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PLC的认识, PLC不在神秘

 PLC不在神秘

PLC技术,俗称"电力线上网",英文为Power Line Communication,简称PLC,是指利用电力线传输数据和话音信号的一种通信方式,以前该技术只作为长距离调度的通信手段,随着Internet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重视,因为它具有不用布线、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。

一、 PLC技术的起源及发展

       英国NORWEB通信公司在1990年就开始对电力载波通信进行研究,1995年,该公司又与加拿大Nortel公司联手,共同开发这项新技术。1996年9月在CIGRE大会期间向各国代表展示了技术原理和演示产品,提供了在曼切斯特进行20户小范围试验的录像资料,传输速率达到1Mbps ,利用包交换规约以及先进的网络调制技术,可以实现数字化声音和数据传输,但由于资金上的原因,于1999年放弃该项工作;1998年,美国lntelogis公司推出了passPort商业化PLC产品,用于户内联网,最高速率为350kbps。由于技术不成熟,亦未能大规模商用,以使PLC技术在研究和改进中发展。到2001年初,PLC专用芯片制造技术的进展明显加速,美国lntellon公司用于户内联网的14Mbps芯片达到实用水平;欧洲西班牙DS2公司的芯片速率也达到45Mbps;随之,许多国家的研究机构开展了PLC技术的研究和开发,如美国的Intellon、Inari(Intelogis)、ITRAN等公司,韩国的Xeline公司,欧洲的ASCOM、Polytrax等公司,PLC芯片的传输速率从1Mbps发展到2Mbps、14Mbps、45Mbps。

        德国RWE电力线通信公司(RWE Powerline GmbH)从1997年开始与瑞士ASCOM公司合作开发PLC产品,1999年汉诺威展览会上展出了样机,2000年5月开始进行200户的现场试验。2000年11月起在德国埃森RWE Plug公司总部大厅开放PLC演示样板间。2001春季推出了RWE PowerNet(PLC上网)、RWE PowerSchool(PLC学校联网)和RWE eHome(智能家庭自动化)三项业务及相应产品。自2001年7月1日起正式开始商用化,致力于德国电力线接入市场的运营、数字化家居的建设以及电力线数字学校的建设和运营。RWE电力线宽带接入产品在德国的Essen(埃森)安装了1500户。从而使RWE公司成为世界上首家宣布实现PLC接入系统商业化运营的企业,同时德国也是迄今为止世界上唯一允许PLC进入商业化运行的国家,并颁布了有关法律(NB30)。RWE公司的PLC接入系统提供的数据服务是上行、下行对称的,最大为2Mbps,为多用户共享带宽;德国电信的ADSL提供的是不对称服务,下行为768Kbps, 上行为128 Kbps,为每个用户专用带宽。从最高接入速率上看,RWE的PLC系统下行接入速率比ADSL快3倍,上行速率快15倍。和ISDN相比,PLC的接入速率快70倍。2002年RWE计划推出IP电话业务,并深入研究开展视频会议、视频点播、网上电视、网上广播等业务。

        瑞士ASCOM公司1998年开始进入PLC技术研究领域,1999年在德国RWE公司实验取得成功,2000年与欧洲、东南亚以及拉丁美洲的20个大型企业或电信运行商联合建设了实验系统,试验的用户数超过2000个,并全部取得了成功。

        韩国Xeline公司成立于1999年5月,它的前身是韩国Keyin Telecom公司。主要业务是开发、制造、销售基于PLC的产品和网络解决方案。在2001年3月在德国汉诺威举办的CeBIT 2001展览会上,推出PLC产品解决最后一公里接入、家庭网络应用解决方案。在韩国汉城建立了与互联网相连接的示范点,实现了同步互联网接入的家庭联网、文件共享和MP3音乐播送。目前,该公司除在汉城外,还在德国、***、美国、中国等地建设了PLC试验点,产品传输速率从1Mbps到32Mbps。

        随着PLC技术的发展,相继成立了相关的国际性PLC组织,例如 (HomePlug Powerline Alliance)、电力线通信技术论坛(PLC Forum)和电力线作为可供选择的本地接入系统协会PALAS (Powerline as an Alternative Local Access)等。其中HomePlug电力线联盟由思科系统、英特尔、惠普、松下和夏普等13家公司于2001年4月成立,致力于创造共同的家用电线网络通讯技术标准。美国Advanced Micro Devices(AMD)、美国Conexant Systems、美国Enikia、美国Intellon、美国Motorola、Panasonic、美国S3下属的Diamond Multimedia、美国Tandy/RadioShack以及美国Texas Instruments等都参加了HomePlug Powerline Alliance。目前,HomePlug电力线联盟已有90家公司参与该组织标准的制定工作,并已制定了第一个标准草案(HomePlug 1.0 specification)。这些组织正在研究PLC技术标准、市场推进和政府管制政策等问题。

 

二、PLC产品的关键技术和接入原理

         电力线不同于普通的数据通信线路,当作为一种数据传输的媒介时,遇到许多干扰:首先,电力线上有许多不可预料的噪声和干扰源,如吸尘器、开关电源、电冰箱、洗衣机等,其次,电力线通讯具有时间上不可控、不恒定的特点。与信号洁净、特性恒定的Ethernet电缆相比,电力线上接入了很多电器、音响设备,这些设备任何时候都可以插入或断开、开机或关闭电源,因而导致电力线的特性不断地变化。为了克服各种干扰,电力线通信系统采用的调制技术主要是OFDM(正交频分复用)、DMT(多载波调制)、扩频及常规的QPSK,FSK等,为适应高速率的传输要求,多载波正交频分复用将是解决传输频带利用的有效方法。

        OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道,在每个子信道上使用一个子载波进行调制,并且各子载波并行传输,这样,尽管总的信道是非平坦的,也就是具有频率选择性,但是每个子信道是相对平坦的,并且在每个子信道上进行的是窄带传输,信号带宽小于信道的相应带宽,因此就可以大大消除信号波形间的干扰。

OFDM技术有三个优点:

1、可以有效地对抗信号波形间的干扰,适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。当信道中因为多径传输而出现频率选择性衰落时,只有落在频带凹陷处的子载波以及其携带的信息受影响,其他的子载波未受损害,因此系统总的误码率性能要好得多。

2、通过各子载波的联合编码,具有很强的抗衰落能力。OFDM技术本身已经利用了信道的频率分集,如果衰落不是特别严重,就没有必要再加时域均衡器。通过将各个信道联合编码,则可以使系统性能得到提高。

3、OFDM技术抗窄带干扰性很强,因为这些干扰仅仅影响到很小一部分的子信道。

PLC技术主要包括以下几个部分组成:

1、电力线网络单元(PNU),它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),它为最终用户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或其它设备相集成。

3、耦合设备(CouplingUnit)是将信号传入线路并过滤噪音的。目前它还是一个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。PLC调制解调器和PC内的耦合设备的集合体有一天将使PC可以直接在网上运行。

      配电网是一种共享介质,即所有与之相连的用户都共享同一 "电缆" 。在典型的城市配置中,它则转化为与一个变压器相连的大约100到200个用户。PLC系统能够在1Mbps的最佳传输速率下支持80个用户,这一比例是足够的。由PLC技术支持的客户,需要具备一个技术条件,具有很强的带宽分配能力的介质接入控制(MAC)层。这就使电源线网络不仅仅能够支持80个Internet用户的数据往复交换,而且能够灵活地适应以不同速率传输的上行和下行数据。

用户通过PLC Modem联结到户内电源插座,通过电力线联接楼宇配电变压器端的PLC主控设备,完成"最后一百米"的接入。用户只需装设一台PLC-Modem,不用拨号,就能在线地接收和发送Internet信息。

三、电力线上网的优缺点

        用电力线作家庭总线有其显著的优点:成本低、施工方便、一线两用,价格低廉,延伸方便。电力线在家庭、公司及各种场所处处可达,比电缆甚至是固定电话网络更是广泛。例如,用户能自由选择在家中任何有电插座的角落上网,用量多大都不必担忧电话费,也不用花钱铺设更多电话线。一个民用220V线路的变压器只覆盖一定范围内的用户,所以在同一条电力线上的资源不会因为用户太多而降低效率。在用户较少的情况下,可以把几个变压器线路区域内的用户联在一起,提高服务器的利用率;如果用户增多了,不同变压器区域内的用户又可以分开,使用本区域的主服务器,可使资源的利用率始终保持在较高的水准。

        电力线传输所存在明显的缺点就是噪声大和安全性低的问题。尽管电力线可以作为高速通信的一种备选介质,但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,使用电力线来进行通信经常会发生一些不可预知的错误。家庭电器产生的电磁波会对通信产生干扰,这种联网方式也会影响短波收音机等。另外,供电网上网服务,是一种 "共享带宽" (shared bandwidth)的技术,用户上网时的速度,取决于当时会有多少用户上网。如果很多用户同时上网,传输速度相对就较慢。

四、我国<,/SPAN>PLC技术的发展现状

        我国研究PLC技术起步较晚,但发展速度较快。中国电力科学研究院自1997年开始研究PLC技术,主要考虑PLC技术用于低压抄表系统,传输速率较低。1998年开发出样机,并通过了试验室功能测试,1999年在现场进行试运行,获得了产品登记许可。1999年5月开始进行PLC系统的研究开发工作。主要对我国低压配电网络的传输特性进行了测试,并对测试结果进行了数据处理和分析,基本取得了我国低压配电网传输特性和参数,为进行深入研究和系统开发提供依据。2000年开始引进国外的PLC芯片,研制了2Mbps的样机,2001年下半年在沈阳供电公司进行了小规模现场试验,实验效果良好,并于6月20日在沈阳通过验收。验收委员会通过现场检测认为,该实验从中国配电网的实际传播特性出发,对电力线通信技术的理论、实际应用和工程技术进行了开创性研究,在国内率先研制成功2Mbps和14Mbps高速电力线通信系统,建立了我国第一个电力线宽带接入实验网络;实现了自家庭至配电开关柜的高速电力线数据通信,并将办公自动化系统延伸至家庭。该实验的成功标志着我国已经全面掌握了高速电力线通信的核心技术,具备了研制生产这种技术实用化设备的能力。据悉,今年年底以前将建成200户的试验网络。

       深圳国电科技有限公司是国家电力公司直属企业,2000年初就开始研制户内PLC产品,目前,采用美国Intellon公司的14Mbps芯片研制的用于户内联网的PLC产品也在小范围试验。下一步准备采用DS2公司的45Mbps芯片,研制传输速率达到20Mbps的户内PLC联网设备。

         福建省电力公司科技部2000年初立项,研究利用PLC技术控制家用电器的科技项目,2001年取得了一定进展,采用传输速率为10Kbps的PLC模块,可控制家用热水器、DVD等家电的开启。目前,采用美国Intellon公司14Mbps芯片,正在研发传输速率达到10Mbps的PLC户内家电控制产品。
国电通信中心为落实国电公司领导对PLC技术的研发应用进行统一组织、统一管理的要求,在国电公司科环部的支持下,加快了PLC技术应用的推进速度,于2001年9月在国家电力公司宿舍区建立了PLC实验室,组织国内外PLC厂商的产品,分别进行测试试验。首先采用韩国Xeline公司研制开发的32Mbps芯片的PLC组网设备,在北京居民小区进行Internet的接入试验,在高层建筑(16层-23层)的14户居民家中安装了PLC调制解调器,每户居民均实现了通过电力线上Internet网,试验网络运行稳定,家电的使用对上网基本没有影响,上网静态画面稳定,动态画面流畅,网页登陆速度快,上网桌面速率达到2Mpbs,用户反映良好。目前,试验正在逐步扩大用户数量。

        预计未来数年,随着高速上网愈来愈普及,新技术将把电线、无线和电话线这三种技术合而为一,让使用者通过高速网络连线,轻松将计算机、各种电子装置、安全系统和家电串连成家庭网络。


五、电力线通信(PLC)的产品测试

1、测试内容

        2001-2002年,电力线通信(PLC)产品测试由中电飞华公司与韩国Xeline公司、瑞士ASCOM及中国福建电力研究院共同合作,在北京建立国内居民小区的典型测试环境,由产品厂家提供PLC产品,对三家公司生产的PLC网络设备进行本地化测试。

测试中针对国内目前的低压配电网的特点,验证各厂家PLC产品的可用性和实用性。同时,在小区居民楼内建立试验网络做试运行。

选取部分住户作为用户试运行1~2个月,然后向用户调查PLC的使用状况和对各方面性能的满意程度。

2、测试环境

          为了方便安装试验,产品测试选取了北京的三个电力小区,均位于广安门附近,包括广华轩、华景苑和善果胡同小区。其中在广华轩小区中将3号楼1602房间作为试验室,在房间内建立了专门用于PLC产品测试的实验环境。房间内部与普通居民家庭布置相同,添置了一般家庭拥有的家用电器,如电视机、电冰箱、洗衣机、微波炉等。这些电器可用于测试在电力线负载较大或负载发生变化时,是否对电力线数字信号传输产生影响。

PLC产品测试选择的接入楼宇有新建高层住宅、旧的高层住宅和六层的楼房,都是典型的小区楼宇,具有一定代表性。若通过PLC可成功实现Internet接入,则说明该产品也可应用于其他类似的小区居民楼。

3、测试的PLC产品介绍

本次测试使用的PLC产品是由各产品厂家提供,包括局端设备(Master)和用户端设备(PLC Modem)。

瑞士ASCOM

瑞士ASCOM的产品最为成熟,在世界上很多国家作过测试,德国RWE公司使用ASCOM产品已经进入正式运营阶段。该产品不仅有上网高速功能,还可为用户提供语言服务,使用普通的电话机就可以通过电力线拨打IP电话。

ASCOM的产品较多,用于不同的低压配电网结构。设备分为室内设备和室外设备,使用不同频段。室外设备使用1.6M~12MHz,室内设备使用15M~30MHz。设备的调制采用GMSK技术,3载波方式,速率是4.5Mbps。设备配有较完备的网络管理系统,可对局端和用户终端实现远程监控。

测试中主要用到了室内的局端设备APM-45i和终端设备APA-45i两种产品。

韩国Xeline

韩国Xeline的局端设备相当于PLC交换机,具有二层交换功能,尺寸也与常用的交换机相近。Xeline的局端设备最大可以带180个用户,扩展方便。该设备是通过MAC地址实现对用户的管理。局端设备有两个RJ45接口,可以作为上行接口接入网络的交换机或路由器的端口;板卡上的串口连接信号线,通过耦合器将信号耦合到电力线中,再传输到用户终端PLC Modem上。每个串口可以支持多个PLC Modem,实现同一房间内的多个计算机同时上网。

用户终端PLC Modem外观与外置的双绞线拨号Modem相近,有一个电源插头同时用于接收电能和高速信号,以及一个RJ45接口与PC机的网卡相连。同一住户的多台PC机各连一个PLC Modem,通过室内的电力线就可以组成小型的家庭局域网。

Xeline的PLC设备采用OFDM调制技术,使用频段为2M~30MHz,传输带宽可达10Mbps。

福建电力研究院

福建电力研究院已研制出PLC设备,在北京的测试网络正在运行中。

研究院的PLC设备同样分为局端和终端设备,采用美国Intellon公司生产的芯片,速率为10Mbps。研究院的设备与Xeline的产品及组网方案相似,用户终端Modem采用USB接口,直接连接计算机。

4、测试性能

三处电力小区的PLC试验网络建成后,共有61个用户的PC机实现Internet接入,速率为500K~1Mbps,可提供网上浏览、VoD点播、远程教育、网络游戏、IP电话等服务。

在某网站上在线观看经过压缩的.rm视频文件,文件带宽在200Kbps时,画面流畅,声音清晰,可以正常观看。PLC试验网络在测试中运行稳定,没有断线现象。电视机、电冰箱、洗衣机等常用的家用电器的打开和关断等操作对网络的使用没有明显的影响。

PLC试验网络接入速度较快,远远超过普通拨号和ISDN,已达到ADSL的速率水平。电信的ADSL上网方式承诺用户速率512Kbps,但部分使用者反映实际速率达不到该值,通常只有100K~150Kbps。从网络性能测试结果来看,PLC宽带接入已经超过了中国电信ADSL接入的速度水平。

六、应用及前景

我国宽带小区使用的接入方式目前主要是HFC,xDSL和以太网接入。传统的宽带运营商,如中国电信拥有接入网资源和终端用户资源,采用xDSL的接入方式;新兴的宽带运营商,本身无固有的接入网资源,主要采取的是和房地产商合作的方式,搭建以太网,实行以太网接入方式。

与上述各种宽带接入技术相比,PLC接入则具有得天独厚的优势。首先,低压配电网是现有的电力基础设施,覆盖面最大,无需新建线缆,降低施工费用;室内电源插座安装简单、设置灵活,为用户实现宽带互联带来极大的方便;带宽较宽,可满足当前一段时间宽带接入业务的需要。因此,是国内最适合采用的宽带接入技术。

国家电力公司正在实施电力通信信息重组,加快组建电通公司,申请基础电信业务经营许可。现有的配电网络和日渐成熟的PLC宽带接入技术是电通公司得天独厚的优势,有利于快速获得基础电信业务经营许可。PLC是一项依托于电力基础设施的通信技术,只有电力系统才有条件对该项技术进行研发、生产、销售、应用等全过程的实施。PLC技术的应用可以提升电通公司的市场竞争力,为全面进入电信市场打下基础。

利用电力杆塔、沟道等资源优势,加快建设覆盖面较大的城域光纤网,实现光纤到楼;结合PLC技术,直接使用楼内的低压配电网实现宽带接入通信。这种宽带接入方式不需要重新架设线路,不仅可以缩短建设周期,还可大大降低网络运营成本,使电通公司以最快的速度进入电信市场。

在发展的初期,PLC宽带接入技术可为用户提供Internet接入、VoD点播、远程教育、远程医疗、IP电话、IP传真等服务;中期为用户提供家电集中或远程智能化管理、远程抄表、报警等服务联网;远期提供家庭联网服务,将室内电话网络、数据网络、安全保密网络、娱乐系统和家电智能化等分立的系统联接起来,使家庭通过电力线实现视频、语音、高速Internet接入等服务,从而实现"四网合一"。

七、关于使用PLC的若干问题的解答

1、用电线来上网会不会有触电的危险?会不会对我的电脑造成损害?

答:PLC技术利用220V电压的电力线传输数据信号。使用过程中,用户不免会担心是否会损坏计算机,甚至威胁到人身安全。PLC设备采取了多种保护措施来确保设备使用的绝对安全:

⑴用线圈的耦合原理将高频信号耦合到电力线中并从电力线中分离,PLC设备中数据信号的传输线路不与220V电线直接连接。

⑵电路设计中,强、弱电路分开设计,保证信号线路中不会出现高电压。

⑶PLC设备电路中设置过压保护装置,避免由于感应或短路造成对计算机和用户的伤害。

2、要用PLC来上网需要增加什么设备呢?

答:用PLC上网需要增加的设备有两种:需要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的家中,局端设备一般放置在楼宇的配电室内。一台局端设备可以拖带数十台PLC调制解调器。

3、用PLC能达到多大的网速呢?

答:一般不同厂家生产的PLC设备能达到的速度有所不同,瑞士Ascom公司生产的PLC产品能达到的最大速率为4.5Mbps,韩国Xeline和我国福建电科院的产品最大速率为14Mbps,而西班牙DS2,的产品能达到45Mbps。

4、我的电脑怎么和PLC调制解调器连接?

答:通常,PLC调制解调器都带有10/100M的RJ-45以太网接口和USB接口。具有以太网卡和USB接口的计算机都可以非常方便的与之进行连接。

5、 PLC的传输距离如何?

答:当电力线空载时,点对点PLC信号可传输到几公里。但当电力线上负荷很重时,只能传输一二百米。目前来讲,PLC还不适合长距离的数据传输,但如果只在楼宇内应用,解决"最后一百米"的入户问题,还是完全可以胜任的。

八、其它信息:

  1、国电通信中心于2002年4月10日发出了电通总综[2002]36号《关于加强电力线通信技术研究开发和试验工作管理的通知》的文。主要内容摘录如下:国家电力公司系统的PLC推进工作由科技环保部牵头,国电通信中心承担统一组织协调系统内各网省公司及科研院所开展技术研发、现场试验等工作。PLC推进工作的战略部署是:由国电通信中心先行试验,摸索经验,打下基础,然后再向系统全面推广。

目前,PLC技术在我国的应用还处在试验阶段,还未形成适合我国国情的成熟产品,存在着缺陷和问题。PLC产品的研发、推广和应用涉及政策法规、电网安全、电磁兼容、技术体制、准入标准等多方面的问题。对PLC产品的应用和推广既要积极,又要慎重。因此,各网省公司对PLC推进工作的复杂性、系统性要有深深刻认识,不可急于求成,盲目进行自主开发和试验。在电力体制改革的关键时刻,要首先确保电力生产的安全稳定运行和广大电力用户的安全,因此,PLC推进工作就更需要加强统一组织和管理。另外,还必须防止重复引进、重复试验造成浪费。鉴于上述原因,现再次强调各单位不得随意引进和进行PLC产品的试验。

2、国家电力公司科技环保部提供的消息:2002年6月20日,国家电力公司在沈阳对中国电力科学研究院和沈阳供电公司共同承担的国家电力公司重点科技项目"低压配电网(380/220V)复合通信方式研究"组织了验收。该项目的成功完成,标志着我国已经基本掌握了电力线高速通信的核心技术,具备了研制和生产实用化电力线高速通信设备的能力,为国家电力公司开发电力线信息资源奠定了基础。该项目在国内率先研制开发出2Mb/s和14Mb/s电力线高速通信系统,并于2001年8月在沈阳建立了我国第一个电力线宽带接入小区。该小区实现了自用户家庭至配电开关柜的高速电力线数据通信,为用户提供通过企业的内联网访问因特网,以及收费、公告、视频点播等在内的数字化小区服务,并将办公自动化系统延伸至职工家庭。实际测试结果表明该系统运行稳定,传输速率高,抗电网波动能力强。验收委员会通过现场检查和测试后认为:该项目对低压配电网电力线通信技术在国内的应用,进行了开创性的研究工作。

        预计未来数年,随着高速上网愈来愈普及,新技术将把电线、无线和电话线这三种技术合而为一,让使用者通过高速网络连线,轻松将计算机、各种电子装置、安全系统和家电串连成家庭网络。

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