电力线通信技术宽带网络的运营模式分析

张仲韬 北京杰智讯通讯设备有限公司

　　我国最大的有线网络是输电和配电网络，如果能利用四通八达、遍布城乡、直达千家万户的220V低压电力线传输高速数据，无疑是解决“最后300米/100米”最具竞争力的方案。同时也无疑会对有效打破驻地网的局部垄断，为多家运营商带来平等竞争的机会提供有力的技术武器。

　　在电力线上提供宽带通信业务虽然刚刚兴起，但从应用模式、投资回报分析以及欧洲及北美的运营经验上看，正逐渐显示出其强大的生命力。这里，对这一技术的应用模式、运营模式和投资回报做一些简单的分析。

一、电力线通信技术概述

　　近年来，随着互联网技术和构架在宽带技术上的综合业务的飞速发展，如何充分利用高价构建起来的IP骨干网络，为广大网民提供多种业务，特别是语音业务，成为运营商思考的重要问题。显然，传统的拨号接入方式已不能满足广大网民的需要，宽带接入市场正在飞速发展并日趋成熟，宽带综合布线、ADSL等接入手段正逐步替代原有的拨号网络。

　　采用何种更经济快捷的通信方式，使用户终端连接到最近的宽带网络设备，成为长期困扰服务提供商的一个难点，也是普及宽带互联网接入的瓶颈之一，被业内人士称为宽带网络接入的“最后一公里/最后300米/最后100米”问题。

　　我国最大的有线网络是输电和配电网络。如果能利用四通八达、遍布城乡、直达千家万户的220V低压电力线传输高速数据，无疑是解决“最后300米/100米”最具竞争力的方案。为此，高速电力线通信（PLC：Power Line Communication）应运而生。

　　电力线通信技术简称PLC，是利用电力线传输数据和话音信号的一种通信方式。电力线通信并不是新技术，已经有几十年的发展历史，在中高压输电网（35kV以上）上通过电力载波机利用较低的频率以较低速率传送远程数据或话音，就是电力线通信技术应用的主要形式之一。在低压(220V)领域，PLC技术首先用于负荷控制、远程抄表和家居自动化，传输速率一般为1200bps或更低，称为低速PLC。近几年国内外开展的利用低压电力线传输速率在1Mbps以上的电力线通信技术即为高速PLC。

　　北京杰智讯通讯设备有限公司（Beijing Justel Communication Equipment Co. Ltd）是一家提供先进技术和设备的高科技公司，在高速PLC技术和软交换技术上均有深入的研究，对技术的发展方向和运营商的需求有着深刻地理解。为使运营商，特别是目前没有接入资源的运营商，能为大量有宽带接入需求的用户实现高速接入，并同时具备提供宽带语音业务的能力，杰智讯公司将高速PLC技术和软交换技术有机地结合起来，推出杰智讯PLCISS（PLC-based Integrated Services Systems）系统——基于电力线通信的综合业务系统。该系统能为用户提供高达14Mbps的数据通信带宽，能同时传输数据、语音和视频业务。

　　杰智讯PLCISS系统，从功能上可以分成三个子系统：PLCISS宽带接入子系统，PLCISS软交换核心子系统和PLCISS增值业务子系统。整个体系架构在设计上遵循下一代网络（NGN）分层、全开放的体系架构，具有方便灵活、层次清晰、标准化程度高、易于扩展的优点。

二、电力线通信设备的主要技术性能

　　1、高速电力线通信设备的技术原理

　　现在市场上的高速电力线通信设备的通信带宽，根据使用的协议和核心芯片的不同，通常有2M、14M、45M等多种标准。从承载业务能力、投资经济性和成熟度上进行综合比较，14M产品应该说是发展的主流，也是目前得到应用最多的产品。

　　高速电力线通信指的是在低压电力线上进行高速的信号传递。涉及的主要技术有：信号调制解调技术，媒体访问控制技术，以及链路层的QoS保证机制。下面以北京杰智讯通讯设备有限公司的PLCISS系列产品为例，对其主要技术予以介绍。

　　与专用的通信线路相比，在电力线上进行数据传递存在很多额外的干扰因素，如各种家用电器的开、关，特别是变频空调、可调亮度的节能灯、吸尘器等设备的开关和使用，常常给供电线路注入较大的干扰信号，导致供电线路上信号传输时，信噪比极低，信号难以提取。针对以上问题，通常高速电力线接入设备在设计的时候均进行了特殊的考虑，并对产品进行了大量的实验。解决干扰问题主要依靠选择合适的调制技术。传统的调制技术如ASK,PSK或FSK都不适用于这样的通信环境，杰智讯高速PLC产品中采用了正交频分复用（OFDM）技术。OFDM把数字信息加载到多个载波上（最多可达84个），多个载波同时使用，每个载波传递一路低速信息，在接受端对信息进行组合恢复。例如发送数据时要求的带宽为B,同时使用N个载波，则每个载波的实际速率是1/N*B。这样，可以从多个载波中根据实际环境，选择通信质量最好的载波进行利用。在存在噪声的情况下，尽管某个载波可能受到影响，不能正常通信，但是仍有其他的载波可以利用，通信不会中断。同时使用前向纠错技术增强每个载波的可靠性。

　　杰智讯高速电力线通信产品中，采用的MAC协议是CSMA/CA的一个变种，类似于802.11，采用虚拟载波侦测技术有效地减少冲突。

　　杰智讯高速电力线通信产品，充分考虑到电力线通信的特点，采用“大包分段，多次传递”的方式，有效地避免了大量长包长期占用通道，影响服务质量的问题。其中高优先级的报文可以被优先转发，同级别报文小报文优于长包文先转发的机制。这些机制的采用，对于在高速电力线通信环境下，提供语音、视频等实时性强的业务，提供了技术保证。

　　2、高速电力线通信设备的安装与使用

　　高速电力线设备的组网结构与ADSL十分相像，只不过用户和局端设备之间的传输介质是电力线，而不是电话线。设备小巧，使用简单、灵活、方便。网络接入商只要将宽带网络引到用户大楼，与电力接入头端设备的广域网接口（WAN，RJ45）相连即可，头端设备可以通过直接注入或耦合注入的方式把数据信号注入到220/380V电力线上面去。

　　最终用户在自己室内的任意地点只要将电力调制解调器的一端（USB）接入计算机的USB口，另一端接入市电插座，并安装驱动程序，就可以在宽带网上冲浪了。如果使用的是以太网接口的调制解调器，连驱动程序都不需要安装，只要将计算机网卡与调制解调器的RJ45端口相连，就可以直接宽带上网了。不需要进行任何配置，简单方便。

　　一般情况下，用户可以使用室内任何市电插座，实现宽带接入。但是因为每个节点的环境差异很大，有些节点线路老化，开关触点氧化，线路中间接头接触不良，连接不规范等等，也可能导致在某些市电插座上，电力线调制解调器和电力线局端设备之间无法正常通信，或者通信速率变慢。这种情况下，应注意检查室内空气开关、插座的接触情况，选择多点进行逐步分析。

　　高速电力线通信产品组网应用中还经常碰到跨电表和跨变压器的问题。所谓跨电表，指的是两个高速电力线通信产品通信的线路上经过了电表。因为电表的种类很多，呈现的滤波特性也差别很大，有些电表对电力线通信几乎没有任何影响，有些电表则对电力线通信所用的频段衰耗很大，通信信号不能很好地跨过电表。为保证信号的传输质量，建议在条件允许的情况下，电力线局端设备的耦合线采用表前（电表靠近用户的一侧）直接注入的方式。所谓跨变压器，指的是两个高速电力线通信产品通信的线路上经过了变压器。目前成熟的高速电力线通信产品还只适用于低压电力线，不支持跨变压器通信。

　　3、采用高速电力线接入的优缺点分析

　　采用高速电力线接入通信产品，利用220V/380V低压电力线路以14Mbps速率为终端用户提供宽带网络接入，实现住宅小区的宽带上网工程，或用于组建家庭、办公宽带局域网，与其他接入方式相比，有以下明显的优势：

　　（1）节约投资。利用既有的室内和楼内配电线路，任何一个插座都能成为通信节点。一方面避免了大规模综合布线造成的大量投资；另一方面避免了开通率不高或信息点布设不合理造成的投资沉淀浪费；同时，只在用户需要接入的时候部署局端和接入设备，投资目的性强、滚动性好。无疑，这一点对于运营商的吸引力是非常巨大的。

　　（2）工程实施简单。充分利用现有的低压配电网络基础设施，无需任何室内布线，无需挖沟和穿墙打洞，避免了对建筑物和公用设施的破坏，大大加快了工程实施的进度。

　　（3）使用更加方便。实现高速PLC接入的终端用户可在家庭任何一个电源插座上宽带访问互联网，与通常只有一个接口的以太网或ADSL相比，更加方便。14M带宽足够承载语音、数据、图象等综合业务。

　　（4）同时支持多种应用。可以为用户提供价格低廉的高速因特网访问服务、宽带电话服务，从而使用户上网和打电话增加了新的选择，有利于同其它电信服务商的竞争。

　　（5）支持家庭联网。具有多个PLC终端设备的家庭，可以实现家庭内部联网，使人们可以尽享由PLC技术带来的家庭音、视频网络，多人对抗游戏等娱乐，提高了该设备对最终用户的使用价值。

　　（6）提供新业务的平台。利用PLC的永久在线连接构建的防火、防盗、防有毒气体泄漏等的保安监控系统，让上班族高枕无忧；构建的医疗急救系统，让家有老人、孩子和病人的家庭倍感方便。为电信新业务的开展，提供了一个全新的思路和技术平台。

　　（7）实现数据、话音、视频、电力“四网合一”，创造巨大的经济和社会效益。

　　虽然有以上诸多优点，但毕竟电力线路不是一个专用的通信线路，在电力线路上实现宽带通信并以此为依托进行运营，还有很多问题需要注意。

　　（1）通信距离问题。有保证的通信距离直线传输约250M，水平电网覆盖约1500m2。过分地追求通信距离的延长，在一定程度内虽然能够通信，但速率和可靠性会有相应的下降。

　　（2）通信可靠性的保障问题。电力线不同于普通的数据通信线路，当作为一种数据传输的媒介时，遇到许多干扰：首先，电力线上有许多不可预料的噪声和干扰源，如吸尘器、开关电源、电冰箱、洗衣机等，其次，电力线通讯具有时间上不可控、不恒定的特点。与信号洁净、特性恒定的Ethernet电缆相比，电力线上接入了很多电器、音响设备，这些设备任何时候都可以插入或断开、开机或关闭电源，因而导致电力线的特性不断地变化。为了克服各种干扰，电力线通信系统采用的调制技术主要是OFDM（正交频分复用）、DMT（多载波调制）、扩频及常规的QPSK，FSK等，为适应高速率的传输要求，多载波正交频分复用将是解决传输频带利用率的有效方法。在应用上，控制有效通信距离，隔离干扰源等方法也是有效的手段。

　　（3）可运营性和可管理性问题。目前对在电力线上实现宽带通信进行研究的单位大多是电力系统的一些研究院所，由于不具备电信网络的运营管理经验，在开发产品上对于网络的可运营性和可管理性的考虑相对较少。这方面的商业运营模式也在摸索阶段，北京杰智讯通讯设备有限公司推出了一套“基于电力线通信的综合业务系统”，在网络可运营性和可管理性方面有较完整的考虑。

　　4、主要技术指标

　　工作电压：220V±10%，50Hz；110V±10%，60Hz；

　　信号注入：单相电源注入、三相电源注入；直接注入、耦合注入等方式；

　　接口标准：USB接口； RJ45接口；

　　传输范围：水平电网覆盖约1500㎡，垂直传输约100m，直线传输约250M（视电网环境，可有变化）

　　通信速率：10Mbps max; 加载噪声15dB时，大于5Mbps；

　　网络速度：每个局端下，不小于15个终端数分别保证512Kbps以上；

　　网络覆盖：每个局端下，电源插座的信息覆盖率不小于80%；

　　调制方式：OFDM（正交频分多路复用）；

　　频率范围：4.3MHz~20.9MHz；

　　环境温度：终端，0~50℃；局端，-10~55℃。

三、电力线通信运营网络的建设

　　1、电力线通信设备的布设

　　杰智讯PLCISS（基于电力线通信的综合业务系统）在设计上遵循下一代网络（NGN）的分层、全开放的体系架构，是一个开放的、完整的、标准化的Softswitch体系架构。

　　杰智讯PLCISS分为四层：媒体/接入层、IP核心传送层、控制层、业务/应用层。

　　电力宽带接入子系统来替代部分驻地网，收敛基于IP的数据、语音、图象等业务，解决运营商面对的驻地网建设困难和投资回报不可控等问题。（有关投资回报分析在后面相关章节讨论）

　　收敛上来的Internet访问业务可以直接连接到互联网上去，语音、图象及一些增值业务务可利用软交换子系统进行处理，并进行相关的认证和计费。

　　根据以上的技术分析，电力线宽带接入子系统定位在解决“最后几百米”接入问题，替代用户驻地网实现宽带业务收敛是可行的。在这个范围内的使用，对通信带宽和质量也是有保障的。

　　以住宅小区为例，在楼宇内通过多个电力线头端设备对整个楼宇进行覆盖。头端设备体积小、耗电少，可以放置在配电箱或管线井内或挂在墙面上，通常高层塔楼每2至3层布设一个头端设备，普通低层住宅楼每单元门布设一个头端设备。这种模式下，无论从覆盖面积、通信距离还是带宽保障上都是可靠和经济的。用户端可采用RJ-45或USB接口的电力调制解调器实现Internet访问、IP电话、可视电话等业务。用户业务通过电力网络汇集到小区机房，通过光缆或微波接入等方式接入到IP骨干网络节点，运营商的业务支撑平台再分别对不同业务进行处理。

　　2、计费和认证

　　对于电力线宽带接入设备本身，我们可以把它看作一个电力Hub，原有在宽带网络上的认证和计费方式我们都可以使用。目前看，作为宽带网络的计费方式，Internet业务包月计费是比较通用的方式，与其他接入方式比较，不超过100元/月的收费在目前市场环境下是有相当竞争力的。如果采用PPPoE、IE弹出或基于流量的认证和计费方式，则需要后台认证计费服务器的支持，这与传统的宽带业务的认证和计费方式是完全一致的。对于语音、图象和其他增值业务的计费，可采用软交换系统提供的认证和计费平台来实现。

　　每台用户端的调制解调设备均有密码设置，只有与头端设备密码一致才能实现正常通信。密码可根据不同的运营商和使用地点进行设置和修改，这就有效地避免了盗用问题的产生。

四、电力线通信运营网络的经营模式

　　采用电力线通信技术实现宽带上网以及提供增值服务，在北美和欧洲部分国家均取得成功，今年以来用户量正以每月数万增长，这一技术的应用增长在全球范围来看非常显著。随着应用技术的成熟和市场发展，在国内取得广泛应用应该是大势所趋。

　　目前看来，其可行的运营模式有以下几种：

　　 1、电力部门自己运营宽带业务

　　目前中电飞华的运营网络显然就是属于这种模式。中电飞华希望借助自己在电力系统的优势，通过电力线接入的模式发展用户，从而介入通信运营。目前，中电飞华已经通过这种模式在北京发展了数千用户，并摸索出了较好的经营模式。

　　2、电信运营商借助电力线进行运营

　　很多电信运营商对通过电力线收敛用户抱有希望，但又担心电力部门的政策干预，这主要涉及电力线的归属权以及在电力线上开展增值业务的经营权的问题。就我们的了解，电力线的用户线部分（用户电表之后）其归属权属于物业管理公司或业主，而运营商开展的电力线宽带业务，其最佳信号耦合点是在用户电表之后。就是说，开展这项业务主要需要协调的是小区业主或者大厦的物业，而不是供电部门。而且局端设备的安置、取电，垂直电缆的布放等，都只是需要与物业部门协调的问题。只要运营商能够协调好与物业和用户之间的关系，就有可能通过电力线实现宽带运营。

　　3、有第三方介入的虚拟运营

　　随着电信运营体制的改革发展，越来越多的企业希望通过各种方式投资到电信运营里。电力线宽带接入技术模式推出后，已经有不少企业表示，愿意通过这种方式投资建设驻地网，再与有合法牌照的基础电信合作以获得较高的业务分成实现赢利。这一部分企业包括房地产商、物业管理公司、专业投资公司甚至一些装修公司、综合布线工程公司等。

　　在这种第三方投资的介入下，一方面在一定程度上缓解了运营商驻地网投资的资金压力，推动了宽带网络的发展，受到运营商的欢迎；另一方面运营商也在担心驻地网络由第三方投资，会带来用户忠诚度降低等问题。

五、电力线通信运营网络的投资回报分析

　　对于住宅小区用户，参考现在市场价格，采用100元包月，800包年的收费方式是有足够竞争力的，配合采用预付半年或全年使用费赠送终端设备的方式，当年即可以收回电力线通信设备部分的投资，而具有竞争优势的价位以及足够的带宽，一定能够吸引用户。

　　对于写字楼、酒店等用户，可以加装宽带接入服务器来对用户进行认证，同时计费方式更加灵活。比如酒店的宽带业务，可以让客人租用电力猫上网，按租用时长进行使用费的结算，不仅结算方式非常清晰可控，而且避免终端设备在客房的空置，提高设备利用率。

　　除了基本的宽带上网业务，基于电力线宽带接入稳定可靠的高带宽，可以开展语音业务、视频业务等增值业务，提供新的业务增长点。

　　无论从目前的商业模式预算，还是从欧洲及在国内中电飞华的运营经验上看，采用电力线宽带接入方式，在一定程度上可以有效解决驻地网收敛用户的问题，为电信运营商参与竞争提供了又一有力的手段，并能够取得良好的投资回报模式。

----《中国数据通信》