低压电力线通信若干关键技术研究.docx

哈尔滨工业高校低压电力线通信若干关键技术探讨一、课题探讨现状1.1 课题背景人类在传辘和运用电能的过程中建立了遍及全球的电力网,利用它作为信息传输的物理网络来建成电力线通信网,不需另外布线,可节约大量的信道建设费用.是目前唯一不用线路投资的有线通信方式。电力线载波通信（P1.o并不是一项新技术,它出现于上世纪20年头.在我国的应用也已有半个多世纪的历史了。利用高压输电网进行载波通讯早己被电力部门用电网管理和话音通信,并有包括加工设备（高频阻波滞等）、结合设备（耦合电容、结合漉波器等）及我波机等在内的成套设备供应。而利用低压输电线路组成数据通信网络.则是近十几年快速发展的门新技术。1.2 课题意义电力线通信（POWCr1.inCeOmmUniCaIiOn）技术简称为P1.C技术，有时也称电力线上网技术。主要是指利用电力线传输数据和话音信号的一种通信方式。该技术是将我有信息的高频信号加数到电力线上,用电线进行数据传输,通过专用的电力线调制解调器揩高频信号从电力线上分别出来,传送到终端设备.是目前发屣前景特别看好的宽带接入技术，也是利用配电网低压线路传输高速数据、话音、图像等多媒体业务信号的种通信方式。最早出现于上世纪二十年头初期。近年来，随着Imerne技术的飞速发展，利用220V低压电力线传输高速数据的价值越来越为人们所亚视，因为它具有不用布线、覆盖范围广、连接便利的显著特点。随着全球化的广泛渗透,电力线通信（P1.o作为一种新的家庭联网和宽带接入技术日益引起了人们极大的关注。高速上网变得越来越重要.尤其对很多家庭和小办公室来说，如何利用入户的线路供应互联网高速接入已经成为特别实际和日益迫切的需求。众所周知，入户的线路除了电话线和有线电视电缆以外，就是电力线。而电力线是其中普及最广的线路,几乎家家户户每个房间都有电源插座。电力供电网络四通八达,而低压电力线连接千家万户.构成最普及的网络。利用它进行数据通信,传递各种信息,不占用无线领道资源,亦无需铺设专用通讯线路,省工、省钱、维护筒洁、无疑有着美妙的前景。这项技术越来越受到冲算机与通讯界专业入士的高度重视,并成为IT业的又一个新的探讨热点。1.3 课题目的虽然低压电力线宽带通信具有投资成本少、建设速度快、接入便利的特点，是解决宽带接入最终一公里”的志向方案之一1.但由于低压电力线最初的设计是用来传送电力而非通信，相比于其它有线通信媒介而言，电力数波通信为在已加栽工频电力信号的通路上传输高速数据信息，它也具有信道不稔定，工作环境恶劣、干扰严峻以刚好变性大等特点从而成为了限制低压电力线通信发展的根本缘由。同时，信号很简洁产生反射、驻波和谐振等现象，使信号的衰减特性极其困难，造成电力战波通信信道具有很强的须率选择性。由下低压电力线主要任务是在短距离内对50Hz电能实行安排,故与专用的通信线路相比,其信道环境极为恶劣。主要有：(1)在广袤的范国内遇到干扰信号。如用户的各种电气设备,特殊是陈旧的和有质量缺陷的电器,会给电力线上传送的信号带来灾难性的干扰。(2)电力网络上的阻抗随负载的变更而会有大幅度的变更,且具有较强的时变性。(3)由于存在较强的衰减特性,使得电力线上的各个节点表现出的性能也不尽相同。并且，和很多其他通信信道不同的是，低压电力线信道的噪声不仅仅是一个附加的商斯白噪声环境，从几KHZ到20MHZ'范围内主要由窄带噪声和脉冲噪声主导。并且具有时变性，随着环境的不同，噪声的大小也是不一样的。可分为：<1)有色背景噪声(co1.orednoise)：具有相对较低的功率谱密度，并且陵若频率的变更而变更.这类噪声主要是由众多低功率的噪声源合并在一起造成的，他的功率谱密度在数分钟或者数小时内是保持不变的。(2)窄带噪声(narrowbandnoise)：大多数是幅度调制的正弦信号，这种类型的噪声生是由于中短广播频段的广播电台引起的，白天和晚上该噪声对信号的影响是不同的。(3)与工频异步的脉冲性周期噪声(PCriodiCimpu1.senoiseasynchronoustothemains)：这些脉冲大多数状况卜的重复频率在50KHZ到200KHZ之间，从而导致了在频谱上有很多重宏频率间隔的离散的线。这类类型的噪声主要是由电源设备的开关引起的。(4)与工频同步的周期性脉冲噪声<periodicimpu1.senoisesynchronoustothemains)：这种脉冲的重耳频率为5()HZ或者I(M)HZ,和电源的周期是同步的。他们具仃很短的持续时间，并11功率谱密度是随着频率下降而下降的。这种类型的噪声主要是由供电设备的操作和电源周期同步引起的。(5)异步脉冲噪声(asynchronousimpu1.senoise)：主要是由于电力线网络中的开关瞬间引起的一种噪声，这种噪声持续从几微秒到几亳秒，间隔时间是随机的，这种噪声的功率谱甚至可以高出背足噪声5()dB.如何精确地建立有效的电力教波通信信道传辘模型，降低噪声对电力线通信的干扰，对于电力载波通信技术的发展和应用支持具有重大理论意义和好用价值。因此，本课题着重探讨精确地仃效的电力载波通信信道传输模型和有效的抗噪声干扰技术.二、国内外相关技术探讨作为通讯技术的一个新兴应用领域,电力数波通讯技术以其迷人的前景及潜在的巨大市场而为全世界所关注,成为世界各大公司及探讨单位争相探讨的热点。国外很多闻名公司和探讨堆位都在对此进行探讨.并开发出相对应的器件和产品,如：Inte1.k)n、ThOmSOn、A1.meI、ItrOn、Ds2等等。随着P1.C的发展,相继成立了相关的一些国际性P1.C组织,如由3ConuAMD公司发起组织的HomeP1.Ug电力线联盟,该联盟已制定了第一个标准草案(HOmCP1.ug1.0Specification).我国探讨低压电力线载波技术起步较晚,但发展速度较快。中国电科院1997年起先探讨低压电力线载波技术，2()(X)年起先引进国外的P1.C芯片.研制了2Mbps样机“2(X)1年下半年进行了小规模现场试救,取得较好试验效果.2(X)3年胜利研制了EP1.C-45M和EP1.-14系统。另外,一些高等院校的电力系、通信系也对P1.C进行理论探讨.如华中科技高校电力系对时变信道的信号均衡取得了肯定的进展。此外，些企业也在对P1.C技术进行探讨,如深圳国电有限公司、福建电力公司、中电飞华公司等都引进国外芯片进行P1.C探讨。2.1 信道建模技术确定信道建模牢轼性和精确性的2个重要因素是模型参数和建模算法。依据模型参数的获得方法，建模方法可分为白顶向下法和自底向上法。白顶向下法的又分为两类：一类是符电力线信道看成一个整体，通过各种参数拟合算法得到所需的各种参数：其次类是将传输线系统看作一个二端口网络，通过求解传输矩阵来建立信道模型。与上述方法相对应的白底向上法，基本思想是依据网络的实际接线，考虑阻抗不匹配点的反射和衰减来建立信道模型。信道建模技术中的自顶向卜法最早采纳此方法并进行仿真验证的是1999年PhiIiPPS提出的电力线多径传输模型。其指出由于信号在阻抗不匹配点会产生反射，因此从信号放射点到达信号接收点间的波不止一条通路，由多条路径重福而成，因此电力线传输信道可以用多径传输模型来建模.文献中提出一种自低向上的一种建模方法，但是该方怯要了解低压配电网络中全部元件的特性，然后建立传输矩阵，须要大量的计算显，文献中则提出一种自顶向下的建模方法，该方法只须要少量的几个参数就可以模拟低压电力线传输特性。信道建模技术自顶向下法（1）二端口网络一种方法是将传输线系统看作二端口网络如图1,通过求解传输矩阵来建立信道模型。由于二端口网络级联时传输矩阵可表示为一系列矩阵的乘枳形式，因此能很便利地对网络拓扑发生变更时的传输特性进行分析。用二端口网络级联模型求解传递函数，参数简洁求得，I1.能很便利地对网络拓扑发生变更时的传输特性进行分析：但由丁该方法并未考虑信号在不同电力线间传输时多径、时延等特点，因此模型精确度不高。图2-1二端口网络（2）多径信号传播由丁信号在电力线传播过程中，会在不同节点之间反射和折射，从而导致r具有频率选择性衰落的多径状况。下面两点传输过程中有一个节点的状况。如图2。ACooB图2-2多径传像示意图假设相关的阳抗已经匹配，则上面的状况会导致信号传输过程中产生多径效应。即(A->B->C,A->B->D->B->C)在对全部可能通路进行分类时，设定发送端和接收端的阻抗匹配，对信号的传输路径进行了极大的简化。知道路径的延时和电缆损耗就可以建立模型。但它的扩展性差。当电力拓扑发生变更时，须要对通路进行重新分类,且通路类型随若拓扑困难程度的增加而增多。(3)信道建模技术自底向卜法Uo)与自顶向下法相对应的是自底向上法。该方法依据网络的实际接线，考虑附抗不匹配点的反射和衰减来建立信道模型.该方法计算量大，但建模物理概念清晰，便于分析各种影响信道传输特性的因素及其影响规律，且适用性强，对不同的电力拓扑均能快速精确地确定其传递函数。Ga1.1.i等早在2006年考虑实际网络接线UI对简洁的电力拓扑中波的传输路径进行了分类.该方法建模物理概念清晰，供应/一种完全不同于参数模拟建模思路，但是，在实际状况下，由于负载阻抗的时变性和困难性，不能同线路特性阻抗完全匹配，因此本建模方法好用性差。现在高速电力线通信(P1.C)系统已经向家庭网络发展.但是，室内AC主线的传输特性还不是很清晰。2.2 载波调制技术即抗干扰技术传统的低压电力线我波通信一般采纳领带传输,也就是用我波调制的方法将携带信息的数字信号的嫉谱搬移到较高的载波顽率上。其基本的调制方式分为他值键控(ASK),嫌率键控(FSK),相位键控(PSK).在此基珈上,又派生出/差分移相键控(DPSK),最小移频键控(MSKMinimumShiftKeying),四相移相键控(QPSKQuadriphasc-ShiftKeying)»正交幅度调制(QAMQuadraturcamp1.itudemodu1.ation)?»低压电力线载波通信已从传统的频带传输(幅移钺控ASK:AmP1.iIUde-ShifiKCying濒移键控FSK:Frequency-ShiftKCy-ing湘移键控PSKzPhase-ShiftKeying)发展到了扩频通信(SSC)技术、多载波正交频分多址(OFDM)技术术以及运用高速光纤的光波分笈用(WDM:WaVe-Ie呷hDivisionMUItiP1.eXing)技术等。扩频载波通信(SSC)原理“2】简洁地说,扩频通信(SPrCadSpcctnimCOmmUniCa1.iOn)是用伪随机编码(扩频序列:SpreadSCqUCnCC)将待传送的信息数据进行调制,实现频谱扩展后再传输.在接收端则采纳同样的编码进行解调及相关处理。就低压电力载波通信而言,应用扩领通信的主要优点如下：(1)抗干扰实力强,适合在低压电力线这样的恶劣通信环境下实现牢靠的数据通信。可以实现码分多址(CDM.A:CodeDivisionMu1.tip1.eACCeJiS)技术,在低压配电网上实现不同用户的同时通信.(3)信号的功率谱密度很低,具有良好的隐藏性,不易被截获。就扩展频谱方式的不同.扩频通信系统可分为：干脆序列(DS:DirectSeqUenCy)扩频.跳频(FH:FrequencyHOPPing).跳时(TH:TimeHopping),<性调频(Chirp)以及上述各种基本方式的组合,如:FHDS,DSTH等。就扩频技术的.真正全面探讨是从50年头美国麻省理工学院胜利研制的NOMAC系统(NoiSeMOdUIaUonandCorre1.ationSyStem)起先的。19