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1、宽带电力线通信标准化宽带电力线通信标准化白白 皮皮 书书中国电子技术标准化研究院中国电子技术标准化研究院20142014 年年 7 7 月月引引言言中国宽带电力线通信还没有大规模应用，随着信息技术快速发展，物联网产业应用呈现多样化，宽带电力线通信作为物联网应用的一种，有其必然性，目前相关电力线通信产品互不兼容、重复建设、标准缺失等因素制约着宽带电力线通信产业健康、快速发展。如何抓住机遇，破解宽带电力线通信发展难题，是目前亟待解决的问题。科学统一的标准体系将是宽带电力线通信产业发展的前提条件。宽带电力线通信标准化工作是推动我国宽带电力线通信技术、产业及应用发展的基础。做好宽带电力线通信顶层设计，
2、结合产业发展需要，在科学统一的标准指导下，形成技术、标准和产业协调促进机制，是宽带电力线通信产业健康、快速发展的保障。本白皮书旨在通过分析宽带电力线通信应用现状及其对标准的需求，全面系统地梳理宽带电力线通信标准现状，明确影响应用发展的标准问题，通过分析我国宽带电力线通信标准工作面临的机遇和挑战，提出宽带电力线通信标准工作思考和建议，为宽带电力线通信标准工作推进提供参考。这对于推动我国宽带电力线通信标准化工作，提升我国在宽带电力线通信标准领域的国际话语权，促进宽带电力线通信产业的健康发展具有重要的现实意义。说明：感谢北京卓越信通电子股份有限公司、清华大学、深圳市国电科技、北京全电智领科技有限公司
3、、圣邦微电子有限公司、北京科锐配电自动化股份有限公司、深圳海思半导体有限公司、北京佰能电气技术有限公司、北京纽曼腾飞科技有限公司等单位对白皮书编撰的支持。中国电子技术标准化研究院宽带电力线通信标准化白皮书目录引言.2一、概述.3（一）电力线通信概念.3（二）电力线通信背景.3二、电力线通信应用现状.4（一）国外电力线通信应用现状.41、国外窄带电力线通信应用现状.42、国外宽带电力线通信应用现状.5（二）国内电力线通信应用现状.61、国内窄带电力线通信应用现状.62、国内宽带电力线通信应用现状.7（三）电力线通信应用现状总结.10三、宽带电力线通信技术现状.12（一）OFDM 技术.12（二）
4、编码调制.12（三）帧结构.13（四）信号处理.14（五）频谱感知.15四、电力线通信标准现状.15（一）国外电力线通信标准现状.151、国外窄带电力线通信标准现状.152、国外宽带电力线通信标准现状.19（二）国内电力线通信标准现状.22（三）电力线通信标准现状总结.22（四）宽带电力线通信标准需求分析.231、物理层规范和数据链路层规范.232、应用接口规范.24中国电子技术标准化研究院宽带电力线通信标准化白皮书3、标准符合性测试规范.24五、宽带电力线通信标准化工作建议.25（一）将创新作为标准化支撑点，研制自主知识产权的标准.25（二）重点工作.251、建立和完善宽带电力线通信标准体系
5、.252、组织制定急需的宽带电力线通信标准.263、积极推进国际标准化工作.26六、结束语.26中国电子技术标准化研究院宽带电力线通信标准化白皮书1一、一、概述概述（一）（一）电力线通信电力线通信概念概念电力线通信（Power Line Communication，PLC）是指利用电力线作为媒体实现数据传输的一种通信技术，该技术也可以用于同轴电缆、电话线等媒体来传输。由于电力线是最普及、覆盖范围最为广阔的一种物理媒体，利用电力线等媒体传输数据信息，可以降低运营成本、减少构建新的通信网络的支出，因此电力线通信技术正成为信息技术发展的热点。电力线通信按使用的频率通常分为窄带电力线通信和宽带电力线通
6、信，窄带电力线通信使用的频率为 3KHz-500KHz，提供较低传输速率的通信服务，适合智能电网、工业控制、物联网等控制信息的传输；宽带电力线通信使用的频率为 1MHz-100MHz，利用现有电力线组建室内网络，实现宽带数据和多媒体信号传输，能够提供 2Mbit/s 以上的数据传输速率。（二）（二）电力线通信背景电力线通信背景电力线通信技术早在二十多年前就被用于电网控制、继电保护、远动信息传输中压领域来控制电网，但在低压侧大规模使用电力线通信技术则是 2000 年左右才开始。电力线作为一种不用重新布线的基础设施，经过过去几十年的发展，如今不仅能够用于远程抄表、家居自动化等低速控制，还适合进行数
7、据、互联网、音视频多媒体等高速信息传输。近些年来，宽带电力线通信技术不断进步，传输的速率和稳定性不断提高，可以作为传输数据的另一种通信方式，极富诱惑力，也是充满了经济气息的一种技术。另外，电力线通信技术组网简单、成本低、安全性高、易于实现受到越来越多的人的关注。目前国家大力发展物联网等新兴产业技术，电力线通信技术作为其中的一种基础通信手段，必将随着这些新兴产业的发展而发展，这些也是我们研究电力线通信标准的一种动力。目前，宽带电力线通信技术仍然没有得到大规模的使用，各种宽带电力线通信产品不能互联互通，急需宽带电力线通信标准规范该产业的发展。中国电子技术标准化研究院宽带电力线通信标准化白皮书2二、
8、二、电力线通信应用现状电力线通信应用现状（一）（一）国外电力线通信应用现状国外电力线通信应用现状1、国外窄带电力线通信应用现状、国外窄带电力线通信应用现状利用电力线进行通信最早始于二十世纪初的欧美，当时的应用主要集中在110KV 以上的高压远距离传输，工作频率为 150kHz 以下。最早的载波频率系统（CFS,Carrier Frequency System）工作于高压输电网络，采用 10W 的信号发送功率，跨越了 500KM 的距离。这类系统主要用于电力设施之间的内部通信以及远程测量和监控任务。基于中压和低压配电网络的通信也已实现：波动载波信令（RCS,Ripple Carrier Syst
9、em）系统已经能够应用于中压和低压配电网络以实现配电网络的负荷管理。虽然技术起源很早，但是由于北美和欧洲的标准不统一，同时由于其消费习惯、应用范围等的差异，并没有得到大规模的应用。二十世纪九十年代以前，电力线通信系统采用的是 FM（频率调制）、PSK（相移键控）等窄带通信技术，抗噪声干扰和多径干扰能力差，对电力线信道的适应性也差，实现可靠传输的主要措施是改善信道条件（使用阻波器）和提高信噪比（增大发送功率）。同时由于窄带调制技术频带利用率极低，因此在有限的带宽内只能实现低速的数据传输，而且仅限于经过特殊改造的高压线路。对于低压和中压配电线路，由于线路复杂、分支多，无法对线路进行诸如阻波等技术改
10、造，因此即使是低速数据，也无法实现可靠的传输。后来随着 FSK、BPSK（二进制相移键控）等技术的应用，很大地解决了通信的可靠性问题。窄带电力线通信技术被电力公司作为一种通信手段，已被广泛应用于中高压输电网（35kV 以上）上，通过电力载波机利用较低的频率（9-490kHz）传输较低速率（300-600bit/s）的远动数据或话音。在低压(220V)领域，电力线通信技术主要被用于远程抄表和家居自动化，其传输速率一般为 1200bps 或更低。在 传 统 窄 带 电 力 线 通 信 方 面，比 较 典 型 的 是 INTELLON 的 P300，STMicroelectronics 的 ST75
11、36 以及 LM1839 等芯片，这些芯片应用过程中暴露了诸多问题，通信速率不高，在实际应用过程中存在通信盲点。近年来，国外一些大的半导体公司还陆续推出了一些基于 OFDM 调制的高速窄带芯片，如STMicroelectronics 的 ST7590、MAXIM 的 MAX2992，德国 iAd DLC-2B 等，主要中国电子技术标准化研究院宽带电力线通信标准化白皮书3窄带电力线通信产品及其性能指标如错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。所示。表 2-1 国外窄带电力线通信产品一览表产品代表性能指标Intellon(SSC P300)采用了扩频（Chirp 方式）调制解调技术、现代 DSP技
12、术、CSMA 技术以及标准的 CEBus 协议，可以称为智能 modem 芯片。最大速率 10kbps，适合北美电网环境，北美占有率第一，国内使用性能一般。STMicroelectronics（ST7538）传统 FSK 调制，具有 8 个可编程线频率，最高速率4.8Kbps，纯物理层芯片，国内早期应用较多。Yitran(IT800D)技术支持不到位，芯片价格较高，国内用的不多。ECHELON（PLT-22/PL3150）双频线 BPSK 调制，中心频率 C 波段 115/132kHz,A 波段 75/86kHz；通信速率 5400bps；SoC 芯片，Lonworks动态组网。ADD（ADD
13、1020)根据 PRIME 工业标准，OFDM 调制技术，包括物理层和MAC 控 制 协 议，集 成 微 控 制 器，工 作 频 段 在42kHz-88kHz 之间，数据速率 20kbps-128kbps。iAd(DLC-2B)包括物理层和 MAC 控制层，也集成了微控制器。OFDM调制技术，工作频段在 10kHz490kHz 之间，数据速率 9.6kbps-576kbps。目前还是主要应用在工业控制。STMicroelectronics（ST7590）根据 PRIME 工业标准，OFDM 调制技术，集成 DSP 物理层处理和模拟前端，最高速率 128Kbps。新产品，在西班牙 IBERDRO
14、LA AMI 项目中有大量的应用。Maxim(Max2992)OFDM 调制技术，集成微控制器和可编程陷波，固件包支持 IPv6，符合 G3-PLC/IEEE P1901.2 标准，传输速率高达 300kbps。新产品，价格贵，处于试点阶段，暂无大量应用。2、国外宽带电力线通信应用现状、国外宽带电力线通信应用现状宽带电力线通信在国外应用有三大热点区域，分别是欧洲、美国和亚太地区。1990 年英国的诺维普通讯公司着手电力线通信技术的研究，在 1997 年与加拿大Nortel(北电网络)一起利用开发的电力线通信技术，实现了在低压配电网上进行1Mbps 速率的数据传输，并进行了该技术的市场推广。从
15、1997 年到 2006 年，在欧洲有不少的宽带电力线通信接入网试点和商业运行项目。欧盟资助的 OPERA（开放电力线通信欧洲研究联盟）项目，从 2004-2007 研究并制定了基于低压电力线宽带接入的 OPERA 技术规范。由于技术、价格和其他原因，宽带电力线通信接入技术在应用上没有得到广泛的推广。美国的 Inari 公司也是较早宣布在电力线上实现 10Mbps 传输速率的公司之中国电子技术标准化研究院宽带电力线通信标准化白皮书4一，并开发了其特有的 Plug in 协议。2000 年，CISICO、INTEL、HP、SHARP 等13 家公司宣布成立“家庭插电联盟”(HomePlug Po
16、werline Alliance，HPA)，目标为构建电力线通信标准。此后 HPA 发布了首个标准：Home Plug 1.0。日本对电力线通信的态度，经历了从初期怀疑否定、到开放试验、直至今日的积极推动的三个阶段。自 2000 年起，宽带电力线通信的应用更多的转向了家庭网络接入。不少电力线通信联盟相继形成，比如 HomePlug、UPA、HD-PLC，还有 HomeGrid 联盟,速率从 14Mbps（HomePlug1.0），到 85Mbps（HomePlug Turbo），达到后来的 200Mbps、1Gbps。这些联盟标准不能完全兼容，其设备之间无法互联互通。为了解决宽带电力线通信领域
17、研究标准混乱、各行其是的局面，IEEE 于 2005 年成立了 P1901工作组，旨在推动电力线宽带接入技术统一标准的制定工作，提出一个通用的宽带电力线通信 MAC 层与物理层标准。2008 年 7 月，全球首个电力线宽带通信标准规范的第一份草案 IEEE P1901 获得通过。IEEE P1901 工作组采纳了一个定义了物理层(PHY)和媒体访问控制层(MAC)等三个选项的提案。IEEE P1901 的正式标准已于 2010 年 9 月 30 日核准并于 2010 年 12 月 1 日公布。国际电信联盟 ITU于 2010 年颁布了家庭网络电力线通信标准 ITU-T G.hn，包含物理层提案
18、 G.9960、数据链路层提案 G.9961 和共存协议 G.9972，构成一套完整的技术体系。ITU-TG.hn 工作组于 2006 年组建，现有约 40 个成员，致力于制定采用家庭同轴电缆、电话线和电力线等有线媒体联网的统一标准。目前国外市场的宽带电力线通信芯片，主要有高通公司的 200Mbps 和500Mbps 的 Homeplug 芯片，美满公司的 200Mbps 芯片和 1Gbps 的 G.hn 标准芯片等等。（二）（二）国内电力线通信应用现状国内电力线通信应用现状1、国内窄带电力线通信应用现状、国内窄带电力线通信应用现状国内有很多公司在做窄带电力线通信技术研究，市场上应用比较广泛的
19、是基于抄表类的低速电力线通信芯片。国内的窄带电力线通信技术经历了以下三个阶段的发展，多采用 FSK、PSK 技术、直接序列扩频技术和线性调频 Chirp 技术等，最新的技术也采用了 OFDM(正交频分复用)等先进技术。中国电子技术标准化研究院宽带电力线通信标准化白皮书5第一阶段：90 年代中以前，低速率的窄带电力线通信技术（几百 bps）在高压侧被电力公司使用进行用电负荷控制。在低压侧国内部分科研单位和生产厂商进行了集中式抄表系统的组网方式、电力线通信技术的研究和试验工作。这一阶段电力线通信系统质量较差，不能保证抄表系统的正常工作。第二阶段：从 20 世纪 90 年代到 2001 年，市场和技
20、术创新相互推动了集中式抄表系统的发展，但这个阶段的电力线通信传输的可靠性仍是技术难点。第三阶段：自 2003 年开始，电力线通信物理层调制解调与纠错技术的不断发展以及半导体集成规模的不断扩大，使得电力线通信技术抗干扰能力得到很大提高，但仍然难以适应复杂多变的电力网络。国内几家大的供应商开始以网络神经元芯片为核心的第三代电力线通信产品的开发。第三代芯片从物理层、链路层、网络层等各个方面都有了突破性的提高。最新有相关国内厂家已经使用 OFDM 技术。国内窄带电力线通信技术主要如表 2-2 所示.表 2-2 国内窄带电力线通信技术中心频率通信方式频带宽度(kHz)波特率(bps)典型厂商270kHz
21、BFSK+扩频30100-800青岛东软421kHzBFSK+扩频4050-1200青岛鼎信120kHzBPSK+扩频15250-500北京福星晓程132kHzBPSK65.48k深圳瑞斯康76.8kHzQPSK+扩频32200-1600上海弥亚微电子390kHzOFDM482k-10k深圳力合微电子2、国内宽带电力线通信应用现状、国内宽带电力线通信应用现状国外在电力线宽带通信技术方面的进展，引起了国家电网公司的高度重视和科研单位的密切关注。国家电网公司多次立项，由中国电力科学研究院、国电通信中心等单位承担电力线宽带通信技术相关课题的研究工作。由于我国低压配电网的网络结构、负荷特性、供电方式和
22、国外有很大的不同，国外已有的理论研究成果和开发的系统不能完全适应我国的实际，我国科技工作者在中国低压配电网高频信号传播特性、电力线宽带通信机理、应用产品开发等方面进行了大量的研究工作。中国电力科学研究院从 1999 年开始承担国家电力公司第一个高速电力线数中国电子技术标准化研究院宽带电力线通信标准化白皮书6据通信技术项目的研究工作，对电力线信道特性、电力线数据通信机理进行了系统的理论研究和大量测试，2000 年研制出国内第一套传输速率为 2Mbps 的电力线通信产品，2001 年在沈阳建立了国内第一个电力线通信宽带接入试验小区，实现了宽带上网、视频点播、数字化小区管理等功能；2001 年和 2
23、003 年分别研制出传输速率为 14Mbps 和 45Mbps 的产品，2003 年和沈阳供电公司合作在沈阳开通了国内第一个 45Mbps 全电力线接入的宽带小区。福建电力试验研究院 2001年研制出传输速率为 14Mbps 的产品，并在多个城市进行试验，深圳国电科技公司 2004 年利用西班牙 DS2 公司的芯片研制出 200Mbps 的电力线通信产品。中国电力科学研究院和福建电力试验研究院在电力线通信的组网技术、信道优化技术以及应用技术等方面进行了许多研究工作，形成了多项具有知识产权的专利技术。随着低压 PLC 技术的突破以及应用的深入，中压电力线通信也得到了相应的发展，2004 年国家电
24、网公司国电通信中心控股的北京意科通信技术有限公司研制出传输速率为 45Mbps 的中压宽带电力线通信系统，无中继传输距离达到 1Km，传输速率达到 37Mbps，并可通过加装中继实现远距离的传输。国电通信中心还组织北京意科通信技术有限公司实施了利用中压电力线通信技术构筑配电网自动化系统通信平台的示范工程。2001 年国家电网公司国电通信中心开始实施低压配电网电力线宽带接入技术的实验及推广应用工作，成立了电力线通信领导小组，下设电力线通信技术推进办公室，确立了推动电力线宽带通信技术研究、试验及推广应用的策略、战略、思路和总体安排，引进了国内外多家企业的产品在北京进行实验。在国家电网公司的统一安排
25、下，国电通信中心组织研究开发单位、产品试验单位以及网络运营单位进行了大量的实验、电磁兼容特性测试、网络性能测试和工程探索，提出并实践了具有中国特色的电力线宽带通信技术应用模式，建立了世界上最大规模的电力线宽带接入试验运行网络。仅 2005 年底，由国电通信中心组织、北京中电飞华有限公司实施的北京电力线宽带接入试验网覆盖了 500 多个居民小区，接入楼宇近 4000 栋，开通用户 40000 余户。2010 年，国家电网公司通过科技立项进行电力线宽带通信芯片的开发，其下属企业于 2012 年下半年推出了国内首款自主知识产权的宽带电力线通信芯片SG5000/SG3000，物理层采用了 OFDM 调
26、制技术，最大物理层速率是 10Mbps。此中国电子技术标准化研究院宽带电力线通信标准化白皮书7成果在 2012 年 11 月通过了中国电机工程学会的鉴定，目前主要应用于用电信息采集、智能家居等领域。近几年来，电力线通信市场发展很快，出货量逐年上升，中国电力线载波芯片市场规模预测如图 2.1 所示。图 2.1 国内电力线通信芯片市场规模预测从市场应用来看，以载波电表为主的窄带电力线通信产品占市场销量 95%以上，如图 2.2 所示。国内芯片设计公司在该领域取得了快速发展，在国内市场上同国外厂商的竞争中占据了绝对优势，由于市场竞争激烈，窄带电力线通信芯片和产品的平均价格下降较快，带动了其在其他行业
27、的应用，如工业控制、智能家具控制等，同时应用规模的扩大反过来促进了窄带电力线产业的发展。图 2.2 国内电力线通信芯片应用市场分析宽带电力线通信主要用于音频、视频等数据量较大的高速应用，应用较多的产品有电力摄像机和电力猫，国外还有一些电力线音视频传输系统，主要应用于家庭内部（包括楼宇中的各个房间之间）联网传输，其特点是对传输距离要求不高，但需要支持多个用户、不同业务的 Qos 需求。基础的物理层数据率一般超过200Mbps，占有近 30Mhz 的模拟带宽。目前已有超过 500Mbps 的芯片进入市场，中国电子技术标准化研究院宽带电力线通信标准化白皮书8系统最高的工作频率为 86Mhz。（三）（
28、三）电力线通信应用现状总结电力线通信应用现状总结经过几十年的发展，电力线通信技术得到了飞速的发展，在国外无论是窄带电力线通信还是宽带电力线通信都已经形成了产业规模，技术及标准也越来越成熟。在中国，窄带电力线通信发展也很快，技术也比较成熟，占据了国内绝大部分市场，但宽带电力线通信应用在中国发展较慢，产品均是基于国外的高速电力线芯片的方案，国内尚未有性能与之匹配的芯片可以替代。从这方面也可以看出国内电力线技术与国外的差距，如果不奋起直追，这种差距会越来越大。电力线通信由于其不用重布线的先天性优势，具有十分广阔的应用前景，随着技术的发展，电力线通信应用的范围会越来越广，其不仅可以作为传统通信方式的补
29、充，还能同新兴产业相结合，在智慧园区、智能家居、物联网和可见光通信等行业都有很大的发展潜力。目前国内宽带电力线通信应用还没有普及，一方面与技术还不成熟有关，一方面与我国电力线通信信道独有的特性有关，国外成熟的技术和产品不能完全照搬过来。众所周知，电力线原本是用来传输电力的线路，供电网络不是专门为通信应用而设计的，所以电力线信道不是理想的通信介质。电力线信道具有如下特点：（1）阻抗匹配问题：由于不断会有设备接入或拔出，低压电力线的输入阻抗和输出阻抗常会发生剧烈变化，因而如何进行合理的电路设计以使得输入、输出阻抗匹配是一个难题；（2）噪声干扰问题：电力线信道与其他通信信道相比除了有背景噪声干扰外，
30、还存在以下几种噪声干扰：窄带噪声、与工频同步周期性噪声、与工频异步周期性噪声、突发性噪声等；（3）信号衰减大的问题：电力线信道上存在一定的信号衰减。衰减和距离和通信频率有关。（4）工作在 2-30MHz频段上的宽带电力线通信系统会由于电力线较差的屏蔽性而对现存的短波无线电服务可能产生电磁干扰。在线路上电压高、电流大、噪声大、负载种类多，要在电力线上传输信号，就是对技术设备抗干扰性和稳定性提出的挑战。电力线中的信道噪声是电力线通信发展的主要问题，如何解决这个问题成为电力线载波通信发展的问题关键。由于我们低压配电网的结构、负荷特性、供电方式和国外有很大的不同，国外已有的产品需要根据我国配电线路的实
31、际情况进行改进才能使用，这就大大影中国电子技术标准化研究院宽带电力线通信标准化白皮书9响了产品的性能，同时众多国外芯片不能兼容，这些都极大的影响到我国电力线通信产业的发展尤其是宽带电力线。所有这些都迫切需要一个国内电力线标准组织来推动和规范国内电力线产业的发展。中国电子技术标准化研究院宽带电力线通信标准化白皮书10三、三、宽带电力线通信技术现状宽带电力线通信技术现状电力线信道传输环境非常恶劣，存在多种复杂噪声干扰、与其他业务频段信号的耦合、恶劣的频率选择性和快速时变性，这些都造成了对信号可靠传输的极大的阻碍，需要有效的技术来保证信号传输的高效鲁棒性。随着通信技术的高速发展和电力线通信市场的兴起
32、，国内外诸多科研机构都开展了宽带电力线通信技术的研究，包括正交频分复用(OFDM)技术、高效的编码调制技术、鲁棒灵活的帧结构设计、信号处理技术、频谱感知技术等。（一）（一）OFDM 技术技术宽带电力线通信信道信号随着频率增长距离衰减，具有很强的频率选择性，通常会采用 OFDM 技术来抵抗频率选择性衰落信道。OFDM 调制技术通过将信道分割为若干并行正交子信道进行传输，提高信号的抗衰落能力、提高频谱利用率，配合保护间隔能消除码间干扰。G.hn 采用最基本的 CP-OFDM 调制方式。IEEE P1901 不仅支持 CP-OFDM，还支持基于小波的 OFDM 调制方式，即采用小波变换代替传统傅里叶
33、变换来实现OFDM 调制。小波 OFDM 的旁瓣远小于传统采用傅里叶变换的 OFDM，因此无需保护间隔就可以有效地抵抗窄带噪声，有着带外泄露低、频谱利用率高的优点。我国提出了时域同步正交 OFDM（TDS-OFDM）技术，并将其应用在电力线通信系统中。与 CP-OFDM 中采用循环前缀作为保护间隔不同，TDS-OFDM 技术将伪随机序列 PN 码作为保护间隔，不仅能够抵抗码间干扰，还能利用 PN 码实现快速信道估计和稳健同步跟踪，从而免去额外的信令开销，大幅度提高频谱利用率。基于 TDS-OFDM 提出的 DPN-TDS-OFDM 利用两段 PN 序列实现信道估计，以牺牲少量频谱效率为代价，减
34、少了干扰消除所需的复杂度。之后，我国又提出了基于时频二维训练序列的 OFDM 调制技术，采用时域训练序列和频域训练序列进行时域和频域混合处理，从而获得高频谱效率、高信道估计精度，并降低实现复杂度。（二）（二）编码调制编码调制数字通信系统中，编码调制是保证系统传输鲁棒性和传输速率的核心技术之中国电子技术标准化研究院宽带电力线通信标准化白皮书11一。电力线通信系统传输条件非常恶劣，难以保证传输可靠性，因而需要在总体上构建高效鲁棒的编码调制技术以逼近信道容量，提高其对抗恶劣信道的能力。调制技术决定了通信系统所能承载的传输速率的上限，在编码调制体制中具有至关重要的地位。早期电力线通信系统通常采用 OO
35、K 调制以实现简单低速的通信方式。随着通信速率需求提升，如今的电力线通信系统通常采用均匀分布的高阶格雷正交幅度调制（Gray-QAM），以尽可能地提高传输速率。然而，Gray-QAM的星座点均匀分布特性虽然使其能在高码率下具有优越的性能，但在通常情况下，采用成形(Shaping)技术使得调制后的信号更近似复高斯分布能够获得Shaping 增益。我国提出的基于非均匀成形技术的格雷映射的幅度相移键控星座图（Gray-APSK），具有类复高斯分布的圆对称结构以及幅相映射分离的巧妙映射规则，无论在独立还是迭代解映射下、AWGN 还是衰落信道下性能都明显超越传统的 Gray-QAM。近来，我国还进一步将
36、 Gray-APSK 作为优化基础，同时利用非等概成形和非均匀成形技术的优势效果，提出了高性能的类高斯高阶新型非等概APSK 和非均匀 APSK，从而进一步提高信道容量，获得更大的性能增益，提升系统传输速率的理论极限。编码方面，现有的电力线通信标准及系统通常选用几种性能优异的纠错编码，如 G.hn 采用多码率多码长的准循环 LDPC（QC-LDPC）码，G3-PLC 采用里德-所罗门（RS）码结合卷积码，P1901 采用 Tubo 卷积码。我国提出了多码率多码长的 QC-LDPC 构造方法，可基于同一母码校验矩阵构建性能优良的嵌套 LDPC 码，提高了编码调制的灵活性和可扩展性，设计了并行化和
37、流水线设计的 LDPC 码译码器结构以降低硬件实现复杂度，并采用迭代解映射方案提高编码调制系统的纠错性能。此外，考虑到结合 LDPC 码和高阶调制的系统存在双重非均等差错保护特性，同等地对待所有传输比特会影响到解映射解码时的外信息传递，我国突破传统对传输比特一视同仁的思路，提出了比特映射技术，有针对性地改变 LDPC变量节点到星座符号中不同位置比特的映射比例，利用双重非均等差错保护特性提高编码调制系统的纠错性能。（三）（三）帧结构帧结构为了规避带外辐射对业余无线电、民用卫星等频段的电磁干扰影响，电力线通信系统需满足电磁兼容要求，此外，还要抵抗信道中恶劣窄带噪声对业务质量中国电子技术标准化研究院
38、宽带电力线通信标准化白皮书12的影响。因此，需要设计对窄带干扰鲁棒、电磁兼容性良好的信号帧结构，并研究高谱效、高能效的陷波方法。为了使通信系统不干扰带外频段，采用 CP-OFDM 的电力线通信系统通常采用时域加窗处理降低 OFDM 系统的带外辐射功率，使信号达到一定的带外频谱要求。我国针对 TDS-OFDM 和 DPN-OFDM 系统的陷波技术进行了研究，提出了一种双 PN序列填充 TDS-OFDM 系统的帧结构和陷波加窗方法，并用审慎设计的短序列替代陷波周围的 PN 序列，从而提高陷波效果，能够在不降低频谱效率的基础上使系统的陷波性能提高 1.5 到 3 dB，同时减少陷波处的频谱抖动，使得
39、系统更好地符合功率限制。此外，由于加窗方法巧妙，经过加窗的系统频谱效率损失很小。我国还提出了以最小化功率为目标函数的凸优化算法设计信号帧结构的方法，可以规避窄带干扰、抑制带外泄露，并且提升相关帧同步中的峰值分辨率，提高同步性能。（四）（四）信号处理信号处理由于电力线信道中存在的恶劣复杂的传输环境、高强度的噪声背景和窄带干扰，抗窄带干扰技术及信道估计技术成为限制电力线通信系统性能的重大瓶颈，需要进行重点研究。传统单维交织无法联合抵抗窄带干扰与冲激噪声，针对于此，我国提出了基于时频联合最优化分集增益的双重交织方法，根据电力线信道冲激噪声和窄带干扰的概率分布及强度特征，结合交织参数优化和符号交织块循
40、环移位，使子载波与纠错编码码字均匀映射，在双重交织目标函数下达到最大化频率和时间分集增益的目标，抵抗噪声干扰。除了被动抵抗窄带噪声干扰外，我国还提出了一种基于多维压缩感知的电力线冲激噪声与窄带干扰消除方法，根据窄带干扰信号的时域/频域位置的分辨率显著超越系数分辨率的差异形成的数值维度稀疏化特性，以及在时间尺度的变化率显著低于系数变化率形成的时间维度稀疏化特性，借助压缩感知理论进行精确的多维稀疏化噪声干扰重构，降低计算复杂度同时提升重构精度，消除窄带干扰影响。在信道估计方面，我国根据电力线信道在信道参数、多径时延或特殊变换域等方面的（准）稀疏性，以及信道在时间变化尺度上的稀疏性等多维稀疏化特性，
41、中国电子技术标准化研究院宽带电力线通信标准化白皮书13提出了高谱效、高能效的时频二维训练序列设计方法，并且针对所设计的时频二维训练序列提出了相应的压缩感知鲁棒信道估计方法，可以充分提高多径参数的估计精度。（五）（五）频谱感知频谱感知频谱感知，即通过各种信号检测及处理手段获取频谱使用信息的技术，在过去常用于无线电通信中，但在电力线载波通信系统中也有相当大的应用空间。电力线信道的通信环境复杂、窄带干扰和频率衰减特性严重、各种业务冲突也层出不穷。利用频谱感知技术，灵活地将空闲且信道状况良好的频段分配给新业务，可以智能地管理电力线信道的频谱资源，增强系统的抗干扰能力和灵活性，并且根据频段的信道状况进行
42、自适应编码调制处理，提高频谱效率。沈阳工业大学提出了将基于 OFDM 认知无线电应用于电力线载波通信的技术，针对干扰温度的频谱分配模型和电力线信道环境,改进了 OFDM 自适应频谱分配算法。利用 TDS-OFDM 系统帧结构特点，我国提出了基于加权平均 PN 互相关的改进频谱感知方法，相比于传统 CP-OFDM 的频谱感知技术，可显著降低误检概率和虚警概率，进一步结合协作检测还能获得可观的性能改进。四、四、电力线通信标准现状电力线通信标准现状（一）（一）国外电力线通信标准现状国外电力线通信标准现状1、国外窄带电力线通信标准现状、国外窄带电力线通信标准现状（1）、IEC 61334 标准该标准主
43、要规范电表和水表抄表领域的监控和数据采集(SCADA)遥测系统。该标准在 60-76kHz 的 CENELEC A 频带下工作，采用扩频频移键控(S-FSK)调制技术，数据速率在 1.2-2.8kbps 之间。（2）、PRIME(PoweRline Intelligent Metering Evolution)标准PRIME 联盟由西班牙的 Iberdrola 公司发起和组织，该联盟致力于开发一个新的、开放的、公开的、非私有的电信解决方案，以支持智能电表及智能电网的应用。该联盟的主要成员包括 ADD 半导体、CURRENT 电子、IBERDROLA、ITRON、中国电子技术标准化研究院宽带电力
44、线通信标准化白皮书14LANDIS+GYR、ST、TI 和 ZIV 等。由 Iberdrola 等公司发起制订的 PRIME 规范是一个基于 OFDM 的窄带电力线通信规范。该规范包含了 PHY 层、MAC 层以及汇聚子层三个方面的内容。PHY 工作于 CENELEC-A（41.992kHz-88.867kHz）频段，有 96 个数据子载波和 1 个导频子载波。调制方式有 DBPSK、DQPSK 和 D8PSK，可采用 1/2 速率的卷积码，物理层数据率从 21-128kbps。PRIME 采用树形网络的组网方式，规定了两类节点：基站节点和服务节点，其中基站节点为树形网络的根节点，服务节点又可
45、继续分为中继节点和终端节点，分别对应为树形网络的非叶节点和叶节点。服务节点有 3 种状态：未连接状态、终端状态和中继状态。未连接状态的节点通过登记注册进入终端状态，终端状态的节点通过提升过程进入中继状态。MAC 层采用基于基站节点控制的无竞争接入和开放式的基于竞争接入相结合的方式，竞争接入采用基于优先级的CSMA/CA。汇聚子层定义了一个公共服务汇聚子层和多个服务专用汇集子层。公共服务汇聚子层负责分段重装，服务专用汇聚子层包括用于 IPv4 分组传输的IPv4 服务汇聚子层和为使用 IEC 61334-4-32 服务的应用提供汇聚功能的 IEC61334-4-32 专用汇聚子层等。（3）、G3
46、-PLC 标准G3-PLC 联盟是由 ERDF 发起，于 2011 年 10 月成立，旨在支持和推动 G3-PLC在智能电网中的应用。联盟的主要成员包括 EDF、ERDF、ENEXIS、MAXIM、SAGEMCOM、ITRON、LANDIS+GYR、ST、TI 和 TRIALOG 等。G3-PLC 标准是由 Maxim 和 Sagem 合作为 ERDF(ElectriciteReseauDistribution France)研究开发，于 2009 年 9 月发布。G3-LC 标准也是一种使用 OFDM 技术的窄带 PLC 标准。标准中规定的协议架构如图 4.1 所示。中国电子技术标准化研究院
47、宽带电力线通信标准化白皮书15图 4.1 G3-PLC 标准规定的协议架构G3-PLC 的 PHY 可工作于 CENELEC 的多个频段以及 FCC 频段，工作于各频段时的控制参数如表 4-1 所示：表 4-2 G3-PLC 各频段时的控制参数频段FFT点数CP长度FCH符号数采样频率Preamble符号数最大速率kbpsCENELEC-A25630130.4MHz9.533.4CENELEC-B25630300.4MHz9.522CENELEC-C25630520.4MHz9.510.7CENELEC-D25630900.4MHz9.56.24CENELEC-BC25630180.4MHz9
48、.534.5CENELEC-BCD25630150.4MHz9.540.3CENELEC-BD25630250.4MHz9.526FCC25630121.2MHz9.5240G3-PLC的数据链路层包含两个子层：MAC子层和适配子层。MAC子层基于IEEE802.15.4 的 MAC 层定义，适配子层基于 RFC 4944 定义。MAC 子层是网状拓扑结构，采用基于 CSMA/CA 的竞争接入机制，适配子层是为了传输 IPv6 数据包而设置的。之所以要定义一个适配子层是因为需要在 IEEE 802.15.4 的 MAC 上传输IPv6 数据包，由于 IPv6 数据包的大小远大于 IEEE 80
49、2.15.4 的 MAC 帧的最大长中国电子技术标准化研究院宽带电力线通信标准化白皮书16度，因此规定一个适配子层对 IPv6 数据包进行分段和重装。适配子层还需要完成 IPv6 地址和 IEEE 802.15.4 的设备地址之间的映射。此外，mesh 路由也是由适配子层来完成的，采用基于 AODV 的路由发现协议进行路由发现和维护。（4）、IEEE P1901.22010 年 3 月，IEEE-SA 启动了 P1901.2 项目，批准了该项目的 PAR。IEEEP1901.2 工作组成员主要包括：Cisco、HomePlug 联盟、Lantiq、Marvell、Maxim、STMircroe
50、lectronics、TI 等。2013 年 10 月 31 日，该标准获得批准。IEEE 1901.2 标准规定的窄带电力线通信技术的工作频段为 500kHz 以下，可适应不同国家的频段规定。IEEE 1901.2 定义的物理层扰码多项式为：s(x)=x7+x4+1，与 G3 及 PRIME 标准的扰码生成方式一致，纠错编码使用了里德索罗门编码和卷积码，调制方式使用 OFDM，调制方案强制要求支持 DBPSK、DQPSK和 D8PSK，可选支持 BPSK、QPSK、8PSK、16QAM。采用 RS 码和卷积码作为 FEC方案，支持额定的 4 倍和 6 倍鲁棒模式，数据速率最大为 500kbp