淺析四網(wǎng)合一與物聯(lián)網(wǎng)

丁兆碩　聶建華

摘 要：隨著時代的發(fā)展，科技的進步，以傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、信息處理技術(shù)為基礎(chǔ)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后掀起第三次科技信息浪潮。本文簡要介紹物聯(lián)網(wǎng)和四網(wǎng)合一的相關(guān)技術(shù)，并討論兩者之間的聯(lián)系。

關(guān)鍵詞：四網(wǎng)合一；物聯(lián)網(wǎng)；PLC；電力復(fù)合光纜；FTTH

1 物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)涵蓋多個領(lǐng)域，這些技術(shù)往往具有不同的行業(yè)標準與應(yīng)用方向。對物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)進行歸納和整理，可以將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概括為信息感知技術(shù)、信息傳輸技術(shù)、云運算與服務(wù)、管理和安全四大體系。

1.1 信息感知技術(shù)

感知識別技術(shù)位于物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架的最底層，是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)，它實現(xiàn)對現(xiàn)實世界信息的感知、采集外界信息并轉(zhuǎn)化為可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流。主要包括RFID、傳感器網(wǎng)絡(luò)、二維碼等。

傳感器網(wǎng)絡(luò)是由許多空間上的自動裝置組成，利用傳感器和多跳自組織網(wǎng)絡(luò)協(xié)議協(xié)作實現(xiàn)對區(qū)域范圍內(nèi)信息的監(jiān)控。但目前傳感器在檢測精度、穩(wěn)定性、成本、功耗等方面達不到要求，是發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的重要技術(shù)難題之一。

1.2 信息傳輸技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)化需要運用各種有線和無線通信技術(shù)，短距離無線通信技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的重點。物聯(lián)網(wǎng)終端一般采用2.4GHz ISM頻段（ITU-R定義，主要開放給工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療三個主要機構(gòu)使用）進行通信，工作在該頻段上的有無線局域網(wǎng)、藍牙、ZigBee等無線網(wǎng)絡(luò)。頻譜空間的擁擠是制約物聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模實際應(yīng)用的重要原因之一，切實提升頻譜保障能力是保證物聯(lián)網(wǎng)規(guī)模化應(yīng)用的前提?；ヂ?lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)信息傳輸和服務(wù)支持的基礎(chǔ)設(shè)施，以IPv6為核心通信協(xié)議的下一代網(wǎng)絡(luò)，為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供了良好的基礎(chǔ)條件保障。

1.3 云運算與服務(wù)

海量數(shù)據(jù)的處理與運算是物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模應(yīng)用后所面臨的重大挑戰(zhàn)之一。云計算（cloud computing）是基于互聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)服務(wù)的增加、使用和交付模式，它由一系列可以動態(tài)升級和被虛擬化的資源組成。虛擬化、信息存儲與計算能力分布式共享是云計算的核心，是海量信息高效利用的重要保證。

物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展最終是以應(yīng)用為目的，物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的服務(wù)內(nèi)涵有了革命性發(fā)展，如果采用以往的技術(shù)和思路必然約束物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。應(yīng)該從引領(lǐng)未來的角度出發(fā)，結(jié)合各個行業(yè)的標準，針對不同的應(yīng)用需求研究出相應(yīng)的規(guī)范化、通用化服務(wù)體系結(jié)構(gòu)。

1.4 管理與安全

物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)化必然會導(dǎo)致承載業(yè)務(wù)的多元化、規(guī)?；芾砑夹g(shù)是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)可控、可管理、可運行的先決保證。

物聯(lián)網(wǎng)將人們生產(chǎn)生活、社會經(jīng)濟活動、基礎(chǔ)性設(shè)施資源全面架構(gòu)在全球互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)上，實現(xiàn)理論上的虛擬化，物聯(lián)網(wǎng)的開放性、包容性、匿名性的特征必然會有嚴重的安全隱患。因此實現(xiàn)信息網(wǎng)絡(luò)安全是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)化的必要條件，也是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成熟的標志。

2 四網(wǎng)合一

2.1 四網(wǎng)合一基本概念

四網(wǎng)合一又稱為三加一技術(shù)方案，三表示電話、電視和互聯(lián)網(wǎng)三網(wǎng)，一表示電力網(wǎng)。三網(wǎng)合一在世界部分區(qū)域已經(jīng)進入初步運行階段，電力網(wǎng)絡(luò)又是世界上最普及、最大、最穩(wěn)定的有線網(wǎng)絡(luò)，因此如果利用現(xiàn)有的電力線網(wǎng)絡(luò)搭接電話、電視和物聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)，無疑會節(jié)約構(gòu)建和運營成本。

2.2 四網(wǎng)合一技術(shù)方案

（1）電力線通信（Power Line Communication，簡稱PLC）簡介。電力線通信作為一種寬帶接入技術(shù)利用電力線傳輸信號和數(shù)據(jù)的一種通信方式。在中高壓電網(wǎng)（35kV+）上使用電力載波機利用低頻率（9-490kHz）以低速率傳輸數(shù)據(jù)，在低壓領(lǐng)域PLC應(yīng)用于自動抄表、智能家居和負荷控制，其傳輸速率為1200bps甚至更低，故稱為低速PLC。如今低壓電力線通信技術(shù)的傳輸速率在1Mbps以上，由于該技術(shù)目前主要用于因特網(wǎng)訪問，又稱為電力線上網(wǎng)。

（2）電力線通信的設(shè)備和原理。在PLC系統(tǒng)中，通常在配電變壓器低壓輸出端配裝PLC主站，將寬帶信號與電力載波高頻信號進行相互轉(zhuǎn)換。PLC主站的一邊通過電感耦合聯(lián)接電力線路，導(dǎo)入和導(dǎo)出高頻PLC信號；另一邊通過以往的通信方式，如ADSL、Cable Modem和光纖等連接至互聯(lián)網(wǎng)。在用戶端，用戶的上網(wǎng)設(shè)備通過USB或以太網(wǎng)接口與PLC調(diào)制解調(diào)器連接，電話機通過RJ-11接口連接調(diào)制解調(diào)器，調(diào)制解調(diào)器可以安裝在插座內(nèi)，也可以在適當(dāng)?shù)牡攸c安裝中繼器用來放大信號避免信號衰減或干擾過大帶來的失真。

電力線上網(wǎng)采用的調(diào)制技術(shù)有多載波調(diào)制（DMT）、正交頻分復(fù)用（OFDM）、擴頻及常規(guī)的QPSK，F(xiàn)SK等。OFDM的信道利用率極高，窄帶帶寬也能傳輸大量數(shù)據(jù)，對抗頻率選擇性衰落和窄帶干擾能力出色，所以O(shè)FDM技術(shù)成為電力線上網(wǎng)技術(shù)取得突破性進展的重要原因之一。

（3）電力線通信的優(yōu)點和缺陷。終端配電網(wǎng)上存在著頻譜范圍很寬的噪聲源，例如開關(guān)、電器，計算機，對電力線通信信號影響很大，可以安裝濾波裝置進行濾除。電力網(wǎng)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)會引起多徑反射，導(dǎo)致信號的碼間串?dāng)_和選擇性衰弱，OFDM技術(shù)可以有效解決這一問題。電路的容性負載和阻抗會導(dǎo)致信號的衰減使接收端信號強度不能滿足要求，可以在電路網(wǎng)絡(luò)相應(yīng)位置安裝中繼器放大信號。電力網(wǎng)線阻抗波動劇烈，往往開關(guān)一盞燈都將到期整個線路阻抗的變化，這就需要安裝AGC（自動增益控制）電路加以改善。某些無線電設(shè)備和高速PLC共用同一頻段，如果發(fā)送功率大，電力線就會等同于發(fā)射天線而產(chǎn)生電磁污染影響其他設(shè)備正常工作，因此需要制定出相應(yīng)的技術(shù)要求進行避免。

（4）光纖到戶簡介。電力復(fù)合光纜是將電力線和光纖兩者復(fù)合成一種既可以傳輸電能，又可以傳輸電視、電話和互聯(lián)網(wǎng)信號的新型導(dǎo)線（Optical Fiber Overhead Wire，OFOW），電力復(fù)合光纜接入網(wǎng)也是FTTH的一種解決方案。光電復(fù)合公共傳輸系統(tǒng)的實施方案是通過對電力網(wǎng)絡(luò)的光纖復(fù)合化，把光纖網(wǎng)依托在電力網(wǎng)上，在一定程度減少公共資源的浪費。

（5）光纖到戶的設(shè)備與原理。光電復(fù)合系統(tǒng)由光路終端（OLT）、無源光纖分路器（POS）、光電網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（ONU）、電力復(fù)合光纜線路、光電復(fù)合轉(zhuǎn)換器件、光電復(fù)合網(wǎng)絡(luò)交換器、光電匯接盒合控制器組成。

光纖復(fù)合型架空地線（OPWG）工程是指把光纖架置在高壓輸電線中，用以建成輸電線路的光纖通信網(wǎng)。把10Kv以上電網(wǎng)線路中的B相線路和380V低壓線路的零線都改裝為電力復(fù)合型光纖傳輸導(dǎo)線（OFOW），并分別作為公共傳輸網(wǎng)的上行端和中繼線，對220V電力線改造，作為用戶接入網(wǎng)的客戶端。10kVOFOW上位端與110kV以上電壓等級的OPGW或者ADSS、OPPC等系統(tǒng)連接，下位端通過OFOW方式與10kV配電變壓器相連，傳送至變壓器的光纖信號通過光纖路由、交換器分離出來，然后與配電變壓器輸出端的380V光纖復(fù)合電力線路由接通，最后通過覆蓋居民小區(qū)、事業(yè)單位、企業(yè)工廠的光電復(fù)合網(wǎng)絡(luò)傳送至用戶端。在使用VLSI技術(shù)和DSP技術(shù)實現(xiàn)信息解調(diào)后，用戶通過一種特殊的光電復(fù)合插頭、光電復(fù)合插座獲得電力、電視、、電信和互聯(lián)網(wǎng)四種服務(wù)。

（6）光纖到戶的缺陷與優(yōu)點。OFOW導(dǎo)線光電傳輸在同一線纜內(nèi)完成；光纖通信要能承受電力傳送帶來的負荷溫升（光電傳輸互不干擾）；電纜的耐環(huán)境性能、彎曲性、敷設(shè)性、阻燃性均要達到相應(yīng)的規(guī)范，以上技術(shù)要求決定了光電纜標準高、成本高、維護難等特點。如何降低改造成本成為FTTH推廣首要解決的問題。

光纖到戶方案也有著無可比擬的優(yōu)點，光電纜具有很好的抗雷電、抗電磁干擾、抗環(huán)境腐蝕的特性，系統(tǒng)運行也十分穩(wěn)定。OFOW的高寬帶利用率，數(shù)據(jù)傳輸安全性高，傳輸過程中不會產(chǎn)生電磁輻射污染等等，這些優(yōu)點是PLC無可比擬的。

3 四網(wǎng)合一加速物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展

物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)傳輸依靠網(wǎng)絡(luò)，物聯(lián)網(wǎng)中的大多數(shù)的應(yīng)用需要網(wǎng)絡(luò)平臺的支持，物聯(lián)網(wǎng)中含有數(shù)目巨大的節(jié)點，因此物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用依賴于網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。四網(wǎng)合一成為未來發(fā)展的必然趨勢，并且四網(wǎng)合一的最終目的是提高信息產(chǎn)業(yè)的總體水平，而物聯(lián)網(wǎng)是以虛擬化信息服務(wù)為目標，因此四網(wǎng)合一為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供了切入點。四網(wǎng)合一為物聯(lián)網(wǎng)提供一個標準化的平臺，隨著四網(wǎng)合一的不斷推進，物聯(lián)網(wǎng)的具體應(yīng)用將會越來越多，它會逐漸的融入到人們的生產(chǎn)生活之中。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將會在信息傳輸、改善民生、降低成本、提高生產(chǎn)率等方面發(fā)揮重大作用，我們相信隨著物聯(lián)網(wǎng)的推廣、應(yīng)用和完善我們的生活會越來越美好，物聯(lián)網(wǎng)的春天向著我們走來。

4 小結(jié)

在未來的十年甚至數(shù)十年，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)必將引領(lǐng)科技浪潮和世界發(fā)展。當(dāng)帶有“智慧”的千百億傳感裝置都能夠接入互聯(lián)網(wǎng)時，我們將能可以聽到地球的脈搏。

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