电力线通信技术.pdf

普通高等教育“十一五”国家级规划教材 电力线通信技术电力线通信技术 杨 刚 等编著 Publishing House of Electronics Industry 北京BEIJING 北京市李史山胶印厂内 容 简 介 本书从电力线的传输网络特性出发，首先讲述电力线数据通信中的主要问题和研究方向，包括信道建模、调制方案等；然后通过对国内外相关标准的理解，解析构建电力线通信系统的基础技术；最后，重点以国家智能电网为背景，描绘电力线通信技术在智能电网中的巨大应用前景。本书思路清晰，生动活泼，既充满了前沿性的展望，也不乏严谨的论证；不仅可以作为高等院校相关专业的教学用书，还可供从事电力线通信相关工作的技术人员、管理人员参考。本书配有ppt教学课件，读者可以登录华信教育资源网（）免费注册后下载。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据 电力线通信技术杨刚等著；北京：电子工业出版社，2011.1 ISBN 978-7-121-12241-5 I.电 .杨 .电力线载波通信系统 .TM73 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2010）第 218184 号 策划编辑：田宏峰 责任编辑：窦 昊 特约编辑：刘 涛 印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编 100036 开 本：7871 092 1/16 印张：11 字数：218 千字 印 次：2011 年 1 月第 1 次印刷 印 数：4 000 册 定价：33.00 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。服务热线：（010）88258888。III 前 言 电力线通信系统是采用电力线传送数据的一种通信方式，具有用户多、分布广、不需要重新布线等优点，可以作为实现网络通信的有效手段，也是未来国家四网融合目标的旗帜性突破，更是国家电网战略部署的现实需要，不仅全方位地补充和完善了我国的通信平台，而且提升了我国在物联网技术上的全球竞争性和前沿性。挑战，是机会的温床。在传感器网络技术快速崛起的今天，电力线通信技术不仅仅是其他无线通信的“润色”，更将会成为一个无法取代的存在！无论是遍及千家万户的家庭电网，还是分布在天圆地方的高压电线，电力线的传输不再局限于电气信号，还承载着华夏民族，乃至全球人民的感知欲望。电力线通信技术，依然是一个陌生而又成熟的存在，因为它离我们的生活近在咫尺，却又远不可及。本书作者长期从事电力线通信技术的理论研究和实践开发工作，在西安电子科技大学开课授业也已 6 年，根据学生的学习反馈情况和电力线通信技术的发展情况，对电力线通信技术有着新的了解和认识。作为一项新兴的通信技术，电力线通信技术虽然在国外开展较早，但相关专著、教材种类依然较少，而且总体上看，书籍更新速度远远跟不上技术的发展速度，无法满足研究人员和学者的需求。因此，作者结合历年来的理论研究工作和实际科研项目情况，整理编写了本书，希望通过图文并茂的解释，将大家带入电力线通信不一样的世界。为了让读者更好地学习电力线通信中的关键技术，融会贯通地掌握不同章节的知识要点，每一章都会有树状形式的“脑图”作为本章概要，提示本章内容，也希望读者能够根据这些“脑图”，举一反三，将知识永远凝聚在头脑中。本书介绍了电力线通信技术的基本理论和核心技术问题，共分为 9 章。第 1 章是导言，回顾了过去几年中，国内外电力线通信技术的研究动态和发展趋势；第 2 章描述了电力传输网系统及其特性，对电力网络的拓扑结构和通信带宽进行分析；第 3 章分析了电力线的信道特性，通过信道建模，构建电力线传输函数，是电力线数据通信的基础；第 4 章介绍了现有的电力线通信标准，展望即将和我们见面的 G.hn 标准；第 5 章论述了电力线通信中的 OFDM（Orthoganal Frequency Division Multiplexing）技术，这是未来通信技术的核心；第 6 章讲述了多种信道估计的方法，它是 OFDM技术中数据解调与均衡的基础；第 7 章通过讲解传输协议的使用、设备协调和家庭网关，整体构建电力线通信系统；第 8 章整理了智能电网的构架，重点讨论了中国智能电网的发展方向，独创性地阐述了智能电网传输系统和符合中国国情的电力线通信解 IV 决方案，列举了智能家庭网络系统和智能网关的概念框图，描述了未来家庭电力线通信的美好蓝图；第 9 章简述物联网的起源和发展，刻画了电力线通信技术在物联网下与众不同的应用前景。作者从 2006 年开始着手编撰本书，转眼已是四年，期间电力线通信技术快速发展着，如同穿梭而去的光阴一般。四年时光的反复修改和雕琢，让我不禁犹豫，是科技走得太快，还是自己渐渐地跟不上了它的脚步？现在回首，自己更像是一个爬山的远行者，总想先一步登上山顶感受旭日东升的壮观，却没有发现日出的光晕一直伴随着自己，在山脚下，在山路间。我一直以为最可怕的不是逝去的年华，而是奋不顾身的投入感。很庆幸，我还保有这样的激情，无论是踏过低潮，还是巅峰对话！感谢那些山脚下和山顶的人，你们是我最好的风景！参与本书编写的有胡金辉、徐田田、聂鹏鹏、肖宇彪、刘永亮、白楒锋等。还有许多老师、同学以不同的形式对本书作出了贡献，在此一并致谢。感谢我的博士导师之一，A.Wittneben 教授，是他将我带入了电力线通信（Powerline-Kommunikation）这一领域，并对我在德国的研究与生活给予了细致的指导与照顾。感谢电子工业出版社的田宏峰编辑为本书所做的辛勤工作。在本书即将付印之际，我们拿到了合作伙伴之一的某国际知名通信企业所提供的 Atheros AR7400 PLC Modem，作为当前国际最高水平的产品，其标称 PHY 层双向传输速率达到 500 Mbps！此外，获悉在 2010 年教育部新近审批设置的专业中，信息网络作为国家战略性新兴产业发展方向得到重点体现，有将近 40 所高校院系获批了包括“物联网工程”、“传感网技术”和“智能电网”三个物联网相关的专业。对于与这些专业密切相关的电力线通信技术，这是一个好消息。相信电力线通信技术将与其他技术手段一起，为“感知中国”、“智能电网”、“智慧地球”作出一份贡献，正春华枝俏，待秋实果茂，与君共勉。拙文共鉴，抛砖引玉，恳请各界领导、专家、同行多多批评指教。联系邮箱是 。作 者 2010 年 8 月 于西安 注：本书的动画蜗牛图标已进行了商标注册。V 目 录 第 1 章 导言1 1.1 国外电力线通信技术介绍2 1.2 我国电力线通信技术研究现状3 思考题5 第 2 章 电力传输网系统及其特性6 2.1 现行电力网络拓扑结构7 2.1.1 低压供电网的拓扑结构7 2.1.2 PLC 接入网的组织8 2.1.3 家庭内部 PLC 网络结构11 2.1.4 逻辑网络模型12 2.2 作为通信介质的电力网络分析14 2.2.1 PLC 信道带宽分类15 2.2.2 PLC 传输信道特点16 2.2.3 电磁兼容16 2.2.4 干扰的影响和速率限制19 思考题20 第 3 章 电力线数据通信基础21 3.1 信道特性分析22 3.1.1 信道的输入阻抗分析22 3.1.2 信道衰减特性分析24 3.1.3 信道噪声特性分析27 3.1.4 噪声建模方法29 3.2 信道建模37 3.2.1 时域模型38 3.2.2 传输矩阵模型39 3.3 对电力线衰减特性的具体测量与描述44 3.3.1 由电力线的长度引起的信号衰减45 3.3.2 分支造成的衰减46 VI 3.3.3 相同的长度和分支数情况下的衰减47 思考题47 第 4 章 电力线通信标准48 4.1 HomePlug49 4.1.1 HomePlug 1.0 概述49 4.1.2 HomePlug AV 概述55 4.2 G.hn61 4.2.1 G.hn 发展现状61 4.2.2 G.hn 家庭网络拓扑结构63 4.2.3 G.hn 家庭网络参考模型65 4.3 其他标准66 4.3.1 IEEE P190166 4.3.2 HomePlug BPL 与 HomePlug C&C67 4.3.3 HD-PLC69 4.3.4 PRIME69 思考题70 第 5 章 电力通信及通信系统的调制方案71 5.1 传统的载波调制方案72 5.1.1 ASK72 5.1.2 PSK73 5.1.3 FSK74 5.1.4 三种调制方案的简单比较75 5.2 OFDM 调制技术的研究76 5.2.1 OFDM 基本原理 76 5.2.2 多载波调制和 FFT77 5.2.3 OFDM 性能分析 79 5.2.4 OFDM 在 PLC 中的应用80 5.3 电力线载波芯片86 5.3.1 宽带 PLC 芯片86 5.3.2 窄带 PLC 芯片87 思考题91 第 6 章 信道估计92 6.1 信道估计的基本准则和算法93 6.2 基于导频的非盲信道估计93 VII 6.2.1 导频的分布形式93 6.2.2 信道估计准则94 6.2.3 内插方法95 6.3 基于判决反馈的信道估计方法98 6.4 盲信道和半盲信道估计98 6.5 其他信道估计方法99 6.5.1 基于 AVSF 算法的信道估计 99 6.5.2 基于自组织映射的循环平稳 PLC 信道的估计 101 思考题102 第 7 章 电力通信系统的构建103 7.1 电力线通信协议的设计104 7.1.1 协议模型分析104 7.1.2 低压电力线载波通信协议的设计107 7.1.3 MAC 层结构 110 7.2 设备协调121 7.2.1 耦合技术121 7.2.2 用户端设备124 7.2.3 局端设备126 7.3 基于电力线的家庭网关127 7.3.1 电力线家庭网关的功能127 7.3.2 电力线家庭网关的特点128 7.3.3 电力线家庭网关的设计要求128 7.3.4 电力线家庭网关的基本组成129 思考题134 第 8 章 智能电网概述135 8.1 智能电网的发展136 8.2 智能电网的构架139 8.3 中国特色智能电网及其意义141 8.3.1 中国智能电网的设计特点141 8.3.2 智能电网的意义144 8.4 智能电网中的电力线通信144 8.4.1 基于电力线通信的家庭电力系统服务145 8.4.2 智能电表147 思考题151 VIII 第 9 章 电力线通信与物联网152 9.1 物联网的起源和发展153 9.2 物联网中的电力线通信部署154 9.2.1 医疗卫生155 9.2.2 现场监控156 9.2.3 智能交通157 9.2.4 智能家居158 思考题161 参考文献162 第 1 章 导 言 前 言 这是一个幸运的时代，我们幸运得错过了飞鸽传书，错过了烽火狼烟，错过了漫长等待却只有片语只言，通信本来就不属于望穿秋水这样的字眼，更应该像一幅画卷，咫尺天涯却又近在身边。“下一代通信网络”是这个时代的缩影，我们遇见了用户需求的井喷，遇见了运营商的开放，遇见了电力线通信技术从默默无闻到炙手可热的成长。遇见便不再错过 本章概要 只要有心的跳动，就会有血的潮汐。2 电力线通信技术 电力线通信技术是采用电力线传送数据的一种通信方式。该技术将载有信息的高频信号加载到电力线上，用电力线进行数据传输，通过专用的电力线调制/解调器将高频信号从电力线上分离出来，传送到终端设备。从占用频率带宽的角度来看，电力线通信可分为窄带 PLC（NB-PLC）和宽带 PLC（BB-PLC）。窄带 PLC 的载波频率范围，在不同国家、不同地区是不一样的，美国为50450 kHz，欧洲为 3149.5 kHz（95 kHz 以下用于接入 Access 通信，95 kHz 以上用于户内 In-House 通信），中国为 40500 kHz。宽带 PLC 的载波频率范围