低压电力线载波宽带通信

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3.0 牛悦 2024-11-19 5 4 1.99MB 70 页 15积分
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目 录
摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 .................................................................................................................. 1
§1.1 电力线通信(PLC)原理简介 ......................................................................... 1
§1.2 电力线宽带通信与其他宽带接入网的比较.................................................2
§1.3 国内外电力线通信技术发展现状及趋势.....................................................4
§1.3.1 国际发展情况.....................................................................................4
§1.3.2 国内发展情况.....................................................................................5
§1.4 电力线通信国际组织及标准.........................................................................7
§1.4.1 电力线通信国际通信组织.................................................................7
§1.4.2 电力线通信标准 Homeplug ...............................................................8
§1.5 本文的内容安排..........................................................................................10
第二章 电力线通信信道分析 .......................................................................................11
§2.1 信道时变性..................................................................................................11
§2.2 信道衰减特性..............................................................................................12
§2.3 信道多径效应..............................................................................................12
§2.4 信道阻抗特性..............................................................................................13
§2.5 信道噪声特性..............................................................................................13
§2.5.1 有色背景噪声...................................................................................14
§2.5.2 窄带噪声...........................................................................................14
§2.5.3 与工频异步的周期性脉冲噪声.......................................................16
§2.5.4 与工频同步的周期性脉冲噪声.......................................................17
§2.5.5 异步脉冲噪声...................................................................................17
第三章 电力线通信（PLC）调制解调器 .................................................................. 20
§3.1 PLC 调制解调器简介 ................................................................................. 20
§3.2 调制解调器中的 OFDM 应用 .................................................................... 20
§3.2.1 调制解调方案的选择.......................................................................20
§3.2.2 OFDM 在PLC 调制解调器中的应用.............................................23
§3.3 电力线调制解调器结构..............................................................................27
§3.3.1 耦合单元............................................................................................29
§3.3.2 模拟前端 AFE(Analog Front End) ................................................... 30
§3.3.3 Intellon6300 芯片 PHY&MAC 层.............................................. 31
§3.3.4 微处理器 ARM926EJ-S ...................................................................33
§3.3.5 Intellon6300 芯片的具体实现方案 ................................................. 33
第四章 低压电力线宽带通信系统 .............................................................................. 39
§4.1 电力线网络单元..........................................................................................39
§4.1.1 基本网络单元...................................................................................39
§4.1.2 中继器...............................................................................................40
§4.1.2 PLC 网关（Gateway）.................................................................... 42
§4.2 与核心网络的连接.......................................................................................44
§4.2.1 用于 PLC 分配网络的通信技术 ...................................................... 44
§4.2.2 分配网的拓扑结构............................................................................45
§4.2.3 PLC 接入网的管理 .......................................................................... 47
§4.3 电力线宽带组网方式...................................................................................48
§4.3.1 高层住宅楼组网方式........................................................................49
§4.3.2 商业写字楼组网方式.......................................................................50
§4.3.3 低层住宅小区组网方式....................................................................50
第五章 电力线通信实例 .............................................................................................. 52
§5.1 Aztech HL109E 电力线调制解调器简介 .................................................. 52
§5.2 利用电力线上网方案设计...........................................................................54
§5.3 具体实施方案...............................................................................................55
§5.3.1 电力线上网的实物连接...................................................................55
§5.3.2 电力线上网网速测试.......................................................................56
§5.3.3 调制解调器物理层的速率分析.......................................................59
第六章 总结与展望...................................................................................................... 61
参考文献.........................................................................................................................62
附录.................................................................................................................................65
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................69
致 谢.............................................................................................................................70
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 电力线通信(PLC)原理简介
电力线通信(Power Line Communication ，简称PLC)技术，从广义上讲包含用
于高压输电网和中压、低压配电网的窄带电力线通信，以及在中、低压配电线路
上实现的宽带数据通信。利用中、低压配电线路作为通信介质，实现数据、话音、
图像等综合业务传输的通信技术，也称为高速PLC技术[1]。
高速PLC按应用的配电网电压等级可分为低压PLC和中压PLC。低压PLC利用低
压(220v/380v)电力线作为传输媒介，为用户提供Internet接入、家庭局域网、远
程抄表、智能家居等应用。中压PLC利用中压(10KV)电力线作为通信链路，为接入
骨干网、配电自动化、用户需求侧管理及农村电话等应用提供传输通道。
电力线通信的发展历史可追溯到20世纪02年代，当时的应用主要集中在110KV
以上的高压远距离输电线路上，工作频率在50kHz以下，后来该频段成为欧洲电工
标准化委员会(CENELEC)电力线通信的正式频段。到20世纪50年代，低频高压电力
线通信技术已经广泛用于监控、远程指示、设备保护以及语音传输等领域。但是
由于受到某些技术水平的限制，利用电力线传输高速数据的通信产品及服务领域
在当时没有得到发展[2]。
近10年，特别是2000年以来，随着全球信息化进程的加快，Internet技术得
到飞速发展，上网人数成倍增长，各种宽带接入技术在网络实现成本、技术先进
性及接入方便性上不断提高自身的竞争优势，出现了百花齐放的新局面。采用何
种通信方式将用户终端连接至最近的宽带网络设备，成为宽带网络运营商们不断
探索和关注的问题，也是Internet普及的瓶颈之一，被业内人士成为宽带网络接
入的“最后一百米”问题。PLC技术能够充分利用最为普及的电力线网络资源，建
设速度快、投资少、室内无需布线，用户通过遍布各个房间的电源插座能进行高
速上网，实现“有线移动”，具备了其他接入方式不可比拟的优势，再次成为国
内外广泛关注的焦点[3]。
如下图所示，为典型的低压PLC系统应用示意图。在低压变压器低压出线端安
装控制器Master(也叫PLC主站)，它的主要功能是将电力线上的高频信号调制或解
调成数据信号。PLC主站的一侧通过电容或电感耦合器连接电力电缆，注入或提取
PLC高频信号；另一测通过传统通信方式，如光纤、CATV、ADSL等连接到Internet。
在用户侧，用户的计算机通过RJ-45或者USB接口与终端适配器（叫PLC Modem）,
PLC Modem可以直接插入户室内电源插座，通过电力线实现高速数据通信。如果
低压电力线宽带通信
2
在PLC高频信号在传输过程中发生较大衰减，可以在适当的位置加装中继器以放大
信号。
图1.1 低压电力线宽带通信系统应用图
§1.2 电力线宽带通信与其他宽带接入网的比较
现代电信网是由核心网、接入网及用户驻地网三部分组成。接入网位于电信
网的末梢，与骨干网相比，具有建设工程复杂、投资大、维护难的特点。近几年
来，骨干网随着密集波分复用技术的引入，光纤利用率大大提高，传输容量得到
极大的扩展。而接入网技术发展相对缓慢，已成为整个电信网发展的瓶颈。接入
网为通信网中与用户相连的最后一段网络，位于交换网和用户之间，通过用户网
络接口与用户相连，通过业务节点接口与交换机相连。接入技术除正在发展的宽
带电力线接入外，还有模拟调制解调器接入、ISDN接入、xDSL接入、HFC接入、以
太网接入、802.11无线局域网接入等，下表中对“最后一公里”解决方案的几种
接入方式进行了比较[4]。
各种接入方式比较
通信方式
最大速率（bps）
物理媒介
优点
缺点
模拟调制解调器
56K
双绞线
使用广泛，价格便宜，标准
化程度高
接入速率低
ISDN
128K
双绞线
电话数据接入共享，接入速
费用较普通电话线
第一章 绪论
3
率稳定
贵，速率仍然较低
ADSL
下行:1M-8M
上行：512K-2M
双绞线
不干扰普通电话使用，频带
专用，接入速度快，不平衡
传输，适应网络访问规律，
由于其基于电话交换网络建
设，因此建设成本低，建设
速度快，不受停电影响。
频宽受距离限制，
费用高。点对点组
网，局端设备较贵，
不适应建设独立的
数字化小区的需
要。
HFC 系统
下行：小于 30M
上行：2M
同轴电缆
接入速度与距离无关，决定
于接入的用户数，多用户共
享带宽，可组网，不平衡传
输。
必须拥有现成的有
线电视网络接入，
并需双向改造，改
造费用大；在新区
域开办服务铺设线
路造价昂贵，用户
增多时，接入性能
下降，受停电影响，
需要备用电源。
PLC 宽带接入
目前可达 200M
电力线
无需布线，分布广泛，接入
方便，多用户共享带宽，接
入成本低，建设费用低，两
级结构，电力线接入部分采
用一对多点结构，与局端连
接采用点对点结构，可以独
立建设数字化小区服务，可
提供多附加增值业务。
接入性能受电网特
性影响，共享通信
介质，限制可以提
供给每个用户的带
宽，通信距离受限。
802.11 无线局域网
接入
1-2M，可达 10M
大气
建设速度快，无需布线，移
动性强，建设成本低，采用
扩频技术，抗干扰能力强，
保密性好。
需室内天线，易受
建筑物阻挡。对大
气、气候状况敏感，
易受其它同频段的
电台干扰。
光纤宽带接入
可达 10G 以上
光 纤 和 五
类线
用户接入带宽高，可达
100M,可靠性高，性能稳定。
需要建设完善的光
纤网络，建设成本
高。对于没五类线
的用户需要重新布
线。
表1.1 电力线宽带通信与其他接入方式比较
与其它接入技术相比，电力线宽带接入网络具有以下优势:
(1)充分利用现有的低压配电网络基础设施，无需任何布线，是一种“No New
Wires”技术，节约了资源。无需挖沟和穿墙打洞，避免了对建筑物和公用设施
的破坏，同时也节省了人力。
(2)电力线是覆盖范围最广的网络，它的规模是其他任何网络无法比拟的。PLC可
以轻松地渗透到每个家庭，为互联网的发展普及创造了条件。
低压电力线宽带通信
4
(3) PLC能够提供高速的传输。目前，其传输速率最高己达20OMbps，远远高于拨
号上网和ISDN，比ADSL更快。足以为用户提供高速因特网访问服务、话音服务，
从而为用户上网和打电话增加了新的选择，有利于其它电信服务商改善服务、
降低价格。
(4)不管在家里的哪个角落，只要连接到电源插座上，就可立即拥有PLC带来的高
速网络享受，是家居自动化的生力军。通过遍布各个房间的插座将智能家电联
网，提前享用数字化家庭的舒适和便利。对家庭联网提供支持。
(5) PLC属于“即插即用”，不用烦琐的拨号过程，接入电源就等于接入网络。利
用PLC的永久在线连接，构建的防火、防盗、防有毒气体泄漏等的保安监控系
统，让上班族高枕无忧;构建的医疗急救系统，让家有老人、孩子和病人的家
庭倍感放心。利用PLC也可提供独立的数字化社区服务和电子商务，实现家庭
办公和远程家电控制。
§1.3 国内外电力线通信技术发展现状及趋势
§1.3.1 国际发展情况
电力线是每个家庭最为普及、覆盖范围最为广泛的一种物理媒介，远远超过
有线电视网络甚至电话线路的覆盖面。因此，利用电力线实现高速数据通信的技
术得到了国内外许多大公司的青睐[5]。
英国联合电力公司的子公司Norweb 通信公司在1990年开始对高速电力线通
信进行研究。1995年，该公司又与加拿大Nortel(北电网络)公司联手，共同开发这
项新技术。1995-1997年的两年间，Norweb和Nortel公司已经成功地在英国曼彻斯
特对20个居民用户进行了PLC上网试验，其中还包括话音服务。
1997年10月，这两
家公司声称已经解决了电力线噪声等问题，取得了电力线载波技术的重大突破，
利用新开发的数字电力线DPL(Digital Power Line)载波技术，实现了在低压配电网
上进行1Mbps速率数据传输的远程通信，欲将四通八达的电力线转化为信息高速公
路，并在1998年3月25 日，成立合资公司NOR.WEB，进行该技术的市场推广[7]。
随后，许多国家的研究机构也纷纷开展了高速电力线通信技术的研究和开发，
如美国的Intellon、Inari(intelelogis)公司，以色列的ITRAN、Main.Net公司，韩国的
Xeline公司，瑞士的Ascom公司，德国的Polytax公司，西班牙的DS2公司等，产品
的传输速率也从1Mbps发展到2、14、24Mbps，甚至200Mbps。
目前,国际上专用的PLC调制解调芯片主要有以色列Itran公司2.5Mbps的芯片、
美国Intellon公司的14、54、85、200Mbps芯片、西班牙DS2公司45Mbps和200Mbps
摘要：

目录摘要ABSTRACT第一章绪论..................................................................................................................1§1.1电力线通信(PLC)原理简介.........................................................................1§1.2电力线宽带通信与其他宽带接入网的比较.................................................2§1.3...

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