赵磊1 单渊达1 张根度2

（1.东南大学电气工程系，江苏省南京市210096；
2．上海复旦网络股份有限公司，上海200433）

　　摘要：结合电力线通信技术的两个主要应用领域，家庭组网和广域网接入，介绍了该技术的发展，剖析了它的优缺点。该技术现已具备了足够的竞争力，使得广大家庭用户将能够利用现成的电力线路得到高速、可靠而便捷的通信服务。
　　关键词：电力线通信 家庭组网 宽带接入

1 引言
　　电力线载波并不是一项新技术，多年以来一直被电力公司用作电网控制管理的工具，而如何进一步将其用于家庭，为更多的人提供便利的通信手段，一直是人们努力的目标。
　　据美国EPRI［1］和Enikia公司［2］的调查分析，今后家庭对信息的功能需求主要有如下几个方面：
(1)信息交流
　　互联网（Internet）带来了多媒体的通信时代。广大的家庭用户将会越来越喜爱和依赖各种先进的信息交流方式，包括通信方面的电话、电视会议、聊天室、多人游戏以及实时交互式服务等；信息获取方面的电子邮件、文件共享、浏览、定制新闻服务、时间表以及个人信息管理等；娱乐方面的音乐、电视、电影、视频点播以及其它多媒体服务等。
(2)金融消费
　　随着电话银行、电子付费和网上购物、家庭股票交易终端的普及，足不出户的财务管理和消费方式已经被越来越多的人所接受。其中通信所要完成的任务包括经济交流，即付费、转账等远程操作手段；信息交流，即商品的展示和广告、指导用户使用以及信息反馈等；感情交流，主要指各种售后服务和客户服务。
(3)居室管理
　　现代家用电器都已实现了自动化、智能化，下一步是向系统化、信息化发展。可以从互联网下载食谱的微波炉已经摆上了货架，而通过网络管理信息家电也已成为家用电器设备的发展方向。另外保安、报警等电子安全防范装置、远程抄表系统都有组网及通信的要求。
　　可见相应的通信技术应集中解决两个方面的问题：一个是家庭组网(home networking)；一个是广域网接入(Internet access)。在目前的各种解决方案中，利用电力线载波技术成为热点之一，并发展为电力线通信(Power Line Communication，PLC)技术。以下本文将分别介绍电力线通信技术在这两个方面的发展和现状。
2 家庭组网
　　电力线通信在家庭中应用最早的是家庭组网［3］。在家庭中，各种信息家电例如空调、照明系统、视频及音响系统等，通过电力线路连接在一起，就组成了家庭自动化网络。这些电子电器设备可以概括地分为两方：控制方和受控方；或三方：服务提供方、服务利用方和服务管理方。各方通过电力线路通信，以实现控制、服务和信息传递的功能。
　　在家庭组网数十年的发展过程中，各种相关的通信标准不断地形成和完善，其中与电力线通信技术相关的、较具规模及知名度的有X－10、CEBus、Lonworks、Echonet、CEA－R7.3等。
2.1 X-10 标准
　　X－10是全球第一个利用电力线来控制照明及电子电器产品，并被成功地商业化了的标准。PicoElectronics有限公司最早开发出了该项技术，并将该技术售予当时著名的BSR音响公司。
　　X－10于1978年由Sears引进美国，Radio Shack则于1979年开始出售该系统系列产品；BSR音响公司在1990年结束营业，X－10模组的先前研发人员将该项技术买下来，并在美国成立新公司，公司名称及其产品系列均以X－10命名。现在，X－10在美国不仅是一家公司，同时也是家庭自动化控制协议的一种名称。美国许多大公司如Radio Shack、Stanley、Leviton、Honeywell均销售X－10公司的产品，全美国约有400万户家庭使用X－10产品。
　　X－10公司制造了一系列的家庭自动化产品，如照明开关、遥控器、保安系统、电视机控制器、电脑控制器等。许多美国的家庭自动化产品制造商也采用了X－10协议，现在X－10已成为当今美国家庭自动化控制协议的主要领导者。
2.2 CEBus标准［4］
　　1984年，美国电子工业协会（Electronics Indus－try Association，EIA）认为X－10协议已不能满足现代生活的需要，因而召集了它的会员，其中许多是大厂商，在1990年制定出另外一套家庭自动化控制协议的初步草案，并命名为CEBus(Consumer Elec－tronic Bus)，CEBus于1992年正式问世。
　　由于美国电子工业协会的会员遍布全美国，因此CEBus已成为X－10的最大挑战者，至于鹿死谁手，则需数年之后方可揭晓。美国电子工业协会拥有CEBus的商标，但在CEBus步出实验室走向市场时，改由一个名为CIC（CEBus Industry Council）的非营利机构来主持，目前CIC对于厂商使用CEBus商标并无任何限制，但成立了一非营利实验室，对于将使用CEBus商标的电子电器产品予以测试，并收取测试费用及CEBus商标使用年费。
　　CIC有许多成员是具有高知名度的厂商，如Microsoft、IBM、Compaq、Computer Corp、AT＆TBell Labs、Honeywell、Panasonic、Sony、Thomson、Leviton、Pacific Gas＆ Electric等公司。
CEBus标准是消费类电子产品总线（Consumer Electronics Bus）的缩写。它是一个针对不同媒体上的控制设备的开放性国际标准（EIA－600）。CEBus协议允许开发人员通过创建设备的软件模型控制设备的任何地方，使用的是通用应用语言（CommonApplication Language，CAL）。CEBus一共涵盖7种通信介质：电力线、射频线（RF）、红外线(IR)、同轴电缆、双绞线、光纤以及音频／视频线，其中首选是电力线。CEBus协议涵盖了网络服务的所有层次，例如点对点应答和包交换。
2.3 LonWorks标准［5］
　　LonWorks是由一家名为Echelon Corp．的公司所制定的家庭自动化网络控制协议。该公司成立于1990年，主要的股东为Motorola与Detroit Edison公司。1999年，LonWorks成为开放标准（EIA－709）。　
LonWorks主要是由一片名为Neuron的集成电路来完成其功能。该集成电路目前授权Motorola与Toshiba两家公司生产。Neuron可以安装在任何消费类电子产品上，以达到家庭自动化控制的目的。1994年，Echelon公司特别成立一个名为“消费者部”(Consumer Group)的部门，来推动Neuron在消费类电子产品方面的发展。
　　当初参与研发Neuron的公司（如Honeywell、Detroit Edison、IBM、Microsoft、Leviton等），成立了一个名为Lonmark Interoperability Association的组织，以Lonmark为LonWorks控制协议的标志。该组织主要是负责推动生产家庭自动化产品的厂商来申请使用Lonmark的标志，并进行测试和认证工作。
2.4 Echonet标准
　　日本的日立制作所、松下电器产业、三菱电机和东芝等公司也成立了使用电力线控制家电设备的业界团体Echonet（Echo Network Consortium），并于2000年7月发表了其标准 。Echonet与美国的方案不同，设计用途中未包含音频、视频和数据传输。
　　Echonet1．0版本支持电力线、2种400 MHz的低功率（10mW输出）无线设备、红外设备以及用于扩展HBS的双绞线。该标准的物理介质可以方便地扩展到其它任意通信介质。
　　Echonet标准中在电力线和无线设备上可提供9．6 kB/s的速率，在红外口上提供75 kB/s的速率。
　　另外，日本的家庭总线系统标准于1988年由日本电子工业协会（ElectronicIndustries Association ofJapan）制定。
2.5 CEA R7.3 标准　
　美国消费类电子协会（Consumer ElectronicsAssociation，CEA）的R7．3小组宣布将于2001年1月之前发布其独立的家庭组网标准。该标准是一个高速的、基于电力线通信的方案。适用于各种设备的网络，包括消费类电子设备。它将同时支持同步数据传输（如电视、电话、音响）和异步数据传输（如In－ternet接入和文件传输），并能够与现有的标准兼容。
3 宽带接入
　　另一方面，随着近年来Internet的飞速发展，交换网、传输网已实现了数字化、宽带化 ，但是接入网仍然是信息高速公路的“瓶颈”。特别是家庭用户接入网，其传输媒体仍然采用的是普通电话线，无法满足宽带电信业务和高速数据通信业务的需求。
　　为实现用户接入网的数字化、宽带化，用光纤作为通信介质是用户网今后发展的必然方向。随着城市信息化建设的开展，光纤到小区已经逐步实现，但由于成本过高，所以光纤到户在相当长的一段时间内还不可能做到。“最后一公里”的问题变成了“最后一米”的问题。所以近年来人们提出了多项基于现有网络的宽带接入网技术，其中利用电话线的不对称数字用户线路（Asymmetric DigitalSubscriber Line，ADSL）和利用有线电视电缆的光纤同轴电缆混合网（Hybrid Fiber－Coaxial，HFC）是比较有竞争力的两种。
　　紧随其后，出现了利用电力线的解决方案。早在1997年，英国的Norweb公司就与加拿大的Nortel公司联合开发出了1 MB／s的电力线载波通信芯片。随后韩国的Keyin Telecom、加拿大Domosys、美国Inari公司都发布了各自的2 MB／s产品。而美国的Intellon和Enikia公司更是进一步提出了自己的10MB／s技术。这使得PLC达到甚至超过了ADSL、HFC的技术水平。
　　2000年4月，包括美国Intel、AMD、Motorola、3Com、Cisco以及德州仪器在内的13家公司联合组建了一个非营利性的团体“HomePlug PowerlineAlliance”。其目的是推进使用电力线作为传送媒体的家庭网络，并致力于实现家庭中基于电力线的网络技术规格标准化。
　　2000年8月，HomePlug联盟选择了Intellon公司的PowerPacket技术作为标准。其方案工作于4～20 MHz频段，达到了14 MB／s的传输速度。Home－Plug联盟的36名成员将于2000年底发表完整的技术规范。
4 PLC的优势
　　我们所工作、居住的每一个房间都有电线插座，在偏僻、边远的地方，首先有的也是电力线，这一切使得民用电力线路成为世界上最为普及的网络。这是电话和有线电视都不能比拟的优势。
　　对每一个家庭来说，电力网络是现成的，不需要重新建设，所以应用PLC技术的投资比较小，也很方便。而家庭组网的目的是控制信息家电，在每个电子电器设备上除了电源线以外还要加装一根网络线将是非常繁琐和复杂的。目前的解决方法是把这两根线合二为一，废弃原有的电源线，但这样又导致了居室重新布线的问题。所以对家庭组网来说，PLC几乎是唯一的选择。
　　从技术性能的角度来看，ADSL的下行速度为8MB／s，HFC为10 MB／s，PLC完全可与之媲美。与电话拨号及集成服务数字网（Integrated Services Digi－talNetwork，ISDN）相比 ，更是具有极高的速度。
　　原有的电力线路只传输电力，不传播信息，所以PLC可以享有整个信号带宽。而ADSL、HFC都需要兼顾电话、电视信号的传播，在网络拥挤的情况下会有一定的影响。
　　对于电力公司来说，在用户服务方面具有已经经过验证的竞争力，因而很容易开拓新市场。随着电力市场自由竞争的日益激烈，信息服务的提供还可为电力公司在提高效率、竞争力以及加深与用户的关系等方面起到相当显著的作用。
　　由以上各点可以看出，该技术不仅能够为互联网用户提供方便廉价的服务，而且使得电力公司能够一次解决互联网用户所面临的三大难题：直接在家庭中进行数据访问，数据传输速率及投资费用。此外，也为电力公司提供了一个拓展业务范围的机会，从而在自由竞争的市场中获得更强的竞争力和更可观的利润。
5 PLC的缺点
　　在电力线上进行超高速可靠的通信目前还存在很多严重的障碍，多路延时散射是高速率面临的一个难题。在实用中的交流电力线路上还存在不可预测的噪声、无数的干扰源、高度的信号衰减、大范围变化的阻抗，以及刚才提到的多路延时散射。另外，FCC辐射标准也是一个障碍。
　　从技术角度而言，在利用电力线作为传输媒介的通信过程中，主要存在着以下几个不利因素［6］，它们对于电力线上信号的传输都有着较大的影响。
5.1 可变的信号衰减和电力线阻抗
　　信号衰减和电力线阻抗的变化是与所传输信号的频率及其物理位置相关联的。在某些情况下，电力线阻抗可小于0．1Ω，但在另外的条件下，它又会增大到100Ω左右；同样，信号衰减在多数情况下都小于55 dB，但有时又可高达100 dB。这些情况对于载波信号的稳定传输都有着较大的影响。
5.2 阻抗调制
　　阻抗与时间也有一定关系。一般而言，在交流波形中，信号接近零点的部分比其波峰部分具有更高的阻抗，这个现象可以通过电源的操作来作一些解释：如果线性电源的整流器在波形的波峰处开始工作的话，则通过变压器，整流器就会与电源的低阻抗电容相连，从而导致了此时具有较低阻抗的状态。
5.3 脉冲噪声（Impulse-Noise）
　　脉冲噪声应该说是电力线通信中存在的最大障碍。由于脉冲噪声具有瞬间、高能和覆盖频率范围广的特点，因而对于载波信号传输的影响相当大，不仅会造成信号的误码率(PER)高，使得接收装置无法对信号进行正确的纠错；另外，它还有可能使接收设备内部产生自干扰，严重影响整个系统的工作。所以，对这种干扰的抵御就显得尤为重要了。
5.4 等幅振荡波干扰（Continuous-Wave jamming）　
　等幅振荡波干扰源包括有意干扰源和无意干扰源2种。前者如婴儿监控器和对讲机等家庭用产品，其工作频率都在100～300 kHz之间；而后者（如电源开关等）产生的主谐波频率也都在50 kHz以上。这些频率范围恰恰是大多数载波信号的频率范围，因而，这种干扰所占的比重也是较高的。
6 PowerPacket技术
　　PowerPacket是Intellon公司高速电力线载波通信技术［6］的商标。它是包括物理层(PHY)和媒介层(MAC)的一个完整方案。它支持IP通话(VoIP)、服务品质(QoS)和多媒体流。
　　PowerPacket使用了一种称为OFDM（orthogo－nalfrequency－divisionmultiplexing）的频谱调制技术在电力线上高速传递数据。可能的技术上限可达100Mbps。这是一种多调系统，这样即使存在杂乱的多路反射、大量的窄带干扰和不等量的脉冲噪音，系统也能正常工作。如果使用单调技术实现10 Mb／s以上的传输速率，将是非常复杂和昂贵的。
　　Intellon已经发布了基于PowerPacket技术的芯片，并已经在北美和欧洲上千个家庭进行了实地测试，取得了100%的连接成功率。最大的覆盖范围为650 m2。
　　PowerPacket技术可以很好地与现有的技术共存。其它任何使用FSK调制的信号都将被当作噪声，从而不会造成任何问题。PowerPacket技术工作在一个单独的频段，与现有的X－10 、CEBus和Lon－works协议不相覆盖，所以它们可以很好地并存于同一个网络中。
　　在点对点的通信中，Intellon采用56位DES加密技术以保证信息的安全。
　　Intellon经过广泛的试验，发现相间的干扰是很小的，在同一房间中布置两相引起的速率衰减大约只有4%。在试验中没有发现电涌和UPS（不间断电源）对通信造成影响。
　　Intellon采用多种新方法和新技术，包括前向纠错、异步、调制和协议。假如在通信中电力线路的特性（如阻抗）发生变化，PowerPacket将自动调整工作状态，以提供最大的可靠性。
　　Intellon的协议提供多级优先级，允许各应用定义信道的优先权。对延迟敏感的应用（如语音）可以得到最高的优先权，从而保证服务品质（QoS）。
PowerPacket的具体技术参数如下：
　　速率14 MB／s；频带4．3～20．9 MHz；OFDM信号调制，84个载波信道，自动信道适应 ，前向纠错；载波调制方式支持DQPSK、DBPSK、ROBO；读写方式支持CSMA／CA；符合FCC－15辐射标准；通信加密；0．25μm技术加工；工作频率100 MHz；工作电压核心电压2．5V ,3.3V／5V输入输出电压；工作环境0～70℃。
7 结论
　　随着互联网的发展、宽带接入的膨胀，以及各种新一代电子设备接入Internet的需求，电力线通信正在成为一种便捷的选择，必将在全球范围内得到推广。利用改进的电力线载波技术，在电力线路上实现宽带通信将很快完善和成熟，并迅速登上通信市场的舞台。

参考文献
［1］TR－109197．Projectres－IDENT：qualitative assessment of homenetworking appliances［R］．EPRI Report，1999，12．
［2］Ian O＇Sullivan．The information economy derivative marketsmodel：atechnology value chain for the digital economy［R］．EnikiaIncorporated，1999．
［3］Amitava Dutta－Roy．Networks for homes［J］．IEEE Spectrum，1999，36(12)：26－33．
［4］Denny Radford．Spread－spectrum data leap through ac powerwiring［J］．IEEESpectrum，1996，33(11)：48－53．
［5］Reza Raji．Smart networks for control［J］．IEEE Spectrum，1994，31(6)：49－55．
［6］鄢新华．电力线载波通信芯片市场与应用前景［J］．今日电子．
［7］Intellon．Intellon high speed power line communications［R］．Intellon Corporation,1999