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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，全球市場經(jīng)理??達拉斯電力線通信 (PLC)?研發(fā)團隊，智能電網(wǎng)解決方案?德州儀器公司
電力線通信 (PLC) 是一項在其開發(fā)過程之中便引起世界廣泛關注的全球性技術。在其最簡單的形式中，PLC 通過現(xiàn)有的電力線調制通信信號。這使得設備能夠在無需新增任何導線或電纜的情況下實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)。此種能力在各種各樣的應用中均極受青睞，其可通過網(wǎng)絡充分利用更高的智能和效率。PLC 最初的市場商機包括：
公用事業(yè)計量表：對于 PLC 來說，公用事業(yè)計量表是一項主要的批量型應用。PLC 是公用事業(yè)公司優(yōu)先選擇的自動抄表 (AMR) 和自動計量基礎設施 (AMI) 通信技術，因為它完全不再需要安裝額外的配線。另外，很多消費者希望把計量表連接至某種能耗監(jiān)測裝置（即：家用能源顯示設備 [IHD]），以顯示其能源消耗情況，并根據(jù)自己每天各個時段的能源需求利用好峰谷分時定價標準以降低費用，此類需求也對 PLC 的應用起到了推動作用。
家庭局域網(wǎng)：隨著家庭網(wǎng)絡的日益擴大，許多電器被納入其中（以提高能源的使用效率），OEM 制造商逐步轉向使用 PLC 作為各種家用設備與家庭網(wǎng)絡的銜接技術。該市場所面臨的主要挑戰(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)化的實現(xiàn)方案來提供可靠的通信，從而使得窄帶 PLC 在面對有線通信或銜接現(xiàn)有的各種無線技術時成為最佳的選擇。
照明：PLC 既適合家庭自動化也適合工業(yè)自動化，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、照明燈的自動激活與去激活、監(jiān)測能源使用狀況以精確計算能耗成本、以及與電網(wǎng)的連接。一項關鍵的設計要求是必需能夠實現(xiàn)一款用于控制和 PLC 的高性價比單芯片。
太陽能：對于太陽能設備的大規(guī)模推廣應用，PLC 充當了一項重要的支撐技術，其為太陽能逆變器提供了一個通信通道，可供公用事業(yè)公司在電網(wǎng)上監(jiān)測和管理電力。雖然射頻 (RF) 技術已經(jīng)在太陽能裝置方面取得了一些進展，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行設備連接的理想方法。
G3：穩(wěn)健和可靠的通信
PLC 實際上是所有采用電力線作為通信通道的技術的一個通稱。因此，PLC 實際上包括了多項標準，這些標準專注于與特定應用和工作環(huán)境（表 1）相關的不同性能因素和問題。G3 和 PRIME 是其中最著名的兩項標準。在諸多標準中，總的說來 G3（或與其類似的 IEEE P1901.2）更多地關注穩(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 標準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用項目青睞的選擇。
IEC61334、PRIME、G3 和 IEEE P1901.2/G3-FCC
?
??
IEC61334 S-FSK
??
PRIME (OFDM)
??
G3 (OFDM)
?P1901.2 / G3-FCC
(OFDM)
?調制規(guī)格
?擴頻移頻鍵控
?DBPSK / DQPSK/D8PSK
?DBPSK / DQPSK/ (D8PSK)
?DBPSK/DQPSK/D8PSK/
相干調制
?前向糾錯
?不可用 (N/A)
?速率?卷積碼
?外部 RS + 內部速率
?卷積碼
?外部 RS + 內部速率
?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）
?可擴展至 250 kbps
?頻段規(guī)劃
?CENELEC-A
?連續(xù) 42 至 89 kHz
（為 LV 場合而定義）
?36 至 91 kHz（具有用于 SFSK 的音調掩蔽）
?CENELEC-A，F(xiàn)CC 頻段
?ROBO 模式
?無
?無
?有
?有
?音調掩蔽
?無
?無
?有
?有
?自適應音調映射
?無
?有
?有
?有
?MAC
?IEC61334 MAC
?PRIME MAC
?802.15.4/G3 模式
?基于 802.15.4 標準
?匯聚層
?IEC61334-4-32
?IEC61334-4-32/IPv6
?6LoWPAN/IPv6
?6LoWPAN/IPv6
?計量表應用
?COSEM/DLMS
?COSEM/DLMS，IP
?COSEM/DLMS，IP
?COSEM/DLMS，IP
?表 1：電力線通信 (PLC) 實際上包括了多項標準，這些標準專注于與特定應用和工作環(huán)境相關的不同方面和問題。
作為一項標準，G3 的演進是由 G3 聯(lián)盟負責管理的。在歐洲，G3 工作于 CENELEC-A 頻段 (3～95 kHz)，并可在其他國家擴展到整個 FCC 頻段以提供較高的數(shù)據(jù)速率。G3 為雙向通信標準，具有 20 kbps 至 40 kbps（在 CENELEC-A 頻段）和高達 200 kbps 至 400 kbps（在整個 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 IPv6 的支持使得 G3 能夠以一種高效的方式匯聚 IPv4 和 IPv6 設備與網(wǎng)絡。
G3 采用正交頻分復用 (OFDM) 調制，可提供針對干擾和衰減的高度適應性。因此，它能夠在中壓變壓器之間穿越時實現(xiàn)最遠距離達 6 英里的可靠通信。另外，該標準還可在橫跨低壓和中壓 (LV/MV) 變換時實現(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很重要的性能，對于低人口密度的鄉(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一個集中器完全無法實現(xiàn)必要的密度，因此增加這個集中器是得不償失的。
G3 專為解決該問題而設計，其允許 PLC 信號穿過低壓變壓器并分配至中壓線路。這使得能夠將集中器放置在其可從多得多的位置聚集數(shù)據(jù)的地方，從而改善實現(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 還構成了 ITU G.9955（G.9956 用于 G3 MAC）標準的附錄 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）。最終的標準預計將于 2012 年底之前制定完成。其他與 OFDM 相關的標準包括 G.9955/9955 主體（即 G.hnem）。
為了支持數(shù)據(jù)速率的增加和覆蓋范圍的擴大，G3-FCC 采用了相干調制選項。實際上，當通道能夠通過使用導頻信號進行可靠估測時，就可使性能相比于差分調制有所改善。G3-FCC 支持面向 Robo 模式、BPSK、QPSK、8PSK 和 16-QAM 的相干解調，并可提供高達 5 dB 的增益。與相干調制有關的已知難題包括晶振漂移以及如何在一個 AC 周期之內控制通道變更。
G3 以外的其他標準
在尋找最適合的 PLC 實現(xiàn)方案的過程中，許多國家已經(jīng)開始了自己的評估工作，就是對 G3 在特定地區(qū)的常見噪聲操作條件下的工作狀況進行特性分析。 比如在韓國，許多電纜都是埋設在地下的。當時，韓國政府認為可以通過這些電纜來使用寬帶 PLC 技術。然而，當在地下使用時，寬帶的可靠性受損。對于此類工作條件來說，諸如 G3 等窄帶實現(xiàn)方案更為適合。
雖然不少國家已圍繞 G3 實施標準化（特別是法國），但有些國家（如西班牙）則選擇了其他的技術，例如：PRIME。不過，真正的標準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 展開標準化的特殊跡象。因此，那些能夠制造支持多種標準之產(chǎn)品的 OEM 廠商將處于可更好地利用這些新興市場商機的有利位置。
德州儀器 (TI) 提供了一種可實現(xiàn)本文第 2 頁表 1 中的所有標準的 PLC 平臺。除此之外，TI 還提供了 PLC-LiteTM，作為一種采用 PLC 技術的非標準型、較低成本且非常靈活的方法。由于它不是一項固定標準，因此開發(fā)人員能充分利用 PLC-Lite 的靈活性以針對特定的通道特性優(yōu)化實現(xiàn)方案，從而在那些 G3 和 PRIME 技術會因為線路上的干擾需要進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）。它專為提供針對某些類型干擾的更強穩(wěn)健性而設計，包括會影響 G3 鏈路的窄帶干擾。其包含一個簡單的 CSMA/CA（載波偵聽多點接入/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)界標準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，在運行時可配置，符合 CENELEC 標準
?CENELEC A 全頻段
?帶寬
?23 kHz
?47 kHz
?采樣頻率
?500 kHz
?250 kHz
?數(shù)據(jù)/標頭符號持續(xù)時間
?2.24 ms
?2.24 ms
?前置碼持續(xù)時間（每個）
?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 每條鏈路的實現(xiàn)成本遠遠低于 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 適合于對成本非常敏感的環(huán)境，以及那些不需要 G3 和 PRIME 的復雜性、但仍然需要一條穩(wěn)健通信通道的應用。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節(jié)音量一樣，并不是每一種應用都需要 PRIME 和 G3 的先進功能和數(shù)據(jù)速率。例如：PLC-Lite 是適合家庭網(wǎng)絡內部的簡單燈泡或墻壁開關的理想解決方案，在此場合中幾個 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)絡設備等。憑借一種可提供在噪聲環(huán)境中實現(xiàn)可靠運作所需穩(wěn)健性的低成本方法，它在許多應用中皆提供了重要的價值。其優(yōu)化的內存占用和計算性能要求使開發(fā)人員能夠借助 PLC 通信來實現(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特的集成水平）。
工商網(wǎng)監(jiān)
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