丁國華 李鳴華術
摘 要 論文介紹了利用遍布城鄉的電力線作為通信介質，在其上構筑高速數據通道，為用戶提供高速互聯網訪問、視頻點播、IP電話等服務。敘述了利用電力線通信（PLC）這一技術將電腦、電話、音響、電冰箱等家用電器連成一體，實現集中控制，也可以連接多臺電腦，構造家庭局域網。還具有自動抄表、家庭遠程監控、醫療急救、防火、防盜等功能，以及應用范圍廣、速率高、安裝方便、使用靈活等優點。論文還討論了PLC的有關技術及應用前景。
關鍵詞 電力線通信 寬帶接入 電力貓
1 引言
從1999年起，電科院就開始對高速PLC進行研究，并在2001年8月，在沈陽建立了第一個實驗網絡。又從2001年12月起，國電通信中心開始組織國內外廠商在北京居民區開展PLC應用試驗，這些公司包括韓國的Xeline（14Mb/s系統）、瑞士ASCOM公司（4.5Mb/s系統）、美國Leap公司（14Mb/s）、西班牙的DS2公司.福建電力試驗研究院（10Mb/s系統），以及電科院（14Mb/s系統）等。隨著研究的深入，PLC也向更高速率發展。例如將速率提高到100Mb/s，甚至200 Mb/s。屆時，高速PLC將為寬帶接入通信作出更大貢獻.本文試圖從高速PLC的主要技術、網絡結構模式、主要優勢、存在問題等方面對這一技術的發展和未來進行闡述。
2 電力線通信的主要技術
近幾年國內外開展的利用低壓電力線傳輸，其速率在1Mb/s以上的PLC技術，稱為高速PLC。高速PLC利用1.6M~30M頻帶范圍傳輸信號。在發送時，利用GMSK（高斯濾波最小頻移鍵控）或OFDM（正交頻分多路復用）調制技術將用戶數據進行調制，把載有信息的高頻加載于電流,然后在電力線上進行傳輸；在接收端，先經過濾波器將調制信號取出，再經過解調，就可得到原通信信號, 并傳送到計算機或電話，以實現信息傳遞。目前可達到的通信速率依具體設備不同在4.5M~45M之間。PLC設備分局端和調制解調器，局端負責與內部PLC調制解調器的通信和與外部網絡的連接。在通信時，來自用戶的數據進入調制解調器調制后，通過用戶的配電線路傳輸到局端設備，局端將信號解調出來，再轉到外部的Internet。該技術在不需要重新布線的基礎上，在現有電線上實現數據、語音和視頻等多業務的承載，也就是實現四網合一。終端用戶只需要插上電源插頭，就可以實現因特網接入，電視頻道接收節目，打電話或者是可視電話。
LC傳輸技術，是為提供端到端接入而設計的。它貫穿了從家用電源插座和最終用戶終端到電信網絡的入口點。PLC技術利用室內電源線網絡將IP包從用戶PC傳送至一個家庭室內入口點的集成器，在這一入口點，另外一個傳輸段利用低壓配電網將數據傳輸至同時為多個家庭提供電源的變壓器。PLC技術主要包括以下幾個要素：
（1）電力線網絡單元（PNU）
PNU負責控制電力線網絡并從單元配電網集成話務。通過適當的電信干線接口，PNU再將話務傳至饋電網絡。根據饋電網絡中使用的不同介質，PNU也可轉換來自低壓配電網的數據話務。
（2）電源線網絡終端（PNT）
PNT為最終用戶PC或其它用戶提供適當的接口，如以太網或是USB。為了降低成本，這一獨立設備能夠和PC或其他設備相集成。
（3）耦合設備（CouplingUnit）
耦合設備是將信號傳入線路并過濾噪音的。目前它還是一個使用插銷插入電插座的相對獨立的設備，今后它可能會和PLC調制解調器集成于一體。這個集合體有一天將使 PC可能直接在網上運行。
（4）正交頻分多路復用技術（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM技術）
電力線上網采用的是這種多路復用技術，可以提高電力線網絡傳輸質量。它是一種多載波調制技術。傳輸質量的不穩定意味著電力線網絡不能保證如語音和視頻流這樣的實時應用程序的傳輸質量。然而對于傳輸突發性Internet數據流，它卻是個理想的網絡。即便是在配電網受到嚴重干擾的情況下，OFDM也可提供高帶寬并且保證帶寬傳輸效率，而且適當的糾錯技術可以確保可靠的數據傳輸。
2 電力線通信的網絡結構模式
近期，國電科技推出了200Mb/s高速PLC通信系統，這是我國電力通信工作者多年努力的結果。該系統具有結構簡單、成本低等特點，而且這種電力線通信系統的網絡結構支持兩種模式，一種是主從式網絡，即在網絡內有一主節點（access master），其他的PLC 終端（如：access slave、repeater）作為從節點，所有從節點間不能直接通信，從節點間的通信均通過主節點來完成；另一種是對等網絡，即網絡內所有設備（In-home）都是平等的，他們之間是直接通信的。這種方式多用于小范圍內組網的應用，如家庭內部組網。
200M電力線通信有以4種工作模式：
① 頭端路由器（access master）
② 用戶終端（access slave）
③ 轉發器（repeater）
④ 家用終端（In-home）
現分別介紹他們：
（1）頭端路由器
頭端路由器是PLC網絡的主控節點屬公用設備，它通常位于中壓/低壓變壓器附近，負責管理控制每個與它直接通信的PLC設備，并負責進行外部寬帶網與PLC網絡之間的信息交換。
（2）用戶終端
用戶終端是PLC網絡的從節點，它是用戶通信終端設備，通常位于用戶的電源插座附近。CPE的通信必須通過頭端路由器管理。
（3）轉發器
轉發器分為時分轉發器與頻分轉發器兩種，時分轉發器由單個PLC通信模塊構成，轉發前后的信號都工作在同一頻段，但轉發數據的接收和發送不能同時進行。而頻分轉發器由兩個PLC通信模塊，并它們工作在不同的頻段。其中一個PLC通信模塊與在轉發前的設備工作在同一頻段，并負責于其通信，另一個PLC通信模塊與轉發后的設備工作在同一頻段，并負責于其通信，轉發數據的接收和發送能夠同時進行。
（4）家用終端
家用終端只能應用對等網絡，任何一個支持用戶終端模式的200M PLC設備都可工作在家用終端模式，但當設備在家用終端模式時，它只能與其他家用終端或轉發器進行通信。而不能與頭端路由器、用戶終端通信。
3 電力線通信的主要優勢
電力線上網充分利用現有的配電網絡基礎設施，無需任何布線，是一種“No NewWires”技術。可以節省了巨大的新增投資。目前，我國擁有全世界長度排名第二的電力輸電線路，全國500kV和330kV的電力線路長達25094.16Km，220Kv線路107348.06Km，加上 110Kv線路共計310000Km，可繞地球近8圈。我國目前電話用戶不到3億，但用電用戶已超過 10億，顯然這連接10億用戶的既存電力線是提供上網服務的巨大物質基礎，直接在覆蓋全國的電力網絡上架構互聯網連接將比現在鋪設光纖的方式節省大量的人力和物力。
用PLC上網需要增加的設備有兩種：PLC的局端設備以及PLC調制解調器。其中，PLC調制解調器放置在用戶家中，局端設備一般放置在樓宇的配電室內。隨著上游芯片廠商在14M產品技術上相對成熟，目前PLC設備的整體投入在不斷下降，當前14M的PLC Modem 產品，其成本價已經降低到與ADSL貓相仿的水平，而局端設備則便宜很多。由于一般一個局端拖帶PLC調制解調器的規模為20～30臺，因此，隨著用戶的增長，局端設備可以隨時進行動態增加。這一點對于運營商來說就意味著，他可以不必在設備采購初期投入巨大的資金。因此也有寬帶網絡接入“最后一公里”最具競爭力的解決方案之稱。利用電力上網全天候在線的特點，可輕松實現數據、語音、視頻以及電力于一體的“四網合一”！更可以在智能家用電器控制、數字化社區服務、小區安防等領域大顯身手。
電力線接入不僅僅應用于室外，而且能夠對家庭聯網提供支持，提供高速的家庭網解決方案，人們可以盡享由PLC技術帶來的家庭音、視頻網絡，多人對抗游戲等娛樂。它又是家居自動化的能手，通過遍布各個房間的墻上插座將智能家電聯網，提前享用數字化家庭的舒適和便利。
4 電力線通信存在的缺點
（1）存在衰減
在家庭的不同插座接入計算機，上網速度會不同，當你的計算機所接的插座和電表之間有大功率電器（如空調）開啟會影響網速。這并不意味著PLC技術存在問題，因為已經有相應的設備去解決這一問題了，通信研究所的帶寬穩定裝置就是一種。
（2）大部分情況下，PLC數據需要通過電表傳輸，帶寬往往在這里產生非常大的衰減，這成為PLC的主要技術瓶頸之一
PLC的帶寬是否在電表處形成衰減，主要問題在于電表的設計，而不是PLC自身的技術因素，不同電表設備提供商的電表設備是不同的，主要是電容器的位置問題，特別是對于電容器置前的電表產品，由于會使高頻信號發生短路。
（3）噪聲大、安全性低
出現這種情況的主要原因在于，電力系統的基礎設施并不具備提供高質量數據傳輸服務的功能，而且，由于家庭電器產生的電磁波會對通信產生干擾，所以使用電力線進行通信時經常會發生一些不可預知的錯誤，不過這些問題已經在努力解決之中。另外，由于電力線進行上網服務是一種“共享帶寬”（shared bandwidth）技術，所以用戶上網時的速度，會取決于當時有多少用戶上網。
（4）利用電力線上網的信息安全問題
因為電力系統的基礎設施和使用特性決定了它是一個開放性結構，雖然采用了技術保護措施，但還不能保證其信息的安全。其次，還存在著帶寬的拓寬問題。雖然，利用電力線上網信息傳送速度可能達到10Mbps左右，但相對于比較成熟的以太網接入技術，電力線上網技術必須尋求寬帶拓寬的空間。因為以太網接入技術的帶寬拓展性非常好，它的帶寬可以拓寬到100M，甚至1000M。如果電力線上網不能解決帶寬的拓展問題，在與其它接入方式的市場競爭中就會有被淘汰的危險。
（5）不能解決傳輸帶寬的問題
PLC與電話線上網從本質上來講并沒有區別，都是利用銅線作為傳輸媒質。而銅線上網的最大問題就是不能解決傳輸帶寬的問題，這是電力線上網面臨的首道關卡。雖然 PLC試驗網絡接入速度較快，不但遠遠超過普通撥號和ISDN，也已超過ADSL，上網桌面速率達到2Mb/s。但這個速度只是理想情況下的最高速度，若同一地區多個用戶同時上網，則數據傳輸速度將會相應地降低。電力線上網是一種共享的帶寬，如果將這些資源分配到每一個具體的用戶桌面，就成了窄帶的概念。電力線上網就是銅線上網，在銅線上不可能無限制地提升傳輸數據通信容量的潛能。但是如何使其潛能充分發揮，則是擺在我們面前的一個重要課題。
五、總結
其一，電力線上網作為一個新生的事物，雖然面對的是激烈的市場競爭，最近國電科技推出的200Mb/sPLC接入解決方案不僅具有布線簡單、電磁輻射低、價格便宜等優點，更在接入帶寬和穩定性方面有了重大突破，具有強大的市場競爭力和廣泛的市場應用前景。200Mb/sPLC接入解決方案一旦進入商業化階段，將會促進電信市場的變革，并給互聯網普及帶來極大的發展空間。其二，針對目前高速PLC通信系統中存在的問題，加以研究和克服，這是各國同行們所努力投入和關注的。例如，利用位于中壓變電站和低壓變電器之間的中壓配電網傳輸高于10Mb/s信號，越來越被人們所重視。其三，無論速率提升受到何種程度限制，分布極廣。滲透到每個家庭、每座工廠、每幢大樓的電力線資源，充分地將通信潛力能發揚廣大，這是人類通信史上重大進步，其前景肯定是光明的。
參 考 文 獻
[1] www.forum.com.
[2] 趙丙鎮. 電力線高速通信的技術及現狀. 中國電力報. 2004-01-07.
[3] 趙丙鎮、王麗平. 高速PLC技術應用前景十分看好. 中國電力報. 2001- 10-25.
[4] 趙強. 電力線高速通信技術初探. 電力系統通信. 2003,(1)25-27.
丁國華 在讀研究生，主要研究方向為無線電通信。
李鳴華 副教授，系主任，長期從事通信工程教學和研究工作。
