孫建軍 吳太虎
(軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生裝備研究所天津市，300161)
摘 要：本文主要介紹了電力線通信(PLC)的最新發(fā)展和電力線通信的優(yōu)缺點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)了電力線信道存在的噪聲和衰減，以及克服這些不利因素的解決方案。著重?cái)⑹隽藬U(kuò)頻通信(SSC)技術(shù)和正交多載波調(diào)制(OFDM)技術(shù)的原理及它們對(duì)各種噪聲和衰減的抵抗能力，并列舉了很多國(guó)內(nèi)外分別采用了這兩種技術(shù)的通信產(chǎn)品實(shí)例。最后，討論了電力線通信技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用情況和發(fā)展前景。
關(guān)鍵詞：電力線載波 擴(kuò)頻通信 正交多載波調(diào)制 網(wǎng)絡(luò)能信
1電力線通信(Power Line Communication)技術(shù)概況
電力線通信(PLC)技術(shù)是采用電力線傳送數(shù)據(jù)和話音信號(hào)的一種通信方式。該技術(shù)是將載有信息的高頻信號(hào)加載到電力線上，用電線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過專用的電力線調(diào)制解調(diào)器將高頻信號(hào)從電力線上分離出來(lái)，傳送到終端設(shè)備［1］。它的應(yīng)用范圍主要是在一個(gè)變壓器范圍內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，用電力線調(diào)制解調(diào)器將電信號(hào)從電力線上提取下來(lái)。目前，該技術(shù)主要應(yīng)用于水、煤氣、電表等的自動(dòng)抄表系統(tǒng)，同時(shí)該技術(shù)也是局域網(wǎng)接入很有競(jìng)爭(zhēng)力的一種接入技術(shù)。
電力線通信在未來(lái)幾年有著極其誘人的前景和潛在的巨大市場(chǎng)。2001年6月26日Homeplug電力線聯(lián)盟頒布了1.0版技術(shù)規(guī)范，將會(huì)對(duì)PLC技術(shù)的產(chǎn)品和網(wǎng)絡(luò)化家用電器產(chǎn)生重大的影響。在美國(guó)、加拿大、英國(guó)和德國(guó)，電力線通信技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)用階段，德國(guó)RWE電力線通信公司2001年7月1日開始PLC的商用化，2001年5月7日Homeplug電力線聯(lián)盟結(jié)束了為期半年的PLC現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在美國(guó)和加拿大進(jìn)行了500戶的室內(nèi)聯(lián)網(wǎng)試驗(yàn)和1萬(wàn)次插座至插座的連接測(cè)試，并取得了圓滿成功。目前，在國(guó)內(nèi)除了自動(dòng)抄表方面的應(yīng)用外，該技術(shù)在醫(yī)療監(jiān)控和自動(dòng)報(bào)警方面都有很好的應(yīng)用前景，將集成有電力線收發(fā)模塊的儀器儀表插在電源插座上，就可以方便的實(shí)現(xiàn)通信。
2電力線通信技術(shù)的特點(diǎn)
電力線無(wú)論在城市、鄉(xiāng)村，還是偏遠(yuǎn)落后的地區(qū)到處都是，只要用電的地方就會(huì)有電力線存在，不鋪設(shè)額外的通信線路而直接利用已有的電力線資源進(jìn)行數(shù)據(jù)或話音信號(hào)的傳輸，將會(huì)大大降低通信成本，并且電力線通信有著它自身的一些優(yōu)勢(shì)。采用電力線通信有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：
2.1實(shí)現(xiàn)成本低
因?yàn)橛行У睦昧艘延械呐潆娋W(wǎng)作為傳輸線路，不用鋪設(shè)額外的線路，從而大大減少線路投資，節(jié)約了成本，而且避免了因鋪設(shè)網(wǎng)絡(luò)線路帶來(lái)的一些問題，如住宅打孔，帶來(lái)的對(duì)住宅的破壞作用。
2.2數(shù)據(jù)傳輸速率高
PLC的傳輸速率目前可以達(dá)到4.5M～45Mbps，比采用ADSL、ISDN和撥號(hào)上網(wǎng)的速率都快。目前已經(jīng)有不少電力線載波芯片研制成功，Intellon的PowerPackket產(chǎn)品可以達(dá)到14Mbps，并且已被Homeplug所采用。
2.3永遠(yuǎn)在線
以電力線作為通信信道，可以靈活的實(shí)現(xiàn)“即插即用”，不用繁瑣的撥號(hào)過程，接入電源就等于接入了網(wǎng)絡(luò)，只要插上電源就永遠(yuǎn)在線。
2.4范圍廣
民用電力線是世界上最普及的網(wǎng)絡(luò)，這是電話和有線電視都不能比擬的優(yōu)勢(shì)。PLC可以輕松的滲透到每個(gè)家庭，為現(xiàn)代家庭智能化和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供廣闊的發(fā)展空間。
電力線通信除了以上幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)外，還存在著很多問題。主要是電力線信道存在著嚴(yán)重的干擾和非常大的時(shí)變衰減。根據(jù)噪聲干擾的不同性質(zhì)可分為［2］：A)有色背景噪聲干擾，這種干擾主要來(lái)源于交直流兩用電動(dòng)機(jī)，近似服從高斯分布，他的功率一般一般不大；B)隨機(jī)脈沖干擾，主要由閃電和負(fù)載的開關(guān)操作所產(chǎn)生，近似服從泊松分布，0＜λ＜5ⅹ10-3，這種干擾的功率較大，頻率一般為電力系統(tǒng)頻率的2倍，而且離接收機(jī)越近影響越大；C)異步脈沖噪聲，這類干擾主要是保護(hù)開關(guān)瞬間開閉產(chǎn)生的脈沖，電暈噪聲也歸為該類，這類噪聲可以說(shuō)是電力線通信的最大障礙；D)周期性同步噪聲和周期性異步噪聲［3］，前一種是由電壓觸發(fā)的晶閘管整流器產(chǎn)生，而后一種主要由電視接收機(jī)和顯示器產(chǎn)生。這兩種噪聲的功率很小，一般不超過-45dB。
另外，電力線信道中還存在著極大的時(shí)變衰減。電力線信道中的衰減主要由兩部分組成［4］：一部分是耦合衰減，另一部分是線路衰減。一般耦合器的內(nèi)阻可以做得相當(dāng)小，這樣衰減就主要線路衰減決定。據(jù)相關(guān)資料表明［5］，線路衰減是距離的函數(shù)，距離越大，則衰減越大，農(nóng)村比城市或工業(yè)的衰減大。時(shí)變性表現(xiàn)在同一時(shí)刻不同結(jié)點(diǎn)的衰減不同，同一節(jié)點(diǎn)在不同時(shí)刻的衰減也不同，一般可以達(dá)到20dB以上。為克服電力線通信人道的這些噪聲影響和時(shí)變衰減，電力線通信采用了一系列的新技術(shù)和新產(chǎn)品。
3電力線通信的實(shí)現(xiàn)方案
3.1 擴(kuò)頻通信(Saread Spectrum communication)技術(shù)
擴(kuò)頻通信是用高速偽隨機(jī)序列去擴(kuò)展所傳輸信息的帶寬，然后進(jìn)行傳輸，在接收端采用發(fā)送端相同的同步偽隨機(jī)序列進(jìn)行信號(hào)的相關(guān)解擴(kuò)，恢復(fù)所傳輸信息的一種技術(shù)［6］。其原理框圖如圖1所示：
擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)為信息論的Shannon定理：C=Blog2(1+S/N)，從公式中可以看出信道容量C一定時(shí)，傳輸?shù)男盘?hào)帶寬B和信噪比S/N的互換關(guān)系：在一定的差錯(cuò)概率的情況下，可以用較大的帶寬換取信噪比的下降，這正是擴(kuò)頻通信技術(shù)的原理。擴(kuò)頻技術(shù)通常包括［7］直接序列擴(kuò)頻(Direct Sequence Spread Spec-trum)、跳頻(Frequency Hopping)、跳時(shí)(Time Hopping)和寬帶線性調(diào)頻(Chirp)。其性能指標(biāo)主要有：擴(kuò)頻增益Gp=擴(kuò)頻信號(hào)帶寬/信息信號(hào)帶寬；抗干擾容限M=Gp-(S/N)0，其中(S/N)0為要求的差錯(cuò)概率所需要的信噪比。
由于擴(kuò)展頻譜后的信號(hào)能量分布在一個(gè)很寬的頻帶上，因此信號(hào)在傳輸過程中所疊加的窄帶脈沖干擾會(huì)在接收端對(duì)信息進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)時(shí)，使得干擾的頻譜展寬，幅度下降若干倍；相反，信息的頻譜被壓縮，幅度上升若干倍。因此，擴(kuò)頻通信技術(shù)具有很強(qiáng)的抗各種脈沖干擾的能力。另外，由于擴(kuò)展頻譜，使得信號(hào)的頻譜展寬若干倍，幅度下降，某一時(shí)刻某一頻率的干擾及衰減不會(huì)對(duì)整個(gè)信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，所以擴(kuò)頻通信具有很強(qiáng)的抗多徑干擾和強(qiáng)衰減的能力。并且，利用偽隨機(jī)碼的多址功能，可以實(shí)現(xiàn)碼分多址(CDMA)，一個(gè)偽隨機(jī)碼對(duì)應(yīng)一個(gè)用戶，具有很強(qiáng)的保密功能和巨大的用戶容量。
擴(kuò)頻通信有保密性好、抗干擾和衰減能力強(qiáng)的特點(diǎn)，所以最早這應(yīng)用在軍事通信中，例如軍事用跳頻(FH)電臺(tái)和直擴(kuò)(DS)坦克電臺(tái)等。擴(kuò)頻通信是在現(xiàn)代通信中應(yīng)用最為廣泛的一種技術(shù)，如CDMA通信系統(tǒng)和電力線通信。擴(kuò)頻通信自身的特點(diǎn)，使得他非常適合電力線通信信道。目前，有很多廠家都生產(chǎn)出了電力線擴(kuò)頻載波芯片，如Intellon的SSC 300/485［8］網(wǎng)絡(luò)接口控制器采用了線性調(diào)頻(Chirp)技術(shù)，Echelon的PLT-10采用了直接序列擴(kuò)頻(DS-SS)技術(shù)，還有國(guó)內(nèi)目前使用較多的PL2000和SC1128擴(kuò)頻芯片，都采用了直接列擴(kuò)頻技術(shù)。
3.2正交多載波調(diào)制(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技術(shù)
正交多載波調(diào)制(OFDM)是把高速的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成N路的低速數(shù)據(jù)流，去分別調(diào)制N路相互正交的了載波，然后將N路子載波合并成一路進(jìn)行傳輸?shù)囊环N調(diào)制效率很高的技術(shù)。OFDM系統(tǒng)原理框圖如圖2所示：
OFDM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率很高，可以趨近于信道傳輸速率的極限，這主要是由OFDM的頻域特性來(lái)決定的。當(dāng)碼元為矩形脈沖時(shí)，其頻譜如圖3所示：圖3(a)是單個(gè)子頻帶，圖3(b)是OFDM信號(hào)頻譜。從圖中可以看出，單個(gè)碼元的頻譜為sinx/x型，頻帶利用率不高，而OFDM的頻譜總的來(lái)看近似為矩形，且其邊帶分量相互疊加后，變得很小。所以，OFDM信號(hào)的頻譜利用率理論上可以達(dá)到Shannon信息論的極限。
OFDM系統(tǒng)有很強(qiáng)的抗脈沖干擾能力，這是由于OFDM信號(hào)的解調(diào)是在一個(gè)很長(zhǎng)的碼無(wú)周期內(nèi)積分，從而使脈沖噪聲的影響得以分散。根據(jù)CCITT的測(cè)試報(bào)告，能夠引起多載波系統(tǒng)發(fā)生錯(cuò)誤的脈沖噪聲門限比單載波系統(tǒng)高11dB。另外，OFDM系統(tǒng)由于把信息分散到許多載波上，從而大大降低了各子載波的信號(hào)速率，使得碼元周期比多徑延遲長(zhǎng)，因此可以有效的克服多經(jīng)傳播的影響。OFDM允許相鄰信號(hào)頻譜有1/2重疊，必定會(huì)引起碼間串?dāng)_，可以采用循環(huán)前綴和時(shí)域均衡等措施來(lái)有效的降低碼間串?dāng)_的影響。
由于OFDM具有抗脈沖干擾和多徑效應(yīng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)［9］，所以它也很適合電力線通信。因?yàn)镺FDM可以用FFT(快速傅立葉變換)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以可以采用基于DSP的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，在第四代移動(dòng)通信的開發(fā)中，很多公司都采用了OFDM技術(shù)，利用其高速率的特性，能夠?yàn)橐曨l點(diǎn)播和圖像傳輸?shù)榷嗝襟w服務(wù)提供足夠的帶寬。目前,Intellon的PowerPacket電力線載波芯片就是采用了OFDM技術(shù)［10］，能夠提供14Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，使得電力線真正成為一種可以和光纖相媲美的接入方式。ISPLC(電力線通信及應(yīng)用國(guó)際學(xué)術(shù)年會(huì))從1997年開始，每年舉行一次，前兩屆都是以擴(kuò)頻和CDMA在電力線通信中的應(yīng)用為主要內(nèi)容，CDMA退居次要地位。圖4是PowerPacket中OFDM的實(shí)現(xiàn)［10］：
電力線通信除了采用以上兩種方案外，還有如較早的LM1893芯片所采用的調(diào)頻方式，由于調(diào)頻難以滿足電力線信道的抗噪聲及時(shí)變衰減的能力，所以該芯片在國(guó)內(nèi)基本上沒有采用。然而，美國(guó)的Echelon公司在它的LONWORKS系列新產(chǎn)品PLT-22中采用了一種雙頻調(diào)制技術(shù)［11］，該技術(shù)是采用115kHz和132kHz兩個(gè)工作頻率，當(dāng)主頻32kHz傳輸受阻時(shí)，改用115kHz進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。實(shí)踐表明即使主頻受阻，系統(tǒng)仍然可以穩(wěn)定的工作。由于Echelon的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，使得PLT-22配合神經(jīng)元芯片F(xiàn)T-3120/FT-3150可以在全世界的范圍內(nèi)使用。據(jù)國(guó)內(nèi)資料表明，PLT-22是在國(guó)內(nèi)使用效果最好的電力線載波芯片，但由于其成本太高，很難在國(guó)內(nèi)進(jìn)行大規(guī)模推廣。在實(shí)踐中，到底采用那一種方案要考慮實(shí)際情況來(lái)選取，對(duì)于實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和抄表等對(duì)數(shù)據(jù)速率要求不高的應(yīng)用，采用擴(kuò)頻和雙調(diào)頻方式較好；而對(duì)于實(shí)現(xiàn)高速率的數(shù)據(jù)通信或圖象傳輸，則采用OFDM實(shí)現(xiàn)較好。
4 電力線通信技術(shù)的應(yīng)用前景
在國(guó)內(nèi)，電力線通信技術(shù)最成功的應(yīng)用是遠(yuǎn)程集中抄表系統(tǒng)，即抄表系統(tǒng)將電表、水表、氣表與管理部門的中心站計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，通過公用電話網(wǎng)、Internet和低壓配電網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，自動(dòng)完成抄讀用戶三表的數(shù)據(jù)，自動(dòng)的進(jìn)行查詢、分析和監(jiān)視用戶的水、電、氣的使用情況，方便的完成計(jì)費(fèi)、收費(fèi)工作。以電力線為傳輸媒質(zhì)，很容易在集中式居民區(qū)、廠礦企業(yè)、醫(yī)院等地方建立起小范圍的電力線網(wǎng)絡(luò)，而不用額外的投資就可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理。這幾年在國(guó)外，電力線作為一種家庭總線，主要應(yīng)用于家庭智能化和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的接入。利用已有電力線網(wǎng)絡(luò)，可以在醫(yī)院或家庭建立起醫(yī)療監(jiān)控網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)重癥監(jiān)護(hù)功能，病人的血壓、心率、癥狀等信息可以在家里通過電力線監(jiān)控網(wǎng)傳送至小區(qū)控制中心，再通過公共電話網(wǎng)或Internet傳送到較大的醫(yī)療單位，進(jìn)行分析、處理和監(jiān)護(hù)。同樣，醫(yī)院可以將治療或注意事項(xiàng)等信息通過網(wǎng)絡(luò)傳送至小區(qū)控制中心，再傳送到病人家里，對(duì)病人進(jìn)行遠(yuǎn)程診療。在醫(yī)院，不僅可以用電力線通信實(shí)現(xiàn)病人的監(jiān)護(hù)功能，而且可以配合醫(yī)療器械智能化，實(shí)現(xiàn)智能醫(yī)療監(jiān)控、報(bào)警、自動(dòng)化管理和集中會(huì)診等功能。例如，可以用電力線通信網(wǎng)監(jiān)視輸液液面，當(dāng)達(dá)到一定的液面，需要斷開時(shí)，可以及時(shí)的向監(jiān)護(hù)中心的護(hù)士發(fā)出警報(bào)，而不用護(hù)士不斷的去觀察，這個(gè)事例在大醫(yī)院里是很有實(shí)際意義的。因此，用電力線載波來(lái)實(shí)現(xiàn)一些需要經(jīng)常在線的報(bào)警、防盜以及監(jiān)護(hù)等應(yīng)用，每一個(gè)方面都有廣闊的發(fā)展前景和巨大的市場(chǎng)機(jī)遇。
5 結(jié)語(yǔ)
現(xiàn)今國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有不少的電力線產(chǎn)品，而且相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)比較成熟，因此用電力線來(lái)進(jìn)行水、煤、電等的自動(dòng)抄表以及寬帶Internet的接入服務(wù)已成為現(xiàn)實(shí)。可是國(guó)內(nèi)的電力線通信還沒有形成規(guī)模，所以還需要有關(guān)部門的科研人員的不斷努力，開發(fā)出適合中國(guó)電網(wǎng)特性的電力線載波芯片，確定可靠的電力線通信標(biāo)準(zhǔn)。另外，電力線通信在目前的現(xiàn)狀下，對(duì)發(fā)展農(nóng)村和偏遠(yuǎn)山區(qū)等地區(qū)的信息產(chǎn)業(yè)有非常重大的意義。
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