寬帶電力線通信對無線通信的影響及其頻帶的管理

引言

　　隨著Internet技術和市場應用的快速發展，各種寬帶接入方式相繼出現，利用電力線進行高速數據傳輸的技術也取得了重大進展。 
更高速率的寬帶電力線設備，例如45 Mbit/s、85 Mbit/s、200 Mbit/s等速率的產品相繼問世，利用寬帶電力線上網已經成為獨特的接入方式，但是電力線通信系統（PLC系統）引起的電磁兼容問題成為PLC推向市場的最大障礙。

　　電力線高速數據通信技術是一個正在發展中的嶄新學科。電力線一般用來傳輸220V/50Hz電能,為了提供從數Mbit／s到數十Mbit／s以上的數據傳輸，就必須采用數MHz以上的頻段。但在當前的技術條件下，這會引發嚴重的EMI(電磁干擾)。例如，NOR．WEB公司的PLC系統運行后，發現路燈變成了發射天線，干擾了包括英國廣播公司4臺在內的多家廣播電臺的無線電信號接收。本文將就PLC系統的電磁兼容特性進行分析,并對于其頻譜管理提出一些建議。

寬帶PLC電磁兼容問題分析

1.1 電磁兼容分析模型

　　對于一般的電磁兼容問題分析的基本模型如圖1所示。

　　對于寬帶PLC系統來說，干擾源要整體考慮，不僅包括PLC設備，而且要考慮當信號加到電力線上時，由于電力線是一種非屏蔽的線路，有可能作為發射天線對無線通信和廣播產生的不利影響。此外還要考慮多種PLC設備間的相互影響。PLC的耦合途徑是非常復雜的，是不同的途徑相互作用的結果，總體上分為兩種，一種是空間的輻射，對應的被干擾設備是無線通信和廣播信號;另一種是沿電力線的傳導騷擾，主要造成對電能質量的影響。因此寬帶PLC系統的電磁兼容問題涉及多個PLC系統的共存，以及與無線網絡的共存。

1.2 寬帶PLC系統電磁干擾產生的機理

　　電力線最主要是用來傳輸電能的，其特性和結構也是按照輸送電能的損失最小并保證安全可靠地傳輸低頻(50Hz)電流來設計的，不具備電信網的對稱性(構成回路的兩根絕緣芯線對地是對稱的)、均勻性(在線路的全部長度上傳輸導線橫截面形狀及大小、使用材料、導體間的間隔和導體周圍的介質都保持均勻不變)，因而基本上不具備通信網所必須具備的通信線路電氣特性。而寬帶PLC系統所產生的電磁干擾問題正是由于電力線的這種對地不對稱性產生的。

　　寬帶PLC系統產生兩種電磁場，傳導波和輻射波。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。

　　根據這個模型，一般認為EMI是由兩種電流注入網絡引起的，一種是共模電流（Ic），一種是差模電流（Id）。差模電流信號流入的上行方向（設備到網絡）產生了一個磁場，而另一個差模電流以同樣的強度和領域與第一個在相反的方向上（網絡到設備）上產生第二個電磁場。由于兩個電磁場對稱且方向相反，彼此產生的電磁干擾相互抵消。與差模方式相反，共模電流在同一個方向上，所以產生的電磁場是不對稱的，因此總的電磁輻射是兩個電磁場的疊加。所以PLC 網絡的干擾主要是由共模電流引起的。

PLC對無線通信的影響

　　理論證明，在原有的幾百kHz頻帶內是無法實現Mbit／s級的高數據傳輸速率的，因此高速PLC技術所采用頻帶遠遠超過了低速PLC所規定的頻帶范圍。

　　目前高速PLC技術所采用的頻帶也沒有統一標準。國際上的實際應用一般集中在1 MHz～30 MHz。從高速PLC技術的應用模式來看，國際上主要分為兩種不同的應用，歐洲的PLC技術主要應用于Internet接入，歐洲電信標準委員會ETSI(the European Tele—communications Standards Institute)在其技術規范“TS101 867”中將1.6 MHz～9.4 MHz規定為接入應用頻帶，將11 MHz～30 MHz規定為室內應用頻帶。另一種應用方式主要集中在北美，北美的高速PLC技術主要應用在室內聯網。

　　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線電應用了，如固定業務、移動業務(水上移動、陸地移動、航空移動)、無線電定位、無線電導航、標準頻率和時間信號、短波無線電廣播、業余無線電業務、衛星業余業務、射電天文和氣象輔助等業務。
　　對PLC而言，首先要考慮是否存在尚沒有分配給其他應用的頻帶：在德國，l MHz～30 MHz頻帶范圍內沒有分配的頻帶大約有7.5 MHz，但頻帶不連續，因此對信號的調制技術就會有選擇性。OFDM 采用多載波技術，因此OFDM可以適應這種頻帶不連續的情況。對于已經分配的頻帶，如果PLC系統需要使用，就必須考慮在這些頻帶范圍內的電磁輻射問題，這是因為PLC系統的載波信號能量可能輻射到周圍空間，對該頻帶內的無線電業務造成影響。由于這種干擾來自PLC系統的有用信號，因此PLC干擾源的性質可以定位為有意干擾源。在這種情況下，只能考慮在這個頻帶內對PLC系統的電磁騷擾進行限制，以保護在這個頻帶內的無線電業務。就電力分布線和發送線產生的磁場而言，會隨著時間變化而改變，與電流大小成正比。PLC在應用頻帶內的電磁輻射對無線電業務的潛在影響也是目前對PLC應用的主要爭議。

測試結果

　　為了評估PLC室內局域網系統以及PLC接入系統的電磁輻射水平，許多組織及研究機構對PLC的輻射場進行了大量測試[3,4,]。

　　ET．SI PLT工作組的研究小組進行了如下測試：在傳導干擾基本滿足CISPR 22 B類設備規定的最大限值的情況下，測試不同頻率、不同距離時電力線的輻射場強，研究是否存在干擾合法短波無線電用戶使用的可能性。測試結果如下:

　　(1) 輻射場的場強隨距離的增加而快速衰減。測試結果表明，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，滿足CISPR22的PLC系統產生的輻射場強低于典型的大氣和宇宙噪聲，不會對其他無線業務產生干擾。但在人煙稀少的農村，在12 m～14 m的范圍內有可能對無線電接收機產生影響。

　　(3) 12 m～14 m之外，在任何地區，滿足CISPR22的PLC系統產生的輻射電平低于典型的大氣和宇宙噪聲，不會干擾無線電接收機的工作。

　　也有許多專家對大量PLC系統同時使用時的電磁輻射累積效應進行了研究和測試，其目的在于分析大量PLC系統同時使用時對無線GSM 網絡，特別是具有高接收靈敏度的GSM中心站的影響。在所測試區域，有一個GSM 中心管理站，1433個基站(每個基站的容量為200個用戶)，終端用戶容量為28600個。在該網絡覆蓋區域內共安裝了19個PLC 網絡。測試結果表明多用戶同時使用時，如每個PLC終端注入到低壓配電網的信號功率譜密度達10 mW／Hz(遠高于PLC 系統實際注入的功率譜密度)，在離PLC 網絡1500 m處，即使是在沒有建筑物阻擋的開闊地帶，多個PLC系統產生的電磁輻射值也低于大氣及宇宙噪聲，對環境噪聲的增值遠小于0.1 dB。

對寬帶電力線等非無線電設備管理的一些建議

　　通過對寬帶電力線對無線廣播通信頻率干擾的分析，我們對寬帶電力線干擾的機理和防治方法有了較深入的了解。

　　如何加強對輻射無線電波的非無線電發射設備的管理，特別是像寬帶電力線通信這類輻射無線電波的非無線電發射設備的管理，是無線電管理部門需要考慮的問題。

　　在信息化社會里，無線電頻譜作為一種重要的資源，它的作用日益重要。無線電業務已經普及到社會生活的方方面面，各行各業對無線頻譜的依賴性越來越強。隨著技術的不斷發展，各類電子設備等非無線電通信設備廣泛應用于社會生活當中，其產生的電磁輻射是無線電通信業務的潛在干擾源。由于這類干擾日益增多，對管理提出了新的挑戰。目前對這類干擾查處的主要依據是《中華人民共和國無線電管理條例》第六章和第八章對非無線電設備的無線電波輻射的規定，但力度不夠。

　　對于這些問題，建議在制度方面出臺一些具體的規章制度，以便處理問題時有章可循，有法可依。在技術方面應逐步加強對該類設備檢測監測技術的研究，在管理方面須加強與不同部門的溝通和協調，實現對這類產品生產、銷售使用的有效監管。

結束語

　　寬帶電力線通信的載波頻段與其他無線電通信業務共用，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際工作中不可避免地存在電磁干擾的問題。

　　隨著通信技術的發展、新的調制方式和組網技術的出現，電磁干擾問題將會不斷得到改善。基于這種情況，無線電管理者應該堅持科學的態度，既要保證現有的重要無線電業務不要受到干擾，同時要為新技術的發展留出空間，使新舊技術在同一片天空下和諧發展。
參考文獻

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