寬帶電力線(xiàn)通信對無(wú)線(xiàn)通信的影響及其頻帶的管理

本文關(guān)鍵字: 監測ETSI電磁干擾測試信息化電力線(xiàn)電信無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )北電電力線(xiàn)上網(wǎng)寬帶接入EMI數據通信OFDM布線(xiàn)GSM天線(xiàn)電信網(wǎng)局域網(wǎng)

引言

隨著(zhù)Internet技術(shù)和市場(chǎng)應用的快速發(fā)展，各種寬帶接入方式相繼出現，利用電力線(xiàn)進(jìn)行高速數據傳輸的技術(shù)也取得了重大進(jìn)展。

更高速率的寬帶電力線(xiàn)設備，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(xiàn)上網(wǎng)已經(jīng)成為獨特的接入方式，但是電力線(xiàn)通信系統（PLC系統）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(xiàn)高速數據通信技術(shù)是一個(gè)正在發(fā)展中的嶄新學(xué)科。電力線(xiàn)一般用來(lái)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(shù)條件下，這會(huì )引發(fā)嚴重的EMI(電磁干擾)。例如，NOR．WEB公司的PLC系統運行后，發(fā)現路燈變成了發(fā)射天線(xiàn)，干擾了包括英國廣播公司4臺在內的多家廣播電臺的無(wú)線(xiàn)電信號接收。本文將就PLC系統的電磁兼容特性進(jìn)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(wèn)題分析

1.1 電磁兼容分析模型

對于一般的電磁兼容問(wèn)題分析的基本模型如圖1所示。

圖1 電磁兼容分析模型

對于寬帶PLC系統來(lái)說(shuō)，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(xiàn)上時(shí)，由于電力線(xiàn)是一種非屏蔽的線(xiàn)路，有可能作為發(fā)射天線(xiàn)對無(wú)線(xiàn)通信和廣播產(chǎn)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(wú)線(xiàn)通信和廣播信號;另一種是沿電力線(xiàn)的傳導騷擾，主要造成對電能質(zhì)量的影響。因此寬帶PLC系統的電磁兼容問(wèn)題涉及多個(gè)PLC系統的共存，以及與無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的共存。

1.2 寬帶PLC系統電磁干擾產(chǎn)生的機理

電力線(xiàn)最主要是用來(lái)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(lái)設計的，不具備電信網(wǎng)的對稱(chēng)性(構成回路的兩根絕緣芯線(xiàn)對地是對稱(chēng)的)、均勻性(在線(xiàn)路的全部長(cháng)度上傳輸導線(xiàn)橫截面形狀及大小、使用材料、導體間的間隔和導體周?chē)慕橘|(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(xiàn)路電氣特性。而寬帶PLC系統所產(chǎn)生的電磁干擾問(wèn)題正是由于電力線(xiàn)的這種對地不對稱(chēng)性產(chǎn)生的。

寬帶PLC系統產(chǎn)生兩種電磁場(chǎng)，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。

圖2 電磁干擾的一般模型

根據這個(gè)模型，一般認為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）。差模電流信號流入的上行方向（設備到網(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度和領(lǐng)域與第一個(gè)在相反的方向上（網(wǎng)絡(luò )到設備）上產(chǎn)生第二個(gè)電磁場(chǎng)。由于兩個(gè)電磁場(chǎng)對稱(chēng)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)是不對稱(chēng)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對無(wú)線(xiàn)通信的影響

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

目前高速PLC技術(shù)所采用的頻帶也沒(méi)有統一標準。國際上的實(shí)際應用一般集中在1 MHz～30 MHz。從高速PLC技術(shù)的應用模式來(lái)看，國際上主要分為兩種不同的應用，歐洲的PLC技術(shù)主要應用于Internet接入，歐洲電信標準委員會(huì )ETSI(the European Tele—communications Standards Institute)在其技術(shù)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(shù)主要應用在室內聯(lián)網(wǎng)。

與低速PLC所占的專(zhuān)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(xiàn)電應用了，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(xiàn)電定位、無(wú)線(xiàn)電導航、標準頻率和時(shí)間信號、短波無(wú)線(xiàn)電廣播、業(yè)余無(wú)線(xiàn)電業(yè)務(wù)、衛星業(yè)余業(yè)務(wù)、射電天文和氣象輔助等業(yè)務(wù)。

對PLC而言，首先要考慮是否存在尚沒(méi)有分配給其他應用的頻帶：在德國，l MHz～30 MHz頻帶范圍內沒(méi)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(shù)就會(huì )有選擇性。OFDM 采用多載波技術(shù)，因此OFDM可以適應這種頻帶不連續的情況。對于已經(jīng)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(wèn)題，這是因為PLC系統的載波信號能量可能輻射到周?chē)臻g，對該頻帶內的無(wú)線(xiàn)電業(yè)務(wù)造成影響。由于這種干擾來(lái)自PLC系統的有用信號，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)頻帶內對PLC系統的電磁騷擾進(jìn)行限制，以保護在這個(gè)頻帶內的無(wú)線(xiàn)電業(yè)務(wù)。就電力分布線(xiàn)和發(fā)送線(xiàn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)而言，會(huì )隨著(zhù)時(shí)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(wú)線(xiàn)電業(yè)務(wù)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(wǎng)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(chǎng)進(jìn)行了大量測試[3，4，]。

ET．SI PLT工作組的研究小組進(jìn)行了如下測試：在傳導干擾基本滿(mǎn)足CISPR 22 B類(lèi)設備規定的最大限值的情況下，測試不同頻率、不同距離時(shí)電力線(xiàn)的輻射場(chǎng)強，研究是否存在干擾合法短波無(wú)線(xiàn)電用戶(hù)使用的可能性。測試結果如下:

(1) 輻射場(chǎng)的場(chǎng)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(mǎn)足CISPR22的PLC系統產(chǎn)生的輻射場(chǎng)強低于典型的大氣和宇宙噪聲，不會(huì )對其他無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)產(chǎn)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(wú)線(xiàn)電接收機產(chǎn)生影響。

(3) 12 m～14 m之外，在任何地區，滿(mǎn)足CISPR22的PLC系統產(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(xiàn)電接收機的工作。

也有許多專(zhuān)家對大量PLC系統同時(shí)使用時(shí)的電磁輻射累積效應進(jìn)行了研究和測試，其目的在于分析大量PLC系統同時(shí)使用時(shí)對無(wú)線(xiàn)GSM 網(wǎng)絡(luò )，特別是具有高接收靈敏度的GSM中心站的影響。在所測試區域，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(hù))，終端用戶(hù)容量為28600個(gè)。在該網(wǎng)絡(luò )覆蓋區域內共安裝了19個(gè)PLC 網(wǎng)絡(luò )。測試結果表明多用戶(hù)同時(shí)使用時(shí)，如每個(gè)PLC終端注入到低壓配電網(wǎng)的信號功率譜密度達10 mW／Hz(遠高于PLC 系統實(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系統產(chǎn)生的電磁輻射值也低于大氣及宇宙噪聲，對環(huán)境噪聲的增值遠小于0.1 dB。

對寬帶電力線(xiàn)等非無(wú)線(xiàn)電設備管理的一些建議

通過(guò)對寬帶電力線(xiàn)對無(wú)線(xiàn)廣播通信頻率干擾的分析，我們對寬帶電力線(xiàn)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(wú)線(xiàn)電波的非無(wú)線(xiàn)電發(fā)射設備的管理，特別是像寬帶電力線(xiàn)通信這類(lèi)輻射無(wú)線(xiàn)電波的非無(wú)線(xiàn)電發(fā)射設備的管理，是無(wú)線(xiàn)電管理部門(mén)需要考慮的問(wèn)題。

在信息化社會(huì )里，無(wú)線(xiàn)電頻譜作為一種重要的資源，它的作用日益重要。無(wú)線(xiàn)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)對無(wú)線(xiàn)頻譜的依賴(lài)性越來(lái)越強。隨著(zhù)技術(shù)的不斷發(fā)展，各類(lèi)電子設備等非無(wú)線(xiàn)電通信設備廣泛應用于社會(huì )生活當中，其產(chǎn)生的電磁輻射是無(wú)線(xiàn)電通信業(yè)務(wù)的潛在干擾源。由于這類(lèi)干擾日益增多，對管理提出了新的挑戰。目前對這類(lèi)干擾查處的主要依據是《中華人民共和國無(wú)線(xiàn)電管理條例》第六章和第八章對非無(wú)線(xiàn)電設備的無(wú)線(xiàn)電波輻射的規定，但力度不夠。

對于這些問(wèn)題，建議在制度方面出臺一些具體的規章制度，以便處理問(wèn)題時(shí)有章可循，有法可依。在技術(shù)方面應逐步加強對該類(lèi)設備檢測監測技術(shù)的研究，在管理方面須加強與不同部門(mén)的溝通和協(xié)調，實(shí)現對這類(lèi)產(chǎn)品生產(chǎn)、銷(xiāo)售使用的有效監管。

結束語(yǔ)

寬帶電力線(xiàn)通信的載波頻段與其他無(wú)線(xiàn)電通信業(yè)務(wù)共用，而且電力線(xiàn)是一種非屏蔽的通信線(xiàn)路，因此寬帶電力線(xiàn)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(zhù)通信技術(shù)的發(fā)展、新的調制方式和組網(wǎng)技術(shù)的出現，電磁干擾問(wèn)題將會(huì )不斷得到改善?；谶@種情況，無(wú)線(xiàn)電管理者應該堅持科學(xué)的態(tài)度，既要保證現有的重要無(wú)線(xiàn)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。

河北省無(wú)線(xiàn)電管理局廊坊分局 張力波

華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 柴守亮

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