張保會 劉海濤 陳長德 （西安交通大學電氣工程學院）
1．引言
人們對信息的多種需求：隨著２１世紀信息社會的到來，社會進步、經濟發展、教育普及、環境保護等都對通信提出了新的、更高的要求。日本人把信息社會對通信的要求歸結為4W1H，即：
Who——不管誰或與誰進行通信（自由性、選擇性）；
What——不管用什么手段（方式）通信（業務多樣性）；
When——不管在什么時間通信（不受時間限制）；
Where——不管在哪里通信、與哪里通信（不受通信地點環境和距離限制）；
How——不管怎樣進行通信（操作方便、簡易、實時、自然、安全、可靠）。
而且隨著社會信息化程度的提高，大家越來越認識到信息的重要性，人們對信息的需求已從單純的數據信息向交互式多媒體信息發展。因而人們迫切希望獲得大容量和高速率的數據、視頻、圖像、語音等高質量的服務,但這是傳統的接入方式所無法實現的。所以,使用新一代的接入網技術和建立新的接入網是當前通信領域面臨的新課題。
多種信息融合后的經濟與方便性：在日常生活中，人們為了方便聯系與交流，要安裝電話，攜帶手機和BP機；為了娛樂，要有一臺電視機用于接收視頻信息；還要有一臺計算機用于進入國際互連網。為此，我們需要向幾家不同的公司繳納費用。信息為社會服務的實質是流通（共享），然而，由于歷史的原因，人們將信息按它的某種表現形式的不同，分為語音，數據和圖象，并為之設計了三套不同的傳輸設施，處理設備、接收和傳送終端，甚至形成了不同的行業，這顯然對信息的流通和共享造成了阻礙。而數字技術的全面采用可以使電話、數據和圖像等業務信息都可以采用統一的數碼傳輸、交換和分配。在未來的網絡傳送平臺上，業務信息的種類將不再重要，網絡將"一視同仁"。基于柔性連結技術的寬帶IP，必然要成為通信的主流和基礎網。
利用電力網承載各種信息接入網的可能性：1997年以來，電力線通信發展迅速，速率也越來越高。這種可讓高速數據流在低壓配電網的導線和基礎設施上傳遞的技術一般被稱為數字配電線載波技術（DPL — Digital power line）。從電力線載波的發展來看，目前2-3Mb/s速率的芯片已經問世，而10Mb/s的芯片將于年內推出，已經實現了ADSL-1的1.536Mb/s的標準。但DPL這項新技術，至少在最近兩年內，將是一項相對比較昂貴的選擇方案。專家們預計，這種利用公共電網傳送數據技術的開發成功，將會大范圍的引入許多基于因特網的應用，如電子商務、遠程操作、網絡廣播、娛樂業和IP電話。而電力公司開展這方面業務所需投入的費用和其它寬帶數據接入系統相比要低的多。不愿實施該項業務的電力公司還可出租資源，向準備采用其網絡進行運營的公司收取費用。
2．電話、電腦、電視接入網及電力信息網對信道速率的要求
目前，隨著Internet帶寬的持續增加，人們越來越關注從高速網絡到遠程的辦公室和家庭用戶“最后一公里”的網絡傳輸瓶頸問題。這個問題用戶迫切希望解決，廠家也非常想通過新技術、新產品分享這個面向千千萬萬用戶的廣大市場。電話網絡、計算機局域網絡和有線電視網絡都形成了解決方案，有關廠家都試圖利用現有的基礎設施，以自己的相對優勢技術爭奪用戶。此外，電力公司也開始將其公共電力線路作為交互數據通信載體，向用戶提供數據服務，這就是所謂的接入網技術。
目前等待解決的問題是如何能夠使現有的接入網絡實現對包括語音、數據和視象在內的綜合接入。
數字電話的發展、組網方式及對信道的要求：從技術的角度講，語音使用電路交換機制（CircuitSwitching），而數據使用分組交換服務（PacketSwitching）。因為技術上的優劣對比，電話網一直堅持使用昂貴的電路交換以期獲得連續的、可保障質量的語音通信，而計算機則義無反顧地選擇了分組交換作為突發數據通信的至上法寶。然而，今天的情況稍許發生了改變。驅動因素有二：其一，全球互聯網Internet增長迅速、PC普及勢不可擋，數據信息正在成為人們的必需品；其二，數據通信技術日益成熟，以分組交換機制在公共網絡上傳輸話音已經成為現實。
傳統的模擬式電話占用64Kb/s傳輸帶寬。而理論和實驗都已證明，使用音頻壓縮技術的IP電話，16kb/s的速率已經能實現非常好的音頻質量。所謂IP就是Internet Protocol，即Internet協議，通過Internet協議進行電話語音傳輸的方式統稱為IP電話。它將普通電話的模擬信號轉為數字信號，并進行壓縮打包處理，通過Internet進行傳輸，到達對方后再進行解壓，還原成模擬信號，對方通過電腦、普通電話機等設備進行接聽。但由于運用了壓縮、打包、還原技術，所以目前所有的IP電話都有延遲現象。而對于使用者來說，國際長途本身就有延遲，所以用戶完全可以接受。
IP電話與傳統電話具有明顯區別。IP技術允許多個用戶共用同一帶寬資源，改變了傳統電話由單個用戶獨占一個信道的方式，節省了用戶使用單獨信道的費用。其次，由于技術和市場的推動，將語音轉化成IP包的技術已變得更為實用、便宜，同時，IP電話的核心元件之一數字信號處理器的價格在下降，從而使電話費用大大降低，這一點在國際電話通信費用上尤為明顯，這也是IP電話迅速發展的重要原因。
Internet網業務對速率的要求： 進入90年代中期以來，因特網業務量的增長已構成數據業務的主要增長因素，到2000年用戶數將可能達到3億～5億左右。1990年到2000年這10年間，用戶數增長了大約2個量級。除了用戶數量的指數式增長外，業務帶寬也呈現了指數式增長態勢。例如在1990年左右，主要業務是E-mail，帶寬僅1kb/s左右；到了1995年，主要業務成為Web瀏覽，所用的帶寬已增長到大約50kb/s；到2000年左右，活動圖像將成為重要業務，所占用的帶寬可達5Mb/s。10年間，業務帶寬的增長可達4個量級。兩者的結合使IP所需的網絡帶寬急劇增長，形成了新時期網絡帶寬的主要驅動力量。網絡業務主要包括：
1)大量低延時數據業務應用（如Web瀏覽、LAN）需要高帶寬。
——諸如Web瀏覽的典型帶寬可從數百kb/s到數Mb/s，而LAN的典型帶寬可從數Mb/s到上百Mb/s。
2)本身帶寬窄，但通信量極大的業務應用（如電話、Email）也需要很高的網 絡帶寬，而且除了電話業務特別是蜂窩移動電話業務在繼續增長外，目前Email的附件規模正變得越來越大。
3)固有的寬帶應用（如圖像、文件備用）更需要高帶寬。
有線電視網的技術需求：多媒體技術的出現與發展，使視頻圖象的網絡傳輸成為可能。傳統意義的視頻，是使用模擬信號進行傳輸，占用通訊線路帶寬大，而且開放性差。例如：標準 PAL制電視信號進行采樣后的 4:2:2格式總碼流率可達：165.888Mb/s。數字視頻，將模擬視頻信號轉化為數字信號。經過壓縮、打包處理后的數字信號的傳輸，是可以保證沒有差錯的，并大大降低了要求的傳輸速率。例如，傳輸MPG－1方式的普通電視信號，要求速率為120～140kb/s；傳輸相當于S－VSH的MPG－2電視信號，要求500kb/s的速率；傳輸雙工或更高質量的信號，對帶寬的要求還要高。另外，視頻傳輸對延遲及延遲抖動要求較高。所以，視頻傳輸不但要有較寬的帶寬,還要有較好的穩定性和可伸縮性。數字化后的視頻流可以被通過各種手段連接在網絡上的計算機共享。
網絡上傳輸視頻，近年來發展迅速，現有的視頻標準有MPEG1、MPEG2和MPEG4，目前正在制定MPEG7標準，預計2001年正式推出。這些國際標準為傳輸通訊、壓縮制定了標準和協議。例如：MPEG1（國際標準11172）目標是產生1.2Mb/s的視頻錄象質量輸出(NTSC352*240)。非壓縮視頻單獨就可以達到472Mb/s，而使用它后可以降到1.2Mb/s。
目前，網上已經開通了部分廣播和電視，包括點播和實時播放。比如在中國，www.99g1.com上提供了很多的音頻和視頻的點播，而已經開通的網絡實時播放的廣播電臺/電視臺有60多家。比如中央電視臺-1、湖南衛視、上海東方電臺等。據筆者收聽的結果，實時廣播使用16kb/s~20kb/s的速率，收聽的效果較好。 而電視臺由于需要的帶寬原因，效果并不理想。據筆者收視的結果，湖南衛視實時播放速率為20kb/s。中央電視臺-1收視為55kb/s。比如1999年的春節晚會可以從網上點播收看，平均速率為51kb/s，效果不理想。當然，這是RealPlayer自動根據傳輸速率進行了調整的結果，顯然，速率越高，收視的效果就越好。從教育網內視頻點播來看，如果有150kb/s~220kb/s的帶寬，就會有很好的收看效果。所以，要實現網絡上的直播，解決帶寬是個關鍵問題。
電力系統本身對信息的需求越來越多： 隨著電力市場化運營的來臨，國內外電力系統對電力信息的需求量日益增大，峰谷電價、實時電價、智能化電表的發展，都需要實時的電力信息傳遞。這里最重要的變化是電能與貨幣間的轉換不再是線性關系。如果沒有電力信息的實時交換，電力經營將難以進行。構建面向千家萬戶的電力信息系統擺在電力工程界的面前。是重鋪信道、租用電話信道，還是利用電力線路、電力網絡資源構建電力信息網絡的接入網，在技術和經濟上都是值得反復權衡的重大問題。
3．配電線電力載波的發展及寬帶通信的未來
用電力網組成“四網合一”接入網的方便、經濟性： 電力網絡是世界上已有最廣的有線網絡，電力網絡比任何其他的有線通信網絡更加穩定和現代化。而且分析各種功能的網絡，其中電力網絡對人們的生活是必不可少的，無論普及率和牢固程度都是其它電腦、電話和電視網絡所不及的，如果充分利用現成的電力網絡承載電話、電腦和電視網絡的任務，無疑是最為方便和簡潔的。不僅電力市場化運營進行電能的交易、管理需要它，人們日常生活的信息化也需要它。
配電網載波技術的最新突破: 進入20世紀90年代以后，隨著通信技術的發展，電力線載波技術已經獲得了重大突破。1997年10月，英國聯合電力公司的通信子公司Norweb公司與加拿大Nortel公司聯合宣布已經解決了電力抗干擾等問題。 1998年夏天，Norweb 公司已為英格蘭西北部的2000個居民和商業用戶提供通過電力線的因特網服務，速率達到了1Mb/s，比現行的ISDN高10倍。1999年3月11日，德國RWE能源股份有限公司和瑞士阿斯克姆（Ascom）公司在德國萊錫林根向公眾展示利用電力網線傳送電話和數據的技術，用戶通過低壓電力線以高于現在ISDN 20倍的速率在因特網上傳輸和瀏覽數據。1999年4月，一家以色列公司和一家美國公司也宣布，他們也正在聯合開發借助公共電力網傳送因特網數據的新技術，1999年內將使因特網傳輸速率由50Kb/s提高到1.5Mb/s，未來一兩年內提高到10Mb/s。
電磁場載波技術的最新報道：1997年以來，電力線通信發展迅速，速率也越來越高。而美國Media Fusion公司更于1998年提出了一個充滿激情的想象，“無限帶寬的接入就在墻上的電力插座”、“最快最廣闊的網絡早以就位”。并提出它的傳輸速率將是2.5Gb/s。
美國物理學家William Luke Stewart提出了一種新的技術，利用電力線周圍存在的磁場，以接近光速的速率傳遞聲音、視頻和互聯網數據和衛星數據。雖然自從十九世紀90年代以來，科學家就在尋找方法利用電力線傳遞信息，但不同的是，Stewart是利用電力線在傳輸電能時產生的磁場作為波導，利用微波激光激射器（maser）來接入數據。Stewart的理論聽起來象科幻小說，但他的技術一旦變為現實，這將是自Alexander Graham Bell以來在通信領域最重要的進展。
“四網合一”實現的可能性：目前，利用新的電力線通信（PowerLine Telecommunication）在國外已經成為一項熱門的技術。在互連網上有很多類似的技術論壇。比如PTF，PLCForum等等。PTF提出了三個目標：數字品質的語音電話；速率高于1Mb/s的互連網接入；家庭自動化中的智能服務。
利用公用配電網絡承載數字語音和數據交換的研究在技術上已取得突破性進展。在管理體制上，電信經營打破壟斷、鼓勵競爭，制訂互聯法規、規范市場行為已成為國際潮流。1990年法國電信政企分開，開放增值業務和用戶設備市場。1991年澳大利亞修改電信法，電信基本業務放開經營，實行競爭。1993年加拿大通過新的電信法，1996年美國新電信法通過，全部放開電信市場。1997年有67個國家和地區在WTO全球電信貿易自由化協議上簽字，統一互相開放電信市場。
在世界電信市場放開經營的新形勢下，各國電力部門利用自己擁有的通信網，以特有的資源優勢、最少的投資、最快的速度，采用最新的技術，占領市場。英國國家電網公司于1993年5月成立了ENERGIS通信網絡公司，僅用2年時間就建成了全世界第一個全部使用SDH傳輸技術、架設在400KV輸電桿塔上的骨干光纖網絡，以最新的技術和最可靠的網絡及最優惠的價格贏得了同英國BBC廣播公司為期10年的合同，為其傳送BBC1、BBC2兩套電視節目和兩套無線電臺的廣播節目，成為英國最富競爭力的三大電信公司之一。韓國電力公司于1992年成立韓國電力數據網絡公司，裝有總長度為2700公里的架空地線復合光纜（OPGW），主要面向社會經營因特網業務，有線電視傳輸業務，電力系統自動抄表業務及向有關部門出租OPGW寬帶容量業務。在芬蘭和瑞典的電力公司，也都利用電力信息資源的優勢，經營電信業務和出租電信資源。
在美國，電力系統通信已成為“信息高速公路”計劃的一個主要組成部分。全美電力部門已建成13000公里以上的光纖通信網絡，其中大部分是架空地線復合光纜（OPGW）、架空地線纏繞光纜（GWWOP）和全絕緣自承式光纜（ADDS）。其中一部分光纜芯線留給電力系統自己使用，另一部分芯線租給AT&T和MCI公司使用，取得了良好的經濟效益。
在我國，國務院于1993年12月正式批準由原電子工業部、電力工業部和鐵道部共同組建中國聯合通信有限公司，簡稱“中國聯通”，被授予電信基本業務的經營權。在國務院的批復文件中明確規定要通過對電力和鐵道兩個專用通信網挖潛、改造和擴容，在保證專網部門使用的前提下，將富裕能力向社會提供長、市話服務。電力部門在中國聯通的建設和發展中已經發揮了自身的優勢，如為北京、天津、上海、武漢、青島等地的GSM工程提供部分基站場所和桿塔、管道資源。還為中國聯通實現北京、天津、上海和廣州四個城市的GSM手機漫游提供了長途通道。
從以上的分析，我們有理由認為，如果能夠提高電力線載波的速率和帶寬，實現“四網合一”無論在技術上還是管理體制上都是有可能的。
4．“四網合一”的構成框架及關鍵技術
（1）構成框架
下圖是采用低壓配電電力線載波技術實現“四網合一”的一個框圖。在用戶端信息數據從電力線通過耦合適配器與工頻電力分離，并通過電纜進入DPLC Modem。DPCL Modem（數字電力線載波通信調制解調器）有五個接口，其余四個接口分別接電話、電視機、計算機網線、和用戶自動化信息。其中計算機通過Ethernet網卡后通過網線接到DPLC Modem。在變電站側，信息數據從電力線通過耦合適配器與工頻電力分離，并通過電纜進入DPLC Modem，然后將各種信息分離，其中用戶信息與用戶自動化管理系統相連，電話信息通過交換機接線架后進入程控交換機，互聯網信息與視頻信息進入DPLCAM。DPLCAM（數字電力線載波通信接入多路復用交換設備）收集多個DPLC Modem來的互聯網信息并與Internet相連。DPLCAM還接有服務器，進行信息管理。
“四網合一”的框架
Frame of “Four Networks One Platform”
（2）提高速率及拓展帶寬
通信的最大速率和帶寬之間有著密切的聯系。1948年香農應用信息理論推導出了噪聲信道的最大數據速率。
在通信通道中的熱噪聲一般用信噪比S/N表示。香農指出在一帶寬為B Hz的噪聲受限的通道中最大數據速率和最大信噪比的關系為：
最大數據速率=Blog2（1+S/N）b/s
要超越這個結論，會被認為是想發明永動機。
因此，要想提高數據的傳輸速率，就必須提高通信的帶寬。比如在英國Norweb與加拿大的Nortel聯合開發的DPL技術中，就利用2.2～6MHz頻段的一個封裝交換的通訊規約。而利用現有的電話線實現高速接入網的ADSL技術，也是在現有的銅質電話線路上采用較高的頻率及相應調制技術，來獲得高傳輸速率。在ADSL中，話音所占頻帶為0－4KHz；ADSL調制頻帶為4.4KHz－1MHz。因此，滿足現代高速數據傳輸的技術，必須通過使用超出CENELCE的標準之外的更高的頻帶才可能實現，利用高頻是提高傳輸速率一個關鍵。
另外低壓配電網絡并不是為電力線傳輸數據或平衡不同建筑內的負荷特地設計的。噪音和低壓配電網絡阻抗的變化將導致衰減和惡劣的信號傳輸。應用于低壓配電網絡的任何通訊方法的帶寬和數據速率，不管它用于中繼還是接收都將是非常苛刻的。利用電網實現高速數據通信的這項技術的目的是將電力用戶至向其供電的變電站的配電線路設施轉換成本地網LAN，該技術的突破點在于如何防止電力線上的噪聲干擾通信信號。
目前國際上在這些問題的處理上都應用了以VLSI（超大規模集成電路）技術為基礎的DSP技術和先進的調制解調方法，例如：OFDM（正交頻分復用）、MCM（多載波調制）等。
（3）信息的耦合與翻越
信息的耦合器件應是一個有三個出口的單元。它包括一個載波電力線入口，一個高頻通信信號的出口，和一個輸出電力出口。它里面應含有一個阻波器阻擋高頻信號進入用戶用電設備，保證只有低頻電力的輸出。它還應有一個高通濾波器，使高頻信號可以從通信出口輸出。同時耦合器件還必須含有阻抗匹配的功能，來改善網絡的頻譜特性。所以信息與電力線耦合器件所起的作用，一是實現高頻信號與配電電力線的耦合，二是使高頻信號能夠在低壓配電線上高速傳輸，三是使網絡具有優良的頻譜特性。
信息過變壓器是一個難點問題，因為高頻信息在變壓器受到阻擋。這時應有相應的手段使信息越過變壓器，比如采用旁路電容，使用額外的電纜，或是采用相應的無線裝置等，使信息能夠越過變壓器。更多的則是在變電站一般設有信息處理局部中心，處理后的信息接入不同的電話網、互聯網和電力信息網。
（4）與各主干網的接口及規約
電力載波信息網與公眾電話網、有線電視網和因特網的接口一般都在配電變電站內。變電站里載波信息網的中央交換局端模塊包括在中心位置的DPLC Modem和接入多路復合系統，DPLC Modem又被稱為DTU－C（DPLC Transmission Unit－Central）。接入多路復合系統把各個DPLC Modem組合成一個接入節點，也被稱作“DPLCAM”（DPLC Access Multiplexer）。載波信息網的調制解調器有兩個接口，其中一個把與數據信息分離的語音信息送入公共電話網，另一個則把諸如視頻數據、因特網數據的信息送入DPLCAM。然后DPLCAM把它們送入相應的因特主干網和與有線電視網相連的視頻服務器。該處的DPLCAM具有網關和路由器的作用，它通過檢測數據包的IP地址，將數據進行轉發，還可以進行網絡的管理。
隨著技術的不斷發展，IP已成為業界網絡的事實標準。它開始的設計目標就是無縫的連接多個網絡的能力。因此電話、電視、電腦和電力“四網合一”的實現毫無疑問應該使用IP規約。
（5）“四網合一“的管理與經營
“四網合一”的實現不僅僅涉及到很多技術問題，而且更包含有許多管理體制方面的問題，我們必須認真研究，慎重對待，以促進“四網合一”的健康發展。
5、結論
電話、電腦、電視和電力的“四網合一”在經濟上是需要的，有著巨大的市場潛力；
隨著低壓電力線載波技術的發展，“四網合一”在技術上是有可能實現的；
國家應大力加強這方面的投入，而各研究部門開展研究是適時的；
“四網合一”將會為電力信息行業開辟新的經濟增長點。
張保會教授(中)課題組研究的電話、電腦和電力網的“三網合一”項目正在實驗室進行上Internet實驗。左端計算機連接在校園網上，右端計算機的電源與左端機相連，右端計算機經由電源線直接上網。
作者簡介: 張保會,男,1953年生,1982、1988年分別獲得西安交通大學碩士、博士學位,現任西安交通大學電氣學院副院長，教授、博士生指導教師。教育部骨干教師，1994年起享受國務院政府特殊津貼。中國電機工程學會電力系統自動化專業委員會委員，中國電機工程學會繼電保護專業委員會委員，中國電機工程學會繼電保護專委會電力系統安全穩定控制技術分專業委員會委員，陜西省電機工程學會副秘書長，中華電力基金會許繼獎教金工作委員會副主任， IEEE高級會員，中國電機工程學會高級會員。主要研究電力系統安全穩定緊急控制，新型繼電保護，電力系統自動化和電力通信。已發表論文90余篇。
