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【摘 要】利用低压电力线通信组成家庭网络不仅可以充分利用资源，而且加速了家庭网络的发展。本文首先对低压电力线通信设备及协议做了简单介绍，分析了两大阻碍问题，并相应给出了一定的解决思路；最后提出了它在家庭网络中的应用和展望。
【关键词】低压电力线通信 家庭网络 协议 衰减 噪声
1引言
在家居中，现已普遍存在基础设施有电力线、电话线、电视电缆等，其中以电力线为首，最为普遍。众所周知，电力网络是一种非常广泛的基础设施，几乎在每一个建筑中都铺设有电源线，并且留有许多备用插头，所以利用电力线进行数据通信，可以节省不少的投资。也正是这个原因，电力线通信受到越来越多的关注。
电力线通信是将电力网应用于通信需求，在电力线中传输各类信息。电力线按照电压等级可分为高压线、中压线和低压线，因此电力线通信也分为高压电力线通信、中压电力线通信、低压电力线通信。过去，电力线通信主要是用于电力公司生产的调度和安全需要，以保证可靠供电，这主要是在高压线和中压线上实现。近年来，随着数字信号处理、纠错编码、电子硬件和Internet的飞速发展，这些技术对于低压电力线通信有着很大的帮助，所以通过低压线进行数据通信也得到了研究和发展。本文主要针对低压电力线通信进行说明。
2数字设备
现在在欧美国家，这方面的发展已经取得了一定的成绩，研制出了各种利用低压电力线实现通信的数字设备。基于它们所使用带宽的不同，这些数字设备可分为两类：低带宽数字设备和高带宽数字设备。
2．1低带宽数字设备
这些设备使用的载波频率在0~500kHz范围内，主要用于家庭自动化。不同的家庭通过电线通信组合成智能住宅小区。一个智能住宅有各种传感器和传动器，供暖器、空调、照明设备等可以通过它们实现远方监控。所谓“智能”应该实现的功能如下：家居运行的信息采集、家用电器启停管理、防盗和火警等安全管理、社区服务等。这些低带宽数字设备根据不同的需要和功能使用不同的协议，不同的协议侧重点不同，表现在调制技术、信道访问机制和所用频带方面。重要的协议有X—10、LonWorks、CEBus。下面就对它们做简单介绍。
（1）X—10
此协议是最老的电力线通信协议，是美国家用电器自动化的先驱。它是一种通过电源线路传递信号，为住宅用户提供简单廉价的照明、电器和安全控制的公认标准。X—10总线是单工工作方式，从控制模块到被控模块，但它也允许双向通信，最近出现了双向产品。协议中，使用的调制技术是振幅移位键控（ASK），信息被编码为高频脉冲信号，然后在交流电过0点处时，把120kHz的振幅调制载波、0.5W的信号叠加在交流电力线上，这样能使噪音干扰最小化。为了保证每一位信息的高可靠性，限制数据传输速率为60bps。这无疑浪费了带宽资源，但在恶劣的噪音环境下，要取得高可靠性，只能取一个折衷。这也正是此技术没有得到广泛应用的主要原因。
（2）CEBus
CEBus是用户电子总线的意思，使用对等通信模型（即点对点），为了防止冲突，它采用带有冲突解决和冲突检测的载波监听多路访问（CSMA/CR-CD）。由美国电子工业协会（EIA）制定。在CEBus通信协议中，电力线物理层是以Intellon公司的专利扩频技术为基础，它不象传统的扩频技术（跳频、跳时和直序），当传输CEBus电力线载波信号时，信号能够顺利通过频率范围。一个单独的扫描覆盖频带100~400kHz，这个频率扫描叫做线性调频。线性调频用于同步、冲突解决和数据传输。利用这项技术，数据速率可达到10kHz。
（3）LonWorks
LonWorks是Echelon公司研制的一项技术，它和CEBus不一样，采用的是窄带扩频调制技术，频带范围是从125~140kHz。提供的是利用载波监听多路访问技术（CSMA）的对等通信协议。
2．2高带宽数字设备
随着Internet空前无比的快速发展，加速了对数字通信的需要，而且通过低压电力线实现高速数据通信也提上了日程。为了提高数据速率，需要更宽的频带，在这种情况下，出现了高带数字设备来满足市场要求。这些设备不但能通过建筑内部的电力线和不同数字设备相连组成LAN，而且还可以充当电力线LAN网和其它基础设施（电话线和电视电缆）之间的网关[5]。能够实现高速浏览Internet网络、多媒体、远方控制、安全、娱乐以及IP电话业务等。
高带宽数字设备采用的带宽范围为1~30MHz。因为广播、业余无线电、民用波段等频率也占用这个频谱的一部分，因此高带宽数字设备必须具有能够屏蔽一定频带的能力，以满足和其它应用的兼容性。
3 问题
但是，电力网络的设计主要是为了满足电源供电，用于50Hz的电力传输，而不是为通信专门设计的。低压线连接着变压器和多个个人用户，距离很短，并且有各种各样的电器。这些对高频信号传输非常不利。下面对在低压电力线上传输高频信号的两个不利因素和相关措施加以简单说明。
3．1多径干扰
由于多径效应造成的频率选择性衰落会引起码间干扰，产生误码，因此必须采用抗多径干扰技术。目前抗多径干扰技术大致分为自适应均衡和正交频分多路复用（OFDM）技术。
自适应均衡器所采用的算法有最小均方（LMS）、基于最小平方（LS）和快速横向滤波器算法[4]，寻找均方误差最小值均衡器能最有效的消除码间干扰。但是，由于低压电力线路分支很多，各种性质负载在任意位置、任意时间随机地连接或断开，对通信系统的基本要求（阻抗匹配）不能达到，所以信号在传输过程中会遇到反射、驻波等种种复杂现象，导致其衰减特性非常复杂，与通信距离、信号频率和用户负荷等都有密切关系，具有很强的时变性，使信号在某个频率大幅度衰减[7]。由此看来，电力线信道是一个严重时变频率选择性信道，如果使用均衡器，不但实现困难、硬件复杂，而且成本也会增高。
OFDM作为一种多径衰落的技术，采用一组互相正交、重叠、形状为sin(f)/f的频谱信道，构成无码间干扰和无信道间干扰的传输。它采用IFFT和FFT技术实现信道的调制与解调，而且信道数越多越能体现OFDM的优越性。为了加强抗干扰性，用加有保护间隔的OFDM技术对信号进行处理，信号通过低压电力线信道传输，接收机对在[ir,ir+T]内的接收信号做FFT变换，得到第k个信道在第i时刻的解调输出信号为[6]。
其中，M（k,i）是第k个子信道在[ir,(I+1)T]发送的信号，M1为时延不超过保护时隙的路径数目，M2为相对时延超过保护时隙的路径数目，Δ为保护间隔时间，码远宽度由T增加到Tg=T+Δ，为第i条路径的时延。
式中的第1项是有用信号，等于所需要的信号乘上一个平衰落因子，对于不同的了信道，这个衰落因子是不同的。式中的第2项是子信道间干扰项（ICI），是同一时刻其它子信道信号对该子信道的干扰；第3项为码间干扰项（ISI），是前一时刻各子信道信号对该子信道当前时刻信号的干扰。从式中可以看出OFDM码元中加入的保护时隙若大于所有多径延迟，即足够长，就会消除ICI、ISI。但是保护时隙取的太长，就会影响传输速率，所以要在两者之间取一个折衷。
其实，在式中第一项有用信号还要受到一个乘性干扰影响，即
这就需要在每个子信道交替插入基准电平信号，求得信道逆响应后，对接受信号进行幅度相位校正来消除多径效应，Cki可以根据接受端通过测量基准电平估算出来。另外，时间交织、频率交织、保护时间与编码结合帮助OFDM提高抗多径干扰得能力，并且可以有效的利用多径干扰信号的能量。
也有许多从建立信道数学模型入手，根据信道的具体衰减特性采取措施，文献[1]中就给出了仅考虑多径传播及频率和信道长度衰减的信道频率响应，并且做了仿真，模型如下
模型中假设信道上只有一条分支，信道的长度为di。式中│gi(f)│eφgi(f)是权重因数，它一般很复杂，取决于频率；衰减是用表示的；则表示延迟。
由此看来，如果能够对信道的衰减特性做一预测，然后利用OFDM和自适应地采取一定相关措施增强抗干扰是可取的。但是如何能精确地知道衰减特性呢？到目前为止，因为它的随机性太大，基本上没有一个能运用到实际当中的精确数学模型。在这种情况下，可以先分析出家庭电器的运行规律，然后使用统计方法，得出衰减特性。
3．2噪声
电力线信道和其它信道不一样，它受到的加性高斯白噪声干扰几乎可以忽略，但是严重存在窄带干扰和脉冲噪声，并且脉冲噪声具有很强的时变性。它的主要噪声源是电子设备，它们使用50Hz的电源，却产生出频谱很宽的高频噪声成分。除了这些，广播频率信号、商业、军用和民用频带也严重削弱了电力线的一定频带。连接在电力线上的电器，它们产生的噪声可根据其性质分为三类：
单脉冲噪声，这类噪声由电子开关打开或关闭时引起；
周期脉冲噪声，这类噪声主要来源是含有三端双向可控硅开关元件的光调节器，它发生的频率是交流电频率的两倍，即每半个交流周期就重复一次；
连续脉冲噪声，这类噪声由不同的串联交流电动机产生，如真空吸尘器、钻孔机、电动剃须刀和大部分厨房用具。它们的重复频率在几千Hz的范围内，是最严重的噪声。
如果不采取适当的措施，脉冲噪声严重导致了信道SNR的时变特性，并且引起比特误差和突发误差。它比信道的衰减特性更难得掌握，文献[2]中使用分割的马尔可夫方法建立了脉冲噪声的时间域模型，讨论脉冲宽度和到达间隔时间以确定采取的相关措施。但是所有的模型在实际应用中都不理想，和信道的衰减特性一样，同样比较适合用统计方法进行分析。为了能使脉冲噪声最小化，电力线通信中的帧结构很复杂，现在利用了强自适应、平衡交织、向前纠错、检错及自动重复请求等技术。
4电源线家庭网络
低压电力线作为信息传输工具，可以发送和接收控制、监视和通讯信息，也可通过特殊的数字设备（网关）实现视频业务扩展和电话扩展。下图就是一个通过电源线组成的家庭网络图。
家电通过各种数字设备连接在低压电力线上，可以互相通信。计算机在这里是家庭网络服务器，它发送、接收信息，能够监视、控制电器的运行情况。通过网关1能点播数字电视，也可以按照某个预定时间，录制电视。当我们不在家时，想打开、关闭某个电器或者其它操作，可以通过Internet，也可以通过打电话经过网关2发送我们的命令。通过这个网络，家庭生活更加方便、智能化，提高了生活质量。
5小结
由于电力线路本身的噪声和信号输送能力问题，用它作媒介的数据传输速率很慢，一直没有得到快速发展。但是，它的前景是诱人的。近年来，不少公司都研制出了应用芯片，特别是Intellon公司生产的INT5130，它能提供14Mbps的通信数据速率。虽然，仍然有很多问题待以解决，这些高速芯片的出现无疑促进了电力线家庭网络的发展。
参考文献
[1]Manfrde Zimmermann、Klaus Dostert . A Multipath Model for the Powerline ChanneI [Z]. IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICA TIONS . 2002.4. vol.50. No.4 P553-559.
[2] Manfred Zimmermann、Klaus Dostert . Analysis and Modeling of Impulsive Noise in Broad-Band Powerline communications [Z] IEEE TRANSACTIONS ON ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY. 2002.2.vol .44. No.1 P249-258.
[3]刘思久，江军，冯玉贵，张礼勇。居室自动化系统中的X—10和CE总线[J]。电测与仪表，2001（12）。
[4]张建。自适应滤波解扩器的多种干扰综合抑制性能分析[J]。信号处理，2001（4）。
[5]黄智伟，黄湘君。家庭网络解决方案介绍[J]。中国数据通信，2001（9）。
[6]姚轶，邵军力。利用OFDM技术在低压电力线上实现高速数据传输[J]。电力系统自动化，2001（8）。
[7]刘海涛 ，陈长德，张保会。低压电力线通信传输环境研究[J]。电力自动化设备，2001（9）。
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