全弘林
摘要：本文著重介紹了PLC國際聯盟HomePlug的一套寬帶電力線通信系列標準，介紹了相關技術規范的制訂情況與PLC技術最新進展。本文表明，2006年新興的電力線通信技術已經取得核心技術、成套標準、專用芯片的綜合突破，其實用化產品的傳輸速率已可達200Mbps以上，以致于PLC的市場應用領域已瞄準以視頻為中心的寬帶接入與寬帶家庭網絡，包括HDTV、IPTV、VOD的接入與分配網。
關鍵詞： 電力線通信 寬帶電力線接入 寬帶家庭網絡 PLC BPL HomePlug OPERA
1. 概述
電力線通信Powerline Communication簡稱“PLC”，是一種利用輸電和供電的電力線進行高速數據傳輸的技術。
PLC技術從上世紀二十年代開始已經歷了很長的發展歷史，但是由于電力線是最不穩定、干擾最大、最困難的有線通信媒介，極大地限制了它的應用頻帶和傳輸速率，所以一直不成熟，也鮮為人知。
長期以來，電力線通信技術只是局限在與電網調度管理相關的特定專業市場應用，如電力負荷的控制和監視，各種自控系統和遠程抄表系統，9600bps的低速數據通信, 以及模擬話音信號傳輸。典型應用領域是電力線載波（Power-line carrier），它是在中壓、高壓甚至超高壓電力線上，采用高頻載波信號傳輸信息，基本載波頻帶4kHz / 2.5kHz，載波頻率范圍40 kHz — 500 kHz，用于傳送電力調度電話和遠動信號。
直到最近幾年，由于寬帶技術的發展及市場競爭的推動，更由于新的調制技術、DSP技術及新型PLC專用成套芯片的出現，才帶來新的應用和解決方案。PLC新應用領域主要有兩個，其一是利用家庭中的電源插座進行組網的不重新布線的“家庭網絡”，其二是利用中、低壓電力配線網傳輸寬帶信號的“最后一公里接入”。
本文介紹的相關國際聯盟PLC全球標準體系的制訂情況表明，新興的電力線通信技術已獲得重大技術突破，其實用化的產品速率已可達200Mbps以上，以致于PLC的市場應用領域已瞄準以視頻為中心的寬帶接入與寬帶家庭網絡，包括HDTV、IPTV、VOD、DVB、DVR的接入與分配。
2.PLC通信難點與技術突破
遍布城鄉的交流電源線是一種最困難的有線通信媒介，主要干擾通信傳輸和劣化通信信號的因素是各種來源眾多的不可預知的干擾、衰減和失真，包括寬范圍的阻抗變化、高衰減電平、多路徑時延傳播等等。
例如：開關電源、電燈、電刷的火花噪聲，靜電噪聲，電機、微波、變壓器等引入的噪聲；分支線路、配電盤、斷路器、電感加熱器等帶來的衰減；不恒定的非線性電力負荷、阻抗失配等帶來的失真。又如，因為電路分支和負載的互連幾乎是隨機的，因而家中任何兩個電源插座之間的通路具有不可預知的傳遞函數，所以通路的幅度和相位響應隨頻率呈寬范圍變化，幅值響應可能超過允許范圍（其變化從幾個dB到 80 dB以上）；而且，在各種用電設備開機和關機時，通道響應還會隨時間變化……。
要在如此惡劣的條件下可靠、準確、低時延地傳輸高速寬帶數據信號，必須找到一種能克服各種障礙的綜合技術。實現PLC技術突破的基本技術是在物理層采用OFDM，即“正交頻分復用”技術；以及在MAC層采用CSMA/CA，即半雙工以太網采用的“帶碰撞檢測的載波監聽多路訪問”技術。
OFDM是60年代首次提出的理論，它把可用頻譜分成許多窄帶載波來用，這類似于XDSL； IEEE802.11無線LAN委員會也選擇OFDM，未來的4G移動通信也將采用OFDM技術。
PLC采用的OFDM技術，是其克服障礙實現技術突破的核心技術，而且具有如下特點：
每個載頻能支持幾種調制格式：ROBO、BPSK、QPSK、QAM
能在惡劣的環境中實現同步
單頻動態定位以避讓無法使用的頻段
能在帶內干擾或沖突下工作
支持廣播傳輸
極好的抗信道干擾性能
不需要信道均衡
不需要時鐘同步
圖1形象地表明了OFDM在頻域內的單頻定位功能，它能自動避開單頻干擾和衰減過大的頻點，以實現最佳信噪比。
在實現技術突破后，還需要制訂成套的PLC全球統一標準，才能實現芯片和整機的規模化生產，以便顯著降低產品成本，真正實現PLC的大規模推廣應用。
3.相關PLC國際聯盟標準制訂的最新進展
有關的PLC國際聯盟和論壇都成立于2000年或更晚，這說明PLC是一項新興的技術，全世界眾多的廠家和公司都看重這個全球覆蓋面最廣的現成的網絡基礎設施，并寄希望于這一頗具潛質的通信媒介。
“家庭插電聯盟”HomePlug （或全稱“家庭插座電力線聯盟”— The HomePlug Powerline Alliance）是標準制訂成果最多的主要PLC國際聯盟，最初重點在于PLC家庭網絡技術規范的制訂，近兩年主要進行中、低壓PLC寬帶接入標準的制訂。另外值得一提的是OPERA — 開放式PLC歐州研究聯盟（The Open PLC European Research Alliance），它是由歐盟支持的最早制訂PLC寬帶接入標準的機構，主要是制訂統一的歐州標準。
OPERA在2005年底就完成了大部分PLC接入標準的制訂，2006年2月宣布正式批準全球第一個開放式PLC接入技術規范，也稱為Broadband over Powerline（BPL），即“寬帶電力線接入”標準。該標準的制訂得到歐盟的支持，由來至OPERA的35個機構（包括10所大學）的業內專家歷經兩年的努力得以完成。OPERA聲稱，該BPL技術規范的制訂將促進高速、低成本的話音、視聽業務，以及配電控制與管理業務的規模應用。
2006年3月HomePlug家庭插電聯盟宣布，該聯盟今年已經在PLC標準領域取得重大進展，HomePlug將在2006年3季度正式批準其“指令與控制技術規范” — HPCC（HomePlug Command & Control），并計劃在2006年4季度正式批準其BPL“寬帶接入技術規范” （HomePlug Broadband over Powerline ）。這意味著到2006年底，基本覆蓋PLC各類應用的全套國際標準將制訂完畢。
有跡象表明，HomePlug與歐州標準是互相參照、相互借鑒的，所以說應該是能兼容的。而且，HomePlug聯盟還與IEEE、ETSI等其它國際標準機構有工作聯系，以實現其標準和產品在全球范圍內的協同工作和共存機制。
4.PLC系列標準介紹
電力線通信技術領域的權威國際機構——家庭插電聯盟（HomePlug），從2000年成立以來，陸續制訂了一系列的PLC技術規范，包括HomePlug 1.0、HomePlug 1.0-Turbo、HomePlug AV、HomePlug BPL、HomePlug Command & Control，形成了一套完整的PLC技術標準體系，基本上覆蓋了所有電力通信技術的應用領域。
4.1.HomePlug 1.0技術規范
這是家庭插電聯盟HomePlug在2001年6月宣布的第一代高速電力線網絡的技術規范，是全球第一個PLC技術標準。HomePlug 1.0版本發布前， 在美國和加拿大進行了500多個家庭、近10000線的現場試驗。現場試驗證明，該技術規范滿足HomePlug制定的市場需求文件（MRD）所規定的各項性能要求，包括：調整、互操作、性能、抗干擾、可靠性、可量測性、維護和故障診斷等。該現場試驗是在基于HomePlug技術規范的產品和業務的基礎上進行的，并且作了節點到節點的文件傳送，多節點文件傳送，VoIP及流媒體試驗。
HomePlug 1.0 是一種通過家中的電力線完成設備互連的技術規格。HomePlug 1.0的產品為消費者提供一種不需要增加任何新線路就能簡便組成家庭網絡的解決方案，這些產品包括HomePlug橋接器、 HomePlug適配器以及內置有HomePlug技術的網橋和適配器，它們采用以太網、USB、802.11 Wi-Fi 接口將PC機或其它設備與電力線相連接，數據速率為14Mbps。
HomePlug 1.0技術規范的要點為：
綜合的物理層（PHY）和媒介接入控制層（MAC）
數據速率：高達14Mbps
頻帶寬度： 4.3 MHz - 20.9 MHz
正交頻分復用（OFDM）符號調制
84個載頻
頻道自適應
前向糾錯（FEC）
載波調制方法支持：DQPSK, DBPSK, ROBO
接入方法支持：CSMA/CA
滿足FCC第15部分輻射標準
安全通信
CMOS處理機運行頻率：100MHz
4.2.增強型HomePlug 1.0技術規范（HomePlug 1.0-Turbo）
這是在HomePlug 1.0的基礎上進一步提高速率的技術規范，其數據速率可達85Mbps，因而可用于快速電力線通信和寬帶接入，HomePlug 1.0-Turbo的主要應用目標是：
標準電視（SDTV）分配
網絡電視（IPTV）
高數據速率的寬帶共享
共享的寬帶因特網接入
視頻、音頻流及其轉發
無線LAN網的覆蓋擴展
VoIP呼叫
PC文件和應用共享
打印機和外設的共享
網絡和在線游戲
監視攝像
4.3.下一代PLC寬帶家庭網絡技術規范：HomePlug AV
HomePlug AV是PLC有關音頻-視頻寬帶家庭網絡的技術規范，它支持多個數據和視頻流的分配，包括遍布整個家庭的高清晰度電視(HDTV)和標準清晰度電視(SDTV)，支持家庭娛樂應用，包括HDTV和家庭影院。
HomePlug AV能提供一種方便且低成本的方法，不用重新布線就能在家庭中分配HDTV。HomePlug AV 規格的目標包括提供高質量視頻分配的最佳解決方案，并具有安全可靠的連接和內部的服務質量（QoS）保證，以確保廣大用戶體驗到與其它家庭網絡相比的價格競爭力。 HomePlug AV 兼容HomePlug 1.0。
HomePlug AV的設計滿足更高的帶寬和更低的時延需求，以支持幾個同時并發的HDTV和VoIP流，并且能同時使用家中90%的電源插座。其應用目標是家庭影院和數據網絡環境下的家庭音-視頻分配。為此， HomePlug AV在給定的頻率范圍內把香農定律用到了極限，它能在PHY層提供200Mbps等級的服務，考慮開銷后，MAC層也能支持100Mbps以上的速率。
HomePlug AV采用的基本技術特征在于：
HomePlug AV在物理層采用具有高級前向糾錯、通道預估和自適應能力的OFDM
而在MAC層則綜合使用具有QoS保證的TDMA時分多址有序接入和CSMA競爭接入兩種方式，并通過快速自動重發請求（ARQ）可靠傳送
HomePlug AV支持TDMA和FDMA，即兼容時分多址和頻分多址，以便兼容BPL寬帶接入
HomePlug AV協議棧支持多種上層協議，如802.3、 IP and UPNP
HomePlug AV的主要應用目標在于：
分配高清晰度電視（HDTV）和標準清晰度電視（SDTV）
交互式電視（IPTV）
WiFi，UWB 和 無線 USB 的干線傳送
寬帶高速率數據分配
共享寬帶因特網接入
音頻和視頻流及其傳送
擴充無線LAN網的覆蓋
網絡電話VoIP
PC文件和應用共享
打印機和外設共享
網絡和在線游戲
保安監視
圖2為典型的建立在現有家庭電源線網絡上的PLC寬帶家庭網絡，幾乎包括了所有能插在交流電源插座上的通信、家電、網絡及娛樂設施，如：PLC電話、數字電視、PC機及家庭多媒體服務器、PLC 802.11無線網橋、DVD/家庭影院、MP3等等。
4.4.PLC寬帶接入技術規范：HomePlug BPL
HomePlug BPL（Broadband over Powerline）寬帶電力線接入，是一種連接到家庭的寬帶接入技術，它利用現有交流配電網的中、低壓電力線路，傳輸和接入因特網的寬帶數據業務。
HomePlug聯盟成立了BPL接入工作組，專門負責研究HomePlug BPL接入規范的市場需求文件（MRD）和相關標準，得到了公用供電局、ISP因特網業務提供商及其它BPL工業團體的協作和支持。事實上全世界的公用供電局、ISP和各國的政府部門，都對利用無處不在的電力基礎設施進行寬帶接入傳輸的潛力頗感興趣。作為一種傳統接入技術的成功替代方案，BPL市場正在迅速增長。
家庭插電聯盟選擇了HomePlug AV的媒體訪問控制層（MAC）和物理層（PHY）技術作為其BPL新技術規范的基礎，以確保它與家中的HomePlug AV網絡高性能地協同工作。
HomePlug BPL接入需要開發出中壓線路和低壓線路的技術規格。總的要求是BPL規格的范圍要復蓋MAC層、PHY層、AFE模擬前端和耦合器的相關構成部分及網元管理，但是并不包括耦合設備的物理執行層或者與安全施工相關的安裝程序。
該規范還要求注意中壓（MV）和低壓（LV）的用法， HomePlug BPL接入的市場需求文件（MRD）描述了工作在低壓和中壓兩種線路的技術規范要求。HomePlug BPL接入工作組還在進行低壓和中壓兩種環境下的BPL接入和HomePlug AV 規格要求的“差距分析”。
低壓BPL（LV BPL）是利用電力分配網的低壓線段在附近區域傳送寬帶數據。BPL信號通過配電變壓器的低壓線路段，以及桿線或地下線路直達家中。家中的任何電源插座都可以用來連接到BPL網絡并接入因特網。安裝BPL時需要采用BPL網關/橋接器、中繼器，以及家中的CPE設備。配電變壓器的骨干連接線路則可采用光纖、無線或中壓BPL設備。
中壓BPL（MV BPL）則是通過中壓線路傳送寬帶數據信號到多個鄰近區域。從中壓線段到家中的寬帶連接由低壓BPL或無線接入提供。如果使用LV BPL，安裝電極或地下配送變壓器會阻擋BPL信號通過，而無法到達低壓區域。這樣，就要采用專門的耦合器以讓數據通過MV線路到達LV段。
由圖3可以看出，HomePlug BPL標準主要用于中壓和低壓線路的接入與分配，而HomePlug AV和HomePlug 1.0主要用于家庭網絡。
4.5.PLC控制與指令技術規范：HomePlug HPCC
家庭插座聯盟即將批準一種先進的PLC控制及指令系統的技術規范，稱作HomePlug HPCC （HomePlug Command & Control）。 HomePlug控制及指令系統是一種成本很低的低速電力線通信技術，用以補充聯盟的高速電力線通信。該技術規范可提供整個住宅內的照明、電器、空調、保安以及其它設備的先進的控制系統標準。
過去30年，利用電力線進行家用控制的努力，已經到達一個上升的拐點。預計2007、2008年控制及指令設備市場會高速增長，每月將銷售數百萬個控制及指令節點。所以家庭插座聯盟要補充PLC低速數據標準，以建立一個統一的市場標準，促進控制及指令應用的市場增長。
有了以上國際通用的成套技術標準，企業可以采用公共的基本技術進行規模生產以提高競爭力。全球市場擴大了，生產廠家和消費者都是最終的贏家。
5. 國外PLC產品及應用的新進展
值得欣慰的是，PLC這項難度很高的新技術，在核心技術突破后，與成套標準的制訂同步，全球多個廠家又同時實現了專用芯片的突破。
專用PLC芯片的主要廠家有：美國Intellon公司、西班牙DS2公司、法國Spidcom公司、以色列Yitran公司，以及Arkados、Conexant等PLC芯片供應商。芯片的傳輸速率有224Mbps、200Mbps、85Mbps、45Mbps、14Mbps、2.5Mbps等等，它們可適應各種目的不同、速率不同的PLC應用領域。其實，這些芯片同樣可以擴展應用到CATV有線電視網絡的高速數據傳輸、其它現有同軸電纜通信網的寬帶綜合應用，以及中/高壓電力線路的寬帶高速電力線載波通訊。
在2006年美國通信展及德國CeBIT 展會上，許多廠商都展出了自己的PLC產品，包括符合HomePlug AV標準的寬帶產品整機和高速芯片。例如德國devolo AG公司，在CeBIT 2006 展會上推出了ADSL2+和200Mbps HomePlug AV的家庭娛樂業解決方案，能通過家中的電力線實現高清電視及三網合一業務。又如Aztech系統公司在2006年也推出了以太網-HomePlug 200Mbps 的音-視頻解決方案，它利用高速PLC技術提供了一個HDTV和VOD的理想平臺。
圖4展示了PLC寬帶接入網絡的總體結構，它主要包括中壓頭端（MV Head End）、中壓調制解調器（MV Modem）、低壓頭端（LV Head End）、低壓中繼器（LV Repeater）和網絡終端單元（Network Termination Unit）等設備。如圖所示，BPL還可以包括PLC網絡中的自動抄表系統（ARM）等窄帶綜合應用設備；它與因特網的連接也可以只用低壓網；此外，這些設備的稱呼也可能各廠家不同，例如，網絡終端單元也可稱作PLC Modem或CPE（用戶駐地設備）。
PLC電力線通信技術的寬帶-窄帶綜合應用領域，范圍廣闊、潛力巨大、頗具市場誘惑力，它們包括：
因特網接入Internet access
家庭網絡Home Networking
市場信息廣播Marketing information broadcasting
網絡家電Network electric appliance
家庭自動化Home Automation
自動抄表系統AMR
綜合計費Integrated billing
供電質量監控Power quality monitoring and control
故障檢測與控制Failure detection and control
遠程開關Remote switching
遠動保護管理Protection management
負荷控制Load control
用電管理Power usage management
攝像監控應用Camera Application
安防應用Security Application
大樓空調應用Building Air-conditioner application
智能大樓系統Intelligent Building System …………
據稱：HomePlug 聯盟的成員在2005年8月后增長了30 %，公司成員已達65個。到今年6月止，已有4500萬套HomePlug1.0的芯片出貨，而且隨著全球20個服務提供商的規模安裝，新的HomePlug產品正以每季度100萬套的速度增長。
有兩個重要的事件能夠證明并將促進PLC技術的大規模應用。一個是前面提到的歐盟2004年1月1日啟動的OPERA（Open PLC European Research Alliance）計劃，它表明歐盟致力于將PLC作為實現“信息化歐洲”（eEurope）的重要技術手段。另一個是美國聯邦通信委員會（FCC）2004年2月12日批準對某些技術規則的修改意見，其目的就是要鼓勵啟用新的基于現有設施的寬帶平臺，促進電力線寬帶接入技術的推廣應用，把美國電力網的巨大潛力利用起來。事實上隨著全球最發達的歐美地區的突破，PLC的試驗及商用網絡已遍及歐洲、美洲、亞洲、非洲以及大洋洲的40多個國家和地區。
6、結束語
綜上所述，PLC寬帶電力線通信技術應用種類繁多、前景廣闊，對用戶使用來說又不需另外布線、簡便易行，所以特別為公眾所看好；但同時，因為技術難度很大，又存在不少的行政和技術管理壁壘，所以被一些人長期置疑和否定。但是，本文介紹的2006年PLC成套系列標準制訂的情況表明，寬帶電力線通信已經實現了重大突破，雖然還存在各種困難和障礙，但這仍然預示著PLC的全球規模應用正在開始，也預示著一個巨大的、新的市場機遇已經到來。中國在PLC技術的應用方面，并不落后；而且不少人認為在PLC的應用試驗方面是走在了世界的第一隊列。但是，在電力體制、運營體制、行政管理、相關政策、技術標準、芯片技術等等諸多方面，離PLC的大規模推廣應用就相對落后了。PLC在競爭激烈的全球寬帶接入網中異軍突起，我們將如何應對？
作者簡介：全弘林，男，漢族，1945年生。1967年畢業于成都電訊工程學院(現電子科大)多路通信專業，分配到電子工業部四川綿陽730廠（國營涪江有線電廠）。曾任：730廠設計科副科長，730廠通信設備研究所副所長、所長，四川靈通電子有限公司總經理兼總工程師，深圳格林耐特通信技術有限公司成都研究所所長等職務。現已退休。1981年評為工程師，1988年評為高級工程師，1993年評為享受政府特殊津貼專家。1993年10月“國務院政府特殊津貼證書”編號：政府特殊津貼第（93）9510118號。
收稿日期：2006.9.5 修回日期：2006.9.10
