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作者:?Xiaolin Lu，智能電網(wǎng)研發(fā)經(jīng)理，德州儀器公司；Olivier Monnier，全球市場(chǎng)經(jīng)理??達(dá)拉斯電力線通信 (PLC)?研發(fā)團(tuán)隊(duì)，智能電網(wǎng)解決方案?德州儀器公司
電力線通信 (PLC) 是一項(xiàng)在其開發(fā)過程之中便引起世界廣泛關(guān)注的全球性技術(shù)。在其最簡單的形式中，PLC 通過現(xiàn)有的電力線調(diào)制通信信號(hào)。這使得設(shè)備能夠在無需新增任何導(dǎo)線或電纜的情況下實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)。此種能力在各種各樣的應(yīng)用中均極受青睞，其可通過網(wǎng)絡(luò)充分利用更高的智能和效率。PLC 最初的市場(chǎng)商機(jī)包括：
公用事業(yè)計(jì)量表：對(duì)于 PLC 來說，公用事業(yè)計(jì)量表是一項(xiàng)主要的批量型應(yīng)用。PLC 是公用事業(yè)公司優(yōu)先選擇的自動(dòng)抄表 (AMR) 和自動(dòng)計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施 (AMI) 通信技術(shù)，因?yàn)樗耆辉傩枰惭b額外的配線。另外，很多消費(fèi)者希望把計(jì)量表連接至某種能耗監(jiān)測(cè)裝置（即：家用能源顯示設(shè)備 [IHD]），以顯示其能源消耗情況，并根據(jù)自己每天各個(gè)時(shí)段的能源需求利用好峰谷分時(shí)定價(jià)標(biāo)準(zhǔn)以降低費(fèi)用，此類需求也對(duì) PLC 的應(yīng)用起到了推動(dòng)作用。
家庭局域網(wǎng)：隨著家庭網(wǎng)絡(luò)的日益擴(kuò)大，許多電器被納入其中（以提高能源的使用效率），OEM 制造商逐步轉(zhuǎn)向使用 PLC 作為各種家用設(shè)備與家庭網(wǎng)絡(luò)的銜接技術(shù)。該市場(chǎng)所面臨的主要挑戰(zhàn)之一是家用電器在其使用過程中存在的高噪聲特性。OEM 需要一種穩(wěn)健和成本優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)方案來提供可靠的通信，從而使得窄帶 PLC 在面對(duì)有線通信或銜接現(xiàn)有的各種無線技術(shù)時(shí)成為最佳的選擇。
照明：PLC 既適合家庭自動(dòng)化也適合工業(yè)自動(dòng)化，因而使得 OEM 制造商能夠把智能集成到眾多的照明產(chǎn)品中。主要功能包括照明的遙控、照明燈的自動(dòng)激活與去激活、監(jiān)測(cè)能源使用狀況以精確計(jì)算能耗成本、以及與電網(wǎng)的連接。一項(xiàng)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)要求是必需能夠?qū)崿F(xiàn)一款用于控制和 PLC 的高性價(jià)比單芯片。
太陽能：對(duì)于太陽能設(shè)備的大規(guī)模推廣應(yīng)用，PLC 充當(dāng)了一項(xiàng)重要的支撐技術(shù)，其為太陽能逆變器提供了一個(gè)通信通道，可供公用事業(yè)公司在電網(wǎng)上監(jiān)測(cè)和管理電力。雖然射頻 (RF) 技術(shù)已經(jīng)在太陽能裝置方面取得了一些進(jìn)展，但 PLC 則提供了一種在直流 (DC) 或交流 (AC) 線路上以高可靠性和低成本進(jìn)行設(shè)備連接的理想方法。
G3：穩(wěn)健和可靠的通信
PLC 實(shí)際上是所有采用電力線作為通信通道的技術(shù)的一個(gè)通稱。因此，PLC 實(shí)際上包括了多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)專注于與特定應(yīng)用和工作環(huán)境（表 1）相關(guān)的不同性能因素和問題。G3 和 PRIME 是其中最著名的兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。在諸多標(biāo)準(zhǔn)中，總的說來 G3（或與其類似的 IEEE P1901.2）更多地關(guān)注穩(wěn)健性。考慮到 PLC 有可能工作的各種環(huán)境以及這些環(huán)境中所存在的不同種類的干擾，G3 標(biāo)準(zhǔn)具備的耐受噪聲的穩(wěn)健性常常使其成為一種更受全球推廣應(yīng)用項(xiàng)目青睞的選擇。
IEC61334、PRIME、G3 和 IEEE P1901.2/G3-FCC
?
??
IEC61334 S-FSK
??
PRIME (OFDM)
??
G3 (OFDM)
?P1901.2 / G3-FCC
(OFDM)
?調(diào)制規(guī)格
?擴(kuò)頻移頻鍵控
?DBPSK / DQPSK/D8PSK
?DBPSK / DQPSK/ (D8PSK)
?DBPSK/DQPSK/D8PSK/
相干調(diào)制
?前向糾錯(cuò)
?不可用 (N/A)
?速率?卷積碼
?外部 RS + 內(nèi)部速率
?卷積碼
?外部 RS + 內(nèi)部速率
?卷積碼
?數(shù)據(jù)速率
?2.4 kbps
?21、42、64、84、64 kbps
（帶編碼）
?20.36/34.76/(46) kbps
（帶編碼）
?可擴(kuò)展至 250 kbps
?頻段規(guī)劃
?CENELEC-A
?連續(xù) 42 至 89 kHz
（為 LV 場(chǎng)合而定義）
?36 至 91 kHz（具有用于 SFSK 的音調(diào)掩蔽）
?CENELEC-A，F(xiàn)CC 頻段
?ROBO 模式
?無
?無
?有
?有
?音調(diào)掩蔽
?無
?無
?有
?有
?自適應(yīng)音調(diào)映射
?無
?有
?有
?有
?MAC
?IEC61334 MAC
?PRIME MAC
?802.15.4/G3 模式
?基于 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)
?匯聚層
?IEC61334-4-32
?IEC61334-4-32/IPv6
?6LoWPAN/IPv6
?6LoWPAN/IPv6
?計(jì)量表應(yīng)用
?COSEM/DLMS
?COSEM/DLMS，IP
?COSEM/DLMS，IP
?COSEM/DLMS，IP
?表 1：電力線通信 (PLC) 實(shí)際上包括了多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)專注于與特定應(yīng)用和工作環(huán)境相關(guān)的不同方面和問題。
作為一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，G3 的演進(jìn)是由 G3 聯(lián)盟負(fù)責(zé)管理的。在歐洲，G3 工作于 CENELEC-A 頻段 (3～95 kHz)，并可在其他國家擴(kuò)展到整個(gè) FCC 頻段以提供較高的數(shù)據(jù)速率。G3 為雙向通信標(biāo)準(zhǔn)，具有 20 kbps 至 40 kbps（在 CENELEC-A 頻段）和高達(dá) 200 kbps 至 400 kbps（在整個(gè) FCC 頻段 [G3-FCC]）的有效數(shù)據(jù)速率。其可與 S-FSK 及其他傳統(tǒng) PLC 技術(shù)共存，并無縫支持 DLMS/COSEM（IEC 62065 系列），而且提供了用于 CCM 的第 2 層 128 位 AES 以增加數(shù)據(jù)安全性。目前，針對(duì) IPv6 的支持使得 G3 能夠以一種高效的方式匯聚 IPv4 和 IPv6 設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)。
G3 采用正交頻分復(fù)用 (OFDM) 調(diào)制，可提供針對(duì)干擾和衰減的高度適應(yīng)性。因此，它能夠在中壓變壓器之間穿越時(shí)實(shí)現(xiàn)最遠(yuǎn)距離達(dá) 6 英里的可靠通信。另外，該標(biāo)準(zhǔn)還可在橫跨低壓和中壓 (LV/MV) 變換時(shí)實(shí)現(xiàn)總距離不超過 2～3英里（具體數(shù)值取決于通道條件）的通信。
G3 穿過變壓器的能力是一項(xiàng)很重要的性能，對(duì)于低人口密度的鄉(xiāng)村地區(qū)尤其如此。特別是在北美地區(qū)，住戶與公用事業(yè)設(shè)備之間的低壓變換可能只延伸 3～4 米。在該變壓器之前布設(shè)一個(gè)集中器完全無法實(shí)現(xiàn)必要的密度，因此增加這個(gè)集中器是得不償失的。
G3 專為解決該問題而設(shè)計(jì)，其允許 PLC 信號(hào)穿過低壓變壓器并分配至中壓線路。這使得能夠?qū)⒓衅鞣胖迷谄淇蓮亩嗟枚嗟奈恢镁奂瘮?shù)據(jù)的地方，從而改善實(shí)現(xiàn)家庭/商企與公用事業(yè)公司之連接的成本效益性。
另外，G3 還構(gòu)成了 ITU G.9955（G.9956 用于 G3 MAC）標(biāo)準(zhǔn)的附錄 A 和附錄 D (G3-FCC) 部分。目前，IEEE 正在制定 G3 的全球性版本（名稱定為 P1901.2）。最終的標(biāo)準(zhǔn)預(yù)計(jì)將于 2012 年底之前制定完成。其他與 OFDM 相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)包括 G.9955/9955 主體（即 G.hnem）。
為了支持?jǐn)?shù)據(jù)速率的增加和覆蓋范圍的擴(kuò)大，G3-FCC 采用了相干調(diào)制選項(xiàng)。實(shí)際上，當(dāng)通道能夠通過使用導(dǎo)頻信號(hào)進(jìn)行可靠估測(cè)時(shí)，就可使性能相比于差分調(diào)制有所改善。G3-FCC 支持面向 Robo 模式、BPSK、QPSK、8PSK 和 16-QAM 的相干解調(diào)，并可提供高達(dá) 5 dB 的增益。與相干調(diào)制有關(guān)的已知難題包括晶振漂移以及如何在一個(gè) AC 周期之內(nèi)控制通道變更。
G3 以外的其他標(biāo)準(zhǔn)
在尋找最適合的 PLC 實(shí)現(xiàn)方案的過程中，許多國家已經(jīng)開始了自己的評(píng)估工作，就是對(duì) G3 在特定地區(qū)的常見噪聲操作條件下的工作狀況進(jìn)行特性分析。 比如在韓國，許多電纜都是埋設(shè)在地下的。當(dāng)時(shí)，韓國政府認(rèn)為可以通過這些電纜來使用寬帶 PLC 技術(shù)。然而，當(dāng)在地下使用時(shí)，寬帶的可靠性受損。對(duì)于此類工作條件來說，諸如 G3 等窄帶實(shí)現(xiàn)方案更為適合。
雖然不少國家已圍繞 G3 實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化（特別是法國），但有些國家（如西班牙）則選擇了其他的技術(shù)，例如：PRIME。不過，真正的標(biāo)準(zhǔn)之爭只是剛剛拉開帷幕。諸如中國、印度尼西亞和日本等國家則尚未表現(xiàn)出要圍繞 PLC 展開標(biāo)準(zhǔn)化的特殊跡象。因此，那些能夠制造支持多種標(biāo)準(zhǔn)之產(chǎn)品的 OEM 廠商將處于可更好地利用這些新興市場(chǎng)商機(jī)的有利位置。
德州儀器 (TI) 提供了一種可實(shí)現(xiàn)本文第 2 頁表 1 中的所有標(biāo)準(zhǔn)的 PLC 平臺(tái)。除此之外，TI 還提供了 PLC-LiteTM，作為一種采用 PLC 技術(shù)的非標(biāo)準(zhǔn)型、較低成本且非常靈活的方法。由于它不是一項(xiàng)固定標(biāo)準(zhǔn)，因此開發(fā)人員能充分利用 PLC-Lite 的靈活性以針對(duì)特定的通道特性優(yōu)化實(shí)現(xiàn)方案，從而在那些 G3 和 PRIME 技術(shù)會(huì)因?yàn)榫€路上的干擾需要進(jìn)行異常處理而遭遇困難的環(huán)境中改善鏈路穩(wěn)健性。
PLC-Lite 的最大數(shù)據(jù)速率為 21 kbps，并支持全頻段和半頻段模式（下一頁上的表 2）。它專為提供針對(duì)某些類型干擾的更強(qiáng)穩(wěn)健性而設(shè)計(jì)，包括會(huì)影響 G3 鏈路的窄帶干擾。其包含一個(gè)簡單的 CSMA/CA（載波偵聽多點(diǎn)接入/沖突避免）MAC，該 MAC 可與任意專用堆棧相集成。
由于其具有簡單性和較低的數(shù)據(jù)速率，因此每條鏈路的實(shí)現(xiàn)成本大幅下降。另外，PLC-LiteTM 還提供了巨大的靈活性，并允許開發(fā)人員在某種業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的限制范圍以外定制通道鏈路。
TI PLC-Lite 特性參數(shù)
?
頻段
?A/B/C/D 半頻段，在運(yùn)行時(shí)可配置，符合 CENELEC 標(biāo)準(zhǔn)
?CENELEC A 全頻段
?帶寬
?23 kHz
?47 kHz
?采樣頻率
?500 kHz
?250 kHz
?數(shù)據(jù)/標(biāo)頭符號(hào)持續(xù)時(shí)間
?2.24 ms
?2.24 ms
?前置碼持續(xù)時(shí)間（每個(gè)）
?2.048 ms
?2.048 ms
?PHY 數(shù)據(jù)速率
?21 kbps (BPSK)
11 kbps (BPSK + FEC)
2.6 kbps (Robo-4)
1.3 kbps (Robo-8)
?42 kbps (BPSK)
21 kbps (BPSK + FEC)
5.2 kbps (Robo-4)
2.6 kbps (Robo-8)
?FFT 大小
?1024
?512
?CP 大小
?96
?48
?副載波的數(shù)量
?49
?97
?MAC
?CSMA/CA
?CSMA/CA
?表2：由于其具有簡單性和較低的數(shù)據(jù)速率，因此 PLC-Lite 每條鏈路的實(shí)現(xiàn)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于 G3 或 PRIME。此外，PLC-Lite 還通過允許開發(fā)人員定制通道鏈路提供了巨大的靈活性。
PLC-Lite 適合于對(duì)成本非常敏感的環(huán)境，以及那些不需要 G3 和 PRIME 的復(fù)雜性、但仍然需要一條穩(wěn)健通信通道的應(yīng)用。就像電視遙控器并不需要擁有 Wi-FiTM 的全部功能來切換頻道或調(diào)節(jié)音量一樣，并不是每一種應(yīng)用都需要 PRIME 和 G3 的先進(jìn)功能和數(shù)據(jù)速率。例如：PLC-Lite 是適合家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的簡單燈泡或墻壁開關(guān)的理想解決方案，在此場(chǎng)合中幾個(gè) kbps 的速率就足夠了。
PLC-Lite 特別適用于電能表以外的裝置，包括太陽能逆變器、家庭和工業(yè)照明以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。憑借一種可提供在噪聲環(huán)境中實(shí)現(xiàn)可靠運(yùn)作所需穩(wěn)健性的低成本方法，它在許多應(yīng)用中皆提供了重要的價(jià)值。其優(yōu)化的內(nèi)存占用和計(jì)算性能要求使開發(fā)人員能夠借助 PLC 通信來實(shí)現(xiàn)照明燈控制或逆變器控制（在單顆芯片上提供了一種非常獨(dú)特的集成水平）。
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論