趙磊1 單淵達(dá)1 張根度2
（1.東南大學(xué)電氣工程系，江蘇省南京市210096；
2．上海復(fù)旦網(wǎng)絡(luò)股份有限公司，上海200433）
摘要：結(jié)合電力線通信技術(shù)的兩個主要應(yīng)用領(lǐng)域，家庭組網(wǎng)和廣域網(wǎng)接入，介紹了該技術(shù)的發(fā)展，剖析了它的優(yōu)缺點。該技術(shù)現(xiàn)已具備了足夠的競爭力，使得廣大家庭用戶將能夠利用現(xiàn)成的電力線路得到高速、可靠而便捷的通信服務(wù)。
關(guān)鍵詞：電力線通信 家庭組網(wǎng) 寬帶接入
1 引言
電力線載波并不是一項新技術(shù)，多年以來一直被電力公司用作電網(wǎng)控制管理的工具，而如何進(jìn)一步將其用于家庭，為更多的人提供便利的通信手段，一直是人們努力的目標(biāo)。
據(jù)美國EPRI［1］和Enikia公司［2］的調(diào)查分析，今后家庭對信息的功能需求主要有如下幾個方面：
(1)信息交流
互聯(lián)網(wǎng)（Internet）帶來了多媒體的通信時代。廣大的家庭用戶將會越來越喜愛和依賴各種先進(jìn)的信息交流方式，包括通信方面的電話、電視會議、聊天室、多人游戲以及實時交互式服務(wù)等；信息獲取方面的電子郵件、文件共享、瀏覽、定制新聞服務(wù)、時間表以及個人信息管理等；娛樂方面的音樂、電視、電影、視頻點播以及其它多媒體服務(wù)等。
(2)金融消費
隨著電話銀行、電子付費和網(wǎng)上購物、家庭股票交易終端的普及，足不出戶的財務(wù)管理和消費方式已經(jīng)被越來越多的人所接受。其中通信所要完成的任務(wù)包括經(jīng)濟(jì)交流，即付費、轉(zhuǎn)賬等遠(yuǎn)程操作手段；信息交流，即商品的展示和廣告、指導(dǎo)用戶使用以及信息反饋等；感情交流，主要指各種售后服務(wù)和客戶服務(wù)。
(3)居室管理
現(xiàn)代家用電器都已實現(xiàn)了自動化、智能化，下一步是向系統(tǒng)化、信息化發(fā)展。可以從互聯(lián)網(wǎng)下載食譜的微波爐已經(jīng)擺上了貨架，而通過網(wǎng)絡(luò)管理信息家電也已成為家用電器設(shè)備的發(fā)展方向。另外保安、報警等電子安全防范裝置、遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)都有組網(wǎng)及通信的要求。
可見相應(yīng)的通信技術(shù)應(yīng)集中解決兩個方面的問題：一個是家庭組網(wǎng)(home networking)；一個是廣域網(wǎng)接入(Internet access)。在目前的各種解決方案中，利用電力線載波技術(shù)成為熱點之一，并發(fā)展為電力線通信(Power Line Communication，PLC)技術(shù)。以下本文將分別介紹電力線通信技術(shù)在這兩個方面的發(fā)展和現(xiàn)狀。
2 家庭組網(wǎng)
電力線通信在家庭中應(yīng)用最早的是家庭組網(wǎng)［3］。在家庭中，各種信息家電例如空調(diào)、照明系統(tǒng)、視頻及音響系統(tǒng)等，通過電力線路連接在一起，就組成了家庭自動化網(wǎng)絡(luò)。這些電子電器設(shè)備可以概括地分為兩方：控制方和受控方；或三方：服務(wù)提供方、服務(wù)利用方和服務(wù)管理方。各方通過電力線路通信，以實現(xiàn)控制、服務(wù)和信息傳遞的功能。
在家庭組網(wǎng)數(shù)十年的發(fā)展過程中，各種相關(guān)的通信標(biāo)準(zhǔn)不斷地形成和完善，其中與電力線通信技術(shù)相關(guān)的、較具規(guī)模及知名度的有X－10、CEBus、Lonworks、Echonet、CEA－R7.3等。
2.1 X-10 標(biāo)準(zhǔn)
X－10是全球第一個利用電力線來控制照明及電子電器產(chǎn)品，并被成功地商業(yè)化了的標(biāo)準(zhǔn)。PicoElectronics有限公司最早開發(fā)出了該項技術(shù)，并將該技術(shù)售予當(dāng)時著名的BSR音響公司。
X－10于1978年由Sears引進(jìn)美國，Radio Shack則于1979年開始出售該系統(tǒng)系列產(chǎn)品；BSR音響公司在1990年結(jié)束營業(yè)，X－10模組的先前研發(fā)人員將該項技術(shù)買下來，并在美國成立新公司，公司名稱及其產(chǎn)品系列均以X－10命名。現(xiàn)在，X－10在美國不僅是一家公司，同時也是家庭自動化控制協(xié)議的一種名稱。美國許多大公司如Radio Shack、Stanley、Leviton、Honeywell均銷售X－10公司的產(chǎn)品，全美國約有400萬戶家庭使用X－10產(chǎn)品。
X－10公司制造了一系列的家庭自動化產(chǎn)品，如照明開關(guān)、遙控器、保安系統(tǒng)、電視機(jī)控制器、電腦控制器等。許多美國的家庭自動化產(chǎn)品制造商也采用了X－10協(xié)議，現(xiàn)在X－10已成為當(dāng)今美國家庭自動化控制協(xié)議的主要領(lǐng)導(dǎo)者。
2.2 CEBus標(biāo)準(zhǔn)［4］
1984年，美國電子工業(yè)協(xié)會（Electronics Indus－try Association，EIA）認(rèn)為X－10協(xié)議已不能滿足現(xiàn)代生活的需要，因而召集了它的會員，其中許多是大廠商，在1990年制定出另外一套家庭自動化控制協(xié)議的初步草案，并命名為CEBus(Consumer Elec－tronic Bus)，CEBus于1992年正式問世。
由于美國電子工業(yè)協(xié)會的會員遍布全美國，因此CEBus已成為X－10的最大挑戰(zhàn)者，至于鹿死誰手，則需數(shù)年之后方可揭曉。美國電子工業(yè)協(xié)會擁有CEBus的商標(biāo)，但在CEBus步出實驗室走向市場時，改由一個名為CIC（CEBus Industry Council）的非營利機(jī)構(gòu)來主持，目前CIC對于廠商使用CEBus商標(biāo)并無任何限制，但成立了一非營利實驗室，對于將使用CEBus商標(biāo)的電子電器產(chǎn)品予以測試，并收取測試費用及CEBus商標(biāo)使用年費。
CIC有許多成員是具有高知名度的廠商，如Microsoft、IBM、Compaq、Computer Corp、AT＆TBell Labs、Honeywell、Panasonic、Sony、Thomson、Leviton、Pacific Gas＆ Electric等公司。
CEBus標(biāo)準(zhǔn)是消費類電子產(chǎn)品總線（Consumer Electronics Bus）的縮寫。它是一個針對不同媒體上的控制設(shè)備的開放性國際標(biāo)準(zhǔn)（EIA－600）。CEBus協(xié)議允許開發(fā)人員通過創(chuàng)建設(shè)備的軟件模型控制設(shè)備的任何地方，使用的是通用應(yīng)用語言（CommonApplication Language，CAL）。CEBus一共涵蓋7種通信介質(zhì)：電力線、射頻線（RF）、紅外線(IR)、同軸電纜、雙絞線、光纖以及音頻／視頻線，其中首選是電力線。CEBus協(xié)議涵蓋了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的所有層次，例如點對點應(yīng)答和包交換。
2.3 LonWorks標(biāo)準(zhǔn)［5］
LonWorks是由一家名為Echelon Corp．的公司所制定的家庭自動化網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議。該公司成立于1990年，主要的股東為Motorola與Detroit Edison公司。1999年，LonWorks成為開放標(biāo)準(zhǔn)（EIA－709）。
LonWorks主要是由一片名為Neuron的集成電路來完成其功能。該集成電路目前授權(quán)Motorola與Toshiba兩家公司生產(chǎn)。Neuron可以安裝在任何消費類電子產(chǎn)品上，以達(dá)到家庭自動化控制的目的。1994年，Echelon公司特別成立一個名為“消費者部”(Consumer Group)的部門，來推動Neuron在消費類電子產(chǎn)品方面的發(fā)展。
當(dāng)初參與研發(fā)Neuron的公司（如Honeywell、Detroit Edison、IBM、Microsoft、Leviton等），成立了一個名為Lonmark Interoperability Association的組織，以Lonmark為LonWorks控制協(xié)議的標(biāo)志。該組織主要是負(fù)責(zé)推動生產(chǎn)家庭自動化產(chǎn)品的廠商來申請使用Lonmark的標(biāo)志，并進(jìn)行測試和認(rèn)證工作。
2.4 Echonet標(biāo)準(zhǔn)
日本的日立制作所、松下電器產(chǎn)業(yè)、三菱電機(jī)和東芝等公司也成立了使用電力線控制家電設(shè)備的業(yè)界團(tuán)體Echonet（Echo Network Consortium），并于2000年7月發(fā)表了其標(biāo)準(zhǔn) 。Echonet與美國的方案不同，設(shè)計用途中未包含音頻、視頻和數(shù)據(jù)傳輸。
Echonet1．0版本支持電力線、2種400 MHz的低功率（10mW輸出）無線設(shè)備、紅外設(shè)備以及用于擴(kuò)展HBS的雙絞線。該標(biāo)準(zhǔn)的物理介質(zhì)可以方便地擴(kuò)展到其它任意通信介質(zhì)。
Echonet標(biāo)準(zhǔn)中在電力線和無線設(shè)備上可提供9．6 kB/s的速率，在紅外口上提供75 kB/s的速率。
另外，日本的家庭總線系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)于1988年由日本電子工業(yè)協(xié)會（ElectronicIndustries Association ofJapan）制定。
2.5 CEA R7.3 標(biāo)準(zhǔn)
美國消費類電子協(xié)會（Consumer ElectronicsAssociation，CEA）的R7．3小組宣布將于2001年1月之前發(fā)布其獨立的家庭組網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)是一個高速的、基于電力線通信的方案。適用于各種設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)，包括消費類電子設(shè)備。它將同時支持同步數(shù)據(jù)傳輸（如電視、電話、音響）和異步數(shù)據(jù)傳輸（如In－ternet接入和文件傳輸），并能夠與現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)兼容。
3 寬帶接入
另一方面，隨著近年來Internet的飛速發(fā)展，交換網(wǎng)、傳輸網(wǎng)已實現(xiàn)了數(shù)字化、寬帶化 ，但是接入網(wǎng)仍然是信息高速公路的“瓶頸”。特別是家庭用戶接入網(wǎng)，其傳輸媒體仍然采用的是普通電話線，無法滿足寬帶電信業(yè)務(wù)和高速數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)的需求。
為實現(xiàn)用戶接入網(wǎng)的數(shù)字化、寬帶化，用光纖作為通信介質(zhì)是用戶網(wǎng)今后發(fā)展的必然方向。隨著城市信息化建設(shè)的開展，光纖到小區(qū)已經(jīng)逐步實現(xiàn)，但由于成本過高，所以光纖到戶在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)還不可能做到。“最后一公里”的問題變成了“最后一米”的問題。所以近年來人們提出了多項基于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的寬帶接入網(wǎng)技術(shù)，其中利用電話線的不對稱數(shù)字用戶線路（Asymmetric DigitalSubscriber Line，ADSL）和利用有線電視電纜的光纖同軸電纜混合網(wǎng)（Hybrid Fiber－Coaxial，HFC）是比較有競爭力的兩種。
緊隨其后，出現(xiàn)了利用電力線的解決方案。早在1997年，英國的Norweb公司就與加拿大的Nortel公司聯(lián)合開發(fā)出了1 MB／s的電力線載波通信芯片。隨后韓國的Keyin Telecom、加拿大Domosys、美國Inari公司都發(fā)布了各自的2 MB／s產(chǎn)品。而美國的Intellon和Enikia公司更是進(jìn)一步提出了自己的10MB／s技術(shù)。這使得PLC達(dá)到甚至超過了ADSL、HFC的技術(shù)水平。
2000年4月，包括美國Intel、AMD、Motorola、3Com、Cisco以及德州儀器在內(nèi)的13家公司聯(lián)合組建了一個非營利性的團(tuán)體“HomePlug PowerlineAlliance”。其目的是推進(jìn)使用電力線作為傳送媒體的家庭網(wǎng)絡(luò)，并致力于實現(xiàn)家庭中基于電力線的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)化。
2000年8月，HomePlug聯(lián)盟選擇了Intellon公司的PowerPacket技術(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)。其方案工作于4～20 MHz頻段，達(dá)到了14 MB／s的傳輸速度。Home－Plug聯(lián)盟的36名成員將于2000年底發(fā)表完整的技術(shù)規(guī)范。
4 PLC的優(yōu)勢
我們所工作、居住的每一個房間都有電線插座，在偏僻、邊遠(yuǎn)的地方，首先有的也是電力線，這一切使得民用電力線路成為世界上最為普及的網(wǎng)絡(luò)。這是電話和有線電視都不能比擬的優(yōu)勢。
對每一個家庭來說，電力網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)成的，不需要重新建設(shè)，所以應(yīng)用PLC技術(shù)的投資比較小，也很方便。而家庭組網(wǎng)的目的是控制信息家電，在每個電子電器設(shè)備上除了電源線以外還要加裝一根網(wǎng)絡(luò)線將是非常繁瑣和復(fù)雜的。目前的解決方法是把這兩根線合二為一，廢棄原有的電源線，但這樣又導(dǎo)致了居室重新布線的問題。所以對家庭組網(wǎng)來說，PLC幾乎是唯一的選擇。
從技術(shù)性能的角度來看，ADSL的下行速度為8MB／s，HFC為10 MB／s，PLC完全可與之媲美。與電話撥號及集成服務(wù)數(shù)字網(wǎng)（Integrated Services Digi－talNetwork，ISDN）相比 ，更是具有極高的速度。
原有的電力線路只傳輸電力，不傳播信息，所以PLC可以享有整個信號帶寬。而ADSL、HFC都需要兼顧電話、電視信號的傳播，在網(wǎng)絡(luò)擁擠的情況下會有一定的影響。
對于電力公司來說，在用戶服務(wù)方面具有已經(jīng)經(jīng)過驗證的競爭力，因而很容易開拓新市場。隨著電力市場自由競爭的日益激烈，信息服務(wù)的提供還可為電力公司在提高效率、競爭力以及加深與用戶的關(guān)系等方面起到相當(dāng)顯著的作用。
由以上各點可以看出，該技術(shù)不僅能夠為互聯(lián)網(wǎng)用戶提供方便廉價的服務(wù)，而且使得電力公司能夠一次解決互聯(lián)網(wǎng)用戶所面臨的三大難題：直接在家庭中進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問，數(shù)據(jù)傳輸速率及投資費用。此外，也為電力公司提供了一個拓展業(yè)務(wù)范圍的機(jī)會，從而在自由競爭的市場中獲得更強(qiáng)的競爭力和更可觀的利潤。
5 PLC的缺點
在電力線上進(jìn)行超高速可靠的通信目前還存在很多嚴(yán)重的障礙，多路延時散射是高速率面臨的一個難題。在實用中的交流電力線路上還存在不可預(yù)測的噪聲、無數(shù)的干擾源、高度的信號衰減、大范圍變化的阻抗，以及剛才提到的多路延時散射。另外，F(xiàn)CC輻射標(biāo)準(zhǔn)也是一個障礙。
從技術(shù)角度而言，在利用電力線作為傳輸媒介的通信過程中，主要存在著以下幾個不利因素［6］，它們對于電力線上信號的傳輸都有著較大的影響。
5.1 可變的信號衰減和電力線阻抗
信號衰減和電力線阻抗的變化是與所傳輸信號的頻率及其物理位置相關(guān)聯(lián)的。在某些情況下，電力線阻抗可小于0．1Ω，但在另外的條件下，它又會增大到100Ω左右；同樣，信號衰減在多數(shù)情況下都小于55 dB，但有時又可高達(dá)100 dB。這些情況對于載波信號的穩(wěn)定傳輸都有著較大的影響。
5.2 阻抗調(diào)制
阻抗與時間也有一定關(guān)系。一般而言，在交流波形中，信號接近零點的部分比其波峰部分具有更高的阻抗，這個現(xiàn)象可以通過電源的操作來作一些解釋：如果線性電源的整流器在波形的波峰處開始工作的話，則通過變壓器，整流器就會與電源的低阻抗電容相連，從而導(dǎo)致了此時具有較低阻抗的狀態(tài)。
5.3 脈沖噪聲（Impulse-Noise）
脈沖噪聲應(yīng)該說是電力線通信中存在的最大障礙。由于脈沖噪聲具有瞬間、高能和覆蓋頻率范圍廣的特點，因而對于載波信號傳輸?shù)挠绊懴喈?dāng)大，不僅會造成信號的誤碼率(PER)高，使得接收裝置無法對信號進(jìn)行正確的糾錯；另外，它還有可能使接收設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生自干擾，嚴(yán)重影響整個系統(tǒng)的工作。所以，對這種干擾的抵御就顯得尤為重要了。
5.4 等幅振蕩波干擾（Continuous-Wave jamming）
等幅振蕩波干擾源包括有意干擾源和無意干擾源2種。前者如嬰兒監(jiān)控器和對講機(jī)等家庭用產(chǎn)品，其工作頻率都在100～300 kHz之間；而后者（如電源開關(guān)等）產(chǎn)生的主諧波頻率也都在50 kHz以上。這些頻率范圍恰恰是大多數(shù)載波信號的頻率范圍，因而，這種干擾所占的比重也是較高的。
6 PowerPacket技術(shù)
PowerPacket是Intellon公司高速電力線載波通信技術(shù)［6］的商標(biāo)。它是包括物理層(PHY)和媒介層(MAC)的一個完整方案。它支持IP通話(VoIP)、服務(wù)品質(zhì)(QoS)和多媒體流。
PowerPacket使用了一種稱為OFDM（orthogo－nalfrequency－divisionmultiplexing）的頻譜調(diào)制技術(shù)在電力線上高速傳遞數(shù)據(jù)。可能的技術(shù)上限可達(dá)100Mbps。這是一種多調(diào)系統(tǒng)，這樣即使存在雜亂的多路反射、大量的窄帶干擾和不等量的脈沖噪音，系統(tǒng)也能正常工作。如果使用單調(diào)技術(shù)實現(xiàn)10 Mb／s以上的傳輸速率，將是非常復(fù)雜和昂貴的。
Intellon已經(jīng)發(fā)布了基于PowerPacket技術(shù)的芯片，并已經(jīng)在北美和歐洲上千個家庭進(jìn)行了實地測試，取得了100%的連接成功率。最大的覆蓋范圍為650 m2。
PowerPacket技術(shù)可以很好地與現(xiàn)有的技術(shù)共存。其它任何使用FSK調(diào)制的信號都將被當(dāng)作噪聲，從而不會造成任何問題。PowerPacket技術(shù)工作在一個單獨的頻段，與現(xiàn)有的X－10 、CEBus和Lon－works協(xié)議不相覆蓋，所以它們可以很好地并存于同一個網(wǎng)絡(luò)中。
在點對點的通信中，Intellon采用56位DES加密技術(shù)以保證信息的安全。
Intellon經(jīng)過廣泛的試驗，發(fā)現(xiàn)相間的干擾是很小的，在同一房間中布置兩相引起的速率衰減大約只有4%。在試驗中沒有發(fā)現(xiàn)電涌和UPS（不間斷電源）對通信造成影響。
Intellon采用多種新方法和新技術(shù)，包括前向糾錯、異步、調(diào)制和協(xié)議。假如在通信中電力線路的特性（如阻抗）發(fā)生變化，PowerPacket將自動調(diào)整工作狀態(tài)，以提供最大的可靠性。
Intellon的協(xié)議提供多級優(yōu)先級，允許各應(yīng)用定義信道的優(yōu)先權(quán)。對延遲敏感的應(yīng)用（如語音）可以得到最高的優(yōu)先權(quán)，從而保證服務(wù)品質(zhì)（QoS）。
PowerPacket的具體技術(shù)參數(shù)如下：
速率14 MB／s；頻帶4．3～20．9 MHz；OFDM信號調(diào)制，84個載波信道，自動信道適應(yīng) ，前向糾錯；載波調(diào)制方式支持DQPSK、DBPSK、ROBO；讀寫方式支持CSMA／CA；符合FCC－15輻射標(biāo)準(zhǔn)；通信加密；0．25μm技術(shù)加工；工作頻率100 MHz；工作電壓核心電壓2．5V ,3.3V／5V輸入輸出電壓；工作環(huán)境0～70℃。
7 結(jié)論
隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展、寬帶接入的膨脹，以及各種新一代電子設(shè)備接入Internet的需求，電力線通信正在成為一種便捷的選擇，必將在全球范圍內(nèi)得到推廣。利用改進(jìn)的電力線載波技術(shù)，在電力線路上實現(xiàn)寬帶通信將很快完善和成熟，并迅速登上通信市場的舞臺。
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