电力线联网技术研究

【中心议题】

• 分析了电力线联网技术的结构和优势
• 指出了问题和发展趋势

【解决方案】

• 采用类似OSI的体系结构
• DSMA/CTP协议的采用

1　电力线联网概念

电力线联网,准确的说法是电力线通信技术,英文简称PLC(Power Line Communication),是指利用电力线传输数字化数据和话音信号的一种通信方式,是对原有电力线传输技术的发展.电力线通信技术一般用作接入技术,与xDSL、LMDS等技术一样,PLC技术也可以作为一种网络接入手段来使用,所以又可以称作“电力线上网”.另外PLC也可以用做家庭联网技术(Home Plug).

毋庸置疑,电力线是覆盖最广泛的网络基础设施,几乎所有的设备都会连接到电力线网络之上,这使得电力线成为组网的一个自然选择.

通过载波调制技术来实现基于电力线的数字通信,其采用的载波频率高于电力传输所使用的50~60 Hz.宽带PLC所采用的载波频率一般在2~30 MHz范围内,可以提供2~10 Mbps的数据传输速率,可以达到多媒体数据传输及网络接入的要求;窄带PLC所采用的载波频率在150 kHz以下,一般用于电表的自动抄表和设备监控系统这样对传输速率要求不高的应用.

“电力线上网”的用户需要添加一个特制的调制解调器,这个调制调解器的数据线顶端是一个与常规电源插头规格相同的插头,用户只要将电脑的网卡与调制解调器接通,再将调制解调器插上电源插座,电脑即可上网,用这种方法传送信息的速度比ISDN要快30多倍,目前实验室的最高通信速率可达到2·5Gb/s.

从广义上来讲电力线上网从层次上可分为中压配电网、低压配电网和家庭内部网络.家庭内部网络是指通过电力线组建高速LAN;低压配电网是指从中压变电站到用户电表的一点对多点通信,中压配电网主要从中压变电站到主要变电站.

目前PLC技术发展模式主要是为以美国为代表的家庭联网模式,这种模式的PLC只提供家庭内部联网,即是指通过家庭的内部的普通电力线,进行组网连接家庭内部局域网,户外访问使用其它传统的通信方式.支持该模式的国际组织为Home-Plug,是一个为高速家用电力线通信网络产品和服务提供开放规范而成立的论坛.

第二种是以欧洲和亚太地区为代表的户外接入模式-低压配电网,具体是光缆或其他高速的通信线路已经连接到楼内的总配电室,利用220V/380V线路解决从楼内总配电室到每个住户的通信接入,从而实现从配电室到住户的高速的数据的接入.

2　电力线联网的技术标准

基于电力线的上网技术目前已经有一个业界标准Home Plug.

Home Plug是非赢利业界组织Home PlugPowerLineAlliance开发的通过电力线进行家庭组网的规范,以便促进相关产品的生产和保证互通性.通过建立一个开放的规范,Home Plug解决了由于缺乏统一标准而引起的市场混乱和用户困惑,消除了电力线组网技术的市场阻力.与PLC类似,以往除了缺乏统一标准之外,各种噪声等方面的影响也阻碍了将家庭电力线做为组网媒介的可能性.Home Plug通过建立统一规范以及采用新技术来克服这些挑战.

Home Plug评估了业界现有的各种电力线组网技术,制定了Home Plug规范的开发原则,包括以太网级的传输速率、兼容性、稳定性、易实施及扩展性等方面.目前已经发布了Home Plug 1·0规范.Home Plug的最终组网技术规范将提供一个功能强大的、简单易用的、具有14 Mbps传输速率的电力线组网规范.

Home Plug 1·0规范支持14 Mbps的数据传输速率,基于这个高速电力线组网技术,Home Plug PowerLine Alliance成员将开发具有互操作性的产品,使得各家的计算机、外设、消费电器及其它信息设备可以通过电源插座连接起来.

3　电力线联网技术结构和优势

3·1　电力线联网技术结构模型

电力线联网技术主要的组成部分是数字电力线(DPL)、电力线交换技术(PLX)以及应用系统(ICAL).其中数字电力线对应于OSI/RM模型的物理层,电力线交换技术对应于OSI/RM模型的数据链路层、网络层和传输层,应用系统对应于会话层、表示层和应用层,如图.

3·2　电力线联网的技术特点

数字电力线技术(DPL)包括多载波体系、载波的使用、调制、编码、控制和同步,为了抑制电力线内部的噪声对通信频段内的信号的干扰,数字电力线技术大多采用OFDM/DPSK调制方法,OFDM调制方法将通信频段划分为若干子通道,每个子通道采用DPSK方式调制,可以大大衰减电力线中的干扰和噪声.

为了提高电力线通信的可靠性,关于电力线交换技术(PLX)在MAC子层,专家提出了一种优于CSMA/CD的协议———DSMA/CTP协议. DSMA/CTP是两个独立的协议,分别叫做数据报侦听多路访问协议(DSMA)和集中令牌传递协议(CTP).DSMA机制采用数据侦听和随机回退方法解决多个网络结点同时占用信道的问题;CTP协议可以有效避免多个网络结点竞争使用信道而发生冲突.

ICAL是电力线联网技术的应用层协议.ICAL采用改进了的CEBUS标准的公共应用语言,是一种分布式、面向对象型、体系化的编程语言.该语言采用客户机/服务器(Client/Server)结构.ICAL采用了CAL的网络通信标准规定的上下文(context)、对象(object)、变量(instance variables)和方法(methods).ICAL可以使用一个或多个ICAL context来描述ICAL设备,每个ICAL context又可以表示为一系列的ICAL object的集合.ICAL object则通过一系列的ICAL instance variables来描述;通过ICAL methods实现对ICALinstance variables的操作.

3·3　电力线联网的优势

通过电力线传输数据,主要的优势是覆盖面广、使用方便、不用布线、永久在线、施工费少、安装周期短等优势,不需要重新建设网络,就可以实现数据、语音、视频和电力的“四网合一”.

首先,PLC充分利用现有的低压配电网络基础设施,无需任何布线,是一种“No New Wires”技术,节约了资源.无需挖沟和穿墙打洞,避免了对建筑物和公用设施的破坏,同时也节省了人力.这样PLC技术可以为用户提供高速因特网访问服务、话音服务,从而为用户上网和打电话增加了新的选择,有利于其他电信服务商改善服务、降低价格.

其次,PLC对家庭联网也提供支持,是家居自动化的生力军,除了上网、打电话,PLC技术通过遍布各个房间的墙上插座将智能家电联网,能够将整个家庭的电器与网络联为一体,在室内的设备之间构筑起可自由交换信息的局域网,使人们能够通过网络来控制自己家里的电器设备,享用数字化家庭的舒适和便利.

另外利用PLC技术还可以进行远程自动读出水、电、气表的数据,可以用一张收费单解决用户生活的所有收费项目,节省大量人力、物力,使公用事业公司节省大量费用,也极大地方便了用户.

同时利用“电线联网”永久的在线连接,构建的防火、防盗、防有毒气体泄漏等的保安监控系统,让上班族高枕无忧;构建的医疗急救系统,让家有老人、孩子和病人的家庭更加放心.而且人们还可以享用由PLC技术带来的家庭音频、视频网络,多人对抗游戏等娱乐.

4　电力线联网存在的主要问题

电力线联网可能严重影响短波无线电广播.为了实现高速传输、衰减最小,输电线用于数字传输的最佳传输频带是2M-30MHz.这一频段是国际上通用的电力线通信的传输频段.据日本媒体2002年7月的消息,当电力线数据通信使用2M-30MHz的频带传输数据时,将会对该频段的短波无线电广播、业余爱好者无线电台等产生重大影响.在电力线调制解调器工作时,电力线将会产生较高的泄漏电波,这将会变成无线通信中的噪音.而2-30MHz的频段集中了海岸电台、短波无线电广播、固定和移动通信短波频段等众多用户.

实际上,国际上电磁辐射的标准主要有美国标准和欧洲标准.欧洲标准比较严格,美国的比较宽松.

中国在没有制订出自己的电磁辐射标准以前倾向于参照美国标准,因此电磁辐射对于中国电力线上网的进程是否会有影响并不明确.因为在研究时为了避免这些干扰,已经尽量不占用短波收音机等使用的窄带频率.

另外电力线联网还存在如电网稳定性、安全性等众多问题困扰.除此以外电力线联网还存在的问题有:缺乏成熟的PLC技术标准,提供的速率和服务质量不稳定,还有费用问题等等,因此这一技术在国内实现突破还面临着一定的问题.

电力线联网若具备竞争力必须降低设备和网络运营的高成本,降低资费标准,提高传输速率和传输质量,否则光依赖电力的网络优势还很难在短期内抢占市场.

5　电力线联网的前景

近年来,随着Internet技术的飞速发展,登录上网的人数成倍增长,采用何种通信方式使用户终端连接到最近的宽带网络设备,成为困扰人们的难点之一,也是Internet普及的瓶颈之一,被业内人士称为宽带网络接入的“最后一公里”问题.利用四通八达、遍布城乡、直达用户的220V低压电力线传输高速数据的PLC技术,以其不用布线、覆盖范围广、连接方便的显著特点,被认为是提供“最后一公里”解决方案最具竞争力的技术之一.目前高速PLC已可传输高达1M bps以上的数据,预计不久的将来速率将达到10Mbps以上,而且能同时传输数据、语音、视频和电力,有可能带来“四网合一”的新趋势电力线联网充分利用现有的配电网络基础设施,无需任何布线,是一种“No NewWires”技术.可以节省巨大的新增投资.由于电线通信的费用仅为利用光纤通信电缆互联网服务的60%至70%,并且不必支付使用线路费,从而大大降低了通信费用.目前,我国拥有全世界长度排名第二的电力输电线路,全国500kV和330kV的电力线路长达25094·16千米,220kV线路107348·06千米,加上110kV线路共计310000千米,可绕地球近8圈.我国目前电话用户不到3亿,但用电用户已超过10亿,显然这连接10亿用户的既存电力线是提供上网服务的巨大物质基础,直接在覆盖全国的电力网络上架构互联网连接将比现在铺设光纤的方式节省大量的人力和物力.

因此,在未来的宽带接入服务市场,电力线联网必将占有重要的一席之地.在市场需求旺盛的城市,随着电力线上网技术的完善,电力线联网将逐步渗透城区各个角落,在我国广阔的农村地区,由于电力网规模之大,电力线上网也具有一定的优势,是其他任何网都不可比拟的.电力线联网作为一个新生事物进军宽带市场,为百姓上网提供了一个新选择,还是极具发展潜力,它必然推动整个宽带产业的发展与繁荣.