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以OFDMA提升电力线通信的可靠性

2011-01-13 10:51
汉水狂客
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  在全球各地,中压(MV)电力传输网(1–35kV)覆盖了绝大多数区域。特别是在中国,这种电力传输网所覆盖的范围甚至超过无线通信。在地理区域上的覆盖面如此广阔,让人们想象到,中压电力传输网可以成为非常有价值的通信媒介。可是,目前中压电力传输网最初根本就不是以数据传输为目的而建设的,其中存在着非常剧烈的噪声、频率选择性衰减和干扰,并且各种状况随着时间的不同而差异很大,因而很难在其中实现数据通信。尽管如此,近期的技术进步已经使得中压电力传输网中的数据传输变得更加可靠、灵活,并且可以在更长的距离中实现。

  中压电力线数据通信有很多不同的应用,其中最重要的是远程监控,包括故障探测与控制,特别是远程自动抄表(Automatic Meter Reading, AMR)。理论上,简单的监控活动并不需要很高的数据传输速率,但实际上常见的情况是必须以重复传输的方式来提高远距离通信的可靠性。重复传输就会降低实际可用的数据传输速率。

  在北美、日本和中国,规定用于电力线通信的传输频率是500kHz 以下(低于无线AM),这基本上是合理可用的通信频段。本文就是讨论在这个频段上的电力线通信——窄带电力线通信(NB PLC)。

  电力线通信的技术挑战

  目前,在中压电力传输网中使用的窄带通信技术主要有三种:

  * 单载波调制,例如二进制相移键控(BPSK)和频率键控(FSK)

  * 正交频分复用(OFDM)

  * 直序扩频通信(DSSS)配合码分多址(CDMA)

  单载波调制电力线通信系统看上去很适合用来实现远程自动抄表(AMR),因为它本身具有的低成本优势。但是,在噪声和信号传输等问题没有得到解决之前,该技术很难实用化。可靠性问题主要是由于信道中的信号衰减和窄带干扰源引起。电力线通道中的情况极为复杂,为数据通信带来非常多困难。不幸的是,简单性是一般的窄带通信技术的固有特点,而这意味在复杂环境的通信信道中其总会显得十分脆弱。最近发展起来的技术,例如正交频分复用(OFDM)和直序扩频通信(DSSS)对于抵抗窄带干扰和多径效应十分有效,因而成为高速数据通信的理想方式。尽管OFDM已经在宽带通信领域应用很久,但直到最近才逐渐用于窄带的电力线网络中。这种技术在稳定性方面的特色也使其成为远程自动抄表网络的不错方案。

  在一个特定的智能电网中,设计通信方案要考虑的问题很多,并且各不相同。其中最关键的问题通常是网络拓朴结构和通信负载量。这也意味着,没有任何两个中压电力网完全相同。图1(a)和图1(b)分别呈现了中国河北省某个区域平常的典型状况和最坏的状况。为了提高在中压电力网中数据传输的可靠性,必须采用更先进的通信策略,以便克服噪音干扰以及某个频带临时性或者永久性阻塞。

  

  F1: 智能电网中的高噪声变化

  图1(a):低密度乡村居住区的噪声和信号振幅

  图1(b):高密度工业区的噪声和信号振幅

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