馮少力 劉飛飛 王道遠(yuǎn) 洪海敏

摘要：電力體系通信互聯(lián)網(wǎng)是電力體系的重要組成部分，跨越生產(chǎn)、輸電、輸配電、用電、編程等所有渠道。經(jīng)過長(zhǎng)期的發(fā)展，我國已經(jīng)形成了微波通信、載流沿電場(chǎng)線通信等多種方式并存的電力體系通信互聯(lián)網(wǎng)模式。比如：載波線用作傳輸信息的手段，電場(chǎng)線充電后經(jīng)高頻調(diào)制語音載波信息載體或一種通信和數(shù)據(jù)傳輸方式也特指電氣體系的通信手段，其主要特點(diǎn)是無需重新布線，可以將現(xiàn)有的電源線用于數(shù)據(jù)傳輸，因此被廣泛應(yīng)用于電氣體系中。此外，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，市電通信也可以應(yīng)用于智能路燈、智能家居、智能樓宇和工業(yè)控制等領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：載波通信技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)嵌入式體系應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?? 文章編號(hào)：1672-3791（2021）01（b）-0000-00

Application of Carrier Communication Technology in Internet of Things Industry

FENG Shaoli?? LIU Feifei?? WANG Daoyuan?? HONG Haimin

（Shenzhen State Grid Technology Communication Co.， Ltd.， Shenzhen， Guangdong Province， 518109 China）

Abstract： Power system communication internet is an important part of power system， which spans all channels such as production， transmission， transmission and distribution， power consumption， programming and so on. After long-term development， China has formed the power system communication Internet mode of microwave communication， current-carrying communication along the electric field line and so on. For example， the carrier line is used as a means of transmitting information. After charging， the electric field line is a high-frequency modulated voice carrier information carrier or a communication and data transmission mode， which also refers to the communication means of the electrical system. Its main feature is that the existing power line can be used for data transmission without rewiring. Therefore， it is widely used in the electrical system. In addition， with the development of Internet of things technology， municipal power communication can also be applied to smart street lamps， smart homes， smart buildings， industrial control and other fields.

Key Words： Carrier communication technology; Internet of things industry; Embedded system; Application

輸電通信技術(shù)在智能電網(wǎng)集電領(lǐng)域的應(yīng)用，有力地推動(dòng)了輸電通信行業(yè)的發(fā)展。電場(chǎng)線寬帶通信不僅可以應(yīng)用于智能電網(wǎng)的集電領(lǐng)域，還可以應(yīng)用于智慧城市、智能家居和工業(yè)控制領(lǐng)域。當(dāng)前，隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)的范圍已經(jīng)成為電力通信的重要范圍，而泛電的物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)有望成為電力通信的又一個(gè)爆發(fā)點(diǎn)。該文結(jié)合家庭互聯(lián)網(wǎng)的通信需求及電場(chǎng)線載波技術(shù)的前景，探討通過電場(chǎng)線PLC在家庭互聯(lián)網(wǎng)中的具體實(shí)現(xiàn)方法，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用特點(diǎn)和信道特性，研究編解碼技術(shù)和自組網(wǎng)技術(shù)搭建一套適用于物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的PLC。

1概述

1.1載波通信技術(shù)

電載流通信技術(shù)是一種特殊的通信手段，它利用電場(chǎng)線傳輸語音或數(shù)據(jù)信息作為信息的傳遞手段，可分別應(yīng)用于高壓電場(chǎng)線（通常為35 kV及以上）。中壓線路（10 kV）和低壓線路（380 V/220 V）。它將二次裝置的模擬或數(shù)字信息載體與高頻信息載體結(jié)合，通過耦合在電場(chǎng)線上實(shí)現(xiàn)中距離傳輸。沿著這條線路，通過與中繼節(jié)點(diǎn)通信的通信載波通信的遠(yuǎn)端終端互聯(lián)網(wǎng)的電力傳輸，有效地減少了由于非常強(qiáng)的衰減波長(zhǎng)、支撐結(jié)構(gòu)和線路而導(dǎo)致的信息數(shù)據(jù)丟失，能夠同時(shí)傳輸載波信息載體。作為載運(yùn)工人的時(shí)間，其具有經(jīng)濟(jì)、方便、安全的特點(diǎn)，且在節(jié)省特殊介質(zhì)上已被廣泛采用。電載體的交流是暫時(shí)的，隨意的。在電網(wǎng)中，低壓燃?xì)廨旊娋€路直接面向用戶，用戶在使用過程中，接入變性負(fù)荷的類型和大小以及隨機(jī)性，很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，另一方面，配電網(wǎng)的低壓電場(chǎng)，通常比較復(fù)雜：它們往往是幾個(gè)自然不可抗拒的因素，這就使得在進(jìn)行低壓電力傳輸通信時(shí)必須解決一些退化和可變性因素，這些因素對(duì)電力傳輸產(chǎn)生了一定的影響尤其是低壓輸電通信技術(shù)的發(fā)展[1]。

1.2物聯(lián)網(wǎng)概述

根據(jù)定義，物聯(lián)網(wǎng)意味著連接對(duì)象和對(duì)象的互聯(lián)網(wǎng)。它的配置能力，以及它的全球互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，構(gòu)成了未來互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程的重要組成部分。物聯(lián)網(wǎng)基于協(xié)議，允許通過一系列信息檢測(cè)裝置（例如RFID、紅外傳感器和全球定位體系）交換和管理互聯(lián)網(wǎng)上和對(duì)象上的信息。由于采用了智能界面，可以與信息特征互聯(lián)網(wǎng)無縫集成，例如：“物質(zhì)”一詞的識(shí)別、有利的物理特性和特殊的獨(dú)特標(biāo)志。物聯(lián)網(wǎng)概念的出現(xiàn)必須主要?dú)w因于物流體系現(xiàn)代化的需要，現(xiàn)代物流體系希望利用射頻識(shí)別、傳感器等信息生成裝置，以及與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的全球定位體系等其他裝置，形成海量互聯(lián)網(wǎng)。類似于條碼，自動(dòng)識(shí)別技術(shù)（Auto-ID）是物聯(lián)網(wǎng)最早的應(yīng)用。對(duì)于如此龐大而復(fù)雜的互聯(lián)網(wǎng)體系，需要一個(gè)可靠、有效、靈活、舒適的管理體系，作為其正確運(yùn)行的有力保障。首先，它是各種感知技術(shù)的廣泛應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)中使用了大量的各種類型的傳感器，每一個(gè)傳感器都是一個(gè)聲音的來源，不同類別的傳感器具有不同的內(nèi)容和信息格式。其次，它是一個(gè)基于互聯(lián)網(wǎng)的泛在互聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)和重要核心再次是互聯(lián)網(wǎng)，來自物體的信息通過與互聯(lián)網(wǎng)融合的各種有線和無線互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確傳輸。最后，物聯(lián)網(wǎng)不僅提供傳感器連接，還具有自身的智能處理和智能對(duì)象控制能力。物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合傳感器和智能處理，通過使用云計(jì)算和模式識(shí)別等各種智能技術(shù)擴(kuò)大其范圍[2]。

2電力載波構(gòu)成的智能家居互聯(lián)網(wǎng)

電氣載體是電氣體系通信的一種特殊方式。包含信息的高頻信息載體通過電力傳輸模塊加載到電場(chǎng)線上，實(shí)現(xiàn)跨電場(chǎng)線的數(shù)據(jù)傳輸，然后將高頻信息載體從電場(chǎng)線上分離，并通過電力模塊將信息載體傳輸?shù)浇K端裝置。智能家居體系中的主體、信息終端、家用裝置均內(nèi)置載波模塊接口，直接利用電場(chǎng)線組成內(nèi)部互聯(lián)網(wǎng)。因此，電場(chǎng)線不僅是一種能源，也是一種信息和通信手段，也是帶電通信優(yōu)勢(shì)的體現(xiàn)，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]。

3技術(shù)設(shè)計(jì)

3.1電力線載波通信自動(dòng)組網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)

“邏輯拓?fù)洹钡臉?gòu)建時(shí)間是影子算法最重要的因素。一旦確定了信號(hào)的產(chǎn)生方式，或者信號(hào)物理層的通信速率確定了，那么構(gòu)建就由建立“邏輯拓?fù)洹彼璧奶结様?shù)量決定，且輪詢次數(shù)與節(jié)點(diǎn)總數(shù)、網(wǎng)絡(luò)層數(shù)和中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)有很大關(guān)系，同時(shí)受中繼的子節(jié)點(diǎn)位置的影響。總體來說，節(jié)點(diǎn)總數(shù)、網(wǎng)絡(luò)層數(shù)和中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)越多，建立“串行拓?fù)洹彼璧臅r(shí)間就越長(zhǎng)，但是在節(jié)點(diǎn)總數(shù)、網(wǎng)絡(luò)層數(shù)、中繼節(jié)點(diǎn)總數(shù)相同的情況下，需要中繼的子節(jié)點(diǎn)所處的位置不同，建立“邏輯拓?fù)洹彼璧臅r(shí)間也會(huì)不同。

選擇邏輯拓?fù)浜螅幚磉壿嬐負(fù)渲械乃袃?nèi)容：需要定義的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)、形狀、網(wǎng)絡(luò)層等，這使得運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)每時(shí)每刻都能自動(dòng)通過電網(wǎng)進(jìn)行通信，以達(dá)到準(zhǔn)確度和精確度的目標(biāo).增加邏輯拓?fù)涞暮侠硇?，這使得數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的邏輯拓?fù)浜托藕徽{(diào)用的質(zhì)量提高了，需要通信運(yùn)營(yíng)商通過電力網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)進(jìn)行高效的組網(wǎng)方法。因此，對(duì)邏輯拓?fù)溥M(jìn)行良好的識(shí)別是提高自動(dòng)化電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的關(guān)鍵，對(duì)提高電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量具有重要影響。

3.2電力線載波通信自動(dòng)組網(wǎng)的算法分析

假設(shè)一個(gè)通信系統(tǒng)總共包含一個(gè)主站（下面用A表示）和n個(gè)從站（下面用B表示）。假設(shè)數(shù)據(jù)不沖突，因?yàn)锳發(fā)送給B。在這種情況下，數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間可以認(rèn)為是T。在時(shí)間T，邏輯站可以設(shè)置為1，假設(shè)發(fā)送數(shù)據(jù)失敗的次數(shù)小于允許值。反之，下一次需要分層邏輯地址分配。簡(jiǎn)而言之，當(dāng)且僅當(dāng)邏輯站為 1 時(shí)，才認(rèn)為分層已完成。相反，分層必須繼續(xù)。假設(shè)在一個(gè)通信系統(tǒng)中，p 個(gè)通信路徑是共享的。那么基于初始化層算法的通信優(yōu)化方法如下：（1）當(dāng)信道不變時(shí)，可以先優(yōu)化邏輯層路徑。在邏輯站路徑較多的情況下，建議分別分析每條路徑的信噪比。如果路徑數(shù)量少，可以同時(shí)分析;（2）優(yōu)化其余邏輯層，記錄信噪比。如果信噪比較大，則不會(huì)記錄;（3）按照上面的步驟，對(duì)從1到p的每條路徑一一優(yōu)化。

3.3 OFDM體系模型

OFDM技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于數(shù)字音頻廣播（DAB）、數(shù)字視頻廣播（DVB）、ADSL和無線局域網(wǎng)（IEEE802.11a）等領(lǐng)域。另外，在高壓電場(chǎng)線傳輸器的情況下，視頻和數(shù)據(jù)又通過OFDM調(diào)制方式承載傳輸信息載體，具有傳輸速度高、抗多重干擾能力強(qiáng)、頻譜利用率高的特點(diǎn)。和低載波頻率。串行輸入的數(shù)據(jù)首先被轉(zhuǎn)換成x位串的并行數(shù)據(jù)，每一位在與信息載體映射后成為復(fù)數(shù)x（n）。復(fù)數(shù)在基本操作的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)制，然后進(jìn)行和/或轉(zhuǎn)換為系列。符號(hào)表示保護(hù)距離CP（或安全前綴），以避免因多重失真造成的碼間干擾。分散符號(hào)被轉(zhuǎn)換為模擬D/A信息載體，隨后在低通濾波器上進(jìn)行濾波，然后將其發(fā)送到具有可變頻率的通信信道。接收端完成反向轉(zhuǎn)發(fā)過程。

將OFDM調(diào)制技術(shù)應(yīng)用于電流范圍內(nèi)的通信的一個(gè)直接優(yōu)勢(shì)在于，接收部分不必使用單矢量體系的均衡機(jī)制。事實(shí)上，高壓電通道的非線性特性使得在非常寬的頻帶內(nèi)進(jìn)行平衡變得困難且昂貴，OFDM技術(shù)能夠克服信道的非線性，降低體系的復(fù)雜度，OFDM體系可以將頻率選擇性下降引起的突發(fā)錯(cuò)誤碼歸因于不相關(guān)的次信道，從而成為隨機(jī)錯(cuò)誤，使用前糾錯(cuò)可以有效恢復(fù)信息，OFDM體系還具有抗多重干擾、頻譜利用率高、高速數(shù)據(jù)傳輸速率可調(diào)、抗脈沖經(jīng)濟(jì)、信道相關(guān)可調(diào)副載波調(diào)制等優(yōu)點(diǎn)。COFDM采用信道編寫代碼技術(shù)，進(jìn)一步提高了數(shù)字體系的抗噪能力，這種調(diào)制技術(shù)最適合頻帶受限傳輸信道的高壓載波通信。

3.4信道編碼

可靠的數(shù)字通信體系必須具有錯(cuò)誤的低加密率。在波段通信中，增加發(fā)射功率和提高通信信道的信噪比可以提高通信性能，但可以用適當(dāng)?shù)牟铄e(cuò)控制技術(shù)代替。對(duì)于波段通信，由于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化、無線干擾、電磁輻射和頻率選擇性降級(jí)，機(jī)器實(shí)際接收到的波形與期望的波形不同。如果不采用差錯(cuò)控制技術(shù)，當(dāng)差值超過一定限度時(shí)，載波就無法恢復(fù)原始信息載體，導(dǎo)致大量差錯(cuò)，無法傳輸通信。在高壓電場(chǎng)線上的OFDM通信中，我們選擇的錯(cuò)誤控制體系是先驗(yàn)糾錯(cuò)。體系特定信道的編寫代碼方式為鏈?zhǔn)酱a，即外碼RS（Reed2Solomon），內(nèi)碼為TCM（Trelliscodecode）由網(wǎng)格碼調(diào)制而成。內(nèi)碼糾正隨機(jī)錯(cuò)誤，而外碼糾正由內(nèi)部通道或代碼引起的突發(fā)錯(cuò)誤。為了與Matlab模擬和編寫代碼進(jìn)行比較，選擇了一個(gè)合適的參數(shù)來進(jìn)行高壓電通道的編寫代碼。

TCM碼采用編寫代碼和調(diào)制相結(jié)合的方式，在不增加頻率帶寬的情況下，允許編寫代碼增加36 dB，非常適合窄頻帶的體系。主要思想是使用編寫代碼方法來優(yōu)化信息載體空間的分布，以獲得調(diào)制信息載體的空間向量之間的最大位移距離。同時(shí)，采用了足夠的信息載體向量來保證信息傳輸?shù)乃俣?。在TCM編寫代碼階段完成了OFCM體系中信息載體的映射過程[4-7]。

4結(jié)語

由于智能家居體系不斷融入人們的生活，高效設(shè)計(jì)內(nèi)部互聯(lián)網(wǎng)已成為當(dāng)務(wù)之急。由于家庭擁有大量電場(chǎng)線，使用傳輸電場(chǎng)線進(jìn)行負(fù)載通信使得構(gòu)建許可且廉價(jià)的智能家居體系內(nèi)部互聯(lián)網(wǎng)成為可能。不僅可以消除弱線程，而且在后期更容易進(jìn)行維護(hù)和開發(fā)。文章從硬件和軟件兩個(gè)方面介紹了載波通信模塊的設(shè)計(jì)和控制。在每個(gè)裝置中集成電載流通信模塊，利用電場(chǎng)線作為內(nèi)部互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行通信、裝置控制和裝置之間的信息共享。

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