雨  田

　　摘要：分别从网络体系结构与系统组成、安全性与私密性、传输距离与覆盖范围、小区间干扰、信号耦合方式与安装几方面介绍了欧洲宽带电力线通信(PLC)接入系统的一个实例。现场试验表明，PLC系统室外部分使用低频段，室内部分使用高频段可解决通路损耗与电磁兼容性问题；时分多址和时分双工将成为比较好的候选技术；在无中继器情况下，最大室外传输距离可达250-300m；保证相邻PLC系统之间上行时隙和下行时隙的同步能解决邻室PLC系统间的干扰问题；选择适当的信号耦合方式对获得良好覆盖十分重要。

　　作为有一种成本有效的最后1英里接入技术，带宽电力线通信(PLC)近几年引起了业界极大的关注。它通过低压电力线向住宅用户和企业用户提供数据和话音业务。目前全世界已经有若干种PLC系统在进行现场试验。在欧洲、德国、西班牙、法国、奥地利和瑞士都开始大规模现场试验。PLC接入网一般都覆盖从变电站到用户住宅的公共区域(室外)和用户家庭的私人区域(室内)两部分。可用于通信的频谱在1-30MHz之间。在此频谱范围内，室外部分通信通常使用较低频率，室内部分通信使用较高频率。大多数系统能提供的最高纯数据速率为几兆比特每秒以上世界各国都在准备迎接这一挑战。本文主要介绍欧洲的一种电力线接入系统，以飨读者。

　　网络体系结构和系统组成

　　为了桥接变电站至用户住宅电气插座的最后1英里，必须把低压配电网分成室外PLC和室内PLC 两部分。这是因为整条通路的损耗通常非常高，在满足电磁兼容(EMC)要求给出的电力限制情况下，只有大约10%的用户才能享有直接由单跳链路提供的服务。

　　室外部分包括从变电站到住宅接入点(HAP)的公共区域，室内部分系指从HAP到家里电气插座的私人区域。这里介绍的PLC系统是一个集中式的主/从体系结构。这种结构反映了电力线网络拓扑和点到多点网络流向的特性。室外主控器(OM)通常安装在变电站，它控制用户住宅的室外接入点(OPA)。为了覆盖远处的建筑物，还要有一个室外中继器(OR)。

　　在每一住宅内，都有一个独立的室内PLC部分，它由室内控制器(IC)进行控制。IC的控制对象是室内适配器(IA)，IA给最终用户提供标准网络接口(如以太网、UBS和模拟电话线等接口)。室内外的PLC通过OAP与IC之间的以太网链路进行连接。OM为主干连接提供以太网接口。主干连接普遍使用光纤和数字用户线(DSL)。对于无线有电信基础设施的变电站，可以使用中等电压PLC作为代替方案。

　　室外PLC使用1-10MHz的低频段，室内PLC使用15-30MHz的高频段。每一频段能容纳3个载波，每载波带宽约为2MHz。载波频率的分配基于一下考虑：

*与原有重要的广播与业余无线电业务的频率共存；

*频率低意味线路损耗小，适宜于室外使用，以便覆盖最大范围；

*室外与室内频率要有足够隔离度，使室外系统在非常靠近时(例如OAP与IC)不用协调即能同时工作；

*室内距离一般短于室外距离，故室内可以使用较高的频率，而且电气设备在较高频率时产生的信道噪声比低频时小得多；

*由于在高频时不同相之间得串话特性较好，每一相得信号和质量几乎相同，故室内系统的性能较少受服务于IA的不同相或网络分支的影响。

　　PLC协议包括物理层(PHY)、媒体接入控制层(MAC)、逻辑链路控制层(LLC)、以及与标准以太网数据链路控制的桥接功能。

　　PLC-PHY基于GMSK调制，并采用判决反馈均衡(DFE),以处理多径扩散。为了掩盖脉冲噪声，DFE与软判决算法配合使用，通过调整卷积码的码率每载波可以提供3种不同的用户数据数率。码率与载波的选择将适应于下行链路(主到从)和上行链路(从到主)两个方向上的信道情况以及每个主/从链路的信道情况。

　　PLC-MAC的设计基于需求驱动的动态频率与时间分割。在每一载波上，时间被分成帧与时隙。主控器每帧向被控部分指配一次发送载波和接受载波以及时隙。因此，在每帧的基础上，在PLC工作用户之间可以动态共享的最大累计吞吐量为4.5Mbit/s。由于链路按时分双工方式工作，故每一频率都将在两个方向上使用。这保证了具有频率高度相关通路损耗之传输媒体内的链路对称性。

　　PLC-LLC为以太网桥提供可靠稳固的分组传输。为了恢复PLC链路级上被污染的LLC数据块，采用了选择性自动重复请求(ARQ)方案。此专门的纠错方案明显降低了TCP/IP的分组丢失率。

在试验中，支持4种业务优先等级：话音、金、银、尽力而为。在重载系统中，载吞吐量和时延方面，高优先级业务的性能将优于低优先级业务。

　　
安全性和私密性

　　因为电力线是一种共享媒体，获取数据和监视数据是非常容易的，因此要求加密。在本系统现场试验中，是用Rivest,s Cipher 4(RC4)来完成加密的，最大可能密匙长度为128为。它在加密力度与数据处理要求之间提供了很好的折中。密匙的交换服从Diffie-Hellman算法。
　　当每一PLC节点完成以太网桥接功能后，PLC系统就相当于一个具有以太网透明接口的局域网。为了保护在同一PLC网中的两台计算机之间不发生非法接入，系统支持符合IEEE802.1Q标准的虚拟局域网(VLAN)。为了让终端能够使用共享的电力线，把PLC节点分配到不同的VLAN组，就要为对属于同一用户的PLC节点分配相同的VLAN身份号(VLAN ID)。因此，进入电力线网的每一以太网帧将标有VLAN ID。PLC只桥接具有相同VLAN ID的以太网帧，而其它帧将被丢弃。

传输距离与覆盖

　　通路损耗和本地噪声是限制室外传输距离的主要因素。通路损耗取决于电缆类型、电缆长度、耦合适配、分支数量和路边配电盒数量等。一般，通路损耗随着频率和距离的增加而增加。但另一方面，电力线噪声却随着频率在-80--65dBm/MHz之间变动。

　　对覆盖范围只能按概率方法进行估测。对3个独立室外载波(2.4、4.8、8.4、MHz)的覆盖范围估测。它基于通路损耗模型，此模型是根据从欧洲不同室外网收集的统计数据推导、并假设按对数线性距离定律和对数正态分布(标准偏差为12dB)得到的。按此估测，当使用2.4MHz载波时，成功连接距主控站200m的用户的概率大于90%，考虑到这3个载波的通路损耗是部分相关的，故在250m时，至少有一个载波的覆盖概率可以达到90%。为了延长传输距离，可以使用OR。OR与OM分享频率资源，可以安装在路边配电盒内。用户住地的OAP除了具有网关功能外，也可承担中继功能。

　　室内的覆盖统计数据标明通路损耗与距离之间只有适度的相关性。通路损耗主要取决于沿信号通路的配电分支数量，数量可以根据采用简单对数正态分布的随机模型、标准和平均偏差，视建筑物而定。现场试验结果表明，只要安装适当，在室内90%以上的电气插座都可以被覆盖。

小区间干扰

　　理论上，重复使用频率的相邻PLC系统相互之间是会产生干扰的(即小区间干扰)。在室外网络中，估计在小区的边缘会发生这种干扰，这主要是由电缆末端(位于路边配电盒或链路盒)的残余串话造成的。但实际在室外很少发生小区间干扰。

　　室内相邻PLC系统之间的干扰是主要问题。在许多情况下，在相邻IC之间室外通路的损耗是接近或者小于室内链路损耗的，所以在小区之间对上行时隙盒下行时隙的使用进行协调，就可把IC之间的干扰减至最小。按此概念，可以把一个IC定义为一组潜在干扰IC的同步主控器。降低小区间干扰的另一方法是把IC耦接在配电表盘之后。

　　耦合与安装

　　在三相电力线网中，可以利用相到中性线的耦合方式。一般讲，相到相耦合方式较好，产生的辐射较小。

　　电感耦合盒电容耦合方式都可以使用。电感耦合可以利用铁氧体等高饱盒环形磁心来完成。咬接在电力线一金属线上的铁氧体磁心相当于一个单匝高频变压器。在低阻抗(电流最大)的地方应该使用电感耦合，而在高阻抗(电压最大)的地方则应使用电容耦合。电容耦合是比较适用于变电站的技术，尤其是当电流额定值高于200A、空间受限制、几条馈电线必须得到同样好的服务的时候。

　　对配电盘小巧的变电站来说，单点耦合到汇流条是比较适当的解决办法。对配电盘笨、大并有多条(6-10条)馈电线的老式变电站而言，采用多馈电线耦合技术(使用电力分合器S/C)比较有利。

　　如果只为一个家庭服务，OAP和IC联合电容耦合就是优选的办法，因为这样做比较简单。在有多个住户的住宅里，则在配电表之后采用多点电感耦合可以旁路楼里的配电系统。在较大的多层建筑里，通常的做法是在中间楼层的立管处连接OAP和IC。这在室外通路损耗与室内通路损耗之间能够取得较好的平衡，因为在人口较密的住宅区，室外电力线部分一般是较短的。

　　总之，选择合适的耦合方式对覆盖范围是十分重要的。正确的耦合方式可以减少10-30dB的通路损耗。在安装方面多下功夫一定会获益。
　　从欧洲电力线网络的一个现场试验系统获得的统计数字。改系统包括153个室外网络和342个室内网络就需要一个中继器，对于OM信号的连接，通常采用多馈电线电容耦合。OAP和IC则分别连接至电力线。有10%的情况需要在相邻室内PLC系统之间进行协调，以避免干扰。

结语

　　以上分别从网络体系结构与系统组成、安全性与私密性、传输距离与覆盖范围、小区间干扰、信号耦合方式与安装几方面介绍了欧洲宽带PLC接入系统的一个实际例子。