1、 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
2、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
3、/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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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 Hom
12、ePlug 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7
13、6 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 AV
14、SF 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
15、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
16、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
