初露头角的电力线通信

作为一种新的家庭联网和宽带接入技术，电力线通信(PLC)近几年引起了人们极大的关注。这里所说的电力线通信是指通过低压电力线向住宅用户和企业用户提供数据和话音通信业务，而不再指原来的电力线载波通信。在许多国家，尤其在发达国家，广域的高速光纤骨干网现在已经四通八达，容量也非常充裕，因此对电力线通信而言，不必再考虑如何利用长途输电部分进行通信，而只考虑如何利用配电部分尤其是低压线路部分进行通信。

　　为什么会出现这种趋势？因为高速上网正变得越来越重要，尤其对许多家庭和小办公室来说，如何利用已经入户的线路来提供互联网高速接入已经成为非常切合实际和日益迫切的需求了。我们知道，世界各地都一样，能够入户的线路，除了电话线和有线电视电缆以外，就数电力线了。而电力线是其中普及最广的线路，进入家家户户，几乎每间房间都有电源插座。因此，电力线网基本上就是一个现成的局域网，整个低压配电网的网络结构(包括户外电缆)非常适合互联网接入，能够提供最后1 km的解决方案，从而与电话网进行竞争。况且，在一些经济不发达国家，如非洲国家，许多住家目前没有敷设电话线和有线电视电缆，电力线则成了唯一可选的通信载体。

　　对于家庭联网来说，连接信息家电的基础设施必须易于安置、安装维护费便宜并且性能良好。户主往往不是网络专家，所以典型的高性能网络对日常生活用途来讲显然过于复杂。尽管目前已有多种技术可用于家庭联网，如以太网通过在住家内敷设5类通信线联网(各种无线网也能用于家庭联网，如802.11x、蓝牙和HomeRF等，只要在住家内安装多个互连的无线接入点(WAP)和家用微型基站即可)。但是这些设备安装复杂，需要花钱请外部人员来建网。用电话线也可以建网，如HomePNA等，但因受电话线插口的限制，建起的网络会失去移动性。因此，近年来有人提出直接使用住家内的电力线与电源插座作为数据通信的载体，并一直在开展这方面的研究工作[1]。

　　PLC技术最先是由瑞士Ascom公司提出的，它利用类似cable modem的方式通过电力线提供宽带数据业务。电力公司可以建立一些由多个用户共享的宽带连接节点，所不同的是PLC技术是通过插入插座的PLC适配器，利用直接与插座相连的现有电力线进行通信，而不是用电话线。

　　用电力线作为网络基础设施相对于其他技术有其优点。首先，由于信息家电可以通过电力线进行通信，故不需另外布线。其次，在一个住家内通常有多个(4到5个)接入点(电源插座)，PLC技术可以为用户建一个家庭局域网，把他们的PC机、打印机、扫描器以及他们想连接的任何设备连接起来。按HomePlug 1.0标准的规定，电力线通信可以提供14 Mb/s的数据速率，足够信息家电日常使用。将来的PLC还可能提供100 Mb/s的速率来支持高质量数字多媒体应用。最后，建电力线通信网的成本比通过其他技术建网的成本低，估计HomePlug网卡的价格将是无线网卡的一半左右。

　　表1列出了各种家庭联网技术的成本及其特点。表中未计入10/100BaseT以太网的安装成本。

1 电力线通信网网络体系结构

　　为了桥接变电站至用户住宅电气插座的最后1 km，必须把低压配电网分成室外PLC和室内PLC两部分。这是因为整条通路的衰耗通常非常高，在满足电磁兼容(EMC)要求的情况下，只有大约10%的用户可以直接由单跳链路来服务。图1为一个PLC系统的体系结构和系统组成示例，室外部分包括从变电站到住家接入点(HAP)的公共区域，室内部分系指从HAP到家里电气插座的私人区域。图1所示的PLC系统是一个集中式的主/从体系结构，这种结构反映了电力线网络拓扑和点到多点网络流向的特性。室外主控器(OM)通常安装在变电站，它控制用户住宅的室外接入点(OAP)。为了覆盖远地的建筑，还包括一个室外中继器(OR)。在每一住宅内，都有1个独立的室内PLC部分，它由室内控制器(IC)进行控制。IC的控制对象是室内适配器(IA)，IA给最终用户提供标准网络接口(如以太网、UBS和模拟电话线等接口)。室内PLC和室外PLC通过OAP与IC之间的以太网链路进行连接。OM为主干连接提供以太网接口，主干连接普遍使用光纤和数字用户线(DSL)。对于不具备电信基础设施的变电站，可以使用中等电压PLC作为顶替方案。

　　室外PLC使用1～10 MHz的低频段，而室内PLC使用15～30 MHz的高频段。每1频段能容纳3个载波，每个载波带宽约为2 MHz。载波频率的分配基于以下考虑：

　　(1)与原有重要的广播与业余无线电业务共存；

　　(2)频率低意味线路衰耗小，适宜于室外使用，可以覆盖较大距离；

　　(3)室外与室内系统的使用频率要有足够隔离，使室内、外系统在非常靠近时(例如OAP与IC)不用协调即能同时工作；

　　(4)室内距离一般短于室外距离，故室内可以使用较高的频率。此外，电气设备在较高频率时产生的信道噪声比低频时小得多；

　　(5)由于在高频时不同相之间的串话特性较好，每一相的信号质量几乎相同，故室内系统的性能较少受服务于IA的其他相或网络分支的影响。

2 电力线通信的应用

　　这里以北美住家的电力线通信网拓扑为例(见图2)来说明电力线通信的应用。由图可见，它是一种类似树状的拓扑。一般有两条电力线干线，一条是110 V的，另一条是220 V的。每条干线分为若干支线。电力线通信的目的是在这些支线和干线上传输数据分组[2]。

　　目前和未来的PLC应用形式多样，例如，当数字电视上出现商业广告时，你可以通过电力线把产品信息下载到你的计算机上，此后，你还可以从你的计算机向供货商发送订购信息或者去浏览产品网页，获得更详细的信息。通过电力线你还可以把音乐或视像节目录制下来，例如，当在电视上或在一个音乐频道上播放音乐时，你可以通过电力线直接把音乐录到MP3播放器上。还有一种可能的应用是把数字视像直接录入PC机或数字录像机(VCR)内。

　　利用电力线通信网还可以方便地完成信息家电的一些其他应用。例如，电冰箱可以根据冰箱内的库存情况通过电力线订购食品；微波炉能向空调发送预计的环境温度将变化信息，让空调重新调节温度，保持室温舒适。

　　PLC的应用并不局限于新式信息家电。作为家庭网络，电力线通信网非常便于在传统数据处理设备(如PC机等)与计算机外设之间交换数据。此外，信息家电也可与计算机进行对话，例如，利用电力线通信网可以很方便地从电视机或VCR向PC机发送多媒体数据。电力线通信网还可以用于住家安全方面，可以把门口监控摄像机获得的图像送至电视机。

　　表2对典型信息家电应用产生的日常业务量进行了估算。这些估算值多半基于信息大小，例如，从计算机向MP3播放器存储数字音乐，根据歌集中歌曲数量、1首歌曲的长度(大约5 min)、编码数据速率(约128 Kb/s)和分组报头大小估算得到业务量为50 MB。每一事件发生的频次和时间周期也列于表内。利用这些数据和典型的事件动态情况，就可以获得典型住家1天的电力线网络的业务流。

　　为了通过DSL或cable modem之类的宽带连接实现高速上网，可以在电力线通信网中添加一个PLC互联网路由器，如图3所示。图中台式计算机作为数据中心，当某设备需要与互联网上其他设备进行通信时，通过电力线向此台式计算机发送数据，然后由台式计算机决定是否向互联网发送数据。另外，可以利用外部配电线让PLC家庭网络直接与其他住家、电厂对话。由于不需要额外的支出，这种用于互联网接入的网络基础设施对发展中国家特别有吸引力[3]。

　　为了支持与移动设备的数据交换，电力线通信网需要与无线网路进行合作。最容易的办法是使802.11x的基站与PLC兼容，把基站看作装有PLC芯片的普通信息家电(见图3)。这样，移动设备便可以与挂在电力线上的设备进行对话。在覆盖范围大，需要多个互连的无线接入点进行通信时，这一方案特别理想。因为不用增添新线，利用现有的电力线基础设施就可完成互连。加拿大Corinex公司已推出这样的产品。

3 电力线通信的电磁兼容问题

　　电力电缆是为50 Hz或60 Hz低损耗输电设计的，当把它们用于PLC时，意味着必须传送9 kHz～30 MHz频率之间的信号。对在这些频率上的信号，电力电缆会有泄漏，也就是说部分高频信号功率会以电磁波的形式辐射出去。故电力电缆相当于低效率的线性天线。电力线信道好像一个开放的无线信道，要蒙受噪声、衰落、多径和干扰，同时也会干扰其他信号。当PLC系统得到广泛使用时，除了使用相同频率的相邻PLC系统之间会相互干扰(即小区间干扰)以及会产生保密问题之外，PLC系统还会对其他无线电通信造成干扰。因此，PLC系统除了要克服自身信道缺陷外，EMC是它能否得到推广应用的最至关主要的问题。

　　无论何时，只要PLC信号的频率与正常无线电通信的频率重叠，干扰就会发生。干扰的大小与发送功率、距离以及布线的具体情况相关。譬如说，离电力电缆很近的收音机很可能会受到干扰，但在几米远外就感觉不到干扰。

　　注入的信号功率中有多少被辐射出去取决于PLC网络或其电缆的对称性。对称性是按导线与地之间的阻抗来定义的，对二线电力线而言，如果每一导线和地之间的阻抗相等，则视该线路为对称或平衡。为了让信号按理想的异模传播(即信号导线上的异模电流大小相等，但方向相反，无辐射)，线路必须对称。相反，线路不对称会导致不希望的共模。共模电流在两根导线上并行流动，经地而返回。共模电流一般会产生辐射。高度对称线路的特征是异模电流与共模电流的比值很大，故辐射非常小。PLC系统被广泛使用后，各PLC系统的电线结构将形成一个天线阵，故它们的辐射会产生累积效应。由于PLC系统使用的是9 kHz到30 MHz的频段，因此受其辐射影响较大的主要是短波无线电通信，包括业余无线电和军用无线电。

　　为了把PLC辐射减至最小，可采取以下两个措施：

　　(1)充分利用或改善用于PLC的电力线的对称性。具体措施有两个。一是在线路两端安装低通滤波器，这样既可以保持PLC信号的异模传播，又可以阻止PLC信号进入辐射效率高的导线或其他附接设备，这种方法很有效，但成本较大。二是选择对称性好的导线，例如4芯电缆，但此法不适用于室内网络。

　　(2)减小PLC信号的功率谱密度(PSD)。由于PLC信号的辐射是在有限带宽内度量的，故减小PLC信号的PSD能立即降低辐射电平，但不影响总的发送功率。因此，PLC系统适宜采用宽带调制技术，但其扩频效率受电力线低通特性的限制。

4 对电力线通信的管制

　　PLC产生的辐射既可被看成有意的，也可被看成无意的。有意辐射是把电磁波用作信息的载体，无线通信即是最典型的例子；无意辐射则是把电磁波作为一种不希望的副产物辐射出去。如果把PLC系统看作有意辐射体，就会涉及发放许可证和频率分配问题，但PLC系统并不提供无线通信，故不能给它分配频率。因此，PLC的辐射通常被看作不希望得到的副产品而被定为无意辐射。PLC的辐射必须符合相关的EMC限制。

　　EMC标准基本上有两种：

　　(1)国际无线电干扰专门委员会(CISPR)等机构制定，国际电工委员会(IEC)发布的标准，通常被采纳为国家法规。

　　(2)在CISPR标准没被采纳为国家法规的情况下，由有关国家的管制当局制定相应法规，填补空白。

　　现存的传统PLC标准都是针对用于控制、监视和开关的简单系统而制定的。所占频谱最高525 kHz，一般通过限制馈入电源网的最大输出电压来限制不希望的辐射。但用于数据传输的PLC接入系统的频率范围要大得多，目前尚无标准。CISPR中最近有关PLC标准的版本是CISPR 22，它规定了对IT设备的限制，并明确区分电源端口和电信端口。但是在PLC中，电源与通信用的是同一端口，故CISPR 22在PLC的测试应用方面还存在较大问题，现正努力在CISPR 22中定义多用途端口，以形成实际可行的方案。

　　欧洲比较关注CISPR的活动，现在欧盟成员国都把CISPR发布的文件作为重要法规。由于PLC的标准化工作尚在进行，故欧洲有些国家(如英国和德国)的管制当局开始进行国内立法，这可能会带来与未来欧洲的统一标准发生冲突的风险。

　　在美国，对PLC的管制由FCC Part15制定。FCC Part15对用于信令与开关的低速PLC应用和用于高速数据传输的PLC进行区分管理。它规定低速系统的工作频率低于490 kHz。美国对高速PLC系统的管制比欧洲要宽松许多，对PLC技术的推广应用基本不加限制。

　　在日本，按照国家无线电法及其补充条款，PLC只允许工作在10～450 kHz频率范围内，并对发送电平和使用场合作了详细规定。这一频段只能用于低速PLC系统，目前还不允许使用更高频率的PLC，但日本政府正在密切关注CISPR的动向，准备在不久的将来开放更高频段的PLC系统。

5 发展现状与应用前景

　　目前，PLC技术正在准备走向商用，全球有若干种PLC系统在进行现场试验，尤其在欧洲，德国、西班牙、法国、奥地利和瑞士都开始了大规模的现场铺设。在亚洲，试验刚刚开始。2002年8月，香港PowerCom Network公司(Cheung Kong Enterprises与中国CLP TeleCom的合资公司)成立，与Hutchison Global Crossing公司合作开发专有的PLC服务。在新加坡，一家地区性的ISP公司Pacific Internet与SP Telecom公司一起合作，在2002年10月末完成了PLC演示，但何时商用未定。中国国家电力通信中心自2001年12月开始进行电力线上网的小规模试验工作，所用设备由福建电力试验研究院提供。

　　PLC网络除了完成家庭联网外，还能实现高速上网。图中各住家网络被接至变电站，在那里再通过电力线modem终端把各家PLC网络连接到互联网的骨干网。各家的PLC网关可以安装在各家的熔丝盒里。网关可能连接一个或几个用来增强信号强度的中继器。预计当调制技术得到进一步改进之后，未来的电力线网络可以以更高的速率传送数据。当然，目前在网络安全和网络性能等方面还有不少问题有待解决，特别是当把电力线网络应用于办公室和公寓大楼时在节点数量大大增加的情况下，解决这些问题就越发重要了。

　　目前，PLC在市场方面尚存在不少问题。虽然用于家庭联网的PLC产品已经上市，但对用户来说，可供选择的产品不多，技术支持也较差，更何况PLC家庭联网设备目前要比以太网和802.11b无线局域网贵。

　　可以说，PLC当前所处的地位与DSL和cable modem在大约1997年时所处的地位相同。在今后5年内，如果电力公司采取行动大力推动的话，PLC的地位就可能上升到目前DSL和cable modem所处的地位，因此它的潜在市场是巨大的。据Yankee Group公司市场调查后估计，在美国至少有2 100万户住家对家庭联网感兴趣，到2003年底可能有1 240万户住家会安装家庭网络。按照Parks Associates公司预测，到2004年底美国将有3 000万户住家具有快速互联网连接，其中1 700万户住家计划安装家庭网络。有些分析家称，PLC市场到2006年可能达到6亿美元。

6 参考文献

　　[1] Lin Yuju, Latchman A H, Lee Minkyu et al. A Power Line Communication Network Infrastructure for the Smart Home [J]. IEEE Wireless Communications, 2002,9 (6):104-111.

　　[2] Gebhardt Martin, Weinmann Frank, Klaus Dostert. Physical and Regulatory Constraints for Communication over the Power Supply Grid [J], IEEE Communications Magazine, 2003, 41(5):84-90.

　　[3] Liu Weilin, Widmer Hanspeter, Raffin Philippe. Broadband PLC Access Systems and Field Development in European Power Line Networks[J], IEEE Communications Magazine, 2003, 41 (5):114-118.

[摘要] 文章从分析电力线配电网着手，阐述了电力线通信的网络体系结构和系统组成、电力线通信的应用、电力线通信的电磁兼容问题以及各国对电力线通信的管制情况，分析了电力线通信的现状与前景。

[关键词] 电力线；通信；宽带接入

[Abstract] Based on the brief introduction to the power distribution grid, the paper presents the network architecture, system components and applications of power line communication (PLC), discusses the electromagnetic compatibility (EMC) problem and the regulation conditions in different countries. The current status and future prospects of PLC are also outlined.

[Keywords] power line; communication; broadband access