河北省無線電管理局廊坊分局張力波
華北電力大學電氣與電子工程學院柴守亮
隨著Internet技術和市場應用的快速發(fā)展，各種寬帶接入方式相繼出現(xiàn)，利用電力線進行高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g也取得了重大進展。
更高速率的寬帶電力線設備，例如45Mbit/s、85Mbit/s、200Mbit/s等速率的產(chǎn)品相繼問世，利用寬帶電力線上網(wǎng)已經(jīng)成為獨特的接入方式，但是電力線通信系統(tǒng)（PLC系統(tǒng)）引起的電磁兼容問題成為PLC推向市場的最大障礙。
電力線高速數(shù)據(jù)通信技術是一個正在發(fā)展中的嶄新學科。電力線一般用來傳輸220V/50Hz電能,為了提供從數(shù)Mbit／s到數(shù)十Mbit／s以上的數(shù)據(jù)傳輸，就必須采用數(shù)MHz以上的頻段。但在當前的技術條件下，這會引發(fā)嚴重的EMI(電磁干擾)。例如，NOR．WEB公司的PLC系統(tǒng)運行后，發(fā)現(xiàn)路燈變成了發(fā)射天線，干擾了包括英國廣播公司4臺在內(nèi)的多家廣播電臺的無線電信號接收。本文將就PLC系統(tǒng)的電磁兼容特性進行分析,并對于其頻譜管理提出一些建議。
寬帶PLC電磁兼容問題分析
1.1電磁兼容分析模型
對于一般的電磁兼容問題分析的基本模型如圖1所示。
圖1 電磁兼容分析模型
對于寬帶PLC系統(tǒng)來說，干擾源要整體考慮，不僅包括PLC設備，而且要考慮當信號加到電力線上時，由于電力線是一種非屏蔽的線路，有可能作為發(fā)射天線對無線通信和廣播產(chǎn)生的不利影響。此外還要考慮多種PLC設備間的相互影響。PLC的耦合途徑是非常復雜的，是不同的途徑相互作用的結果，總體上分為兩種，一種是空間的輻射，對應的被干擾設備是無線通信和廣播信號;另一種是沿電力線的傳導騷擾，主要造成對電能質(zhì)量的影響。因此寬帶PLC系統(tǒng)的電磁兼容問題涉及多個PLC系統(tǒng)的共存，以及與無線網(wǎng)絡的共存。
1.2寬帶PLC系統(tǒng)電磁干擾產(chǎn)生的機理
電力線最主要是用來傳輸電能的，其特性和結構也是按照輸送電能的損失最小并保證安全可靠地傳輸?shù)皖l(50Hz)電流來設計的，不具備電信網(wǎng)的對稱性(構成回路的兩根絕緣芯線對地是對稱的)、均勻性(在線路的全部長度上傳輸導線橫截面形狀及大小、使用材料、導體間的間隔和導體周圍的介質(zhì)都保持均勻不變)，因而基本上不具備通信網(wǎng)所必須具備的通信線路電氣特性。而寬帶PLC系統(tǒng)所產(chǎn)生的電磁干擾問題正是由于電力線的這種對地不對稱性產(chǎn)生的。
寬帶PLC系統(tǒng)產(chǎn)生兩種電磁場，傳導波和輻射波。它們都是由共模電流引起的。
電磁干擾源的一般模型如圖2所示。
圖2 電磁干擾的一般模型
根據(jù)這個模型，一般認為EMI是由兩種電流注入網(wǎng)絡引起的，一種是共模電流（Ic），一種是差模電流（Id）。差模電流信號流入的上行方向（設備到網(wǎng)絡）產(chǎn)生了一個磁場，而另一個差模電流以同樣的強度和領域與第一個在相反的方向上（網(wǎng)絡到設備）上產(chǎn)生第二個電磁場。由于兩個電磁場對稱且方向相反，彼此產(chǎn)生的電磁干擾相互抵消。與差模方式相反，共模電流在同一個方向上，所以產(chǎn)生的電磁場是不對稱的，因此總的電磁輻射是兩個電磁場的疊加。所以PLC網(wǎng)絡的干擾主要是由共模電流引起的。
PLC對無線通信的影響
理論證明，在原有的幾百kHz頻帶內(nèi)是無法實現(xiàn)Mbit／s級的高數(shù)據(jù)傳輸速率的，因此高速PLC技術所采用頻帶遠遠超過了低速PLC所規(guī)定的頻帶范圍。
目前高速PLC技術所采用的頻帶也沒有統(tǒng)一標準。國際上的實際應用一般集中在1MHz～30MHz。從高速PLC技術的應用模式來看，國際上主要分為兩種不同的應用，歐洲的PLC技術主要應用于Internet接入，歐洲電信標準委員會ETSI(theEuropean Tele—communications Standards Institute)在其技術規(guī)范“TS101 867”中將1.6 MHz～9.4 MHz規(guī)定為接入應用頻帶，將11 MHz～30 MHz規(guī)定為室內(nèi)應用頻帶。另一種應用方式主要集中在北美，北美的高速PLC技術主要應用在室內(nèi)聯(lián)網(wǎng)。
與低速PLC所占的專用頻帶不同，高速PLC所采用的lMHz～30MHz頻帶已被分配給其他無線電應用了，如固定業(yè)務、移動業(yè)務(水上移動、陸地移動、航空移動)、無線電定位、無線電導航、標準頻率和時間信號、短波無線電廣播、業(yè)余無線電業(yè)務、衛(wèi)星業(yè)余業(yè)務、射電天文和氣象輔助等業(yè)務。
對PLC而言，首先要考慮是否存在尚沒有分配給其他應用的頻帶：在德國，lMHz～30MHz頻帶范圍內(nèi)沒有分配的頻帶大約有7.5MHz，但頻帶不連續(xù)，因此對信號的調(diào)制技術就會有選擇性。OFDM 采用多載波技術，因此OFDM可以適應這種頻帶不連續(xù)的情況。對于已經(jīng)分配的頻帶，如果PLC系統(tǒng)需要使用，就必須考慮在這些頻帶范圍內(nèi)的電磁輻射問題，這是因為PLC系統(tǒng)的載波信號能量可能輻射到周圍空間，對該頻帶內(nèi)的無線電業(yè)務造成影響。由于這種干擾來自PLC系統(tǒng)的有用信號，因此PLC干擾源的性質(zhì)可以定位為有意干擾源。在這種情況下，只能考慮在這個頻帶內(nèi)對PLC系統(tǒng)的電磁騷擾進行限制，以保護在這個頻帶內(nèi)的無線電業(yè)務。就電力分布線和發(fā)送線產(chǎn)生的磁場而言，會隨著時間變化而改變，與電流大小成正比。PLC在應用頻帶內(nèi)的電磁輻射對無線電業(yè)務的潛在影響也是目前對PLC應用的主要爭議。
測試結果
為了評估PLC室內(nèi)局域網(wǎng)系統(tǒng)以及PLC接入系統(tǒng)的電磁輻射水平，許多組織及研究機構對PLC的輻射場進行了大量測試[3,4,]。
ET．SIPLT工作組的研究小組進行了如下測試：在傳導干擾基本滿足CISPR22B類設備規(guī)定的最大限值的情況下，測試不同頻率、不同距離時電力線的輻射場強，研究是否存在干擾合法短波無線電用戶使用的可能性。測試結果如下:
(1)輻射場的場強隨距離的增加而快速衰減。測試結果表明，衰減的幅度為距離每增加10倍衰減為31dB～36dB。
(2)在城市內(nèi)，滿足CISPR22的PLC系統(tǒng)產(chǎn)生的輻射場強低于典型的大氣和宇宙噪聲，不會對其他無線業(yè)務產(chǎn)生干擾。但在人煙稀少的農(nóng)村，在12m～14m的范圍內(nèi)有可能對無線電接收機產(chǎn)生影響。
(3)12m～14m之外，在任何地區(qū)，滿足CISPR22的PLC系統(tǒng)產(chǎn)生的輻射電平低于典型的大氣和宇宙噪聲，不會干擾無線電接收機的工作。
也有許多專家對大量PLC系統(tǒng)同時使用時的電磁輻射累積效應進行了研究和測試，其目的在于分析大量PLC系統(tǒng)同時使用時對無線GSM網(wǎng)絡，特別是具有高接收靈敏度的GSM中心站的影響。在所測試區(qū)域，有一個GSM中心管理站，1433個基站(每個基站的容量為200個用戶)，終端用戶容量為28600個。在該網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域內(nèi)共安裝了19個PLC網(wǎng)絡。測試結果表明多用戶同時使用時，如每個PLC終端注入到低壓配電網(wǎng)的信號功率譜密度達10 mW／Hz(遠高于PLC 系統(tǒng)實際注入的功率譜密度)，在離PLC 網(wǎng)絡1500 m處，即使是在沒有建筑物阻擋的開闊地帶，多個PLC系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁輻射值也低于大氣及宇宙噪聲，對環(huán)境噪聲的增值遠小于0.1 dB。
對寬帶電力線等非無線電設備管理的一些建議
通過對寬帶電力線對無線廣播通信頻率干擾的分析，我們對寬帶電力線干擾的機理和防治方法有了較深入的了解。
如何加強對輻射無線電波的非無線電發(fā)射設備的管理，特別是像寬帶電力線通信這類輻射無線電波的非無線電發(fā)射設備的管理，是無線電管理部門需要考慮的問題。
在信息化社會里，無線電頻譜作為一種重要的資源，它的作用日益重要。無線電業(yè)務已經(jīng)普及到社會生活的方方面面，各行各業(yè)對無線頻譜的依賴性越來越強。隨著技術的不斷發(fā)展，各類電子設備等非無線電通信設備廣泛應用于社會生活當中，其產(chǎn)生的電磁輻射是無線電通信業(yè)務的潛在干擾源。由于這類干擾日益增多，對管理提出了新的挑戰(zhàn)。目前對這類干擾查處的主要依據(jù)是《中華人民共和國無線電管理條例》第六章和第八章對非無線電設備的無線電波輻射的規(guī)定，但力度不夠。
對于這些問題，建議在制度方面出臺一些具體的規(guī)章制度，以便處理問題時有章可循，有法可依。在技術方面應逐步加強對該類設備檢測監(jiān)測技術的研究，在管理方面須加強與不同部門的溝通和協(xié)調(diào)，實現(xiàn)對這類產(chǎn)品生產(chǎn)、銷售使用的有效監(jiān)管。
結束語
寬帶電力線通信的載波頻段與其他無線電通信業(yè)務共用，而且電力線是一種非屏蔽的通信線路，因此寬帶電力線通信在實際工作中不可避免地存在電磁干擾的問題。
隨著通信技術的發(fā)展、新的調(diào)制方式和組網(wǎng)技術的出現(xiàn)，電磁干擾問題將會不斷得到改善。基于這種情況，無線電管理者應該堅持科學的態(tài)度，既要保證現(xiàn)有的重要無線電業(yè)務不要受到干擾，同時要為新技術的發(fā)展留出空間，使新舊技術在同一片天空下和諧發(fā)展。
參考文獻
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