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电力线载波通信篇(1):低压电力线载波通信------东软载波
电力线载波通信技术，英文简称PLC(Power Line Communication)，是指利用己有的配电网作为传输媒介，实现数据传递和信息交换的一种技术。该技术出现于上世纪二十年代初期，最早主要应用电力线传输电话信号。广义的PLC技术包含两个大的分支，一个是面向配电网自动化的，简称DLC(配电线路载波);另一个是面向进户线路和户内线路的，称为PLC(线路通信)。两者的区别主要体现为使用对象，技术特征，如线路条件、速率要求、线路共享方式以及用户密度方面的不同。
国外对电力线载波通信技术的研究起步较早，已有多家公司推出了自己的电力线载波Modem芯片，并制定了电力线载波通信适用范围的标准，尤其是在德国、韩国、美国、瑞士等国，该项技术都已近于实用。有文献报导，NORWEB公司在世界上首次成功实现配电网上的25个终端用户的电话与数据通信试验后(1992-1993)，已开发出在2MHz带宽内数据传送速率为1 Mbps的系统。1993年，英国S WEB公司成功地在一地区性有限遥测系统(RMS )中采用中、低压配电网进行两路数字载波通信，将己有的水、气表计与电能表计连接起来，能提供包括水、天然气、电能的自动抄表等功能。另外，美国AN公司于1996年推出了100 kbit/s的电力线调制解调器芯片。1999年3月I1日，德国RWE能源股份有限公司和瑞士Ascom公司向公众展示了利用公用电网传输电话和数据的技术，使用户可通过低压电网，以高于当时ISDN技术20倍的速度在因特网上浏览、传送数据。最近几年，德国、日本、韩国和新加坡等国都相继报道已经实现了利用低压电力线的高速互联网传输技术，并正在各自国家进行推广应用，国际上对高速PLC专用芯片的研制也取得了突飞猛进的发展，美国的Intellon公司的14Mbit/s芯片己经达到实用化水平。为了推进PLC的标准化工作，国际上成立了一些PLC组织，但至今没有统一的国际标准。
我国研究PLC技术起步较晚，但发展速度较快。早在2001年5月18日，中国信息产业部就己经正式批准了国电通信中心的ISP业务申请，国电通信中心就已经具备了开展上网业务的通行证。据最新报道，中国电力科学研究院已开发出了2 Mbit/s和14Mbit/s的电力线高速通信系统，并在沈阳建立了第一个宽带接入实验小区U，福建省电力试验研究院也研制成功了10 Mbit/s的电力调制解调器，并在北京善果胡同开辟宽带小区网进行试验191清华大学、华北电力大学等高校和科研单位也对此进行研究，有的完成了自己的样机并进行了小范围试验测试。
可以乐观地预见，低压电力线载波通信技术必将成为未来几年内新的研究热点，引起世界各国的广泛关注。其诱人之处在于它利用已有的低压电力网作为信息传输的信道，从而不必再进行新的通信网络的投资与建设。低压电力线载波通信的核心问题是载波信号的调制（Modulate）与解调（Demodulate），也即电力载波调制与解调芯片（Modem）。随着低压电力载波通信技术的发展，电力载波通信的速率、传送数据量、抗干扰能力都得到了很大的提高，为电力载波通信市场化奠定了物质基础。由于国内芯片制造业的现状，目前在国内应用的全是国外的Modem芯片。中国的电网特性、电网结构、居民住宅分布状况决定了电力线载波通信的应用领域等方面与国外有一些不同之处。因此，使电力线载波通信Modem芯片的瓶颈现象越来越突出，从而使国内电力载波通信市场难以迅速增长，应用中也延缓了用户对低压电力线载波通信技术的认同和接受。目前，已有相关公司正切入这一市场，积极与国外相关公司联系、合作，相信在未来的几年内，就能推出真正适应国内市场需求的电力线载波通信芯片，为载波通信打开一个光明的前景。
电力线载波通信篇(2):电力线载波通信(LMl893)集成电路
电力线载波通信(LMl893)集成电路
电力线载波通信技术可广泛应用于工业自动控制系统、电能管理系统、家用电器控制系统、防火报警系统及计算机终端接口等场合。它利用现成的电力线路来传送信息，无需另外架设通信线路，也不占用现有通信的频率资源。因此，特别适用于组建小型局域网络和实现大楼内的自动控制。一、LMl893的主要功能及特点 LM1893是美国NS公司生产的电力线载波通信集成电路。可完成串行数据的半双工通信，具有发送和接收数据的全部功能，与控制器及一些外围元件可构成完整的电力线载波通信系统。应用该芯片构成的系统比分立元件构成的系统具有灵敏度高、抗干扰的优点。LMl893具有下列主要特点：1．采用抗噪声的FSK调制；2．数据率高达4．8KB53．采用正弦波线路驱动以减小射频干扰；4．输出功率可提升l0倍；5．载波频率在50kHz——300kHz之间可选；6．与TTL、CM0S电平兼容；7．适合现有各种电力线路。二、LMl893的内部结构及主要技术参数LMl893的内部结构框图如图1所示。LM1893的主要技术参数如表所示：三、LMl893的应用 LMl893含有数据调制解调的全部功能．因此应用时外接元件较少，只要设计出控制单元及线路耦合变压器即可构成电力线载波通信系统。典型应用电路如图2所示。外接控制单元控制系统进行半双工通信及负责数据的发送和接收。多端通信可采用编码形式完成，从而可借助于电力线构成通信网络。
电力线载波通信篇(2):电力线载波通信(LMl893)集成电路
电力线载波通信篇(3):用于智能电网的新一代电力线载波通信(PLC)技术
关键字: 智能电网 电力线载波通信 PLC PRIME G3
本文介绍了传统电网向新型智能电网的转变，以及其中将面临的挑战。其中的一个主要挑战是，需要一个很好的通信网络来实时接收所有用户信息和控制其负载。解决这一问题的目前最被认可且最可靠的方案，是以电网为通信媒介的电力线载波通信(PLC)技术。本文介绍了PLC技术及其发展历程，并将传统的窄带单载波FSK调制方案与基于OFDM的PRIME和G3两种新方案进行了对比。
传统的电网正在发生变革。在过去的一个世纪，电网是一个用来将由一定数量的发电站发出的电能，传输到大量不同级别的用户的系统。设计和运行电网的标准，就是要将电能以一种有效的方式从数百个发电站传输到数百万的用户家中。这个系统储存电能的功能是很有限的，因此如何预测用户的用电量就变得至关重要。电网的控制是基于每日的预测来进行，而电能是由发电站通过传输网络输送到配电网络。大部分发电都需要由调节器来控制。
现在在某些国家，以及将来在更多的国家，绿色能源对于电网的贡献将越来越大。绿色能源在电网中所占的比率，由原来5%的水力发电，上升到了有40%是太阳能和风能发电。在大部分绿色电能中，调节器要进行的控制很少。此外，电动交通工具也加入了变革的队伍。电动交通工具的大规模推广，将使电网的用电量加倍，并大规模地带来了超大储电能力。用电量的上升、绿色电能的推广和不受控制的发电、电动交通工具的储电能力，被认为是电网的完美风暴。这个方案就被称为智能电网，它结合了嵌入式智能技术和实时通信与控制功能，能随时与任何用户进行实时通信并控制其负载。为实现这样的通信功能，就需要采用以电网作为主要通信媒介的电力线载波通信(PLC)技术。
PLC技术早在20多年前就被用于中压领域来控制电网，但在低压侧大规模使用PLC则是最近才开始。PLC技术的一个典型成功案例，是意大利ENEL电力局采用一个基于FSK和BPSK调制的窄带PLC系统，为3500万用户构建一个自动电表管理(AMM)系统。此系统可每2个月自动抄读一次3,500万台电表。但是它的平均波特率不够，无法支持更多的实时通信和控制，以及未来基于IPv6等通信协议的应用。
为进行更多的实时通信和控制，并支持未来基于IPv6等通信协议的应用，需要一种基于OFDM调制的新一代PLC技术。其中两种主要的OFDM方案，就是现在的G3和PRIME技术。G3是一个由法国EDF电力公司发起，Maxim和SAGEMCOM公司开发的方案。这个方案在2009年公布，EDF计划将在2013年试用2,000台采用G3技术的电表。
PRIME是一个由PRIME联盟推出的一个开放式多供应商解决方案，该联盟包含了30多个由电力局、表计厂家和ADD半导体、Fujitus、意法半导体和德州仪器等芯片供应商组成的成员。其中表厂包括SAGEMCOM、ITRON、LANDIS+GYR、ISKRA-MECO、ZIV和SOGECAM。IBERDROLA是第一家推广此方案的电力局，但现在EDP、CEZ MERENI和ITRI也加入这个阵营。
图1：PRIME联盟成立大会。
IBERDROLA在2010年开始安装10万台采用PRIME技术的电表。该电力局还计划在2010年年底发布一个需量为100万台电表的新标，并于未来3-5年在西班牙完成1,000万台电表的安装。其它一些电力局也开始采用PRIME技术。
G3和PRIME都是OFDM方案，但发展历史有所不同。G3最初是采用了一块由Maxim设计的芯片，此芯片可提供适用于PHY层和某些现有软件层的IEEE 802.15.4 2006通信、适用于MAC层的6LowPAN和适用于网络层的IPv6通信。
图2：在中国开发OFDM时的测量过程。
PRIME则是由一个电力局、行业厂家和大学研究所构成的联盟，合作开发一个新型OFDM电力线技术公开标准的产物。该联盟采用一个针对PHY层的系统性设计流程，从满足最基本要求开始，接下来就是从噪音等级、噪音节奏、信号减弱和阻抗模式等要素来对物理媒介进行定义。行业厂家则开发用于这些目的的新型自动化产品，并和电力局展开多次合作。这样就产生了一个包含噪音等级、噪音节奏、信号减弱和阻抗模式等要素的大型数据库，和用于电网的精确数据统计模式。
然后，他们通过模拟的方法，用这个模式来评估OFDM技术的头实现、带宽分配、子载波数量、子载波调制和误差纠正等多个参数构成的不同组合，并采用新设备在实地测试中来评估最好的方案。经过多次的重复和大量的实地测试，他们根据欧洲电网的情况和电力局的规格要求，选择出最佳的参数组合。此外，MAC和上端通信层也是由一个包含了芯片供应商、表厂和电力局的联盟开发出来的。
经过努力，他们开发出了PHY、MAC和集中通信层。PHY层在临近节点之间收发MPDU。它采用位于CENELEC A频段高频率的47.363kHz频率带宽，平均传输速率为70kbps，最大速率可达120kbps。在此条件下，网络中各个节点之间可直接通信的概率为92%。在其它时候，路由可以确保100%连接成功。
MAC层提供了系统接入、带宽分配、连接创建/维护和拓扑分辨等核心MAC功能。
服务专用型集中层(CL)可以对信息传输进行分类，将其和适合的MAC连接关联起来。它可测定可能包含在MAC SDU中的任何数据传输，也可具备有效负载头压缩功能。同时，采用多个子集中层来实现MAC SUD中的各种不同的数据传输。
在基本FSK或BPSK方案中，信息是以单个载波来传输的。传输的波特率取决于带宽的大小，而噪音和选择性减弱会限制通信。在OFDM方案中，信息是通过多个子载波来传输的。传输的波特率取决于带宽和DBPSK、DQPSK或D8PSK子载波调制的复杂性。通过采用多个子载波、编码和纠错，更好地消除了通信中的噪音和选择性减弱。
符号(symbol)的大小是由采样频率以及子载波的数量决定的。符号越大，越能可靠地抑制脉冲噪音。编码提高了稳定性，但也增加了复杂性和功耗。子载波越多，通信稳定性就越高，但并不意味着波特率也越高。
图3：完整的电力线载波通信(PLC)环境(不仅是AMR电表)。
G3技术采用36个子载波、0.735ms的排序符号(sort symbol)、6.79ms的前同步码和9.5ms的报头，需要重复法和RS纠错来提高通信鲁棒性。
PRIME采用了97个子载波、2.24ms的长符号、2ms的前同步码和4.48ms的报头。为避免重复法和RS纠错的复杂性，它采用了能效高3倍的符号来提高通信稳定性，这是一个能提高鲁棒性但成本更低的方案。
总之，传统电网在向需要更高级通信能力的智能电网发展，PLC技术是实现必需功能和稳定性的更便利的技术。PLC技术也在朝着OFDM方案变革，而G3和PRIME则是主要的2种方案。
