张保会　刘海涛　陈长德 （西安交通大学电气工程学院）

　　1．引言

　　人们对信息的多种需求：随着２１世纪信息社会的到来，社会进步、经济发展、教育普及、环境保护等都对通信提出了新的、更高的要求。日本人把信息社会对通信的要求归结为4W1H，即：

　　Who——不管谁或与谁进行通信（自由性、选择性）；

　　What——不管用什么手段（方式）通信（业务多样性）；

　　When——不管在什么时间通信（不受时间限制）；

　　Where——不管在哪里通信、与哪里通信（不受通信地点环境和距离限制）；

　　How——不管怎样进行通信（操作方便、简易、实时、自然、安全、可靠）。

　　而且随着社会信息化程度的提高，大家越来越认识到信息的重要性，人们对信息的需求已从单纯的数据信息向交互式多媒体信息发展。因而人们迫切希望获得大容量和高速率的数据、视频、图像、语音等高质量的服务,但这是传统的接入方式所无法实现的。所以,使用新一代的接入网技术和建立新的接入网是当前通信领域面临的新课题。

　　多种信息融合后的经济与方便性：在日常生活中，人们为了方便联系与交流，要安装电话，携带手机和BP机；为了娱乐，要有一台电视机用于接收视频信息；还要有一台计算机用于进入国际互连网。为此，我们需要向几家不同的公司缴纳费用。信息为社会服务的实质是流通（共享），然而，由于历史的原因，人们将信息按它的某种表现形式的不同，分为语音，数据和图象，并为之设计了三套不同的传输设施，处理设备、接收和传送终端，甚至形成了不同的行业，这显然对信息的流通和共享造成了阻碍。而数字技术的全面采用可以使电话、数据和图像等业务信息都可以采用统一的数码传输、交换和分配。在未来的网络传送平台上，业务信息的种类将不再重要，网络将"一视同仁"。基于柔性连结技术的宽带IP，必然要成为通信的主流和基础网。

　　利用电力网承载各种信息接入网的可能性：1997年以来，电力线通信发展迅速，速率也越来越高。这种可让高速数据流在低压配电网的导线和基础设施上传递的技术一般被称为数字配电线载波技术（DPL — Digital power line）。从电力线载波的发展来看，目前2-3Mb/s速率的芯片已经问世，而10Mb/s的芯片将于年内推出，已经实现了ADSL-1的1.536Mb/s的标准。但DPL这项新技术，至少在最近两年内，将是一项相对比较昂贵的选择方案。专家们预计，这种利用公共电网传送数据技术的开发成功，将会大范围的引入许多基于因特网的应用，如电子商务、远程操作、网络广播、娱乐业和IP电话。而电力公司开展这方面业务所需投入的费用和其它宽带数据接入系统相比要低的多。不愿实施该项业务的电力公司还可出租资源，向准备采用其网络进行运营的公司收取费用。

　　2．电话、电脑、电视接入网及电力信息网对信道速率的要求

　　目前，随着Internet带宽的持续增加，人们越来越关注从高速网络到远程的办公室和家庭用户“最后一公里”的网络传输瓶颈问题。这个问题用户迫切希望解决，厂家也非常想通过新技术、新产品分享这个面向千千万万用户的广大市场。电话网络、计算机局域网络和有线电视网络都形成了解决方案，有关厂家都试图利用现有的基础设施，以自己的相对优势技术争夺用户。此外，电力公司也开始将其公共电力线路作为交互数据通信载体，向用户提供数据服务，这就是所谓的接入网技术。

　　目前等待解决的问题是如何能够使现有的接入网络实现对包括语音、数据和视象在内的综合接入。

　　数字电话的发展、组网方式及对信道的要求：从技术的角度讲，语音使用电路交换机制（CircuitSwitching），而数据使用分组交换服务（PacketSwitching）。因为技术上的优劣对比，电话网一直坚持使用昂贵的电路交换以期获得连续的、可保障质量的语音通信，而计算机则义无反顾地选择了分组交换作为突发数据通信的至上法宝。然而，今天的情况稍许发生了改变。驱动因素有二：其一，全球互联网Internet增长迅速、PC普及势不可挡，数据信息正在成为人们的必需品；其二，数据通信技术日益成熟，以分组交换机制在公共网络上传输话音已经成为现实。

　　传统的模拟式电话占用64Kb/s传输带宽。而理论和实验都已证明，使用音频压缩技术的IP电话，16kb/s的速率已经能实现非常好的音频质量。所谓IP就是Internet Protocol，即Internet协议，通过Internet协议进行电话语音传输的方式统称为IP电话。它将普通电话的模拟信号转为数字信号，并进行压缩打包处理，通过Internet进行传输，到达对方后再进行解压，还原成模拟信号，对方通过电脑、普通电话机等设备进行接听。但由于运用了压缩、打包、还原技术，所以目前所有的IP电话都有延迟现象。而对于使用者来说，国际长途本身就有延迟，所以用户完全可以接受。

　　IP电话与传统电话具有明显区别。IP技术允许多个用户共用同一带宽资源，改变了传统电话由单个用户独占一个信道的方式，节省了用户使用单独信道的费用。其次，由于技术和市场的推动，将语音转化成IP包的技术已变得更为实用、便宜，同时，IP电话的核心元件之一数字信号处理器的价格在下降，从而使电话费用大大降低，这一点在国际电话通信费用上尤为明显，这也是IP电话迅速发展的重要原因。

　　Internet网业务对速率的要求： 进入90年代中期以来，因特网业务量的增长已构成数据业务的主要增长因素，到2000年用户数将可能达到3亿～5亿左右。1990年到2000年这10年间，用户数增长了大约2个量级。除了用户数量的指数式增长外，业务带宽也呈现了指数式增长态势。例如在1990年左右，主要业务是E-mail，带宽仅1kb/s左右；到了1995年，主要业务成为Web浏览，所用的带宽已增长到大约50kb/s；到2000年左右，活动图像将成为重要业务，所占用的带宽可达5Mb/s。10年间，业务带宽的增长可达4个量级。两者的结合使IP所需的网络带宽急剧增长，形成了新时期网络带宽的主要驱动力量。网络业务主要包括：

　　1)大量低延时数据业务应用（如Web浏览、LAN）需要高带宽。　　　

　　——诸如Web浏览的典型带宽可从数百kb/s到数Mb/s，而LAN的典型带宽可从数Mb/s到上百Mb/s。

　　2)本身带宽窄，但通信量极大的业务应用（如电话、Email）也需要很高的网 络带宽，而且除了电话业务特别是蜂窝移动电话业务在继续增长外，目前Email的附件规模正变得越来越大。

　　3)固有的宽带应用（如图像、文件备用）更需要高带宽。

　　有线电视网的技术需求：多媒体技术的出现与发展，使视频图象的网络传输成为可能。传统意义的视频，是使用模拟信号进行传输，占用通讯线路带宽大，而且开放性差。例如：标准 PAL制电视信号进行采样后的 4:2:2格式总码流率可达：165.888Mb/s。数字视频，将模拟视频信号转化为数字信号。经过压缩、打包处理后的数字信号的传输，是可以保证没有差错的，并大大降低了要求的传输速率。例如，传输MPG－1方式的普通电视信号，要求速率为120～140kb/s；传输相当于S－VSH的MPG－2电视信号，要求500kb/s的速率；传输双工或更高质量的信号，对带宽的要求还要高。另外，视频传输对延迟及延迟抖动要求较高。所以，视频传输不但要有较宽的带宽,还要有较好的稳定性和可伸缩性。数字化后的视频流可以被通过各种手段连接在网络上的计算机共享。

　　网络上传输视频，近年来发展迅速，现有的视频标准有MPEG1、MPEG2和MPEG4，目前正在制定MPEG7标准，预计2001年正式推出。这些国际标准为传输通讯、压缩制定了标准和协议。例如：MPEG1（国际标准11172）目标是产生1.2Mb/s的视频录象质量输出(NTSC352*240)。非压缩视频单独就可以达到472Mb/s，而使用它后可以降到1.2Mb/s。

　　目前，网上已经开通了部分广播和电视，包括点播和实时播放。比如在中国，www.99g1.com上提供了很多的音频和视频的点播，而已经开通的网络实时播放的广播电台/电视台有60多家。比如中央电视台-1、湖南卫视、上海东方电台等。据笔者收听的结果，实时广播使用16kb/s~20kb/s的速率，收听的效果较好。 而电视台由于需要的带宽原因，效果并不理想。据笔者收视的结果，湖南卫视实时播放速率为20kb/s。中央电视台-1收视为55kb/s。比如1999年的春节晚会可以从网上点播收看，平均速率为51kb/s，效果不理想。当然，这是RealPlayer自动根据传输速率进行了调整的结果，显然，速率越高，收视的效果就越好。从教育网内视频点播来看，如果有150kb/s~220kb/s的带宽，就会有很好的收看效果。所以，要实现网络上的直播，解决带宽是个关键问题。

　　电力系统本身对信息的需求越来越多： 随着电力市场化运营的来临，国内外电力系统对电力信息的需求量日益增大，峰谷电价、实时电价、智能化电表的发展，都需要实时的电力信息传递。这里最重要的变化是电能与货币间的转换不再是线性关系。如果没有电力信息的实时交换，电力经营将难以进行。构建面向千家万户的电力信息系统摆在电力工程界的面前。是重铺信道、租用电话信道，还是利用电力线路、电力网络资源构建电力信息网络的接入网，在技术和经济上都是值得反复权衡的重大问题。

　　3．配电线电力载波的发展及宽带通信的未来

　　用电力网组成“四网合一”接入网的方便、经济性： 电力网络是世界上已有最广的有线网络，电力网络比任何其他的有线通信网络更加稳定和现代化。而且分析各种功能的网络，其中电力网络对人们的生活是必不可少的，无论普及率和牢固程度都是其它电脑、电话和电视网络所不及的，如果充分利用现成的电力网络承载电话、电脑和电视网络的任务，无疑是最为方便和简洁的。不仅电力市场化运营进行电能的交易、管理需要它，人们日常生活的信息化也需要它。

　　配电网载波技术的最新突破: 进入20世纪90年代以后，随着通信技术的发展，电力线载波技术已经获得了重大突破。1997年10月，英国联合电力公司的通信子公司Norweb公司与加拿大Nortel公司联合宣布已经解决了电力抗干扰等问题。 1998年夏天，Norweb 公司已为英格兰西北部的2000个居民和商业用户提供通过电力线的因特网服务，速率达到了1Mb/s，比现行的ISDN高10倍。1999年3月11日，德国RWE能源股份有限公司和瑞士阿斯克姆（Ascom）公司在德国莱锡林根向公众展示利用电力网线传送电话和数据的技术，用户通过低压电力线以高于现在ISDN 20倍的速率在因特网上传输和浏览数据。1999年4月，一家以色列公司和一家美国公司也宣布，他们也正在联合开发借助公共电力网传送因特网数据的新技术，1999年内将使因特网传输速率由50Kb/s提高到1.5Mb/s，未来一两年内提高到10Mb/s。

　　电磁场载波技术的最新报道：1997年以来，电力线通信发展迅速，速率也越来越高。而美国Media Fusion公司更于1998年提出了一个充满激情的想象，“无限带宽的接入就在墙上的电力插座”、“最快最广阔的网络早以就位”。并提出它的传输速率将是2.5Gb/s。

　　美国物理学家William Luke Stewart提出了一种新的技术，利用电力线周围存在的磁场，以接近光速的速率传递声音、视频和互联网数据和卫星数据。虽然自从十九世纪90年代以来，科学家就在寻找方法利用电力线传递信息，但不同的是，Stewart是利用电力线在传输电能时产生的磁场作为波导，利用微波激光激射器（maser）来接入数据。Stewart的理论听起来象科幻小说，但他的技术一旦变为现实，这将是自Alexander Graham Bell以来在通信领域最重要的进展。

　　“四网合一”实现的可能性：目前，利用新的电力线通信（PowerLine Telecommunication）在国外已经成为一项热门的技术。在互连网上有很多类似的技术论坛。比如PTF，PLCForum等等。PTF提出了三个目标：数字品质的语音电话；速率高于1Mb/s的互连网接入；家庭自动化中的智能服务。

　　利用公用配电网络承载数字语音和数据交换的研究在技术上已取得突破性进展。在管理体制上，电信经营打破垄断、鼓励竞争，制订互联法规、规范市场行为已成为国际潮流。1990年法国电信政企分开，开放增值业务和用户设备市场。1991年澳大利亚修改电信法，电信基本业务放开经营，实行竞争。1993年加拿大通过新的电信法，1996年美国新电信法通过，全部放开电信市场。1997年有67个国家和地区在WTO全球电信贸易自由化协议上签字，统一互相开放电信市场。

　　在世界电信市场放开经营的新形势下，各国电力部门利用自己拥有的通信网，以特有的资源优势、最少的投资、最快的速度，采用最新的技术，占领市场。英国国家电网公司于1993年5月成立了ENERGIS通信网络公司，仅用2年时间就建成了全世界第一个全部使用SDH传输技术、架设在400KV输电杆塔上的骨干光纤网络，以最新的技术和最可靠的网络及最优惠的价格赢得了同英国BBC广播公司为期10年的合同，为其传送BBC1、BBC2两套电视节目和两套无线电台的广播节目，成为英国最富竞争力的三大电信公司之一。韩国电力公司于1992年成立韩国电力数据网络公司，装有总长度为2700公里的架空地线复合光缆（OPGW），主要面向社会经营因特网业务，有线电视传输业务，电力系统自动抄表业务及向有关部门出租OPGW宽带容量业务。在芬兰和瑞典的电力公司，也都利用电力信息资源的优势，经营电信业务和出租电信资源。

　　在美国，电力系统通信已成为“信息高速公路”计划的一个主要组成部分。全美电力部门已建成13000公里以上的光纤通信网络，其中大部分是架空地线复合光缆（OPGW）、架空地线缠绕光缆（GWWOP）和全绝缘自承式光缆（ADDS）。其中一部分光缆芯线留给电力系统自己使用，另一部分芯线租给AT&T和MCI公司使用，取得了良好的经济效益。

　　在我国，国务院于1993年12月正式批准由原电子工业部、电力工业部和铁道部共同组建中国联合通信有限公司，简称“中国联通”，被授予电信基本业务的经营权。在国务院的批复文件中明确规定要通过对电力和铁道两个专用通信网挖潜、改造和扩容，在保证专网部门使用的前提下，将富裕能力向社会提供长、市话服务。电力部门在中国联通的建设和发展中已经发挥了自身的优势，如为北京、天津、上海、武汉、青岛等地的GSM工程提供部分基站场所和杆塔、管道资源。还为中国联通实现北京、天津、上海和广州四个城市的GSM手机漫游提供了长途通道。

　　从以上的分析，我们有理由认为，如果能够提高电力线载波的速率和带宽，实现“四网合一”无论在技术上还是管理体制上都是有可能的。

　　4．“四网合一”的构成框架及关键技术

　　（1）构成框架

　　下图是采用低压配电电力线载波技术实现“四网合一”的一个框图。在用户端信息数据从电力线通过耦合适配器与工频电力分离，并通过电缆进入DPLC Modem。DPCL Modem（数字电力线载波通信调制解调器）有五个接口，其余四个接口分别接电话、电视机、计算机网线、和用户自动化信息。其中计算机通过Ethernet网卡后通过网线接到DPLC Modem。在变电站侧，信息数据从电力线通过耦合适配器与工频电力分离，并通过电缆进入DPLC Modem，然后将各种信息分离，其中用户信息与用户自动化管理系统相连，电话信息通过交换机接线架后进入程控交换机，互联网信息与视频信息进入DPLCAM。DPLCAM（数字电力线载波通信接入多路复用交换设备）收集多个DPLC Modem来的互联网信息并与Internet相连。DPLCAM还接有服务器，进行信息管理。

　　“四网合一”的框架

　　Frame of “Four Networks One Platform”

　　（2）提高速率及拓展带宽

　　通信的最大速率和带宽之间有着密切的联系。1948年香农应用信息理论推导出了噪声信道的最大数据速率。

　　在通信通道中的热噪声一般用信噪比S/N表示。香农指出在一带宽为B Hz的噪声受限的通道中最大数据速率和最大信噪比的关系为：

　　最大数据速率=Blog2（1+S/N）b/s

　　要超越这个结论，会被认为是想发明永动机。

　　因此，要想提高数据的传输速率，就必须提高通信的带宽。比如在英国Norweb与加拿大的Nortel联合开发的DPL技术中，就利用2.2～6MHz频段的一个封装交换的通讯规约。而利用现有的电话线实现高速接入网的ADSL技术，也是在现有的铜质电话线路上采用较高的频率及相应调制技术，来获得高传输速率。在ADSL中，话音所占频带为0－4KHz；ADSL调制频带为4.4KHz－1MHz。因此，满足现代高速数据传输的技术，必须通过使用超出CENELCE的标准之外的更高的频带才可能实现，利用高频是提高传输速率一个关键。

　　另外低压配电网络并不是为电力线传输数据或平衡不同建筑内的负荷特地设计的。噪音和低压配电网络阻抗的变化将导致衰减和恶劣的信号传输。应用于低压配电网络的任何通讯方法的带宽和数据速率，不管它用于中继还是接收都将是非常苛刻的。利用电网实现高速数据通信的这项技术的目的是将电力用户至向其供电的变电站的配电线路设施转换成本地网LAN，该技术的突破点在于如何防止电力线上的噪声干扰通信信号。

　　目前国际上在这些问题的处理上都应用了以VLSI（超大规模集成电路）技术为基础的DSP技术和先进的调制解调方法，例如：OFDM（正交频分复用）、MCM（多载波调制）等。

　　（3）信息的耦合与翻越

　　信息的耦合器件应是一个有三个出口的单元。它包括一个载波电力线入口，一个高频通信信号的出口，和一个输出电力出口。它里面应含有一个阻波器阻挡高频信号进入用户用电设备，保证只有低频电力的输出。它还应有一个高通滤波器，使高频信号可以从通信出口输出。同时耦合器件还必须含有阻抗匹配的功能，来改善网络的频谱特性。所以信息与电力线耦合器件所起的作用，一是实现高频信号与配电电力线的耦合，二是使高频信号能够在低压配电线上高速传输，三是使网络具有优良的频谱特性。

　　信息过变压器是一个难点问题，因为高频信息在变压器受到阻挡。这时应有相应的手段使信息越过变压器，比如采用旁路电容，使用额外的电缆，或是采用相应的无线装置等，使信息能够越过变压器。更多的则是在变电站一般设有信息处理局部中心，处理后的信息接入不同的电话网、互联网和电力信息网。

　　（4）与各主干网的接口及规约

　　电力载波信息网与公众电话网、有线电视网和因特网的接口一般都在配电变电站内。变电站里载波信息网的中央交换局端模块包括在中心位置的DPLC Modem和接入多路复合系统，DPLC Modem又被称为DTU－C（DPLC Transmission Unit－Central）。接入多路复合系统把各个DPLC Modem组合成一个接入节点，也被称作“DPLCAM”（DPLC Access Multiplexer）。载波信息网的调制解调器有两个接口，其中一个把与数据信息分离的语音信息送入公共电话网，另一个则把诸如视频数据、因特网数据的信息送入DPLCAM。然后DPLCAM把它们送入相应的因特主干网和与有线电视网相连的视频服务器。该处的DPLCAM具有网关和路由器的作用，它通过检测数据包的IP地址，将数据进行转发，还可以进行网络的管理。

　　随着技术的不断发展，IP已成为业界网络的事实标准。它开始的设计目标就是无缝的连接多个网络的能力。因此电话、电视、电脑和电力“四网合一”的实现毫无疑问应该使用IP规约。

　　（5）“四网合一“的管理与经营

　　“四网合一”的实现不仅仅涉及到很多技术问题，而且更包含有许多管理体制方面的问题，我们必须认真研究，慎重对待，以促进“四网合一”的健康发展。

　　5、结论

　　电话、电脑、电视和电力的“四网合一”在经济上是需要的，有着巨大的市场潜力；

　　随着低压电力线载波技术的发展，“四网合一”在技术上是有可能实现的；

　　国家应大力加强这方面的投入，而各研究部门开展研究是适时的；

　　“四网合一”将会为电力信息行业开辟新的经济增长点。

　　张保会教授(中)课题组研究的电话、电脑和电力网的“三网合一”项目正在实验室进行上Internet实验。左端计算机连接在校园网上，右端计算机的电源与左端机相连，右端计算机经由电源线直接上网。 　　

　　作者简介: 张保会,男,1953年生,1982、1988年分别获得西安交通大学硕士、博士学位,现任西安交通大学电气学院副院长，教授、博士生指导教师。教育部骨干教师，1994年起享受国务院政府特殊津贴。中国电机工程学会电力系统自动化专业委员会委员，中国电机工程学会继电保护专业委员会委员，中国电机工程学会继电保护专委会电力系统安全稳定控制技术分专业委员会委员，陕西省电机工程学会副秘书长，中华电力基金会许继奖教金工作委员会副主任， IEEE高级会员，中国电机工程学会高级会员。主要研究电力系统安全稳定紧急控制，新型继电保护，电力系统自动化和电力通信。已发表论文90余篇。