船舶通信中電力線載波技術(shù)的應(yīng)用分析

張德均 朱進(jìn)渝 蘭榮富

【摘要】 在通信方式中，電力線載波通信是其重要的一種；且隨著信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。而電力載波技術(shù)在船舶通信中的應(yīng)用已成為當(dāng)前發(fā)展的必然趨勢(shì)。因此，對(duì)船舶通信中電力載波技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行分析，有著重要的意義。本文先對(duì)電力線載波技術(shù)做一個(gè)概述，然后再具體對(duì)解決船舶電力線載波通信技術(shù)的策略進(jìn)行闡述，以此來(lái)為業(yè)內(nèi)人士提供相關(guān)的參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】 船舶通信 電力線 載波通信 OFDP

當(dāng)前，船舶通信的內(nèi)容主要由廣播電視、局域網(wǎng)以及電話構(gòu)成；且其通信技術(shù)通常為雙絞線。這種通信技術(shù)雖然具有抗干擾好、效果好以及效率高等優(yōu)點(diǎn)；但是其成本非常高，且電纜常因各種因素（如，船舶設(shè)備數(shù)量的增加或者是減少等）的影響而發(fā)生變動(dòng)，從而使得其成本大大增加。而電力線載波技術(shù)是一種新型的通信方式。加之，據(jù)相關(guān)實(shí)踐研究結(jié)果表明，電力線載波技術(shù)在船舶通信中的應(yīng)用不僅能有效的對(duì)船舶的通信成本進(jìn)行控制，而且還能有效的提高其通信的水平。因此，對(duì)船舶通信中電力線載波技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行分析已成為當(dāng)前研究的重要課題之一。

一、電力線載波技術(shù)概述

1.1電力線載波技術(shù)的含義

電力線載波技術(shù)是 指采用電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)和信號(hào)通信的一種方式，主要被應(yīng)用于電力網(wǎng)通信領(lǐng)域之中。而電力線載波通信即是電力載波通訊（Power line Communication，PLC），它是通過(guò)利用現(xiàn)有的電力線并以載波的方式將模擬或者數(shù)字信號(hào)進(jìn)行高速傳輸?shù)囊环N技術(shù)。同時(shí)，電力線載波通信也是電力系統(tǒng)特有的通信方式，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)于各個(gè)領(lǐng)域。且伴隨著信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，電力線載波技術(shù)會(huì)越來(lái)越成熟。

1.2電力線載波技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

之所以要將電力線載波技術(shù)應(yīng)用到船舶通信之中，主要是因?yàn)槠渚哂袩o(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是，它能夠有效的減少因信道的時(shí)間彌散性而造成的影響，從而可以盡可能地避免電力線通信環(huán)境中的信道受到干擾；二是，它能夠通過(guò)分配突發(fā)性干擾信道的方式來(lái)將突發(fā)性干擾轉(zhuǎn)變?yōu)殡S機(jī)信號(hào)，以此來(lái)使得信號(hào)通過(guò)簡(jiǎn)單的糾錯(cuò)就能夠?qū)⑿盘?hào)進(jìn)行恢復(fù)，從而有效的減少電力線通信環(huán)境中因信道衰減而帶來(lái)的副作用；三是，它還能有效的抵抗窄帶而帶來(lái)的干擾；四是，它的安裝較為簡(jiǎn)單且設(shè)置也較為靈活，從而為用戶寬帶、互聯(lián)帶的鋪設(shè)提供了方便，進(jìn)而有利于促進(jìn)智能家庭自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)；五是，它為電力公司的電力管理提供了一個(gè)傳輸?shù)耐ǖ溃瑥亩欣陔娏ΑD像綜合業(yè)務(wù)、話音以及數(shù)據(jù)傳輸通信技術(shù)的實(shí)現(xiàn)；等等。

1.3電力線載波技術(shù)在船舶通信中存在的問(wèn)題

目前，電力線載波技術(shù)在船舶通信中存在的問(wèn)題主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，即通信噪音問(wèn)題和信號(hào)衰減。由于本文篇幅有限，本文主要對(duì)通信噪音問(wèn)題進(jìn)行分析。一般而言，通信噪音主要由無(wú)線電廣播受到干擾和低壓電網(wǎng)出現(xiàn)相連負(fù)載所致。噪音問(wèn)題的出現(xiàn)，會(huì)使得電力線在傳送數(shù)據(jù)時(shí)引發(fā)一系列各種問(wèn)題，從而大大加大了確保數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的難度。同時(shí)，通信噪音會(huì)隨著時(shí)間與地點(diǎn)的不同而發(fā)生變化。因此，相關(guān)部門(mén)或單位必須對(duì)通信噪音問(wèn)題進(jìn)行分析，并采取行之有效的策略進(jìn)行解決。

二、解決船舶電力線載波通信技術(shù)的策略

由上文可知，噪音問(wèn)題是電力線載波技術(shù)在船舶通信中存在的最主要問(wèn)題；其是否能夠得到解決直接關(guān)系到電力線載波技術(shù)能否順利地應(yīng)用到船舶通信之中。因此，相關(guān)部門(mén)或單位必須采取行之有效的措施來(lái)解決這一問(wèn)題。據(jù)相關(guān)實(shí)踐研究結(jié)果表明，利用正交頻分復(fù)用技術(shù)（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）是解決通信噪音問(wèn)題的主要有效手段之一。筆者以分析電力線通信環(huán)境中噪音的特性為出發(fā)點(diǎn)，以O(shè)FDM技術(shù)中的相關(guān)內(nèi)容為基礎(chǔ)，并結(jié)合相關(guān)的工作經(jīng)驗(yàn)來(lái)總結(jié)出以下解決思路和方法：

2.1電力線通信環(huán)境中噪音的特性

由于船舶電力系統(tǒng)具體復(fù)雜性的特性，使得通信噪音也具有這一特性。通過(guò)相關(guān)的研究和分析可知，電力通信環(huán)境中噪音的特性主要包括：周期性、隨機(jī)性、持續(xù)性以及多變性。其中，周期性的噪音是由諧波噪音頻率達(dá)到交流電頻率的倍數(shù)而產(chǎn)生的，主要受船舶的大小、線路的負(fù)載情況以及用電設(shè)備的數(shù)量等各種因素的影響。同時(shí)，這還會(huì)給電力線載波通信帶來(lái)嚴(yán)重的影響，如誤碼率上升、通信信噪比降低以及信號(hào)頻譜被噪音頻譜所覆蓋等。隨機(jī)性噪音主要由船舶復(fù)雜的電力網(wǎng)的操作而引起的，通常表現(xiàn)為短時(shí)間的脈沖噪音。持續(xù)性噪音主要由船舶中電力設(shè)備的負(fù)荷、相位以及周期發(fā)生變化而引起的；而多變性噪音則是指噪音會(huì)隨著時(shí)間與地點(diǎn)的變化而變化，其對(duì)電力線載波技術(shù)在船舶通信中應(yīng)用的影響最小。

2.2 OFDM技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容

OFDM是一種多載波調(diào)制，它是在多載波調(diào)制（MultiCarrier Modulation，MCM）的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。同時(shí)，它的調(diào)制是在快速傅里葉逆變換（Inverse Fast Fourier Transform，IFFT）的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，其解調(diào)則是在快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。目前，OFDM載波技術(shù)是現(xiàn)實(shí)復(fù)雜度最低且應(yīng)用最為廣泛的多載波傳輸方案中的一種。

將OFDM技術(shù)應(yīng)用到電力線載波通信上的作用主要在于是電力線上的高速數(shù)據(jù)通信成為可能。其基本原理主要表現(xiàn)為：將可用的信道帶寬劃分成多個(gè)子信道，且每個(gè)子信道應(yīng)無(wú)限接近于理想信道；同時(shí)，通過(guò)利用載波的正交性而使得在規(guī)定范圍頻段內(nèi)的載波輸出一定的速率數(shù)據(jù)。值得注意的是，總的傳輸速率是由所有載波傳輸數(shù)據(jù)合成的。

2.3措施

雖然電力線的船舶通信技術(shù)取得了較大的成就；但是因通信噪音問(wèn)題的存在及通信噪音本身的特性而使得其發(fā)展較為緩慢，從而導(dǎo)致某些假設(shè)與模型并不能真正地應(yīng)用到實(shí)際中去。而通過(guò)根據(jù)通信噪音的特性而對(duì)電力線載波技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，能夠有利于其在船舶通信中的進(jìn)一步利用。根據(jù)相關(guān)的實(shí)踐研究并結(jié)合相關(guān)的工作經(jīng)驗(yàn)，解決通信噪音問(wèn)題的措施主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是，以提高信號(hào)接收端可靠性和靈敏度的方式來(lái)解決因信號(hào)頻譜被覆蓋而產(chǎn)生的通信噪音，從而能實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)進(jìn)行正確識(shí)別的目的；二是，為了盡可能地避免周期性噪音和突發(fā)性噪音對(duì)通信造成干擾，則相關(guān)部門(mén)可以采取有效的對(duì)策對(duì)信號(hào)收發(fā)的運(yùn)行體制進(jìn)行強(qiáng)化；同時(shí)，信號(hào)收發(fā)的運(yùn)行體制主要包括預(yù)讀機(jī)制、重發(fā)機(jī)制以及糾錯(cuò)功能等；三是，為了進(jìn)一步解決通信中存在的噪音和衰減問(wèn)題，相關(guān)部門(mén)還可以通過(guò)利用擴(kuò)頻通信技術(shù)來(lái)進(jìn)一步提高電力線載波通信系統(tǒng)的生存能力；四是，為了從根本上解決電力線載波技術(shù)在船舶通信應(yīng)用的噪音問(wèn)題，相關(guān)部門(mén)或單位則應(yīng)將OFDM技術(shù)引入其中，并采取行之有效的措施不斷對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化；值得注意的是，相關(guān)部門(mén)或單位應(yīng)不斷加強(qiáng)OFDM技術(shù)的解碼能力、編碼能力以及抗衰減能力。

2.4基于OFDM電力線傳輸在船舶通信系統(tǒng)中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

在上述措施中，OFDM技術(shù)的應(yīng)用和優(yōu)化是解決電力載波技術(shù)在船舶通信應(yīng)用中噪音問(wèn)題的關(guān)鍵。因此，相關(guān)部門(mén)或單位對(duì)基于OFDM電力線傳輸在船舶通信系統(tǒng)中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，有著重要的意義。一般而言，OFDM應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)主要包括同步問(wèn)題和非線性失真問(wèn)題，其具體內(nèi)容如下：

2.4.1 OFDM的同步問(wèn)題

由于在多載波系統(tǒng)中，若載波頻率出現(xiàn)偏移現(xiàn)象，則會(huì)對(duì)子信道產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾。而OFDM系統(tǒng)屬于多載波系統(tǒng)，且其輸出信號(hào)是由多個(gè)子信道信號(hào)合成的。因此，這使得對(duì)OFDM系統(tǒng)中子信道信號(hào)的正交性的要求非常嚴(yán)格。目前，同步仍是OFDM技術(shù)中的難點(diǎn)之一。一般而言，OFDM的同步問(wèn)題主要包括時(shí)鐘位置偏移、采樣頻率偏移以及載波頻率偏移。要解決OFDM的同步問(wèn)題關(guān)鍵在于其同步算法。當(dāng)前，OFDM的同步算法被大致分為兩類(lèi)，即通過(guò)利用長(zhǎng)訓(xùn)練序列或者是導(dǎo)頻信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)載波同步的目的和通過(guò)利用OFDM循環(huán)前綴的相關(guān)性來(lái)達(dá)到系統(tǒng)同步的目標(biāo)。前一類(lèi)算法雖然其性能較好，但是它會(huì)給功率和帶寬造成一定的損失；而后一類(lèi)算法不僅能精確地完成載波的同步，而且還滿足了電力線高速率、高實(shí)時(shí)性以及短突發(fā)的要求。基于此，要解決OFDM的同步問(wèn)題，則應(yīng)選擇第二種同步算法。

2.4.2 OFDM的非線性失真問(wèn)題

由于OFDM系統(tǒng)的輸出是由多個(gè)子載波信號(hào)組成的，當(dāng)所有信號(hào)的相位一致時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致其輸出的瞬時(shí)功率會(huì)遠(yuǎn)大于其平均功率。基于此，若系統(tǒng)的線性范圍滿足不了信號(hào)變化的要求，則會(huì)導(dǎo)致OFDM出現(xiàn)非線性失真問(wèn)題。因此，為了盡可能地避免這一問(wèn)題的發(fā)生，則應(yīng)在大功率補(bǔ)償?shù)臓顟B(tài)下進(jìn)行相應(yīng)的工作。要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，相關(guān)部門(mén)或單位則應(yīng)采取相應(yīng)的技術(shù)來(lái)對(duì)OFDM信號(hào)的峰平功率比進(jìn)行降低，以此來(lái)使系統(tǒng)的整個(gè)性能獲得提高。

三、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，電力線載波技術(shù)是一項(xiàng)主要的通信方式，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。伴隨著信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，電力線載波技術(shù)會(huì)越來(lái)越成熟。基于此，船舶通信中電力線載波技術(shù)的應(yīng)用已成為必然發(fā)展的趨勢(shì)。而目前，電力線載波技術(shù)在船舶通信中的應(yīng)用存在噪音問(wèn)題。因此，相關(guān)部門(mén)或單位必須對(duì)噪音問(wèn)題進(jìn)行分析，并采取行之有效的措施進(jìn)行解決。由于本文篇幅有限，必然存在不足之處。故而，這還需要我們進(jìn)一步對(duì)船舶通信中電力線載波技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行探討和分析。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]李圓明，張密.電力線載波技術(shù)在船舶通信中的應(yīng)用研究[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2013 （11）.

[2]李妍.基于電力線載波技術(shù)的船舶通信研究[J].船電技術(shù)，2010 （3）.

[3]蔡新梅.船舶通信中應(yīng)用OFDM電力線載波通信技術(shù)研究[J].船電技術(shù)，2013 （3）.

[4]周乃義，劉國(guó)平，陳庭勛等.基于OFDM技術(shù)的船舶電力線載波通信模塊的設(shè)計(jì)[J].船電技術(shù)，2014 （12）.

[5]林恒斌，李長(zhǎng)策.電力線通信技術(shù)在船舶上應(yīng)用的研究[J].電力與電工，2012 （1）.

[6]王慧勇，毛宏雨.基于PLC和WSN的船舶網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].青島遠(yuǎn)洋船員學(xué)院學(xué)報(bào)，2011 （2）.

[7]李志，李紅江，涂方明等.船舶照明電網(wǎng)電力線信道噪聲的分析與建模[J].船電技術(shù)，2014 （5）.