PLC技術組建寬帶接入網技術研究

林斯

（杭州師范大學錢江學院 計算機科學與技術專業，浙江 杭州 310012）

1 引言

電力線載波通信(PLC)利用輸電線路作為信號的傳輸媒介，人們利用電力線可以傳輸電話、電報、遠動、數據和遠方保護信號等。由于電力線機械強度高，可靠性好，不需要線路的基礎建設投資和日常的維護費用，因此PLC具有較高的經濟性和可靠性，在電力系統的調度通信、生產指揮、行政業務通信以及各種信息傳輸方面發揮了重要作用。隨著電力部門逐步實現調度自動化和管理現代化，PLC日益受到重視。而且隨著家庭自動化和智能大樓概念的出現，PLC能方便地為各種設備 (如警報系統的傳感器)提供通信鏈路。近年來低壓PLC作為最后一公里的一種解決方案也己經取得成功，特別是在小區內采用低壓網作為局域網的接入方案已經投入使用。

2 現有組網方案與協議

電力線通信是使用低壓民用電線來傳輸網絡數據的通信技術，從目前的發展階段來看，電力線通信的技術涵蓋了以太網技術與電力技術及一些特殊的通信編碼調制技術。PLC在OSI的第二層以上符合標準的802.3以太網規范。以太網是以點對點方式傳輸802.3格式幀的網絡，以太網數據幀均遵從工EEE發布的802.3標準。PLC則是以太網的一個分支，區別在于在物理層中介質更換為電力線，并且在第二層上采用了基于CSMA/CA的廣播共享方式，在此規范下歐洲電力線聯盟HomePLUG 1.0的通信速率為14M bps。

HomePLUG是歐洲電力線聯盟專為家庭電力環境下開發的通信標準規范，因此在辦公及居民家庭環境下使用HomePLUG的產品與技術沒有任何限制;為了解決在強電環境下對高頻數據通信的干擾，HomePLUG規范中引入了OFDM調制方式，并且在標準規范中保證了與國際電磁兼容的適配，以避免電磁泄漏對通信及其他設備電器的影響。

CSMA/CA:載波監聽多路訪問/沖突防止，由于電力線通信技術基于民用家庭(辦公)電線，因此無法為每一個端站劃分獨立的物理信道，從而PLC只能基于共享方式。這樣沖突就不能避免，而電力線的拓撲環境比較隨意無序，因此傳統的沖突檢測難以進行，因此引入了新的協議:CSMA/CA，該協議的目的不是為了檢測沖突，而是籍由劃分時間段的方法來避免沖突。

OFDM:正交頻分復用，OFDM是在嚴重電磁干擾的通信環境下保證數據穩定完整傳輸的技術措施，HpmePLUG 1.0的規范覆蓋4-21MHz的通信頻段，在這個頻段內劃分了84個OFDM通信信道，。OFDM的原理是幾個通信信道按90度的相位作頻分，這樣的結果是當某一個信道波形過零點時相鄰信道的波形恰好是幅值最大值，這樣就保證了信道間的波形不會因外來的干擾而交疊，串擾。

3 利用PLC組網技術

3.1 組網原理

在樓宇接入的環境下使用時，HomePLUG并不建議使用純電力環境來架設PLC網絡。相應的解決方法是使用標準的以太網介質來連接大樓內的多個PLC網絡。

PLC利用1.6M到30M頻帶范圍傳輸信號。在發送時，利用GMSK或OFDM調制技術將用戶數據進行調制，然后在電力線上進行傳輸，在接收端，先經過濾波器將調制信號濾出，再經過解調，就可得到原通信信號。目前可達到的通信速率依具體設備不同在4.5M-45M之間。PLC設備分局端和調制解調器，局端負責與內部PLC調制解調器的通信和與外部網絡的連接。在通信時，來自用戶的數據進入調制解調器調制后，通過用戶的配電線路傳輸到局端設備，局端將信號解調出來，再轉到外部的Internet。

國內的低壓配電網絡結構復雜，不同樓層、不同建筑時期的樓宇配電網結構都不相同，接入方案尚無法統一。PLC網絡結構靈活，可根據用戶數的數量做出相應的改變。根據配電網線路、樓宇結構和用戶的特點，住戶小區接入方案可分為高層住宅樓、低層住宅樓兩種典型情況考慮。

(1)低層住宅組網

樓宇結構特點:底層住宅樓每棟有5到6層，分為多個單元，每個單元有獨立的樓梯，每層2-4戶。樓中通常有60-80住戶，大一些的可達100戶。低壓配電網結構:一臺配電變壓器負責5-6棟樓，每單元有一條電力線從底層一直到達頂層，在每樓層有該層用戶的電表，一層有單元所有用戶的總電表。組網方案:采用FTTZ+PLC或光纖到變壓器++PLC的方案。以配電網物理網絡劃分為基礎，一個單元放置一臺PLC局端設備，用戶共享電力線。用戶較少時，可以擴大共享范圍，幾個單元甚至幾棟樓實現共享。當用戶增多時，再根據用戶的分布，靈活劃分共享范圍。PLC Modem通過USB,RJ45等接口與用戶計算機相連，保證端到端2Mbps帶寬，多個PLC Modem可組成小型局域網。該方案針對用戶相對集中、上網需求較少的住宅樓。

(2)高層住宅組網

樓宇結構特點:新建的高層住宅樓高度為十幾到二十幾層，住戶密度大且集中，每棟樓內大約有150到200戶。低壓配電網結構:樓內地下室通常有獨立的配電間，一臺配電變壓器將lOKV電壓轉變為220V民用電壓。樓內有多條電力線通向住戶，每條電力線為一層或相鄰幾層的住戶輸電。電力線三相負載基本平均，樓層的豎井有配電箱，箱內有樓層總電表和各戶的分電表。組網方案:接入采用FTTB+PLC的方案，光纖到小區，光纖到樓。樓內采用PLC接入，以配電網物理網絡為基礎，將配.電網分為不同的用戶接入共享區域，根據實際情況確定接入方案。PLC局端設備放在地下室的配電間內，使用同一條電力線的一層或相鄰幾層用戶作為一共享區域，共用一臺PLC局端設備。若用戶較少，可將多個共享區域合并，連接到同一臺設備。如將用戶按三相線路劃分，使用A相線路的用戶共享A相電力線;甚至可以讓全樓的用戶共享同一條電力線。這樣可在保證用戶上網帶寬的同時，使設備保持較高的利用率。用戶增多后，可方便的把共享區域分開，對原有用戶的使用不會產生影響。用戶端設備PLC Modem從電力線中分離出數據信號，通過USB,RJ45等接口與用戶計算機相連，保證端到端2Mbps帶寬。多個PLC Modem可組成小型局域網。該方案主要針對用戶居住集中、上網率高的小區高層住宅樓，可結合遠程抄表、家政自動化等應用。

3.2 設計方案

3.2.1 多層住宅樓設計方案

對于多層住宅樓，供電方式一般采用每單元三相四線制，再以單相方式通過電表平衡供電給每個用戶，單元內每戶電表集中在1至2個電表箱內，安裝時分別給每個單元配備一臺FPC-10MB型電力橋集器，采用信號回路迂回至電表箱，分別在用戶電表后端利用LB-O1型電力線禍合器將信號禍合到供電線路，此方案信號加入后不受電表的強磁場干擾，信號分配均勻，受電源總負荷變化的影響力小，同時在每臺網橋前配備一臺IP路由器，進行網段隔離，提高用戶使用網絡的安全性，最后數據網線匯總到交換設備連接外網。用戶終端采用FPM-lOM A型電力調制解調器，并提供一根USB數據線及一個USB接口和一個兩針Power Line接口。

3.2.2 高層住宅樓設計方案

對于高層住宅，供電方式一般采用總電源三相四線制，到每一層再分配單相供電，用戶供電回路有電度表，強磁場會對信號產生干擾，在每層用戶數量一定的情況下，采用每四層安裝一臺FPC-lOMB型電力橋集器，用信號線回路連接四層的配電箱，在用戶電表后端利用LBOl型電力線禍合器將信號禍合到用戶供電線路，同時在每臺網橋前配備一臺IP路由器，進行網段隔離，提高用戶使用網絡的安全性。此方案信號加入后不受電表的強磁場干擾，信號分配均勻，受電源總負荷變化的影響力小，同時建議將主干線和交換設備放置在高層住宅樓的中間層，使數據線或信號線上下分配，最小程度的減少數據的傳輸路徑，最后數據網線匯總到交換設備連接外網。用戶終端采用FPM-lOM A型電力調制解調器，并提供一根USB數據線及一個USB1.1接口和一個兩針Power Line接口。

[1]趙強.電力線高速通信技術初探.電力系統通信.2003

[2]李宏喬.寬帶網絡技術原理.北京:機械工業出版社，2002.

[3]趙丙鎮，王麗平.高速PLC技術應用前景十分看好.中國電力報.2001