全弘林

　　摘要：本文着重介绍了PLC国际联盟HomePlug的一套宽带电力线通信系列标准，介绍了相关技术规范的制订情况与PLC技术最新进展。本文表明，2006年新兴的电力线通信技术已经取得核心技术、成套标准、专用芯片的综合突破，其实用化产品的传输速率已可达200Mbps以上，以致于PLC的市场应用领域已瞄准以视频为中心的宽带接入与宽带家庭网络，包括HDTV、IPTV、VOD的接入与分配网。

　　关键词： 电力线通信   宽带电力线接入   宽带家庭网络   PLC   BPL   HomePlug   OPERA  

　　1. 概述

　　电力线通信Powerline Communication简称“PLC”，是一种利用输电和供电的电力线进行高速数据传输的技术。

　　PLC技术从上世纪二十年代开始已经历了很长的发展历史，但是由于电力线是最不稳定、干扰最大、最困难的有线通信媒介，极大地限制了它的应用频带和传输速率，所以一直不成熟，也鲜为人知。

　　长期以来，电力线通信技术只是局限在与电网调度管理相关的特定专业市场应用，如电力负荷的控制和监视，各种自控系统和远程抄表系统，9600bps的低速数据通信, 以及模拟话音信号传输。典型应用领域是电力线载波（Power-line carrier），它是在中压、高压甚至超高压电力线上，采用高频载波信号传输信息，基本载波频带4kHz / 2.5kHz，载波频率范围40 kHz — 500 kHz，用于传送电力调度电话和远动信号。

　　直到最近几年，由于宽带技术的发展及市场竞争的推动，更由于新的调制技术、DSP技术及新型PLC专用成套芯片的出现，才带来新的应用和解决方案。PLC新应用领域主要有两个，其一是利用家庭中的电源插座进行组网的不重新布线的“家庭网络”，其二是利用中、低压电力配线网传输宽带信号的“最后一公里接入”。

　　本文介绍的相关国际联盟PLC全球标准体系的制订情况表明，新兴的电力线通信技术已获得重大技术突破，其实用化的产品速率已可达200Mbps以上，以致于PLC的市场应用领域已瞄准以视频为中心的宽带接入与宽带家庭网络，包括HDTV、IPTV、VOD、DVB、DVR的接入与分配。

　　2.PLC通信难点与技术突破

　　遍布城乡的交流电源线是一种最困难的有线通信媒介，主要干扰通信传输和劣化通信信号的因素是各种来源众多的不可预知的干扰、衰减和失真，包括宽范围的阻抗变化、高衰减电平、多路径时延传播等等。

　　例如：开关电源、电灯、电刷的火花噪声，静电噪声，电机、微波、变压器等引入的噪声；分支线路、配电盘、断路器、电感加热器等带来的衰减；不恒定的非线性电力负荷、阻抗失配等带来的失真。又如，因为电路分支和负载的互连几乎是随机的，因而家中任何两个电源插座之间的通路具有不可预知的传递函数，所以通路的幅度和相位响应随频率呈宽范围变化，幅值响应可能超过允许范围（其变化从几个dB到 80 dB以上）；而且，在各种用电设备开机和关机时，通道响应还会随时间变化……。

　　要在如此恶劣的条件下可靠、准确、低时延地传输高速宽带数据信号，必须找到一种能克服各种障碍的综合技术。实现PLC技术突破的基本技术是在物理层采用OFDM，即“正交频分复用”技术；以及在MAC层采用CSMA/CA，即半双工以太网采用的“带碰撞检测的载波监听多路访问”技术。

　　OFDM是60年代首次提出的理论，它把可用频谱分成许多窄带载波来用，这类似于XDSL； IEEE802.11无线LAN委员会也选择OFDM，未来的4G移动通信也将采用OFDM技术。

　　PLC采用的OFDM技术，是其克服障碍实现技术突破的核心技术，而且具有如下特点：

　　每个载频能支持几种调制格式：ROBO、BPSK、QPSK、QAM

　　能在恶劣的环境中实现同步

　　单频动态定位以避让无法使用的频段

　　能在带内干扰或冲突下工作

　　支持广播传输

　　极好的抗信道干扰性能

　　不需要信道均衡

　　不需要时钟同步

 
　　图1形象地表明了OFDM在频域内的单频定位功能，它能自动避开单频干扰和衰减过大的频点，以实现最佳信噪比。

　　在实现技术突破后，还需要制订成套的PLC全球统一标准，才能实现芯片和整机的规模化生产，以便显著降低产品成本，真正实现PLC的大规模推广应用。

　　3.相关PLC国际联盟标准制订的最新进展

　　有关的PLC国际联盟和论坛都成立于2000年或更晚，这说明PLC是一项新兴的技术，全世界众多的厂家和公司都看重这个全球覆盖面最广的现成的网络基础设施，并寄希望于这一颇具潜质的通信媒介。

　　“家庭插电联盟”HomePlug （或全称“家庭插座电力线联盟”— The HomePlug Powerline Alliance）是标准制订成果最多的主要PLC国际联盟，最初重点在于PLC家庭网络技术规范的制订，近两年主要进行中、低压PLC宽带接入标准的制订。另外值得一提的是OPERA — 开放式PLC欧州研究联盟（The Open PLC European Research Alliance），它是由欧盟支持的最早制订PLC宽带接入标准的机构，主要是制订统一的欧州标准。

　　OPERA在2005年底就完成了大部分PLC接入标准的制订，2006年2月宣布正式批准全球第一个开放式PLC接入技术规范，也称为Broadband over Powerline（BPL），即“宽带电力线接入”标准。该标准的制订得到欧盟的支持，由来至OPERA的35个机构（包括10所大学）的业内专家历经两年的努力得以完成。OPERA声称，该BPL技术规范的制订将促进高速、低成本的话音、视听业务，以及配电控制与管理业务的规模应用。

　　2006年3月HomePlug家庭插电联盟宣布，该联盟今年已经在PLC标准领域取得重大进展，HomePlug将在2006年3季度正式批准其“指令与控制技术规范” — HPCC（HomePlug Command & Control），并计划在2006年4季度正式批准其BPL“宽带接入技术规范” （HomePlug Broadband over Powerline ）。这意味着到2006年底，基本覆盖PLC各类应用的全套国际标准将制订完毕。

　　有迹象表明，HomePlug与欧州标准是互相参照、相互借鉴的，所以说应该是能兼容的。而且，HomePlug联盟还与IEEE、ETSI等其它国际标准机构有工作联系，以实现其标准和产品在全球范围内的协同工作和共存机制。

　　4.PLC系列标准介绍

　　电力线通信技术领域的权威国际机构——家庭插电联盟（HomePlug），从2000年成立以来，陆续制订了一系列的PLC技术规范，包括HomePlug 1.0、HomePlug 1.0-Turbo、HomePlug AV、HomePlug BPL、HomePlug Command & Control，形成了一套完整的PLC技术标准体系，基本上覆盖了所有电力通信技术的应用领域。

　　4.1.HomePlug 1.0技术规范

　　这是家庭插电联盟HomePlug在2001年6月宣布的第一代高速电力线网络的技术规范，是全球第一个PLC技术标准。HomePlug 1.0版本发布前， 在美国和加拿大进行了500多个家庭、近10000线的现场试验。现场试验证明，该技术规范满足HomePlug制定的市场需求文件（MRD）所规定的各项性能要求，包括：调整、互操作、性能、抗干扰、可靠性、可量测性、维护和故障诊断等。该现场试验是在基于HomePlug技术规范的产品和业务的基础上进行的，并且作了节点到节点的文件传送，多节点文件传送，VoIP及流媒体试验。

　　HomePlug 1.0 是一种通过家中的电力线完成设备互连的技术规格。HomePlug 1.0的产品为消费者提供一种不需要增加任何新线路就能简便组成家庭网络的解决方案，这些产品包括HomePlug桥接器、 HomePlug适配器以及内置有HomePlug技术的网桥和适配器，它们采用以太网、USB、802.11 Wi-Fi 接口将PC机或其它设备与电力线相连接，数据速率为14Mbps。

HomePlug 1.0技术规范的要点为：

　综合的物理层（PHY）和媒介接入控制层（MAC）

　数据速率：高达14Mbps

　频带宽度： 4.3 MHz - 20.9 MHz

　正交频分复用（OFDM）符号调制

　84个载频

　频道自适应

　前向纠错（FEC）

　载波调制方法支持：DQPSK, DBPSK, ROBO

　接入方法支持：CSMA/CA

　满足FCC第15部分辐射标准

　安全通信

　CMOS处理机运行频率：100MHz

　　4.2.增强型HomePlug 1.0技术规范（HomePlug 1.0-Turbo）

　　这是在HomePlug 1.0的基础上进一步提高速率的技术规范，其数据速率可达85Mbps，因而可用于快速电力线通信和宽带接入，HomePlug 1.0-Turbo的主要应用目标是：

　标准电视（SDTV）分配

　网络电视（IPTV）

　高数据速率的宽带共享

　共享的宽带因特网接入

　视频、音频流及其转发

　无线LAN网的覆盖扩展

　VoIP呼叫

　 PC文件和应用共享

　打印机和外设的共享

　网络和在线游戏

　监视摄像

　　4.3.下一代PLC宽带家庭网络技术规范：HomePlug AV

　　HomePlug AV是PLC有关音频-视频宽带家庭网络的技术规范，它支持多个数据和视频流的分配，包括遍布整个家庭的高清晰度电视(HDTV)和标准清晰度电视(SDTV)，支持家庭娱乐应用，包括HDTV和家庭影院。

　　HomePlug AV能提供一种方便且低成本的方法，不用重新布线就能在家庭中分配HDTV。HomePlug AV 规格的目标包括提供高质量视频分配的最佳解决方案，并具有安全可靠的连接和内部的服务质量（QoS）保证，以确保广大用户体验到与其它家庭网络相比的价格竞争力。 HomePlug AV 兼容HomePlug 1.0。

　　HomePlug AV的设计满足更高的带宽和更低的时延需求，以支持几个同时并发的HDTV和VoIP流，并且能同时使用家中90%的电源插座。其应用目标是家庭影院和数据网络环境下的家庭音-视频分配。为此， HomePlug AV在给定的频率范围内把香农定律用到了极限，它能在PHY层提供200Mbps等级的服务，考虑开销后，MAC层也能支持100Mbps以上的速率。

HomePlug AV采用的基本技术特征在于：

　HomePlug AV在物理层采用具有高级前向纠错、通道预估和自适应能力的OFDM

　而在MAC层则综合使用具有QoS保证的TDMA时分多址有序接入和CSMA竞争接入两种方式，并通过快速自动重发请求（ARQ）可靠传送

　HomePlug AV支持TDMA和FDMA，即兼容时分多址和频分多址，以便兼容BPL宽带接入

　HomePlug AV协议栈支持多种上层协议，如802.3、 IP and UPNP

 HomePlug AV的主要应用目标在于：

　分配高清晰度电视（HDTV）和标准清晰度电视（SDTV）

　交互式电视（IPTV）

　WiFi，UWB 和 无线 USB 的干线传送

　宽带高速率数据分配

　共享宽带因特网接入

　音频和视频流及其传送

　扩充无线LAN网的覆盖

　网络电话VoIP

　PC文件和应用共享

　打印机和外设共享

　网络和在线游戏

　保安监视

　　图2为典型的建立在现有家庭电源线网络上的PLC宽带家庭网络，几乎包括了所有能插在交流电源插座上的通信、家电、网络及娱乐设施，如：PLC电话、数字电视、PC机及家庭多媒体服务器、PLC 802.11无线网桥、DVD/家庭影院、MP3等等。

 
　　4.4.PLC宽带接入技术规范：HomePlug BPL

　　HomePlug BPL（Broadband over Powerline）宽带电力线接入，是一种连接到家庭的宽带接入技术，它利用现有交流配电网的中、低压电力线路，传输和接入因特网的宽带数据业务。

　　HomePlug联盟成立了BPL接入工作组，专门负责研究HomePlug BPL接入规范的市场需求文件（MRD）和相关标准，得到了公用供电局、ISP因特网业务提供商及其它BPL工业团体的协作和支持。事实上全世界的公用供电局、ISP和各国的政府部门，都对利用无处不在的电力基础设施进行宽带接入传输的潜力颇感兴趣。作为一种传统接入技术的成功替代方案，BPL市场正在迅速增长。

　　家庭插电联盟选择了HomePlug AV的媒体访问控制层（MAC）和物理层（PHY）技术作为其BPL新技术规范的基础，以确保它与家中的HomePlug AV网络高性能地协同工作。

　　HomePlug BPL接入需要开发出中压线路和低压线路的技术规格。总的要求是BPL规格的范围要复盖MAC层、PHY层、AFE模拟前端和耦合器的相关构成部分及网元管理，但是并不包括耦合设备的物理执行层或者与安全施工相关的安装程序。

　　该规范还要求注意中压（MV）和低压（LV）的用法， HomePlug BPL接入的市场需求文件（MRD）描述了工作在低压和中压两种线路的技术规范要求。HomePlug BPL接入工作组还在进行低压和中压两种环境下的BPL接入和HomePlug AV 规格要求的“差距分析”。

　　低压BPL（LV BPL）是利用电力分配网的低压线段在附近区域传送宽带数据。BPL信号通过配电变压器的低压线路段，以及杆线或地下线路直达家中。家中的任何电源插座都可以用来连接到BPL网络并接入因特网。安装BPL时需要采用BPL网关/桥接器、中继器，以及家中的CPE设备。配电变压器的骨干连接线路则可采用光纤、无线或中压BPL设备。

　　中压BPL（MV BPL）则是通过中压线路传送宽带数据信号到多个邻近区域。从中压线段到家中的宽带连接由低压BPL或无线接入提供。如果使用LV BPL，安装电极或地下配送变压器会阻挡BPL信号通过，而无法到达低压区域。这样，就要采用专门的耦合器以让数据通过MV线路到达LV段。

　　由图3可以看出，HomePlug BPL标准主要用于中压和低压线路的接入与分配，而HomePlug AV和HomePlug 1.0主要用于家庭网络。

4.5.PLC控制与指令技术规范：HomePlug HPCC

　　家庭插座联盟即将批准一种先进的PLC控制及指令系统的技术规范，称作HomePlug HPCC （HomePlug Command & Control）。 HomePlug控制及指令系统是一种成本很低的低速电力线通信技术，用以补充联盟的高速电力线通信。该技术规范可提供整个住宅内的照明、电器、空调、保安以及其它设备的先进的控制系统标准。

　　过去30年，利用电力线进行家用控制的努力，已经到达一个上升的拐点。预计2007、2008年控制及指令设备市场会高速增长，每月将销售数百万个控制及指令节点。所以家庭插座联盟要补充PLC低速数据标准，以建立一个统一的市场标准，促进控制及指令应用的市场增长。

　　有了以上国际通用的成套技术标准，企业可以采用公共的基本技术进行规模生产以提高竞争力。全球市场扩大了，生产厂家和消费者都是最终的赢家。

　　5. 国外PLC产品及应用的新进展

　　值得欣慰的是，PLC这项难度很高的新技术，在核心技术突破后，与成套标准的制订同步，全球多个厂家又同时实现了专用芯片的突破。

　　专用PLC芯片的主要厂家有：美国Intellon公司、西班牙DS2公司、法国Spidcom公司、以色列Yitran公司，以及Arkados、Conexant等PLC芯片供应商。芯片的传输速率有224Mbps、200Mbps、85Mbps、45Mbps、14Mbps、2.5Mbps等等，它们可适应各种目的不同、速率不同的PLC应用领域。其实，这些芯片同样可以扩展应用到CATV有线电视网络的高速数据传输、其它现有同轴电缆通信网的宽带综合应用，以及中/高压电力线路的宽带高速电力线载波通讯。

　　在2006年美国通信展及德国CeBIT 展会上，许多厂商都展出了自己的PLC产品，包括符合HomePlug AV标准的宽带产品整机和高速芯片。例如德国devolo AG公司，在CeBIT 2006 展会上推出了ADSL2+和200Mbps HomePlug AV的家庭娱乐业解决方案，能通过家中的电力线实现高清电视及三网合一业务。又如Aztech系统公司在2006年也推出了以太网-HomePlug 200Mbps 的音-视频解决方案，它利用高速PLC技术提供了一个HDTV和VOD的理想平台。

 
　　图4展示了PLC宽带接入网络的总体结构，它主要包括中压头端（MV Head End）、中压调制解调器（MV Modem）、低压头端（LV Head End）、低压中继器（LV Repeater）和网络终端单元（Network Termination Unit）等设备。如图所示，BPL还可以包括PLC网络中的自动抄表系统（ARM）等窄带综合应用设备；它与因特网的连接也可以只用低压网；此外，这些设备的称呼也可能各厂家不同，例如，网络终端单元也可称作PLC Modem或CPE（用户驻地设备）。

　　PLC电力线通信技术的宽带-窄带综合应用领域，范围广阔、潜力巨大、颇具市场诱惑力，它们包括：

因特网接入Internet access

家庭网络Home Networking

市场信息广播Marketing information broadcasting

网络家电Network electric appliance

家庭自动化Home Automation

自动抄表系统AMR

综合计费Integrated billing

供电质量监控Power quality monitoring and control

故障检测与控制Failure detection and control

远程开关Remote switching

远动保护管理Protection management

负荷控制Load control

用电管理Power usage management

摄像监控应用Camera Application

安防应用Security Application

大楼空调应用Building Air-conditioner application

智能大楼系统Intelligent Building System …………

　　据称：HomePlug 联盟的成员在2005年8月后增长了30 %，公司成员已达65个。到今年6月止，已有4500万套HomePlug1.0的芯片出货，而且随着全球20个服务提供商的规模安装，新的HomePlug产品正以每季度100万套的速度增长。

　　有两个重要的事件能够证明并将促进PLC技术的大规模应用。一个是前面提到的欧盟2004年1月1日启动的OPERA（Open PLC European Research Alliance）计划，它表明欧盟致力于将PLC作为实现“信息化欧洲”（eEurope）的重要技术手段。另一个是美国联邦通信委员会（FCC）2004年2月12日批准对某些技术规则的修改意见，其目的就是要鼓励启用新的基于现有设施的宽带平台，促进电力线宽带接入技术的推广应用，把美国电力网的巨大潜力利用起来。事实上随着全球最发达的欧美地区的突破，PLC的试验及商用网络已遍及欧洲、美洲、亚洲、非洲以及大洋洲的40多个国家和地区。

    6、结束语
　　综上所述，PLC宽带电力线通信技术应用种类繁多、前景广阔，对用户使用来说又不需另外布线、简便易行，所以特别为公众所看好；但同时，因为技术难度很大，又存在不少的行政和技术管理壁垒，所以被一些人长期置疑和否定。但是，本文介绍的2006年PLC成套系列标准制订的情况表明，宽带电力线通信已经实现了重大突破，虽然还存在各种困难和障碍，但这仍然预示着PLC的全球规模应用正在开始，也预示着一个巨大的、新的市场机遇已经到来。中国在PLC技术的应用方面，并不落后；而且不少人认为在PLC的应用试验方面是走在了世界的第一队列。但是，在电力体制、运营体制、行政管理、相关政策、技术标准、芯片技术等等诸多方面，离PLC的大规模推广应用就相对落后了。PLC在竞争激烈的全球宽带接入网中异军突起，我们将如何应对？

    作者简介：全弘林，男，汉族，1945年生。1967年毕业于成都电讯工程学院(现电子科大)多路通信专业，分配到电子工业部四川绵阳730厂（国营涪江有线电厂）。曾任：730厂设计科副科长，730厂通信设备研究所副所长、所长，四川灵通电子有限公司总经理兼总工程师，深圳格林耐特通信技术有限公司成都研究所所长等职务。现已退休。1981年评为工程师，1988年评为高级工程师，1993年评为享受政府特殊津贴专家。1993年10月“国务院政府特殊津贴证书”编号：政府特殊津贴第（93）9510118号。

    收稿日期：2006.9.5  修回日期：2006.9.10