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        PLC技術(shù)組建寬帶接入網(wǎng)技術(shù)研究

        2010-08-15 00:49:27林斯
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2010年1期
        關(guān)鍵詞:住宅樓電力線電表

        林斯

        (杭州師范大學(xué)錢江學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè),浙江 杭州 310012)

        1 引言

        電力線載波通信(PLC)利用輸電線路作為信號的傳輸媒介,人們利用電力線可以傳輸電話、電報(bào)、遠(yuǎn)動(dòng)、數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)方保護(hù)信號等。由于電力線機(jī)械強(qiáng)度高,可靠性好,不需要線路的基礎(chǔ)建設(shè)投資和日常的維護(hù)費(fèi)用,因此PLC具有較高的經(jīng)濟(jì)性和可靠性,在電力系統(tǒng)的調(diào)度通信、生產(chǎn)指揮、行政業(yè)務(wù)通信以及各種信息傳輸方面發(fā)揮了重要作用。隨著電力部門逐步實(shí)現(xiàn)調(diào)度自動(dòng)化和管理現(xiàn)代化,PLC日益受到重視。而且隨著家庭自動(dòng)化和智能大樓概念的出現(xiàn),PLC能方便地為各種設(shè)備 (如警報(bào)系統(tǒng)的傳感器)提供通信鏈路。近年來低壓PLC作為最后一公里的一種解決方案也己經(jīng)取得成功,特別是在小區(qū)內(nèi)采用低壓網(wǎng)作為局域網(wǎng)的接入方案已經(jīng)投入使用。

        2 現(xiàn)有組網(wǎng)方案與協(xié)議

        電力線通信是使用低壓民用電線來傳輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的通信技術(shù),從目前的發(fā)展階段來看,電力線通信的技術(shù)涵蓋了以太網(wǎng)技術(shù)與電力技術(shù)及一些特殊的通信編碼調(diào)制技術(shù)。PLC在OSI的第二層以上符合標(biāo)準(zhǔn)的802.3以太網(wǎng)規(guī)范。以太網(wǎng)是以點(diǎn)對點(diǎn)方式傳輸802.3格式幀的網(wǎng)絡(luò),以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀均遵從工EEE發(fā)布的802.3標(biāo)準(zhǔn)。PLC則是以太網(wǎng)的一個(gè)分支,區(qū)別在于在物理層中介質(zhì)更換為電力線,并且在第二層上采用了基于CSMA/CA的廣播共享方式,在此規(guī)范下歐洲電力線聯(lián)盟HomePLUG 1.0的通信速率為14M bps。

        HomePLUG是歐洲電力線聯(lián)盟專為家庭電力環(huán)境下開發(fā)的通信標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,因此在辦公及居民家庭環(huán)境下使用HomePLUG的產(chǎn)品與技術(shù)沒有任何限制;為了解決在強(qiáng)電環(huán)境下對高頻數(shù)據(jù)通信的干擾,HomePLUG規(guī)范中引入了OFDM調(diào)制方式,并且在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中保證了與國際電磁兼容的適配,以避免電磁泄漏對通信及其他設(shè)備電器的影響。

        CSMA/CA:載波監(jiān)聽多路訪問/沖突防止,由于電力線通信技術(shù)基于民用家庭(辦公)電線,因此無法為每一個(gè)端站劃分獨(dú)立的物理信道,從而PLC只能基于共享方式。這樣沖突就不能避免,而電力線的拓?fù)洵h(huán)境比較隨意無序,因此傳統(tǒng)的沖突檢測難以進(jìn)行,因此引入了新的協(xié)議:CSMA/CA,該協(xié)議的目的不是為了檢測沖突,而是籍由劃分時(shí)間段的方法來避免沖突。

        OFDM:正交頻分復(fù)用,OFDM是在嚴(yán)重電磁干擾的通信環(huán)境下保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定完整傳輸?shù)募夹g(shù)措施,HpmePLUG 1.0的規(guī)范覆蓋4-21MHz的通信頻段,在這個(gè)頻段內(nèi)劃分了84個(gè)OFDM通信信道,。OFDM的原理是幾個(gè)通信信道按90度的相位作頻分,這樣的結(jié)果是當(dāng)某一個(gè)信道波形過零點(diǎn)時(shí)相鄰信道的波形恰好是幅值最大值,這樣就保證了信道間的波形不會(huì)因外來的干擾而交疊,串?dāng)_。

        3 利用PLC組網(wǎng)技術(shù)

        3.1 組網(wǎng)原理

        在樓宇接入的環(huán)境下使用時(shí),HomePLUG并不建議使用純電力環(huán)境來架設(shè)PLC網(wǎng)絡(luò)。相應(yīng)的解決方法是使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)介質(zhì)來連接大樓內(nèi)的多個(gè)PLC網(wǎng)絡(luò)。

        PLC利用1.6M到30M頻帶范圍傳輸信號。在發(fā)送時(shí),利用GMSK或OFDM調(diào)制技術(shù)將用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制,然后在電力線上進(jìn)行傳輸,在接收端,先經(jīng)過濾波器將調(diào)制信號濾出,再經(jīng)過解調(diào),就可得到原通信信號。目前可達(dá)到的通信速率依具體設(shè)備不同在4.5M-45M之間。PLC設(shè)備分局端和調(diào)制解調(diào)器,局端負(fù)責(zé)與內(nèi)部PLC調(diào)制解調(diào)器的通信和與外部網(wǎng)絡(luò)的連接。在通信時(shí),來自用戶的數(shù)據(jù)進(jìn)入調(diào)制解調(diào)器調(diào)制后,通過用戶的配電線路傳輸?shù)骄侄嗽O(shè)備,局端將信號解調(diào)出來,再轉(zhuǎn)到外部的Internet。

        國內(nèi)的低壓配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不同樓層、不同建筑時(shí)期的樓宇配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)都不相同,接入方案尚無法統(tǒng)一。PLC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈活,可根據(jù)用戶數(shù)的數(shù)量做出相應(yīng)的改變。根據(jù)配電網(wǎng)線路、樓宇結(jié)構(gòu)和用戶的特點(diǎn),住戶小區(qū)接入方案可分為高層住宅樓、低層住宅樓兩種典型情況考慮。

        (1)低層住宅組網(wǎng)

        樓宇結(jié)構(gòu)特點(diǎn):底層住宅樓每棟有5到6層,分為多個(gè)單元,每個(gè)單元有獨(dú)立的樓梯,每層2-4戶。樓中通常有60-80住戶,大一些的可達(dá)100戶。低壓配電網(wǎng)結(jié)構(gòu):一臺(tái)配電變壓器負(fù)責(zé)5-6棟樓,每單元有一條電力線從底層一直到達(dá)頂層,在每樓層有該層用戶的電表,一層有單元所有用戶的總電表。組網(wǎng)方案:采用FTTZ+PLC或光纖到變壓器++PLC的方案。以配電網(wǎng)物理網(wǎng)絡(luò)劃分為基礎(chǔ),一個(gè)單元放置一臺(tái)PLC局端設(shè)備,用戶共享電力線。用戶較少時(shí),可以擴(kuò)大共享范圍,幾個(gè)單元甚至幾棟樓實(shí)現(xiàn)共享。當(dāng)用戶增多時(shí),再根據(jù)用戶的分布,靈活劃分共享范圍。PLC Modem通過USB,RJ45等接口與用戶計(jì)算機(jī)相連,保證端到端2Mbps帶寬,多個(gè)PLC Modem可組成小型局域網(wǎng)。該方案針對用戶相對集中、上網(wǎng)需求較少的住宅樓。

        (2)高層住宅組網(wǎng)

        樓宇結(jié)構(gòu)特點(diǎn):新建的高層住宅樓高度為十幾到二十幾層,住戶密度大且集中,每棟樓內(nèi)大約有150到200戶。低壓配電網(wǎng)結(jié)構(gòu):樓內(nèi)地下室通常有獨(dú)立的配電間,一臺(tái)配電變壓器將lOKV電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?20V民用電壓。樓內(nèi)有多條電力線通向住戶,每條電力線為一層或相鄰幾層的住戶輸電。電力線三相負(fù)載基本平均,樓層的豎井有配電箱,箱內(nèi)有樓層總電表和各戶的分電表。組網(wǎng)方案:接入采用FTTB+PLC的方案,光纖到小區(qū),光纖到樓。樓內(nèi)采用PLC接入,以配電網(wǎng)物理網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ),將配.電網(wǎng)分為不同的用戶接入共享區(qū)域,根據(jù)實(shí)際情況確定接入方案。PLC局端設(shè)備放在地下室的配電間內(nèi),使用同一條電力線的一層或相鄰幾層用戶作為一共享區(qū)域,共用一臺(tái)PLC局端設(shè)備。若用戶較少,可將多個(gè)共享區(qū)域合并,連接到同一臺(tái)設(shè)備。如將用戶按三相線路劃分,使用A相線路的用戶共享A相電力線;甚至可以讓全樓的用戶共享同一條電力線。這樣可在保證用戶上網(wǎng)帶寬的同時(shí),使設(shè)備保持較高的利用率。用戶增多后,可方便的把共享區(qū)域分開,對原有用戶的使用不會(huì)產(chǎn)生影響。用戶端設(shè)備PLC Modem從電力線中分離出數(shù)據(jù)信號,通過USB,RJ45等接口與用戶計(jì)算機(jī)相連,保證端到端2Mbps帶寬。多個(gè)PLC Modem可組成小型局域網(wǎng)。該方案主要針對用戶居住集中、上網(wǎng)率高的小區(qū)高層住宅樓,可結(jié)合遠(yuǎn)程抄表、家政自動(dòng)化等應(yīng)用。

        3.2 設(shè)計(jì)方案

        3.2.1 多層住宅樓設(shè)計(jì)方案

        對于多層住宅樓,供電方式一般采用每單元三相四線制,再以單相方式通過電表平衡供電給每個(gè)用戶,單元內(nèi)每戶電表集中在1至2個(gè)電表箱內(nèi),安裝時(shí)分別給每個(gè)單元配備一臺(tái)FPC-10MB型電力橋集器,采用信號回路迂回至電表箱,分別在用戶電表后端利用LB-O1型電力線禍合器將信號禍合到供電線路,此方案信號加入后不受電表的強(qiáng)磁場干擾,信號分配均勻,受電源總負(fù)荷變化的影響力小,同時(shí)在每臺(tái)網(wǎng)橋前配備一臺(tái)IP路由器,進(jìn)行網(wǎng)段隔離,提高用戶使用網(wǎng)絡(luò)的安全性,最后數(shù)據(jù)網(wǎng)線匯總到交換設(shè)備連接外網(wǎng)。用戶終端采用FPM-lOM A型電力調(diào)制解調(diào)器,并提供一根USB數(shù)據(jù)線及一個(gè)USB接口和一個(gè)兩針Power Line接口。

        3.2.2 高層住宅樓設(shè)計(jì)方案

        對于高層住宅,供電方式一般采用總電源三相四線制,到每一層再分配單相供電,用戶供電回路有電度表,強(qiáng)磁場會(huì)對信號產(chǎn)生干擾,在每層用戶數(shù)量一定的情況下,采用每四層安裝一臺(tái)FPC-lOMB型電力橋集器,用信號線回路連接四層的配電箱,在用戶電表后端利用LBOl型電力線禍合器將信號禍合到用戶供電線路,同時(shí)在每臺(tái)網(wǎng)橋前配備一臺(tái)IP路由器,進(jìn)行網(wǎng)段隔離,提高用戶使用網(wǎng)絡(luò)的安全性。此方案信號加入后不受電表的強(qiáng)磁場干擾,信號分配均勻,受電源總負(fù)荷變化的影響力小,同時(shí)建議將主干線和交換設(shè)備放置在高層住宅樓的中間層,使數(shù)據(jù)線或信號線上下分配,最小程度的減少數(shù)據(jù)的傳輸路徑,最后數(shù)據(jù)網(wǎng)線匯總到交換設(shè)備連接外網(wǎng)。用戶終端采用FPM-lOM A型電力調(diào)制解調(diào)器,并提供一根USB數(shù)據(jù)線及一個(gè)USB1.1接口和一個(gè)兩針Power Line接口。

        [1]趙強(qiáng).電力線高速通信技術(shù)初探.電力系統(tǒng)通信.2003

        [2]李宏喬.寬帶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)原理.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

        [3]趙丙鎮(zhèn),王麗平.高速PLC技術(shù)應(yīng)用前景十分看好.中國電力報(bào).2001

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