室内低压电力线1～30MHz频段信道特性

康 信 龙，张 义，王 辉，金 基 宇，李 鹏，王 智 森

（大连工业大学 信息科学与工程学院，辽宁 大连 116034）

0 引 言

电力线是生活中最为普及的传输线路，如果能用来进行通信信号传输，其将成为智慧城市与智慧家庭建设过程中速度快、成本低、最有效的通信实现手段。电力线通信（Power Line Communications，PLC）技术就是指利用电力线传输数据的一种通信方式。

物联网技术的出现与发展，促使人和物都成为了感知认知和被感知认知的主体，语言和思考不在单纯是人类才有的特征，规模如此复杂庞大的网络和数量如此繁多的终端都需要高效可靠的通信网络支撑，而电力线通信凭借电力线网络广泛的存在性，低廉的成本，高效的部署方式为解决物联网发展的网络困难提供了最有效的潜在方案。国外研究者基于理想化的工程环境建立了电力线通信信道模型，分析了电力线传输过程中存在的电抗特性匹配［1］与频率选择性衰落［2－4］问题。我国室内电力线施工时电力线集褶、回折现象较多，线材一致性与均匀性不佳，很难达到欧美电力线施工质量，另外，我国对低压电器设备电磁兼容性控制和管理也并不如欧美、日本严格，低压电力网的电磁污染要比发达国家更为严重。非理想环境引入的电抗不匹配会增加信号的反射，此外还会加重频率选择性衰落。因而结合我国实际工程环境确定合适的信道模型参数是非常重要的。作者主要研究的是室内低压电力线通信信道在1～30 MHz频段的信道特性问题。

图1表明了通信系统的一般模型框图［5］，其中信道在PLC技术中是指承载信号传输的电力线。

图1 通信系统一般模型Fig.1 General model of communication systems

从占用频率带宽的角度来看，PLC 技术可分为窄带PLC 与宽带PLC。窄带PLC，其数据速率小于1 Mb／s，目前技术比较成熟，而且已有相应的标准对载波频率进行了规定［6］。配电网和家用电力网进行宽带通信的研究在20世纪90年代兴起，同时，研究人员对电力线信道特性，调制技术和通信协议的研究较为深入，这些研究工作促成了宽带电力线通信的集成电路开发和电力线通信系统相关协议的编写。宽带PLC 的载波频率范围，欧洲ETSI标准为1.6～10 MHz（接入网）和10～30 MHz（室内），在美国为4～20 MHz（HomePlug Specification v1.0），主要用于户内，中国尚无宽带PLC的国家级标准［7］。

目前国际上对高频PLC 信道特性研究比较多，例如Tanaka［8］研究了日本电力线在频段10～500 MHz 范围内进行数据通信的信道特性，Arzberger等［9］研究了德国低压配电网特性。德国学者Klaus Dostert对电力线技术进行深入研究与总结，在通过实际测试后对电力线信道进行了建模。

国内一些学者也展开了电力线信道方面的研究，如孙社文等［10－12］阐述了理论建模与特性，蔡伟等［13－14］分析了衰减与噪声特性。仔细分析上述文献可以发现，国内研究一般基于数学分析与理论模型推导，而从实际应用测量方面来讲，未进行测试或测试频段较低。

基于以上分析，为了获得我国室内低压电力线信道特性，作者选择了室内低压电力线1～30MHz频段进行实际的信道特性测量与模型分析。

1 信道测量

1.1 测试模型

实验采用国内外最常使用的截面积为2.5mm2的单股硬铜线，长度为l＝90m，接近室内电力线铺设实际长度，测试电路模型示意图如图2 所示，由信号发生器产生扫频信号，频段为1～30 MHz，信号发生器为安捷伦N5182A，其有效频率范围为100kHz～6GHz，为便于分析对比，使发射信号功率为0。信号的接收端为频谱分析仪，频谱分析仪为泰克RSA3408B 实时频谱分析仪。其工作频率范围为100kHz～8GHz，最大扫频宽度为36 MHz。测试时设置扫频范围为1～30 MHz。温湿度测试采用手持式测试仪Krestrel4000。目的在于监测测试时的温湿度，保证测试时温湿度的偏差范围不大，进一步提高测试准确性。

测试数据存储在频谱分析仪内，测试结束后将数据取出使用MATLAB工具进行分析。

图2 测试系统模型图Fig.2 Model of measuring system

1.2 测试方法

测试分为两个方面进行，第一，裸铜线测试；第二，带有PVC 绝缘皮的测试。测试内容包括：固定频率，考察导线长度变化对信道特性的影响；固定长度，考察频率变化对信道特性的影响。此外考察不同导线间距D、PVC 材料以及距地面不同高度H对信道衰落的影响。通过对比得出影响电力线高频信号衰落的主要因素。

2 信道测量结果及分析

2.1 噪声测试

由图1 可知，接收端信号为信号与背景噪声［15－17］的和，为简化分析过程，首先进行噪声分析。测试时，对于同一测试点，首先不加入信号，获得噪声数据，其次接入信号获得噪声与信号的混合数据，两次数据图如图3所示。

可见噪声的功率值相对于所发射的信号来说较小，分析信号与噪声差异最小的1～10MHz频段发现，信号深衰落值最大为－40dB，而噪声最大值为－40dB。

图3 信号与噪声对比图Fig.3 Signal－to－noise comparison chart

图3中红色区为信号衰落的空间分布，底层由黄色过渡到深蓝色为噪声的空间分布，对比可见信号衰落与噪声相关性不明显。基于此，可为后续分析建立简化条件。

2.2 裸铜线测试与分析

测试时将硬铜线的绝缘皮PVC去掉，将其制作成90m 平行直线回路。实际测试时为观察距地面距离对信道的影响，分为贴近地面H＝0与距离地面平均高度H＝45cm 两个方面进行，

在测试H＝45cm 时，平行线依靠自制的绝缘硬卡片进行间距控制，如图4所示。将D分为1、3、5、7、10cm 等不同距离变量进行测量。平行导线间距分别代表室内实际布线环境中可能出现的情况，在导线上进行信号采样的步长为1m。

图4 绝缘硬卡片Fig.4 Insulation hard card

图5是裸铜线在1～30 MHz时距地面高度H＝0时的测量结果，由电缆长度、频率、衰落值绘制的三维图可以看出信号衰落深度随着导线长度与频率增加而加深。固定频率时，考察衰落随长度变化发现同一频率信号在不同的长度值上衰落起伏较大，在20～40m 与70～80m 区间出现了两段明显的深衰落区。固定长度时，考察随频率的变化衰落的变化，发现不同频率信号在同一长度上衰落随频率升高而加深。

图6为在导线上选取固定长度l，观测在此长度值上具有代表性的1～10 MHz信号的衰落情况，由图可以看出1～3 MHz频段内各截取点的信号衰落趋势较一致，3～10 MHz频段信号衰落开始出现分化。

图5 信道特性随导线长度与频率变化情况图Fig.5 Figure of channel characteristics with the wire length and frequency changes

由图5与图6分析可知，低频段与长度值较小时，衰落变化幅度剧烈，高频段与导线长度值较大时，衰落幅度较大，波动幅度较小，波峰波节点呈现周期性变化。

图7 与图8 中给出了裸铜线距离地面高度H＝45cm 时导线间距不同时的空间衰落分布图。图7导线间距D＝1cm，信号衰落除随频率与导线长度增加而加深外，在1～25 MHz频段范围内，深衰落区的出现呈现周期性，在固定长度时，深衰落区出现的频段间隔随着频率增高而减小；固定频率时，深衰落区数量随着导线长度增加而增加。

图7 导线间距为1cm 时的衰落分布图Fig.7 Fading figure when spacing of wire is 1cm

图8中给出了导线距离地面平均距离为H＝45cm、导线间距D＝10cm 时的测试结果。由图可知，导线间距增大带来的直接影响是衰落增加，且深衰落区频段范围变宽，衰落区出现的周期个数在减少。

图8 导线间距为10cm 的衰落分布图Fig.8 Fading figure when spacing of wire is 10cm

图7、图8中只有导线间距不同，其他测试条件一致。通过比较可以看出在低频端以长度为变量时，架空平行导线虽然间距不同但信号衰落趋势较为一致，如各图中右侧红色区域；以频率为变量时在单一长度上信号呈现有规律的衰落变化，且随着间距增大信号衰落逐渐加深，如图8中左侧的黄色区域。

对比图5、图6与图7、图8可知，导线距离地面高度变化对衰落影响较小，导线间距变化对衰落影响较为明显。

2.3 带有PVC绝缘皮测试与分析

在导线上间隔1m 处将PVC护套去除，作为信号注入与采样点如图9 所示。测试结果如图10所示。

图9 去除PVC护套的测试点示意图Fig.9 Test points of removing remove PVC sheath

图10 不同长度时1～30 MHz信号衰落情况Fig.10 1－30 MHz signal fading at different length

取得90组数据，图10为截取导线长度为l＝1、10、20、50、75、90 m 处6组典型数据模拟实际使用中可能出现的分接点绘制的代表性图形。由图可以得出，随着长度增加，信号衰落程度加深，1m处最大衰落仅为7dB，90m 处衰减已增大到28dB，长度对衰落影响明显。由图10（a）可以看出，当l＝1m 时信号的衰减呈现类似阻尼震荡的效果，最大衰减7dB；图10（d）为l＝50m 时，全频段衰落趋势相当于l＝1m 时的1～15 MHz区间的放大，衰落范围为0～16dB，波峰波节交替出现，每一波峰－波峰、波节－波节间距固定为1.7 MHz；图10（e）为l＝75m 时，全频段衰落趋势相当于l＝50m 时的1～15 MHz区间的放大，衰落范围为0～18dB，波峰波节交替出现，每一波峰－波峰、波节－波节间距固定约为4 MHz；图10（f）为l＝90 m 时，全频段衰落趋势相当于l＝75m 时的1～10 MHz区间的放大，衰落范围为0～28dB，波峰波节交替出现，每一波峰－波峰、波节－波节间距固定约为13 MHz。

经过上述分析发现，当信号在导线中传输时，无论对于裸线还是带有绝缘护套的导线来说，信号随着频率、导线长度的增加衰减也在有规律变化和增加，长度因子相对于高度以及间距和PVC的影响更为明显。

3 信道模型参数确定

信号s（t）通过信道传输，传输函数为H（f），噪声信号为n（t），噪声主要包括背景噪声、窄带噪声、脉冲噪声。图11中给出了室内低压电力线通信信道模型的典型组成［18］。图中模型可用公式表述为：

式中：r（t）为信宿端接收到的信号，s（t）为信源端发送的信号，h（t）为表征信道特性的脉冲响应，n（t）代表加性噪声。

图11 室内低压电力线信道模型Fig.11 Indoor low voltage PLC channel model

在导线中将N个反射信号混合的基本功能可以用脉冲响应来描述：

式中：系数τi代表反射波的延时，因子ci是反射信号的衰减，通常由导线长度与频率决定。式（2）通过傅里叶变换可以计算出相应的传递函数：

在基于国内的现实环境中，式（3）中的ci根据多信道调查结果，可以得到：

式中：li为电缆长度，ai为网络拓扑结构的权衡因子，代表沿着第i条反射路径和传输因子的乘积。将多径传播和取决于频率和长度的衰减结合，并辅之以相位速度np，（PVC 相对介电常数εr＝4时）最终得到一个完整的传输函数：

考虑1～30MHz高频通信时趋肤效应［19－20］与绝缘材料对信号衰落的影响a（f）修正为：

m0、m1、k都是常数。已有模型未给出适用于我国工程环境的参数值，当仿真路径数选为3时，结合测试数据经计算可知m0＝0，m1＝1.56－9，k＝1。如表1所示。

表1 仿真参数值Tab.1 Simulation parameters

在确定如表1所示的合适的ai，li，ti后，计算出式（5）的值，为便于对比观察，与图10（f）绘制在同一幅图（图12）上。

图12 信道仿真与实测对比图（l＝90m）Fig.12 Comparison of channel simulation and measured（l＝90m）

可以看到测量曲线与仿真曲线的趋势十分吻合，存在数值偏差是因为远处的反射衰减为零，通过增加路径数可以使仿真精确性更加接近测量值。对比发现，在实测数据基础上计算出的信道参数符合我国实际工程环境。

4 结 论

针对国外信道模型参数无法适用于国内的现状，进行了现有一般工程环境的模拟，实施了频率，长度与信道特性的相关性测试，观测了1～30MHz频段时电力线长度、间距、绝缘材料等对于信道衰落特性的影响，通过相对完整的测试数据，计算得到了关键信道参数m0＝0，m1＝1.56－9，k＝1。利用参数进行仿真并与实测数据对比，验证了所计算的参数的正确性。为电力线通信技术开发和工程应用提供了可用的仿真参数。

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