基于低压电力线载波通信方法的比较

张平泽，赵振勇

（1.常州机电职业技术学院 江苏 常州 213164；2.常州纺织服装职业技术学院 信息技术系，江苏 常州 213164）

近年来，电力线载波 PLC（Power Line Carrier）[1]技术已成为通信系统中的研究热点，它被看作一种未来重要的现场设备总线通信技术。随着电力系统的发展，电力供电网络越来越完善，覆盖面积越来越大，如何充分利用宝贵的供电网络资源，在电力供电线路上实现可靠的信息传输，正逐步引起业界的广泛关注和研究。目前，低压配电网[2]是一个用户多、分布广、用户必需的动力能源传输网络，同时也是一个日益被看好、可随时使用的高速数字通信网络，低压配电网被认为是“最后1公里”互联网接入的理想解决方案[3]。而利用低压输电线路组成数据通信网络是近年来迅速发展的新技术，日益受到计算机与通讯界的重视，并成为IT业又一研究热点。因此，研究低压电力载波通信特点、原理及数据可靠传输的通信方法具有重大的现实意义。

1 低压电力线载波传输特点

目前，利用10 kV及以上中、高压电力线作为信道传输通道的电力线载波通信已获得广泛应用，但在220 V/380 V低压电力线上传输信号与高压电力线载波通信有较大区别[4]。这是因为，对于低压电力线上的干扰特性，阻抗变化及信号衰减情况，很难找到一个较为明确的解析式或数学模型加以描述，这些对通信系统的设计提出较高要求，也是严重影响通信质量的主要技术障碍[5]。

对高频信号而言，低压电力线是一根非均匀分布的传输线，各种不同性质的负载在任意位置随机连接和断开。因此，随着通信距离、信号频率，甚至工频电源相位的变化，高频信号的衰减变化很大。这些变化对载波通信设备设计有很大影响。电力线上的干扰不能简单地认为是可加性高斯白噪声[6]，可近似分为周期性连续干扰、周期性脉冲干扰、时不变连续干扰和随机产生的突发干扰。通常情况下以前两种干扰为主。低压电力线上的干扰存在多变性，表现在以下两方面：1）因时而变。在不同时刻，干扰的频率、强度都不同；2）因地而变。在不同的电网之间，干扰情况各不相同，而在同一个低压电压之间的干扰情况也不同。因此抗干扰是低压电力线通信的难点。

输入阻抗是表征低压电力线传输特性的重要参数，低压电力线的输入阻抗与所传输信号的频率密切相关。由于电力线上负载的数量、类型不同，使不同频率的阻抗变化也不同，电力线负载网络由若干电阻、电容和电感组成，从不同的点看，输入阻抗显然是不同的。所以实际情况非常复杂，甚至不可预测输入的阻抗变化。由于低压电力线输入阻抗的变化，发送设备的输出阻抗和接收设备的输入阻抗难以与之保持匹配，因而给电路设计带来很大困难。

2 低压电力线通信原理

电力线载波通信[6]是利用传输工频电能的低压配电线路（220 V或380 V交流供电线路）作为传输媒介的通信方式，是电力线特有的通信方式。PLC通常利用1～30 MHz频率范围传输信号。发送时，利用调制技术将用户数据进行调制，然后在电力线上传输。在接收端，先经滤波将调制信号滤出，再解调，即可得到原始通信信号。通信速率依据调制方法和具体设备不同而不同，目前的传输速率在4.5～45 MB/s之间。PLC设备包括局端和调制解调器，局端负责与内部PLC调制解调器的通信和与外部网络的连接。通信时，来自用户的数据进入调制解调器调制后，通过用户的配电线路传输到局端设备，局端设备解调出信号，再传送到外部Internet。图1为低压电力线通信系统原理框图。

图1 低压电力线通信系统原理框图

3 低压电力线载波通信方法

目前低压电力线载波通信主要采用窄带通信、扩频通信、OFDM调制等方式。

3.1 窄带通信技术

早期的电力载波通信电路多采用窄带通信技术[1-7]，主要是频移键控FSK（Frequency Shift Keying）与二进制相移键控PSK（Phase Shift Keying）方式。FSK的调制原理是载波频率随着调制信号“1”或“0”而变，“1”对应载波频率 f1，“0”对应载波频率f2。PSK调制原理是载波的相位随调制信号“1”或“0”而改变，通常用相位 0°和 180°分别表示“1”或“0”。

窄带通信方式具有技术简单、成本低廉和容易实现的特点，因此在应用初期较为流行，但该方式极易受带内干扰影响，阻抗匹配也影响信号传输，抗干扰能力较差。为了降低PLC在强背景噪声下的误码率，提高PLC信号的传输速率，目前多采用扩频通信技术与正交频分复用技术。

3.2 扩频通信技术

所谓扩频通信 SS（Spread Spectrum Communication）[7-8]就是在发信端将信号频谱扩展后再进行传输，在收信端运用相关手段将接收信号解扩后再解调的通信手段。图2给出其通信原理。

图2 扩频通信原理

扩频通信技术的理论基础是信息论中的香农定理。扩频通信系统主要有4种基本扩频方式：1）直接序列扩频DS（Direct Sequence）；2）跳频 FH（Frequency Hopping）；3）跳 时 TH（Time Hopping）；4）线性调频（Chirp）；此外，还有这些扩频方式的组合方式，诸如DS/FH，DS/TH，DS/FH/TH等。常用于低压电力线载波通信的是直扩（DS）和线性调频（Chirp）。基于Chirp方式的通信电路在我国应用较多的是Intellon-p200系列，而直扩方式在当前应用最为广泛，多数低压电力线载波通信电路都是基于直扩方式。扩频通信抗干扰能力强、可进行多址通信、抗多径干扰能力强，在低压电力载波通信中具有很大应用优势。

3.3 OFDM调制技术

正交频分复用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）[8-10]是一种多载波传输技术。其最大的特点是传输速率高，抗码间干扰和信道衰落能力强。其基本思想是将串行数据转化为N个并行数据分配给N个不同的正交子载波，实现并行数据传输，这样既可得到很高的数据传输速率，又能够有效抑制码间干扰，而且无须复杂的信道均衡处理。

在K条子信道的OFDM系统中，子载波频率为{cos2πfkt，0≤k≤T-1}，其中相邻子载波频率之间的间隔Δf=1/T，即Δf=fk+1-fk=，T为码元间隔。这与OFDM传输速率相同的单载波系统相比，码元速率1/T降低了K倍。因此，OFDM系统的码元间隔T=KTs，其中Ts是单载波系统的码元间隔。只要将K选得足够大，码元间隔T就会比信道时间偏移持续时间大得多。通过选择适当的K，可以使码间干扰任意小。即每条信道看上去都有固定的频率 C（fk），其中 k=0，1，…，K-1。

因此，OFDM调制技术实际上是大量的窄带载波 （有时也称为子载波）同时传送，每个载波的调制速率较低，但总体表现为极高的传输速率。因此，OFDM在电力载波通信中主要应用于电力线上网等通信速率要求高的领域。

4 3种通信方式比较

低压电力线载波通信[6]客观环境非常恶劣，要实现稳定可靠的通信，则必须采用先进的技术手段。电力载波抄表系统所使用的通信方式各有其特点[11]。因此，结合窄带通信、扩频通信、OFDM各自的特点，比较这3种通信方式的优缺点，如表1所示。

表1 窄带、扩频及OFDM优缺点比较

由上表可知，这3种通信方式在实际应用中各有优势和缺点。窄带通信技术价格低廉并且较易实现，所以在以往的应用中比较流行，但由于存在干扰问题，实际应用仍不很理想，而且具有传输距离较短，数据传输率比较低等缺点。

扩频技术在抗干扰、保密等方面的突出优点，使其在低压电力线载波通信中应用越来越广泛。当整个频带内的干扰情况较平均时，或当整个频带干扰严重而载波通信所选择的通信频带内干扰较小时，窄带调频通信都具有优势。由于电力线路上的干扰大多是窄带干扰，宽带扩频方式占用频段宽，干扰信号无法将其覆盖，因此具有较强的抗窄带干扰能力。但电力线耦合电路的品质因数（Q值）也因宽带因素降低，这样严重影响通信性能。窄带通信方式具有较好的电力线耦合性能，当强干扰噪声在通信频带外时，其通信效果一般优于宽带扩频通信方式，但强干扰信号与通信频带相近时则会经常出现通信中断。总体来说，采用扩频方式的电力线通信芯片在抗干扰和噪声，以及数据传输性能上比窄带通讯有较大提高。

理论分析与大量实验均表明，在相同路径条件下，扩频通信技术的成功率普遍强于OFDM通信技术，而通信速率则是OFDM技术远远高于扩频技术。但基于扩频通信技术的电路成本也远低于OFDM通信技术的电路成本。目前，OFDM技术应用于电力线高速数字通信刚刚开始，还存在许多问题，其中最主要的问题是到目前为止还没有制定出相应的标准规范。

5 结论

电力线载波通信是以电力网作为信道，实现数据传递和信息交换的通信方式。由于电力线信号传输的可靠性很差，电力线的通信环境恶劣，要在这样的低压电力线上实现高质量的数据通信还有相当大的困难。通过分析和比较3种常用电力线通信方式，列出各自的优缺点。应用中可根据实际需要选择使用或混合使用。本研究对新的低压电力线载波通信方法的研究具有一定借鉴意义。

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