宽带电力线通信对无线通信的影响及其频带的管理
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宽带电力线通信对无线通信的影响及其频带的管理

2021-10-25 08:16:28 投稿作者: 点击:

【摘要】文章主要对宽带PLC系统产生的电磁干扰问题及对无线通信产生的影响做了具体的分析,并且提出了一些管理上的建议,这有助于改善电磁干扰问题,并且促进了新技术的发展。

【关键词】电磁干扰;无线通信;电力线上网;宽带接入

【中图分类号】TN915   【文獻标识码】A

【文章编号】1671-5969(2007)05-126-02

随着Internet技术和市场应用的快速发展,各种宽带接入方式相继出现,利用电力线进行高速数据传输的技术也取得了重大进展。  更高速率的宽带电力线设备,例如45 Mbit/s、85 Mbit/s、200 Mbit/s等速率的产品相继问世,利用宽带电力线上网已经成为独特的接入方式,但是电力线通信系统 (PLC系统) 引起的电磁兼容问题成为PLC推向市场的最大障碍。

电力线高速数据通信技术是一个正在发展中的崭新学科。电力线一般用来传输220V/50Hz电能,为了提供从数Mbit/s到数十Mbit/s以上的数据传输,就必须采用数MHz以上的频段。但在当前的技术条件下,这会引发严重的EMI (电磁干扰)。例如,NOR.WEB公司的PLC系统运行后,发现路灯变成了发射天线,干扰了包括英国广播公司4台在内的多家广播电台的无线电信号接收。本文将就PLC系统的电磁兼容特性进行分析,并对于其频谱管理提出一些建议。

一、电磁兼容分析模型

对于一般的电磁兼容问题分析的基本模型如图1所示。

对于宽带PLC系统来说,干扰源要整体考虑,不仅包括PLC设备,而且要考虑当信号加到电力线上时,由于电力线是一种非屏蔽的线路,有可能作为发射天线对无线通信和广播产生的不利影响。此外还要考虑多种PLC设备间的相互影响。PLC的耦合途径是非常复杂的,是不同的途径相互作用的结果,总体上分为两种,一种是空间的辐射,对应的被干扰设备是无线通信和广播信号;另一种是沿电力线的传导骚扰,主要造成对电能质量的影响。因此宽带PLC系统的电磁兼容问题涉及多个PLC系统的共存,以及与无线网络的共存。

二、宽带PLC系统电磁干扰产生的机理

电力线最主要是用来传输电能的,其特性和结构也是按照输送电能的损失最小并保证安全可靠地传输低频 (50Hz) 电流来设计的,不具备电信网的对称性(构成回路的两根绝缘芯线对地是对称的)、均匀性 (在线路的全部长度上传输导线横截面形状及大小、使用材料、导体间的间隔和导体周围的介质都保持均匀不变),因而基本上不具备通信网所必须具备的通信线路电气特性。而宽带PLC系统所产生的电磁干扰问题正是由于电力线的这种对地不对称性产生的。

宽带PLC系统产生两种电磁场,传导波和辐射波。它们都是由共模电流引起的。电磁干扰源的一般模型如图2所示。

根据这个模型,一般认为EMI是由两种电流注入网络引起的,一种是共模电流 (Ic),一种是差模电流 (Id)。差模电流信号流入的上行方向 (设备到网络)产生了一个磁场,而另一个差模电流以同样的强度和领域与第一个在相反的方向上 (网络到设备) 上产生第二个电磁场。由于两个电磁场对称且方向相反,彼此产生的电磁干扰相互抵消。与差模方式相反,共模电流在同一个方向上,所以产生的电磁场是不对称的,因此总的电磁辐射是两个电磁场的叠加。所以PLC 网络的干扰主要是由共模电流引起的。

三、PLC对无线通信的影响

理论证明,在原有的几百kHz频带内是无法实现Mbit/s级的高数据传输速率的,因此高速PLC技术所采用频带远远超过了低速PLC所规定的频带范围。

目前高速PLC技术所采用的频带也没有统一标准。国际上的实际应用一般集中在1 MHz~30 MHz。从高速PLC技术的应用模式来看,国际上主要分为两种不同的应用,欧洲的PLC技术主要应用于Internet接入,欧洲电信标准委员会ETSI (the European Telecommunications Standards Institute) 在其技术规范“TS101 867”中将1.6 MHz~9.4 MHz规定为接入应用频带,将11 MHz~30 MHz规定为室内应用频带。另一种应用方式主要集中在北美,北美的高速PLC技术主要应用在室内联网。

与低速PLC所占的专用频带不同,高速PLC所采用的l MHz~30 MHz频带已被分配给其他无线电应用了,如固定业务、移动业务(水上移动、陆地移动、航空移动)、无线电定位、无线电导航、标准频率和时间信号、短波无线电广播、业余无线电业务、卫星业余业务、射电天文和气象辅助等业务。

对PLC而言,首先要考虑是否存在尚没有分配给其他应用的频带:在德国,l MHz~30 MHz频带范围内没有分配的频带大约有7.5 MHz,但频带不连续,因此对信号的调制技术就会有选择性。OFDM 采用多载波技术,因此OFDM可以适应这种频带不连续的情况。对于已经分配的频带,如果PLC系统需要使用,就必须考虑在这些频带范围内的电磁辐射问题,这是因为PLC系统的载波信号能量可能辐射到周围空间,对该频带内的无线电业务造成影响。由于这种干扰来自PLC系统的有用信号,因此PLC干扰源的性质可以定位为有意干扰源。在这种情况下,只能考虑在这个频带内对PLC系统的电磁骚扰进行限制,以保护在这个频带内的无线电业务。就电力分布线和发送线产生的磁场而言,会随着时间变化而改变,与电流大小成正比。PLC在应用频带内的电磁辐射对无线电业务的潜在影响也是目前对PLC应用的主要争议。

四、测试结果

为了评估PLC室内局域网系统以及PLC接入系统的电磁辐射水平,许多组织及研究机构对PLC的辐射场进行了大量测试。

ET.SI PLT工作组的研究小组进行了如下测试:在传导干扰基本满足CISPR 22 B类设备规定的最大限值的情况下,测试不同频率、不同距离时电力线的辐射场强,研究是否存在干扰合法短波无线电用户使用的可能性。测试结果如下:

1、辐射场的场强随距离的增加而快速衰减。测试结果表明,衰减的幅度为距离每增加10倍衰减为31 dB~36 dB。

2、在城市内,满足CISPR22的PLC系统产生的辐射场强低于典型的大气和宇宙噪声,不会对其他无线业务产生干扰。但在人烟稀少的农村,在12 m~14 m的范围内有可能对无线电接收机产生影响。

3、12 m~14 m之外,在任何地区,满足CISPR22的PLC系统产生的辐射电平低于典型的大气和宇宙噪声,不会干扰无线电接收机的工作。

也有许多专家对大量PLC系统同时使用时的电磁辐射累积效应进行了研究和测试,其目的在于分析大量PLC系统同时使用时对无线GSM 网络,特别是具有高接收灵敏度的GSM中心站的影响。在所测试区域,有一个GSM 中心管理站,1433个基站 (每个基站的容量为200个用户),终端用户容量为28600个。在该网络覆盖区域内共安装了19个PLC 网络。测试结果表明多用户同时使用时,如每个PLC终端注入到低压配电网的信号功率谱密度达10 mW/Hz(远高于PLC 系统实际注入的功率谱密度),在离PLC 网络1500 m处,即使是在没有建筑物阻挡的开阔地带,多个PLC系统产生的电磁辐射值也低于大气及宇宙噪声,对环境噪声的增值远小于0.1 dB。

五、对宽带电力线等非无线电设备管理的一些建议

通过对宽带电力线对无线广播通信频率干扰的分析,我们对宽带电力线干扰的机理和防治方法有了较深入的了解。

如何加强对辐射无线电波的非无线电发射设备的管理,特别是像宽带电力线通信这类辐射无线电波的非无线电发射设备的管理,是无线电管理部门需要考虑的问题。

在信息化社会里,无线电频谱作为一种重要的资源,它的作用日益重要。无线电业务已经普及到社会生活的方方面面,各行各业对无线频谱的依赖性越来越强。随着技术的不断发展,各类电子设备等非无线电通信设备广泛应用于社会生活当中,其产生的电磁辐射是无线电通信业务的潜在干扰源。由于这类干扰日益增多,对管理提出了新的挑战。目前对这类干扰查处的主要依据是《中华人民共和国无线电管理条例》第六章和第八章对非无线电设备的无线电波辐射的规定,但力度不够。

对于这些问题,建议在制度方面出台一些具体的规章制度,以便处理问题时有章可循,有法可依。在技术方面应逐步加强对该类設备检测监测技术的研究,在管理方面须加强与不同部门的沟通和协调,实现对这类产品生产、销售使用的有效监管。

六、结束语

宽带电力线通信的载波频段与其他无线电通信业务共用,而且电力线是一种非屏蔽的通信线路,因此宽带电力线通信在实际工作中不可避免地存在电磁干扰的问题。

随着通信技术的发展、新的调制方式和组网技术的出现,电磁干扰问题将会不断得到改善。基于这种情况,无线电管理者应该坚持科学的态度,既要保证现有的重要无线电业务不要受到干扰,同时要为新技术的发展留出空间,使新旧技术在同一片天空下和谐发展。

【参考文献】

[1]李祥珍, 刘家亮, 赵丙镇, 王丽平.电力线高速数据通信系统电磁辐射及应用性能的研究 [J].电力系统通信,2003,(4) .

[2]孙辛茹, 王乔晨.电力线高速通信技术的现状及发展[J].电力系统通信,2004,(4) .

[3]D Fenton. Modelling cumulative high frequency radiated emissions from power line communication systems [A].6th International Symposium on power line communications, Athens, Greece, 2002.

【作者简介】张晓瑜(1984.-),女,江苏省南通市,南京师范大学信息系通信工程专业学生

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