时间：2023-05-29 17:40:25
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇电力线通信，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
论文摘要：随着社会信息化程度的提高，网络已成为人们生活中不可缺少的一部分。网络接入带宽迅速提升，以适应大容量、高速率的数据、视频、语音等高质量的信息传输与服务。目前常用的宽带接入方式有电话拨号（即XDSL）方式、有线电视线路（CableModem）方式、双绞线以太网方式，随着科技的迅速发展，电力线通信已成为一种新型的宽带接入技术，并且有着良好的发展前景。
电力线通信简称PLC（PowerLineCommunication0）是利用配电网低压线路传输多媒体信号的一种通信方式。在发送时利用GMSK（高斯滤波最小频移键控）或OFDM（正交频分多路复用）调制技术将用户数据进行调制，把载有高频信息的高频加载于电流，然后再电力线上传输，在接收端先经过滤波器将调制信号取出，再经过解调，就可得到原通信信号，并传送到计算机或电话，实现信息传递。类似的电力线通技术信早已有所应用，电力系统中在中高压输电网(35千伏以上)上通过电力载波机利用较低的频率以较低速率传送远动数据或话音，就是电力线通信技术应用的主要形式之一，已经有几十年历史。
PLC接入设备分局段设备和用户端PLC调制解调器。局段负责与内部PLC调制解调器的通信和与外部网络连接。在通信时来自用户的数据进入调制解调器后，通过用户配电线路传输到局端设备，局端设备将信号解调出来，再转到外部的Internet。该技术不需要重新布线，在现有低压配电线路上实现数据、语音、和视频业务的承载。终端用户只需插上电源插座即可实现因特网接入，电视接收、打电话等。同样电力线通信技术也可应用于其他相关领域，对于重要场所的监控和保护，一直需要投入大量的人力和财力，现在只需利用电源线，用极低的代价更新原有监控设备即可实现实时远程监控。目前电力系统抄表,基本上主要依靠人工抄表完成。人工抄表的准确性、同步性难以保证。同时由于抄表地点分散，表记数量众多，所以抄表的工作量巨大。基于电力线路载波(PLC)通信方式的自动抄表装置，由于不需要重铺设通信信道，节省了施工及线路费用,成为现代电力通讯的首选方式，使得抄表的工作量大大减少。近年来居民小区及大楼朝智能化发展，现在的智能化建筑已经实现了5A。但是这些不同的系统自动化需要不同的网络支持；给建设和维护网络系统带来了巨大的压力。借助电力线通信技术，无论是监控、消防、楼宇还是办公或者通信自动化都可以利用电力线实现，便于管理和扩展。
电力线通信主要优势：
电力线通信有无可比拟的网络覆盖优势，我国拥有全世界排名第二的电力输电线路，拥有用电用户超过10亿，居民家里谁都离不开电力线；显然连接这10亿用户的既存电力线是提供上网服务的巨大物质基础。在广阔的农村地区，特别是那些电话网络不太发达的地区，PLC更有用武之地，毕竟电力网规模之大是任何网都不可比拟的。虽然这些地区上网短期需求量并不大，市场发展成熟较慢，但会存在电力线上网先入为主的局面，对PLC的长远发展和扩展非常有利。
电力线通信可充分利用现有低压配电网络基础设施，不需要任何新的线路铺设，随意接入，简单方便的安装设备及使用方式，节约了资源和费用，无需挖沟和穿墙打洞，避免了对建筑物和公共设施的破坏，同时也节省了人力，共享互联网络连接，高通讯速率可达141Mbps（将未通过升级设备可达200Mbps）。PLC调制解调器放置在用户家中，局端设备放置在楼宇配电室内，随着上游芯片厂商14M产品技术相对成熟。PLC设备整体投入不断下降，据调查当前14M的PLCModem产品其成本已降到普通的ADSL接入猫相仿的水平，而局端设备则更便宜。由于一般一个局端拖带PLC调制解调器的规模为20-30台，因此随着用户的增长，局端设备可以随时动态增加，这一点对于运营商来说，不必在设备采购初期投入巨大的资金。因此也有宽带网络接入最后一公里最具竞争力的解决方案之称。
电力线通信的缺点
传输带宽的问题。PLC与电话线上网从本质上讲并没有区别，都是利用铜线作为传输媒质，铜线上网的最大问题是不能解决传输带宽问题。虽然14M的产品已经成熟，但电力线上网是共享带宽，若同一地区多个用户同时上网则数据传输速度将会相应降低，如何保证用户能够获得足够带宽成为挑战噪声安全性问题。由于电力网使用的大多是非屏蔽线，用它来传输数据不可避免的会形成电磁辐射，从而会对其它无线通信，如公安部门或军事部门的通信造成干扰；再次电力线上网存在不稳定的问题，家用电器产生的电磁波对通信产生干扰，时常会发生一些不可预知的错误。与信号洁净特性恒定的Ethernet电缆相比，电力线上接入了很多电器，这些电器任何时候都可以插入或拆开，并机或关闭电源。因而导致电力线的特性不断变化，影响网速。
衰减问题。与以太网接入或者ADSL接入不同，尽管PLC接入可以选择家庭内任意电力插座联接到Internet，但是就目前而言，由于衰减因素仍然存在，不同接入点的带宽是不一样的，如果家庭比较大，那么在最远处接入，带宽衰减将非常明显。其次大部分情况下，PLC数据需要通过电表传输，带宽往往在这里产生非常大的衰减，这成为PLC的技术瓶颈之一，有专家表示主要问题在于电表的设计，而不是PLC自身的技术因素，但由于电表是既有产品，不可能对其大规模换用，所以只能通过PLC产品自身技术来克服PLC衰减问题。
目前我国在沈阳及北京多个小区开通了多个PLC接入试验网络，主要以2M和14M带宽接入为主。由于法律、服务、技术指标等影响，还没有大规模的商用PLC系统投入使用。随着科技的进一步发展，相关技术将逐步得到有效解决。最近国电科技推出的200Mb/sPLC接入方案具有布线简单，电磁辐射低，价格便宜等优点，在接入带宽及稳定性方面有了重大突破，具有强大的市场竞争力和广泛的市场前景。电力线通信技术毕将得到广泛应用发展。
1.1噪声干扰强而信号衰减大
突发性噪声（由于用电设备的随机断开或者随机接入而产生）、周期性噪声（由脉冲干扰而产生）、背景噪声（在整个通信频带均有分布）是三种主要影响到电力线载波通信的噪声。
1.2通信信道的频率选择性
由于低压配电网中存在着噪声强度大、噪声种类多、负荷情况复杂、负载变化随机、负载变化程度大等特点而导致信号出现驻波、谐振、反射等现象，或多或少都会造成信号被衰减，因此，通信信道务必要具有较强的频率选择性。
1.3通信信道的时变性
由于载波信号在低压电力线是不能均匀分布的，再加上在低压配电网的任意位置，不同的电力负载可以不同的电力负载，这样一来，就让通信信道出现较强的时变性。
2低压电力线通信技术概述
2.1电力线载波通信技术分类
通常而言，电力线载波通信可分为两大类，分布是窄带电力线载波通信（通信速率小于1Mbit/s，带宽限制为3-500kHz）和宽带电力线载波通信（通信速率大于1Mbit/s，带宽限制为2-30MHz）。基于频带传输技术来看，电力线载波通信可分为扩频传输和频带传输。主要的扩频传输包括：OFDM（正交频分复用）、DSSS（直接序列扩频）、调频等，其中，OFDM（正交频分复用）的应用最为广泛。OFDM（正交频分复用）是一种高速传输技术，多用于无线环境下，它的思想是在将给定信道在一定的频率内将其分成若干个正交子信道，一个子载波来调制一个子信道，各子载波并行传输。这样一来，虽然总信道是有频率选择性，非平坦的，但是每个子信道是相对平坦的，可让信号波形间的干扰得到大幅度降低，且还会让频谱利用率得以提高。再加上信息传输的可靠、稳定性可以通过信道编码、前向纠错、自动重发、交叉纠错等技术来予以保证，所以，OFDM（正交频分复用）目前已经成为了主导的电力线通信方式。
2.2低压电力线载波通信技术难点
由于大范围的线路阻抗、线路衰减，低压电力线载波通信技术也存在着一些较难解决的技术问题，这就需要我们加强研究自适应均衡、自适应滤波等一系列模拟前端技术，同时，还要进一步研究在穿越变压器和变压器跨相方面的低压载波通信技术等，这些都离不开对外干扰标准的制定。低压电力线载波通信实现低价格、高性能的关键在于制造、设计出性能稳定的专用芯片，这也是目前微电子行业需要努力的方向。
3低压电力线载波通信组网方式
众所周知，低压电力线网的物理结构、网络拓扑结构较为复杂，就存在着较多的时变性和未知性，这样一来，就很难让低压电力线完成组网应用工作。本文希望能够利用一种简单的方法来将网络的逻辑拓扑结构找到。这种方法从主载波节点开始，将网络中的全部从载波节点都找遍，最终找出孤点，以便能够将网络逻辑拓扑结构予以确定。假设此网络中的从载波节点有a个，主载波节点有1个，那么基本步骤如下：
（1）主载波节点将测试轮询包向a个从载波节点发出。假定接收到测试轮询包并回复的从载波节点有b个，那么就能够将那些会与主载波节点进行直接通信的从载波节点在第一时间内找出。如果a=b，那么轮询过程就会自动结束。
（2）1-b个载波节点将测试轮询包向剩余的从载波节点发出，假定接收到测试轮询包并回复的从载波节点有c个，那么就能够将那些会与主载波节点进行直接通信的从载波节点在第一时间内找出。如果c=0，那么说明剩下的节点为孤点，既不能连接第一层从载波节点，又不能直接连接主载波节点，那么轮询过程就会自动结束。如果0<c<(a-b)，那么又会再次按照前述程序来将测试轮询包向剩余的从载波节点发出，直到c=0为止。如果c=(a-b)，那么则说明可以间接或者直接将全部让载波节点与主载波节点相连，那么轮询过程就会自动结束。基于此算法可以将一组网络节点的逻辑拓扑结构找出，不是唯一的通信路径，而只是一种中继策略。
4仿真实验与结果分析
为了对这种逻辑拓扑结构算法的有效性和可行性进行有效地严重，利用载波机来将测试网络搭建好，对子节点位置、节点总数、中继节点、网络层数等进行人为改变，然后对此逻辑拓扑结构建立完成所花费的时间及各种不同情况下轮询次数进行统计计算。结果表明：一次点对点轮询的时间通常为0.5s。
5结语
目前国内外对于PLC的应用中，主要分为两种不同的模式。一种是以美国为代表的一些国家所使用的户内联网技术，这种方式是利用室内电源线，来实现家庭内部的计算机联网以及各电器之间的智能联网，户外的访问则使用较为传统的通信模式。另一种应用模式则广泛应用于欧洲以及亚太地区的用户，主要是户外的接入模式，利用220伏或是380伏的线路来实现从楼内的总配电室接到每个用户的接入方式，从而使配电变压器能够高速地传入到用户家庭。这两种通信技术的使用环境不尽相同，且户外接入模式相对而言有较高的难度，因此目前能够提供出这种方案的公司数量不多，PLC技术应用大致分为以下几种：
1.1家庭用上网
家庭用上网是目前电力线通信技术应用最为广泛的领域之一，我国的电力线光纤已经覆盖了各大城市，在不久的将来更将会覆盖到全国城市。2001年5月，国家信息产业部也正是批准了国家电力通信中心的ISP申请，允许电力通信中心在全国的范围内经营网络用户接入以及电信增值的业务。
1.2家庭自动化
家庭自动化是PLC技术在未来发展中最具有潜力以及开发空间的应用领域之一。人们可以将冰箱、电视、电脑、空调等家用电器通过电力线来实现联网控制，伴随着PLC技术的不断发展，极具想象力的家庭自动化电气设备必然能够为人们将来的生活带来极大的便捷。
1.3自动化抄表
电力线通信技术在局部范围内的覆盖面极广，所以利用电力线通信技术来实现电表、水表以及煤气表的自动抄表已经成为了人们正在着力研究的课题之一。
二、电力线通信技术的优势
人们的工作和生活居住的房间都会有电线的插座，即使在偏远的山村地区，也会优先发展电力产业，这一切都使得民用电力线路能够成为最为方便且普及的联网方式。对于每一个家庭来说，电力网络都是不需要重新搭建而是现成就有的，所以在应用PLC技术的过程中投资相对较少。家庭组网的最终目的就是为了能够控制家电设备，在家电电子设备上加装一根网络线是非常困难的，所以目前人们正在着力研究解决方案，而PLC技术几乎成为了人们的必然选择。与其他几种网络接入方式相比，PLC技术具有以下明显的优势：
2.1投资较少
PLC是利用已有的室内移机楼内的配电线路来进行通信的，楼内任何一个插座都可以成为通信的节点。这样一方面能够有效地避免大规模综合布线所造成的投资，另一方面还可以避免因开通率低以及信息点布设不合理所造成的浪费。
2.2工程实施过程简单
在工程实施的过程中，电信商可以充分利用室内现有的低压配电网基础来实现网络接入，从而避免了室内布线、挖沟、穿墙以及打洞等过程，不需要对建筑物或工程设施进行破坏，从而大大增加了施工的进度。
2.3使用方便
与通常意义上的只有一个接口的以太网或是ADSL网络相比，安装了高速PLC通信技术的用户可以在家庭中任意一个电源插座上进行宽带连接实现上网，操作使用更加方便。6M的宽带足够人们使用语音、数据以及图像等业务。
2.4支持多种应用同时使用
PLC技术能够为用户提供一种价格低廉但却高速的因特网访问、电话宽带业务，使用户的上网以及通话都有了新的使用方式，大大提高了运营商的企业竞争力。
2.5为用户提供新业务平台
关键词:PLC;直接序列扩频;调制;FPGA
中图分类号:TN911 文献标识码:B
文章编号:1004-373X(2010)03-114-02
Design of Power Line Carrier of Spread Spectrum Communication Modulator
ZHANG Rongjuan,LIU Damao
(College of Physics & Information Engineering,Fuzhou University,Fuzhou,350002,China)
Abstract:Power Line Carrier(PLC) is the tendency in the automatic meter reading system.By means of PLC,extra communication channels are no need in signal transmission,cutting the cost of building communications network,with real economic benefits.However there are many difficulties in communication through power line,such as sharp signal attenuation,high noise,time-varying impedance.Designing a powerful PLC modem becomes a challenge in the communication field.An implementation of direct-sequence spread spectrum system transmitter is presented,which is designed with Verilog HDL language.
Keywords:PLC;direct sequence spread spectrum system;modulation;FPGA
直接序列扩频通信系统中,接收端与发送端必须实现载波同步、PN码同步,才可以正常工作。同步系统是扩频通信的关键技术。通常扩频通信系统的解调电路很复杂,本系统为了使解调电路简单化,采取基带信号速率与扩频码元周期同步同速的特殊措施,省去了解调电路中复杂的载波恢复电路。
1 本扩频系统的调频解调原理
调制端的输出信号如下式:
u(t)=g(t-nTc)SPN(t-nTb)cos(ωt+φ0)
式中:g(t-nTc)为基带信息;SPN(t-nTb)为PN码;cos(ωt+φ0)为载波;ω为载频;φ0为初相。
在实际电路中,Щ带信号g(t)和扩频码SPN(t)都是0或1的信号。因此,u(t)的输出可以通过g(t)和SPN(t)У哪2加的结果对载波进行BPSK调制实现的。
解调端的输出信号如下:
u(t)=
S′PN(t-mTb)g(t-nTc)•
SPN(t-nTb)cos(ωt+φ′0)
由于解调端产生的PN码S′PN(t-mTb)与接收信号中SPN(t-nTb)同步,所以,上式简化为:
u(t)=g(t-nTc)cos(ωt+φ′0)
本系统的载波,PN码和基带信号的速率来自于同一个时钟源,而且载波频率和PN码频率都是基带信号速率的整数倍,所以系统在解调端获得PN码同步的同时,也获得了载波的同步。
2 系统总体设计及参数选择
本系统设计其顶层采用图形设计方式,各模块基于Verilog HDL设计。图1为系统模块图。
图1 系统模块图
基带数据的码速率为0.806 Kb/s,PN码速率为25 Kb/s,基带信号与PN码相异或输出信号去调制载波产生BPSK信号,载波的中心频率为100 kHz。本系统调制电路各部分的时钟源参数依据系统框图选择,晶振频率是50 MHz,以上各部分的时钟经分频后得到。
3 模块设计及实现
3.1 分频模块
本系统发射的基带数据速率是0.806 Kb/s,PN码的频率是25 kHz,正弦波的频率是100 kHz,所以整个系统所需的时钟为50 MHz,PN码所需的时钟是25 kHz,基带信号所需的时钟是0.806 Kb/s。为了更好地实现同步,后面两者分别经过16×125分频,31×16×125分频得到,分频器通过编程实现。时序仿真如图2所示。
图2 分频器时序图
3.2 PN码发生器模块
采用最大长度线性反馈移位寄存器(m序列)生成扩频码字,其本原多项式如下:
f(x)=x5+x2+1
PN发生器的时序仿真如图3。产生的25-1位PN码为:
[1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 ]
3.3 直接序列扩频模块
直接序列扩频的实现比较简单,用PN码与信息序列模二相加(波形相乘),对基带信息进行扩频调制。本设计采用31位的PN码,需要满足如下关系Tc=31Tb(Tc为基带信号周期;Tb为PN码周期)。扩频调制的时序仿真如图4所示。
图3 PN码的时序仿真图
图4 扩频调制时序仿真图
3.4 BPSK调制模块
本系统数字正弦发生器采用了直接数字频率合成(DDS)技术。DDS由相位累加器、相位加法器、波形存储器(ROM)组成。其中,ROM中存放经过采样、量化处理后的周期连续信号一个周期波形的幅度值[1]。在具体实现中ROM表采用了10位,即1 024个采样点。利用DDS产生100 kHz的载波,对扩频信号进行调制。
因此,在本设计中,BPSK的调制通过对扩频模块产生的序列对两路相移为180°的正弦波进行选通来调制,在前面利用DDS产生了两个正弦波的ROM表,通过扩频序列对两张表的数据进行选通,则所输出波形能够实现BPSK调制。
在本设计中,扩频信号与BPSK调制信号的对应关系为:“1”对应180°;“0”对应0°。所以,当数据为1时,选择正弦波的初始相位为180°;当数据是0时,选择正弦波的初始相位是0°,这是通过Verilog编程实现的。
4 系统联合仿真
对各个子模块设计仿真完之后,把各个模块进行级联仿真调试。顶层模块采用原理图输入法,该方法具有直观清晰的特点。系统级联图如图5所示。
图5 系统级联图
系统级联的时序仿真如图6所示。
图6 系统级联的时序仿真图
5 结 语
在FPGA芯片上实现了直接序列扩频发射系统,由于所有模块都集成在一个芯片中,提高了系统的稳定性和可靠性。且由于FPGA是一个完全的硬件构架,其中的电路全部由与非门实现,比用传统的扩频系统处理速度更快,并且系统可以通过编程来修改升级,具有很大的灵活性。最后,因载波频率和PN码频率都是基带信号速率的整数倍,所以,系统在解调端获得PN码同步的同时,载波也获得了同步,这样就大大降低了后端解调器的复杂度,具有实用价值。
参考文献
[1]阎飞,颜德田.基于DDS 芯片的信号发生及调制器的设计[J].微计算机信息,2009,25(5):252-254.
[2]张岩奇,李欣.利用FPGA实现直接序列扩频码的发射[J].哈尔滨理工大学学报,2008,13(5):54-56,69.
[3]何世彪,谭晓衡.扩频技术及其实现[M].北京:电子工业出版社,2007.
[4]王兴亮.数字通信原理与技术[M].2版.西安:西安电子科技大学出版社,2003.
[5][美]纳瓦毕.Verilog数字系统设计――RTL综合、测试平台与验证[M].2版.北京:电子工业出版社,2007.
[6]黄载禄,殷蔚华.通信原理[M].北京:科学出版社,2007.
【关键词】海洋通信;电力线载波;ST7538;FSK
1.引言
可控源电磁（CSEM，Marine Controlled-Source Electromagnetic）勘探系统是一种应用于深水区油气勘探的重要技术手段。其基本方法是通过水面船只拖曳水下电磁发射源，对分布于海底的探测网基点发射大功率周期性的电磁波。通过测量含油气岩层的电阻率来寻找油气的高阻异常。[1]
海洋通信无法简单实现陆上使用的无线电通信，水面船只和水下拖体之间的通信手段大多还依赖于有缆通信。而电力线载波通信（PLC，Power Line Communication）是一种通过电力线实现通信的技术。它最大的特点是在现有电力线缆的基础上进行通信，不需要重新铺设缆线。因此，将电力线载波通信应用于可控源电磁勘探系统的水下通信，能有效降低工程成本，具有不可替代的优越性。
2.PLC调制技术
电力线载波通信发展至今，主要有频移键控（FSK）和相移键控（PSK）两种调制方式。其中PSK调相方式调制速率高、速度快，技术实现简单，但抗噪声能力差，一旦相位受到干扰，数据无法容错;相对而言FSK调频方式虽对窄带脉冲噪声比较敏感，但在增加有效滤波的条件下，能实现较高的通信速率，而且调制也相对简单、容易实现。[2]典型的FSK调制解调芯片如意法半导体（SGS-THOMSON）公司的ST7538系列芯片，通信波特率可达4800bps。
3.通信系统硬件设计
3.1 芯片选型
（1）调制解调芯片ST7538
ST7538是意法半导体公司在电力载波芯片ST7536、ST7537基础上推出的又一款半双工、同步/异步FSK电力线载波通讯modem芯片，具有8个工作频点（60KHz～132.5KHz），接收灵敏度可达1mVRMS，通信波特率最高可达4800bps。另外该芯片还具有过零检测、看门狗、集成运算放大器等功能。几乎所有功能都可通过对内部24bit寄存器编程进行配置。因此，是一款性能高，功能全的电力线载波调制解调芯片。
（2）主控芯片STM32
此系统中选用的主控芯片采用意法半导体公司基于ARM Cortex-M3的STM32系列增强型32位处理器芯片STM32F103VCT6（后简称STM32），此芯片为100脚贴片封装，且绝大部分I/O引脚兼容5V TTL电平。STM32F103VCT6采用3.3V低功耗供电，具有256K的FLASH和48K的RAM，最高工作频率最大为72MHz，I/O口工作频率可达50MHz，且外设功能丰富，集成有5个USART串口和3个SPI串行通信接口，能很好地满足设计需求[3]。
3.2 系统硬件设计
图1 系统硬件模块图
电力线载波通信系统硬件包括数据发送端和数据接收端两部分。
在数据发射端，水上控制台的PC端将命令和数据通过UART异步串口通信发送给主控芯片（STM32）单片机，通过ST7538将命令和数据调制成正弦FSK信号，信号从ST7538的ATOP1和ATOP2引脚以差分输出，耦合进载波发送滤波电路滤除杂波，滤波后的信号经耦合变压器耦合进电力缆线进行传输，中间加入防冲击保护模块，防止电力线尖峰电压对信号调制部分造成破坏。
在数据接收端，在水下拖体内，载波信号经耦合变压器输入接收滤波电路，同样加上防冲击保护设计，经过接收滤波电路去除电力线上的杂波。滤波后的载波信号输入ST7538的模拟输入端RAI，经ST7538解调出水上控制台发送的命令和数据并数字输出，通过串行异步通信接口发送给主控芯片读取出来，通过UART异步串口通信发送给水下控制台。
3.3 接口设计
图2 ST7538的SPI通信接口设计
STM32和ST7538之间硬件采用I/O引脚模拟的三线SPI串行接口（MISO，MOSI，SCK）相连接，并辅以CD_PD、REG_DATA、RXTX、REGOK、WD和BU六根控信号线实现STM32对ST7538的控制、状态监测和两者之间数据交换（见表1所示）。
值得指出的是，本设计中硬件连接接口采用模拟三线SPI串行接口，在软件实现中，ST7538要求读写寄存器必须使用三线（RXD、TXD、CLR/T）的SPI同步通信，而在初始化ST7538时可将其设置为异步通信模式，在接下来的数据传输中将采用对ST7538同步时钟依赖性相对较低的两线（RXD、TXD）异步通信方式。
此外，在三线模拟SPI同步串行通信中，ST7538必须作为主机，主控芯片STM32作为从机，即通信时钟由ST7538提供。
4.通信系统软件设计
4.1 软件流程设计
左：发送模块程序流程图 右：接收模块程序流程图
图3
系统上电后先进行初始化，包括STM32单片机初始化和ST7538的寄存器配置初始化;初始化完成后，将通信模式设置成异步收发模式（RXD，TXD）;之后接收端开始监听载波接收模块的数据接收引脚RXD探测端，看是否接收到数据，如果监听到有数据传来就接收数据并存入缓冲区;检测到接收一帧数据完成，就判断接收到的数据是否符合校验;若符合便通过串口将接收到的数据发送至计算机终端;若不符合，则舍弃数据帧并报错，转入错误处理程序部分，处理完成继续监听接收信道。
在发送端，在初始化完成以后，将通信模式设置成异步收发模式，单片机监听串口是否接收到数据，如果接收到正确的数据，则进入中断接收存入数据缓冲区，并添加校验位，然后根据设计的载波帧格式对缓冲区数据进行打包，在检测到载波发送空闲时进行载波发送，发送完成后即进入新一轮的监听。
4.2 IO口模拟SPI通信设计
SPI通信是一个主从模式的全双工环形总线结构，由CS、SCK、MISO、MOSI四条线组成，时序比较简单，是在SCK控制下，两个移位寄存器进行循环数据交换。
主控芯片STM32和电力线载波调制解调芯片ST7538之间采用SPI三线（RXD，TXD，CLR/T）同步接口连接。为了达到精确控制的目的，我们采用普通I/O引脚来模拟与ST7538之间的SPI通信。由于STM32是3.3VTTL电平，因此所选STM32引脚还要与5VTTL相兼容。
用I/O口模拟的关键是根据ST7538的通信特性，即通信中ST7538作为主机，主控芯片STM32按主机时钟对数据进行移位收发：即时钟上升沿锁存或读取数据，时钟下降沿刷新数据，并且读写都是高位优先（MSB）输出[4]。下面以写寄存器为例，给出I/O口模拟SPI的代码如下：
void Receiver_Reg_Init（u32 data）
{
u8 i=0;
SPI_CR_WRITE（）; //写寄存器模式
delay_us（100）; //模式切换时间
while（PDin（7） ！= 0）; //确保时钟处在空闲状态
for（i=0;i<24;i++） //配置寄存器24个bit
{
if （ data & 0x800000 ） //MSB
{ PBout（6）=1; //MISO=1
}
Else
{
PBout（6）=0; //MISO=0
}
data<<=1;
while（PDin（7） ！= 1）{}; //等待SCK上升沿
while（PDin（7） ！= 0）{}; //等待SCK下降沿
}
SPI7_DATA_RECEIVE（）; //回到接受模式
}
5.实验结果
通信实验是按照图1设计的单收单发的载波通信回路，调制信号从发送端经发送滤波电路滤波后差分输出，经耦合变压器耦合至电力线，在接收端经耦合变压器耦合出来，输入接收端的接收滤波电路。所使用的耦合变压器是使用外径65mm，内径40mm的环形铁氧体铁芯，按照阻抗匹配[5]绕制，初级次级匝数比为17：1。为模拟传输信号衰减，在接收端对信号做了-10dB的衰减，测量图像如图4左图所示。其中，下线为载波发送波形，上线为接收端收到的波形。接收数据在串口调试助手中显示如图4右图所示。在未加电磁屏蔽条件下，此回路通信正确率不低于23dB。
左：载波图像 右：串口显示的接收数据
图4
6.小结与展望
本文使用电力线载波芯片ST7538，完成了一套简单易实现的用于可控源电磁勘探系统的电力线载波通信设计。该设计可以实现波特率600～4800，载波频点60～132.5KHz八频点可选的载波通信。为可控源电磁勘探系统，乃至所有拖缆式海洋通信提供了一种更为简单有效且成本较低的通信方式。
本系统选用的ST7538调制解调模块有8个有效通信频点，这也决定了系统的可拓展性，即在系统一收一发的载波频点基础上，可以通过增加载波频点，应用滤波多音调制（FMT）和正交频分复用（OFDM）技术拓宽通信频带，以达到更高的通信速率[6]。这些将在后续工作中做进一步研究。
参考文献
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关键词：低压、载波、通信技术
【分类号】：TM73
前言
电力线载波通信（PLC）是电力系统特有的、基本的通信方式。对于低压配电网来说，利用电力线来传输用户用电数据，实现及时有效收集和统计，是国内外公认的最佳方案。但在早期的实际应用中，由于我国电网环境恶劣，电力线信道高衰减、强干扰和波动范围大等特点，导致数据采集的成功率和实时性不能完全满足实际通信的需求。近年来，随着许多新兴的数字技术，例如扩频通信、数字信号处理和网络中继拓扑等技术的大力发展，提高和改善低压配电网电力载波通信的可用性和可靠性成为可能，电力载波通信技术的应用前景变得更为广阔。
1.低压电力线载波通信的发展情况
我国的电力载波通信起步较晚，但发展迅速。最早展开研究的是1997年由中国电力科学研究院进行的对我国低压配电网传输特性和参数的测试和分析。到90年代末期，针对国内电网特性而设计的载波处理方案的制定使得早期产品在稳定性上逐步接近实用。2000年我国开始引进国外的PLC芯片，2000年末，国家电力部公司颁布了关于利用电力线载波集中抄表技术的若干条件。国家电力公司国电通信中心于2001年初成立了电力线通信推广办公室。2001年底，成功开发了“电力线高速数据通信：技术的核心产品――电力调制解调器及多个相关产品。2002年初，国家电力公司通过电力线上网的试验，小区用户反映良好。近些年来，对低压电力载波通信进行了大量研究，并取得了一定的成果。但是目前国内的相关法律潜还不健全，如何充分发挥开发和利用宝贵的电力网络资源，实现低压电力载波通信高速、安全和大规模的应用，仍需要很长一段时间的研究和摸索。
2.系统基本原理
该系统由三个部分组成：终端设备部分、管理中心部分和低压电力线部分。
系统以低压电力线作为信号传输的媒介，实现终端设备和主控计算机之间的双向或单向通信。终端设备的信号经过采集等处理后再调制成适合电力线上传输的电力信号，通过耦合电路耦合到电力线上进行传输。由于衰减太大，该电力信号不能直接跨越变压器进行远距离传输，一定程度上限制了系统的通信距离。所以管理中心部分和终端设备部分通常处在同一变电站范围内。管理中心有专门的接收设备，对接收的电力信号先进行解调及其它处理，再通过GPRS或者串口方式将其送到主控计算机。主控计算机会通过程序做进一步的分析和处理，从而实现了主控计算机对终端设备的监测。同样，主控计算机也可以通过逆向路径实现对终端设备的控制。
3.在国内的应用
低压电力线载波通信技术无需占用无线频道资源、无需布线、省工省钱、维护简单的优点。随着社会的发展和电力网络的开放，低压电力载波通信技术在我国的应用越来越广。目前其典型的应用包括家居智能化领域、自动抄表领域以及新型智能化小区领域等等。
在现代社会，随着城镇居民数量不断增多，各个居民小区的数量也不断增加。为实现小区管理自动化、通信自动化和安全自动化，因此利用低压电力载波通信技术无可比拟的优越性，设计出各种系统，如水、电、气的远程抄表及供应管理系统、停车场管理系统、公共信息显示系统、室外监控系统等等。
设备监控或报警系统和自动抄表系统很相似，唯一的区别在于系统的核心设备是电力载波模块，而且该系统能实现实时的双向通信。在上行通信时，电力载波模块负责监视各个终端设备（如传感器、控制器等），并将其状态信号进行调制处理后耦合到低压电力线上。在远处的接收端，同样有一个载波模块，负责接收来自下面各个载波模块的信号并分别对其进行解调等处理后上传至主控计算机中。如果发生异常或紧急情况，主控计算机会立即发出控制信号，通过相同的路径向下传输，最终实现对终端设备的控制或报警功能。
其实，对于各种商用大厦、办公大厦、酒店和宾馆等，低压电力载波通信技术同样具有广泛应用前景。
4.结论
低压电力载波通信技术已经逐渐成为通信领域的研究热点，具有巨大的市场潜力和广阔的应用前景。
参考文献
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[2]张丹彤，辛国强.低压电力线载波通信系统的研究及应用[J].吉林工程技术师范学院学报，2007，23（9）：44-46.
关键字：试验平台；OFDM；耦合器；放大器
中图分类号：TN914.4 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2009）01-0112-03
已有的研究表明，电力线是一种复杂的通信媒体――无处不在的噪声、负荷变化及一些不可预测的干扰都会严重影响信号传输的质量。要保证通信质量，提高通信速率，选择合适的调制方式是一个关键问题。传统的单载波调制系统不适用于高速数据传输，因为需要对信道进行多级均衡，设备复杂且收敛性差。多载波频分复用（OFDM―Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术，以其抗干扰能力强、带宽利用率高、结构简单、成本低等优点，为实现高速低压电力线载波通信提供了一个有效的解决方案。
一、OFDM定义
正交频分复用是一种正交多载波调制技术。传统的数字通信系统中，符号序列被调制到一个载波上进行串行传输，每个符号的频率可以占有信道的全部可用带宽。OFDM调制方式是将可用的频谱分成N个频带较窄、相对低速率传输的子载波，子载波的幅频响应相互重叠和正交。串行传输的符号序列也被分成长度为N的段，每段内的N个符号分别调制到N个子载波上一起发送。也就是说，OFDM是把一组高速传输的串行数据流化为低速的并行数据流，再将这些并行数据调制在相互正交的子载波上，实现并行数据传输。虽然每个子载波的传输速率并不高，但是所有的子信道加在一起可以获得很高的传输速率。
二、OFDM系统的技术优势
采用OFDM实现高速低压电力线载波通信主要有以下的技术优势:
（一）OFDM的结构简单，成本低
与一般均衡器相比，利用离散傅立叶变换（DFT）对并行数据进行调制、解调，大大降低了系统实现的复杂程度。随着超大规模集成电路（VLSI）和数字信号处理（DSP）技术的不断进步，用DFT实现OFDM已付诸实用。
（二）能够有效地消除ISI及子载波间的串扰
正交频分复用OFDM本质上是一种通过延长传输符号的周期来克服多径干扰的并行数字调制技术。它将高速串行数据分解为多个并行的低速数据，这样每路数据码元宽度加长，从而减少了ISI的影响。例如，一个10Mbps的BPSK码元的长度只有100ns，而一般电力线中的时延扩展为1μs，这样接收到码元会受到10个延时码元的干扰；OFDM将信道频带划分为100个子载波，每个子载波的单位码元的长度为10μs，从而大大提高了抗ISI的能力。
（三）有效地降低电力线的衰减特性对载波通信的影响
作为一种信息传输媒介，低压电力线亦具有射频信道的多径效应，从而带来信号的频率选择性衰减。OFDM将频率选择性衰减引起的突发性误码分散到不相关的子信道上，从而变为随机性误码。这样可利用一般的前向纠错(ECE)有效地恢复所传信息。然而，OFDM本身并不能抑制衰减，各子载波在频域内的位置不同，受到不同程度的衰减影响。OFDM可以根据信道特性进行子信道分配，这样就能够保证信号只在误码率能够满足通信要求的频带范围内传输。
（四）频谱利用率高
OFDM使用正交函数系列作为子载波，子载波的频谱正交且相互重叠，可使载波间隔达到最小，从而提高了频带的利用率。如图1所示，OFDM信号的频谱非常接近矩形，因此频带利用率可接近香农信息论的极限。在低压电力线载波通信中，单载波系统的频带利用率很少超过80%，而OFDM系统的效率则可接近100%。
三、低压电力线OFDM 通信系统平台总体设计
在低压电力线载波通信中，将OFDM 技术与信道编码、均衡、同步、解码等技术相结合，可以组建一个比较稳定可靠的高速通信系统。为了建成一个基于OFDM 的低压电力线载波通信实验平台，考虑软件模块和硬件模块相结合的总体方案。采用软件模块在PC 机上实现发送信息的编码、调制、解调、解码过程，由硬件模块实现信号的数模和模数转换、信号的放大耦合以及信号的上下变频。发送信号经过宽频带功率放大器后由耦合器耦合到低压电力线中进行传递。本文中设计的低压电力线OFDM 系统平台如图2所示，主要由两大模块组成，软件模块实现信号的处理，硬件模块实现信号的转换和传递。
（一）OFDM系统设计
从信源发出的信号首先经过级联编码，在本系统中，级联编码由卷积码和RS码级联而成。经过编码的信号进入映射模块，采用DQPSK将信号调制成复信号。将这些复信号送入串并转换模块后变成N个子数据流进入到IFFT模块进入OFDM调制，得到OFDM码元。为了进一步抑制由信道的多径性引起的ISI，我们在得到OFDM码元之后在OFDM码元中插入保护间隔，实际的做法通常是将OFDM码元中最后的数据复制到OFDM码元前，然后形成一个新的OFDM码元滤波成形，最后发送到模拟前端。
将接收到的信号变成为数字信号，然后经过同步模块，得到整个系统的时间同步和频率同步后得到正确的OFDM码元组，将这些OFDM码元组中的循环前缀去除，然后送入FFT模块进行OFDM解调。然后将通过发射端插入的已知的导频符号进行信道估计和均衡，然后进行解映射和解码的步骤，得到相应的数据流。
为了达到高速数字通信的要求，系统的数据为2M，电力线信道的延时为2μs，则一般考虑取整个OFDM码元符号的保护间隔为6μs，取整个OFDM符号的时间为30μs，则每个OFDM符号所携带的bit数为数据速率和符号的有效时间之积，即2M*24μs =48bit。由于采用的卷积码的编码效率为1/2，则经过编码之后每个符号对应了96bit，而系统采用QPSK的调制方式，也就是2bit调制成一个复数信号，则每个OFDM符号必须携带48路复数信号，也就是在进行OFDM调制时需要将信号串并转换为48路并行的子数据流分别加载到48个子载波上，子载波的间隔为1/（30-6）μs =41.7kHz。系统除使用48个子载波加载数据之外，还使用8个子载波插入导频符号，作为信道估计和频率跟踪用，同时在两端流出8个子载波，一共使用64个子载波，则所使用的带宽为41.7k*64，约为2.67M的带宽。
（二）高频宽带功率放大器的设计
由于低压电力线网络是为了传送50Hz 工频电功率而设计的，它对于1MHz 以上的信号的输入阻抗很小。这意味着发送器需要提高发送功率，或者设计输出阻抗很小的放大器，才能达到将一定功率水平的信号发送到电力网络中去的目的。已有的试验结果表明，低压电力线网络的输入阻抗在几欧至几十欧之间。因此设计的放大器输出阻抗必须尽可能的小。
为了实现阻抗匹配，设计输入匹配变压器；使用耦合电容来传输高频信号，阻隔工频电流；采用MOSFET 管芯片 BLF177 实现宽带功率放大，通过直流电源电路来驱动 BLF177，同时采用去耦阻隔器阻隔来自电源的高频信号干扰，由于是高频信号，因此在设计中除了排除外来频率信号干扰外，还要考虑电路本身各个元件的高频特性的影响。
（三）低压电力线OFDM 系统的耦合电路设计
设计一个有效的低压电力线高速通信耦合电路，主要应该解决以下几个问题：
1.能够适应低压电力网开放式的网络结构及其动态多变的网络特性，保证以较低的介入损耗传输高频信号，同时阻止电力线50Hz 的工频电流进入通信终端。
2.提供足够宽的带宽，以及良好的阻抗特性和较小的工作衰减。
3.应考虑到实际应用，装置应尽量简易、经济，便于现场的安装使用。
低压电力线载波通信系统中，载波信号耦合方式主要有电容耦合和电感耦合。本文选用电容耦合，属于直接耦合，电路简单，传输特性较电感耦合更理想，工作衰减小。电容耦合采用耦合电容器为主要元件，其电路图如图4所示。该耦合电路将高频载波信号直接注入到电网，同时从电力线上接收高频载波信号。
高频电容C00一端接入低压电力线，另一端与耦合变压器相连。C00采用高压电容，其耐压值大于275 V。C00一方面用来耦合高频载波信号，另一方面起到高压工频隔离的作用，这里建议耦合电容C00选用0.0047F。
耦合变压器T00不仅具有隔离作用，同时也实现了信号线平衡D不平衡的变换及其阻抗的变换作用。T00的初级线圈与C00组成高通滤波电路，阻止了50 Hz的工频电流，并尽可能削弱低频的电力线电压信号，减少衰减低频噪声及干扰信号；同时保证高频信号的通过，并为其提供尽可能小的衰减及线性幅频、相频特性。
四、结语
本章给出了低压电力线OFDM 载波通信系统的结构框图，分别描述了试验平台中各个环节的算法以及具体实现方法；具体阐述了模块中宽频带功率放大器、耦合器的设计，给出了详细的原理说明、实现方法等。论文对基于 OFDM 技术的低压电力线载波通信实验平台整体设计方案给予了说明。整套实验平台的成功研制表明将OFDM 技术应用于低压电力线载波通信，以实现高速数据通信是可行的。
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关键词：电力线；载波技术；通信技术
中图分类号：TM715 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2013） 20-0000-02
一、引言
目前用于衡量一个国家信息技术发展程度的重要标志之一就是通信技术，这也是各个国家竞相发展的主要内容，很多具有现实意义的通信技术已经形成了具有规模化的生产和应用。而电力线载波通信和网络通信技术的结合又是通信领域内的一次巨大的飞跃，具有极大的现实意义[1]。
二、含义
电力线通信全称是电力线载波通信，是指利用高中压电力线或低压配电线（380/220V用户线）作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种特殊通信方式[2]。该技术的具体工作方式通常是把载有信息的信号加载到电流上然后用电力线进行传输，接受端的适配器把传送的信号从电流中分离出来并且传送到计算机或电话上进而实现信息的传递。该技术的关键和优势是不需要重新布线，利用现有的无处不在的电力线，只需要终端用户插上电源插头或接线就可以完成信息传送。通过电力线进行宽带上网进行网络IP数字信号的传输已经成为电力线传输信息的最普遍的应用。
三、现状
电力线通信技术出现于20世纪20年代初期，当时主要用于电话信号的传输，后来技术进展逐渐加快。已经出现了共同的家用电力线网络通讯技术标准。在中国，20世纪40年代开始逐步进行电力线通信应用。在2001年8月，第一个实验网络在沈阳建成；2001年12月国电通信中心在北京某居民区开展电力线通信应用试验；福建省电力试验研究院又研制成功了“数字化输电线路技术”的核心产品，并在北京某生活小区成功地进行了因特网接入试验，初步取得较理想效果。目前，高速电力线通信已经为宽带接入通信做出了巨大贡献。
中国的电力通信网络经过若干年的辛苦建设，已经初具规模，从通信电缆和电力线载波通信方式到包含光纤、微波、卫星等多种通信方式并用的覆盖全国30多个省（市、区）的交叉式立体通信网络。整个中国电力系统电力通信的发展，从无到有，从小到大，并且占据了越来越强大的地位。随着通信行业的成熟发展以及在社会中作用的不断提高，以电力线通信为基础的业务在各种信息的传输场合得到了巨大的应用。不但在电力系统的发电、送电、变电、配电、用电等部分的联合运转中卓有成效，而且在保证电力系统电网安全、经济、稳定、可靠的运行方面发挥了应有的作用。另外在各行各业如客户服务中心、营销系统、地理信息系统（GIS）、视频会议、人力资源管理系统、办公自动化系统（OA）、IP电话等多种数据业务方面和基建、行政、水库调度、防汛、燃料调度、电力调度、继电保护等场合得到发展。虽然电力线通信对于电力系统自身的经济效益的取得没有很直接的体现，但是它能够产生并隐含在电力系统管理及生产中的经济效益是极其巨大的。
四、电力线通信具体应用
电力线通信方式利用其独特的成熟的发展优势越来越被社会所重视，因为输电线路是架设电力特殊光缆的极好资源，经济、快速、安全、可靠；而遍布全国各大城市的电缆管道和电杆是建设光纤接入网的极好资源；电力线通信技术日益成熟，为用户接入提供了首选手段；其它具有电力特色的技术，如无源光纤接入、无线宽带、多点扩频系统等，使电力资源得到充分有效的利用和发挥。
（一）可以发挥自身优势促进本系统发展
目前国内外研究出来很多可供电力部门所使用的防盗设备或软件，但是这些设备或系统大部分是与目前电力部门所主要依靠的并且普遍使用的电力线没有任何的关系，是一套独立与电力线的设备，这就给电力部门造成了很大的压力。例如在防窃电方面，现在的窃电者越来越会采用高科技手段进行盗窃，对于使用普通GSM报警器对变压器设备进行防盗的场合，作用不大，因为盗窃者会利用GSM屏蔽器先把报警器屏蔽而不能报警，然后再对电力能源进行盗窃或对电表箱进行破坏，因此给电力系统带来很多的不安全因素。
电力系统本身最主要也是最基本的功能就是输配电，那么除了这个作用，电力系统还可以对本系统中其它功能的实现做出巨大贡献，比如电力系统的智能抄表、变压器防盗、电力系统电表箱防盗、远程电力防盗系统等均可以利用电力线来实现。我国在早期的实际电力应用中，由于电网环境比较恶劣，信道衰减大、干扰较强和波动范围大等特点，导致数据采集的准确率和实时性不能全面的满足用户对实际通信的需求。但是随着数字技术的不断改进和发展，改善并提高了电力线通信的可用性和可靠性，并且不需要大规模改造电力系统现有设备，只需增加相应装置，利用电力线实时传输信号和设备状态至集中的控制位置并采用专门的软件进行识别。电力线通信技术的应用前景变得越来越广阔，对于电力系统本身的发展会起到非常大的促进作用。
电力线通信和输配电线路具有等时性，只要电力输电线架通到哪里，电力通信就可以延伸到哪里，目前我国110kV输电线路上和35kV的农网上还有大量的电力线载波机在运行，庞大的电力线载波通信担负着电网内调度和远程信息的传输，对电力系统的安全、稳定、经济运行起着重要的作用，因此对这种廉价的电力系统具有的信道资源应该大力开发，加以合理的发展和利用，使之与高速信息传递技术长期并存，互为补充[3]。对电力系统的现代化电力管理提供传输通道，实现电力、数据和图像信息综合业务传输的通信技术。
（二）可以作为常规通信介质使用
在我国，电力系统已经普及，电力线几乎遍布城乡、四通八达，利用这种与用户直接相连的220W380V低压电力线进行高速传输信息，不但可以免除布线这个最麻烦的环节，而且具有覆盖范围广、连接方便的显著优点，电力线通信网络被认为是提供“最后一公里”通信解决方案中最具竞争力的技术之一[3]。与常规通信介质网络相比较，电力线通信基础设施完备，无需任何布线，避免了对建筑物的损坏，节约资源，节省资金、人力、物力和时间。
电力线通信这个传输媒介是全球覆盖最广阔的网络，无需新布线就可以将信号传输到任何有电的地方，不受地形、地貌的影响，投资少，施工期短，设备简单，可以同其他通信手段一起实现网络互联。如果使用高压输电线进行信息传送，那么这种通信方式可靠性会更高，因为高压输电线结构稳固，安全设计系数比光纤的安全设计系数还要高很多。
（三）现代生活智能管理的美好展望
实现现代家居的智能自动化管理的有效手段常采用低速的电力线通信网络，通过在住宅内遍布的电源插座，可对智能家用电器连网，并通过网关与外部连接。住宅主人在家可以享受数字化住宅设施的舒适和便利，在外可以通过接入的网络及时了解和设定住宅内设施。高速的电力线通信网络可以为人们提供Internet接入服务，并且可以享受居家视听一体化的服务。通过电力线通信实现网络浏览、网上购物、视频点播以及可视电话等[4]。利用电力线通信的永久连接在线，可构建住宅楼宇自动化系统，如防火、防盗、防有毒气体泄漏的保安监控系统让上班族倍感放心，医疗急救系统让住有老人、儿童或病人的家庭心里踏实。以上技术有些已经在国外成为现实，而其它甚至更好的未来正在探求之中。可以预测，电力线通信网络这一新技术对促进经济发展必将带来新的机遇。尤其对于中国这样的发展中国家，经济实力不够强大，要赶超发达国家的信息化水平，需要投入巨大的资金，而电力线通信网络提供了另一种可能的技术手段，这种技术手段可以帮助我们以较少的投入加快国家信息化的进程，加快脚步研究出适合中国电力网环境的电力线通信网络技术[5]。
五、总结
在现代社会，电力供应在人们的工作和生活中扮演着非常重要的角色。电力系统本身优势明显，不但可以为本系统做到最好的服务和管理，还可以发挥其它功效，从而使其优势进一步得到更大的发挥，可以有效解决自身的功耗问题，使电力系统的经济损失显著减少，并提高了电力使用的安全性和可靠性。基于电力线通信的系统研究可以使用的区域范围广泛，不仅用于分布集中的住宅区，更可以主要应用于大型工矿企业和自助变电站、储存仓库、金融的房间、停车场等，使电力系统发挥出巨大的作用。
电力线通信技术是一个刚刚兴起的研究课题，在国内外仍处于不成熟的初期研究阶段，需要我们从概念定义、理论研究、技术标准、工程试点以及管制政策等方面进行大量不懈的深入研究，才能够取得美好的前景。
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近年来，电力线通信（PowerLineCommunications，PLC）技术发展非常迅速，现在已经进入初步应用阶段。PLC系统充分利用电力系统的广泛线路资源，通过OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,正交频分复用）等技术可以在同一电力线不同带宽的信道上传输数据。但是由于电网中传输的是强电，而且电网的稳定性比传统的通信网差得多，使得电力线通信线路的电磁环境极为复杂。这就给电力线通信系统提出了更高的电磁兼容要求，电磁兼容技术也成了实现电力线通信所需的关键技术之一。
2各国际标准化组织对PLC的研究情况
在世界范围内，IEC的CISPR/I分会以及ITU－T等国际组织对PLC的电磁兼容相关标准做了大量研究并讨论了相应技术要求。欧洲从2000年起开始研究PLC系统的技术框架和技术标准，目前已经取得了一定的进展。主要相关的国际组织有CENELEC和ETSI，前者侧重电磁兼容问题，后者侧重通信技术方面的统一标准。
2.1IEC/CISPRI分会
PLC设备属于信息技术设备，应符合IEC/CISPR22《信息技术设备的无线电干扰限值和测量方法》的要求。但是由于PLC设备特殊的工作模式，其传导干扰无法满足现行标准的要求。在2002年的IEC会议上曾有代表建议对CISPR22进行针对PLC的修改（会议文件编号：CISPR/I/44/CD），增加一个专门针对PLC设备的“多用途端口”，其定义为：连接到低压分布式网络，支持数据的传输和通信，结合了电信端口和电源端口功能的端口。
对于PLC设备，该文件建议要求它的传导干扰既满足现有标准电源端口的限值，也满足电信端口的限值。这样多用途端口的干扰测试就要进行两次：
（1）作为电源端口（关闭它的通信功能），用通常的V型网络（AMN）进行测试，要求满足CISPR22中表1和表2的限值。
（2）作为电信端口，用新型的T型网络进行测试，要求满足CISPR22中表3和表4的限值。
这种测试方法基于以下原理：
（1）消费类产品的电源是非对称干扰源，它所产生的干扰用V型网络（AMN）来进行测试是非常合适的。
（2）与之相反，采用共模信号进行通信的电信端口，它所产生的干扰要比差模信号所产生的干扰小得多。T型网络很适合用于共模干扰的测量，因为适当的网络参数可以提供从差模信号到共模信号转换所需要的纵向转换损耗（LCL）。
针对以上的理论，该文件建议对CISPR22进行较大的修改，增加大量有关多用途端口的内容，以及相关的测试设备要求、试验布置要求和测试方法等。但是，这项建议没能获得最终的通过。参加会议的各个会员对这项建议的意见分歧很大，主要有：
（1）一部分CISPR会员认为PLC的相关内容应该转由CISPR/A分会负责，一部分会员对此表示反对，认为PLC的研究还是应该留在I分会中。
（2）有些会员对CISPR/I/44/CD提出的测试方法能否彻底避免PLC设备对其他设备造成的不良影响表示怀疑。
（3）有些会员认为这一测试方法违背了CISPR22中“被测设备应该工作在最大发射状态下”的原则。
（4）有些会员认为世界各地的电网状况不尽相同，确定一个合适的LCL值是很困难的。
随后，在2005年的CISPR会议上，CISPR/I成立了一个特别工作组（PLTTASKFORCE）来负责PLC相关标准的研究工作。该工作组将负责继续研究对CISPR22的相关修改，包括定义、限值、测试条件和测试方法等内容。特别组共准备发表7份相关技术文件。
2006年3月该组织发表了第一份文件，介绍安装PLT设备的电网结构。主要阐述如下内容：
1、电网拓扑结构，尤其是低压电网拓扑结构。当PLT系统工作时，接入终端的传输信道就是低压电力线。对于既有电力线不可能为了PLT系统进行大规模改造，因此必须充分了解低压电力线拓扑结构，特别是农村、市区，居住环境、商业环境、办公环境的拓扑结构。才能进行PLT网络规划设计。
2、PLT接入关键设备EMC特性：电网接入设备是PLT系统正常运行的关键之一。由于传统高压、中压、低压电网都是针对工频电力信号设计，所有设备的高频特性研究是十分艰巨的。特别是低压电网设备产生的各种高频骚扰有可能直接通过电网与PLT通信信号相互叠加,影响PLC网络运行。
其他技术文件会陆续发表。
2.2ITU－T
在ITU-T目前的EMC建议中，电力线通信网络和设备应符合K.60《电信网络电磁干扰限值和测量方法》的要求。K.60规定了从9kHz到3GHz频段通信网络的电磁辐射干扰限值，给出了9kHz到400GHz频段的测量方法，还提供了在通信网络中定位和寻找无线电干扰源的程序和一些解决干扰的措施。
目前ITU-T第五研究组正在加紧研究关于针对PLC修订K.60的问题。欧洲EuropeanBroadcastingUnion等机构的代表递交文稿建议加严K.60的限值，从而防止PLC对其他广播和通信业务造成干扰，也有代表对此表示反对。各国代表目前正在积极地研究和搜集素材，以便为合理地管制PLC的电磁干扰提供依据。
K.60并没有规定电源端口传导干扰方面的限值，因此对于PLC网络和设备，符合K.60要求并不困难，只要在设计制造时适当采取控制电磁辐射干扰的措施即可。
2.3CENELEC
CENELEC的TC205/SC205A/WG10（家用及建筑物电子系统技术委员会/电源信号产品标准分委员会/高频发射与抗干扰工作组）和TC210/SC210A（通用EMC标准技术委员会/信息技术设备EMC标准分委员会）负责PLC电磁兼容标准研究工作。其中，SC205A研究物理和MAC层。该工作组的研究发现，当考虑接入网络和室内网络共存的情况时，OSI的传统分层结构将不能满足需求。
特别值得关注的是，CENELEC和ETSI两个标准化组织5个专业机构联合组成了电信网络EMC标准联合工作组（CLC/ETSIJWG）。
2.4ETSI
ETSI专门成立了PLC研究工作组EPPLC，从2000年开始陆续公开了两个PLC技术规范和9个技术报告。EPPLC主要致力于制定PLC产品和系统的技术规范，已列入ETSI工作计划且与电磁兼容相关的共有如下几项：
TR102258（2003-09）LCL回顾与统计分析；
TR102259（2003-09）EMI回顾与统计分析；
TR102270（2003-12）基本低压分布网络（LVDN）测量数据；
TR102324（2004-05）电力线通信系统辐射发射特性与测量方法技术水平；
TR102370（2004-11）3MHz～100MHzLVDN基础测量数据。
3各国对PLC标准的研究
目前定义了1～30MHz范围内电信网络辐射干扰限值的技术标准共有4个：德国的NB30、英国的MPTl570、美国的FCCPart15以及国际电信联盟于2003年7月推出的ITU-TK.60。其中，由各个国家制定的相关标准如下。
3.1美国FCC
高速PLC系统符合FCCpart15定义的载波电流系统。PLC系统通过电力线以传导的方式传输信号，可认为是无意发射源，因此47CFR§15.205的要求对PLC不适用。
通常来讲满足辐射限值的系统可以保护正常工作的系统不受干扰。但是FCC不仅仅强调辐射限值的制定，考虑到不同的测量方法和测量过程存在测量不确定度，FCC认为一致性检验过程的制定也同样重要。FCCpart15规定的PLC辐射限值见表1。
表1FCCpart15规定的PLC辐射限值
用途频率(MHz)场强
(dBμV/m)
测量距离
(m)
测量带宽(kHz)检波器
载波电流系统1.705-30.029.5309Quasi-peak
ClassA30-8839.110120Quasi-peak
ClassB30-88403120Quasi-peak
3.2德国RegTP
德国RegTP(TheRegulatingAdministrationforTelecommunicationsandPostsofGermany)于1999年1月制定了NB30标准。规定了9kHz～3GHz通信系统辐射干扰限值，包括有线电视、xDSL、PLC等系统。NB30标准的辐射限值见表2。
表2德国NB30标准规定的辐射限值
频率范围(MHz)场强(dBμV/m)测量距离(m)测量带宽检波器
>1～3040–8.8*lg10f(MHz)39kHzPeak
>30～1000273待定Peak
3.3英国
英国于2003年1月针对PLC系统制定了MPT1570规范，规定了9kHz～1.6MHz磁场辐射限值，见表3。该标准规定使用满足IECCISPR16-1的环天线和接收机进行测量。主要目的是保护广泛使用的广播接收机。
表3英国MPT1570规范规定的辐射限值
频率范围场强(dBμA/m)测量距离(m)测量带宽检波器
9～150kHz49-20lgf(kHz)3200HzPeak
150kHz～1.6MHz-1.5-20lgf(MHz)19kHzPeak
3.4.其他国家技术要求
部分其他国家技术要求见表4。
表4部分其他国家技术要求
澳大利亚ACA不对525kHz以上频段进行要求
奥地利政府部门已经停止PLC试验计划,结论表明PLC在2～30MHz时引起的干扰不能减小到可接受的程度
芬兰FICORA年报（2001）根据测量结果，决定只有在PLC技术解决干扰和安全问题后才能商用。在欧洲标准出台前，采用NB30限值
日本MPHPT决定不给PLC系统增配许可频率。建议继续进行研究如何减小干扰问题
由于FCC对PLC辐射限值制定较松，从而使PLC系统在美国得到迅速发展；欧盟一些国家持谨慎发展态度，欧洲各国正在等待欧盟标准的最终制定；BBC等传统广播通信系统出于自我保护的考虑，对PLC系统提出较苛刻的限制要求。
4结论
PLC技术的标准化工作至今仍在缓步进行，对传导干扰进行定义及限值制定等问题至今很难达成一致认识，但是作为一种资源广泛的通信网络技术，电力线通信的市场需求仍然存在，只有各方共同努力，才能使PLC系统更好地服务于广大用户。
一、引言
在20 世纪90 年代初兴起的宽带电力通信，是在1Mbps 以上通信速率、在2～30MHz 之间的带宽限定的电力线载波通信。在这一技术中，把将原有的电力线网络改装成电力线通信网络，不需要重新布线，现有的配电网配置上PLC终端、中继、局端设备及附属装置，插座被转化为信息插座。通过电力线路这一技术构建高速因特网，使“四网合一”最终实现，能够完成多业务如视频、语音和数据等的承载。把电源插头插上终端用户就能够接入因特网，进行电视频道节目的接收、打电话等。
二、发展历程
国内外目前主要有两大阵营美国和欧洲，在智能电网和智能小区上的应用是美国主要研究的方向，在Internet高速接入网方面的应用是欧洲的主要研究方向。我国在这一技术方面的研究起步比较晚，但是有较快速度的发展。（1）中国电力科学研究院1999年5月对相关技术开始进行开发研究，并且和韩国KEYIN公司2000年在华北电科院宿舍和电力大学进行测试，测试结果为1Mbps速率。（2）中电飞华2002年在北京建立了三个Internet网试验点，采用具有良好的稳定性和速度的电力线接入方式。（3）国家电力调度通信中心电网调度自动化系统在2003年被研发出来，在理论上为开展国家智能电网打下了基础，而且同年对低压配电网电力线高速通信技术进行了研究。（4）2005年对电力线通信宽带接入系统进行了完善。国家电网公司和Intellon公司与DS2公司这两大国际厂商进行了全面的合作，在国内多个省市中基于DS2方案的AMI系统已经被成功试用。（5）国家电网公司在2009年5月对坚强智能电网的发展进行了规划：坚强智能电网的发展在2009-2010年进行规划试点；全面建设是在2011-2015年，对城乡配电网和特高电压网加快建设；统一的“坚强智能电网”建成是在2016-2020年。
三、宽带电力线载波通信系统的应用现状分析
（1）电力通信系统。该系统的接入通信的主要手段是宽带电力通信技术，公网无线通信、中压宽带载波、光纤为补充接入通信手段，对电力终端用户实现了采集与监控用电信息，提供实时双向的通信通道给智能家居和智能用电管理。对智能化电力供应电力终端用户在使用的时候，一方面能够与电网等企业随时进行信息的全面互动，另一方面也能体验远程教育、IP电话、电力宽带上网、远程医疗、远程办公等信息服务。随同用电一起享用这些服务和资源，快捷方便。（2）智能家居服务系统。智能电网中智能家居服务系统是用电环节的主要组成部分，其组成包括用户交互终端平台和社区主站管理平台。电网和用户之间的互动通过家庭智能交互机顶盒或交互终端系统完成，一系列特色服务得以实现如医疗、网络增值、配送、物业、查询等，对家庭灵敏负荷进行功能控制和用电信心的采集如电冰箱、空调、电热水器等，并建立家庭安防系统，该系统集红外探测、烟感、燃气泄露、紧急求助于一体。智能电网技术的友好开放、灵活互动、服务多样、经济高效、先进性的特征在这个系统中得到了集中的体现。
四、系统中采用的技术
（1）在传输媒介中，与无线、电缆、光纤、电话线等相比，电力线载波进行网络信息的传送，不受无线环境影响和布线困扰。（2）信号调制手段。采用OFDM 技术是主要的宽带电力线通信信号调制手段，它的优势是适合高速数据传输、抗噪声能力强、频谱利用率高等，是系统的核心技术。
五、技术优势
（1）安装简单，使用便捷；（2）功耗低，无辐射；（3）稳定的传输；（4）低成本组建，不需要布线；（5）广阔的覆盖范围。
六、结束语
通过上述内容对目前国内外宽带电力线载波通信系统的现状、实际应用效能、前景、相关技术有了初步的了解。随着不断发展的互联网，剧增的宽带接入，宽带电力线载波通信系统所具有的优势，在未来将得到广泛的应用和普及。
参 考 文 献
[1] 国家能源局. DL/T 395-2010，低压电力线通信宽带接入系统技术要求[M]. 北京：中国电力出版社，2010.
[2] 李祥珍，齐淑清. 电力线通信（ PLC） 技术的应用及未来[J]. 中国电机工程学会2005 年学术年会.
[3] 吴新玲，张伟，侯思祖. 电力线接入技术与接入网的发展[J]. 北京工业职业技术学院学报，2006， 15（4）：24-26.
本文从低压电力线通信上网原理和电力线网络体系结构角度出发，对建立在低压电力线通信基础上的计算机网络系统结构进行了介绍，并在此基础上对电力线网卡控制器接口硬件与软件模块设计展开了研究。
【关键词】
低压电力线通信技术；计算机网络；应用
前言
在电力输送网有效运行的基础上，电力线通信技术的有效应用可以促使不同的节点在电力通信网络当中实现有效的连接，这一过程中可以促使该网络同其他网络之间有效的展开通信。现阶段低压电力线通信技术在使用过程中，作为一种重要的通信方式能够在多媒体业务中实现有效的图像、语音以及数据的快速传递。本文从低压电力线通信技术在计算机网络中的应用入手展开了研究。
1建立在低压电力线通信基础上的计算机网络系统结构
1.1低压电力线通信上网原理
现阶段，居民小区当中在对网络进行应用的过程中，需要将机房构建于小区当中，其中包含的设备有交换机和出口路由器，PLC局端仪器存在于楼道当中，其运行过程中可以实现覆盖信号的功能，这一过程中，民用电力线为220V，替代以往的以太网进行高频信号的传输，三相四线电线在对信号进行耦合的过程中，需要对耦合器进行应用，促使加载和传输信号得以实现。这一过程中，使用者上网过程中重要的信号传递媒介就是电力线，其可以充当网线使用。本文在积极展开研究的过程中，拟集中放置不同的单元电表，电表性对其进行接收的过程中，需要对信号回路进行应用，供电线路要想对信号进行耦合，需要将磁环作用于使用者的电表之上，而在这一环节以后，强磁干扰在电表中的存在是无法对信号产生严重的影响的，同时还能够均匀的分配信号，电源总负荷在发生转变的过程中也无法对其产生较大程度的影响[1]。在应用低压电力线进行上网的使用者，在对其使用的过程中应对电力猫即PLC用户端设备进行利用，其运行过程中可以同使用者室内的电源插座进行有效的连接，PLC主控设备存在于配电变压器一端，二者实现连接的过程中，需要在电力线这一媒介的基础上实现，这一过程中不需要进行拨号，相关网络信息可以有效的在线进行传递和接受，这样一来，最后100m的接入就可以在电力线上网中有效体现。
1.2电力线网络体系结构
作为一种局域网，电力线网络系统运行过程中，传输的介质为电力线，多止碰撞的载波检测是数据通信过程中的主要标准，可以对CSMA机制进行有效的规避，同时该结构主要以四层网络体系结构为主，具体体现如下：（1）物理层。比特是该层的数据单位，该层运行过程中，可以将物理链路功能提供给上边的数据链路层，促使传输服务体现出比特流透明的特点，其下边连接的物理媒体，运行过程中能够对其设备以及电气等作用以及特点在网络接口中的体现进行确定。该层处于地层位置存在于低压电力线网络内部，传输媒介是电力线，技术基础为正交频分复用。（2）链路层。该层在运行过程中，可以对数据进行传播，数据特点是PDU建立在帧的基础上，传递的途径是不同链路中的节点。话前侦听策略别有效应用于物理链路当中，运行中可以实现延时的随机性并进行传输，如果物理链路存在一定的不可靠性，要想在最快的路径当红对数据包进行收发，需要对相关冲击机制进行有效的避免，提升数据传输的可靠性。（3）网络层。分组并转发数据主要有该层进行，其可以科学的选择路由，逐条的将分组从源站向目的站进行传递的过程中，需要以路由表为基础，其运行中可以对网络负载进行有效的适应，并可以保证路由表实现实时更新。（4）应用层。其运行过程中，处于该网络的顶端，是同使用者进行直接接触的关键部分，可以将不同的访问服务提供给使用者，促使其对条件不同的网络资源进行利用，例如，打印和e-mail等[2]。
2电力线网卡控制器接口模块设计
2.1硬件设计
控制器接口电路在电力线网卡当中的体现，包含三个主要部分，分别为RJ45、隔离变压器和电力线接口芯片。隔离变压器存在于RJ45和RHY网络芯片之间，运行过程中，可以促使连接隔离在局域网同RHY网络芯片之间实现，扼流圈存在于H1102当中，在运行中，能够对共模信号进行有效的消除，促使信号错误在共模干扰基础上产生的几率大大降低，信号处理如果在隔离变压器的情况下得以实施，能够在网线当中对RJ45进行传输[3]。数据总线存在于网卡芯片当中，在运行中能够同CPU进行直接连接；地址线在使用过程中，可以有效的对内部寄存器进行选择，CPU在同读引脚进行连接的过程中，主要针对对象为nOE，写引脚在运行中主要同CPU当中的nEW进行连接；在中断的背景下，如果网络结构芯片得到运行，CPU中的ENT1是接收中断请求的关键；nGCS3引脚存在于CPU当中，需要接入芯片选通的引脚；复位电瓶在CPU和91C113当中完全相反，在这种情况下，在经过反相器以后才能够促使复位信号在CPU当中有效传递到RESET引脚当中；接口芯片针对网络来讲，信息交互现象在外部接口和隔离变压器中的体现是实现信息输入域输出的关键[4]。网卡当中拥有专门的隔离变压器，标准RJ45接口插座需要对输出端进行接入；在对工作状态在网络系统中的体现进行充分表示的过程中，应将两个发光管应用于91C113当中的LANLED和KLED引脚当中，促使现阶段所拥有的数据传输以及连接等状态得到有效的指示。
2.2软件设计
当加电复位产生于系统当中的过程中，使用者将EPROM进行预先设定的内容将被读取，包括MAC寄存器组、基本配置和Base等寄存器。软复位命令存在于RCR寄存器当中，在对其进行应用的过程中，可以促使复位在MAC寄存器组当中得以实现，其中不包含ConfigBase，MAC，复位缓冲区当中的实现需要对寄存器当中的软复位命令进行应用。在进行数据发送的过程中，如果数据包从上一层协议当中传递过来，应首先对其大小进行判断，并对内存管理单元进行应用，向分配缓冲区发起使用权申请。内存管理单元在运行中的单位为“页”，共拥有2048个字节存在于每一页当红，如果得到了成功的缓冲区分配，包号码需要在包号寄存器中获得，对指针寄存器进行获得。数据以及指针两种寄存器应用的过程中，两个字节是数据使用中的单位，当数据寄存器逐一被其进行经过的过程中，可以插入到缓冲区当中[5]。当缓冲区中包含了全部的数据以后，命令的发送需要建立在内存管理单元对队列进行的基础上，在现有包号的背景下，缓冲区成为数据传送的起点，网络成为目的地。在完成发送以后，需要对内存管理单元进行应用，对已发送数据进行释放，其中还存在部分已经被占用的缓冲区容量。
3结论
综上所述，现阶段，计算机网络在运行过程中对低压电力线通信技术的有效应用，促使其产生更加便捷的接入途径，成本降低的同时，兼容性保持良好。使用者在对其进行应用的过程中，家庭环境更加舒适和便捷，是我国信息化、网络化在未来电力线上网当中的关键基础。在这种情况下，本文在积极研究低压电力线通信上网原理和电力线网络体系结构的过程中，对电力线网卡控制器接口模块设计展开了论述，希望对我国该领域的快速发展起到促进作用。
作者：秦俊波 单位：鹤岗市公安边防支队
参考文献
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[2]李红.基于电力线载波和GSM网络相结合的自动抄表系统研究[D].吉林大学，2004.
[3]戚佳金.低压配电网电力线载波通信动态组网方法研究[D].哈尔滨工业大学，2009.
2新型PLC网络模型
2.1PLC网络结构
根据低压配电网配电区域的不同，网络的拓扑结构存在差异。但总体来说，PLC网络是基于树形的混合拓扑结构[9]。低压配电网的PLC系统是由位于变压器二次侧的通信基站和分布在电网内的多个用户终端构成的。图1所示为典型的低压配电网PLC系统物理拓扑结构。单相电力线通信网关A、B、C放置在每相的起始位置，负责各相电网内的终端节点组网。位于变压器二次侧的基站负责与各单相网关进行数据通信，并通过广域网与外界交互信息。为了达到负载均衡的目的，各用户终端大致均匀地分布在每一相内。由图1可知，三相之间为并列且相对独立的关系，故用其中一相的拓扑结构作为重点研究对象，便具有代表性和普遍性[8]。在PLC系统中，下行方向的信息由基站/网关传输到所有的用户终端，每个终端可以直接或通过中继节点间接收到该信息;上行方向，用户终端传送的信息不仅可以被基站/网关接收，其他的用户终端也可以接收。所以，从MAC(mediumaccesscontrol)层角度，PLC网络是一个树形物理拓扑下的总线型逻辑结构[9]。基于网络的此种结构特点，本文将建立新的PLC组网模型。
蜘蛛经过约18亿年的进化，现在的蜘蛛网不仅具有优雅、超轻的结构，而且具有超级弹性和抗张强度，可以抵抗各种大风、昆虫等的冲击。即使有几个网格单元遭到破坏，它仍能作为网来捕获猎物，具有极强的抗毁能力。针对蜘蛛网的结构特点，蜘蛛的捕食机理以及人工蜘蛛网通信拓扑的构建等方面问题，文献[10]已进行了详尽的阐述。本文只对PLC网络的MAC层逻辑拓扑转化为单层人工蛛网逻辑拓扑的过程进行详细的分析。
由于电力线通信数据传输距离有限，在实际应用中，可能只有离网关节点物理距离近的用户终端能与该相网关可靠通信。假设某单相网络内用户节点总数为》，网关一次广播后有m个节点回应与之可靠通信，剩下个用户节点虽然物理链路是连通的，但是在MAC层是断开的。这种情况下，应用传统的广播查询所有节点的方法，存在部分节点不能成功通信的情况，因此效率很低。为解决这个问题，我们提出了基于蛛网的组网模型及相应的路由算法。
前文提到，在MAC层与网关可靠通信的m个节点中，任意两个之间也是可靠通信的，基于此本文建立了如图2b所示的人工蛛网逻辑拓扑。m个节点组成m-1边蛛网结构，相邻节点之间能可靠通信，不相邻节点可通过节点A为中继进行通信。节点A为m个节点中随机选取的任意一个。假定其位于逻辑子网的中心，其与所有周边节点均能可靠通信，功能与网关类似，负责收集其所在蛛网周边各节点的信息，同时，由此节点发起对剩下的》-m个用户节点的组网广播，依次类推，最终该单相网络内的所有节点组成了多个类似的人工蛛网。
离网关节点“近”的蛛网的中心节点(例如A)，可以直接与网关通信，处在“中间”位置的蛛网的中心节点需要以‘‘近”的网络的中心节点为中继与网关通信，同样，处在“较远”位置的蛛网的中心节点，是以‘‘中间’’、‘‘近”的中心节点为中继与网关通信。单相网关只要确保每个子网的中心节点能与之可靠通信即可，这样在一定程度上提高了单相网关采集节点数据的效率。
3蛛网路由3.1PLC通信机制
在介绍蛛网路由之前，简要说明PLC常规通信机制。首先由网关向该单相网络内的所有用户终端发送广播信息，当用户终端收到来自网关的信息则将数据传回给网关，同时在数据包内添加应答信息，使网关能确认该节点处于良好的工作状态。如果该节点没有数据要传回给网关，它要发送确认信息至网关，确认其通信的良好状态。在一个数据周期内未被查询到的用户终端，将在下一数据周期以同样的方式被网关查询[11]。此方法受信道状况等因素的影响，在下一个数据采集周期内以同样的方式查询到故障节点存在很大的不确定性，导致数据丢失，造成整个网络工作效率低下，影响系统的可靠性。3.2蛛网组网算法
人工蛛网组网过程如下：
(1)由网关节点发送组网广播，在收到该广播的
(2)第一个人工蛛网组网完成后，网关向节点A发送指令，由节点A发送组网广播。设有/t(w<灸<«=个节点收到节点A的广播，剔除掉已经获得逻辑ID的g个节点，在剩下的个节点中选择一个与节点A可靠通信的终端节点为第二个人工蛛网的中心节点/，重复步骤(1)，直到所有&1-1个节点均获得逻辑ID。
(3)网关以节点A为中继向节点/发送指令，由节点/发送组网广播，重复步骤(1)，假设第二个蛛网已经将剩下的所有个节点连通。此时节点/会得到空响应，并把该响应通过节点A传回网关。至此，组网结束。形成了以节点A为中继节点的w-1边蛛网逻辑通信拓扑和以节点/为中心的»-w-1边蛛网逻辑通信拓扑，这样就建立了网关到该单相网络内所有节点的通信路由。
3.3蛛网重路由算法
组网完成后，各中心节点负责该子网内的所有节点的数据收集与状态监控，并与网关进行通信。本文规定某子网所有节点的数据均发送至该子网的中心节点所需时间为一个数据采集周期。假设某个数据采集周期内，中心节点A没有收到其子网内逻辑ID为2的节点的数据信息，则节点A对该节点发起路由重构。如图3b所示，假设与节点2同属一个子网且与其相邻的节点1，3在节点2发生故障后，仍能与中心节点A保持良好的通信。由于节点1，3与节点2物理上的相邻性，它们之间由距离产生的信号衰减会比较小，节点2与节点1，3仍能保持通信。故节点2转而以节点1，节点3，或者节点1.
3同时为中继节点，与中心节点A重新取得通信，传输其数据信息，这样提高了子网内通信的成功率。
对于其他子网内的故障节点，网关通过节点A向其他子网的中心节点发送重路由指令。在各子网内重复上述过程，直到所有子网的故障节点均能正常通信为止。此种方法理论上能达到100°%的数据收集率，且避免对整个网络内所有节点进行重新组网，提高了通信效率。
4节点仿真模型
4.1终端节点建模
