通过 G3 开发稳健的电力线通信 (PLC) - I

作者: Xiaolin Lu，智能电网研发经理，德州仪器公司；Olivier Monnier，全球市场经理  达拉斯电力线通信 (PLC) 研发团队，智能电网解决方案 德州仪器公司

电力线通信 (PLC) 是一项在其开发过程之中便引起世界广泛关注的全球性技术。在其最简单的形式中，PLC 通过现有的电力线调制通信信号。这使得设备能够在无需新增任何导线或电缆的情况下实现联网。此种能力在各种各样的应用中均极受青睐，其可通过网络充分利用更高的智能和效率。PLC 最初的市场商机包括：

公用事业计量表：对于 PLC 来说，公用事业计量表是一项主要的批量型应用。PLC 是公用事业公司优先选择的自动抄表 (AMR) 和自动计量基础设施 (AMI) 通信技术，因为它完全不再需要安装额外的配线。另外，很多消费者希望把计量表连接至某种能耗监测装置（即：家用能源显示设备 [IHD]），以显示其能源消耗情况，并根据自己每天各个时段的能源需求利用好峰谷分时定价标准以降低费用，此类需求也对 PLC 的应用起到了推动作用。

家庭局域网：随着家庭网络的日益扩大，许多电器被纳入其中（以提高能源的使用效率），OEM 制造商逐步转向使用 PLC 作为各种家用设备与家庭网络的衔接技术。该市场所面临的主要挑战之一是家用电器在其使用过程中存在的高噪声特性。OEM 需要一种稳健和成本优化的实现方案来提供可靠的通信，从而使得窄带 PLC 在面对有线通信或衔接现有的各种无线技术时成为最佳的选择。

照明：PLC 既适合家庭自动化也适合工业自动化，因而使得 OEM 制造商能够把智能集成到众多的照明产品中。主要功能包括照明的遥控、照明灯的自动激活与去激活、监测能源使用状况以精确计算能耗成本、以及与电网的连接。一项关键的设计要求是必需能够实现一款用于控制和 PLC 的高性价比单芯片。

太阳能：对于太阳能设备的大规模推广应用，PLC 充当了一项重要的支撑技术，其为太阳能逆变器提供了一个通信通道，可供公用事业公司在电网上监测和管理电力。虽然射频 (RF) 技术已经在太阳能装置方面取得了一些进展，但 PLC 则提供了一种在直流 (DC) 或交流 (AC) 线路上以高可靠性和低成本进行设备连接的理想方法。

G3：稳健和可靠的通信

PLC 实际上是所有采用电力线作为通信通道的技术的一个通称。因此，PLC 实际上包括了多项标准，这些标准专注于与特定应用和工作环境（表 1）相关的不同性能因素和问题。G3 和 PRIME 是其中最著名的两项标准。在诸多标准中，总的说来 G3（或与其类似的 IEEE P1901.2）更多地关注稳健性。考虑到 PLC 有可能工作的各种环境以及这些环境中所存在的不同种类的干扰，G3 标准具备的耐受噪声的稳健性常常使其成为一种更受全球推广应用项目青睐的选择。

IEC61334、PRIME、G3 和 IEEE P1901.2/G3-FCC

表 1：电力线通信 (PLC) 实际上包括了多项标准，这些标准专注于与特定应用和工作环境相关的不同方面和问题。

作为一项标准，G3 的演进是由 G3 联盟负责管理的。在欧洲，G3 工作于 CENELEC-A 频段 (3～95 kHz)，并可在其他国家扩展到整个 FCC 频段以提供较高的数据速率。G3 为双向通信标准，具有 20 kbps 至 40 kbps（在 CENELEC-A 频段）和高达 200 kbps 至 400 kbps（在整个 FCC 频段 [G3-FCC]）的有效数据速率。其可与 S-FSK 及其他传统 PLC 技术共存，并无缝支持 DLMS/COSEM（IEC 62065 系列），而且提供了用于 CCM 的第 2 层 128 位 AES 以增加数据安全性。目前，针对 IPv6 的支持使得 G3 能够以一种高效的方式汇聚 IPv4 和 IPv6 设备与网络。

G3 采用正交频分复用 (OFDM) 调制，可提供针对干扰和衰减的高度适应性。因此，它能够在中压变压器之间穿越时实现最远距离达 6 英里的可靠通信。另外，该标准还可在横跨低压和中压 (LV/MV) 变换时实现总距离不超过 2～3英里（具体数值取决于通道条件）的通信。

G3 穿过变压器的能力是一项很重要的性能，对于低人口密度的乡村地区尤其如此。特别是在北美地区，住户与公用事业设备之间的低压变换可能只延伸 3～4 米。在该变压器之前布设一个集中器完全无法实现必要的密度，因此增加这个集中器是得不偿失的。

G3 专为解决该问题而设计，其允许 PLC 信号穿过低压变压器并分配至中压线路。这使得能够将集中器放置在其可从多得多的位置聚集数据的地方，从而改善实现家庭/商企与公用事业公司之连接的成本效益性。

另外，G3 还构成了 ITU G.9955（G.9956 用于 G3 MAC）标准的附录 A 和附录 D (G3-FCC) 部分。目前，IEEE 正在制定 G3 的全球性版本（名称定为 P1901.2）。最终的标准预计将于 2012 年底之前制定完成。其他与 OFDM 相关的标准包括 G.9955/9955 主体（即 G.hnem）。

为了支持数据速率的增加和覆盖范围的扩大，G3-FCC 采用了相干调制选项。实际上，当通道能够通过使用导频信号进行可靠估测时，就可使性能相比于差分调制有所改善。G3-FCC 支持面向 Robo 模式、BPSK、QPSK、8PSK 和 16-QAM 的相干解调，并可提供高达 5 dB 的增益。与相干调制有关的已知难题包括晶振漂移以及如何在一个 AC 周期之内控制通道变更。

G3 以外的其他标准

在寻找最适合的 PLC 实现方案的过程中，许多国家已经开始了自己的评估工作，就是对 G3 在特定地区的常见噪声操作条件下的工作状况进行特性分析。 比如在韩国，许多电缆都是埋设在地下的。当时，韩国政府认为可以通过这些电缆来使用宽带 PLC 技术。然而，当在地下使用时，宽带的可靠性受损。对于此类工作条件来说，诸如 G3 等窄带实现方案更为适合。

虽然不少国家已围绕 G3 实施标准化（特别是法国），但有些国家（如西班牙）则选择了其他的技术，例如：PRIME。不过，真正的标准之争只是刚刚拉开帷幕。诸如中国、印度尼西亚和日本等国家则尚未表现出要围绕 PLC 展开标准化的特殊迹象。因此，那些能够制造支持多种标准之产品的 OEM 厂商将处于可更好地利用这些新兴市场商机的有利位置。

德州仪器 (TI) 提供了一种可实现本文第 2 页表 1 中的所有标准的 PLC 平台。除此之外，TI 还提供了 PLC-Lite^TM，作为一种采用 PLC 技术的非标准型、较低成本且非常灵活的方法。由于它不是一项固定标准，因此开发人员能充分利用 PLC-Lite 的灵活性以针对特定的通道特性优化实现方案，从而在那些 G3 和 PRIME 技术会因为线路上的干扰需要进行异常处理而遭遇困难的环境中改善链路稳健性。

PLC-Lite 的最大数据速率为 21 kbps，并支持全频段和半频段模式（下一页上的表 2）。它专为提供针对某些类型干扰的更强稳健性而设计，包括会影响 G3 链路的窄带干扰。其包含一个简单的 CSMA/CA（载波侦听多点接入/冲突避免）MAC，该 MAC 可与任意专用堆栈相集成。

由于其具有简单性和较低的数据速率，因此每条链路的实现成本大幅下降。另外，PLC-Lite^TM 还提供了巨大的灵活性，并允许开发人员在某种业界标准的限制范围以外定制通道链路。

TI PLC-Lite 特性参数

表2：由于其具有简单性和较低的数据速率，因此 PLC-Lite 每条链路的实现成本远远低于 G3 或 PRIME。此外，PLC-Lite 还通过允许开发人员定制通道链路提供了巨大的灵活性。

PLC-Lite 适合于对成本非常敏感的环境，以及那些不需要 G3 和 PRIME 的复杂性、但仍然需要一条稳健通信通道的应用。就像电视遥控器并不需要拥有 Wi-Fi^TM 的全部功能来切换频道或调节音量一样，并不是每一种应用都需要 PRIME 和 G3 的先进功能和数据速率。例如：PLC-Lite 是适合家庭网络内部的简单灯泡或墙壁开关的理想解决方案，在此场合中几个 kbps 的速率就足够了。

PLC-Lite 特别适用于电能表以外的装置，包括太阳能逆变器、家庭和工业照明以及网络设备等。凭借一种可提供在噪声环境中实现可靠运作所需稳健性的低成本方法，它在许多应用中皆提供了重要的价值。其优化的内存占用和计算性能要求使开发人员能够借助 PLC 通信来实现照明灯控制或逆变器控制（在单颗芯片上提供了一种非常独特的集成水平）。

未完代续......