時間：2023-05-29 17:40:25
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇電力線通信，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
論文摘要：隨著社會信息化程度的提高，網絡已成為人們生活中不可缺少的一部分。網絡接入帶寬迅速提升，以適應大容量、高速率的數據、視頻、語音等高質量的信息傳輸與服務。目前常用的寬帶接入方式有電話撥號（即XDSL）方式、有線電視線路（CableModem）方式、雙絞線以太網方式，隨著科技的迅速發展，電力線通信已成為一種新型的寬帶接入技術，并且有著良好的發展前景。
電力線通信簡稱PLC（PowerLineCommunication0）是利用配電網低壓線路傳輸多媒體信號的一種通信方式。在發送時利用GMSK（高斯濾波最小頻移鍵控）或OFDM（正交頻分多路復用）調制技術將用戶數據進行調制，把載有高頻信息的高頻加載于電流，然后再電力線上傳輸，在接收端先經過濾波器將調制信號取出，再經過解調，就可得到原通信信號，并傳送到計算機或電話，實現信息傳遞。類似的電力線通技術信早已有所應用，電力系統中在中高壓輸電網(35千伏以上)上通過電力載波機利用較低的頻率以較低速率傳送遠動數據或話音，就是電力線通信技術應用的主要形式之一，已經有幾十年歷史。
PLC接入設備分局段設備和用戶端PLC調制解調器。局段負責與內部PLC調制解調器的通信和與外部網絡連接。在通信時來自用戶的數據進入調制解調器后，通過用戶配電線路傳輸到局端設備，局端設備將信號解調出來，再轉到外部的Internet。該技術不需要重新布線，在現有低壓配電線路上實現數據、語音、和視頻業務的承載。終端用戶只需插上電源插座即可實現因特網接入，電視接收、打電話等。同樣電力線通信技術也可應用于其他相關領域，對于重要場所的監控和保護，一直需要投入大量的人力和財力，現在只需利用電源線，用極低的代價更新原有監控設備即可實現實時遠程監控。目前電力系統抄表,基本上主要依靠人工抄表完成。人工抄表的準確性、同步性難以保證。同時由于抄表地點分散，表記數量眾多，所以抄表的工作量巨大。基于電力線路載波(PLC)通信方式的自動抄表裝置，由于不需要重鋪設通信信道，節省了施工及線路費用,成為現代電力通訊的首選方式，使得抄表的工作量大大減少。近年來居民小區及大樓朝智能化發展，現在的智能化建筑已經實現了5A。但是這些不同的系統自動化需要不同的網絡支持；給建設和維護網絡系統帶來了巨大的壓力。借助電力線通信技術，無論是監控、消防、樓宇還是辦公或者通信自動化都可以利用電力線實現，便于管理和擴展。
電力線通信主要優勢：
電力線通信有無可比擬的網絡覆蓋優勢，我國擁有全世界排名第二的電力輸電線路，擁有用電用戶超過10億，居民家里誰都離不開電力線；顯然連接這10億用戶的既存電力線是提供上網服務的巨大物質基礎。在廣闊的農村地區，特別是那些電話網絡不太發達的地區，PLC更有用武之地，畢竟電力網規模之大是任何網都不可比擬的。雖然這些地區上網短期需求量并不大，市場發展成熟較慢，但會存在電力線上網先入為主的局面，對PLC的長遠發展和擴展非常有利。
電力線通信可充分利用現有低壓配電網絡基礎設施，不需要任何新的線路鋪設，隨意接入，簡單方便的安裝設備及使用方式，節約了資源和費用，無需挖溝和穿墻打洞，避免了對建筑物和公共設施的破壞，同時也節省了人力，共享互聯網絡連接，高通訊速率可達141Mbps（將未通過升級設備可達200Mbps）。PLC調制解調器放置在用戶家中，局端設備放置在樓宇配電室內，隨著上游芯片廠商14M產品技術相對成熟。PLC設備整體投入不斷下降，據調查當前14M的PLCModem產品其成本已降到普通的ADSL接入貓相仿的水平，而局端設備則更便宜。由于一般一個局端拖帶PLC調制解調器的規模為20-30臺，因此隨著用戶的增長，局端設備可以隨時動態增加，這一點對于運營商來說，不必在設備采購初期投入巨大的資金。因此也有寬帶網絡接入最后一公里最具競爭力的解決方案之稱。
電力線通信的缺點
傳輸帶寬的問題。PLC與電話線上網從本質上講并沒有區別，都是利用銅線作為傳輸媒質，銅線上網的最大問題是不能解決傳輸帶寬問題。雖然14M的產品已經成熟，但電力線上網是共享帶寬，若同一地區多個用戶同時上網則數據傳輸速度將會相應降低，如何保證用戶能夠獲得足夠帶寬成為挑戰噪聲安全性問題。由于電力網使用的大多是非屏蔽線，用它來傳輸數據不可避免的會形成電磁輻射，從而會對其它無線通信，如公安部門或軍事部門的通信造成干擾；再次電力線上網存在不穩定的問題，家用電器產生的電磁波對通信產生干擾，時常會發生一些不可預知的錯誤。與信號潔凈特性恒定的Ethernet電纜相比，電力線上接入了很多電器，這些電器任何時候都可以插入或拆開，并機或關閉電源。因而導致電力線的特性不斷變化，影響網速。
衰減問題。與以太網接入或者ADSL接入不同，盡管PLC接入可以選擇家庭內任意電力插座聯接到Internet，但是就目前而言，由于衰減因素仍然存在，不同接入點的帶寬是不一樣的，如果家庭比較大，那么在最遠處接入，帶寬衰減將非常明顯。其次大部分情況下，PLC數據需要通過電表傳輸，帶寬往往在這里產生非常大的衰減，這成為PLC的技術瓶頸之一，有專家表示主要問題在于電表的設計，而不是PLC自身的技術因素，但由于電表是既有產品，不可能對其大規模換用，所以只能通過PLC產品自身技術來克服PLC衰減問題。
目前我國在沈陽及北京多個小區開通了多個PLC接入試驗網絡，主要以2M和14M帶寬接入為主。由于法律、服務、技術指標等影響，還沒有大規模的商用PLC系統投入使用。隨著科技的進一步發展，相關技術將逐步得到有效解決。最近國電科技推出的200Mb/sPLC接入方案具有布線簡單，電磁輻射低，價格便宜等優點，在接入帶寬及穩定性方面有了重大突破，具有強大的市場競爭力和廣泛的市場前景。電力線通信技術畢將得到廣泛應用發展。
1.1噪聲干擾強而信號衰減大
突發性噪聲（由于用電設備的隨機斷開或者隨機接入而產生）、周期性噪聲（由脈沖干擾而產生）、背景噪聲（在整個通信頻帶均有分布）是三種主要影響到電力線載波通信的噪聲。
1.2通信信道的頻率選擇性
由于低壓配電網中存在著噪聲強度大、噪聲種類多、負荷情況復雜、負載變化隨機、負載變化程度大等特點而導致信號出現駐波、諧振、反射等現象，或多或少都會造成信號被衰減，因此，通信信道務必要具有較強的頻率選擇性。
1.3通信信道的時變性
由于載波信號在低壓電力線是不能均勻分布的，再加上在低壓配電網的任意位置，不同的電力負載可以不同的電力負載，這樣一來，就讓通信信道出現較強的時變性。
2低壓電力線通信技術概述
2.1電力線載波通信技術分類
通常而言，電力線載波通信可分為兩大類，分布是窄帶電力線載波通信（通信速率小于1Mbit/s，帶寬限制為3-500kHz）和寬帶電力線載波通信（通信速率大于1Mbit/s，帶寬限制為2-30MHz）。基于頻帶傳輸技術來看，電力線載波通信可分為擴頻傳輸和頻帶傳輸。主要的擴頻傳輸包括：OFDM（正交頻分復用）、DSSS（直接序列擴頻）、調頻等，其中，OFDM（正交頻分復用）的應用最為廣泛。OFDM（正交頻分復用）是一種高速傳輸技術，多用于無線環境下，它的思想是在將給定信道在一定的頻率內將其分成若干個正交子信道，一個子載波來調制一個子信道，各子載波并行傳輸。這樣一來，雖然總信道是有頻率選擇性，非平坦的，但是每個子信道是相對平坦的，可讓信號波形間的干擾得到大幅度降低，且還會讓頻譜利用率得以提高。再加上信息傳輸的可靠、穩定性可以通過信道編碼、前向糾錯、自動重發、交叉糾錯等技術來予以保證，所以，OFDM（正交頻分復用）目前已經成為了主導的電力線通信方式。
2.2低壓電力線載波通信技術難點
由于大范圍的線路阻抗、線路衰減，低壓電力線載波通信技術也存在著一些較難解決的技術問題，這就需要我們加強研究自適應均衡、自適應濾波等一系列模擬前端技術，同時，還要進一步研究在穿越變壓器和變壓器跨相方面的低壓載波通信技術等，這些都離不開對外干擾標準的制定。低壓電力線載波通信實現低價格、高性能的關鍵在于制造、設計出性能穩定的專用芯片，這也是目前微電子行業需要努力的方向。
3低壓電力線載波通信組網方式
眾所周知，低壓電力線網的物理結構、網絡拓撲結構較為復雜，就存在著較多的時變性和未知性，這樣一來，就很難讓低壓電力線完成組網應用工作。本文希望能夠利用一種簡單的方法來將網絡的邏輯拓撲結構找到。這種方法從主載波節點開始，將網絡中的全部從載波節點都找遍，最終找出孤點，以便能夠將網絡邏輯拓撲結構予以確定。假設此網絡中的從載波節點有a個，主載波節點有1個，那么基本步驟如下：
（1）主載波節點將測試輪詢包向a個從載波節點發出。假定接收到測試輪詢包并回復的從載波節點有b個，那么就能夠將那些會與主載波節點進行直接通信的從載波節點在第一時間內找出。如果a=b，那么輪詢過程就會自動結束。
（2）1-b個載波節點將測試輪詢包向剩余的從載波節點發出，假定接收到測試輪詢包并回復的從載波節點有c個，那么就能夠將那些會與主載波節點進行直接通信的從載波節點在第一時間內找出。如果c=0，那么說明剩下的節點為孤點，既不能連接第一層從載波節點，又不能直接連接主載波節點，那么輪詢過程就會自動結束。如果0<c<(a-b)，那么又會再次按照前述程序來將測試輪詢包向剩余的從載波節點發出，直到c=0為止。如果c=(a-b)，那么則說明可以間接或者直接將全部讓載波節點與主載波節點相連，那么輪詢過程就會自動結束。基于此算法可以將一組網絡節點的邏輯拓撲結構找出，不是唯一的通信路徑，而只是一種中繼策略。
4仿真實驗與結果分析
為了對這種邏輯拓撲結構算法的有效性和可行性進行有效地嚴重，利用載波機來將測試網絡搭建好，對子節點位置、節點總數、中繼節點、網絡層數等進行人為改變，然后對此邏輯拓撲結構建立完成所花費的時間及各種不同情況下輪詢次數進行統計計算。結果表明：一次點對點輪詢的時間通常為0.5s。
5結語
目前國內外對于PLC的應用中，主要分為兩種不同的模式。一種是以美國為代表的一些國家所使用的戶內聯網技術，這種方式是利用室內電源線，來實現家庭內部的計算機聯網以及各電器之間的智能聯網，戶外的訪問則使用較為傳統的通信模式。另一種應用模式則廣泛應用于歐洲以及亞太地區的用戶，主要是戶外的接入模式，利用220伏或是380伏的線路來實現從樓內的總配電室接到每個用戶的接入方式，從而使配電變壓器能夠高速地傳入到用戶家庭。這兩種通信技術的使用環境不盡相同，且戶外接入模式相對而言有較高的難度，因此目前能夠提供出這種方案的公司數量不多，PLC技術應用大致分為以下幾種：
1.1家庭用上網
家庭用上網是目前電力線通信技術應用最為廣泛的領域之一，我國的電力線光纖已經覆蓋了各大城市，在不久的將來更將會覆蓋到全國城市。2001年5月，國家信息產業部也正是批準了國家電力通信中心的ISP申請，允許電力通信中心在全國的范圍內經營網絡用戶接入以及電信增值的業務。
1.2家庭自動化
家庭自動化是PLC技術在未來發展中最具有潛力以及開發空間的應用領域之一。人們可以將冰箱、電視、電腦、空調等家用電器通過電力線來實現聯網控制，伴隨著PLC技術的不斷發展，極具想象力的家庭自動化電氣設備必然能夠為人們將來的生活帶來極大的便捷。
1.3自動化抄表
電力線通信技術在局部范圍內的覆蓋面極廣，所以利用電力線通信技術來實現電表、水表以及煤氣表的自動抄表已經成為了人們正在著力研究的課題之一。
二、電力線通信技術的優勢
人們的工作和生活居住的房間都會有電線的插座，即使在偏遠的山村地區，也會優先發展電力產業，這一切都使得民用電力線路能夠成為最為方便且普及的聯網方式。對于每一個家庭來說，電力網絡都是不需要重新搭建而是現成就有的，所以在應用PLC技術的過程中投資相對較少。家庭組網的最終目的就是為了能夠控制家電設備，在家電電子設備上加裝一根網絡線是非常困難的，所以目前人們正在著力研究解決方案，而PLC技術幾乎成為了人們的必然選擇。與其他幾種網絡接入方式相比，PLC技術具有以下明顯的優勢：
2.1投資較少
PLC是利用已有的室內移機樓內的配電線路來進行通信的，樓內任何一個插座都可以成為通信的節點。這樣一方面能夠有效地避免大規模綜合布線所造成的投資，另一方面還可以避免因開通率低以及信息點布設不合理所造成的浪費。
2.2工程實施過程簡單
在工程實施的過程中，電信商可以充分利用室內現有的低壓配電網基礎來實現網絡接入，從而避免了室內布線、挖溝、穿墻以及打洞等過程，不需要對建筑物或工程設施進行破壞，從而大大增加了施工的進度。
2.3使用方便
與通常意義上的只有一個接口的以太網或是ADSL網絡相比，安裝了高速PLC通信技術的用戶可以在家庭中任意一個電源插座上進行寬帶連接實現上網，操作使用更加方便。6M的寬帶足夠人們使用語音、數據以及圖像等業務。
2.4支持多種應用同時使用
PLC技術能夠為用戶提供一種價格低廉但卻高速的因特網訪問、電話寬帶業務，使用戶的上網以及通話都有了新的使用方式，大大提高了運營商的企業競爭力。
2.5為用戶提供新業務平臺
關鍵詞:PLC;直接序列擴頻;調制;FPGA
中圖分類號:TN911 文獻標識碼:B
文章編號:1004-373X(2010)03-114-02
Design of Power Line Carrier of Spread Spectrum Communication Modulator
ZHANG Rongjuan,LIU Damao
(College of Physics & Information Engineering,Fuzhou University,Fuzhou,350002,China)
Abstract:Power Line Carrier(PLC) is the tendency in the automatic meter reading system.By means of PLC,extra communication channels are no need in signal transmission,cutting the cost of building communications network,with real economic benefits.However there are many difficulties in communication through power line,such as sharp signal attenuation,high noise,time-varying impedance.Designing a powerful PLC modem becomes a challenge in the communication field.An implementation of direct-sequence spread spectrum system transmitter is presented,which is designed with Verilog HDL language.
Keywords:PLC;direct sequence spread spectrum system;modulation;FPGA
直接序列擴頻通信系統中,接收端與發送端必須實現載波同步、PN碼同步,才可以正常工作。同步系統是擴頻通信的關鍵技術。通常擴頻通信系統的解調電路很復雜,本系統為了使解調電路簡單化,采取基帶信號速率與擴頻碼元周期同步同速的特殊措施,省去了解調電路中復雜的載波恢復電路。
1 本擴頻系統的調頻解調原理
調制端的輸出信號如下式:
u(t)=g(t-nTc)SPN(t-nTb)cos(ωt+φ0)
式中:g(t-nTc)為基帶信息;SPN(t-nTb)為PN碼;cos(ωt+φ0)為載波;ω為載頻;φ0為初相。
在實際電路中,Щ帶信號g(t)和擴頻碼SPN(t)都是0或1的信號。因此,u(t)的輸出可以通過g(t)和SPN(t)У哪2加的結果對載波進行BPSK調制實現的。
解調端的輸出信號如下:
u(t)=
S′PN(t-mTb)g(t-nTc)•
SPN(t-nTb)cos(ωt+φ′0)
由于解調端產生的PN碼S′PN(t-mTb)與接收信號中SPN(t-nTb)同步,所以,上式簡化為:
u(t)=g(t-nTc)cos(ωt+φ′0)
本系統的載波,PN碼和基帶信號的速率來自于同一個時鐘源,而且載波頻率和PN碼頻率都是基帶信號速率的整數倍,所以系統在解調端獲得PN碼同步的同時,也獲得了載波的同步。
2 系統總體設計及參數選擇
本系統設計其頂層采用圖形設計方式,各模塊基于Verilog HDL設計。圖1為系統模塊圖。
圖1 系統模塊圖
基帶數據的碼速率為0.806 Kb/s,PN碼速率為25 Kb/s,基帶信號與PN碼相異或輸出信號去調制載波產生BPSK信號,載波的中心頻率為100 kHz。本系統調制電路各部分的時鐘源參數依據系統框圖選擇,晶振頻率是50 MHz,以上各部分的時鐘經分頻后得到。
3 模塊設計及實現
3.1 分頻模塊
本系統發射的基帶數據速率是0.806 Kb/s,PN碼的頻率是25 kHz,正弦波的頻率是100 kHz,所以整個系統所需的時鐘為50 MHz,PN碼所需的時鐘是25 kHz,基帶信號所需的時鐘是0.806 Kb/s。為了更好地實現同步,后面兩者分別經過16×125分頻,31×16×125分頻得到,分頻器通過編程實現。時序仿真如圖2所示。
圖2 分頻器時序圖
3.2 PN碼發生器模塊
采用最大長度線性反饋移位寄存器(m序列)生成擴頻碼字,其本原多項式如下:
f(x)=x5+x2+1
PN發生器的時序仿真如圖3。產生的25-1位PN碼為:
[1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 ]
3.3 直接序列擴頻模塊
直接序列擴頻的實現比較簡單,用PN碼與信息序列模二相加(波形相乘),對基帶信息進行擴頻調制。本設計采用31位的PN碼,需要滿足如下關系Tc=31Tb(Tc為基帶信號周期;Tb為PN碼周期)。擴頻調制的時序仿真如圖4所示。
圖3 PN碼的時序仿真圖
圖4 擴頻調制時序仿真圖
3.4 BPSK調制模塊
本系統數字正弦發生器采用了直接數字頻率合成(DDS)技術。DDS由相位累加器、相位加法器、波形存儲器(ROM)組成。其中,ROM中存放經過采樣、量化處理后的周期連續信號一個周期波形的幅度值[1]。在具體實現中ROM表采用了10位,即1 024個采樣點。利用DDS產生100 kHz的載波,對擴頻信號進行調制。
因此,在本設計中,BPSK的調制通過對擴頻模塊產生的序列對兩路相移為180°的正弦波進行選通來調制,在前面利用DDS產生了兩個正弦波的ROM表,通過擴頻序列對兩張表的數據進行選通,則所輸出波形能夠實現BPSK調制。
在本設計中,擴頻信號與BPSK調制信號的對應關系為:“1”對應180°;“0”對應0°。所以,當數據為1時,選擇正弦波的初始相位為180°;當數據是0時,選擇正弦波的初始相位是0°,這是通過Verilog編程實現的。
4 系統聯合仿真
對各個子模塊設計仿真完之后,把各個模塊進行級聯仿真調試。頂層模塊采用原理圖輸入法,該方法具有直觀清晰的特點。系統級聯圖如圖5所示。
圖5 系統級聯圖
系統級聯的時序仿真如圖6所示。
圖6 系統級聯的時序仿真圖
5 結 語
在FPGA芯片上實現了直接序列擴頻發射系統,由于所有模塊都集成在一個芯片中,提高了系統的穩定性和可靠性。且由于FPGA是一個完全的硬件構架,其中的電路全部由與非門實現,比用傳統的擴頻系統處理速度更快,并且系統可以通過編程來修改升級,具有很大的靈活性。最后,因載波頻率和PN碼頻率都是基帶信號速率的整數倍,所以,系統在解調端獲得PN碼同步的同時,載波也獲得了同步,這樣就大大降低了后端解調器的復雜度,具有實用價值。
參考文獻
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[6]黃載祿,殷蔚華.通信原理[M].北京:科學出版社,2007.
【關鍵詞】海洋通信;電力線載波;ST7538;FSK
1.引言
可控源電磁（CSEM，Marine Controlled-Source Electromagnetic）勘探系統是一種應用于深水區油氣勘探的重要技術手段。其基本方法是通過水面船只拖曳水下電磁發射源，對分布于海底的探測網基點發射大功率周期性的電磁波。通過測量含油氣巖層的電阻率來尋找油氣的高阻異常。[1]
海洋通信無法簡單實現陸上使用的無線電通信，水面船只和水下拖體之間的通信手段大多還依賴于有纜通信。而電力線載波通信（PLC，Power Line Communication）是一種通過電力線實現通信的技術。它最大的特點是在現有電力線纜的基礎上進行通信，不需要重新鋪設纜線。因此，將電力線載波通信應用于可控源電磁勘探系統的水下通信，能有效降低工程成本，具有不可替代的優越性。
2.PLC調制技術
電力線載波通信發展至今，主要有頻移鍵控（FSK）和相移鍵控（PSK）兩種調制方式。其中PSK調相方式調制速率高、速度快，技術實現簡單，但抗噪聲能力差，一旦相位受到干擾，數據無法容錯;相對而言FSK調頻方式雖對窄帶脈沖噪聲比較敏感，但在增加有效濾波的條件下，能實現較高的通信速率，而且調制也相對簡單、容易實現。[2]典型的FSK調制解調芯片如意法半導體（SGS-THOMSON）公司的ST7538系列芯片，通信波特率可達4800bps。
3.通信系統硬件設計
3.1 芯片選型
（1）調制解調芯片ST7538
ST7538是意法半導體公司在電力載波芯片ST7536、ST7537基礎上推出的又一款半雙工、同步/異步FSK電力線載波通訊modem芯片，具有8個工作頻點（60KHz～132.5KHz），接收靈敏度可達1mVRMS，通信波特率最高可達4800bps。另外該芯片還具有過零檢測、看門狗、集成運算放大器等功能。幾乎所有功能都可通過對內部24bit寄存器編程進行配置。因此，是一款性能高，功能全的電力線載波調制解調芯片。
（2）主控芯片STM32
此系統中選用的主控芯片采用意法半導體公司基于ARM Cortex-M3的STM32系列增強型32位處理器芯片STM32F103VCT6（后簡稱STM32），此芯片為100腳貼片封裝，且絕大部分I/O引腳兼容5V TTL電平。STM32F103VCT6采用3.3V低功耗供電，具有256K的FLASH和48K的RAM，最高工作頻率最大為72MHz，I/O口工作頻率可達50MHz，且外設功能豐富，集成有5個USART串口和3個SPI串行通信接口，能很好地滿足設計需求[3]。
3.2 系統硬件設計
圖1 系統硬件模塊圖
電力線載波通信系統硬件包括數據發送端和數據接收端兩部分。
在數據發射端，水上控制臺的PC端將命令和數據通過UART異步串口通信發送給主控芯片（STM32）單片機，通過ST7538將命令和數據調制成正弦FSK信號，信號從ST7538的ATOP1和ATOP2引腳以差分輸出，耦合進載波發送濾波電路濾除雜波，濾波后的信號經耦合變壓器耦合進電力纜線進行傳輸，中間加入防沖擊保護模塊，防止電力線尖峰電壓對信號調制部分造成破壞。
在數據接收端，在水下拖體內，載波信號經耦合變壓器輸入接收濾波電路，同樣加上防沖擊保護設計，經過接收濾波電路去除電力線上的雜波。濾波后的載波信號輸入ST7538的模擬輸入端RAI，經ST7538解調出水上控制臺發送的命令和數據并數字輸出，通過串行異步通信接口發送給主控芯片讀取出來，通過UART異步串口通信發送給水下控制臺。
3.3 接口設計
圖2 ST7538的SPI通信接口設計
STM32和ST7538之間硬件采用I/O引腳模擬的三線SPI串行接口（MISO，MOSI，SCK）相連接，并輔以CD_PD、REG_DATA、RXTX、REGOK、WD和BU六根控信號線實現STM32對ST7538的控制、狀態監測和兩者之間數據交換（見表1所示）。
值得指出的是，本設計中硬件連接接口采用模擬三線SPI串行接口，在軟件實現中，ST7538要求讀寫寄存器必須使用三線（RXD、TXD、CLR/T）的SPI同步通信，而在初始化ST7538時可將其設置為異步通信模式，在接下來的數據傳輸中將采用對ST7538同步時鐘依賴性相對較低的兩線（RXD、TXD）異步通信方式。
此外，在三線模擬SPI同步串行通信中，ST7538必須作為主機，主控芯片STM32作為從機，即通信時鐘由ST7538提供。
4.通信系統軟件設計
4.1 軟件流程設計
左：發送模塊程序流程圖 右：接收模塊程序流程圖
圖3
系統上電后先進行初始化，包括STM32單片機初始化和ST7538的寄存器配置初始化;初始化完成后，將通信模式設置成異步收發模式（RXD，TXD）;之后接收端開始監聽載波接收模塊的數據接收引腳RXD探測端，看是否接收到數據，如果監聽到有數據傳來就接收數據并存入緩沖區;檢測到接收一幀數據完成，就判斷接收到的數據是否符合校驗;若符合便通過串口將接收到的數據發送至計算機終端;若不符合，則舍棄數據幀并報錯，轉入錯誤處理程序部分，處理完成繼續監聽接收信道。
在發送端，在初始化完成以后，將通信模式設置成異步收發模式，單片機監聽串口是否接收到數據，如果接收到正確的數據，則進入中斷接收存入數據緩沖區，并添加校驗位，然后根據設計的載波幀格式對緩沖區數據進行打包，在檢測到載波發送空閑時進行載波發送，發送完成后即進入新一輪的監聽。
4.2 IO口模擬SPI通信設計
SPI通信是一個主從模式的全雙工環形總線結構，由CS、SCK、MISO、MOSI四條線組成，時序比較簡單，是在SCK控制下，兩個移位寄存器進行循環數據交換。
主控芯片STM32和電力線載波調制解調芯片ST7538之間采用SPI三線（RXD，TXD，CLR/T）同步接口連接。為了達到精確控制的目的，我們采用普通I/O引腳來模擬與ST7538之間的SPI通信。由于STM32是3.3VTTL電平，因此所選STM32引腳還要與5VTTL相兼容。
用I/O口模擬的關鍵是根據ST7538的通信特性，即通信中ST7538作為主機，主控芯片STM32按主機時鐘對數據進行移位收發：即時鐘上升沿鎖存或讀取數據，時鐘下降沿刷新數據，并且讀寫都是高位優先（MSB）輸出[4]。下面以寫寄存器為例，給出I/O口模擬SPI的代碼如下：
void Receiver_Reg_Init（u32 data）
{
u8 i=0;
SPI_CR_WRITE（）; //寫寄存器模式
delay_us（100）; //模式切換時間
while（PDin（7） ！= 0）; //確保時鐘處在空閑狀態
for（i=0;i<24;i++） //配置寄存器24個bit
{
if （ data & 0x800000 ） //MSB
{ PBout（6）=1; //MISO=1
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Else
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PBout（6）=0; //MISO=0
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while（PDin（7） ！= 1）{}; //等待SCK上升沿
while（PDin（7） ！= 0）{}; //等待SCK下降沿
}
SPI7_DATA_RECEIVE（）; //回到接受模式
}
5.實驗結果
通信實驗是按照圖1設計的單收單發的載波通信回路，調制信號從發送端經發送濾波電路濾波后差分輸出，經耦合變壓器耦合至電力線，在接收端經耦合變壓器耦合出來，輸入接收端的接收濾波電路。所使用的耦合變壓器是使用外徑65mm，內徑40mm的環形鐵氧體鐵芯，按照阻抗匹配[5]繞制，初級次級匝數比為17：1。為模擬傳輸信號衰減，在接收端對信號做了-10dB的衰減，測量圖像如圖4左圖所示。其中，下線為載波發送波形，上線為接收端收到的波形。接收數據在串口調試助手中顯示如圖4右圖所示。在未加電磁屏蔽條件下，此回路通信正確率不低于23dB。
左：載波圖像 右：串口顯示的接收數據
圖4
6.小結與展望
本文使用電力線載波芯片ST7538，完成了一套簡單易實現的用于可控源電磁勘探系統的電力線載波通信設計。該設計可以實現波特率600～4800，載波頻點60～132.5KHz八頻點可選的載波通信。為可控源電磁勘探系統，乃至所有拖纜式海洋通信提供了一種更為簡單有效且成本較低的通信方式。
本系統選用的ST7538調制解調模塊有8個有效通信頻點，這也決定了系統的可拓展性，即在系統一收一發的載波頻點基礎上，可以通過增加載波頻點，應用濾波多音調制（FMT）和正交頻分復用（OFDM）技術拓寬通信頻帶，以達到更高的通信速率[6]。這些將在后續工作中做進一步研究。
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關鍵詞：低壓、載波、通信技術
【分類號】：TM73
前言
電力線載波通信（PLC）是電力系統特有的、基本的通信方式。對于低壓配電網來說，利用電力線來傳輸用戶用電數據，實現及時有效收集和統計，是國內外公認的最佳方案。但在早期的實際應用中，由于我國電網環境惡劣，電力線信道高衰減、強干擾和波動范圍大等特點，導致數據采集的成功率和實時性不能完全滿足實際通信的需求。近年來，隨著許多新興的數字技術，例如擴頻通信、數字信號處理和網絡中繼拓撲等技術的大力發展，提高和改善低壓配電網電力載波通信的可用性和可靠性成為可能，電力載波通信技術的應用前景變得更為廣闊。
1.低壓電力線載波通信的發展情況
我國的電力載波通信起步較晚，但發展迅速。最早展開研究的是1997年由中國電力科學研究院進行的對我國低壓配電網傳輸特性和參數的測試和分析。到90年代末期，針對國內電網特性而設計的載波處理方案的制定使得早期產品在穩定性上逐步接近實用。2000年我國開始引進國外的PLC芯片，2000年末，國家電力部公司頒布了關于利用電力線載波集中抄表技術的若干條件。國家電力公司國電通信中心于2001年初成立了電力線通信推廣辦公室。2001年底，成功開發了“電力線高速數據通信：技術的核心產品――電力調制解調器及多個相關產品。2002年初，國家電力公司通過電力線上網的試驗，小區用戶反映良好。近些年來，對低壓電力載波通信進行了大量研究，并取得了一定的成果。但是目前國內的相關法律潛還不健全，如何充分發揮開發和利用寶貴的電力網絡資源，實現低壓電力載波通信高速、安全和大規模的應用，仍需要很長一段時間的研究和摸索。
2.系統基本原理
該系統由三個部分組成：終端設備部分、管理中心部分和低壓電力線部分。
系統以低壓電力線作為信號傳輸的媒介，實現終端設備和主控計算機之間的雙向或單向通信。終端設備的信號經過采集等處理后再調制成適合電力線上傳輸的電力信號，通過耦合電路耦合到電力線上進行傳輸。由于衰減太大，該電力信號不能直接跨越變壓器進行遠距離傳輸，一定程度上限制了系統的通信距離。所以管理中心部分和終端設備部分通常處在同一變電站范圍內。管理中心有專門的接收設備，對接收的電力信號先進行解調及其它處理，再通過GPRS或者串口方式將其送到主控計算機。主控計算機會通過程序做進一步的分析和處理，從而實現了主控計算機對終端設備的監測。同樣，主控計算機也可以通過逆向路徑實現對終端設備的控制。
3.在國內的應用
低壓電力線載波通信技術無需占用無線頻道資源、無需布線、省工省錢、維護簡單的優點。隨著社會的發展和電力網絡的開放，低壓電力載波通信技術在我國的應用越來越廣。目前其典型的應用包括家居智能化領域、自動抄表領域以及新型智能化小區領域等等。
在現代社會，隨著城鎮居民數量不斷增多，各個居民小區的數量也不斷增加。為實現小區管理自動化、通信自動化和安全自動化，因此利用低壓電力載波通信技術無可比擬的優越性，設計出各種系統，如水、電、氣的遠程抄表及供應管理系統、停車場管理系統、公共信息顯示系統、室外監控系統等等。
設備監控或報警系統和自動抄表系統很相似，唯一的區別在于系統的核心設備是電力載波模塊，而且該系統能實現實時的雙向通信。在上行通信時，電力載波模塊負責監視各個終端設備（如傳感器、控制器等），并將其狀態信號進行調制處理后耦合到低壓電力線上。在遠處的接收端，同樣有一個載波模塊，負責接收來自下面各個載波模塊的信號并分別對其進行解調等處理后上傳至主控計算機中。如果發生異常或緊急情況，主控計算機會立即發出控制信號，通過相同的路徑向下傳輸，最終實現對終端設備的控制或報警功能。
其實，對于各種商用大廈、辦公大廈、酒店和賓館等，低壓電力載波通信技術同樣具有廣泛應用前景。
4.結論
低壓電力載波通信技術已經逐漸成為通信領域的研究熱點，具有巨大的市場潛力和廣闊的應用前景。
參考文獻
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關鍵字：試驗平臺；OFDM；耦合器；放大器
中圖分類號：TN914.4 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2009）01-0112-03
已有的研究表明，電力線是一種復雜的通信媒體――無處不在的噪聲、負荷變化及一些不可預測的干擾都會嚴重影響信號傳輸的質量。要保證通信質量，提高通信速率，選擇合適的調制方式是一個關鍵問題。傳統的單載波調制系統不適用于高速數據傳輸，因為需要對信道進行多級均衡，設備復雜且收斂性差。多載波頻分復用（OFDM―Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技術，以其抗干擾能力強、帶寬利用率高、結構簡單、成本低等優點，為實現高速低壓電力線載波通信提供了一個有效的解決方案。
一、OFDM定義
正交頻分復用是一種正交多載波調制技術。傳統的數字通信系統中，符號序列被調制到一個載波上進行串行傳輸，每個符號的頻率可以占有信道的全部可用帶寬。OFDM調制方式是將可用的頻譜分成N個頻帶較窄、相對低速率傳輸的子載波，子載波的幅頻響應相互重疊和正交。串行傳輸的符號序列也被分成長度為N的段，每段內的N個符號分別調制到N個子載波上一起發送。也就是說，OFDM是把一組高速傳輸的串行數據流化為低速的并行數據流，再將這些并行數據調制在相互正交的子載波上，實現并行數據傳輸。雖然每個子載波的傳輸速率并不高，但是所有的子信道加在一起可以獲得很高的傳輸速率。
二、OFDM系統的技術優勢
采用OFDM實現高速低壓電力線載波通信主要有以下的技術優勢:
（一）OFDM的結構簡單，成本低
與一般均衡器相比，利用離散傅立葉變換（DFT）對并行數據進行調制、解調，大大降低了系統實現的復雜程度。隨著超大規模集成電路（VLSI）和數字信號處理（DSP）技術的不斷進步，用DFT實現OFDM已付諸實用。
（二）能夠有效地消除ISI及子載波間的串擾
正交頻分復用OFDM本質上是一種通過延長傳輸符號的周期來克服多徑干擾的并行數字調制技術。它將高速串行數據分解為多個并行的低速數據，這樣每路數據碼元寬度加長，從而減少了ISI的影響。例如，一個10Mbps的BPSK碼元的長度只有100ns，而一般電力線中的時延擴展為1μs，這樣接收到碼元會受到10個延時碼元的干擾；OFDM將信道頻帶劃分為100個子載波，每個子載波的單位碼元的長度為10μs，從而大大提高了抗ISI的能力。
（三）有效地降低電力線的衰減特性對載波通信的影響
作為一種信息傳輸媒介，低壓電力線亦具有射頻信道的多徑效應，從而帶來信號的頻率選擇性衰減。OFDM將頻率選擇性衰減引起的突發性誤碼分散到不相關的子信道上，從而變為隨機性誤碼。這樣可利用一般的前向糾錯(ECE)有效地恢復所傳信息。然而，OFDM本身并不能抑制衰減，各子載波在頻域內的位置不同，受到不同程度的衰減影響。OFDM可以根據信道特性進行子信道分配，這樣就能夠保證信號只在誤碼率能夠滿足通信要求的頻帶范圍內傳輸。
（四）頻譜利用率高
OFDM使用正交函數系列作為子載波，子載波的頻譜正交且相互重疊，可使載波間隔達到最小，從而提高了頻帶的利用率。如圖1所示，OFDM信號的頻譜非常接近矩形，因此頻帶利用率可接近香農信息論的極限。在低壓電力線載波通信中，單載波系統的頻帶利用率很少超過80%，而OFDM系統的效率則可接近100%。
三、低壓電力線OFDM 通信系統平臺總體設計
在低壓電力線載波通信中，將OFDM 技術與信道編碼、均衡、同步、解碼等技術相結合，可以組建一個比較穩定可靠的高速通信系統。為了建成一個基于OFDM 的低壓電力線載波通信實驗平臺，考慮軟件模塊和硬件模塊相結合的總體方案。采用軟件模塊在PC 機上實現發送信息的編碼、調制、解調、解碼過程，由硬件模塊實現信號的數模和模數轉換、信號的放大耦合以及信號的上下變頻。發送信號經過寬頻帶功率放大器后由耦合器耦合到低壓電力線中進行傳遞。本文中設計的低壓電力線OFDM 系統平臺如圖2所示，主要由兩大模塊組成，軟件模塊實現信號的處理，硬件模塊實現信號的轉換和傳遞。
（一）OFDM系統設計
從信源發出的信號首先經過級聯編碼，在本系統中，級聯編碼由卷積碼和RS碼級聯而成。經過編碼的信號進入映射模塊，采用DQPSK將信號調制成復信號。將這些復信號送入串并轉換模塊后變成N個子數據流進入到IFFT模塊進入OFDM調制，得到OFDM碼元。為了進一步抑制由信道的多徑性引起的ISI，我們在得到OFDM碼元之后在OFDM碼元中插入保護間隔，實際的做法通常是將OFDM碼元中最后的數據復制到OFDM碼元前，然后形成一個新的OFDM碼元濾波成形，最后發送到模擬前端。
將接收到的信號變成為數字信號，然后經過同步模塊，得到整個系統的時間同步和頻率同步后得到正確的OFDM碼元組，將這些OFDM碼元組中的循環前綴去除，然后送入FFT模塊進行OFDM解調。然后將通過發射端插入的已知的導頻符號進行信道估計和均衡，然后進行解映射和解碼的步驟，得到相應的數據流。
為了達到高速數字通信的要求，系統的數據為2M，電力線信道的延時為2μs，則一般考慮取整個OFDM碼元符號的保護間隔為6μs，取整個OFDM符號的時間為30μs，則每個OFDM符號所攜帶的bit數為數據速率和符號的有效時間之積，即2M*24μs =48bit。由于采用的卷積碼的編碼效率為1/2，則經過編碼之后每個符號對應了96bit，而系統采用QPSK的調制方式，也就是2bit調制成一個復數信號，則每個OFDM符號必須攜帶48路復數信號，也就是在進行OFDM調制時需要將信號串并轉換為48路并行的子數據流分別加載到48個子載波上，子載波的間隔為1/（30-6）μs =41.7kHz。系統除使用48個子載波加載數據之外，還使用8個子載波插入導頻符號，作為信道估計和頻率跟蹤用，同時在兩端流出8個子載波，一共使用64個子載波，則所使用的帶寬為41.7k*64，約為2.67M的帶寬。
（二）高頻寬帶功率放大器的設計
由于低壓電力線網絡是為了傳送50Hz 工頻電功率而設計的，它對于1MHz 以上的信號的輸入阻抗很小。這意味著發送器需要提高發送功率，或者設計輸出阻抗很小的放大器，才能達到將一定功率水平的信號發送到電力網絡中去的目的。已有的試驗結果表明，低壓電力線網絡的輸入阻抗在幾歐至幾十歐之間。因此設計的放大器輸出阻抗必須盡可能的小。
為了實現阻抗匹配，設計輸入匹配變壓器；使用耦合電容來傳輸高頻信號，阻隔工頻電流；采用MOSFET 管芯片 BLF177 實現寬帶功率放大，通過直流電源電路來驅動 BLF177，同時采用去耦阻隔器阻隔來自電源的高頻信號干擾，由于是高頻信號，因此在設計中除了排除外來頻率信號干擾外，還要考慮電路本身各個元件的高頻特性的影響。
（三）低壓電力線OFDM 系統的耦合電路設計
設計一個有效的低壓電力線高速通信耦合電路，主要應該解決以下幾個問題：
1.能夠適應低壓電力網開放式的網絡結構及其動態多變的網絡特性，保證以較低的介入損耗傳輸高頻信號，同時阻止電力線50Hz 的工頻電流進入通信終端。
2.提供足夠寬的帶寬，以及良好的阻抗特性和較小的工作衰減。
3.應考慮到實際應用，裝置應盡量簡易、經濟，便于現場的安裝使用。
低壓電力線載波通信系統中，載波信號耦合方式主要有電容耦合和電感耦合。本文選用電容耦合，屬于直接耦合，電路簡單，傳輸特性較電感耦合更理想，工作衰減小。電容耦合采用耦合電容器為主要元件，其電路圖如圖4所示。該耦合電路將高頻載波信號直接注入到電網，同時從電力線上接收高頻載波信號。
高頻電容C00一端接入低壓電力線，另一端與耦合變壓器相連。C00采用高壓電容，其耐壓值大于275 V。C00一方面用來耦合高頻載波信號，另一方面起到高壓工頻隔離的作用，這里建議耦合電容C00選用0.0047F。
耦合變壓器T00不僅具有隔離作用，同時也實現了信號線平衡D不平衡的變換及其阻抗的變換作用。T00的初級線圈與C00組成高通濾波電路，阻止了50 Hz的工頻電流，并盡可能削弱低頻的電力線電壓信號，減少衰減低頻噪聲及干擾信號；同時保證高頻信號的通過，并為其提供盡可能小的衰減及線性幅頻、相頻特性。
四、結語
本章給出了低壓電力線OFDM 載波通信系統的結構框圖，分別描述了試驗平臺中各個環節的算法以及具體實現方法；具體闡述了模塊中寬頻帶功率放大器、耦合器的設計，給出了詳細的原理說明、實現方法等。論文對基于 OFDM 技術的低壓電力線載波通信實驗平臺整體設計方案給予了說明。整套實驗平臺的成功研制表明將OFDM 技術應用于低壓電力線載波通信，以實現高速數據通信是可行的。
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關鍵詞：電力線；載波技術；通信技術
中圖分類號：TM715 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2013） 20-0000-02
一、引言
目前用于衡量一個國家信息技術發展程度的重要標志之一就是通信技術，這也是各個國家競相發展的主要內容，很多具有現實意義的通信技術已經形成了具有規模化的生產和應用。而電力線載波通信和網絡通信技術的結合又是通信領域內的一次巨大的飛躍，具有極大的現實意義[1]。
二、含義
電力線通信全稱是電力線載波通信，是指利用高中壓電力線或低壓配電線（380/220V用戶線）作為信息傳輸媒介進行語音或數據傳輸的一種特殊通信方式[2]。該技術的具體工作方式通常是把載有信息的信號加載到電流上然后用電力線進行傳輸，接受端的適配器把傳送的信號從電流中分離出來并且傳送到計算機或電話上進而實現信息的傳遞。該技術的關鍵和優勢是不需要重新布線，利用現有的無處不在的電力線，只需要終端用戶插上電源插頭或接線就可以完成信息傳送。通過電力線進行寬帶上網進行網絡IP數字信號的傳輸已經成為電力線傳輸信息的最普遍的應用。
三、現狀
電力線通信技術出現于20世紀20年代初期，當時主要用于電話信號的傳輸，后來技術進展逐漸加快。已經出現了共同的家用電力線網絡通訊技術標準。在中國，20世紀40年代開始逐步進行電力線通信應用。在2001年8月，第一個實驗網絡在沈陽建成；2001年12月國電通信中心在北京某居民區開展電力線通信應用試驗；福建省電力試驗研究院又研制成功了“數字化輸電線路技術”的核心產品，并在北京某生活小區成功地進行了因特網接入試驗，初步取得較理想效果。目前，高速電力線通信已經為寬帶接入通信做出了巨大貢獻。
中國的電力通信網絡經過若干年的辛苦建設，已經初具規模，從通信電纜和電力線載波通信方式到包含光纖、微波、衛星等多種通信方式并用的覆蓋全國30多個省（市、區）的交叉式立體通信網絡。整個中國電力系統電力通信的發展，從無到有，從小到大，并且占據了越來越強大的地位。隨著通信行業的成熟發展以及在社會中作用的不斷提高，以電力線通信為基礎的業務在各種信息的傳輸場合得到了巨大的應用。不但在電力系統的發電、送電、變電、配電、用電等部分的聯合運轉中卓有成效，而且在保證電力系統電網安全、經濟、穩定、可靠的運行方面發揮了應有的作用。另外在各行各業如客戶服務中心、營銷系統、地理信息系統（GIS）、視頻會議、人力資源管理系統、辦公自動化系統（OA）、IP電話等多種數據業務方面和基建、行政、水庫調度、防汛、燃料調度、電力調度、繼電保護等場合得到發展。雖然電力線通信對于電力系統自身的經濟效益的取得沒有很直接的體現，但是它能夠產生并隱含在電力系統管理及生產中的經濟效益是極其巨大的。
四、電力線通信具體應用
電力線通信方式利用其獨特的成熟的發展優勢越來越被社會所重視，因為輸電線路是架設電力特殊光纜的極好資源，經濟、快速、安全、可靠；而遍布全國各大城市的電纜管道和電桿是建設光纖接入網的極好資源；電力線通信技術日益成熟，為用戶接入提供了首選手段；其它具有電力特色的技術，如無源光纖接入、無線寬帶、多點擴頻系統等，使電力資源得到充分有效的利用和發揮。
（一）可以發揮自身優勢促進本系統發展
目前國內外研究出來很多可供電力部門所使用的防盜設備或軟件，但是這些設備或系統大部分是與目前電力部門所主要依靠的并且普遍使用的電力線沒有任何的關系，是一套獨立與電力線的設備，這就給電力部門造成了很大的壓力。例如在防竊電方面，現在的竊電者越來越會采用高科技手段進行盜竊，對于使用普通GSM報警器對變壓器設備進行防盜的場合，作用不大，因為盜竊者會利用GSM屏蔽器先把報警器屏蔽而不能報警，然后再對電力能源進行盜竊或對電表箱進行破壞，因此給電力系統帶來很多的不安全因素。
電力系統本身最主要也是最基本的功能就是輸配電，那么除了這個作用，電力系統還可以對本系統中其它功能的實現做出巨大貢獻，比如電力系統的智能抄表、變壓器防盜、電力系統電表箱防盜、遠程電力防盜系統等均可以利用電力線來實現。我國在早期的實際電力應用中，由于電網環境比較惡劣，信道衰減大、干擾較強和波動范圍大等特點，導致數據采集的準確率和實時性不能全面的滿足用戶對實際通信的需求。但是隨著數字技術的不斷改進和發展，改善并提高了電力線通信的可用性和可靠性，并且不需要大規模改造電力系統現有設備，只需增加相應裝置，利用電力線實時傳輸信號和設備狀態至集中的控制位置并采用專門的軟件進行識別。電力線通信技術的應用前景變得越來越廣闊，對于電力系統本身的發展會起到非常大的促進作用。
電力線通信和輸配電線路具有等時性，只要電力輸電線架通到哪里，電力通信就可以延伸到哪里，目前我國110kV輸電線路上和35kV的農網上還有大量的電力線載波機在運行，龐大的電力線載波通信擔負著電網內調度和遠程信息的傳輸，對電力系統的安全、穩定、經濟運行起著重要的作用，因此對這種廉價的電力系統具有的信道資源應該大力開發，加以合理的發展和利用，使之與高速信息傳遞技術長期并存，互為補充[3]。對電力系統的現代化電力管理提供傳輸通道，實現電力、數據和圖像信息綜合業務傳輸的通信技術。
（二）可以作為常規通信介質使用
在我國，電力系統已經普及，電力線幾乎遍布城鄉、四通八達，利用這種與用戶直接相連的220W380V低壓電力線進行高速傳輸信息，不但可以免除布線這個最麻煩的環節，而且具有覆蓋范圍廣、連接方便的顯著優點，電力線通信網絡被認為是提供“最后一公里”通信解決方案中最具競爭力的技術之一[3]。與常規通信介質網絡相比較，電力線通信基礎設施完備，無需任何布線，避免了對建筑物的損壞，節約資源，節省資金、人力、物力和時間。
電力線通信這個傳輸媒介是全球覆蓋最廣闊的網絡，無需新布線就可以將信號傳輸到任何有電的地方，不受地形、地貌的影響，投資少，施工期短，設備簡單，可以同其他通信手段一起實現網絡互聯。如果使用高壓輸電線進行信息傳送，那么這種通信方式可靠性會更高，因為高壓輸電線結構穩固，安全設計系數比光纖的安全設計系數還要高很多。
（三）現代生活智能管理的美好展望
實現現代家居的智能自動化管理的有效手段常采用低速的電力線通信網絡，通過在住宅內遍布的電源插座，可對智能家用電器連網，并通過網關與外部連接。住宅主人在家可以享受數字化住宅設施的舒適和便利，在外可以通過接入的網絡及時了解和設定住宅內設施。高速的電力線通信網絡可以為人們提供Internet接入服務，并且可以享受居家視聽一體化的服務。通過電力線通信實現網絡瀏覽、網上購物、視頻點播以及可視電話等[4]。利用電力線通信的永久連接在線，可構建住宅樓宇自動化系統，如防火、防盜、防有毒氣體泄漏的保安監控系統讓上班族倍感放心，醫療急救系統讓住有老人、兒童或病人的家庭心里踏實。以上技術有些已經在國外成為現實，而其它甚至更好的未來正在探求之中。可以預測，電力線通信網絡這一新技術對促進經濟發展必將帶來新的機遇。尤其對于中國這樣的發展中國家，經濟實力不夠強大，要趕超發達國家的信息化水平，需要投入巨大的資金，而電力線通信網絡提供了另一種可能的技術手段，這種技術手段可以幫助我們以較少的投入加快國家信息化的進程，加快腳步研究出適合中國電力網環境的電力線通信網絡技術[5]。
五、總結
在現代社會，電力供應在人們的工作和生活中扮演著非常重要的角色。電力系統本身優勢明顯，不但可以為本系統做到最好的服務和管理，還可以發揮其它功效，從而使其優勢進一步得到更大的發揮，可以有效解決自身的功耗問題，使電力系統的經濟損失顯著減少，并提高了電力使用的安全性和可靠性。基于電力線通信的系統研究可以使用的區域范圍廣泛，不僅用于分布集中的住宅區，更可以主要應用于大型工礦企業和自助變電站、儲存倉庫、金融的房間、停車場等，使電力系統發揮出巨大的作用。
電力線通信技術是一個剛剛興起的研究課題，在國內外仍處于不成熟的初期研究階段，需要我們從概念定義、理論研究、技術標準、工程試點以及管制政策等方面進行大量不懈的深入研究，才能夠取得美好的前景。
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近年來，電力線通信（PowerLineCommunications，PLC）技術發展非常迅速，現在已經進入初步應用階段。PLC系統充分利用電力系統的廣泛線路資源，通過OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,正交頻分復用）等技術可以在同一電力線不同帶寬的信道上傳輸數據。但是由于電網中傳輸的是強電，而且電網的穩定性比傳統的通信網差得多，使得電力線通信線路的電磁環境極為復雜。這就給電力線通信系統提出了更高的電磁兼容要求，電磁兼容技術也成了實現電力線通信所需的關鍵技術之一。
2各國際標準化組織對PLC的研究情況
在世界范圍內，IEC的CISPR/I分會以及ITU－T等國際組織對PLC的電磁兼容相關標準做了大量研究并討論了相應技術要求。歐洲從2000年起開始研究PLC系統的技術框架和技術標準，目前已經取得了一定的進展。主要相關的國際組織有CENELEC和ETSI，前者側重電磁兼容問題，后者側重通信技術方面的統一標準。
2.1IEC/CISPRI分會
PLC設備屬于信息技術設備，應符合IEC/CISPR22《信息技術設備的無線電干擾限值和測量方法》的要求。但是由于PLC設備特殊的工作模式，其傳導干擾無法滿足現行標準的要求。在2002年的IEC會議上曾有代表建議對CISPR22進行針對PLC的修改（會議文件編號：CISPR/I/44/CD），增加一個專門針對PLC設備的“多用途端口”，其定義為：連接到低壓分布式網絡，支持數據的傳輸和通信，結合了電信端口和電源端口功能的端口。
對于PLC設備，該文件建議要求它的傳導干擾既滿足現有標準電源端口的限值，也滿足電信端口的限值。這樣多用途端口的干擾測試就要進行兩次：
（1）作為電源端口（關閉它的通信功能），用通常的V型網絡（AMN）進行測試，要求滿足CISPR22中表1和表2的限值。
（2）作為電信端口，用新型的T型網絡進行測試，要求滿足CISPR22中表3和表4的限值。
這種測試方法基于以下原理：
（1）消費類產品的電源是非對稱干擾源，它所產生的干擾用V型網絡（AMN）來進行測試是非常合適的。
（2）與之相反，采用共模信號進行通信的電信端口，它所產生的干擾要比差模信號所產生的干擾小得多。T型網絡很適合用于共模干擾的測量，因為適當的網絡參數可以提供從差模信號到共模信號轉換所需要的縱向轉換損耗（LCL）。
針對以上的理論，該文件建議對CISPR22進行較大的修改，增加大量有關多用途端口的內容，以及相關的測試設備要求、試驗布置要求和測試方法等。但是，這項建議沒能獲得最終的通過。參加會議的各個會員對這項建議的意見分歧很大，主要有：
（1）一部分CISPR會員認為PLC的相關內容應該轉由CISPR/A分會負責，一部分會員對此表示反對，認為PLC的研究還是應該留在I分會中。
（2）有些會員對CISPR/I/44/CD提出的測試方法能否徹底避免PLC設備對其他設備造成的不良影響表示懷疑。
（3）有些會員認為這一測試方法違背了CISPR22中“被測設備應該工作在最大發射狀態下”的原則。
（4）有些會員認為世界各地的電網狀況不盡相同，確定一個合適的LCL值是很困難的。
隨后，在2005年的CISPR會議上，CISPR/I成立了一個特別工作組（PLTTASKFORCE）來負責PLC相關標準的研究工作。該工作組將負責繼續研究對CISPR22的相關修改，包括定義、限值、測試條件和測試方法等內容。特別組共準備發表7份相關技術文件。
2006年3月該組織發表了第一份文件，介紹安裝PLT設備的電網結構。主要闡述如下內容：
1、電網拓撲結構，尤其是低壓電網拓撲結構。當PLT系統工作時，接入終端的傳輸信道就是低壓電力線。對于既有電力線不可能為了PLT系統進行大規模改造，因此必須充分了解低壓電力線拓撲結構，特別是農村、市區，居住環境、商業環境、辦公環境的拓撲結構。才能進行PLT網絡規劃設計。
2、PLT接入關鍵設備EMC特性：電網接入設備是PLT系統正常運行的關鍵之一。由于傳統高壓、中壓、低壓電網都是針對工頻電力信號設計，所有設備的高頻特性研究是十分艱巨的。特別是低壓電網設備產生的各種高頻騷擾有可能直接通過電網與PLT通信信號相互疊加,影響PLC網絡運行。
其他技術文件會陸續發表。
2.2ITU－T
在ITU-T目前的EMC建議中，電力線通信網絡和設備應符合K.60《電信網絡電磁干擾限值和測量方法》的要求。K.60規定了從9kHz到3GHz頻段通信網絡的電磁輻射干擾限值，給出了9kHz到400GHz頻段的測量方法，還提供了在通信網絡中定位和尋找無線電干擾源的程序和一些解決干擾的措施。
目前ITU-T第五研究組正在加緊研究關于針對PLC修訂K.60的問題。歐洲EuropeanBroadcastingUnion等機構的代表遞交文稿建議加嚴K.60的限值，從而防止PLC對其他廣播和通信業務造成干擾，也有代表對此表示反對。各國代表目前正在積極地研究和搜集素材，以便為合理地管制PLC的電磁干擾提供依據。
K.60并沒有規定電源端口傳導干擾方面的限值，因此對于PLC網絡和設備，符合K.60要求并不困難，只要在設計制造時適當采取控制電磁輻射干擾的措施即可。
2.3CENELEC
CENELEC的TC205/SC205A/WG10（家用及建筑物電子系統技術委員會/電源信號產品標準分委員會/高頻發射與抗干擾工作組）和TC210/SC210A（通用EMC標準技術委員會/信息技術設備EMC標準分委員會）負責PLC電磁兼容標準研究工作。其中，SC205A研究物理和MAC層。該工作組的研究發現，當考慮接入網絡和室內網絡共存的情況時，OSI的傳統分層結構將不能滿足需求。
特別值得關注的是，CENELEC和ETSI兩個標準化組織5個專業機構聯合組成了電信網絡EMC標準聯合工作組（CLC/ETSIJWG）。
2.4ETSI
ETSI專門成立了PLC研究工作組EPPLC，從2000年開始陸續公開了兩個PLC技術規范和9個技術報告。EPPLC主要致力于制定PLC產品和系統的技術規范，已列入ETSI工作計劃且與電磁兼容相關的共有如下幾項：
TR102258（2003-09）LCL回顧與統計分析；
TR102259（2003-09）EMI回顧與統計分析；
TR102270（2003-12）基本低壓分布網絡（LVDN）測量數據；
TR102324（2004-05）電力線通信系統輻射發射特性與測量方法技術水平；
TR102370（2004-11）3MHz～100MHzLVDN基礎測量數據。
3各國對PLC標準的研究
目前定義了1～30MHz范圍內電信網絡輻射干擾限值的技術標準共有4個：德國的NB30、英國的MPTl570、美國的FCCPart15以及國際電信聯盟于2003年7月推出的ITU-TK.60。其中，由各個國家制定的相關標準如下。
3.1美國FCC
高速PLC系統符合FCCpart15定義的載波電流系統。PLC系統通過電力線以傳導的方式傳輸信號，可認為是無意發射源，因此47CFR§15.205的要求對PLC不適用。
通常來講滿足輻射限值的系統可以保護正常工作的系統不受干擾。但是FCC不僅僅強調輻射限值的制定，考慮到不同的測量方法和測量過程存在測量不確定度，FCC認為一致性檢驗過程的制定也同樣重要。FCCpart15規定的PLC輻射限值見表1。
表1FCCpart15規定的PLC輻射限值
用途頻率(MHz)場強
(dBμV/m)
測量距離
(m)
測量帶寬(kHz)檢波器
載波電流系統1.705-30.029.5309Quasi-peak
ClassA30-8839.110120Quasi-peak
ClassB30-88403120Quasi-peak
3.2德國RegTP
德國RegTP(TheRegulatingAdministrationforTelecommunicationsandPostsofGermany)于1999年1月制定了NB30標準。規定了9kHz～3GHz通信系統輻射干擾限值，包括有線電視、xDSL、PLC等系統。NB30標準的輻射限值見表2。
表2德國NB30標準規定的輻射限值
頻率范圍(MHz)場強(dBμV/m)測量距離(m)測量帶寬檢波器
>1～3040–8.8*lg10f(MHz)39kHzPeak
>30～1000273待定Peak
3.3英國
英國于2003年1月針對PLC系統制定了MPT1570規范，規定了9kHz～1.6MHz磁場輻射限值，見表3。該標準規定使用滿足IECCISPR16-1的環天線和接收機進行測量。主要目的是保護廣泛使用的廣播接收機。
表3英國MPT1570規范規定的輻射限值
頻率范圍場強(dBμA/m)測量距離(m)測量帶寬檢波器
9～150kHz49-20lgf(kHz)3200HzPeak
150kHz～1.6MHz-1.5-20lgf(MHz)19kHzPeak
3.4.其他國家技術要求
部分其他國家技術要求見表4。
表4部分其他國家技術要求
澳大利亞ACA不對525kHz以上頻段進行要求
奧地利政府部門已經停止PLC試驗計劃,結論表明PLC在2～30MHz時引起的干擾不能減小到可接受的程度
芬蘭FICORA年報（2001）根據測量結果，決定只有在PLC技術解決干擾和安全問題后才能商用。在歐洲標準出臺前，采用NB30限值
日本MPHPT決定不給PLC系統增配許可頻率。建議繼續進行研究如何減小干擾問題
由于FCC對PLC輻射限值制定較松，從而使PLC系統在美國得到迅速發展；歐盟一些國家持謹慎發展態度，歐洲各國正在等待歐盟標準的最終制定；BBC等傳統廣播通信系統出于自我保護的考慮，對PLC系統提出較苛刻的限制要求。
4結論
PLC技術的標準化工作至今仍在緩步進行，對傳導干擾進行定義及限值制定等問題至今很難達成一致認識，但是作為一種資源廣泛的通信網絡技術，電力線通信的市場需求仍然存在，只有各方共同努力，才能使PLC系統更好地服務于廣大用戶。
一、引言
在20 世紀90 年代初興起的寬帶電力通信，是在1Mbps 以上通信速率、在2～30MHz 之間的帶寬限定的電力線載波通信。在這一技術中，把將原有的電力線網絡改裝成電力線通信網絡，不需要重新布線，現有的配電網配置上PLC終端、中繼、局端設備及附屬裝置，插座被轉化為信息插座。通過電力線路這一技術構建高速因特網，使“四網合一”最終實現，能夠完成多業務如視頻、語音和數據等的承載。把電源插頭插上終端用戶就能夠接入因特網，進行電視頻道節目的接收、打電話等。
二、發展歷程
國內外目前主要有兩大陣營美國和歐洲，在智能電網和智能小區上的應用是美國主要研究的方向，在Internet高速接入網方面的應用是歐洲的主要研究方向。我國在這一技術方面的研究起步比較晚，但是有較快速度的發展。（1）中國電力科學研究院1999年5月對相關技術開始進行開發研究，并且和韓國KEYIN公司2000年在華北電科院宿舍和電力大學進行測試，測試結果為1Mbps速率。（2）中電飛華2002年在北京建立了三個Internet網試驗點，采用具有良好的穩定性和速度的電力線接入方式。（3）國家電力調度通信中心電網調度自動化系統在2003年被研發出來，在理論上為開展國家智能電網打下了基礎，而且同年對低壓配電網電力線高速通信技術進行了研究。（4）2005年對電力線通信寬帶接入系統進行了完善。國家電網公司和Intellon公司與DS2公司這兩大國際廠商進行了全面的合作，在國內多個省市中基于DS2方案的AMI系統已經被成功試用。（5）國家電網公司在2009年5月對堅強智能電網的發展進行了規劃：堅強智能電網的發展在2009-2010年進行規劃試點；全面建設是在2011-2015年，對城鄉配電網和特高電壓網加快建設；統一的“堅強智能電網”建成是在2016-2020年。
三、寬帶電力線載波通信系統的應用現狀分析
（1）電力通信系統。該系統的接入通信的主要手段是寬帶電力通信技術，公網無線通信、中壓寬帶載波、光纖為補充接入通信手段，對電力終端用戶實現了采集與監控用電信息，提供實時雙向的通信通道給智能家居和智能用電管理。對智能化電力供應電力終端用戶在使用的時候，一方面能夠與電網等企業隨時進行信息的全面互動，另一方面也能體驗遠程教育、IP電話、電力寬帶上網、遠程醫療、遠程辦公等信息服務。隨同用電一起享用這些服務和資源，快捷方便。（2）智能家居服務系統。智能電網中智能家居服務系統是用電環節的主要組成部分，其組成包括用戶交互終端平臺和社區主站管理平臺。電網和用戶之間的互動通過家庭智能交互機頂盒或交互終端系統完成，一系列特色服務得以實現如醫療、網絡增值、配送、物業、查詢等，對家庭靈敏負荷進行功能控制和用電信心的采集如電冰箱、空調、電熱水器等，并建立家庭安防系統，該系統集紅外探測、煙感、燃氣泄露、緊急求助于一體。智能電網技術的友好開放、靈活互動、服務多樣、經濟高效、先進性的特征在這個系統中得到了集中的體現。
四、系統中采用的技術
（1）在傳輸媒介中，與無線、電纜、光纖、電話線等相比，電力線載波進行網絡信息的傳送，不受無線環境影響和布線困擾。（2）信號調制手段。采用OFDM 技術是主要的寬帶電力線通信信號調制手段，它的優勢是適合高速數據傳輸、抗噪聲能力強、頻譜利用率高等，是系統的核心技術。
五、技術優勢
（1）安裝簡單，使用便捷；（2）功耗低，無輻射；（3）穩定的傳輸；（4）低成本組建，不需要布線；（5）廣闊的覆蓋范圍。
六、結束語
通過上述內容對目前國內外寬帶電力線載波通信系統的現狀、實際應用效能、前景、相關技術有了初步的了解。隨著不斷發展的互聯網，劇增的寬帶接入，寬帶電力線載波通信系統所具有的優勢，在未來將得到廣泛的應用和普及。
參 考 文 獻
[1] 國家能源局. DL/T 395-2010，低壓電力線通信寬帶接入系統技術要求[M]. 北京：中國電力出版社，2010.
[2] 李祥珍，齊淑清. 電力線通信（ PLC） 技術的應用及未來[J]. 中國電機工程學會2005 年學術年會.
[3] 吳新玲，張偉，侯思祖. 電力線接入技術與接入網的發展[J]. 北京工業職業技術學院學報，2006， 15（4）：24-26.
本文從低壓電力線通信上網原理和電力線網絡體系結構角度出發，對建立在低壓電力線通信基礎上的計算機網絡系統結構進行了介紹，并在此基礎上對電力線網卡控制器接口硬件與軟件模塊設計展開了研究。
【關鍵詞】
低壓電力線通信技術；計算機網絡；應用
前言
在電力輸送網有效運行的基礎上，電力線通信技術的有效應用可以促使不同的節點在電力通信網絡當中實現有效的連接，這一過程中可以促使該網絡同其他網絡之間有效的展開通信。現階段低壓電力線通信技術在使用過程中，作為一種重要的通信方式能夠在多媒體業務中實現有效的圖像、語音以及數據的快速傳遞。本文從低壓電力線通信技術在計算機網絡中的應用入手展開了研究。
1建立在低壓電力線通信基礎上的計算機網絡系統結構
1.1低壓電力線通信上網原理
現階段，居民小區當中在對網絡進行應用的過程中，需要將機房構建于小區當中，其中包含的設備有交換機和出口路由器，PLC局端儀器存在于樓道當中，其運行過程中可以實現覆蓋信號的功能，這一過程中，民用電力線為220V，替代以往的以太網進行高頻信號的傳輸，三相四線電線在對信號進行耦合的過程中，需要對耦合器進行應用，促使加載和傳輸信號得以實現。這一過程中，使用者上網過程中重要的信號傳遞媒介就是電力線，其可以充當網線使用。本文在積極展開研究的過程中，擬集中放置不同的單元電表，電表性對其進行接收的過程中，需要對信號回路進行應用，供電線路要想對信號進行耦合，需要將磁環作用于使用者的電表之上，而在這一環節以后，強磁干擾在電表中的存在是無法對信號產生嚴重的影響的，同時還能夠均勻的分配信號，電源總負荷在發生轉變的過程中也無法對其產生較大程度的影響[1]。在應用低壓電力線進行上網的使用者，在對其使用的過程中應對電力貓即PLC用戶端設備進行利用，其運行過程中可以同使用者室內的電源插座進行有效的連接，PLC主控設備存在于配電變壓器一端，二者實現連接的過程中，需要在電力線這一媒介的基礎上實現，這一過程中不需要進行撥號，相關網絡信息可以有效的在線進行傳遞和接受，這樣一來，最后100m的接入就可以在電力線上網中有效體現。
1.2電力線網絡體系結構
作為一種局域網，電力線網絡系統運行過程中，傳輸的介質為電力線，多止碰撞的載波檢測是數據通信過程中的主要標準，可以對CSMA機制進行有效的規避，同時該結構主要以四層網絡體系結構為主，具體體現如下：（1）物理層。比特是該層的數據單位，該層運行過程中，可以將物理鏈路功能提供給上邊的數據鏈路層，促使傳輸服務體現出比特流透明的特點，其下邊連接的物理媒體，運行過程中能夠對其設備以及電氣等作用以及特點在網絡接口中的體現進行確定。該層處于地層位置存在于低壓電力線網絡內部，傳輸媒介是電力線，技術基礎為正交頻分復用。（2）鏈路層。該層在運行過程中，可以對數據進行傳播，數據特點是PDU建立在幀的基礎上，傳遞的途徑是不同鏈路中的節點。話前偵聽策略別有效應用于物理鏈路當中，運行中可以實現延時的隨機性并進行傳輸，如果物理鏈路存在一定的不可靠性，要想在最快的路徑當紅對數據包進行收發，需要對相關沖擊機制進行有效的避免，提升數據傳輸的可靠性。（3）網絡層。分組并轉發數據主要有該層進行，其可以科學的選擇路由，逐條的將分組從源站向目的站進行傳遞的過程中，需要以路由表為基礎，其運行中可以對網絡負載進行有效的適應，并可以保證路由表實現實時更新。（4）應用層。其運行過程中，處于該網絡的頂端，是同使用者進行直接接觸的關鍵部分，可以將不同的訪問服務提供給使用者，促使其對條件不同的網絡資源進行利用，例如，打印和e-mail等[2]。
2電力線網卡控制器接口模塊設計
2.1硬件設計
控制器接口電路在電力線網卡當中的體現，包含三個主要部分，分別為RJ45、隔離變壓器和電力線接口芯片。隔離變壓器存在于RJ45和RHY網絡芯片之間，運行過程中，可以促使連接隔離在局域網同RHY網絡芯片之間實現，扼流圈存在于H1102當中，在運行中，能夠對共模信號進行有效的消除，促使信號錯誤在共模干擾基礎上產生的幾率大大降低，信號處理如果在隔離變壓器的情況下得以實施，能夠在網線當中對RJ45進行傳輸[3]。數據總線存在于網卡芯片當中，在運行中能夠同CPU進行直接連接；地址線在使用過程中，可以有效的對內部寄存器進行選擇，CPU在同讀引腳進行連接的過程中，主要針對對象為nOE，寫引腳在運行中主要同CPU當中的nEW進行連接；在中斷的背景下，如果網絡結構芯片得到運行，CPU中的ENT1是接收中斷請求的關鍵；nGCS3引腳存在于CPU當中，需要接入芯片選通的引腳；復位電瓶在CPU和91C113當中完全相反，在這種情況下，在經過反相器以后才能夠促使復位信號在CPU當中有效傳遞到RESET引腳當中；接口芯片針對網絡來講，信息交互現象在外部接口和隔離變壓器中的體現是實現信息輸入域輸出的關鍵[4]。網卡當中擁有專門的隔離變壓器，標準RJ45接口插座需要對輸出端進行接入；在對工作狀態在網絡系統中的體現進行充分表示的過程中，應將兩個發光管應用于91C113當中的LANLED和KLED引腳當中，促使現階段所擁有的數據傳輸以及連接等狀態得到有效的指示。
2.2軟件設計
當加電復位產生于系統當中的過程中，使用者將EPROM進行預先設定的內容將被讀取，包括MAC寄存器組、基本配置和Base等寄存器。軟復位命令存在于RCR寄存器當中，在對其進行應用的過程中，可以促使復位在MAC寄存器組當中得以實現，其中不包含ConfigBase，MAC，復位緩沖區當中的實現需要對寄存器當中的軟復位命令進行應用。在進行數據發送的過程中，如果數據包從上一層協議當中傳遞過來，應首先對其大小進行判斷，并對內存管理單元進行應用，向分配緩沖區發起使用權申請。內存管理單元在運行中的單位為“頁”，共擁有2048個字節存在于每一頁當紅，如果得到了成功的緩沖區分配，包號碼需要在包號寄存器中獲得，對指針寄存器進行獲得。數據以及指針兩種寄存器應用的過程中，兩個字節是數據使用中的單位，當數據寄存器逐一被其進行經過的過程中，可以插入到緩沖區當中[5]。當緩沖區中包含了全部的數據以后，命令的發送需要建立在內存管理單元對隊列進行的基礎上，在現有包號的背景下，緩沖區成為數據傳送的起點，網絡成為目的地。在完成發送以后，需要對內存管理單元進行應用，對已發送數據進行釋放，其中還存在部分已經被占用的緩沖區容量。
3結論
綜上所述，現階段，計算機網絡在運行過程中對低壓電力線通信技術的有效應用，促使其產生更加便捷的接入途徑，成本降低的同時，兼容性保持良好。使用者在對其進行應用的過程中，家庭環境更加舒適和便捷，是我國信息化、網絡化在未來電力線上網當中的關鍵基礎。在這種情況下，本文在積極研究低壓電力線通信上網原理和電力線網絡體系結構的過程中，對電力線網卡控制器接口模塊設計展開了論述，希望對我國該領域的快速發展起到促進作用。
作者：秦俊波 單位：鶴崗市公安邊防支隊
參考文獻
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[2]李紅.基于電力線載波和GSM網絡相結合的自動抄表系統研究[D].吉林大學，2004.
[3]戚佳金.低壓配電網電力線載波通信動態組網方法研究[D].哈爾濱工業大學，2009.
2新型PLC網絡模型
2.1PLC網絡結構
根據低壓配電網配電區域的不同，網絡的拓撲結構存在差異。但總體來說，PLC網絡是基于樹形的混合拓撲結構[9]。低壓配電網的PLC系統是由位于變壓器二次側的通信基站和分布在電網內的多個用戶終端構成的。圖1所示為典型的低壓配電網PLC系統物理拓撲結構。單相電力線通信網關A、B、C放置在每相的起始位置，負責各相電網內的終端節點組網。位于變壓器二次側的基站負責與各單相網關進行數據通信，并通過廣域網與外界交互信息。為了達到負載均衡的目的，各用戶終端大致均勻地分布在每一相內。由圖1可知，三相之間為并列且相對獨立的關系，故用其中一相的拓撲結構作為重點研究對象，便具有代表性和普遍性[8]。在PLC系統中，下行方向的信息由基站/網關傳輸到所有的用戶終端，每個終端可以直接或通過中繼節點間接收到該信息;上行方向，用戶終端傳送的信息不僅可以被基站/網關接收，其他的用戶終端也可以接收。所以，從MAC(mediumaccesscontrol)層角度，PLC網絡是一個樹形物理拓撲下的總線型邏輯結構[9]。基于網絡的此種結構特點，本文將建立新的PLC組網模型。
蜘蛛經過約18億年的進化，現在的蜘蛛網不僅具有優雅、超輕的結構，而且具有超級彈性和抗張強度，可以抵抗各種大風、昆蟲等的沖擊。即使有幾個網格單元遭到破壞，它仍能作為網來捕獲獵物，具有極強的抗毀能力。針對蜘蛛網的結構特點，蜘蛛的捕食機理以及人工蜘蛛網通信拓撲的構建等方面問題，文獻[10]已進行了詳盡的闡述。本文只對PLC網絡的MAC層邏輯拓撲轉化為單層人工蛛網邏輯拓撲的過程進行詳細的分析。
由于電力線通信數據傳輸距離有限，在實際應用中，可能只有離網關節點物理距離近的用戶終端能與該相網關可靠通信。假設某單相網絡內用戶節點總數為》，網關一次廣播后有m個節點回應與之可靠通信，剩下個用戶節點雖然物理鏈路是連通的，但是在MAC層是斷開的。這種情況下，應用傳統的廣播查詢所有節點的方法，存在部分節點不能成功通信的情況，因此效率很低。為解決這個問題，我們提出了基于蛛網的組網模型及相應的路由算法。
前文提到，在MAC層與網關可靠通信的m個節點中，任意兩個之間也是可靠通信的，基于此本文建立了如圖2b所示的人工蛛網邏輯拓撲。m個節點組成m-1邊蛛網結構，相鄰節點之間能可靠通信，不相鄰節點可通過節點A為中繼進行通信。節點A為m個節點中隨機選取的任意一個。假定其位于邏輯子網的中心，其與所有周邊節點均能可靠通信，功能與網關類似，負責收集其所在蛛網周邊各節點的信息，同時，由此節點發起對剩下的》-m個用戶節點的組網廣播，依次類推，最終該單相網絡內的所有節點組成了多個類似的人工蛛網。
離網關節點“近”的蛛網的中心節點(例如A)，可以直接與網關通信，處在“中間”位置的蛛網的中心節點需要以‘‘近”的網絡的中心節點為中繼與網關通信，同樣，處在“較遠”位置的蛛網的中心節點，是以‘‘中間’’、‘‘近”的中心節點為中繼與網關通信。單相網關只要確保每個子網的中心節點能與之可靠通信即可，這樣在一定程度上提高了單相網關采集節點數據的效率。
3蛛網路由3.1PLC通信機制
在介紹蛛網路由之前，簡要說明PLC常規通信機制。首先由網關向該單相網絡內的所有用戶終端發送廣播信息，當用戶終端收到來自網關的信息則將數據傳回給網關，同時在數據包內添加應答信息，使網關能確認該節點處于良好的工作狀態。如果該節點沒有數據要傳回給網關，它要發送確認信息至網關，確認其通信的良好狀態。在一個數據周期內未被查詢到的用戶終端，將在下一數據周期以同樣的方式被網關查詢[11]。此方法受信道狀況等因素的影響，在下一個數據采集周期內以同樣的方式查詢到故障節點存在很大的不確定性，導致數據丟失，造成整個網絡工作效率低下，影響系統的可靠性。3.2蛛網組網算法
人工蛛網組網過程如下：
(1)由網關節點發送組網廣播，在收到該廣播的
(2)第一個人工蛛網組網完成后，網關向節點A發送指令，由節點A發送組網廣播。設有/t(w<灸<?=個節點收到節點A的廣播，剔除掉已經獲得邏輯ID的g個節點，在剩下的個節點中選擇一個與節點A可靠通信的終端節點為第二個人工蛛網的中心節點/，重復步驟(1)，直到所有&1-1個節點均獲得邏輯ID。
(3)網關以節點A為中繼向節點/發送指令，由節點/發送組網廣播，重復步驟(1)，假設第二個蛛網已經將剩下的所有個節點連通。此時節點/會得到空響應，并把該響應通過節點A傳回網關。至此，組網結束。形成了以節點A為中繼節點的w-1邊蛛網邏輯通信拓撲和以節點/為中心的?-w-1邊蛛網邏輯通信拓撲，這樣就建立了網關到該單相網絡內所有節點的通信路由。
3.3蛛網重路由算法
組網完成后，各中心節點負責該子網內的所有節點的數據收集與狀態監控，并與網關進行通信。本文規定某子網所有節點的數據均發送至該子網的中心節點所需時間為一個數據采集周期。假設某個數據采集周期內，中心節點A沒有收到其子網內邏輯ID為2的節點的數據信息，則節點A對該節點發起路由重構。如圖3b所示，假設與節點2同屬一個子網且與其相鄰的節點1，3在節點2發生故障后，仍能與中心節點A保持良好的通信。由于節點1，3與節點2物理上的相鄰性，它們之間由距離產生的信號衰減會比較小，節點2與節點1，3仍能保持通信。故節點2轉而以節點1，節點3，或者節點1.
3同時為中繼節點，與中心節點A重新取得通信，傳輸其數據信息，這樣提高了子網內通信的成功率。
對于其他子網內的故障節點，網關通過節點A向其他子網的中心節點發送重路由指令。在各子網內重復上述過程，直到所有子網的故障節點均能正常通信為止。此種方法理論上能達到100°%的數據收集率，且避免對整個網絡內所有節點進行重新組網，提高了通信效率。
4節點仿真模型
4.1終端節點建模
