第2章 电力线联网技术

清华大学出版社第2章电力线联网技术计算机实用新技术2020/2/232电力线通信电力线通信（PowerLineCommunication简称PLC）是利用电力线作为通信载体，加上一些PLC局端和终端调制解调器，将原有电力网变成电力线通信网络，将原来所有的电源插座变为信息插座的一种通信技术。2020/2/233电力线连网图2020/2/234PLC使用电力线通信技术，只要是在通电的地方就可实现连网，上网就像是使用家用电器一样轻松，把PLC终端电力调制解调器的一端插到电源插座上，一端接到电脑，不用拨号，就立即可享受高速网络接入，移动灵活，维护方便。是解决“最后一公里”网络瓶颈的最具竞争力的宽带通信技术！2020/2/2352.1电力线上网的特点范围广，结构灵活，不受环境限制。传输质量高、速度快、带宽稳定。服务费用低，室内安装快速简单。适用面广2020/2/2362.2电力线上网的原理电力线接入网络设备和传统网络设备的工作原理基本相似，都是信号发送/接收模式。但不同的是在信号传播方面，它的载波不再是传统的信号线路采用的纯正的正弦波，而是随着电力线路的电压、干扰噪音等因素出现类似方波的不规则变化，可以说是一种比较粗糙的传输。但借助于符合接入规范的软件，仍然可以消除这些影响，保证这种低成本网络的畅通。2020/2/237PLC电力线通信利用电力线作为通信载体，加上一些PLC局端和终端调制解调器，将原有电力网变成电力线通信网络，PLC局端设备负责与内部PLC终端设备的通信和与外部Internet网络的连接，PLC终端设备负责将来自用户的数据通过电力线路传输到局端设备，局端将信号解调出来接入外部的Internet。2020/2/238PLC电力线通信的技术涵盖了以太网技术与电力技术及一些特殊的通信编码调制技术。PLC在OSI的第二层以上符合标准的802.3以太网规范。以太网是以点对点方式传输802.3格式帧的网络，以太网数据帧均遵从IEEE发布的802.3标准。PLC则是以太网的一个分支，区别在于在物理层中介质更换为电力线，并且在第二层上采用了基于CSMA/CA的广播共享方式。从目前的发展阶段来看，电力线通信的数据传输速率在1Kbps~20Mbps之间，其使用的频带受电力线的特性和调制技术所限，通常在2~20MHz以内。2020/2/239OFDM（正交频分复用）OFDM是多载波数字调制技术，它将调制信号分成多路，对多个在频率上等间隔分布且相互正交的子载波进行调制，然后经频分复用组合在一起。由于调制信号被分成多路，每一路的数据率很低，因此OFDM抗干扰能力强。是在严重电磁干扰的通信环境下保证数据稳定完整传输的技术措施。2020/2/2310OFDM（正交频分复用）HpmePLUG1.0的规范覆盖4-21MHz的通信频段，在这个频段内划分了84个OFDM通信信道，OFDM的每个OFDM通信信道的载波信号频谱是相互重叠的，各通信信道按90度的相位作频分，这样的结果是当某一个信道波形过零点时相邻信道的波形恰好是幅值最大值，这样就保证了信道间的波形不会因外来的干扰而交叠，串扰。2020/2/2311OFDM（正交频分复用）2020/2/2312OFDMOFDM中子载波的数量通常可达几百甚至几千，因此需要几百甚至几千个具有不同频率、且同步工作的调制器，这在实际应用中是不可能做到的。根据数学上的严格证明，发现OFDM信号可用离散傅立叶变换实现，如下图：2020/2/2313CSMA/CA协议CSMA/CA协议的工作流程是：一个工作站希望在网络中传送数据，如果没有探测到网络中正在传送数据，则附加等待一段时间，再随机选择一个时间片继续探测，如果网络中仍旧没有活动的话，就将数据帧发送出去。接收端的工作站如果收到发送端送出的完整的数据帧，则返回一个ACK确认数据帧，如果这个ACK确认数据帧被接收端收到，则这个数据帧发送过程完成，如果发送端没有收到ACK确认数据帧，则或者发送的数据帧没有被完整地收到，或者ACK确认数据帧发送失败，不管是那种现象发生，数据帧都在发送端等待一段时间后被重传。2020/2/23142.3电力线连网方法2.3.1电力线上网设备1、电力线MODEM2020/2/23152电力线以太网网卡电力线以太网网卡电力线10/100Mbps以太网网卡有多种接口，数据传输速率为2.5~12Mbps；单个变压器内最大连接节点数为25；最大传输距离100m。电力线以太网网卡兼容家用插座1.0.1标准，通过56位数据加密实现安全保护，支持数据率最高达到14Mbps。2020/2/23163局端电力网桥产品局域电力网桥产品:以太网-电力线网桥主要应用于以太网设备与电力线宽带网(PLBN)设备之间的协议转换。网桥的一端接入以太网设备，如:交换机、HUB、网络打印机、网络磁盘驱动器及使用以太网卡(NLC)的PC机，另一端则通过电力线与电力线宽带网连接。该网桥属于即插即用设备，不需任何配置。目前单台设备带宽为2.5~12Mbps。2020/2/23174电力线无线路由器电力线无线路由器：电力线无线路由器与电力线无线接入点可以使用已存在电源线在您的家或小办公室内组建无线网络连接多个无线工作站，并且节省了网络线缆的费用。在14Mbps电源线传输使用56位DES加密或125Mbps无线传输时使用WPA技术可以实现文件共享，因特网连接或共享其它的网络资源。2020/2/23182.3.2电力线上网方法电力线空载时，点对点PLC信号可传输到几公里。但当电力线上负荷很重时，只能传输一二百米。目前来讲，PLC还不适合长距离的数据传输，但如果只在楼宇内应用，解决“最后一百米”的入户问题还是很适合的。2020/2/23192.3.2电力线上网方法当楼宇内以电力线作为传输媒体接入互联网时，只需在楼里配备一台PLC局端设备（电力网桥）进行信号覆盖，通过将传统的以太网信号转化成在220V的民用电力线上传输的高频信号，采用耦合器将信号耦合到三相四线电线中，实现信号加载和传输。此时传统意义上的电力线就成了用户上网的传输媒体。2020/2/2320电力线接入网络的方式电力线接入有两种流行的接入方式，一是直接通过USB接口适配器和电力线以及PC连接；二是通过电力线→电力线以太网适配器→Cable/DSL路由器→Cable/DSLModem/PC（若适配器发展到和现在的ADSLModem一样有路由功能的话还可以省去一个环节）的方式，后者对于设备和资源的共享（例如未进行传统网络布线的不同房间内的打印机共享）有比较大的优势。2020/2/2321电力线接入网络的方式要以电力线接入方式入网，必须有以下几个条件：一是USB/以太网（RJ45）接口的电力线网络适配器；二是具有以上接口的电脑；三是家中用于进行网络接入的电力线路不能有过载保护功能（会过滤掉网络信号）；四是最好有个路由设备以方便共享。剩下的接入和配置与小区LAN、DSL接入类似，不同的是连接的网线插座变成了普通的电器插座而已。2020/2/2322案例1直接使用多款电力Modem2020/2/2323案例使用电力网桥或电力线交换机2020/2/23242.4连网方法比较2.4.1PLC的缺点1接入设备数量：一般的电力线LAN只能接入16台设备。2专门的接入插座：电力线网络适配器需要有自己的插座。3线路干扰：对于我国此问题最严重。2020/2/23252.4.2PLC的优点1成本低：不用额外布线。2范围广：电力线覆盖范围最广，其他网络无法比拟。3高速率：依具设备不同为14-45M。4永远在线：即插即用，不需拨号。5移动方便：只要在房间的任何电源插座上，就可立即上网。2020/2/23262.4.2PLC与其他接入方式的比较2020/2/23272.5应用状况早在2001年，电力线上网就被提出，据了解，2003年9月至2004年3月半年之内，仅北京地区，新增电力线上网用户就达5000。大多数选择PLC的用户看中PLC的“价钱划算”。较之ADSL的包月120元、长城宽带的包月150元，以及各种时段卡，半年400元无疑具有价格优势；就是与ADSL套餐相比，PLC现行的400元包半年的资费策略，相当于每月66元，每天才2.2元。2020/2/2328应用状况PLC上网需要增加的设备有两种：PLC的局端设备以及PLC调制解调器。其中，PLC调制解调器放置在用户家中，局端设备一般放置在楼宇的配电室内。随着上游芯片厂商在14M产品技术上相对成熟，目前PLC设备的整体投入在不断下降，当前14M的PLCModem产品，其成本价已经降低到与ADSLMODEM相仿的水平，而局端设备则便宜很多。一般一个局端拖带PLC调制解调器的规模为20～30台，因此，随着用户的增长，局端设备可以随时进行动态增加，而且不必在设备采购初期投入巨大的资金。2020/2/2329应用状况目前的PLC究竟能达到多大的网速呢？一般不同厂家生产的PLC设备能达到的速度有所不同，瑞士ASCOM公司生产的PLC产品能达到的最大速率为4.5Mbps，韩国XeLine和华旗资讯、福建电科院的产品最大速率为14Mbps，而西班牙DS2的产品能达到45Mbps。“当前在中国经过相关部门测试的PLC芯片生产商主要有西班牙的DS2、瑞士的ASCOM、美国的Leapcom、韩国的XeLine等公司。”从技术上看，14M带宽的PLC产品已经非常成熟，技术门槛比较低。当前国际上主流高速PLC芯片及产品如表2-2所示。2020/2/2330国际上主流高速PLC芯片及产品芯片速率相关产品应用范围备注Intellon14Mbit/s85Mbit/s众多厂商生产有电力线以太网桥、电力线路由器及与无线、ADSL相结合的产品家庭网络高速接入DS245Mbit/s200Mbit/s国内外多厂商生产有用于家庭网络及中低压高速接入全系列产品、VoIP用户端家庭网络高速接入最早推出200Mbit/s芯片的厂商Xeline24Mbit/s有用于家庭网络及中低压高速接入产品家庭网络高速接入即将推出更高速率的芯片ITRAN2.5Mbit/s有产品用于商业化网络运行家庭网络高速接入SPiDCOM224Mbit/s样机家庭网络高速接入2020/2/2331欧美主要的电力线高速接入试验网络公司名称业务范围用户数备注ElectricitéDeFrance提供接入服务1500/覆盖35000使用中低压高速PLC,正在测试VoIPEEF(Switzerland)提供接入服务2000用户反映良好EndesaNetFactory(Spain)提供接入服务2000/覆盖2000085%用户签约使用VoIPENEL(Italy)提供接入服务2400/覆盖75000无电磁干扰反映Iberdrola(Spain)提供接入服务覆盖150000正在测试VoIPDrewag(Germany)提供接入服务700/覆盖15000提供768kbit/s速率2020/2/2332欧洲电力线上网未来发展趋势