07-单元七 PLC电力线通信技术

《计算机应用电工技术》XIYUAN西元®《计算机应用电工技术》主编：王公儒《计算机应用电工技术》XIYUAN西元®单元七PLC电力线宽带通信技术工作任务通过本单元的学习，了解电力线宽带通信技术，学习典型实际应用，掌握电力线系统的常用布线方法。工作目标了解电力线通信系统的基本概念和特点。熟悉PLC通信系统标准、接入网的体系结构、接入方案。认知并掌握电力线系统的常用布线方法。了解电力线通信技术在实际中的典型应用方案设计。《计算机应用电工技术》XIYUAN西元®7.1电力线宽带通信技术7.1.1电力线宽带通信技术简介电力线宽带通信是指利用电力线本身，以及其形成的输电网或配电网作为传输介质，实现高速数据传输的一种通信技术。电力线宽带通信技术允许用户利用已有的供电网络进行通信，目前已经开始普及应用。通信接入网用于实现终端用户与广域通信网之间的互联，用户通过接入网可以获得各种通信服务。然而，用于实现、安装和维护接入网的费用非常昂贵，通常占到网络投资总额的50%以上。因此在保证通信正常进行的前提条件下，网络供应商总是试图以尽可能低的成本来实现接入网布设，以提高自身竞争能力。多数情况下，接入网仍然是现有网络供应商所独有的财产。鉴于此，新的网络供应商正在努力寻找实现自有接入网的技术方案。电力线宽带通信技术为接入网络的实现提供了一个非常有前途的解决方案。低压配电网上的宽带PLC技术，通常称为PLC接入网络。世界各地正在进行着各种各样的PLC现场实验和应用，并且已经投入了商业应用，PLC的用户也在不断地增加，PLC接入网也特别适合物联网和智能家居系统的通信，具有广阔的发展前景。《计算机应用电工技术》XIYUAN西元®7.1电力线宽带通信技术7.1.2PLC通信系统标准在欧洲标准CENELECEN50065中定义的供电网络中，使用电力线通信的频率范围是9～140kHz（如表7-1所示）。CENELEC标准与美国和日本的有关标准有着明显的不同。美国和日本有关标准定义的PLC应用的频率范围可以到500kHz。CENELEC规范能够提供最高为几千比特每秒的数据传输速率，能够支持某些计量功能（如对一个电力网络的负荷进行管理和远端抄表）、极低数据传输速率的传输和若干路语音通道。但为了支持现代通信网络的各种应用，PLC系统必须能够提供超过2Mb/s的数据传输速率。只有满足这个基本要求，PLC网络才有可能与其他技术进行竞争。为了提供更高的数据传输速率，PLC传输系统必须工作在最高频率为30MHz的范围内。频带频率范围（kHz）最大传输幅度（V）用户类型A9～9510电力设施B95～1251.2家庭C125～1401.2家庭表7-1CENELEC所规定的电力线通信的频带范围《计算机应用电工技术》XIYUAN西元®7.1电力线宽带通信技术7.1.3PLC接入网低压配电网通常包括一个变压器单元和若干根经过电表（M）连接终端用户的供电电缆，低压网络中电力线传输系统采用低压电力线作为传输介质，实现PLC接入网。低压配电网络通过变压器单元与中高压网络连接，如图7-1所示，PLC接入网则通过通常放置在变压器单元内的基/主站（BS）与广域网连接。许多电力供应商都有自己的专用通信网用于连接各个变压器单元，这些电力供应商的专用通信网实际上都可以作为骨干网使用。如果实际情况并非如此，变压器单元可以与常规的电信网相连接。图7-1PLC接入网的结构《计算机应用电工技术》XIYUAN西元®7.1电力线宽带通信技术7.1.3PLC接入网1.室内PLC网络一般来说，室内PLC的网络结构与应用低压配电网络的PLC接入系统的网络结构大同小异，也同样需要一个基站来控制室内PLC网络，还可能需要通过该基站与室外相连，如图7-2所示。基站可以位于电表附近，也可以置于室内PLC网络中任何合适的位置。室内PLC网络中的所有设备都通过PLC调制解调器来实现连接，这一点与PLC接入网中用户的连接方式类似。PLC调制解调器直接接到房屋墙壁内的电源插座上，而在一个房子或公寓里，电源插座几乎是无处不在的。因此，各种通信设备可以方便地通过墙上插座连接到室内PLC网络中。图7-2室内PLC网络的结构《计算机应用电工技术》XIYUAN西元®7.1电力线宽带通信技术7.1.3PLC接入网2.PLC网络单元（1）基本网络单元对于利用供电网络实现通信服务而言，有些基本单元是必需的。每个PLC接入网包含两类设备：PLC调制解调器(PLCModem)和PLC主/基站(PLCMaster/BaseStation)。PLC调制解调器将用户所使用的标准通信设备与电力线传输介质连接。用户端的接口能够为不同的通信设备提供各种标准接口。这类设备既包括用于数据传输的Ethernet和USB等的接口,也包括用于电话业务的接口。另一端，PLC调制解调器通过耦合方式连接到供电网上，确保通信信号能够送入电力线介质并被可靠接收。PLC基站(或称主站)，将PLC接入网连接到骨干网络上。如图7-4所示，它实现了骨干通信网与电力线传输介质之间的连接。然而，基站不直接连接用户终端设备，而是提供各种网络的通信接口。这其中包括xDSL、用于连接高速网络的同步数字系列(SDH)、用于无线互联的WLL(WirelessLocalLoop，无线本地环路)等。图7-3PLC调制解调器的功能图7-4PLC基站功能《计算机应用电工技术》XIYUAN西元®7.1电力线宽带通信技术7.1.3PLC接入网2.PLC网络单元（2）中继器在某些情况下，低压供电网络中的PLC用户之间以及用户与基站之间的距离超过常规PLC接入系统的有效连接距离，就必须采用中继器。中继器将整个PLC接入网分成若干个网段，每一段都在PLC接入系统的有效距离内。每一个网段之间通过频带分割或者时间分割的方法相互隔离。一个时间段用于第一个网段内的信号传输，而另一个时间段内用于第二个网段内的信号传输。（3）PLC网关PLC用户通过墙上的电源插座实现与PLC接入网相连接的方式有如下两种：直接连接和通过一个网关的间接连接。图7-5PLC用户的直接接入方式图7-6通过网关所实现的用户间接连接《计算机应用电工技术》XIYUAN西元®7.1电力线宽带通信技术7.1.3PLC接入网3.PLC网络特性PLC网络是以低压配电网络作为传输介质的。低压网络的特点由该网络的拓扑结构和其用作通信传输介质的特性共同决定。另一方面，PLC接入网会像天线一样产生电磁辐射，从而干扰工作于2~30MHz频率范围内的其他通信业务。因此，PLC系统所允许传输的信号功率受到限制，这使得它对干扰非常敏感。PLC系统受到的干扰有的来自低压配电网络周围环境，还有的来自低压配电网络自身。PLC接入网的拓扑特性由作为传输介质的低压配电网络的拓扑特性决定。然而，PLC接入网可以采用不同的方式实现，如将基站旋转于网络的不同位置、采用不同的网络分隔方式等，这样它的运行方式也将有所不同。低压网络拓扑结构复杂，网络之间有很大的不同。这些不同之处来源于网络的参数值，如用户密度、用户行为以及连接的电器等。通常可以得出结论，低压配电网，也包括室内部分，物理上呈树型拓扑结构。但是在逻辑上PLC接入网可以当作总线网络，使用共享传输介质。由于PLC网络共享传输介质，因此需要一定的介质访问控制（MAC）策略。基站控制对整个或部分PLC网络介质的访问。同样基站也是连接WAN的接入点。附加的PLC设备，如中继器或网关也可以实现接入。《计算机应用电工技术》XIYUAN西元®7.1电力线宽带通信技术7.1.4PLC系统的体系结构1.PLC接入网的结构PLC接入网包括基站和一定数量的用户，这些用户都是PLC调制解调器的用户。一般情况下，调制解调器提供各种用户接口用来与不同的通信设备相连，如图7-7所示。另一方面，PLC调制解调器与电力线传输介质相连，提供特定的PLC网络接口。PLC传输介质与用户接口之间的通信是在第3层进行的。物理层收到的信息来自电力线网络，并通过MAC和LLC层送到网络层，该信息按照一定的标准或者协议构成（如IP协议），从而确保PLC和以太网（或者其他网络）数据接口之间的通信。通信设备的数据接口接收到的信息将会向上递交给应用层。图7-7PLC网络层结构《计算机应用电工技术》XIYUAN西元®7.1电力线宽带通信技术7.1.4PLC系统的体系结构2.PLC的MAC层（1）MAC层的构成MAC层的基本任务一方面是对使用相同“共享传输介质”连接到某一个通信网络上的多个用户进行接入控制，另一方面是对不同用户申请的各种各样的电信服务产生的信息流进行组织。一般来说，各种通信网络的介质访问控制层的功能可以分为三类：多址接入、资源共享和流量控制。（2）MAC层的特性在每个共用传输介质的电信系统中，MAC层是通用协议体系的组成部分。针对各通信系统具体的传输特点、运行环境、用途，已开发出多种MAC层及其协议实现方法用于特定的通信系统。PLC接入网的特性包括特定的传输介质（低压配电网络），该网络可以在噪声导致数据传输受干扰的情况下提供有限速率的数据传输。另一方面，为了保证能够与其他接入技术竞争，PLC必须提供广泛的电信服务并保证满意的QoS。如图7-8所示，以下4个因素对PLCMAC层及其协议有直接影响：网络拓扑、干扰、电信服务和采用的传输系统。图7-8PLC的MAC层环境《计算机应用电工技术》XIYUAN西元®7.1电力线宽带通信技术7.1.4PLC系统的体系结构3.多址接入方案多址接入方案建立了一种将传输资源划分为可接入片段的方法,这种方法用于多用户使用多种通信服务,多址接入方案可应用于在特定频谱内作信息传递之用的传输介质（如有线或无线信道）。在多用户共用传输介质情况下,从各个用户发送的通信信号,必须由多址接入方案提供的可接入片段独立传输，确保无差错通信。为此,从不同用户发出的信号，在共享介质上传输时，必须彼此正交。事实上，在不同用户共用同一介质的情况下，信号的完全正交是不可能实现的。然而，如果不同信号之间的彼此影响足够小，也可以被通信系统接受。通常，有如下三种多址接入方案广泛应用于通信系统中：TDMA（时分多址）、FDMA（频分多址）和CDMA（码分多址）。这三种基本的多址接入方案亦可混合使用。《计算机应用电工技术》XIYUAN西元®7.1电力线宽带通信技术7.1.4PLC系统的体系结构4.资源共享策略资源共享策略的任务是通过管理由多址接入方案提供的网络资源可接入片段，来对传输使用同一个共享网络资源的多个用户的访问进行控制。双工模式是MAC层在上行和下行传输方向之间控制流量的功能之一。下行传输管理比较容易，因为基站对此可完全控制，如图7-9所示，基站向一个或多个网络终端发送数据，或者以广播方式向所有终端发送。在传输介质下行方向只有来自于基站的数据包，在不同网络终端之间不需要同步。图7-9PLC接入网中的传输方向在上行方向，多个网络终端需要为介质访问而竞争。不同网络终端运行相互独立，每个终端在任何时刻都有可能发送数据。因此，需要MAC协议来管理上行传输，保证所有网络终端都有公平的网络使用权，并防止不同终端之间的数据包冲突。《计算机应用电工技术》XIYUAN西元®7.1电力线宽带通信技术7.1.4PLC系统的体系结构5.流量控制如前面所述，多址接入方案应用到宽带PLC网络，提供网络资源的可接入片段，为网络用户提供各种电信服务。一方面，优化的多址接入方案为高效的网络运行建立了基础，为实现系统服务质量（QualityofService，简称QoS）保证提供条件，并能执行有效的差错处理机制；另一方面，资源共享策略或MAC协议控制着多址接入方案所提供的网络资源的可接入片段。MAC协议要求取得尽可能大的网络利用率，保证快速的介质访问以满足高QoS要求，以及对时间要求苛刻的服务的QoS要求，提高PLC网络的抗干扰能力。由于这些原因，在宽带PLC系统的设计中选择多址接入方案和MAC协议就显得非常重要。然而，除了以上步骤的优化之外，流量控制机制也可明显改善网络运行的效率和所能提供的QoS水平。流量控制机制