雨 田
摘要：分別從網絡體系結構與系統組成、安全性與私密性、傳輸距離與覆蓋范圍、小區間干擾、信號耦合方式與安裝幾方面介紹了歐洲寬帶電力線通信(PLC)接入系統的一個實例。現場試驗表明，PLC系統室外部分使用低頻段，室內部分使用高頻段可解決通路損耗與電磁兼容性問題；時分多址和時分雙工將成為比較好的候選技術；在無中繼器情況下，最大室外傳輸距離可達250-300m；保證相鄰PLC系統之間上行時隙和下行時隙的同步能解決鄰室PLC系統間的干擾問題；選擇適當的信號耦合方式對獲得良好覆蓋十分重要。
作為有一種成本有效的最后1英里接入技術，帶寬電力線通信(PLC)近幾年引起了業界極大的關注。它通過低壓電力線向住宅用戶和企業用戶提供數據和話音業務。目前全世界已經有若干種PLC系統在進行現場試驗。在歐洲、德國、西班牙、法國、奧地利和瑞士都開始大規模現場試驗。PLC接入網一般都覆蓋從變電站到用戶住宅的公共區域(室外)和用戶家庭的私人區域(室內)兩部分。可用于通信的頻譜在1-30MHz之間。在此頻譜范圍內，室外部分通信通常使用較低頻率，室內部分通信使用較高頻率。大多數系統能提供的最高純數據速率為幾兆比特每秒以上世界各國都在準備迎接這一挑戰。本文主要介紹歐洲的一種電力線接入系統，以饗讀者。
網絡體系結構和系統組成
為了橋接變電站至用戶住宅電氣插座的最后1英里，必須把低壓配電網分成室外PLC和室內PLC 兩部分。這是因為整條通路的損耗通常非常高，在滿足電磁兼容(EMC)要求給出的電力限制情況下，只有大約10%的用戶才能享有直接由單跳鏈路提供的服務。
室外部分包括從變電站到住宅接入點(HAP)的公共區域，室內部分系指從HAP到家里電氣插座的私人區域。這里介紹的PLC系統是一個集中式的主/從體系結構。這種結構反映了電力線網絡拓撲和點到多點網絡流向的特性。室外主控器(OM)通常安裝在變電站，它控制用戶住宅的室外接入點(OPA)。為了覆蓋遠處的建筑物，還要有一個室外中繼器(OR)。
在每一住宅內，都有一個獨立的室內PLC部分，它由室內控制器(IC)進行控制。IC的控制對象是室內適配器(IA)，IA給最終用戶提供標準網絡接口(如以太網、UBS和模擬電話線等接口)。室內外的PLC通過OAP與IC之間的以太網鏈路進行連接。OM為主干連接提供以太網接口。主干連接普遍使用光纖和數字用戶線(DSL)。對于無線有電信基礎設施的變電站，可以使用中等電壓PLC作為代替方案。
室外PLC使用1-10MHz的低頻段，室內PLC使用15-30MHz的高頻段。每一頻段能容納3個載波，每載波帶寬約為2MHz。載波頻率的分配基于一下考慮：
*與原有重要的廣播與業余無線電業務的頻率共存；
*頻率低意味線路損耗小，適宜于室外使用，以便覆蓋最大范圍；
*室外與室內頻率要有足夠隔離度，使室外系統在非常靠近時(例如OAP與IC)不用協調即能同時工作；
*室內距離一般短于室外距離，故室內可以使用較高的頻率，而且電氣設備在較高頻率時產生的信道噪聲比低頻時小得多；
*由于在高頻時不同相之間得串話特性較好，每一相得信號和質量幾乎相同，故室內系統的性能較少受服務于IA的不同相或網絡分支的影響。
PLC協議包括物理層(PHY)、媒體接入控制層(MAC)、邏輯鏈路控制層(LLC)、以及與標準以太網數據鏈路控制的橋接功能。
PLC-PHY基于GMSK調制，并采用判決反饋均衡(DFE),以處理多徑擴散。為了掩蓋脈沖噪聲，DFE與軟判決算法配合使用，通過調整卷積碼的碼率每載波可以提供3種不同的用戶數據數率。碼率與載波的選擇將適應于下行鏈路(主到從)和上行鏈路(從到主)兩個方向上的信道情況以及每個主/從鏈路的信道情況。
PLC-MAC的設計基于需求驅動的動態頻率與時間分割。在每一載波上，時間被分成幀與時隙。主控器每幀向被控部分指配一次發送載波和接受載波以及時隙。因此，在每幀的基礎上，在PLC工作用戶之間可以動態共享的最大累計吞吐量為4.5Mbit/s。由于鏈路按時分雙工方式工作，故每一頻率都將在兩個方向上使用。這保證了具有頻率高度相關通路損耗之傳輸媒體內的鏈路對稱性。
PLC-LLC為以太網橋提供可靠穩固的分組傳輸。為了恢復PLC鏈路級上被污染的LLC數據塊，采用了選擇性自動重復請求(ARQ)方案。此專門的糾錯方案明顯降低了TCP/IP的分組丟失率。
在試驗中，支持4種業務優先等級：話音、金、銀、盡力而為。在重載系統中，載吞吐量和時延方面，高優先級業務的性能將優于低優先級業務。
安全性和私密性
因為電力線是一種共享媒體，獲取數據和監視數據是非常容易的，因此要求加密。在本系統現場試驗中，是用Rivest,s Cipher 4(RC4)來完成加密的，最大可能密匙長度為128為。它在加密力度與數據處理要求之間提供了很好的折中。密匙的交換服從Diffie-Hellman算法。
當每一PLC節點完成以太網橋接功能后，PLC系統就相當于一個具有以太網透明接口的局域網。為了保護在同一PLC網中的兩臺計算機之間不發生非法接入，系統支持符合IEEE802.1Q標準的虛擬局域網(VLAN)。為了讓終端能夠使用共享的電力線，把PLC節點分配到不同的VLAN組，就要為對屬于同一用戶的PLC節點分配相同的VLAN身份號(VLAN ID)。因此，進入電力線網的每一以太網幀將標有VLAN ID。PLC只橋接具有相同VLAN ID的以太網幀，而其它幀將被丟棄。
傳輸距離與覆蓋
通路損耗和本地噪聲是限制室外傳輸距離的主要因素。通路損耗取決于電纜類型、電纜長度、耦合適配、分支數量和路邊配電盒數量等。一般，通路損耗隨著頻率和距離的增加而增加。但另一方面，電力線噪聲卻隨著頻率在-80--65dBm/MHz之間變動。
對覆蓋范圍只能按概率方法進行估測。對3個獨立室外載波(2.4、4.8、8.4、MHz)的覆蓋范圍估測。它基于通路損耗模型，此模型是根據從歐洲不同室外網收集的統計數據推導、并假設按對數線性距離定律和對數正態分布(標準偏差為12dB)得到的。按此估測，當使用2.4MHz載波時，成功連接距主控站200m的用戶的概率大于90%，考慮到這3個載波的通路損耗是部分相關的，故在250m時，至少有一個載波的覆蓋概率可以達到90%。為了延長傳輸距離，可以使用OR。OR與OM分享頻率資源，可以安裝在路邊配電盒內。用戶住地的OAP除了具有網關功能外，也可承擔中繼功能。
室內的覆蓋統計數據標明通路損耗與距離之間只有適度的相關性。通路損耗主要取決于沿信號通路的配電分支數量，數量可以根據采用簡單對數正態分布的隨機模型、標準和平均偏差，視建筑物而定。現場試驗結果表明，只要安裝適當，在室內90%以上的電氣插座都可以被覆蓋。
小區間干擾
理論上，重復使用頻率的相鄰PLC系統相互之間是會產生干擾的(即小區間干擾)。在室外網絡中，估計在小區的邊緣會發生這種干擾，這主要是由電纜末端(位于路邊配電盒或鏈路盒)的殘余串話造成的。但實際在室外很少發生小區間干擾。
室內相鄰PLC系統之間的干擾是主要問題。在許多情況下，在相鄰IC之間室外通路的損耗是接近或者小于室內鏈路損耗的，所以在小區之間對上行時隙盒下行時隙的使用進行協調，就可把IC之間的干擾減至最小。按此概念，可以把一個IC定義為一組潛在干擾IC的同步主控器。降低小區間干擾的另一方法是把IC耦接在配電表盤之后。
耦合與安裝
在三相電力線網中，可以利用相到中性線的耦合方式。一般講，相到相耦合方式較好，產生的輻射較小。
電感耦合盒電容耦合方式都可以使用。電感耦合可以利用鐵氧體等高飽盒環形磁心來完成。咬接在電力線一金屬線上的鐵氧體磁心相當于一個單匝高頻變壓器。在低阻抗(電流最大)的地方應該使用電感耦合，而在高阻抗(電壓最大)的地方則應使用電容耦合。電容耦合是比較適用于變電站的技術，尤其是當電流額定值高于200A、空間受限制、幾條饋電線必須得到同樣好的服務的時候。
對配電盤小巧的變電站來說，單點耦合到匯流條是比較適當的解決辦法。對配電盤笨、大并有多條(6-10條)饋電線的老式變電站而言，采用多饋電線耦合技術(使用電力分合器S/C)比較有利。
如果只為一個家庭服務，OAP和IC聯合電容耦合就是優選的辦法，因為這樣做比較簡單。在有多個住戶的住宅里，則在配電表之后采用多點電感耦合可以旁路樓里的配電系統。在較大的多層建筑里，通常的做法是在中間樓層的立管處連接OAP和IC。這在室外通路損耗與室內通路損耗之間能夠取得較好的平衡，因為在人口較密的住宅區，室外電力線部分一般是較短的。
總之，選擇合適的耦合方式對覆蓋范圍是十分重要的。正確的耦合方式可以減少10-30dB的通路損耗。在安裝方面多下功夫一定會獲益。
從歐洲電力線網絡的一個現場試驗系統獲得的統計數字。改系統包括153個室外網絡和342個室內網絡就需要一個中繼器，對于OM信號的連接，通常采用多饋電線電容耦合。OAP和IC則分別連接至電力線。有10%的情況需要在相鄰室內PLC系統之間進行協調，以避免干擾。
結語
以上分別從網絡體系結構與系統組成、安全性與私密性、傳輸距離與覆蓋范圍、小區間干擾、信號耦合方式與安裝幾方面介紹了歐洲寬帶PLC接入系統的一個實際例子。
