基于電力載波通信的物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)方式綜述

1、基于低壓電力載波通信的物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)通信方式研究綜述江蘇 徐州 221000Research Summary Internet of things based on Low Voltage Power Line CommunicationJin PengAbstract : With the development of the Internet of Things technology, Low Voltage Power Line Communication is gradually being valued by the researchers , Low Voltage Power Lin

2、e Communication has become a networking communication realization. This paper introduces the research status on Low Voltage Power Line Communication technology and some problems , and these are given some improvement ideas, finally elaborated on the development trend of Low Voltage Power Line Commun

3、ication on Internet of things.KEY WORDS：Internet of Things; Low Voltage Power Line Communication; Networking Technology摘要：隨著物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)的發(fā)展，低壓電力載波通信逐漸被研究人員所重視，低壓電力載波通信成為物聯(lián)網(wǎng)通信的一種實(shí)現(xiàn)途徑。本文介紹了低壓電力載波技術(shù)的研究現(xiàn)狀以及存在的一些問題，并對這些給出了一些改進(jìn)思想，最后闡述了基于低壓電力載波通信的物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵字： 物聯(lián)網(wǎng) 低壓電力載波 組網(wǎng)方式 0 引言物聯(lián)網(wǎng)的作用類似互聯(lián)網(wǎng)，互聯(lián)網(wǎng)主要是用來構(gòu)建人與人之間的溝通

4、聯(lián)系，而物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)人與物、物與物間的溝通聯(lián)系的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)個(gè)概念是在1999年由美國麻神理工學(xué)院MIT的自動(dòng)識(shí)別中心AutoID Labs1提出的網(wǎng)絡(luò)無線射頻識(shí)別RFID系統(tǒng)把所有物品通過射頻識(shí)別等信息傳感器設(shè)備通過互聯(lián)網(wǎng)搭建溝通網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別和管理。物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，從下至上分為四個(gè)層次，分別是感知層、傳送層、運(yùn)營層和應(yīng)用層。感知層主要的任務(wù)是完成各終端上傳感器等數(shù)據(jù)的采集傳送層主要的任務(wù)是將感知層采集的信息進(jìn)行匯總整理傳輸運(yùn)營層主要的任務(wù)是將傳輸層整合匯總的信息進(jìn)行分析和處理應(yīng)用層是利用運(yùn)營層處理后的數(shù)據(jù)結(jié)合用戶需求提供所需的特定服務(wù)。圖1 物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)圖本

5、文主要是針對物聯(lián)網(wǎng)中的傳送層中信號傳輸方式來進(jìn)行探討研究的，現(xiàn)在傳輸層中應(yīng)用的較為廣泛的通信組網(wǎng)方式有電話線組網(wǎng)通信、光纖組網(wǎng)通信、電纜組網(wǎng)通信、無線組網(wǎng)通信包括藍(lán)牙、WiFi、ZigBee等、低壓電力載波組網(wǎng)通信等。由于低壓電力載波通信傳輸通道是采用已有的電力線來完成信息傳輸?shù)模c其他通信方式相比，其優(yōu)勢在于無需重新鋪設(shè)通信線路，省去了額外的信號電纜安裝和維護(hù)的費(fèi)用，而且?guī)缀跛械挠秒娫O(shè)備都由電力線供電，所以采用載波通信構(gòu)建的通信網(wǎng)絡(luò)可以覆蓋較為廣泛的區(qū)域，這樣基于低壓載波通信的物聯(lián)網(wǎng)就顯得更加靈活且覆蓋范圍廣?；谏鲜龇N種優(yōu)勢，低壓電力載波通信被許多公司、高校及研究機(jī)構(gòu)所重視，但在使用低壓

6、載波進(jìn)行信號傳輸時(shí)，有很多問題制約著其發(fā)展和應(yīng)用，因此需要研究人員進(jìn)一步分析研究，本文針對存在的一些突出問題總結(jié)了一些解決措施。1 研究現(xiàn)狀1.1 國外研究現(xiàn)狀電力載波通信在國外的研究開展得較早，在20世紀(jì)20年代，一些著名的通信公司和研究機(jī)構(gòu)就開始對低壓電力載波通信技術(shù)展開了研究。在1930年德國西門子公司在德國波茲坦建立了基于低壓配電網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牟y載波系統(tǒng)RCS系統(tǒng)。該系統(tǒng)的優(yōu)勢是它能夠以最小的損耗通過低壓配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對終端設(shè)備的管理。2現(xiàn)在在電力載波通信領(lǐng)域比較權(quán)威的公司有美國的Intellon3、Thomson、 Atmel、 TI公司、以色列的ITRAN、 Main。Net公司、韓國的

7、Xeline公司4、瑞士的ASCOM公司、德國的Polytrax公司和西班牙的Ds25公司等。這些公司和機(jī)構(gòu)在低壓電力載波通信技術(shù)的研究和設(shè)備的研制上取得了豐碩的成果，產(chǎn)品的傳輸速率從1 Mbps發(fā)展到45 Mbps。在實(shí)際應(yīng)用方面，低壓電力載波已被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)抄表系統(tǒng)、智能電網(wǎng)控制、家居智能化等方面，而且效果也較為理想。如英國將在2020年在全國的家庭中安裝智能電表，實(shí)現(xiàn)電力用戶的遠(yuǎn)程抄表和智能控制用電設(shè)備，并將客戶利用風(fēng)電或者太陽能等新能源所發(fā)的電賣給電網(wǎng)。61.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀與國外相比，國內(nèi)對于電力載波的研究起步較晚，國內(nèi)最先進(jìn)行電力載波通信的是在1997年由中國電力科學(xué)院進(jìn)行的低壓

8、配電網(wǎng)傳輸通信和參數(shù)的測試和分析7。和國外相比，由于國內(nèi)電網(wǎng)的特殊性，電力網(wǎng)絡(luò)的通信信道比較復(fù)雜，所以并不能直接將國外載波設(shè)備用于國內(nèi)的電網(wǎng)上。直至20世紀(jì)90年代末期，國內(nèi)才開始有針對國內(nèi)電網(wǎng)特性而設(shè)計(jì)的載波處理方案的制定，這樣才使得早期產(chǎn)品在穩(wěn)定性上逐步接近實(shí)用。2006年以中電飛華公司為代表，已在北京開通了5個(gè)以上的電力線上網(wǎng)實(shí)驗(yàn)小區(qū)，用戶反映非常滿意，只是網(wǎng)速會(huì)在特定的時(shí)候突然衰減。國內(nèi)的一部分公司和研發(fā)單位利用和參考國外一些芯片進(jìn)行二次開發(fā)，研制出了各種電力載波通信模塊，并已經(jīng)投入到實(shí)際應(yīng)用中，獲得了較好的效果。例如四川科強(qiáng)電子有限責(zé)任公司開發(fā)的KQ100、KQ300系列模塊、深圳市

9、必威爾科技有限公司的BWP08、BWP10A系列模塊等。8近年來就國家電網(wǎng)的智能電表招標(biāo)情況來看，載波表成為電力公司的首選，由此看以看出低壓電力載波技術(shù)將會(huì)隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展而成為熱門的研究課題。2 低壓電力載波通信的原理電網(wǎng)中的電力線設(shè)計(jì)初衷是用來傳輸電能的，而并非用來傳送信號的，所以要想在電力線上進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，必須對加載到電力線之前的載波信號進(jìn)行預(yù)處理，與此同時(shí)，用戶終端想要利用電力線上的載波信號也要經(jīng)過處理才行。低壓電力線載波 PLC Power Line Carrier通信技術(shù)是以低壓配電線 380V/220V 電力線 作為信息傳輸媒介進(jìn)行數(shù)據(jù)或語音等傳輸?shù)囊环N特殊通信方式 。9低壓

10、電力載波通信原理如圖2所示，由圖可以知道要實(shí)現(xiàn)低壓載波通信需要的過程有；調(diào)制放大、輸入耦合、信號傳輸、輸出耦合、濾波、解調(diào)放大。圖2低壓電力載波通信原理圖在信號發(fā)送端，首先將數(shù)字信號進(jìn)行調(diào)制、放大，然后傳給耦合器，耦合器將這個(gè)高頻信號耦合到電力線上，形成高頻電流信號，高頻信號通過電力線進(jìn)行傳輸，當(dāng)信號到達(dá)接收端耦合器時(shí)，耦合器又將這個(gè)高頻信號從電力線上耦合出來，并進(jìn)行解調(diào)和放大，轉(zhuǎn)換成原始信號。下面就各個(gè)過程進(jìn)行簡單闡述解釋。調(diào)制放大:我國電網(wǎng)電力線上的交流電頻率采用的是工頻50Hz，在電力載波中，對于電力線上的低頻信號50 Hz工頻電容阻抗很大，相當(dāng)于斷開，不影響電力線工頻信號的正常傳輸對于

11、電力載波的高頻信號幾十 kHz 到幾百 kHz，電容的阻抗很小，高頻信號能夠通過電容形成回路，因此在獲得所需傳輸?shù)男盘柡蟊仨毾燃右哉{(diào)制。信號調(diào)制有傳統(tǒng)的FSK 及 PSK 調(diào)制 、音頻注入、工頻調(diào)制 、過零點(diǎn)檢測等方式，先進(jìn)的有擴(kuò)頻調(diào)制方式 如直接序列擴(kuò)頻， 跳頻 ， 跳時(shí)、交叉混合擴(kuò)頻、Chirp 線性調(diào)頻 ， OFDM 正交頻分復(fù)用等。由于由感知層獲得的信號都是微弱的小信號，所以在傳輸前進(jìn)行放大是非常有必要的。耦合：無論是輸入端的耦合還是輸出端的耦合都是解決類似的問題，輸入耦合是完成怎樣將載波信號加載到電力線上，而輸出耦合則要解決的問題是如何從電力線上將載波信號取出來。現(xiàn)在常用的線路耦合方

12、式有很多種，如電容耦合、變壓器耦合、低壓耦合、陶瓷電真空耦合及天線耦合等，耦合方式的選擇需要結(jié)合電網(wǎng)情況以及使用環(huán)境進(jìn)行選擇。信號傳輸：這個(gè)階段就是以電力線為傳輸媒介來完成所需載波信號的傳輸。濾波：載波信號屬于高頻信號，交流電屬于低頻信號，還有傳輸線上不可避免的存在一些雜波信號，所以為了更為真實(shí)的反應(yīng)原始的信號，對耦合下來的載波信號進(jìn)行濾波是必不可少的過程，這個(gè)過程主要是為了濾除低頻信號以及線路中的載波信號。濾波電路設(shè)計(jì)是相當(dāng)復(fù)雜，它需要考慮載波通信芯片的初始化設(shè)置問題，同時(shí)還要考慮阻抗是否匹配等問題，一般濾波器都會(huì)采用多級濾波，設(shè)計(jì)濾波器的時(shí)候要考慮載波頻率、帶通頻率器的中心頻率、頻率波動(dòng)范

13、圍等參數(shù)。解調(diào)放大：由于信號傳輸之前經(jīng)過調(diào)制，所以要想得到原始信號，必須對得到的信號進(jìn)行解調(diào)，解調(diào)是與調(diào)制過程相反的過程，它實(shí)際完成的是信號的還原。3 低壓電力載波通信中存在的問題3.1變壓器的阻隔由于低壓電力載波信號是高頻信號，而對于變壓器而言，當(dāng)電流值一定時(shí)，頻率越高，鐵芯的磁滯損耗及渦流損耗越大，損耗大說明消耗的能量越大。也就是說，高頻信號經(jīng)過變壓器，很大一部分能量在鐵芯上被損耗掉了，既然損耗了，傳遞到二次繞組的能量就減小了，這就是變壓器隔離高頻信號的原理。因此如果不進(jìn)行任何處理的話，載波信號只能在同一配電網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行傳送。3.2 電網(wǎng)對載波信號的高削減低壓配電網(wǎng)與高壓配電網(wǎng)不同，低壓

14、配電網(wǎng)面向的對象直接是種類繁雜的電力用戶，負(fù)載情況較為復(fù)雜，既有純阻性負(fù)載又有感性和容性負(fù)載。對于低壓電力載波的高頻信號而言，低壓電力線相當(dāng)于一根非均勻的傳輸線，而且不同的性質(zhì)的負(fù)載在任意位置和任意時(shí)間接入電網(wǎng)或從電網(wǎng)上斷開。在理想情況下，當(dāng)沒有負(fù)載時(shí)，電力線相當(dāng)于一根均勻分布的傳輸線。由于分布電感和分布電容的影響 ，輸入阻抗會(huì)隨著頻率的增大而減小。當(dāng)在電力線上有負(fù)載時(shí) ，所有頻率的輸入阻抗都會(huì)減小。但是，由于負(fù)載類型的不同以及負(fù)載數(shù)目的隨機(jī)接入和斷開 ，使不同頻率的阻抗變化也不同 ，所以實(shí)際電網(wǎng)輸入阻抗情況非常復(fù)雜 ，甚至其變化不可預(yù)測。10由于阻抗的存在 ，高頻信號在低壓電力線上的傳輸必然

15、存在衰減。顯然 ，這種衰減與通信距離、信號頻率等都有密切關(guān)系。按照一般理論分析，信號傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn) ，信號衰減就越厲害。 但是，由于電力線是非均勻不平衡的傳輸線，接在上面的負(fù)載的阻抗也不匹配，所以信號會(huì)遇到反射、駐波等復(fù)雜現(xiàn)象，造成信號衰減嚴(yán)重。與此同時(shí)，這些復(fù)雜現(xiàn)象的組合 ，使信號的衰減隨距離的變化關(guān)系變得非常復(fù)雜，有可能出現(xiàn)近距離點(diǎn)的衰減比遠(yuǎn)距離點(diǎn)還大的現(xiàn)象，這給阻抗匹配電路的設(shè)計(jì)帶來了很大的困難。3.3高噪聲干擾在低壓電力線上進(jìn)行信號傳輸時(shí)，外界對信號的干擾是一個(gè)不得不考慮的問題，因?yàn)楦蓴_直接影響數(shù)據(jù)的通信的質(zhì)量。按干擾來源來分，干擾分為非人為干擾和人為干擾。其中非人為干擾指的是自然現(xiàn)象

16、對信號的影響，如雷電或者其他惡劣自然氣候都會(huì)對電力線上的信號產(chǎn)生擾動(dòng)。人為干擾是由于低壓電力線上存在各種各樣的用電設(shè)備，阻性的、感性的、容性的、大功率的、小功率的，各種用電設(shè)備的頻繁開閉，就會(huì)給電力線上帶來各種干擾，而且幅度比較大?？偟膩碚f，低壓電力線上存在各種干擾和噪聲，因此電力線信道的噪聲多干擾強(qiáng)不能簡單地歸結(jié)為加性高斯白噪聲，電壓電力載波過程中的高噪聲也是制約其發(fā)展的又一難點(diǎn)。下面面表 1 是各種噪聲的比較。表1 低壓電力線上噪聲的來源及特點(diǎn)4 電力載波存在問題的解決方案4.1 變壓器阻隔問題的解決針對上述提到的低壓電力載波信號難以越過變壓器實(shí)現(xiàn)在不同配電網(wǎng)之間傳輸?shù)膯栴}，現(xiàn)在有比較多的

17、解決方案。比較傳統(tǒng)的思想采用中繼技術(shù)來解決問題，所謂中繼技術(shù)就是在連接家庭用戶的低壓配電變壓器處安裝一個(gè)數(shù)字中繼器，將該變壓器一側(cè)所連接范圍內(nèi)的用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)集中，再將數(shù)據(jù)通過載波調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)至變壓器另一側(cè)的中壓線路上進(jìn)行傳輸，使信號順利通過變壓器11。這種方法可以在一定程度上克服電力線載波通信中的變壓器問題，增加電力線載波通信的范圍，并且兼容于現(xiàn)有的比較成熟的電力線載波通信技術(shù)。但這個(gè)方案存在明顯的缺點(diǎn)就是使系統(tǒng)變得復(fù)雜了，而且增加了成本。4.2 電網(wǎng)對載波信號的高削減和高干擾問題的解決通過以上討論 ，我們可以看到，低壓電力線上的信號衰減特性和干擾特性非常復(fù)雜 ，而且隨機(jī)性、時(shí)變性大 ，難以找

18、到一個(gè)較為準(zhǔn)確的解析式或數(shù)學(xué)模型加以描述 ，這也是為什么一直以來對低壓電力線高頻信號傳輸特性的分析多以定性分析和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測試分析為主的原因。即使有些學(xué)者提出了一些模型 ，但是這些模型也往往是附加了許多假設(shè)和限制 ，因而也是不精確的或適用面很窄。這種精確數(shù)學(xué)模型的缺乏 ，對低壓電力線載波通信設(shè)備的設(shè)計(jì)提出了很高的要求 。電力載波技術(shù)通過發(fā)展選頻、擴(kuò)頻和自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)基本克服了電力線傳輸中存在的高衰落、高干擾問題。下面對擴(kuò)頻技術(shù)和自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)進(jìn)行簡單介紹；1擴(kuò)頻通信 Spread Spectrum Communication 是用偽隨機(jī)編碼 擴(kuò)頻序列 ： Spread Sequence將待傳送的

19、信息數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)頻譜擴(kuò)展后再傳輸 ，在接收端則采用同樣的編碼進(jìn)行解調(diào)及相關(guān)處理12，其工作原理如圖 圖3 擴(kuò)頻技術(shù)原理根據(jù)香農(nóng)公式有 公式中C為信道容量，W為頻帶寬度，P/N為信噪比，式中指出 ，頻帶 W和信噪比 P/N 是可以互換的 ，這意味著如果增加頻帶的寬度 ，就可以在較低的信噪比的情況下用相同的信息率以任意小的差錯(cuò)概率來傳輸信息。這就是用擴(kuò)展頻譜的方法獲得的好處 ，也是擴(kuò)頻通信的核心所在13。就低壓電力載波通信而言 ，應(yīng)用擴(kuò)頻通信的主要優(yōu)點(diǎn)如下 ：1、抗干擾能力強(qiáng) ，適合在低壓電力線這樣的惡劣通信環(huán)境下實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)通信 。2、可以實(shí)現(xiàn)碼分多址 CDMA ： Code Divis

20、ion Multiple Access 技術(shù) ，在低壓配電網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)不同用戶的同時(shí)通信 。3、信號的功率譜密度很低 ，具有良好的隱蔽性 ，不易被截獲 。2自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)根據(jù)對信道預(yù)測的結(jié)果動(dòng)態(tài)調(diào)整調(diào)制方式以及 HYPERLINK /view/1439048.htm t _blank 前向糾錯(cuò)編碼方式的技術(shù)稱為自適應(yīng)調(diào)制。由于上文中也提到高頻載波信號在低壓電力線上的衰減和載波頻率有關(guān)，所以如果能在保證信號傳輸質(zhì)量的前提下能動(dòng)態(tài)調(diào)整載波信號的頻率，是其在低壓電力線上的衰減達(dá)到最小，這就是自適應(yīng)調(diào)制編碼器的核心思想。5 發(fā)展趨勢物聯(lián)網(wǎng)是個(gè)萬億級產(chǎn)業(yè)，涵蓋了工業(yè)生產(chǎn)、公共服務(wù)、社會(huì)管理、現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)、家居服務(wù)、軍事航天等眾多應(yīng)用領(lǐng)域，特別在智能電網(wǎng)方面的發(fā)展也帶動(dòng)了電力線網(wǎng)的應(yīng)用變革。而電力網(wǎng)作為規(guī)模最大、布線最廣、用戶終端最多的線路系統(tǒng)，如果物聯(lián)網(wǎng)能借助電力網(wǎng)來完成信息的傳