低压电力线通信技术综述

摘要 在概述低压电力线通信技术当前主要研究方向的基础上，总结了在阻抗特性、噪声特性、信号衰减特性及信道模型方面国内外学者的最新研究成果与相应策略。分析了当前热点研究的低压电力线通信调制解调技术，包括跳频调制／解调技术与正交频分复用技术。最后，对低压电力线通信技术未来的研究方向及发展潜力进行了展望。
关键词 低压电力线通信；信道特性；噪声特性：信道模型；正交频分复用

    许多学者为提高电力线通信的可靠性做出了富有成效的努力，目前在解决电力线通信可靠性问题方面，主要集中于两点：其一，提高点对点通信正确接收概率，包括基于物理层与链路层的研究；其二，也有学者开始关注于使用网络层组网路由的方法来提高电力线通信网络层面的可靠性。这些方法与技术虽取得了一定突破，但仍有改进的空间。

1 输入阻抗特性与信道衰减
1．1 输入阻抗特性
    如前所述，电力线网络是一个广泛存在的网络，变电站的二次变压装置与用户负载同时并联在电力网络中，低压电力线输入阻抗主要由3部分组成：(1)变电站变压器产生的阻抗，它随着频率的增加而增大；(2)导线的特征阻抗，导线可看作电阻与电感的串联，不同导线的特征阻抗一般相差70～100Ω；(3)接在电力线上的设备阻抗，一般相差10～1 000Ω。
    低压配电网电力线输入阻抗与电力线通信收发模块输出阻抗的匹配程度直接影响信号的耦合效率，因此，电网的输入阻抗是电力线传输特性的重要参数。J．A．Malack与J．R．Nicholson在1973年发表了在20 kHz～30 MHz范围内的25个离散频率下，对美国未经滤波处理的商业电源进行的阻抗测量，包括交流115 V单相、220 V单相以及208 V单相，并与一个典型5阻抗平衡网络提供的阻抗进行了对照，结果表明商业电源阻抗随频率的增加有上升趋势，平均从2～100 Ω变化，在150 kHz～25 MHz频率范围内，1个5μH阻抗平衡网络可以较好地描述电力配电网阻抗的平均值。
    1985年，R．M．Vines等人对5～20 kHz低压电力线上的阻抗进行了测量，并对决定低压配电网阻抗的配电变、线路和电气负荷分别进行了阻抗的测量，得出结论如下：配电变二次侧阻抗类似一个RL电路阻抗，阻抗值随频率升高而增加，并有较大的相角移动；在低压配电网上发生的谐振一般在40 kHz以上，这使得配电网的阻抗在高频时比在低频时更不可预测，这样的谐振常常是由容性负载引起的。

    图1为意法半导体公司(ST)在其ST7538应用文档中给出的由IBM电磁兼容实验室在欧洲6国测得关于欧洲低压商业电网阻抗值，相关参数值与J．A．Malack所得结论基本一致，该测试结果为后续的电力线载波通信模块的阻抗匹配设计奠定了基础。
1．2 信道衰减
    由于低压配电网结构的复杂性和负载的多样性与时变性，高频信号在低压电力线上的传输必然会有衰减，并且该衰减特性难以预测，这就给低压电力线通信带来了困难。低压电力线一般由铝或其他电的良导体加工而成，其本身的阻抗很小，对不同频率的信号，其阻抗略有变化且相对稳定，因此，电力线本身的阻抗并不是产生衰减的主要原因，主要原因在于电力线上并联的许多负载，尤其是那些用于调整电网功率因数的大电容，对几百kHz的载波通信信号来说，相当于短路。
    根据文献，传输信号在100 kHz以下的衰减相对稳定，在100～200 kHz之间以0．25 dB／kHz的比例线性增长，信号衰减与频率有关是由电抗性负载与传输线效应引起的，传输线效应包括反射与多峰抵消，这引起网络中某些特定点出现窄带衰减。实验结果表明，频率低于100 kHz，距离<400 m时，传输线效应的影响较小。该文在20～240 kHz频率下，测量了5种不同类型建筑物的室内信号衰减，结果表明室内电力线的信号衰减一般会超过20 dB。一般来说，发送装置与接收装置同相时的信号衰减比非同相时的低，而且信号衰减随频率的增长有增加的趋势。并且，电气负荷对室内电力线信号衰减有较大影响，在任何给定频率下负荷随时间的变化可能导致信号衰减的剧烈变化。
    测量分析说明，电力线上的信号衰减随频率增长有增加的趋势，并且频率越高传输线效应越明显，发生谐振的可能性越大，导致在某些频率下衰减会迅速增加，跨相传输时信号衰减比同相传输时大，但这可以通过在相间加电容耦合来消除。除衰减较高以外，电力线信道的另一个典型特征是多径衰落，从而产生频率选择性衰落。由于各种配电网结构以及负荷不同，很难找到简单的数学关系来进行普遍意义的描述，文献从传输线理论出发，通过分析等效负载阻抗在复平面上的变化规律，讨论了3种典型连接形式的电力线高频阻抗特性，同时，文中指出在高频载波条件下，传输线策动点阻抗与负载阻抗特性变化的关系，为进一步讨论大规模配电网阻抗特性提供了一种分析方法。另外，还总结了电网参数对阻抗特性的影响，通过改变线缆参数与调制方法来减小传输线阻抗特性变化对载波通信的影响。

2 信道噪声特性
    低压电力线的噪声强度在不同电网上有所区别，并具有时变性，文献指出即使在同一栋住宅公寓大楼，其平均噪声水平在24 h内的变化也可高达6 dB，因此，很难直接定量地表示其大小。
2．1 噪声分类
    (1)具有平滑频谱的噪声。
    该类噪声的功率谱密度相对较低，是频率的衰减函数，它主要是由线路上与电力系统频率不同步的各种负载所产生的，其功率谱密度随时间变化较慢，常常在几min或几h内保持平稳变化，在短时间内变化不大，可以看作是背景噪声。
    (2)与系统频率无关的窄带噪声。
    这类噪声大多数为带调制幅值的正弦干扰信号，它主要由引入电力线的广播频带信号引起，它在夜间有最高幅值，白天相对较低。
    (3)与系统频率同步的周期脉冲噪声。
    主要由可控硅整流(SCR)引起的噪声，它每50 Hz要切换一定次数，引起在时域上的一系列噪声脉冲，或在频域上的工频的更高次谐波噪声。文献测得白炽灯灯光调节器由于可控硅或其他整流元件的快速通断产生60 Hz谐波噪声，对于400 W的白炽灯，在10 kHz其噪声水平可以达到比正常背景噪声高40 dB，而且在更高频率上产生的噪声甚至更高。
    (4)与系统频率无关的单事件脉冲噪声。
    电网中有各种各样的开关操作，会在电网中产生突发噪声，测量结果显示，这种脉冲噪声的持续时间为几μs到几ms，脉冲噪声的出现时间具有随机性，其频度平均每秒远远少于一个，它按μs和mS级单位时变，在这样的脉冲发生时，噪声的功率谱很高，可引起数据传输中发生位或串的突发性错误。
2．2 噪声模型
    针对以上噪声基本分类，根据相关文献资料，下面对用某些特性参数描述噪声的模型做出介绍。
    (1)背景噪声。

    背景噪声可按图2用白噪声源经过滤波生成，噪声整形滤波的传递函数Hmod(z)可描述为
   
    其分子B(Z)表示的是移动平均(MA)部分，其分母A(Z)表示的是自回归(AR)部分，模型参数由噪声源的方差与滤波器系数组成。通过使用AR处理模型，即B(Z)=1，参数可以由用AR频谱分析仪测量的噪声信号确定。
    (2)窄带干扰。
    窄带噪声部分可通过如下N个独立的正弦函数叠加来描述
   
    其中，每一个分量由它的频率fi、幅值Ai(t)和相位φi来描述，幅值Ai(t)在时间上既可以是常数，也可以是对AM广播信号更好近似的调制幅值；载波相位可以在区间[0，2π]上用随机数选择，并独立于时间。噪声既可在时域中合成，也可先在频域合成，再通过快速傅里叶反变换(IFFT)得到。

3 信道模型研究
    通过对电力线信道特性的分析，可知建立一个精确数学模型来模拟低压电力线信道特征所存在的困难，但建立一个能反映信道基本特性的近似模型是可行和有必要的，这对于研究低压电力线通信的调制、编码、传输和解调具有重要意义，文献提出了一种简单的低压电力线通信信道模型，如图3所示。

    通道滤波的频率响应h(f，t)随电气负荷的改变表现为时变性，衰减A(t)常常具有120 Hz的频率，当然也包括其他周期分量，其对噪声也有衰减作用，噪声衰减与信号衰减的相对比值为B。这些参数的确定有赖于对线路和负荷有关信息的了解。文献采用自顶向的方法，把电力线信道看作一个黑匣子，并用一个传递函数来描述它的传递特性，实际上是把图3中的A(t)并入至h(f，t)中。
    考虑到低压配电网实质上是由无数个“T”形结构组合而成，文献中推导得出了低压电力线传递函数的多径信号传播模型
   
    式中，j为路径号，也可表示信号经过不同路径到达的先后顺序，1为最短路径。第1项gj为路径j的权系数；第2项为衰减部分，其中，a0、a1、k为电力线的衰减参数，dj为路径j的长度；第3项为时延部分，vp为波在电力线上的传播速度，τj=dj／vp，τj表示路径j的时延。在500 kHz～20 MHz的频率范围内，通过对一个已知结构的示例网络和未知结构的实际网络进行测试，验证该模型能够反映低压电力线对信号传播的本质特性，在对未知结构实际系统的测量中，路径的长度dj可以由测得的路径时延τj求得。

4 调制／解调技术
4．1 跳频调制／解调技术
    当前，低压电力线通信调制／解调技术一个值得注意的研究方向是把军事领域的无线跳频通信方法运用于电力线载波通信。跳频通信系统是载波受一个伪随机码控制，不断随机地跳变，可看成载波按照一定规律变化的多频频移键控系统，其核心内容为跳频序列的选择与设计、频率合成器的设计以及跳频同步的实现。在军事领域通过跳频是为达到通信保密的目的，而在电力线通信领域是通过跳频来避开受干扰严重的频段，从而提高通信可靠性。
    最早进行应用创新的是M．Klaus，他研制了一种基于跳频原理的电力线载波扩频调制／解调器，该跳频装置的传输速率达到300 bit·s-1，跳频速率达到900跳／s，该装置基本处于低速慢跳频范畴，在通信速率上还有待改进。
    国内率先研究此问题的是西安交通大学的张保会教授，其利用电力系统三相交流电压过零点和高速数字频率合成器解决了跳频系统中同步和快速频率合成这两个关键问题。实验结果表明，跳频技术应用于高速电力线通信不但可以提高传输数据的可靠性，还可以使传输速率达到Mbit·s-1量级。哈尔滨工业大学刘晓胜教授课题组也对该问题展开了研究，在文献中，将m序列应用到电力线通信中，建立了电力线跳频通信系统模型，如图4所示，并用仿真实验实现了60～270 kHz之间8频点的跳频实验。

    在该设计方案中，采用直接数字频率合成器生成载波信号，这样可以将FSK调制功能由频率合成器实现，避免了传统跳频系统中先产生FSK信号，再与频率合成器的输出频率进行混频的做法，省去FSK信号的产生与混频过程，较大程度降低了系统的软硬件复杂度。
4．2 正交频分复用调制／解调技术(OFDM)
    随着正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing-OFDM)技术的兴起及宽带电力线载波通信应用的需求，低压电力线通信OFDM相关技术成为近几年的重点研究方向之一。OFDM技术因为能够有效地对抗多径传播、频率选择性衰落与窄带噪声干扰而受到从事电力线通信研究人员的重视，而且接近于Shannon定理极限值的频谱利用率也是其显著的优势。OFDM技术相关的研究集中在信道估算及均衡算法、时域和频域同步、降低峰值平均功率比、频谱优化分配、信道编码和交织等方面，其中，调制解调算法、频谱优化及信道估计是电力线正交频分复用通信技术中的热点研究方向，也是近几年来很多专家学者关注的热点。
    在OFDM的核心技术调制／解调方向上，同步技术与频谱资源分配是两大较为核心的内容。文献在调制／解调同步技术上做了深入的研究，根据文献，正交频分复用技术用于低压电力线通信可以有效克服电力线弥散信道的多径、频率选择性衰落特性的影响，但OFDM系统对同步误差的影响相当敏感，准确的符号定时与频偏估计是实现OFDM系统的关键，文献中采用改进延迟相关符号定时同步方法实现了低压电力线OFDM载波通信系统的准确符号同步，并对比分析了采用双滑动窗功率比值法、延迟相关算法、改进延迟相关算法应用于实际低压电力线弥散通信环境中的效果，结果表明采用改进延迟相关算法更稳定可靠，精度更高。对实际低压电力线信道实验网络的测试表明，改进延迟相关算法可以更准确有效地进行OFDM系统符号定时，且符号定时同步不受频偏影响，具有较强的鲁棒性。
    由于电力线信道频谱资源是有限的，如何有效利用有限的信道资源也是一个比较热点的研究方向。郭静波教授课题组对该方面的内容展开了相关研究，取得了一定突破：(1)提出了一类解决信号功率谱限制条件下的多用户频谱优化快速算法。(2)合理优化利用配电网信道的特性使配电网通信系统的整体性能达到最优，提高了配电网多用户通信系统的性能。这方面值得相关研究人员参考与借鉴。
4．3 调制／解调芯片应用技术
    电力线通信调制／解调芯片分为窄带与宽带两大类，一般来说，低速和高速以2 Mbit·s-1为界，窄带低速芯片的指定带宽一般在3～500 kHz，多采用FSK、PSK、DSSS和线性调频Chirp等技术，一般应用于远程自动集抄、照明监控、设备管理等领域。宽带高速芯片指带宽限定在2～30 MHz，采用以OFDM为核心的通信技术，一般应用于Internet接入、工业控制网络等领域。芯片研制主要集中在英国、法国、美国、以色列、德国、奥地利、西班牙等国家和地区，比较著名的芯片产品公司有ST、Intellon、DS2、Yitran、Spidcom等。目前，电力线通信产品多使用电力线调制解调器(PLC modem)加微处理器的模式。宽带电力线通信产品比较主流的有中电飞华推出的14、45 Mbit·s-1等系列产品，主要用于Internet高速接入。在更高速领域，德国相关公司已经利用Intellon的200 Mbit·s-1芯片研制出产品，罗克韦尔、西门子等公司正在推进200 Mbit·s-1产品应用于工业控制场合，并做了可行性分析与实验验证。可以看出，高速电力线载波通信将在某些应用领域具有广阔的前景。

5 研究展望
    随着信息与通信领域新技术的不断变革，低压电力线通信正朝着高速率、高可靠性、大容量的方向迅猛发展，但是，无论是跳频技术还是OFDM技术都是基于载波的，加之电力线信道的恶劣传输特性，致使这些技术在本质上都存在一定局限性，仍需要不断地加以探索和研究，建议可从以下几方面来展开：
    (1)进一步研究增强型的模拟前端技术，包括自适应滤波与自适应均衡，以适应时变的、大范围的线路衰减与阻抗变化，这一点较为重要，也是目前技术难点所在。
    (2)低压载波通信在变压器跨相和穿越变压器方面的实用技术研究，在多路供电的现场也需解决电源切换时的通信中断问题，这关系到通信制式、耦合制式等多方面的设计考虑。
    (3)研究面向可靠性的电力线通信理论与技术，是未来最重要的发展方向之一，以系统的观点，多角度、全方位提高电力线通信的可靠性，对信道的分析、建模、估计，对信源、信道的编解码有必要继续深入研究，加强智能理论与技术的引入研究，如蚁群理论、遗传算法、模糊控制、自适应理论等，提高系统抵抗能力、识别能力、可恢复能力与速率自适应性。
    (4)路由组网问题与对策，低压电力线通信物理网络是由低压配电网与当时线路负载组成，物理网络是动态的，信道特性也是动态的，这种特性决定了组网的困难。
    (5)随着人们对EMI的认识提高，电网质量会逐步改善，同时对载波通信的相关要求也会必然提高，因此，面向服务的资源控制将是一个不可回避的课题。
    (6)低压电力线通信最终实现高性能、低价格的关键在于专用芯片的设计和制造，而这正是我国微电子行业的弱点所在，加大在此方面的研究和投资力度对于低压电力线通信的实用化至关重要。
    (7)电力线有限的频道资源必将随着电力线通信的推广而日趋匮乏，因此，对信道资源的使用及相关问题进行合理的前期规划，将是一项重要的研究内容。
    (8)低压配电网是一个共享开放式网络，非恶意或恶意干扰在所难免，因此有必要研究电力线通信在物理层、链路层、网络层乃至应用层的信息安全性保护机理与可靠性防护措施，即通信安全性也将是一项重要的研究内容。
    因此，如何保证低压电力线通信网络的适应性、强健性，以及提高通信的可靠性，是当前及今后低压电力线通信领域需要迫切研究和重点解决的问题。

6 结束语
    低压电力线是一种各项特性十分复杂的传输介质，文中具体分析和总结了低压电力线信道阻抗特性噪声特性、信号衰减特性及信道模型问题，输入阻抗随频率的增加呈上升趋势，信道噪声由各种特定性质的噪声源叠加而成，信号衰减是距离的函数并与频率有关，决定了低压电力线通信应合理选择通信频率及采用具有较强抗干扰性能的调制／解调模式；对适合低压电力线领域的跳频调制／解调技术以及正交频分复用技术(OFDM)进行了具体的分析与阐释。