室內(nèi)低壓電力線1～30MHz頻段信道特性

康 信 龍，張 義，王 輝，金 基 宇，李 鵬，王 智 森

（大連工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116034）

0 引 言

電力線是生活中最為普及的傳輸線路，如果能用來進(jìn)行通信信號(hào)傳輸，其將成為智慧城市與智慧家庭建設(shè)過程中速度快、成本低、最有效的通信實(shí)現(xiàn)手段。電力線通信（Power Line Communications，PLC）技術(shù)就是指利用電力線傳輸數(shù)據(jù)的一種通信方式。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展，促使人和物都成為了感知認(rèn)知和被感知認(rèn)知的主體，語言和思考不在單純是人類才有的特征，規(guī)模如此復(fù)雜龐大的網(wǎng)絡(luò)和數(shù)量如此繁多的終端都需要高效可靠的通信網(wǎng)絡(luò)支撐，而電力線通信憑借電力線網(wǎng)絡(luò)廣泛的存在性，低廉的成本，高效的部署方式為解決物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)困難提供了最有效的潛在方案。國(guó)外研究者基于理想化的工程環(huán)境建立了電力線通信信道模型，分析了電力線傳輸過程中存在的電抗特性匹配［1］與頻率選擇性衰落［2－4］問題。我國(guó)室內(nèi)電力線施工時(shí)電力線集褶、回折現(xiàn)象較多，線材一致性與均勻性不佳，很難達(dá)到歐美電力線施工質(zhì)量，另外，我國(guó)對(duì)低壓電器設(shè)備電磁兼容性控制和管理也并不如歐美、日本嚴(yán)格，低壓電力網(wǎng)的電磁污染要比發(fā)達(dá)國(guó)家更為嚴(yán)重。非理想環(huán)境引入的電抗不匹配會(huì)增加信號(hào)的反射，此外還會(huì)加重頻率選擇性衰落。因而結(jié)合我國(guó)實(shí)際工程環(huán)境確定合適的信道模型參數(shù)是非常重要的。作者主要研究的是室內(nèi)低壓電力線通信信道在1～30 MHz頻段的信道特性問題。

圖1表明了通信系統(tǒng)的一般模型框圖［5］，其中信道在PLC技術(shù)中是指承載信號(hào)傳輸?shù)碾娏€。

圖1 通信系統(tǒng)一般模型Fig.1 General model of communication systems

從占用頻率帶寬的角度來看，PLC 技術(shù)可分為窄帶PLC 與寬帶PLC。窄帶PLC，其數(shù)據(jù)速率小于1 Mb／s，目前技術(shù)比較成熟，而且已有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)載波頻率進(jìn)行了規(guī)定［6］。配電網(wǎng)和家用電力網(wǎng)進(jìn)行寬帶通信的研究在20世紀(jì)90年代興起，同時(shí)，研究人員對(duì)電力線信道特性，調(diào)制技術(shù)和通信協(xié)議的研究較為深入，這些研究工作促成了寬帶電力線通信的集成電路開發(fā)和電力線通信系統(tǒng)相關(guān)協(xié)議的編寫。寬帶PLC 的載波頻率范圍，歐洲ETSI標(biāo)準(zhǔn)為1.6～10 MHz（接入網(wǎng)）和10～30 MHz（室內(nèi)），在美國(guó)為4～20 MHz（HomePlug Specification v1.0），主要用于戶內(nèi)，中國(guó)尚無寬帶PLC的國(guó)家級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［7］。

目前國(guó)際上對(duì)高頻PLC 信道特性研究比較多，例如Tanaka［8］研究了日本電力線在頻段10～500 MHz 范圍內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的信道特性，Arzberger等［9］研究了德國(guó)低壓配電網(wǎng)特性。德國(guó)學(xué)者Klaus Dostert對(duì)電力線技術(shù)進(jìn)行深入研究與總結(jié)，在通過實(shí)際測(cè)試后對(duì)電力線信道進(jìn)行了建模。

國(guó)內(nèi)一些學(xué)者也展開了電力線信道方面的研究，如孫社文等［10－12］闡述了理論建模與特性，蔡偉等［13－14］分析了衰減與噪聲特性。仔細(xì)分析上述文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)研究一般基于數(shù)學(xué)分析與理論模型推導(dǎo)，而從實(shí)際應(yīng)用測(cè)量方面來講，未進(jìn)行測(cè)試或測(cè)試頻段較低。

基于以上分析，為了獲得我國(guó)室內(nèi)低壓電力線信道特性，作者選擇了室內(nèi)低壓電力線1～30MHz頻段進(jìn)行實(shí)際的信道特性測(cè)量與模型分析。

1 信道測(cè)量

1.1 測(cè)試模型

實(shí)驗(yàn)采用國(guó)內(nèi)外最常使用的截面積為2.5mm2的單股硬銅線，長(zhǎng)度為l＝90m，接近室內(nèi)電力線鋪設(shè)實(shí)際長(zhǎng)度，測(cè)試電路模型示意圖如圖2 所示，由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生掃頻信號(hào)，頻段為1～30 MHz，信號(hào)發(fā)生器為安捷倫N5182A，其有效頻率范圍為100kHz～6GHz，為便于分析對(duì)比，使發(fā)射信號(hào)功率為0。信號(hào)的接收端為頻譜分析儀，頻譜分析儀為泰克RSA3408B 實(shí)時(shí)頻譜分析儀。其工作頻率范圍為100kHz～8GHz，最大掃頻寬度為36 MHz。測(cè)試時(shí)設(shè)置掃頻范圍為1～30 MHz。溫濕度測(cè)試采用手持式測(cè)試儀Krestrel4000。目的在于監(jiān)測(cè)測(cè)試時(shí)的溫濕度，保證測(cè)試時(shí)溫濕度的偏差范圍不大，進(jìn)一步提高測(cè)試準(zhǔn)確性。

測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在頻譜分析儀內(nèi)，測(cè)試結(jié)束后將數(shù)據(jù)取出使用MATLAB工具進(jìn)行分析。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)模型圖Fig.2 Model of measuring system

1.2 測(cè)試方法

測(cè)試分為兩個(gè)方面進(jìn)行，第一，裸銅線測(cè)試；第二，帶有PVC 絕緣皮的測(cè)試。測(cè)試內(nèi)容包括：固定頻率，考察導(dǎo)線長(zhǎng)度變化對(duì)信道特性的影響；固定長(zhǎng)度，考察頻率變化對(duì)信道特性的影響。此外考察不同導(dǎo)線間距D、PVC 材料以及距地面不同高度H對(duì)信道衰落的影響。通過對(duì)比得出影響電力線高頻信號(hào)衰落的主要因素。

2 信道測(cè)量結(jié)果及分析

2.1 噪聲測(cè)試

由圖1 可知，接收端信號(hào)為信號(hào)與背景噪聲［15－17］的和，為簡(jiǎn)化分析過程，首先進(jìn)行噪聲分析。測(cè)試時(shí)，對(duì)于同一測(cè)試點(diǎn)，首先不加入信號(hào)，獲得噪聲數(shù)據(jù)，其次接入信號(hào)獲得噪聲與信號(hào)的混合數(shù)據(jù)，兩次數(shù)據(jù)圖如圖3所示。

可見噪聲的功率值相對(duì)于所發(fā)射的信號(hào)來說較小，分析信號(hào)與噪聲差異最小的1～10MHz頻段發(fā)現(xiàn)，信號(hào)深衰落值最大為－40dB，而噪聲最大值為－40dB。

圖3 信號(hào)與噪聲對(duì)比圖Fig.3 Signal－to－noise comparison chart

圖3中紅色區(qū)為信號(hào)衰落的空間分布，底層由黃色過渡到深藍(lán)色為噪聲的空間分布，對(duì)比可見信號(hào)衰落與噪聲相關(guān)性不明顯?；诖?，可為后續(xù)分析建立簡(jiǎn)化條件。

2.2 裸銅線測(cè)試與分析

測(cè)試時(shí)將硬銅線的絕緣皮PVC去掉，將其制作成90m 平行直線回路。實(shí)際測(cè)試時(shí)為觀察距地面距離對(duì)信道的影響，分為貼近地面H＝0與距離地面平均高度H＝45cm 兩個(gè)方面進(jìn)行，

在測(cè)試H＝45cm 時(shí)，平行線依靠自制的絕緣硬卡片進(jìn)行間距控制，如圖4所示。將D分為1、3、5、7、10cm 等不同距離變量進(jìn)行測(cè)量。平行導(dǎo)線間距分別代表室內(nèi)實(shí)際布線環(huán)境中可能出現(xiàn)的情況，在導(dǎo)線上進(jìn)行信號(hào)采樣的步長(zhǎng)為1m。

圖4 絕緣硬卡片F(xiàn)ig.4 Insulation hard card

圖5是裸銅線在1～30 MHz時(shí)距地面高度H＝0時(shí)的測(cè)量結(jié)果，由電纜長(zhǎng)度、頻率、衰落值繪制的三維圖可以看出信號(hào)衰落深度隨著導(dǎo)線長(zhǎng)度與頻率增加而加深。固定頻率時(shí)，考察衰落隨長(zhǎng)度變化發(fā)現(xiàn)同一頻率信號(hào)在不同的長(zhǎng)度值上衰落起伏較大，在20～40m 與70～80m 區(qū)間出現(xiàn)了兩段明顯的深衰落區(qū)。固定長(zhǎng)度時(shí)，考察隨頻率的變化衰落的變化，發(fā)現(xiàn)不同頻率信號(hào)在同一長(zhǎng)度上衰落隨頻率升高而加深。

圖6為在導(dǎo)線上選取固定長(zhǎng)度l，觀測(cè)在此長(zhǎng)度值上具有代表性的1～10 MHz信號(hào)的衰落情況，由圖可以看出1～3 MHz頻段內(nèi)各截取點(diǎn)的信號(hào)衰落趨勢(shì)較一致，3～10 MHz頻段信號(hào)衰落開始出現(xiàn)分化。

圖5 信道特性隨導(dǎo)線長(zhǎng)度與頻率變化情況圖Fig.5 Figure of channel characteristics with the wire length and frequency changes

由圖5與圖6分析可知，低頻段與長(zhǎng)度值較小時(shí)，衰落變化幅度劇烈，高頻段與導(dǎo)線長(zhǎng)度值較大時(shí)，衰落幅度較大，波動(dòng)幅度較小，波峰波節(jié)點(diǎn)呈現(xiàn)周期性變化。

圖7 與圖8 中給出了裸銅線距離地面高度H＝45cm 時(shí)導(dǎo)線間距不同時(shí)的空間衰落分布圖。圖7導(dǎo)線間距D＝1cm，信號(hào)衰落除隨頻率與導(dǎo)線長(zhǎng)度增加而加深外，在1～25 MHz頻段范圍內(nèi)，深衰落區(qū)的出現(xiàn)呈現(xiàn)周期性，在固定長(zhǎng)度時(shí)，深衰落區(qū)出現(xiàn)的頻段間隔隨著頻率增高而減小；固定頻率時(shí)，深衰落區(qū)數(shù)量隨著導(dǎo)線長(zhǎng)度增加而增加。

圖7 導(dǎo)線間距為1cm 時(shí)的衰落分布圖Fig.7 Fading figure when spacing of wire is 1cm

圖8中給出了導(dǎo)線距離地面平均距離為H＝45cm、導(dǎo)線間距D＝10cm 時(shí)的測(cè)試結(jié)果。由圖可知，導(dǎo)線間距增大帶來的直接影響是衰落增加，且深衰落區(qū)頻段范圍變寬，衰落區(qū)出現(xiàn)的周期個(gè)數(shù)在減少。

圖8 導(dǎo)線間距為10cm 的衰落分布圖Fig.8 Fading figure when spacing of wire is 10cm

圖7、圖8中只有導(dǎo)線間距不同，其他測(cè)試條件一致。通過比較可以看出在低頻端以長(zhǎng)度為變量時(shí)，架空平行導(dǎo)線雖然間距不同但信號(hào)衰落趨勢(shì)較為一致，如各圖中右側(cè)紅色區(qū)域；以頻率為變量時(shí)在單一長(zhǎng)度上信號(hào)呈現(xiàn)有規(guī)律的衰落變化，且隨著間距增大信號(hào)衰落逐漸加深，如圖8中左側(cè)的黃色區(qū)域。

對(duì)比圖5、圖6與圖7、圖8可知，導(dǎo)線距離地面高度變化對(duì)衰落影響較小，導(dǎo)線間距變化對(duì)衰落影響較為明顯。

2.3 帶有PVC絕緣皮測(cè)試與分析

在導(dǎo)線上間隔1m 處將PVC護(hù)套去除，作為信號(hào)注入與采樣點(diǎn)如圖9 所示。測(cè)試結(jié)果如圖10所示。

圖9 去除PVC護(hù)套的測(cè)試點(diǎn)示意圖Fig.9 Test points of removing remove PVC sheath

圖10 不同長(zhǎng)度時(shí)1～30 MHz信號(hào)衰落情況Fig.10 1－30 MHz signal fading at different length

取得90組數(shù)據(jù)，圖10為截取導(dǎo)線長(zhǎng)度為l＝1、10、20、50、75、90 m 處6組典型數(shù)據(jù)模擬實(shí)際使用中可能出現(xiàn)的分接點(diǎn)繪制的代表性圖形。由圖可以得出，隨著長(zhǎng)度增加，信號(hào)衰落程度加深，1m處最大衰落僅為7dB，90m 處衰減已增大到28dB，長(zhǎng)度對(duì)衰落影響明顯。由圖10（a）可以看出，當(dāng)l＝1m 時(shí)信號(hào)的衰減呈現(xiàn)類似阻尼震蕩的效果，最大衰減7dB；圖10（d）為l＝50m 時(shí)，全頻段衰落趨勢(shì)相當(dāng)于l＝1m 時(shí)的1～15 MHz區(qū)間的放大，衰落范圍為0～16dB，波峰波節(jié)交替出現(xiàn)，每一波峰－波峰、波節(jié)－波節(jié)間距固定為1.7 MHz；圖10（e）為l＝75m 時(shí)，全頻段衰落趨勢(shì)相當(dāng)于l＝50m 時(shí)的1～15 MHz區(qū)間的放大，衰落范圍為0～18dB，波峰波節(jié)交替出現(xiàn)，每一波峰－波峰、波節(jié)－波節(jié)間距固定約為4 MHz；圖10（f）為l＝90 m 時(shí)，全頻段衰落趨勢(shì)相當(dāng)于l＝75m 時(shí)的1～10 MHz區(qū)間的放大，衰落范圍為0～28dB，波峰波節(jié)交替出現(xiàn)，每一波峰－波峰、波節(jié)－波節(jié)間距固定約為13 MHz。

經(jīng)過上述分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)信號(hào)在導(dǎo)線中傳輸時(shí)，無論對(duì)于裸線還是帶有絕緣護(hù)套的導(dǎo)線來說，信號(hào)隨著頻率、導(dǎo)線長(zhǎng)度的增加衰減也在有規(guī)律變化和增加，長(zhǎng)度因子相對(duì)于高度以及間距和PVC的影響更為明顯。

3 信道模型參數(shù)確定

信號(hào)s（t）通過信道傳輸，傳輸函數(shù)為H（f），噪聲信號(hào)為n（t），噪聲主要包括背景噪聲、窄帶噪聲、脈沖噪聲。圖11中給出了室內(nèi)低壓電力線通信信道模型的典型組成［18］。圖中模型可用公式表述為：

式中：r（t）為信宿端接收到的信號(hào)，s（t）為信源端發(fā)送的信號(hào)，h（t）為表征信道特性的脈沖響應(yīng)，n（t）代表加性噪聲。

圖11 室內(nèi)低壓電力線信道模型Fig.11 Indoor low voltage PLC channel model

在導(dǎo)線中將N個(gè)反射信號(hào)混合的基本功能可以用脈沖響應(yīng)來描述：

式中：系數(shù)τi代表反射波的延時(shí)，因子ci是反射信號(hào)的衰減，通常由導(dǎo)線長(zhǎng)度與頻率決定。式（2）通過傅里葉變換可以計(jì)算出相應(yīng)的傳遞函數(shù)：

在基于國(guó)內(nèi)的現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，式（3）中的ci根據(jù)多信道調(diào)查結(jié)果，可以得到：

式中：li為電纜長(zhǎng)度，ai為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的權(quán)衡因子，代表沿著第i條反射路徑和傳輸因子的乘積。將多徑傳播和取決于頻率和長(zhǎng)度的衰減結(jié)合，并輔之以相位速度np，（PVC 相對(duì)介電常數(shù)εr＝4時(shí)）最終得到一個(gè)完整的傳輸函數(shù)：

考慮1～30MHz高頻通信時(shí)趨膚效應(yīng)［19－20］與絕緣材料對(duì)信號(hào)衰落的影響a（f）修正為：

m0、m1、k都是常數(shù)。已有模型未給出適用于我國(guó)工程環(huán)境的參數(shù)值，當(dāng)仿真路徑數(shù)選為3時(shí)，結(jié)合測(cè)試數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算可知m0＝0，m1＝1.56－9，k＝1。如表1所示。

表1 仿真參數(shù)值Tab.1 Simulation parameters

在確定如表1所示的合適的ai，li，ti后，計(jì)算出式（5）的值，為便于對(duì)比觀察，與圖10（f）繪制在同一幅圖（圖12）上。

圖12 信道仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比圖（l＝90m）Fig.12 Comparison of channel simulation and measured（l＝90m）

可以看到測(cè)量曲線與仿真曲線的趨勢(shì)十分吻合，存在數(shù)值偏差是因?yàn)檫h(yuǎn)處的反射衰減為零，通過增加路徑數(shù)可以使仿真精確性更加接近測(cè)量值。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上計(jì)算出的信道參數(shù)符合我國(guó)實(shí)際工程環(huán)境。

4 結(jié) 論

針對(duì)國(guó)外信道模型參數(shù)無法適用于國(guó)內(nèi)的現(xiàn)狀，進(jìn)行了現(xiàn)有一般工程環(huán)境的模擬，實(shí)施了頻率，長(zhǎng)度與信道特性的相關(guān)性測(cè)試，觀測(cè)了1～30MHz頻段時(shí)電力線長(zhǎng)度、間距、絕緣材料等對(duì)于信道衰落特性的影響，通過相對(duì)完整的測(cè)試數(shù)據(jù)，計(jì)算得到了關(guān)鍵信道參數(shù)m0＝0，m1＝1.56－9，k＝1。利用參數(shù)進(jìn)行仿真并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證了所計(jì)算的參數(shù)的正確性。為電力線通信技術(shù)開發(fā)和工程應(yīng)用提供了可用的仿真參數(shù)。

［1］ZIMMERMANN M，DOSTERT K.The low voltage power distribution network as last mile access network－signal propagation and noise scenario in the HFrange［J］.AEU International Journal on Electronics and Communications，2000，54（1）：13－22.

［2］ZIMMERMANN M，DOSTERT K.Frequency hopping spread spectrum modulation for digital communications over electrical power lines［J］.IEEE Journal on Selected Areas in Communications，1990，8（4）：700－710.

［3］ZIMMERMANN M，DOSTERT K.An analysis of the broadband noise scenario in power line networks［C］／／Proceedings of the 4th International Symposium on Power Line Communications and Its Applications.County Limerick：Limerick Press，2000：131－138.

［4］ZIMMERMANN M，DOSTERT K.A multipath model for the power line channel［J］.IEEE Transactions on Communications，2002，50（4）：553－559.

［5］樊昌信，曹麗娜.通信原理［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008：2－3.

［6］齊淑清.電力線通信（PLC）技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2005：66－69.

［7］楊剛.電力線通信技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011：1－5.

［8］TANAKA M.Transmission characteristics of a power line used for data communications at high frequencies［J］.Consumer Electronics，IEEE Transactions on，1989，35（1）：37－42.

［9］ARZBERGER M，DOSTERT K，WALDECK T，et al.Fundamental properties of the low voltage power distribution grid［C］／／Proceedings of the 1997International Symposium on Power Line Communications and its Applications.Essen：IEEE ISPLC，1997：45－50.

［10］孫社文，王聰.低壓電力線信道理論模型研究［J］.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，9（3）：1－5.

［11］房曙光.低壓電力線通信信道特性［J］.繼電器，2007，35（22）：53－56.

［12］耿煊，李永輝.低壓電力線通信的信道特性分析及模型研究［J］.電力系統(tǒng)通信，2004（4）：19－21.

［13］蔡偉，樂健，靳超，等.電力線載波通信信道建模技術(shù)綜述［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40（10）：149－154.

［14］李豐，田海亭，王思彤，等.低壓電力線窄帶載波通信信道阻抗與衰減特性的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量及分析［J］.電測(cè)與儀表，2011，48（7）：90－96.

［15］鄭建偉，劉華，蔡敬群.現(xiàn)場(chǎng)低壓電力線噪聲對(duì)載波通信的影響分析［J］.陜西電力，2013（8）：85－87.

［16］趙云峰，汪曉巖，徐立中，等.低壓電力線噪聲分析與建模［J］.電力系統(tǒng)通信，2003（1）：31－34.

［17］王喬晨，郭靜波，王贊基.低壓配電網(wǎng)電力線高頻噪聲的測(cè)量與分析［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2002（1）：18－21.

［18］栗寧，楊福生.電力線通信［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2003：163－164.

［19］石東平，唐祖義，陳武.趨膚效應(yīng)的理論研究與解析計(jì)算［J］.重慶文理學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，28（5）：18－21.

［20］雷桂林，曲紅斌.趨膚效應(yīng)的理論解釋［J］.甘肅科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，17（1）：28－29.