宽带电力线通信标准化Word文件下载.docx
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（二）电力线通信背景
电力线通信技术早在二十多年前就被用于电网控制、继电保护、远动信息传输中压领域来控制电网，但在低压侧大规模使用电力线通信技术则是2000年左右才开始。
电力线作为一种不用重新布线的基础设施，经过过去几十年的发展，如今不仅能够用于远程抄表、家居自动化等低速控制，还适合进行数据、互联网、音视频多媒体等高速信息传输。
近些年来，宽带电力线通信技术不断进步，传输的速率和稳定性不断提高，可以作为传输数据的另一种通信方式，极富诱惑力，也是充满了经济气息的一种技术。
另外，电力线通信技术组网简单、成本低、安全性高、易于实现受到越来越多的人的关注。
目前国家大力发展物联网等新兴产业技术，电力线通信技术作为其中的一种基础通信手段，必将随着这些新兴产业的发展而发展，这些也是我们研究电力线通信标准的一种动力。
目前，宽带电力线通信技术仍然没有得到大规模的使用，各种宽带电力线通信产品不能互联互通，急需宽带电力线通信标准规范该产业的发展。
二、电力线通信应用现状
（一）国外电力线通信应用现状
1、国外窄带电力线通信应用现状
利用电力线进行通信最早始于二十世纪初的欧美，当时的应用主要集中在110KV以上的高压远距离传输，工作频率为150kHz以下。
最早的载波频率系统（CFS,CarrierFrequencySystem）工作于高压输电网络，采用10W的信号发送功率，跨越了500KM的距离。
这类系统主要用于电力设施之间的内部通信以及远程测量和监控任务。
基于中压和低压配电网络的通信也已实现：
波动载波信令（RCS,RippleCarrierSystem）系统已经能够应用于中压和低压配电网络以实现配电网络的负荷管理。
虽然技术起源很早，但是由于北美和欧洲的标准不统一，同时由于其消费习惯、应用范围等的差异，并没有得到大规模的应用。
二十世纪九十年代以前，电力线通信系统采用的是FM（频率调制）、PSK（相移键控）等窄带通信技术，抗噪声干扰和多径干扰能力差，对电力线信道的适应性也差，实现可靠传输的主要措施是改善信道条件（使用阻波器）和提高信噪比（增大发送功率）。
同时由于窄带调制技术频带利用率极低，因此在有限的带宽内只能实现低速的数据传输，而且仅限于经过特殊改造的高压线路。
对于低压和中压配电线路，由于线路复杂、分支多，无法对线路进行诸如阻波等技术改造，因此即使是低速数据，也无法实现可靠的传输。
后来随着FSK、BPSK（二进制相移键控）等技术的应用，很大地解决了通信的可靠性问题。
窄带电力线通信技术被电力公司作为一种通信手段，已被广泛应用于中高压输电网（35kV以上）上，通过电力载波机利用较低的频率（9-490kHz）传输较低速率（300-600bit/s）的远动数据或话音。
在低压（220V）领域，电力线通信技术主要被用于远程抄表和家居自动化，其传输速率一般为1200bps或更低。
在传统窄带电力线通信方面，比较典型的是INTELLON的P300，STMicroelectronics的ST7536以及LM1839等芯片，这些芯片应用过程中暴露了诸多问题，通信速率不高，在实际应用过程中存在通信盲点。
近年来，国外一些大的半导体公司还陆续推出了一些基于OFDM调制的高速窄带芯片，如STMicroelectronics的ST7590、MAXIM的MAX2992，德国iAdDLC-2B等，主要窄带电力线通信产品及其性能指标如错误!
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所示。
表2-1国外窄带电力线通信产品一览表
产品代表
性能指标
Intellon（SSCP300）
采用了扩频（Chirp方式）调制解调技术、现代DSP技术、CSMA技术以及标准的CEBus协议，可以称为智能modem芯片。
最大速率10kbps，适合北美电网环境，北美占有率第一，国内使用性能一般。
STMicroelectronics（ST7538）
传统FSK调制，具有8个可编程线频率，最高速率4.8Kbps，纯物理层芯片，国内早期应用较多。
Yitran（IT800D）
技术支持不到位，芯片价格较高，国内用的不多。
ECHELON（PLT-22/PL3150）
双频线BPSK调制，中心频率C波段115/132kHz,A波段75/86kHz；
通信速率5400bps；
SoC芯片，Lonworks动态组网。
ADD（ADD1020）
根据PRIME工业标准，OFDM调制技术，包括物理层和MAC控制协议，集成微控制器，工作频段在42kHz-88kHz之间，数据速率20kbps-128kbps。
iAd（DLC-2B）
包括物理层和MAC控制层，也集成了微控制器。
OFDM调制技术，工作频段在10kHz～490kHz之间，数据速率9.6kbps-576kbps。
目前还是主要应用在工业控制。
STMicroelectronics（ST7590）
根据PRIME工业标准，OFDM调制技术，集成DSP物理层处理和模拟前端，最高速率128Kbps。
新产品，在西班牙IBERDROLAAMI项目中有大量的应用。
Maxim（Max2992）
OFDM调制技术，集成微控制器和可编程陷波，固件包支持IPv6，符合G3-PLC/IEEEP1901.2标准，传输速率高达300kbps。
新产品，价格贵，处于试点阶段，暂无大量应用。
2、国外宽带电力线通信应用现状
宽带电力线通信在国外应用有三大热点区域，分别是欧洲、美国和亚太地区。
1990年英国的诺维普通讯公司着手电力线通信技术的研究，在1997年与加拿大Nortel（北电网络）一起利用开发的电力线通信技术，实现了在低压配电网上进行1Mbps速率的数据传输，并进行了该技术的市场推广。
从1997年到2006年，在欧洲有不少的宽带电力线通信接入网试点和商业运行项目。
欧盟资助的OPERA（开放电力线通信欧洲研究联盟）项目，从2004-2007研究并制定了基于低压电力线宽带接入的OPERA技术规范。
由于技术、价格和其他原因，宽带电力线通信接入技术在应用上没有得到广泛的推广。
美国的Inari公司也是较早宣布在电力线上实现10Mbps传输速率的公司之一，并开发了其特有的Plugin协议。
2000年，CISICO、INTEL、HP、SHARP等13家公司宣布成立“家庭插电联盟”（HomePlugPowerlineAlliance，HPA），目标为构建电力线通信标准。
此后HPA发布了首个标准：
HomePlug1.0。
日本对电力线通信的态度，经历了从初期怀疑否定、到开放试验、直至今日的积极推动的三个阶段。
自2000年起，宽带电力线通信的应用更多的转向了家庭网络接入。
不少电力线通信联盟相继形成，比如HomePlug、UPA、HD-PLC，还有HomeGrid联盟,速率从14Mbps（HomePlug1.0），到85Mbps（HomePlugTurbo），达到后来的200Mbps、1Gbps。
这些联盟标准不能完全兼容，其设备之间无法互联互通。
为了解决宽带电力线通信领域研究标准混乱、各行其是的局面，IEEE于2005年成立了P1901工作组，旨在推动电力线宽带接入技术统一标准的制定工作，提出一个通用的宽带电力线通信MAC层与物理层标准。
2008年7月，全球首个电力线宽带通信标准规范的第一份草案IEEEP1901获得通过。
IEEEP1901工作组采纳了一个定义了物理层（PHY）和媒体访问控制层（MAC）等三个选项的提案。
IEEEP1901的正式标准已于2010年9月30日核准并于2010年12月1日公布。
国际电信联盟ITU于2010年颁布了家庭网络电力线通信标准ITU-TG.hn，包含物理层提案G.9960、数据链路层提案G.9961和共存协议G.9972，构成一套完整的技术体系。
ITU-TG.hn工作组于2006年组建，现有约40个成员，致力于制定采用家庭同轴电缆、电话线和电力线等有线媒体联网的统一标准。
目前国外市场的宽带电力线通信芯片，主要有高通公司的200Mbps和500Mbps的Homeplug芯片，美满公司的200Mbps芯片和1Gbps的G.hn标准芯片等等。
（二）国内电力线通信应用现状
1、国内窄带电力线通信应用现状
国内有很多公司在做窄带电力线通信技术研究，市场上应用比较广泛的是基于抄表类的低速电力线通信芯片。
国内的窄带电力线通信技术经历了以下三个阶段的发展，多采用FSK、PSK技术、直接序列扩频技术和线性调频Chirp技术等，最新的技术也采用了OFDM（正交频分复用）等先进技术。
第一阶段：
90年代中以前，低速率的窄带电力线通信技术（几百bps）在高压侧被电力公司使用进行用电负荷控制。
在低压侧国内部分科研单位和生产厂商进行了集中式抄表系统的组网方式、电力线通信技术的研究和试验工作。
这一阶段电力线通信系统质量较差，不能保证抄表系统的正常工作。
第二阶段：
从20世纪90年代到2001年，市场和技术创新相互推动了集中式抄表系统的发展，但这个阶段的电力线通信传输的可靠性仍是技术难点。
第三阶段：
自2003年开始，电力线通信物理层调制解调与纠错技术的不断发展以及半导体集成规模的不断扩大，使得电力线通信技术抗干扰能力得到很大提高，但仍然难以适应复杂多变的电力网络。
国内几家大的供应商开始以网络神经元芯片为核心的第三代电力线通信产品的开发。
第三代芯片从物理层、链路层、网络层等各个方面都有了突破性的提高。
最新有相关国内厂家已经使用OFDM技术。
国内窄带电力线通信技术主要如表2-2所示.
表2-2国内窄带电力线通信技术
中心频率
通信方式
频带宽度
（kHz）
波特率
（bps）
典型厂商
270kHz
BFSK+扩频
30
100-800
青岛东软
421kHz
40
50-1200
青岛鼎信
120kHz
BPSK+扩频
15
250-500
北京福星晓程
132kHz
BPSK
6
5.48k
深圳瑞斯康
76.8kHz
QPSK+扩频
32
200-1600
上海弥亚微电子
390kHz
OFDM
48
2k-10k
深圳力合微电子
2、国内宽带电力线通信应用现状
国外在电力线宽带通信技术方面的进展，引起了国家电网公司的高度重视和科研单位的密切关注。
国家电网公司多次立项，由中国电力科学研究院、国电通信中心等单位承担电力线宽带通信技术相关课题的研究工作。
由于我国低压配电网的网络结构、负荷特性、供电方式和国外有很大的不同，国外已有的理论研究成果和开发的系统不能完全适应我国的实际，我国科技工作者在中国低压配电网高频信号传播特性、电力线宽带通信机理、应用产品开发等方面进行了大量的研究工作。
中国电力科学研究院从1999年开始承担国家电力公司第一个高速电力线数据通信技术项目的研究工作，对电力线信道特性、电力线数据通信机理进行了系统的理论研究和大量测试，2000年研制出国内第一套传输速率为2Mbps的电力线通信产品，2001年在沈阳建立了国内第一个电力线通信宽带接入试验小区，实现了宽带上网、视频点播、数字化小区管理等功能；
2001年和2003年分别研制出传输速率为14Mbps和45Mbps的产品，2003年和沈阳供电公司合作在沈阳开通了国内第一个45Mbps全电力线接入的宽带小区。
福建电力试验研究院2001年研制出传输速率为14Mbps的产品，并在多个城市进行试验，深圳国电科技公司2004年利用西班牙DS2公司的芯片研制出200Mbps的电力线通信产品。
中国电力科学研究院和福建电力试验研究院在电力线通信的组网技术、信道优化技术以及应用技术等方面进行了许多研究工作，形成了多项具有知识产权的专利技术。
随着低压PLC技术的突破以及应用的深入，中压电力线通信也得到了相应的发展，2004年国家电网公司国电通信中心控股的北京意科通信技术有限公司研制出传输速率为45Mbps的中压宽带电力线通信系统，无中继传输距离达到1Km，传输速率达到37Mbps，并可通过加装中继实现远距离的传输。
国电通信中心还组织北京意科通信技术有限公司实施了利用中压电力线通信技术构筑配电网自动化系统通信平台的示范工程。
2001年国家电网公司国电通信中心开始实施低压配电网电力线宽带接入技术的实验及推广应用工作，成立了电力线通信领导小组，下设电力线通信技术推进办公室，确立了推动电力线宽带通信技术研究、试验及推广应用的策略、战略、思路和总体安排，引进了国内外多家企业的产品在北京进行实验。
在国家电网公司的统一安排下，国电通信中心组织研究开发单位、产品试验单位以及网络运营单位进行了大量的实验、电磁兼容特性测试、网络性能测试和工程探索，提出并实践了具有中国特色的电力线宽带通信技术应用模式，建立了世界上最大规模的电力线宽带接入试验运行网络。
仅2005年底，由国电通信中心组织、北京中电飞华有限公司实施的北京电力线宽带接入试验网覆盖了500多个居民小区，接入楼宇近4000栋，开通用户40000余户。
2010年，国家电网公司通过科技立项进行电力线宽带通信芯片的开发，其下属企业于2012年下半年推出了国内首款自主知识产权的宽带电力线通信芯片SG5000/SG3000，物理层采用了OFDM调制技术，最大物理层速率是10Mbps。
此成果在2012年11月通过了中国电机工程学会的鉴定，目前主要应用于用电信息采集、智能家居等领域。
近几年来，电力线通信市场发展很快，出货量逐年上升，中国电力线载波芯片市场规模预测如图2.1所示。
图2.1国内电力线通信芯片市场规模预测
从市场应用来看，以载波电表为主的窄带电力线通信产品占市场销量95%以上，如图2.2所示。
国内芯片设计公司在该领域取得了快速发展，在国内市场上同国外厂商的竞争中占据了绝对优势，由于市场竞争激烈，窄带电力线通信芯片和产品的平均价格下降较快，带动了其在其他行业的应用，如工业控制、智能家具控制等，同时应用规模的扩大反过来促进了窄带电力线产业的发展。
图2.2国内电力线通信芯片应用市场分析
宽带电力线通信主要用于音频、视频等数据量较大的高速应用，应用较多的产品有电力摄像机和电力猫，国外还有一些电力线音视频传输系统，主要应用于家庭内部（包括楼宇中的各个房间之间）联网传输，其特点是对传输距离要求不高，但需要支持多个用户、不同业务的Qos需求。
基础的物理层数据率一般超过200Mbps，占有近30Mhz的模拟带宽。
目前已有超过500Mbps的芯片进入市场，系统最高的工作频率为86Mhz。
（三）电力线通信应用现状总结
经过几十年的发展，电力线通信技术得到了飞速的发展，在国外无论是窄带电力线通信还是宽带电力线通信都已经形成了产业规模，技术及标准也越来越成熟。
在中国，窄带电力线通信发展也很快，技术也比较成熟，占据了国内绝大部分市场，但宽带电力线通信应用在中国发展较慢，产品均是基于国外的高速电力线芯片的方案，国内尚未有性能与之匹配的芯片可以替代。
从这方面也可以看出国内电力线技术与国外的差距，如果不奋起直追，这种差距会越来越大。
电力线通信由于其不用重布线的先天性优势，具有十分广阔的应用前景，随着技术的发展，电力线通信应用的范围会越来越广，其不仅可以作为传统通信方式的补充，还能同新兴产业相结合，在智慧园区、智能家居、物联网和可见光通信等行业都有很大的发展潜力。
目前国内宽带电力线通信应用还没有普及，一方面与技术还不成熟有关，一方面与我国电力线通信信道独有的特性有关，国外成熟的技术和产品不能完全照搬过来。
众所周知，电力线原本是用来传输电力的线路，供电网络不是专门为通信应用而设计的，所以电力线信道不是理想的通信介质。
电力线信道具有如下特点：
（1）阻抗匹配问题：
由于不断会有设备接入或拔出，低压电力线的输入阻抗和输出阻抗常会发生剧烈变化，因而如何进行合理的电路设计以使得输入、输出阻抗匹配是一个难题；
（2）噪声干扰问题：
电力线信道与其他通信信道相比除了有背景噪声干扰外，还存在以下几种噪声干扰：
窄带噪声、与工频同步周期性噪声、与工频异步周期性噪声、突发性噪声等；
（3）信号衰减大的问题：
电力线信道上存在一定的信号衰减。
衰减和距离和通信频率有关。
（4）工作在2-30MHz频段上的宽带电力线通信系统会由于电力线较差的屏蔽性而对现存的短波无线电服务可能产生电磁干扰。
在线路上电压高、电流大、噪声大、负载种类多，要在电力线上传输信号，就是对技术设备抗干扰性和稳定性提出的挑战。
电力线中的信道噪声是电力线通信发展的主要问题，如何解决这个问题成为电力线载波通信发展的问题关键。
由于我们低压配电网的结构、负荷特性、供电方式和国外有很大的不同，国外已有的产品需要根据我国配电线路的实际情况进行改进才能使用，这就大大影响了产品的性能，同时众多国外芯片不能兼容，这些都极大的影响到我国电力线通信产业的发展尤其是宽带电力线。
所有这些都迫切需要一个国内电力线标准组织来推动和规范国内电力线产业的发展。
三、宽带电力线通信技术现状
电力线信道传输环境非常恶劣，存在多种复杂噪声干扰、与其他业务频段信号的耦合、恶劣的频率选择性和快速时变性，这些都造成了对信号可靠传输的极大的阻碍，需要有效的技术来保证信号传输的高效鲁棒性。
随着通信技术的高速发展和电力线通信市场的兴起，国内外诸多科研机构都开展了宽带电力线通信技术的研究，包括正交频分复用（OFDM）技术、高效的编码调制技术、鲁棒灵活的帧结构设计、信号处理技术、频谱感知技术等。
（一）OFDM技术
宽带电力线通信信道信号随着频率增长距离衰减，具有很强的频率选择性，通常会采用OFDM技术来抵抗频率选择性衰落信道。
OFDM调制技术通过将信道分割为若干并行正交子信道进行传输，提高信号的抗衰落能力、提高频谱利用率，配合保护间隔能消除码间干扰。
G.hn采用最基本的CP-OFDM调制方式。
IEEEP1901不仅支持CP-OFDM，还支持基于小波的OFDM调制方式，即采用小波变换代替传统傅里叶变换来实现OFDM调制。
小波OFDM的旁瓣远小于传统采用傅里叶变换的OFDM，因此无需保护间隔就可以有效地抵抗窄带噪声，有着带外泄露低、频谱利用率高的优点。
我国提出了时域同步正交OFDM（TDS-OFDM）技术，并将其应用在电力线通信系统中。
与CP-OFDM中采用循环前缀作为保护间隔不同，TDS-OFDM技术将伪随机序列PN码作为保护间隔，不仅能够抵抗码间干扰，还能利用PN码实现快速信道估计和稳健同步跟踪，从而免去额外的信令开销，大幅度提高频谱利用率。
基于TDS-OFDM提出的DPN-TDS-OFDM利用两段PN序列实现信道估计，以牺牲少量频谱效率为代价，减少了干扰消除所需的复杂度。
之后，我国又提出了基于时频二维训练序列的OFDM调制技术，采用时域训练序列和频域训练序列进行时域和频域混合处理，从而获得高频谱效率、高信道估计精度，并降低实现复杂度。
（二）编码调制
数字通信系统中，编码调制是保证系统传输鲁棒性和传输速率的核心技术之一。
电力线通信系统传输条件非常恶劣，难以保证传输可靠性，因而需要在总体上构建高效鲁棒的编码调制技术以逼近信道容量，提高其对抗恶劣信道的能力。
调制技术决定了通信系统所能承载的传输速率的上限，在编码调制体制中具有至关重要的地位。
早期电力线通信系统通常采用OOK调制以实现简单低速的通信方式。
随着通信速率需求提升，如今的电力线通信系统通常采用均匀分布的高阶格雷正交幅度调制（Gray-QAM），以尽可能地提高传输速率。
然而，Gray-QAM的星座点均匀分布特性虽然使其能在高码率下具有优越的性能，但在通常情况下，采用成形（Shaping）技术使得调制后的信号更近似复高斯分布能够获得Shaping增益。
我国提出的基于非均匀成形技术的格雷映射的幅度相移键控星座图（Gray-APSK），具有类复高斯分布的圆对称结构以及幅相映射分离的巧妙映射规则，无论在独立还是迭代解映射下、AWGN还是衰落信道下性能都明显超越传统的Gray-QAM。
近来，我国还进一步将Gray-APSK作为优化基础，同时利用非等概成形和非均匀成形技术的优势效果，提出了高性能的类高斯高阶新型非等概APSK和非均匀APSK，从而进一步提高信道容量，获得更大的性能增益，提升系统传输速率的理论极限。
编码方面，现有的电力线通信标准及系统通常选用几种性能优异的纠错编码，如G.hn采用多码率多码长的准循环LDPC（QC-LDPC）码，G3-PLC采用里德-所罗门（RS）码结合卷积码，P1901采用Tubo卷积码。
我国提出了多码率多码长的QC-LDPC构造方法，可基于同一母码校验矩阵构建性能优良的嵌套LDPC码，提高了编码调制的灵活性和可扩展性，设计了并行化和流水线设计的LDPC码译码器结构以降低硬件实现复杂度，并采用迭代解映射方案提高编码调制系统的纠错性能。
此外，考虑到结合LDPC码和高阶调制的系统存在双重非均等差错保护特性，同等地对待所有传输比特会影响到解映射解码时的外信息传递，我国突破传统对传输比特一视同仁的思路，提出了比特映射技术，有针对性地改变LDPC变量节点到星座符号中不同位置比特的映射比例，利用双重非均等差错保护特性提高编码调制系统的纠错性能。
（三）帧结构
为了规避带外辐射对业余无线电、民用卫星等频段的电磁干扰影响，电力线通信系统需满足电磁兼容要求，此外，还要抵抗信道中恶劣窄带噪声对业务质量的影响。
因此，需要设计对窄带干扰鲁棒、电磁兼容
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