抗扰能力一次性成功率可靠性施工方式投资成本运维成本宽带载波2MHz-12MHz1-2KM强90%中无线布线中中塑料光纤100M100-300M不受影响99.99%高需要布线高低通信技术优劣势对比从上表的对比中我们可以得出，宽带载波在传输距离方面有着巨大的优势，也因无需施工布线的特性使得现场安装更加容易，且初期投资成本相对比较低。同时宽带载波在通信速率和抗干扰能力方面得到了很大的提升。因为塑料光纤通信技术传输速率高、抗干扰能力强、安全可靠性高等特性，从而保证了较高一次抄表成功率。5、宽带载波缺点尚