單元七 PLC電力線通信技術(shù)

1、計(jì)算機(jī)應(yīng)用電工技術(shù)，主編：王公儒，第7單元PLC電力線寬帶通信技術(shù)，工作任務(wù)通過(guò)本單元的學(xué)習(xí)，了解電力線寬帶通信技術(shù)，學(xué)習(xí)一般實(shí)際應(yīng)用，了解電力線系統(tǒng)的一般布線方法。工作目標(biāo)了解電力線通信系統(tǒng)的基本概念和特點(diǎn)。熟悉PLC通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)、訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)、訪問(wèn)方案。認(rèn)識(shí)和掌握電力線系統(tǒng)的一般布線方法。了解電力線通信技術(shù)的典型實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)。7.1電力線寬帶通信技術(shù)，7.1.1電力線寬帶通信技術(shù)介紹電力線寬帶通信是利用電力線本身及其產(chǎn)生的電網(wǎng)或配電網(wǎng)作為傳輸介質(zhì)實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ偶夹g(shù)。利用電力線寬帶通信技術(shù)，可以用已經(jīng)擁有的電網(wǎng)進(jìn)行通信，現(xiàn)在開(kāi)始普及。通信接入網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)最終用戶和廣域網(wǎng)之間的互

2、連，用戶可以通過(guò)接入網(wǎng)絡(luò)利用各種通信服務(wù)。但是，實(shí)施、安裝和維護(hù)訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)的成本非常昂貴，通常占網(wǎng)絡(luò)總投資的50%以上。因此，網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商總是希望以盡可能少的成本實(shí)施接入網(wǎng)絡(luò)部署，以提高自身的競(jìng)爭(zhēng)力，作為確保通信進(jìn)行適當(dāng)?shù)那疤?。在大多?shù)情況下，訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)仍然屬于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商。因此，新的網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商正在尋求實(shí)施自己的訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)方案。電力線寬帶通信技術(shù)為接入網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)提供了非常有希望的解決方案。低壓配電網(wǎng)絡(luò)(通常稱為PLC訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò))的寬帶PLC技術(shù)。世界各地正在進(jìn)行多種PLC現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用，已經(jīng)投入了商業(yè)應(yīng)用，PLC用戶也在不斷增加，PLC接入網(wǎng)絡(luò)特別適用于物聯(lián)網(wǎng)和智能家庭系統(tǒng)的通信，具有廣闊的發(fā)展

3、前景。、7.1電力線寬帶通信技術(shù)、7.1.2 PLC通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)歐洲標(biāo)準(zhǔn)CENELEC EN50065中定義的供電網(wǎng)絡(luò)中使用電力線通信的頻率范圍為9到140khz(請(qǐng)參閱表7-1)。CENELEC標(biāo)準(zhǔn)與美國(guó)和日本的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)明顯不同。美國(guó)和日本對(duì)標(biāo)準(zhǔn)定義的PLC復(fù)蓋頻率范圍可達(dá)500kHz。CENELEC規(guī)格可以提供高達(dá)數(shù)千位每秒的數(shù)據(jù)傳輸速率，還可以支持電網(wǎng)中的負(fù)載管理和遠(yuǎn)程抄表等部分測(cè)量功能、極低的數(shù)據(jù)傳輸速率以及多個(gè)語(yǔ)音通道。但是，要支持最新通信網(wǎng)上的各種應(yīng)用程序，PLC系統(tǒng)必須能夠提供大于2Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。必須滿足此基本要求，PLC網(wǎng)絡(luò)才能與其他技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)。PLC傳輸系統(tǒng)必須在最高

4、頻率為30MHz的范圍內(nèi)運(yùn)行，才能提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。、表7-1 CENELEC中規(guī)定的電力線通信的頻帶范圍、7.1電力線寬帶通信技術(shù)、7.1.3 PLC接入網(wǎng)絡(luò)低壓配電網(wǎng)絡(luò)通常包括連接變壓器單元和最終用戶的電源線的幾個(gè)通儀表(m)低壓配電網(wǎng)絡(luò)通過(guò)變壓器單元連接到中高壓網(wǎng)絡(luò)，如圖7-1所示，PLC接入網(wǎng)絡(luò)通常通過(guò)位于變壓器單元內(nèi)的主/主工作站(BS)連接到廣域網(wǎng)。許多電力供應(yīng)商都有自己的專用通信網(wǎng)，連接實(shí)際上可以充當(dāng)主干的各個(gè)變壓器單元。否則，變壓器單元可以連接到一般通信網(wǎng)。、圖7- 1 PLC接入網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、7.1電力線寬帶通信技術(shù)、7.1.3 PLC接入網(wǎng)絡(luò)1。室內(nèi)PLC網(wǎng)絡(luò)通常，室內(nèi)P

5、LC的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)類似于應(yīng)用低壓配電網(wǎng)絡(luò)的PLC接入系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但是還需要控制室內(nèi)PLC網(wǎng)絡(luò)的基站，可能需要通過(guò)基站在室外連接，如圖7-2所示。基站可以位于米附近，也可以位于室內(nèi)PLC網(wǎng)絡(luò)的任何位置。室內(nèi)PLC網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備均通過(guò)PLC調(diào)制解調(diào)器連接。這類似于用戶在PLC訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)中的連接方式。PLC調(diào)制解調(diào)器直接連接到家里墻上的電源插座，在家里或公寓里，電源插座幾乎無(wú)處不在。因此，可以通過(guò)墻上插座輕松地將各種通信設(shè)備連接到室內(nèi)PLC網(wǎng)絡(luò)。、圖7-2室內(nèi)PLC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、7.1電力線寬帶通信技術(shù)、7.1.3 PLC接入網(wǎng)絡(luò)2。PLC網(wǎng)絡(luò)單元(1)某些基本網(wǎng)絡(luò)單元需要使用電源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信服務(wù)。每個(gè)

6、PLC訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)都有兩種類型的設(shè)備：PLC調(diào)制解調(diào)器(PLC調(diào)制解調(diào)器)和PLC主/基站(PLC Modem/base station)。PLC調(diào)制解調(diào)器將用戶使用的標(biāo)準(zhǔn)通信設(shè)備連接到電力線傳輸介質(zhì)。客戶端的接口可以為不同的通信設(shè)備提供各種標(biāo)準(zhǔn)接口。這些設(shè)備包括用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)和USB，以及用于電話服務(wù)的接口。在另一端，PLC調(diào)制解調(diào)器以組合方式連接到供電網(wǎng)絡(luò)，以便通信信號(hào)可以傳送到電力線介質(zhì)并可靠地接收。將PLC基站(或稱為主工作站)、PLC訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)連接到主干網(wǎng)絡(luò)。如圖7-4所示，實(shí)現(xiàn)主干網(wǎng)和電力線傳輸介質(zhì)之間的連接。但是，基站提供各種網(wǎng)絡(luò)的通信接口，而不直接連接到用戶終端設(shè)備。這包括xD

7、SL、用于高速網(wǎng)絡(luò)連接的同步數(shù)字系列(SDH)，以及用于無(wú)線互連的無(wú)線本地局域網(wǎng)(WLL)。、圖7-3 PLC調(diào)制解調(diào)器的功能圖7-4 PLC基站功能、7.1電力線寬帶通信技術(shù)、7.1.3 PLC接入網(wǎng)絡(luò)2。PLC網(wǎng)絡(luò)單元(2)中繼器在某些情況下應(yīng)在低壓電源網(wǎng)絡(luò)上的PLC用戶之間以及用戶和基站之間的距離超過(guò)常規(guī)PLC接入系統(tǒng)的有效連接距離的情況下使用中繼器。中繼器將整個(gè)PLC訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)分為PLC訪問(wèn)系統(tǒng)有效距離內(nèi)的多個(gè)網(wǎng)段。每個(gè)網(wǎng)段通過(guò)頻帶分割或時(shí)間分割方法相互隔離。一個(gè)時(shí)間段用于第一網(wǎng)段內(nèi)的信號(hào)傳輸，另一個(gè)時(shí)間段用于第二網(wǎng)段內(nèi)的信號(hào)傳輸。(3)PLC網(wǎng)關(guān)PLC用戶可以通過(guò)墻上的電源插座連接到P

8、LC訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)，方法有兩種：直接連接和通過(guò)單個(gè)網(wǎng)關(guān)間接連接。、圖7-5 PLC用戶的直接訪問(wèn)方法圖7-6網(wǎng)關(guān)的用戶間接連接、7.1電力線寬帶通信技術(shù)、7.1.3 PLC訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)3。PLC網(wǎng)絡(luò)特性PLC網(wǎng)絡(luò)使用低壓配電網(wǎng)絡(luò)作為傳輸介質(zhì)。低壓網(wǎng)絡(luò)的特性由該網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浜陀米魍ㄐ艂鬏斀橘|(zhì)的特性決定。另一方面，PLC接入網(wǎng)絡(luò)像天線一樣發(fā)出電磁輻射，干擾在2-30 MHz頻率范圍內(nèi)工作的其他通信工作。因此，PLC系統(tǒng)可以傳輸?shù)男盘?hào)功率有限，對(duì)干擾非常敏感。PLC系統(tǒng)受到低壓配電網(wǎng)絡(luò)周圍環(huán)境和低壓配電網(wǎng)絡(luò)本身的干擾。PLC接入網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涮匦杂蓚鬏斀橘|(zhì)低壓配電網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涮匦源_定。但是，PLC訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)可以將基站旋

9、轉(zhuǎn)到網(wǎng)絡(luò)上的其他位置，也可以通過(guò)不同的網(wǎng)絡(luò)分隔方式進(jìn)行不同的操作。低壓網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)之間存在很大差異。這些差異源自網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)值，例如用戶密度、用戶行為和連接的電氣裝置。一般可以得出低壓配電網(wǎng)(包括室內(nèi)部分)在物理上是樹(shù)型拓?fù)涞慕Y(jié)論。但是，邏輯上，PLC訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)可以用作使用共享傳輸介質(zhì)的總線網(wǎng)絡(luò)。PLC網(wǎng)絡(luò)共享傳輸介質(zhì)，因此需要特定的介質(zhì)訪問(wèn)控制(MAC)策略?；究刂茖?duì)所有或部分PLC網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)的訪問(wèn)?；疽彩沁B接WAN的接入點(diǎn)。還可以訪問(wèn)其他PLC設(shè)備，例如中繼器或網(wǎng)關(guān)。、7.1電力線寬帶通信技術(shù)，7.1.4 PLC系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)1。PLC訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)PLC訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)包括基站和一定數(shù)量

10、的用戶，這些用戶是PLC調(diào)制解調(diào)器用戶。通常，調(diào)制解調(diào)器提供連接不同通信設(shè)備的各種用戶界面，如圖7-7所示。另一方面，PLC調(diào)制解調(diào)器連接到電力線傳輸介質(zhì)，以提供特定的PLC網(wǎng)絡(luò)接口。PLC傳輸介質(zhì)和用戶界面之間的通信在第3層進(jìn)行。物理層接收的信息在電力線網(wǎng)絡(luò)中接收，并通過(guò)根據(jù)特定標(biāo)準(zhǔn)或協(xié)議(如IP協(xié)議)配置的MAC層和LLC層發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)層，從而確保PLC與以太網(wǎng)(或其他網(wǎng)絡(luò))數(shù)據(jù)接口之間的通信。通信設(shè)備的數(shù)據(jù)接口上接收的信息向上傳遞到應(yīng)用層。、圖7-7 PLC網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)、7.1電力線寬帶通信技術(shù)和7.1.4 PLC系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)2。配置PLC的MAC層(1)MAC層的基本任務(wù)是配置對(duì)使用連

11、接到一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的同一“共享傳輸介質(zhì)”的多個(gè)用戶的訪問(wèn)控制，以及來(lái)自其他用戶申請(qǐng)的各種通信服務(wù)的信息流。通常，各種通信網(wǎng)絡(luò)的媒體訪問(wèn)控制層的功能可以分為多種連接、資源共享和流量控制三類。(2)在共享MAC層的特征傳輸介質(zhì)的每個(gè)通信系統(tǒng)中，MAC層是通用協(xié)議系統(tǒng)的一部分。針對(duì)每個(gè)通信系統(tǒng)的特定傳輸特性、操作環(huán)境、用途，開(kāi)發(fā)了可用于特定通信系統(tǒng)的各種MAC層和協(xié)議實(shí)現(xiàn)方法。PLC存取網(wǎng)路的性質(zhì)包括特定傳輸媒體(低電壓配電網(wǎng)路)，在噪音干擾資料傳輸?shù)那闆r下，提供有限速度的資料傳輸。另一方面，為了確保與其他訪問(wèn)技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)，PLC必須提供廣泛的通信服務(wù)并確保滿意的QoS。如圖7-8所示，有四個(gè)直接影響P

12、LC MAC層及其協(xié)議的因素：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、干擾、通信服務(wù)和采用的傳輸系統(tǒng)。、圖7- 8 PLC中的MAC層環(huán)境、7.1電力線寬帶通信技術(shù)和7.1.4 PLC系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)3。多連接方案多連接方案設(shè)置如何將傳輸資源拆分為可訪問(wèn)的部分。該方法可以應(yīng)用于傳輸介質(zhì)(例如，有線或無(wú)線信道)，該傳輸介質(zhì)用于多個(gè)用戶使用多種通信服務(wù)，以及在特定頻譜內(nèi)傳送信息。當(dāng)多個(gè)用戶共享傳輸介質(zhì)時(shí)，從每個(gè)用戶發(fā)送的通信信號(hào)必須獨(dú)立地傳輸多訪問(wèn)方案提供的可訪問(wèn)片段，以避免發(fā)生錯(cuò)誤。為此，從不同用戶發(fā)送的信號(hào)在從共享媒體發(fā)送時(shí)必須相互垂直。實(shí)際上，如果不同的用戶共享相同的媒體，則無(wú)法完全正交信號(hào)。但是，如果不同信號(hào)之間的影響足

13、夠小，則可能被通信系統(tǒng)接受。一般來(lái)說(shuō)，三種多連接方法在通信系統(tǒng)中廣泛使用：分時(shí)多連接(TDMA)、頻分多連接(FDMA)和碼分多連接(CDMA)。這三種基本的多連接方法也可以結(jié)合使用。、7.1電力線寬帶通信技術(shù)，7.1.4 PLC系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)4。資源共享策略資源共享策略的任務(wù)是管理多連接方案提供的網(wǎng)絡(luò)資源可訪問(wèn)段，以控制使用相同共享網(wǎng)絡(luò)資源的多個(gè)用戶的訪問(wèn)。雙工模式是MAC層控制上行鏈路和下行傳輸方向之間流量的功能之一。下行傳輸管理更容易，因?yàn)榛究梢韵蛞粋€(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)終端發(fā)送數(shù)據(jù)，或向所有終端廣播數(shù)據(jù)，從而對(duì)其進(jìn)行完全控制，如圖7-9所示。傳輸介質(zhì)的向下方向只有基站的數(shù)據(jù)包，不同網(wǎng)絡(luò)終端之間

14、不需要同步。、圖7-9 PLC訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)中的傳輸方向、上行方向上的多個(gè)網(wǎng)絡(luò)終端必須競(jìng)爭(zhēng)以進(jìn)行媒體訪問(wèn)。不同的網(wǎng)絡(luò)終端相互獨(dú)立工作，每個(gè)終端可以隨時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。因此，為了確保所有網(wǎng)絡(luò)終端的公平網(wǎng)絡(luò)許可，并防止不同終端之間的包沖突，管理上行鏈路需要MAC協(xié)議。7.1電力線寬帶通信技術(shù)，7.1.4 PLC系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)5。如上所述，多連接方案應(yīng)用于寬帶PLC網(wǎng)絡(luò)，為網(wǎng)絡(luò)用戶提供多種通信服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)資源的可訪問(wèn)片段。另一方面，優(yōu)化的多連接方法為高效網(wǎng)絡(luò)操作奠定了基礎(chǔ)，為確保系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量(QoS)提供了條件，并實(shí)現(xiàn)了有效的錯(cuò)誤處理機(jī)制。另一方面，資源共享策略或MAC協(xié)議控制多訪問(wèn)方案提供的網(wǎng)絡(luò)資源的可訪問(wèn)片段

15、。MAC協(xié)議要求盡可能提高網(wǎng)絡(luò)利用率，確?？焖俳橘|(zhì)訪問(wèn)以滿足高QoS要求，滿足對(duì)時(shí)間要求服務(wù)的QoS要求，并改進(jìn)PLC網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力。因此，在寬帶PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選擇多連接方法和MAC協(xié)議非常重要。但是，除了上述步驟優(yōu)化外，流量控制機(jī)制還可以大大提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的效率和提供的QoS水平。流控制機(jī)制分為以下三個(gè)組：1)作為MAC層一部分的雙工提高了網(wǎng)絡(luò)利用率。2)流量調(diào)度，網(wǎng)絡(luò)QoS作為MAC層添加機(jī)制；改進(jìn)，3)連接在MAC層之上運(yùn)行的assistance control mechanism(CAC)，以保持網(wǎng)絡(luò)的QoS級(jí)別。如果電力線路通信網(wǎng)能廣泛使用，將極大地推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)及應(yīng)用的發(fā)展。電力線允

16、許傳輸數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、視頻和電源，實(shí)現(xiàn)“4比1”。、7.1電力線寬帶通信技術(shù)、7.1.5電力線適配器的工作原理數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋举|(zhì)是通過(guò)數(shù)據(jù)線傳輸一系列二進(jìn)制字符。從電工的角度來(lái)看，傳輸實(shí)際上是電壓波形，高水平在二進(jìn)制中表示“1”，低水平在二進(jìn)制中表示“0”。如圖7-10所示。訪問(wèn)家用配電系統(tǒng)插座的電壓為220V，50Hz交流電，而數(shù)據(jù)傳輸頻率通常為MHz，高電平為5V，如圖7-11所示。220V交流配電線路可以從適配器a輸入數(shù)據(jù)信號(hào)電壓，在適配器b接收疊加波形，通過(guò)內(nèi)部線路斷開(kāi)220V交流，可以獲得a提供的信號(hào)波形。實(shí)際信號(hào)電壓不是直接嵌套的，適配器a從網(wǎng)絡(luò)電纜接收信號(hào)，調(diào)制并放大，然后輸入到分配線上，適配器b解調(diào)并還原接收到的信號(hào)，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)電纜將其發(fā)送到接收設(shè)備。、圖7-11傳輸電壓和數(shù)據(jù)信號(hào)電壓波形；從圖7-10數(shù)據(jù)線傳輸?shù)男盘?hào)和波形；如果圖7-12電力線適配器連接到供電電路，則7.2電力線通信系統(tǒng)工程布線；7 . 2 . 1電纜家用電力線系統(tǒng)中常用的電纜包括RV電纜(銅芯PVC絕緣線)、RVV電纜(銅芯PVC絕緣PVC護(hù)套線)、bv電纜(單核銅芯PVC絕緣硬線