摘要 在概述低壓電力線通信技術(shù)當前主要研究方向的基礎(chǔ)上，總結(jié)了在阻抗特性、噪聲特性、信號衰減特性及信道模型方面國內(nèi)外學(xué)者的最新研究成果與相應(yīng)策略。分析了當前熱點研究的低壓電力線通信調(diào)制解調(diào)技術(shù)，包括跳頻調(diào)制／解調(diào)技術(shù)與正交頻分復(fù)用技術(shù)。最后，對低壓電力線通信技術(shù)未來的研究方向及發(fā)展?jié)摿M行了展望。
關(guān)鍵詞 低壓電力線通信；信道特性；噪聲特性：信道模型；正交頻分復(fù)用
許多學(xué)者為提高電力線通信的可靠性做出了富有成效的努力，目前在解決電力線通信可靠性問題方面，主要集中于兩點：其一，提高點對點通信正確接收概率，包括基于物理層與鏈路層的研究；其二，也有學(xué)者開始關(guān)注于使用網(wǎng)絡(luò)層組網(wǎng)路由的方法來提高電力線通信網(wǎng)絡(luò)層面的可靠性。這些方法與技術(shù)雖取得了一定突破，但仍有改進的空間。
1 輸入阻抗特性與信道衰減
1．1 輸入阻抗特性
如前所述，電力線網(wǎng)絡(luò)是一個廣泛存在的網(wǎng)絡(luò)，變電站的二次變壓裝置與用戶負載同時并聯(lián)在電力網(wǎng)絡(luò)中，低壓電力線輸入阻抗主要由3部分組成：(1)變電站變壓器產(chǎn)生的阻抗，它隨著頻率的增加而增大；(2)導(dǎo)線的特征阻抗，導(dǎo)線可看作電阻與電感的串聯(lián)，不同導(dǎo)線的特征阻抗一般相差70～100Ω；(3)接在電力線上的設(shè)備阻抗，一般相差10～1 000Ω。
低壓配電網(wǎng)電力線輸入阻抗與電力線通信收發(fā)模塊輸出阻抗的匹配程度直接影響信號的耦合效率，因此，電網(wǎng)的輸入阻抗是電力線傳輸特性的重要參數(shù)。J．A．Malack與J．R．Nicholson在1973年發(fā)表了在20 kHz～30 MHz范圍內(nèi)的25個離散頻率下，對美國未經(jīng)濾波處理的商業(yè)電源進行的阻抗測量，包括交流115 V單相、220 V單相以及208 V單相，并與一個典型5阻抗平衡網(wǎng)絡(luò)提供的阻抗進行了對照，結(jié)果表明商業(yè)電源阻抗隨頻率的增加有上升趨勢，平均從2～100 Ω變化，在150 kHz～25 MHz頻率范圍內(nèi)，1個5μH阻抗平衡網(wǎng)絡(luò)可以較好地描述電力配電網(wǎng)阻抗的平均值。
1985年，R．M．Vines等人對5～20 kHz低壓電力線上的阻抗進行了測量，并對決定低壓配電網(wǎng)阻抗的配電變、線路和電氣負荷分別進行了阻抗的測量，得出結(jié)論如下：配電變二次側(cè)阻抗類似一個RL電路阻抗，阻抗值隨頻率升高而增加，并有較大的相角移動；在低壓配電網(wǎng)上發(fā)生的諧振一般在40 kHz以上，這使得配電網(wǎng)的阻抗在高頻時比在低頻時更不可預(yù)測，這樣的諧振常常是由容性負載引起的。
圖1為意法半導(dǎo)體公司(ST)在其ST7538應(yīng)用文檔中給出的由IBM電磁兼容實驗室在歐洲6國測得關(guān)于歐洲低壓商業(yè)電網(wǎng)阻抗值，相關(guān)參數(shù)值與J．A．Malack所得結(jié)論基本一致，該測試結(jié)果為后續(xù)的電力線載波通信模塊的阻抗匹配設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。
1．2 信道衰減
由于低壓配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和負載的多樣性與時變性，高頻信號在低壓電力線上的傳輸必然會有衰減，并且該衰減特性難以預(yù)測，這就給低壓電力線通信帶來了困難。低壓電力線一般由鋁或其他電的良導(dǎo)體加工而成，其本身的阻抗很小，對不同頻率的信號，其阻抗略有變化且相對穩(wěn)定，因此，電力線本身的阻抗并不是產(chǎn)生衰減的主要原因，主要原因在于電力線上并聯(lián)的許多負載，尤其是那些用于調(diào)整電網(wǎng)功率因數(shù)的大電容，對幾百kHz的載波通信信號來說，相當于短路。
根據(jù)文獻，傳輸信號在100 kHz以下的衰減相對穩(wěn)定，在100～200 kHz之間以0．25 dB／kHz的比例線性增長，信號衰減與頻率有關(guān)是由電抗性負載與傳輸線效應(yīng)引起的，傳輸線效應(yīng)包括反射與多峰抵消，這引起網(wǎng)絡(luò)中某些特定點出現(xiàn)窄帶衰減。實驗結(jié)果表明，頻率低于100 kHz，距離<400 m時，傳輸線效應(yīng)的影響較小。該文在20～240 kHz頻率下，測量了5種不同類型建筑物的室內(nèi)信號衰減，結(jié)果表明室內(nèi)電力線的信號衰減一般會超過20 dB。一般來說，發(fā)送裝置與接收裝置同相時的信號衰減比非同相時的低，而且信號衰減隨頻率的增長有增加的趨勢。并且，電氣負荷對室內(nèi)電力線信號衰減有較大影響，在任何給定頻率下負荷隨時間的變化可能導(dǎo)致信號衰減的劇烈變化。
測量分析說明，電力線上的信號衰減隨頻率增長有增加的趨勢，并且頻率越高傳輸線效應(yīng)越明顯，發(fā)生諧振的可能性越大，導(dǎo)致在某些頻率下衰減會迅速增加，跨相傳輸時信號衰減比同相傳輸時大，但這可以通過在相間加電容耦合來消除。除衰減較高以外，電力線信道的另一個典型特征是多徑衰落，從而產(chǎn)生頻率選擇性衰落。由于各種配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)以及負荷不同，很難找到簡單的數(shù)學(xué)關(guān)系來進行普遍意義的描述，文獻從傳輸線理論出發(fā)，通過分析等效負載阻抗在復(fù)平面上的變化規(guī)律，討論了3種典型連接形式的電力線高頻阻抗特性，同時，文中指出在高頻載波條件下，傳輸線策動點阻抗與負載阻抗特性變化的關(guān)系，為進一步討論大規(guī)模配電網(wǎng)阻抗特性提供了一種分析方法。另外，還總結(jié)了電網(wǎng)參數(shù)對阻抗特性的影響，通過改變線纜參數(shù)與調(diào)制方法來減小傳輸線阻抗特性變化對載波通信的影響。
2 信道噪聲特性
低壓電力線的噪聲強度在不同電網(wǎng)上有所區(qū)別，并具有時變性，文獻指出即使在同一棟住宅公寓大樓，其平均噪聲水平在24 h內(nèi)的變化也可高達6 dB，因此，很難直接定量地表示其大小。
2．1 噪聲分類
(1)具有平滑頻譜的噪聲。
該類噪聲的功率譜密度相對較低，是頻率的衰減函數(shù)，它主要是由線路上與電力系統(tǒng)頻率不同步的各種負載所產(chǎn)生的，其功率譜密度隨時間變化較慢，常常在幾min或幾h內(nèi)保持平穩(wěn)變化，在短時間內(nèi)變化不大，可以看作是背景噪聲。
(2)與系統(tǒng)頻率無關(guān)的窄帶噪聲。
這類噪聲大多數(shù)為帶調(diào)制幅值的正弦干擾信號，它主要由引入電力線的廣播頻帶信號引起，它在夜間有最高幅值，白天相對較低。
(3)與系統(tǒng)頻率同步的周期脈沖噪聲。
主要由可控硅整流(SCR)引起的噪聲，它每50 Hz要切換一定次數(shù)，引起在時域上的一系列噪聲脈沖，或在頻域上的工頻的更高次諧波噪聲。文獻測得白熾燈燈光調(diào)節(jié)器由于可控硅或其他整流元件的快速通斷產(chǎn)生60 Hz諧波噪聲，對于400 W的白熾燈，在10 kHz其噪聲水平可以達到比正常背景噪聲高40 dB，而且在更高頻率上產(chǎn)生的噪聲甚至更高。
(4)與系統(tǒng)頻率無關(guān)的單事件脈沖噪聲。
電網(wǎng)中有各種各樣的開關(guān)操作，會在電網(wǎng)中產(chǎn)生突發(fā)噪聲，測量結(jié)果顯示，這種脈沖噪聲的持續(xù)時間為幾μs到幾ms，脈沖噪聲的出現(xiàn)時間具有隨機性，其頻度平均每秒遠遠少于一個，它按μs和mS級單位時變，在這樣的脈沖發(fā)生時，噪聲的功率譜很高，可引起數(shù)據(jù)傳輸中發(fā)生位或串的突發(fā)性錯誤。
2．2 噪聲模型
針對以上噪聲基本分類，根據(jù)相關(guān)文獻資料，下面對用某些特性參數(shù)描述噪聲的模型做出介紹。
(1)背景噪聲。
背景噪聲可按圖2用白噪聲源經(jīng)過濾波生成，噪聲整形濾波的傳遞函數(shù)Hmod(z)可描述為
其分子B(Z)表示的是移動平均(MA)部分，其分母A(Z)表示的是自回歸(AR)部分，模型參數(shù)由噪聲源的方差與濾波器系數(shù)組成。通過使用AR處理模型，即B(Z)=1，參數(shù)可以由用AR頻譜分析儀測量的噪聲信號確定。
(2)窄帶干擾。
窄帶噪聲部分可通過如下N個獨立的正弦函數(shù)疊加來描述
其中，每一個分量由它的頻率fi、幅值A(chǔ)i(t)和相位φi來描述，幅值A(chǔ)i(t)在時間上既可以是常數(shù)，也可以是對AM廣播信號更好近似的調(diào)制幅值；載波相位可以在區(qū)間[0，2π]上用隨機數(shù)選擇，并獨立于時間。噪聲既可在時域中合成，也可先在頻域合成，再通過快速傅里葉反變換(IFFT)得到。
3 信道模型研究
通過對電力線信道特性的分析，可知建立一個精確數(shù)學(xué)模型來模擬低壓電力線信道特征所存在的困難，但建立一個能反映信道基本特性的近似模型是可行和有必要的，這對于研究低壓電力線通信的調(diào)制、編碼、傳輸和解調(diào)具有重要意義，文獻提出了一種簡單的低壓電力線通信信道模型，如圖3所示。
通道濾波的頻率響應(yīng)h(f，t)隨電氣負荷的改變表現(xiàn)為時變性，衰減A(t)常常具有120 Hz的頻率，當然也包括其他周期分量，其對噪聲也有衰減作用，噪聲衰減與信號衰減的相對比值為B。這些參數(shù)的確定有賴于對線路和負荷有關(guān)信息的了解。文獻采用自頂向的方法，把電力線信道看作一個黑匣子，并用一個傳遞函數(shù)來描述它的傳遞特性，實際上是把圖3中的A(t)并入至h(f，t)中。
考慮到低壓配電網(wǎng)實質(zhì)上是由無數(shù)個“T”形結(jié)構(gòu)組合而成，文獻中推導(dǎo)得出了低壓電力線傳遞函數(shù)的多徑信號傳播模型
式中，j為路徑號，也可表示信號經(jīng)過不同路徑到達的先后順序，1為最短路徑。第1項gj為路徑j(luò)的權(quán)系數(shù)；第2項為衰減部分，其中，a0、a1、k為電力線的衰減參數(shù)，dj為路徑j(luò)的長度；第3項為時延部分，vp為波在電力線上的傳播速度，τj=dj／vp，τj表示路徑j(luò)的時延。在500 kHz～20 MHz的頻率范圍內(nèi)，通過對一個已知結(jié)構(gòu)的示例網(wǎng)絡(luò)和未知結(jié)構(gòu)的實際網(wǎng)絡(luò)進行測試，驗證該模型能夠反映低壓電力線對信號傳播的本質(zhì)特性，在對未知結(jié)構(gòu)實際系統(tǒng)的測量中，路徑的長度dj可以由測得的路徑時延τj求得。
4 調(diào)制／解調(diào)技術(shù)
4．1 跳頻調(diào)制／解調(diào)技術(shù)
當前，低壓電力線通信調(diào)制／解調(diào)技術(shù)一個值得注意的研究方向是把軍事領(lǐng)域的無線跳頻通信方法運用于電力線載波通信。跳頻通信系統(tǒng)是載波受一個偽隨機碼控制，不斷隨機地跳變，可看成載波按照一定規(guī)律變化的多頻頻移鍵控系統(tǒng)，其核心內(nèi)容為跳頻序列的選擇與設(shè)計、頻率合成器的設(shè)計以及跳頻同步的實現(xiàn)。在軍事領(lǐng)域通過跳頻是為達到通信保密的目的，而在電力線通信領(lǐng)域是通過跳頻來避開受干擾嚴重的頻段，從而提高通信可靠性。
最早進行應(yīng)用創(chuàng)新的是M．Klaus，他研制了一種基于跳頻原理的電力線載波擴頻調(diào)制／解調(diào)器，該跳頻裝置的傳輸速率達到300 bit·s-1，跳頻速率達到900跳／s，該裝置基本處于低速慢跳頻范疇，在通信速率上還有待改進。
國內(nèi)率先研究此問題的是西安交通大學(xué)的張保會教授，其利用電力系統(tǒng)三相交流電壓過零點和高速數(shù)字頻率合成器解決了跳頻系統(tǒng)中同步和快速頻率合成這兩個關(guān)鍵問題。實驗結(jié)果表明，跳頻技術(shù)應(yīng)用于高速電力線通信不但可以提高傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，還可以使傳輸速率達到Mbit·s-1量級。哈爾濱工業(yè)大學(xué)劉曉勝教授課題組也對該問題展開了研究，在文獻中，將m序列應(yīng)用到電力線通信中，建立了電力線跳頻通信系統(tǒng)模型，如圖4所示，并用仿真實驗實現(xiàn)了60～270 kHz之間8頻點的跳頻實驗。
在該設(shè)計方案中，采用直接數(shù)字頻率合成器生成載波信號，這樣可以將FSK調(diào)制功能由頻率合成器實現(xiàn)，避免了傳統(tǒng)跳頻系統(tǒng)中先產(chǎn)生FSK信號，再與頻率合成器的輸出頻率進行混頻的做法，省去FSK信號的產(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)成為近幾年的重點研究方向之一。OFDM技術(shù)因為能夠有效地對抗多徑傳播、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)化及信道估計是電力線正交頻分復(fù)用通信技術(shù)中的熱點研究方向，也是近幾年來很多專家學(xué)者關(guān)注的熱點。
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，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)對同步誤差的影響相當敏感，準確的符號定時與頻偏估計是實現(xiàn)OFDM系統(tǒng)的關(guān)鍵，文獻中采用改進延遲相關(guān)符號定時同步方法實現(xiàn)了低壓電力線OFDM載波通信系統(tǒng)的準確符號同步，并對比分析了采用雙滑動窗功率比值法、延遲相關(guān)算法、改進延遲相關(guān)算法應(yīng)用于實際低壓電力線彌散通信環(huán)境中的效果，結(jié)果表明采用改進延遲相關(guān)算法更穩(wěn)定可靠，精度更高。對實際低壓電力線信道實驗網(wǎng)絡(luò)的測試表明，改進延遲相關(guān)算法可以更準確有效地進行OFDM系統(tǒng)符號定時，且符號定時同步不受頻偏影響，具有較強的魯棒性。
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比較熱點的研究方向。郭靜波教授課題組對該方面的內(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)用于遠程自動集抄、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驗驗證?？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)進一步研究增強型的模擬前端技術(shù)，包括自適應(yīng)濾波與自適應(yīng)均衡，以適應(yīng)時變的、大范圍的線路衰減與阻抗變化，這一點較為重要，也是目前技術(shù)難點所在。
(2)低壓載波通信在變壓器跨相和穿越變壓器方面的實用技術(shù)研究，在多路供電的現(xiàn)場也需解決電源切換時的通信中斷問題，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，多角度、全方位提高電力線通信的可靠性，對信道的分析、建模、估計，對信源、信道的編解碼有必要繼續(xù)深入研究，加強智能理論與技術(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)問題與對策，低壓電力線通信物理網(wǎng)絡(luò)是由低壓配電網(wǎng)與當時線路負載組成，物理網(wǎng)絡(luò)是動態(tài)的，信道特性也是動態(tài)的，這種特性決定了組網(wǎng)的困難。
(5)隨著人們對EMI的認識提高，電網(wǎng)質(zhì)量會逐步改善，同時對載波通信的相關(guān)要求也會必然提高，因此，面向服務(wù)的資源控制將是一個不可回避的課題。
(6)低壓電力線通信最終實現(xiàn)高性能、低價格的關(guān)鍵在于專用芯片的設(shè)計和制造，而這正是我國微電子行業(yè)的弱點所在，加大在此方面的研究和投資力度對于低壓電力線通信的實用化至關(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，對信道資源的使用及相關(guān)問題進行合理的前期規(guī)劃，將是一項重要的研究內(nèi)容。
(8)低壓配電網(wǎng)是一個共享開放式網(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機理與可靠性防護措施，即通信安全性也將是一項重要的研究內(nèi)容。
因此，如何保證低壓電力線通信網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性、強健性，以及提高通信的可靠性，是當前及今后低壓電力線通信領(lǐng)域需要迫切研究和重點解決的問題。
6 結(jié)束語
低壓電力線是一種各項特性十分復(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抗干擾性能的調(diào)制／解調(diào)模式；對適合低壓電力線領(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)進行了具體的分析與闡釋。
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