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    華為PLC-IoT創新技術,打造行業智慧聯接
    時間:2020-12-24 中國電力電工網

       全球行業數字化轉型的浪潮已經到來,其顯著特點是將“物”納入智能互聯,觸發產業服務及商業模式創新,并對價值鏈、供應鏈和行業生態產生深遠影響。隨著物聯網技術和應用的快速發展,人們對通過末端傳感器采集數據的需求越來越多,并逐步延伸到對末端執行器的控制場景。而實現這些需求的基礎就是物聯網的感知層接入技術。感知層技術的首要目標就是將萬物互聯,保障最后一公里的通信可靠、安全、高效。

    常見的物與物之間通信方式主要分為四大類,包括:

    1、工業總線技術:如RS-485、CAN等

    2、電力線通信技術:如IEEE 1901.1、G3-PLC等

    3、微功率無線技術:如ZigBee、Wi-SUN、LoRa等

    4、蜂窩通信技術:如NB-IoT、GPRS等

       以上四類通信方式中,前面兩種是有線通信技術,后面兩種是無線通信技術,有線通信受線路特性影響較多,無線通信則受環境因素影響較大,各有其適用的應用場景。其中電力線通信技術的突出特點是網隨電通,對于那些有電力線供電的設備,無需額外部署專門的通信線路即可接入網絡,滿足了大量物聯網設備的通信需求。

       電力線通信技術適用的場景包括電力配用電網絡、城市智慧路燈、交通路口信號燈、園區樓宇自動化等,在這些場景中,設備有固定位置,通信距離在200米到5公里之內。迄今為止電力線載波通信已經有大量的實踐運用,并且技術還在不斷優化升級,隨著邊緣計算技術的同步發展,物聯網感知層已經不再局限于傳感器的接入,而是進入到完整的智能化領域。華為PLC-IoT創新技術與時俱進,在提供高速、實時、安全的接入能力之外,還基于IPv6和邊緣計算能力,使能末端設備智能化。

       PLC(Power Line Communication)即電力線通信,是一種以低壓電力線或雙絞線、同軸電纜等通信介質,通過調制解調技術實現數據傳輸的通信技術方案。PLC最大的優勢就是免布線,在有電力供應的地方,不用額外部署專用通信線路,就可以進行數據通信,也就是我們常說的網隨電通,有電就有網。PLC按頻段分為窄帶、中頻帶和寬帶技術。窄帶電力通信技術是最早用在配用電網絡中的PLC技術,有一系列國際標準,如G3-PLC、PRIME、IEEE 1901.2等,其頻帶主要分布在3~500 kHz,主要用于遠程抄表場景。中頻帶PLC技術發源于中國,基于國家電網公司HPLC規范的中頻帶技術,廣泛用于用電信息采集領域,并于2018年發布IEEE 1901.1國際標準。

       PLC電力線通信是在加載工頻電力信號的通路上傳輸高速數據信息,受到各種因素影響導致信號在電力線傳輸過程中受到干擾,加快衰減,甚至丟失,實際情況包括:

    ● 配電變壓器對電力載波信號有阻隔作用。一般載波信號只能在一個變壓器的區域內傳輸,實際部署存在跨變壓器的共零線串擾情況,會使得距離很近的多臺變壓器間信號互相影響。

    ● 背景噪聲嚴重干擾正常信號傳輸。阻性、感性、容性負載和大功率、小功率負載所產生的噪聲在電網上形成疊加,對信號影響嚴重。

    ● 載波信號受到負荷的影響在傳輸過程中存在高衰減。當負荷越重時,線路阻抗變小,會造成載波信號高衰減。比如當電力線空載時,載波信號可傳輸幾公里,但負荷重時,只能傳輸幾十米。

    ● 電力線的分布屬性和時變性導致信號發生變形。電力線是分布式網絡,不同區域對數據信號影響不一樣,同時電力線是時刻變化的,時變性強,因此很難按照統一模式保證載波通信效果。

       盡管PLC技術一直受業內人士質疑,比如電網環境復雜、噪聲干擾嚴重以及時變性大等因素,但從商業角度來看,PLC利用無所不在的電力線網絡作為通信媒介,極大地降低了高昂的網絡建設費用和后續運維管理費用。近年來,隨著調制/解調與糾錯技術的發展,半導體集成技術的提高,采用復雜數字信號處理技術的PLC通信集成電路在抗干擾能力方面提升很大,因此PLC電力通信的地位是不可取代的。

       當前歐洲采用PRIME和G3聯盟的新一代OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing正交頻分復用)多載波PLC技術已大規模使用。華為公司也推出了自主研發的寬帶PLC通信(同樣基于OFDM技術),結合華為在通信領域所擅長的路由、交換和安全技術,應用在配電物聯網、AMI智能抄表、智慧燈桿等場景,在全球市場成功規模部署。

       華為寬帶PLC技術通過大量的實測數據,分析電力線信道特性,包括衰減特性、阻抗特性、噪聲特性等,開發出自適應最佳信號傳輸頻率的功能,設計出獨特的抗噪聲專利技術和抗衰減專利技術,實現高速、可靠、安全的長距離的電力線通信。主要技術包括:

    1.通信頻段自適應技術

       電力通信中的噪聲在不同場景,不同時間,分布不同,大部分場景下的噪聲集中在1MHz以下,甚至在500KHz以下,少數噪聲達到2.5MHz頻點,同時低頻線路會導致功放效率變低,信號能量損失變大,而高頻線路隨著傳輸距離增加信號衰減也在變大,所以電力線通信特點決定了在頻段選擇上有一定的范圍要求。經過大量實際測量工作,我們對信道模型和噪聲模型進行分析,在0.7M-12MHz頻段范圍內,華為采用預定義頻段自適應算法,適應低壓配電網絡復雜環境,達到最佳通信效果。

    2.OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)多載波技術

       通常數字調制是在單個電力載波上進行,如PSK、QAM等,這種單載波調制方式容易發生碼間干擾,從而增加誤碼率,同時在多徑傳播的環境中受到瑞利衰落的影響會造成突發誤碼。而OFDM技術就是將高速率的串行數據轉換為若干低速率數據流,每個低速數據流對應一個載波進行調制,組成一個多載波同時調制的并行傳輸系統,就是將總的信號帶寬劃分為N個互不重疊的子通道,N個子通道進行正交頻分多重調制后,可以克服單個電力載波串行通信缺陷。

       由于OFDM技術抗干擾能力強,頻譜利用率高,華為基于自身通訊技術的積累,將OFDM技術運用到寬帶電力線載波通信,物理層通信速率的設計能力達到10Mbps以上,滿足對海量終端實時并發任務響應。

    3.抗噪聲技術

       電力線通信的復雜性在很大程度上體現在不同場景下的噪聲特點各異,能量強,變化快。因此抗噪聲技術一直都是業界各廠商的核心技術之一,也是客戶對PLC通信產品能力的重要評價因素之一。

    華為寬帶PLC技術主要從3個方面提供最具競爭力的方案:

    1)在時域上,設計有效的脈沖噪聲檢測與消除算法

    根據脈沖周期,占空比,峰均比的差異,應對時域噪聲微秒級的變化,實時進行脈沖消除策略。

    2)在頻域上,設計有效的窄帶噪聲檢測與消除算法

    根據噪聲在不同頻點的功率譜密度分布,采用多種噪聲檢測處理方式,可以對寬度在1MHz以內的強色噪聲進行檢測和消除。

    3)針對多相位噪聲,采用相位開關策略進行屏蔽

    一般PLC網關設備需要在三個相位上進行數據收發,而三個相位的噪聲疊加會導致通信性能下降,我們通過對不同相位信號進行監控,屏蔽多相位噪聲串擾。

    4.抗信道衰落及負載變化技術

       信道衰落及負載變化較為復雜,對電力線通信質量影響非常大,也是電力客戶非常關注的通信質量問題之一。華為寬帶PLC方案提供頻段自適應選擇策略,通過頻段評估選擇,對衰減、噪聲、負載綜合評定,選取最佳工作頻段進行通信。

       除了寬帶PLC技術以外,華為在業界首創IP化PLC電力通信,即PLC-IoT技術方案,全稱是Power Line Communication-Internet of Things,應用在IoT物聯網“最后一公里”智慧聯接場景。華為PLC-IoT采用IPv6架構,支持6LowPAN數據報文壓縮技術,比傳統非IP化PLC通信傳輸效率提升6倍,其內置LiteOS操作系統,可以實現少量業務APP快速部署,如協議解析APP,通過協議轉換解決海量終端設備“七國八制”協議適配難題。同時,華為PLC-IoT基于IP化網絡能力實現了分領域組網(類似VLAN虛擬局域網技術),未來還將突破電力自動拓撲識別,這個技術非常領先,可以真正做到末端海量設備即插即用,極大提升運維管理效率。

    具體來說,華為PLC-IoT帶來的價值包括:

    1.基于IPv6,提升PLC網絡通信效率和信息化水平

       支持開放標準的IPv6技術,不同類型的末端設備可以共享PLC網絡,多種APP應用也可共享同一個PLC網絡,獨立訪問各自管理的末端設備而互不影響。同時PLC網絡對應用呈現為一個IP網絡,多個APP可以并發訪問PLC網絡,相對于原有非IP化HPLC網絡,大大提升并發能力和通信效率。同時,基于IPv6可通過TCP/UDP協議承載豐富的物聯網協議,如基于標準化的CoAP(Constrained Application Protocol即受限應用協議)實現高效數據傳輸。

    2.分領域組網,多個網絡共存互不影響

       同一區域允許組建不同領域的網絡,不同領域的PLC設備之間網絡隔離,PLC節點不會加入到本領域之外的PLC網絡,PLC網關也不會接納其他領域的PLC節點加入本網絡,從而實現多個不同領域的網絡共存,且互不影響。

    3.即插即用,支持設備自發現,簡化設備接入流程,提升業務上線效率

       PLC-IoT技術結合邊緣計算物聯網關,提供即插即用框架和SDK二次開發工具,可實現末端設備的自動發現,在物聯網關和遠端物聯網平臺進行注冊,快速建立物聯網關與末端設備之間的業務通道,有效解決傳統設備上線流程復雜,安裝部署周期長等問題。

    4.無擾臺區識別,簡化安裝部署現場配置,提升部署效率

       無擾臺區識別是華為推出的臺區識別創新技術,無需任何外加設備,根據寬帶載波技術特點和電網及信號特性,通過軟件實時分析處理,自動識別出末端設備所歸屬變壓器區域,減少現場配置,極大提升設備部署效率。

        同時,華為PLC-IoT在網絡安全防護方面也做了很多創新,比如支持鏈路層安全機制,通過AES128數據加密保證數據機密性,支持完整性校驗保證數據防篡改,采用序列號校驗方式防止重放沖擊,增強鏈路安全性,防止網絡攻擊。在通信傳輸安全方面,華為PLC-IoT基于DTLS(Datagram Transport Layer Security即數據包傳輸層安全性協議)實現PLC節點基于數字證書的接入認證,并通過DTLS加密通道傳輸協商鏈路層加密密鑰,實現鏈路層數據加密傳輸,提供網絡安全保障。

       華為在2019年成立了PLC-IoT生態聯盟,旨在通過邀請高校、廠商伙伴等一起研討物聯網聯接創新,共同推進PLC-IoT相關架構、技術、應用的標準研究和制定,加速PLC-IoT技術和產品聯合創新,促進技術進步和產業合作,為各行業客戶提供基于PLC-IoT場景的優秀產品和解決方案。

       隨著新基建帶來新機遇,數字化、智能化成為各行業未來發展方向,從電力、交通、智慧園區到數字政府,華為PLC-IoT使能海量終端智能化,織就全IP時代物聯網“最后一公里”,為整個行業數字化轉型帶來了價值,我們將繼續秉承以客戶為中心的理念,堅持開放合作和技術創新,攜手行業伙伴,打造園區邊緣計算物聯網解決方案,服務各行業客戶,促進產業發展,實現共贏。

     


     

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