低压配电网电力线载波通信与新技术

2、电力线载波通信新技术

实现低压配电网电力线载波可靠通信，需要很多新技术来支撑。这里仅列举了作者认为重要的几项技术：

2.1正交频分复用(OFDM)

正交频分复用(OFDM)是一种被电力载波通信行业普遍看好的高效多载波宽带数字调制技术，采用一组相互正交的子载波构成信道来传输数据流，这些载波在频率上等间隔地分布，载波间隔一般取码元周期的倒数。它采用并行调制技术、长码元周期、FET/IFFF调制与解调技术，使OFDM具有频带利用率高、抗ISI干扰能力强、抗信道衰落好、抗噪声干扰强、易实现等一系列优点;由于OFDM通过动态选择子载波。可以减少窄带干扰和频率谷点的影响;即便是在配电网受到严重干扰的情况下，OFDM也可提供高带宽并且保证带宽传输效率，而且通过适当的纠错技术可以确保数据可靠传输[2]。OFDM是目前电力载波宽带通信的首选技术，跳频OFDM方式在无线通信中被选作IEEE802.15.3a标准的另一个方案。尽管OFDM具有很多优点，但是，它也存在一定的缺点：①对频偏和相位噪声比较敏感，1%的频偏会使信噪比下降30dB。②功率峰值与均值比(PAPR)大，降低了驱动放大电路的效率。③接收机结构复杂，成本高，同时对瞬间干扰敏感。此外，对于电力线载波通信的安全性方面没有任何措施。

2.2跳频(PH)

跳频(FH)是一种无线通信中最常用的扩频方式。工作原理是收发双方传输信号的载波频率按照预定规律(一组伪随机码PN，Pseudo-Noise)进行离散变化，通信中使用的载波频率受伪随机码的控制而随机跳变。从通信技术的实现方式来说，跳频是一种用码序列进行多频频移键控的通信方式;从时域上来看，跳频信号是一个多频率的频移键控信号;从频域上来看，跳频信号是一个在很宽频带上以不等间隔随机跳变的信号。因此，跳频通信在某一特定频点上仍为普通调制技术。跳频系统根据频率变化的快慢，通常分为快跳频和慢跳频。目前在军事领域广泛应用了快跳频通信技术。随着电子对抗的加剧，在快跳频的基础上.产生了自适应跳频，进一步提高抗截获和抗干扰目的。慢跳频则主要应用于民用领域。

跳频通信在电力载波通信中立用具有很强的适用性：①适应电力线的强干扰环境。低压配电网噪吉干扰强，并且噪声不是分布在所有频段内，可用信道是变化的，跳频技术恰好可以满足这一需要。②适应低压配电网频率选择性衰减。低压配电网负载复杂，且具有时变性，各种干扰和信道特性均无法“长期”预测。跳频系统则可以根据预设跳频图案，自动切换载波频率，避开干扰源频点，同时也可以根据信道估计的结果，通过自适应跳频，选择适宜信道，实现可靠通信。

可以看出，相对FSK、OFDM、Chirp等通信系统，跳频系统具有以下优点：①普通跳频系统只需在常规调制方式中增加载频跳力，实现设备相对简单。②跳频系统具有很强的抗干扰能力，并对频率性衰减有抑制作用。③可以多址工作，无ICI和ISI干扰。④跳频序列的扩频码跳变速率较低，易于实现。跳频技术在低压配电网电力线载波通信中的应用不仅是新的技术增长点，而且在网络安全日益重要的今天，该技术将起到不可替代的作用。

2.3混沌(Chaos)

混沌有很多种定义，其本质特征在于描述事物对“初始条件高度敏感(蝴蝶效应)”的高度非线性特性，它揭示了“在看似无序的事物中蕴含着有序”的道理。

由于初始值间任意小的差别在迭代中将被指数放大，使得混沌序列具有很强的多址性能。同时，混沌的长期行为还表现出明显的随机性和不可预测性，它的引入为改善跳频通信系统性能提供了一个新的途径。由于混沌系统对初始条件和混沌参数非常敏感，能够产生大量、非相关、类随机但为确定性和可再生的非周期性信号等特点，使其非常适合用作抗干扰和保密通信的伪随机码序列。此外，混沌同步驱动也将大大改进通信的安全性。目前混沌序列是保密通信中的研究热点。

2.4网络自组与重构

由于低压配电网物理网络拓扑结构会经常发生变化，且逻辑拓扑随信道质量而变化，因此，电力载波通信在多点组成网络时，具有与无线移动通信相类似的特征。

自组(ADHoc)网是一种不需要固定路由器就能够实现自治运行的无线多跳网络。在无线Ad-Hoc网中，每个节点既是主机，又可以是路由器。因此，在低压配电网电力线载波通信中采用网络自组与重构技术，具有以下优点：①可以根据电力线信道质量变化，自动侦测可通信逻辑节点，动态调整路由配置，在网络链路层保持可靠连接。②自动探测最佳中继节点，动态配置中继信息，自动识别节点投入或切除。可见，采用这种网络自组与重构技术，可以实现低压配电网中点到点、点到多点的可靠通信。当然，该技术对底层硬件平台要求较高。

毫无疑问，电力载波通信具有诱人的发展前景。但是，由于低压配电网本身的特点，目前在实际大规模使用电力载波通信时还会遇到很多问题。现仅就以下几个问题阐述一下作者的观点。

(1)抗干扰问题与对策尽管OFDM是一种被电力载波通信行业普遍看好的高效调制技术，然而，在电力线信带有限的情况下，紧紧依靠OFDM技术还具有一定的局限性。为此，一方面采用OFDM与跳频相结合技术将进一步改善电力载波通信的可靠性;另一方面还可以考虑采用混沌理论，提高抗通信介质开放的低压配电网中的恶意干扰能力。

(2)路由组网问题与对策电力线载波通信物理网络是由低压配电网和当时线路负载组成的。物理网络是动态的，信道特性也是动态的，这种特殊性，决定了组网的困难性。为解决这一问题，有两种方法：第一种是根据实地经验和现场试验，通过某一中心载波通信节点，进行人工本地/远程配置中继路由信息，来保证一定范围内电力载波节点的可靠通信;第二种方法是以图论为基础、以ADHoc理论为指导，通过某一中心载波通信节点，自动建立电力载波通信。