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1　如今在大、中型海洋調(diào)查測量船上都安裝有多種調(diào)查測量設(shè)備,且各設(shè)備之間都需要布設(shè)網(wǎng)線進行頻繁的數(shù)據(jù)傳輸,但布線時要依據(jù)船體結(jié)構(gòu)實施,如果同時安裝網(wǎng)線和電源線,不僅受船體空間限制,還浪費網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。通過電力線進行數(shù)據(jù)傳輸,就可實現(xiàn)即插即用,輕松組建數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。再者隨著調(diào)查測量技術(shù)的迅速發(fā)展,船上原有的設(shè)備不斷被更新,或隨測量任務的需要,還要不斷加裝一些新的測量設(shè)備,對這些事先未布置有線網(wǎng)絡(luò)的新設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸,也可通過現(xiàn)有電線傳輸數(shù)據(jù),實現(xiàn)擴展網(wǎng)絡(luò)而無需另外布設(shè)網(wǎng)線。本文結(jié)合海洋測量船構(gòu)建的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),研究了電力線通信的特點及其應用。   2　電力線通信原理與網(wǎng)絡(luò)適配器組成   2•1　電力線通信原理   電力線通信(powerlinecommunication)技術(shù)就是通過電力線網(wǎng)絡(luò)適配器,把數(shù)字寬帶信號調(diào)制在一定的信號頻率范圍內(nèi)并加載到220V市電中進行傳輸。這樣在電網(wǎng)范圍內(nèi)的任何一個節(jié)點上,都可以通過另一個網(wǎng)絡(luò)適配器把電網(wǎng)中調(diào)制信號解調(diào)成原來的寬帶數(shù)字信號,達到把電網(wǎng)變成寬帶網(wǎng)絡(luò)的目的,這種技術(shù)也稱為PLC技術(shù)。PLC技術(shù)分為窄帶傳輸技術(shù)和寬帶傳輸技術(shù),窄帶技術(shù)通常用于電力線集中抄表系統(tǒng),而寬帶技術(shù)則用作數(shù)據(jù)傳輸。   市面上的寬帶PLC產(chǎn)品分為14Mbps、85Mbps和200Mbps幾種物理傳輸速度標準。   電力線信道和無線信道二者都易受到噪聲、衰落、多徑和干擾的影響。為了應對這些問題,必須要有相應的調(diào)制技術(shù)和編碼技術(shù)。在HomePlug電力線聯(lián)盟中應采用正交頻分復用(OFDM),因為OFDM使用多載波調(diào)制,對抗噪聲和干擾特別有效。   OFDM技術(shù)的主要思想就是在頻域內(nèi)將給定信道分成許多正交子信道,在每個子信道上使用一個子載波進行調(diào)制,并且各子載波并行傳輸。OFDM每個載波所使用的調(diào)制方法可以不同。各個載波能夠根據(jù)信道狀況的不同選擇不同的調(diào)制方式,比如BPSK、QPSK、8PsK、16QAM、64QAM等,以頻譜利用率和誤碼率之間的最佳平衡為原則。在HomePlug1.0標準中載波的頻率范圍是4•5~21MHz。在HomePlugAV標準中載波的頻率范圍是2~28MHz。   當載波的頻率范圍內(nèi),某一個頻段受到了干擾,只影響到頻段中的子信道,并不影響到未受干擾頻段中的子信道。因此,在復雜的電力線的環(huán)境下,電力線的傳輸速率能維持相對的穩(wěn)定,滿足客戶對于帶寬的需求。   在PLC數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)中,電力線可以被多個設(shè)備同時接入。為了決定哪個設(shè)備有權(quán)發(fā)送數(shù)據(jù),需要MAC層協(xié)議。最常用的有線MAC協(xié)議———載波檢測多址/碰撞檢測(CSMA/CD),雖然也可用于電力線網(wǎng)絡(luò),但是由于電力線中的噪聲變動很大,使碰撞檢測變得非常困難,所以人們在電力線網(wǎng)絡(luò)上使用更有效的帶有沖突避免的載波偵聽多路訪問(CSMA/CA)協(xié)議。   2•2　網(wǎng)絡(luò)適配器的組成   電力線通信就是利用網(wǎng)絡(luò)適配器組成對等計算機組成電力線寬帶傳輸網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)多臺計算機之間的文件共享和數(shù)據(jù)交換,實現(xiàn)打印機或其他設(shè)備的共享。網(wǎng)絡(luò)適配器主要由電力線網(wǎng)絡(luò)控制器與電力線數(shù)據(jù)存取接口(PDAI)組成。   2•2•1　電力線網(wǎng)絡(luò)控制器   電力線網(wǎng)絡(luò)控制器由內(nèi)核采用與8051指令兼容的微處理器及數(shù)據(jù)收發(fā)器組成,具有網(wǎng)絡(luò)的MAC/PHY層的控制功能。使用外加的ROM存儲程序以完成電力線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議控制、數(shù)據(jù)的調(diào)制/解調(diào)等功能。該處理器的程序存儲和外部數(shù)據(jù)存儲空間均為64KB,內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器為256B,寄存器區(qū)為配合電力線網(wǎng)絡(luò)通信而增加了幾個特殊的寄存器,如數(shù)據(jù)指針選擇(DPS)、看門狗時標控制(WDTCR)等。該芯片內(nèi)部帶有2KB緩沖區(qū)的RAM,具有較強的安全及出錯檢測能力,如32B的加密陣列,256位密鑰,數(shù)據(jù)包級認證,16位硬件CRC。該芯片在硬件上提供了電力線交換的嵌入式協(xié)議。控制器與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)操作包括兩方面:將數(shù)據(jù)分成獨立的數(shù)據(jù)包;對來自其他節(jié)點的數(shù)據(jù)包進行分發(fā)或接收。在電力線網(wǎng)絡(luò)控制器內(nèi)置了用于數(shù)據(jù)信號調(diào)制/解調(diào)及轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)發(fā)送器和接收器,數(shù)據(jù)發(fā)送使用4個通道同時發(fā)送到PDAI。數(shù)據(jù)的每一個字節(jié)在完成了并行—串行轉(zhuǎn)換之后,可以選用兩種調(diào)制方式———BPSK或QPSK進行PSK編碼。數(shù)據(jù)接收器為并行4通道接收器,用于接收來自PDAI的4路電力線載波數(shù)據(jù),每一個接收通道內(nèi)均有獨立的緩存,8051微控制器在開始初始化接收工作后,數(shù)據(jù)包的接收由接收器完成。   2•2•2　電力線數(shù)據(jù)存取接口PDAI   PDAI是電力線與電力線網(wǎng)絡(luò)控制器的連接部分,主要完成信號的變換、功放、濾波等工作。   數(shù)據(jù)接收部分:按照OFDM調(diào)制方式,數(shù)據(jù)利用4個頻率通道進行調(diào)制。來自電力線的數(shù)據(jù)由帶通濾波器進行濾波,每一通道的中心頻率都是不同的。中頻部分使用Motorola公司的寬帶中頻電路MC13158。每一個通道使用不同的頻率(頻率范圍為13•8~18•9MHz)進行混合,得到10•7MHz的中頻信號。信號經(jīng)陶瓷濾波器濾波后,由限幅器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。   數(shù)據(jù)發(fā)送部分:先由高速DAC將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬信號,經(jīng)過一個頻率為2~10MHz的多階LC帶通濾波器濾波后,通過差分驅(qū)動的功率放大直接送到電力線信號耦合變壓器,該耦合變壓器保證了適配器的低壓部分與電力線電壓隔離,從而保證使用者的安全。   3　電力線通信的特點   3•1　電力線通信的優(yōu)點   對于復雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境來說,如果在拓展上遇到了麻煩,電力線適配器是一種很好的解決方案。電力線通信利用現(xiàn)有電力線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng),能更好滿足數(shù)據(jù)語音、視頻、IPTV、VoIP等多應用的需求,有效促進寬帶數(shù)據(jù)網(wǎng)、電話網(wǎng)、有線電視網(wǎng)和低壓配電網(wǎng)的四網(wǎng)融合。   (1)無需布線:利用已有的電力線組網(wǎng),無需為組網(wǎng)單獨布線,節(jié)省人力和成本;(2)傳輸穩(wěn)定:通過實體電力線傳輸,不受障礙物影響,數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定不掉線;(3)移動便捷:電源插座分布密度遠遠高于以太網(wǎng)接口,電力線網(wǎng)絡(luò)使局域網(wǎng)范圍內(nèi)有插座的地方都可以上網(wǎng),移動便捷、擴展方便;(4)使用簡便:只需要將設(shè)備插在電源插座上便可以享受高速寬帶網(wǎng)絡(luò),無需設(shè)置;(5)高效環(huán)保:功耗低,且使用實體電力線進行信號傳輸,基本無輻射,綠色環(huán)保。#p#分頁標題#e#   3•2　電力線通信的缺點   (1)帶寬問題:如果在一個接入點內(nèi)有多個設(shè)備同時進行數(shù)據(jù)傳輸,那么傳輸速率將打折扣。設(shè)備越多,分配給每個設(shè)備的有效帶寬資源就越少。另外,電力線上網(wǎng)是基于銅線的接入技術(shù),傳輸速度受銅線的限制。   (2)穩(wěn)定性問題:電力線上承載著各種各樣的電器,它們開關(guān)的啟動和停止等操作,有時會對電力線上網(wǎng)產(chǎn)生一定的干擾,尤其在20MHz頻段左右。   4　電力線通信在測量船上的應用實例   4•1　硬件組成   在測量船上構(gòu)建以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的調(diào)查測量數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),數(shù)據(jù)的傳輸采用電力線的方式來實現(xiàn)。在該系統(tǒng)中,使用普聯(lián)公司的TL-PA201型的200Mbps電力線以太網(wǎng)適配器,將TL-PA201型網(wǎng)絡(luò)適配器接在插座上后,它會和同一電表下的測量設(shè)備相互實現(xiàn)連接,傳輸速度高達200Mbps,理論最遠使用距離為300m,擁有足夠帶寬應用。此適配器工作電壓在100~240V,符合HomePlugAV標準。電力線適配器使用時必須要兩個或兩個以上才可以,其中用網(wǎng)線與LAN口相連接。其余的就可以在同一電表下艙內(nèi)任何房間使用,只要插入電源,用網(wǎng)線相連接之后,不同的測量設(shè)備之間就可進行數(shù)據(jù)傳輸了。   4•2　軟件功能   利用適配器的管理軟件可以對電力線網(wǎng)絡(luò)進行管理,包括劃分VLAN、設(shè)置傳輸優(yōu)先級等,即可根據(jù)需要設(shè)置電力線網(wǎng)絡(luò)。此管理軟件可以識別電力線上的適配器,檢測數(shù)據(jù)傳輸速率。同時當電力線網(wǎng)絡(luò)中存在多個同類設(shè)備且要求相互之間相對隔離時,也可以通過該管理軟件劃分網(wǎng)絡(luò),保證網(wǎng)絡(luò)安全。   4•3　運行情況分析   為檢驗利用電力線傳輸數(shù)據(jù)的可行性,在測量船上分別采用電力線、網(wǎng)線、串口線、無線四種傳輸媒介,對5GB的多波束水深數(shù)據(jù)進行傳輸并比對,試驗記錄見表1。由表1中可以看出:   (1)在傳輸距離約為100m的及空間障礙物相同的情況下,RS-232串口線無法進行數(shù)據(jù)傳輸,因為RS-232串口線的傳送距離最大為約15m,最高速率為20kb/s,所以和網(wǎng)線及電力線相比,網(wǎng)速慢、且傳輸距離短,傳輸距離大于15m時則不能用串口線進行數(shù)據(jù)傳輸。同樣條件電力線和網(wǎng)線相比較,電力線的傳輸速度稍慢,誤碼率也稍高,但利用電力線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)各項技術(shù)指標能夠滿足傳輸需求,所以在布設(shè)網(wǎng)線困難時可以用電力線來代替網(wǎng)線。   (2)同樣條件下,如采用無線方式進行數(shù)據(jù)傳輸,由于受艙室隔斷屏蔽作用,無線信號很弱,不同艙室之間則無法進行數(shù)據(jù)傳輸。   綜上比較可見,利用電力線傳輸數(shù)據(jù),各項技術(shù)指標能夠滿足傳輸需求,網(wǎng)絡(luò)運行良好,速度也比較快,說明對由于受船體空間限制布設(shè)網(wǎng)線困難,或由于新增加的調(diào)查測量設(shè)備事先未布設(shè)網(wǎng)線等情況,可以采用電力線適配器,利用已有的電力線進行數(shù)據(jù)傳輸,這也充分體現(xiàn)了PIE技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)接入方面的獨特優(yōu)勢。   5　結(jié)束語   在海洋調(diào)查測量船上的數(shù)據(jù)傳輸,更多的是不同設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸,因此只需利用電力線適配器即可,無需構(gòu)建復雜的電力線傳輸網(wǎng)絡(luò),所以對由于受船體空間限制布設(shè)網(wǎng)線困難或由于新增加的調(diào)查測量設(shè)備事先未布設(shè)網(wǎng)線等數(shù)據(jù)傳輸受限制時,都可以采用電力線適配器,利用已有的電力線進行數(shù)據(jù)傳輸,實現(xiàn)擴展網(wǎng)絡(luò)而無需另外布設(shè)網(wǎng)線。   目前隨著電力線通訊技術(shù)瓶頸的突破和成熟,應用電力線進行數(shù)據(jù)傳輸越來越受到廣泛的關(guān)注。   隨處可見的電力線插頭,即插即用的便利性,穩(wěn)定的高速的網(wǎng)絡(luò)速率。因此,預期電力線通信技術(shù)和相關(guān)的配套技術(shù)的發(fā)展能讓用戶享受到更便利、更快捷、更高速數(shù)據(jù)通信服務。