迈向未来 电力线通信技术渐入辉煌

在十余年前，宽带接入技术是业界探讨的热点，当时正从56K Modem转入宽带网络，竞争技术包括电信ADSL、广电网、小区宽带（以太网）等多种类型，但终ADSL和小区宽带赢得终的胜利，基于有线电视的广电宽带仅在小范围获得应用，而当时另外一项更为小众化的电力线宽带技术，似乎只是停留在纸面上。

电力线宽带的接入示意图

十余年后的今天，宽带接入的热点更多体现在有线与无线之争，这一次，基于移动通信的3G、4G技术抢占了风头，而作为有线宽带的光纤接入则取代ADSL成为未来的方向——但也是这时候，电力线通信技术卷土重来，给我们提供了新的选择，这项技术的全称为“Power Line Communication”，通常也被简称为PLC。除了作为宽带接入的手段，电力线通信在高速家庭联网中找到了自己的位置，事实上这也是该技术重新获得关注的关键所在。

电力线通信的优点与系统构建

同现有的各类有线通信技术相比，电力线通信具有两个鲜明的优势：一是无以伦比的方便性——只要有电力供应的地方，只要有电源插座的地方，都能实现网络接入。很显然，现在哪怕是偏远的山区、都接入了统一的电网系统。第二个优点就是接入带宽——现时的电力线接入可提供200Mbps的带宽，远远超越了当前的ADSL，完全可以同光纤接入相媲美，而后者由于需要重新布线，网络铺设成本高昂，且在家庭环境中的方便性远不如电力线技术。

电力线通信的基本原理并不复杂，就是利用现有的电力网作为物理传输介质，将数据信号调制在整个电力网中，接收方借助解调设备（也称为电力猫）将信号还原，为PC、笔记本电脑、智能手机等计算终端提供网络接入服务。这一点同ADSL其实并不二致，只不过ADSL利用的是有线电话线路而已。

在实际的网络传输层面，骨干的数据传输并不需要借助电力网，而是由原本的光纤网络负责。电力网本身只负责接入端的工作，如在典型电力线通信系统图中我们可以看到，远端的数据服务器通过光纤网络，将数据发送至变电站的服务器中，变电站的服务器再将数据调制到电力网，终由电力网将数据信号发送至其覆盖的范围内。但电力网本身的特性使然，它只能实现长距离但低速的数据传输，或者是高速但短距离的传输，因此电力线接入系统必须每隔半公里左右就安置一个信号中继器，起到放大信号的作用，这就必须对传统电网进行非常大量的改造——而目前电信运营商的光纤铺设工作普遍到位，电力网作为数据中枢的意义已经不大，室内环境的联网才是它真正的舞台。

在用户接入层面，需要有局端设备和终端设备配合，前者也被称为电力路由器，它一般安置在楼宇的配电室中。后者也就是电力调制解调器、通常称为电力猫或电力网卡，它用于用户的家庭内。一台局端设备一般可以拖带几十台电力猫，如果用户要想使用电力宽带，那么就需要有运营商提供相应的Internet出口，并在用户的楼宇中安装了电力局端设备，然后用户购买电力猫，就可以用它来上网了。

一旦电力线通信网络建成，接下来的使用就相当简单：用户可以在室内任何有电源插座的地方，将电力猫一端插到电源插座上，另一端接到电脑，不必拨号、立刻就能享受到高速网络接入——接入的速率取决于运营商的服务，电力通信本身具有高达200Mbps速率的潜力。

相较常规的宽带接入，电力线通信技术在家庭组网方面的优势更为人称道：计算机、打印机、VoIP电话和各种智能控制设备都可通过普通电源插座，由电力线连接起来，无需网络布线，便可组成基于电力线的局域网，高速共享Internet网资源。另外，用户也可以将房屋内的电话、电视、音响、冰箱等家电利用电力通信技术连接起来，进行集中控制，实现智能家庭的梦想。而当前无论ADSL、以太网接入、光纤接入还是3G、4G技术，都无法在组网和家电联结方面有所表现，这些宽带接入只是提供简单的互联网接入，而无法像电力线一样能够接管了组网职能，更不可能与传统的白色家电发生耦合关系。

从这一点出发，我们认为智能家庭是电力线接入重新获得重视的关键原因，现行家电厂商，只要在产品中加入电力猫设备，便能将冰箱、音响、电视等设备纳入计算系统中，这意味着你可以用智能手机轻松地从远程遥控这些设备。电力线通信技术的发展也符合这一潮流，在十年前它们将重点放在宽带接入方面，而十年后的今天，高速家庭网络被重新定义为电力线通信的核心应用。

电力线通信的标准概况

从基本原理到终的实现，这期间要经历复杂的工作方能完成，其中标准化的工作尤其关键。标准主要用于定义信号的调制/解调技术、传输带宽选择、数据传输性能、QoS技术方案和安全机制等属性，它明确了电力线宽带的具体实现。目前电力线接入可以分为美规、欧规、日规等三大阵营，居于领先优势的是HomePlug电力线联盟（HomePlug，powerline alliance，简称HPA），它主要由美国的PLC芯片厂商构成，核心成员接近50位，包括Atheros、Broadcom、D-Link、ETSA Utilities、川崎微电子美国公司、Marvell Semiconductor、Polaris Networks、Sigma Designs 及 Western Digital；Duke Energy 及意法半导体等业内知名企业。与之竞争的机构是欧洲的环球电力线协会（Universal Powerline Association；UPA），它的中心是西班牙DS2公司。另外日本松下创建的CEPCA消费电子电力线通信联盟也占有一席之地，它的特点是采用独特的Wavelet OFDM调变技术。这样在一般情况下，我们就将电力线通信分为HPA(美规)、UPA(欧规)、CEPCA(日规)三个体系，其中HPA联盟在过去一度拥有明显的优势。

而在这三个企业团体之外，作为电气标准制定机构的IEEE（电气和电子工程师学会）和ITU（国际电信联盟，简称国际电联）也都先后致力于制定统一的电力线通信标准，IEEE旗下的P1901工作组便是专门为此设立，HPA联盟和UPA联盟都是该工作组的成员。而ITU则是联合国旗下的机构，它在2009年制定的G.hn标准发展势头强劲，欧规UPA的核心成员DS2公司、日规CEPCA核心成员的松下公司在2008年后都加入HomeGrid组织、共同推进ITU的G.hn标准，这样客观上形成了HomePlug阵营与推进G.hn的HomeGird阵营。

HomePlug标准：现时电力线通信的主导技术

作为美规的HPA联盟在市场上占据绝对优势，拥有超过50家以上的宽带运营商采用HomePlug技术，部署所谓的宽带三合一方案。目前HPA旗下的HomePlug及HomePlug AV设备目前在全球的宽带电力线通信市场中，占有高达百分之八十以上的市场份额，HPA的持续成长茁壮、也吸引了许多新成员的不断加入，例如硅芯片、服务供应商以及OEM制造厂商。HPA也因此具备了完整的产业代表性，并在全球范围内创建HomePlug生态系统。

HPA一共制定出HomePlug 1.0、HomePlug turbo、HomePlug AV、HomePlug Green PHY等多种规格，其中HomePlug 1.0标准完成于2001年6月，也是全球第一个电力线通信技术标准。

2001年6月宣布的第一代高速电力线网络的技术规范，是全球第一个PLC技术标准，它的技术要点主要涵盖以下特征：

·综合的物理层（PHY）和媒介接入控制层（MAC）
·信号调制技术：正交频分复用（OFDM）　　
·频带宽度： 4.3MHz～20.9MHz
·数据速率：高达14Mbps
·84个子载波
·频道自适应
·前向纠错（FEC）
·载波调制方法支持：DQPSK, DBPSK, ROBO
·接入方法支持：CSMA/CA

HomePlug 1.0很好地完成了电力线接入的使命，14Mbps的速率在当时看起来也颇为先进。但作为第一代技术，HomePlug 1.0在后来的商用中暴露出一系列的不足，尤其是噪音干扰是其致命伤。比如在用电高峰期，信号容易出现波动，再者电力线上一般会接入许多电器设备，这些设备插入或断开、开机或关闭电源，都可能导致电力线的电流和电压不断地变化，造成上网速度的减慢，如有时打开电视后你会发现网络传输速度从2MB一下跌到64KB甚至更低，严重影响了正常使用。也是因为这个原因，HomePlug 1.0标准在物理层的传输速率也仅仅止步于14Mbps。

电力线通信在家庭联网中具有更大的用武之地。

2004年，HPA联盟接着推出升级版的HomePlug 1.0 Turbo版，它较好地解决了抗干扰的问题，实用性大大提升，且将理论速率提升到85Mbps的水准。HomePlug 1.0 Turbo的性能很好地满足IPTV等高带宽任务的需要，在后来得到较为广泛的应用，我们可以将它看作是第一代成熟的HomePlug。

在2005年12月，革命性的HomePlug AV标准正式颁布，它将理论传输速率一举提升到200Mbps，实际应用也可稳定在100Mbps的水平线上，这样的性能已足以媲美光纤宽带。其次，HomePlug AV标准对QoS技术进行了定义，使之能够确保128bit-AES编码的视频和音频流能够正常传输，并且在安全方面有显著的提升。

竞争电力线通信标准的两大阵营：HomePlug与HomeGrid。

在信号技术方面，HomePlug AV仍然是采用OFDM调制方式，但它在2MHz～28MHz的频段范围内动用了917个子载波，并支持可编程的频谱密度、以适应不同国家和地区的频谱管制要求。同时，每个子载波可以根据信号格式和线路质量的要求，单独地采用BPSK、QPSK、8QAM、16QAM、64QAM、256QAM和1024QAM等不同的调制技术，同时采用Turbo FEC错误校验机制，使得物理层线路的传输速率突破200Mbps的水平，实际有效数据速率也达到了150Mbps。

HomePlug AV拥有高性能的另一个关键在于，它加入了先进的噪音处理技术，能够有效地应对电压起落、电器设备复杂的网络环境。在实际测试中，即便使用陈旧的电线，HomePlug AV的传输性能也未出现明显下降——根据统计，HomePlug AV在80%的电线插座中可获得至少为50Mbps～55Mbps的净数据率，95%的插座中达到35Mbps以上的带宽，98%的插座达到27Mbps以上的带宽，这也意味着基于HomePlug AV的电力线网络，真正可以承担起构筑高速家庭网络的使命。

现在，HPA联盟正在为HomePlug AV2标准的推广而努力，HomePlug AV2在今年1月份正式颁发，它通过引入了MIMO多进多出技术，大幅度提升了数据流量，在不需额外信号放大的前提下将数据传输率推高到Gbps的高峰。根据HPA联盟的说法，新一代的HomePlug AV2将可带来上一代5倍以上的传输流量以及更可靠的影像质量，并且除了1080p以外，传输更高级别的超高清影像也不再是梦想。

但也是这个时候，HPA联盟遭遇来自ITU-T国际电联的挑战，后者在2009年颁布G.hn标准获得更为广泛的支持，目前其技术发展趋势已逐渐凌驾于HomePlug AV2之上，有望成为未来家庭有线联网市场的主流技术。