丁国华 李鸣华术
摘 要 论文介绍了利用遍布城乡的电力线作为通信介质，在其上构筑高速数据通道，为用户提供高速互联网+访问、视频点播、IP电话等服务。叙述了利用电力线通信（PLC）这一技术将电脑、电话、音响、电冰箱等家用电器连成一体，实现集中控制，也可以连接多台电脑，构造家庭局域网。还具有自动抄表、家庭远程监控、医疗急救、防火、防盗等功能，以及应用范围广、速率高、安装方便、使用灵活等优点。论文还讨论了PLC的有关技术及应用前景。
关键词 电力线通信 宽带接入 电力猫
1 引言
从1999年起，电科院就开始对高速PLC进行研究，并在2001年8月，在沈阳建立了第一个实验网络。又从2001年12月起，国电通信中心开始组织国内外厂商在北京居民区开展PLC应用试验，这些公司包括韩国的Xeline（14Mb/s系统）、瑞士ASCOM公司（4.5Mb/s系统）、美国Leap公司（14Mb/s）、西班牙的DS2公司.福建电力试验研究院（10Mb/s系统），以及电科院（14Mb/s系统）等。随着研究的深入，PLC也向更高速率发展。例如将速率提高到100Mb/s，甚至200 Mb/s。届时，高速PLC将为宽带接入通信作出更大贡献.本文试图从高速PLC的主要技术、网络结构模式、主要优势、存在问题等方面对这一技术的发展和未来进行阐述。
2 电力线通信的主要技术
近几年国内外开展的利用低压电力线传输，其速率在1Mb/s以上的PLC技术，称为高速PLC。高速PLC利用1.6M~30M频带范围传输信号。在发送时，利用GMSK（高斯滤波最小频移键控）或OFDM（正交频分多路复用）调制技术将用户数据进行调制，把载有信息的高频加载于电流,然后在电力线上进行传输；在接收端，先经过滤波器将调制信号取出，再经过解调，就可得到原通信信号, 并传送到计算机或电话，以实现信息传递。目前可达到的通信速率依具体设备不同在4.5M~45M之间。PLC设备分局端和调制解调器，局端负责与内部PLC调制解调器的通信和与外部网络的连接。在通信时，来自用户的数据进入调制解调器调制后，通过用户的配电线路传输到局端设备，局端将信号解调出来，再转到外部的Internet。该技术在不需要重新布线的基础上，在现有电线上实现数据、语音和视频等多业务的承载，也就是实现四网合一。终端用户只需要插上电源插头，就可以实现因特网接入，电视频道接收节目，打电话或者是可视电话。
LC传输技术，是为提供端到端接入而设计的。它贯穿了从家用电源插座和最终用户终端到电信网络的入口点。PLC技术利用室内电源线网络将IP包从用户PC传送至一个家庭室内入口点的集成器，在这一入口点，另外一个传输段利用低压配电网将数据传输至同时为多个家庭提供电源的变压器。PLC技术主要包括以下几个要素：
（1）电力线网络单元（PNU）
PNU负责控制电力线网络并从单元配电网集成话务。通过适当的电信干线接口，PNU再将话务传至馈电网络。根据馈电网络中使用的不同介质，PNU也可转换来自低压配电网的数据话务。
（2）电源线网络终端（PNT）
PNT为最终用户PC或其它用户提供适当的接口，如以太网或是USB。为了降低成本，这一独立设备能够和PC或其他设备相集成。
（3）耦合设备（CouplingUnit）
耦合设备是将信号传入线路并过滤噪音的。目前它还是一个使用插销插入电插座的相对独立的设备，今后它可能会和PLC调制解调器集成于一体。这个集合体有一天将使 PC可能直接在网上运行。
（4）正交频分多路复用技术（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM技术）
电力线上网采用的是这种多路复用技术，可以提高电力线网络传输质量。它是一种多载波调制技术。传输质量的不稳定意味着电力线网络不能保证如语音和视频流这样的实时应用程序的传输质量。然而对于传输突发性Internet数据流，它却是个理想的网络。即便是在配电网受到严重干扰的情况下，OFDM也可提供高带宽并且保证带宽传输效率，而且适当的纠错技术可以确保可靠的数据传输。
2 电力线通信的网络结构模式
近期，国电科技推出了200Mb/s高速PLC通信系统，这是我国电力通信工作者多年努力的结果。该系统具有结构简单、成本低等特点，而且这种电力线通信系统的网络结构支持两种模式，一种是主从式网络，即在网络内有一主节点（access master），其他的PLC 终端（如：access slave、repeater）作为从节点，所有从节点间不能直接通信，从节点间的通信均通过主节点来完成；另一种是对等网络，即网络内所有设备（In-home）都是平等的，他们之间是直接通信的。这种方式多用于小范围内组网的应用，如家庭内部组网。
200M电力线通信有以4种工作模式：
① 头端路由器（access master）
② 用户终端（access slave）
③ 转发器（repeater）
④ 家用终端（In-home）
现分别介绍他们：
（1）头端路由器
头端路由器是PLC网络的主控节点属公用设备，它通常位于中压/低压变压器附近，负责管理控制每个与它直接通信的PLC设备，并负责进行外部宽带网与PLC网络之间的信息交换。
（2）用户终端
用户终端是PLC网络的从节点，它是用户通信终端设备，通常位于用户的电源插座附近。CPE的通信必须通过头端路由器管理。
（3）转发器
转发器分为时分转发器与频分转发器两种，时分转发器由单个PLC通信模块构成，转发前后的信号都工作在同一频段，但转发数据的接收和发送不能同时进行。而频分转发器由两个PLC通信模块，并它们工作在不同的频段。其中一个PLC通信模块与在转发前的设备工作在同一频段，并负责于其通信，另一个PLC通信模块与转发后的设备工作在同一频段，并负责于其通信，转发数据的接收和发送能够同时进行。
（4）家用终端
家用终端只能应用对等网络，任何一个支持用户终端模式的200M PLC设备都可工作在家用终端模式，但当设备在家用终端模式时，它只能与其他家用终端或转发器进行通信。而不能与头端路由器、用户终端通信。
3 电力线通信的主要优势
电力线上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。可以节省了巨大的新增投资。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25094.16Km，220Kv线路107348.06Km，加上 110Kv线路共计310000Km，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。
用PLC上网需要增加的设备有两种：PLC的局端设备以及PLC调制解调器。其中，PLC调制解调器放置在用户家中，局端设备一般放置在楼宇的配电室内。随着上游芯片厂商在14M产品技术上相对成熟，目前PLC设备的整体投入在不断下降，当前14M的PLC Modem 产品，其成本价已经降低到与ADSL猫相仿的水平，而局端设备则便宜很多。由于一般一个局端拖带PLC调制解调器的规模为20～30台，因此，随着用户的增长，局端设备可以随时进行动态增加。这一点对于运营商来说就意味着，他可以不必在设备采购初期投入巨大的资金。因此也有宽带网络接入“最后一公里”最具竞争力的解决方案之称。利用电力上网全天候在线的特点，可轻松实现数据、语音、视频以及电力于一体的“四网合一”！更可以在智能家用电器控制、数字化社区服务、小区安防等领域大显身手。
电力线接入不仅仅应用于室外，而且能够对家庭联网提供支持，提供高速的家庭网解决方案，人们可以尽享由PLC技术带来的家庭音、视频网络，多人对抗游戏等娱乐。它又是家居自动化的能手，通过遍布各个房间的墙上插座将智能家电联网，提前享用数字化家庭的舒适和便利。
4 电力线通信存在的缺点
（1）存在衰减
在家庭的不同插座接入计算机，上网速度会不同，当你的计算机所接的插座和电表之间有大功率电器（如空调）开启会影响网速。这并不意味着PLC技术存在问题，因为已经有相应的设备去解决这一问题了，通信研究所的带宽稳定装置就是一种。
（2）大部分情况下，PLC数据需要通过电表传输，带宽往往在这里产生非常大的衰减，这成为PLC的主要技术瓶颈之一
PLC的带宽是否在电表处形成衰减，主要问题在于电表的设计，而不是PLC自身的技术因素，不同电表设备提供商的电表设备是不同的，主要是电容器的位置问题，特别是对于电容器置前的电表产品，由于会使高频信号发生短路。
（3）噪声大、安全性低
出现这种情况的主要原因在于，电力系统的基础设施并不具备提供高质量数据传输服务的功能，而且，由于家庭电器产生的电磁波会对通信产生干扰，所以使用电力线进行通信时经常会发生一些不可预知的错误，不过这些问题已经在努力解决之中。另外，由于电力线进行上网服务是一种“共享带宽”（shared bandwidth）技术，所以用户上网时的速度，会取决于当时有多少用户上网。
（4）利用电力线上网的信息安全问题
因为电力系统的基础设施和使用特性决定了它是一个开放性结构，虽然采用了技术保护措施，但还不能保证其信息的安全。其次，还存在着带宽的拓宽问题。虽然，利用电力线上网信息传送速度可能达到10Mbps左右，但相对于比较成熟的以太网接入技术，电力线上网技术必须寻求宽带拓宽的空间。因为以太网接入技术的带宽拓展性非常好，它的带宽可以拓宽到100M，甚至1000M。如果电力线上网不能解决带宽的拓展问题，在与其它接入方式的市场竞争中就会有被淘汰的危险。
（5）不能解决传输带宽的问题
PLC与电话线上网从本质上来讲并没有区别，都是利用铜线作为传输媒质。而铜线上网的最大问题就是不能解决传输带宽的问题，这是电力线上网面临的首道关卡。虽然 PLC试验网络接入速度较快，不但远远超过普通拨号和ISDN，也已超过ADSL，上网桌面速率达到2Mb/s。但这个速度只是理想情况下的最高速度，若同一地区多个用户同时上网，则数据传输速度将会相应地降低。电力线上网是一种共享的带宽，如果将这些资源分配到每一个具体的用户桌面，就成了窄带的概念。电力线上网就是铜线上网，在铜线上不可能无限制地提升传输数据通信容量的潜能。但是如何使其潜能充分发挥，则是摆在我们面前的一个重要课题。
五、总结
其一，电力线上网作为一个新生的事物，虽然面对的是激烈的市场竞争，最近国电科技推出的200Mb/sPLC接入解决方案不仅具有布线简单、电磁辐射低、价格便宜等优点，更在接入带宽和稳定性方面有了重大突破，具有强大的市场竞争力和广泛的市场应用前景。200Mb/sPLC接入解决方案一旦进入商业化阶段，将会促进电信市场的变革，并给互联网普及带来极大的发展空间。其二，针对目前高速PLC通信系统中存在的问题，加以研究和克服，这是各国同行们所努力投入和关注的。例如，利用位于中压变电站和低压变电器之间的中压配电网传输高于10Mb/s信号，越来越被人们所重视。其三，无论速率提升受到何种程度限制，分布极广。渗透到每个家庭、每座工厂、每幢大楼的电力线资源，充分地将通信潜力能发扬广大，这是人类通信史上重大进步，其前景肯定是光明的。
参 考 文 献
[1] www.forum.com.
[2] 赵丙镇. 电力线高速通信的技术及现状. 中国电力报. 2004-01-07.
[3] 赵丙镇、王丽平. 高速PLC技术应用前景十分看好. 中国电力报. 2001- 10-25.
[4] 赵强. 电力线高速通信技术初探. 电力系统通信. 2003,(1)25-27.
丁国华 在读研究生，主要研究方向为无线电通信。
李鸣华 副教授，系主任，长期从事通信工程教学和研究工作。