寬帶電力線通信對(duì)無(wú)線通信的影響及其頻帶的管理

引言

　　隨著Internet技術(shù)和市場(chǎng)應(yīng)用的快速發(fā)展，各種寬帶接入方式相繼出現(xiàn)，利用電力線進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)也取得了重大進(jìn)展。 
更高速率的寬帶電力線設(shè)備，例如45 Mbit/s、85 Mbit/s、200 Mbit/s等速率的產(chǎn)品相繼問(wèn)世，利用寬帶電力線上網(wǎng)已經(jīng)成為獨(dú)特的接入方式，但是電力線通信系統(tǒng)（PLC系統(tǒng)）引起的電磁兼容問(wèn)題成為PLC推向市場(chǎng)的最大障礙。

　　電力線高速數(shù)據(jù)通信技術(shù)是一個(gè)正在發(fā)展中的嶄新學(xué)科。電力線一般用來(lái)傳輸220V/50Hz電能,為了提供從數(shù)Mbit／s到數(shù)十Mbit／s以上的數(shù)據(jù)傳輸，就必須采用數(shù)MHz以上的頻段。但在當(dāng)前的技術(shù)條件下，這會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的EMI(電磁干擾)。例如，NOR．WEB公司的PLC系統(tǒng)運(yùn)行后，發(fā)現(xiàn)路燈變成了發(fā)射天線，干擾了包括英國(guó)廣播公司4臺(tái)在內(nèi)的多家廣播電臺(tái)的無(wú)線電信號(hào)接收。本文將就PLC系統(tǒng)的電磁兼容特性進(jìn)行分析,并對(duì)于其頻譜管理提出一些建議。

寬帶PLC電磁兼容問(wèn)題分析

1.1 電磁兼容分析模型

　　對(duì)于一般的電磁兼容問(wèn)題分析的基本模型如圖1所示。

　　對(duì)于寬帶PLC系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，干擾源要整體考慮，不僅包括PLC設(shè)備，而且要考慮當(dāng)信號(hào)加到電力線上時(shí)，由于電力線是一種非屏蔽的線路，有可能作為發(fā)射天線對(duì)無(wú)線通信和廣播產(chǎn)生的不利影響。此外還要考慮多種PLC設(shè)備間的相互影響。PLC的耦合途徑是非常復(fù)雜的，是不同的途徑相互作用的結(jié)果，總體上分為兩種，一種是空間的輻射，對(duì)應(yīng)的被干擾設(shè)備是無(wú)線通信和廣播信號(hào);另一種是沿電力線的傳導(dǎo)騷擾，主要造成對(duì)電能質(zhì)量的影響。因此寬帶PLC系統(tǒng)的電磁兼容問(wèn)題涉及多個(gè)PLC系統(tǒng)的共存，以及與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的共存。

1.2 寬帶PLC系統(tǒng)電磁干擾產(chǎn)生的機(jī)理

　　電力線最主要是用來(lái)傳輸電能的，其特性和結(jié)構(gòu)也是按照輸送電能的損失最小并保證安全可靠地傳輸?shù)皖l(50Hz)電流來(lái)設(shè)計(jì)的，不具備電信網(wǎng)的對(duì)稱性(構(gòu)成回路的兩根絕緣芯線對(duì)地是對(duì)稱的)、均勻性(在線路的全部長(zhǎng)度上傳輸導(dǎo)線橫截面形狀及大小、使用材料、導(dǎo)體間的間隔和導(dǎo)體周圍的介質(zhì)都保持均勻不變)，因而基本上不具備通信網(wǎng)所必須具備的通信線路電氣特性。而寬帶PLC系統(tǒng)所產(chǎn)生的電磁干擾問(wèn)題正是由于電力線的這種對(duì)地不對(duì)稱性產(chǎn)生的。

　　寬帶PLC系統(tǒng)產(chǎn)生兩種電磁場(chǎng)，傳導(dǎo)波和輻射波。它們都是由共模電流引起的。

　　電磁干擾源的一般模型如圖2所示。

　　根據(jù)這個(gè)模型，一般認(rèn)為EMI是由兩種電流注入網(wǎng)絡(luò)引起的，一種是共模電流（Ic），一種是差模電流（Id）。差模電流信號(hào)流入的上行方向（設(shè)備到網(wǎng)絡(luò)）產(chǎn)生了一個(gè)磁場(chǎng)，而另一個(gè)差模電流以同樣的強(qiáng)度和領(lǐng)域與第一個(gè)在相反的方向上（網(wǎng)絡(luò)到設(shè)備）上產(chǎn)生第二個(gè)電磁場(chǎng)。由于兩個(gè)電磁場(chǎng)對(duì)稱且方向相反，彼此產(chǎn)生的電磁干擾相互抵消。與差模方式相反，共模電流在同一個(gè)方向上，所以產(chǎn)生的電磁場(chǎng)是不對(duì)稱的，因此總的電磁輻射是兩個(gè)電磁場(chǎng)的疊加。所以PLC 網(wǎng)絡(luò)的干擾主要是由共模電流引起的。

PLC對(duì)無(wú)線通信的影響

　　理論證明，在原有的幾百kHz頻帶內(nèi)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)Mbit／s級(jí)的高數(shù)據(jù)傳輸速率的，因此高速PLC技術(shù)所采用頻帶遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了低速PLC所規(guī)定的頻帶范圍。

　　目前高速PLC技術(shù)所采用的頻帶也沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際上的實(shí)際應(yīng)用一般集中在1 MHz～30 MHz。從高速PLC技術(shù)的應(yīng)用模式來(lái)看，國(guó)際上主要分為兩種不同的應(yīng)用，歐洲的PLC技術(shù)主要應(yīng)用于Internet接入，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)ETSI(the European Tele—communications Standards Institute)在其技術(shù)規(guī)范“TS101 867”中將1.6 MHz～9.4 MHz規(guī)定為接入應(yīng)用頻帶，將11 MHz～30 MHz規(guī)定為室內(nèi)應(yīng)用頻帶。另一種應(yīng)用方式主要集中在北美，北美的高速PLC技術(shù)主要應(yīng)用在室內(nèi)聯(lián)網(wǎng)。

　　與低速PLC所占的專用頻帶不同，高速PLC所采用的l MHz～30 MHz頻帶已被分配給其他無(wú)線電應(yīng)用了，如固定業(yè)務(wù)、移動(dòng)業(yè)務(wù)(水上移動(dòng)、陸地移動(dòng)、航空移動(dòng))、無(wú)線電定位、無(wú)線電導(dǎo)航、標(biāo)準(zhǔn)頻率和時(shí)間信號(hào)、短波無(wú)線電廣播、業(yè)余無(wú)線電業(yè)務(wù)、衛(wèi)星業(yè)余業(yè)務(wù)、射電天文和氣象輔助等業(yè)務(wù)。
　　對(duì)PLC而言，首先要考慮是否存在尚沒(méi)有分配給其他應(yīng)用的頻帶：在德國(guó)，l MHz～30 MHz頻帶范圍內(nèi)沒(méi)有分配的頻帶大約有7.5 MHz，但頻帶不連續(xù)，因此對(duì)信號(hào)的調(diào)制技術(shù)就會(huì)有選擇性。OFDM 采用多載波技術(shù)，因此OFDM可以適應(yīng)這種頻帶不連續(xù)的情況。對(duì)于已經(jīng)分配的頻帶，如果PLC系統(tǒng)需要使用，就必須考慮在這些頻帶范圍內(nèi)的電磁輻射問(wèn)題，這是因?yàn)镻LC系統(tǒng)的載波信號(hào)能量可能輻射到周圍空間，對(duì)該頻帶內(nèi)的無(wú)線電業(yè)務(wù)造成影響。由于這種干擾來(lái)自PLC系統(tǒng)的有用信號(hào)，因此PLC干擾源的性質(zhì)可以定位為有意干擾源。在這種情況下，只能考慮在這個(gè)頻帶內(nèi)對(duì)PLC系統(tǒng)的電磁騷擾進(jìn)行限制，以保護(hù)在這個(gè)頻帶內(nèi)的無(wú)線電業(yè)務(wù)。就電力分布線和發(fā)送線產(chǎn)生的磁場(chǎng)而言，會(huì)隨著時(shí)間變化而改變，與電流大小成正比。PLC在應(yīng)用頻帶內(nèi)的電磁輻射對(duì)無(wú)線電業(yè)務(wù)的潛在影響也是目前對(duì)PLC應(yīng)用的主要爭(zhēng)議。

測(cè)試結(jié)果

　　為了評(píng)估PLC室內(nèi)局域網(wǎng)系統(tǒng)以及PLC接入系統(tǒng)的電磁輻射水平，許多組織及研究機(jī)構(gòu)對(duì)PLC的輻射場(chǎng)進(jìn)行了大量測(cè)試[3,4,]。

　　ET．SI PLT工作組的研究小組進(jìn)行了如下測(cè)試：在傳導(dǎo)干擾基本滿足CISPR 22 B類設(shè)備規(guī)定的最大限值的情況下，測(cè)試不同頻率、不同距離時(shí)電力線的輻射場(chǎng)強(qiáng)，研究是否存在干擾合法短波無(wú)線電用戶使用的可能性。測(cè)試結(jié)果如下:

　　(1) 輻射場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)隨距離的增加而快速衰減。測(cè)試結(jié)果表明，衰減的幅度為距離每增加10倍衰減為31 dB～36 dB。

　　(2) 在城市內(nèi)，滿足CISPR22的PLC系統(tǒng)產(chǎn)生的輻射場(chǎng)強(qiáng)低于典型的大氣和宇宙噪聲，不會(huì)對(duì)其他無(wú)線業(yè)務(wù)產(chǎn)生干擾。但在人煙稀少的農(nóng)村，在12 m～14 m的范圍內(nèi)有可能對(duì)無(wú)線電接收機(jī)產(chǎn)生影響。

　　(3) 12 m～14 m之外，在任何地區(qū)，滿足CISPR22的PLC系統(tǒng)產(chǎn)生的輻射電平低于典型的大氣和宇宙噪聲，不會(huì)干擾無(wú)線電接收機(jī)的工作。

　　也有許多專家對(duì)大量PLC系統(tǒng)同時(shí)使用時(shí)的電磁輻射累積效應(yīng)進(jìn)行了研究和測(cè)試，其目的在于分析大量PLC系統(tǒng)同時(shí)使用時(shí)對(duì)無(wú)線GSM 網(wǎng)絡(luò)，特別是具有高接收靈敏度的GSM中心站的影響。在所測(cè)試區(qū)域，有一個(gè)GSM 中心管理站，1433個(gè)基站(每個(gè)基站的容量為200個(gè)用戶)，終端用戶容量為28600個(gè)。在該網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)共安裝了19個(gè)PLC 網(wǎng)絡(luò)。測(cè)試結(jié)果表明多用戶同時(shí)使用時(shí)，如每個(gè)PLC終端注入到低壓配電網(wǎng)的信號(hào)功率譜密度達(dá)10 mW／Hz(遠(yuǎn)高于PLC 系統(tǒng)實(shí)際注入的功率譜密度)，在離PLC 網(wǎng)絡(luò)1500 m處，即使是在沒(méi)有建筑物阻擋的開(kāi)闊地帶，多個(gè)PLC系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁輻射值也低于大氣及宇宙噪聲，對(duì)環(huán)境噪聲的增值遠(yuǎn)小于0.1 dB。

對(duì)寬帶電力線等非無(wú)線電設(shè)備管理的一些建議

　　通過(guò)對(duì)寬帶電力線對(duì)無(wú)線廣播通信頻率干擾的分析，我們對(duì)寬帶電力線干擾的機(jī)理和防治方法有了較深入的了解。

　　如何加強(qiáng)對(duì)輻射無(wú)線電波的非無(wú)線電發(fā)射設(shè)備的管理，特別是像寬帶電力線通信這類輻射無(wú)線電波的非無(wú)線電發(fā)射設(shè)備的管理，是無(wú)線電管理部門需要考慮的問(wèn)題。

　　在信息化社會(huì)里，無(wú)線電頻譜作為一種重要的資源，它的作用日益重要。無(wú)線電業(yè)務(wù)已經(jīng)普及到社會(huì)生活的方方面面，各行各業(yè)對(duì)無(wú)線頻譜的依賴性越來(lái)越強(qiáng)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，各類電子設(shè)備等非無(wú)線電通信設(shè)備廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活當(dāng)中，其產(chǎn)生的電磁輻射是無(wú)線電通信業(yè)務(wù)的潛在干擾源。由于這類干擾日益增多，對(duì)管理提出了新的挑戰(zhàn)。目前對(duì)這類干擾查處的主要依據(jù)是《中華人民共和國(guó)無(wú)線電管理?xiàng)l例》第六章和第八章對(duì)非無(wú)線電設(shè)備的無(wú)線電波輻射的規(guī)定，但力度不夠。

　　對(duì)于這些問(wèn)題，建議在制度方面出臺(tái)一些具體的規(guī)章制度，以便處理問(wèn)題時(shí)有章可循，有法可依。在技術(shù)方面應(yīng)逐步加強(qiáng)對(duì)該類設(shè)備檢測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究，在管理方面須加強(qiáng)與不同部門的溝通和協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)這類產(chǎn)品生產(chǎn)、銷售使用的有效監(jiān)管。

結(jié)束語(yǔ)

　　寬帶電力線通信的載波頻段與其他無(wú)線電通信業(yè)務(wù)共用，而且電力線是一種非屏蔽的通信線路，因此寬帶電力線通信在實(shí)際工作中不可避免地存在電磁干擾的問(wèn)題。

　　隨著通信技術(shù)的發(fā)展、新的調(diào)制方式和組網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)，電磁干擾問(wèn)題將會(huì)不斷得到改善。基于這種情況，無(wú)線電管理者應(yīng)該堅(jiān)持科學(xué)的態(tài)度，既要保證現(xiàn)有的重要無(wú)線電業(yè)務(wù)不要受到干擾，同時(shí)要為新技術(shù)的發(fā)展留出空間，使新舊技術(shù)在同一片天空下和諧發(fā)展。
參考文獻(xiàn)

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