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评估家庭 PLC 网络 RC4信道网络吞吐量的实验测量

拉斯蒂斯拉夫 · 罗卡

为了扩展家庭 PLC 网络，有必要详细了解 PLC 的传输信道特性。本文简要论述了 RC4参考通道的理论特征。一个主要部分的重点是网络吞吐量和相间的 PLC 信号联络提出的 RC4参考信道高于10兆赫的频率。为了评估所考虑的传输参数，实验测量了各种噪声源和不同相位导体之间的相互作用。

关键词: 家庭 PLC 网络，RC4参考信道，网络吞吐量，噪声源，相间信号联络

1.引言

电力线通信(PLC)传输信道的特性取决于配电网的特性和线路类型[1]、[2]、[3]。 低压 PLC 通道用于点对多点拓扑中的数据信号分配。 Lv 通道用于房屋、公寓、建筑物等的电力分配。 在这些位置，通常有许多点的阻抗不完全匹配。 多路径效应也是不言而喻的。 因此，可以增加噪声源的影响，使信号传输失效。 可编程控制器通道的参数模型可以调整到配电网的任何拓扑结构[3,4]。 为了在家庭 PLC 网络中的实际应用，可以考虑参考信道4(RC4) ，该参考信道代表一个通常存在于居民区的链路，该链路没有明显的规则网络结构，并且具有强大的分支。

2.理论

我们的重点是参数模型的 RC4参考通道在实际使用的配电线路内的家庭 PLC 基础设施。 Rc4参考信道可以用比其他参考信道更短的长度和更少的分支来表示。 在文献[4] ，[8]中介绍了 PLC 传输环境在多径信号传播、信号衰减、噪声场景和电磁兼容性等方面的特点。 基于这些推导和对实测频率响应的广泛研究，选择了只有三个参数的拟合方法作为衰减因子。

（1）

这可以很容易地从测量的传递函数[1-2]推导出来。 参数 a0，a1和 k 由传递函数 h (f)的测量值确定，而不是由测量的主线参数 r ′ ，l ′ ，c ′ ，g ′确定。 如果我们现在把扩展的信号叠加在所有路径上，我们就会得到频率响应 h (f)的表达式：

（2）

其中 a (li，f)-是与长度和频率成比例的信号衰减，n 是传输信道中的路径数。

对于 PLC 传输通道的计算机模拟，可以利用文献[1]中提到的特定表中的值。 参数 k，a0，a1，gi ,li，(k，a0，a1为衰减因子，gi 为加权因子，li 为 i-line 分支的长度。Rc4的频率响应如图1所示。 由于有许多分支，这个链路表现出很高的衰减，特别是在超过10兆赫兹的区域。 然而，高衰减不能由信号功率增强来补偿，原因在于电磁兼容电磁兼容性，[8-9]。 因此，RC4参考信道的频域在信息传输方面几乎可以使用10兆赫兹，不存在严重的问题。

图一：Rc4参考信道的频率响应

在高于10Mhz 的频率范围内，除了频率响应外，噪声源和信号联络对 RC4参考信道的传输参数有显著影响。 因此，我们还重点设计了一个测量使用 PLC 设备方面的评估理论网络吞吐量和功能的终端用户设备在各种应用条件下的家庭 PLC 网络。 设计的高频域测量分为两部分: 不同噪声源的网络吞吐量代表不同类型的脉冲噪声，以及 PLC 信号的相间联络。 在第一个测量中，考察了特定噪声源对网络传输特性的影响。 在第二次测量中，确定了由 PLC 调制解调器产生的两个连接之间相间信号联络的条件。 实验测量是在两种类型的 PLC 调制解调器-HD 200调制解调器(频率范围到30兆赫)和 HAV 500调制解调器(频率范围甚至达到68兆赫)[12-13]。

利用 IxChariot 软件对家庭 PLC 网络的传输参数进行了评估。 Ixchariot 是一个仿真程序，可以在具有指定 IP 地址的多个网络元素之间在真实网络中创建虚拟流量，并随后在真实流量和仿真流量中评估网络参数。

程序初始化后，必须选择流量类型(VoIP、 IPTV、 ...)、终端设备的 IP 地址、交流网络协议(RTP、 TCP、 UDP、 ...)、测量周期和测量的传输参数。 此外，还可以执行其他高级参数设置。

3.网络吞吐量的测量

测量的 PLC 网络吞吐量是实现在单一的家庭住宅上创建的家庭 PLC 网络，图2。 在测量过程中，所有家用电器都拔出了电源插座。 在这个测量网络中，只连接 PLC 调制解调器和噪声源。

图二：PLC 网络吞吐量测量的基本方案

独立的 PLC 调制解调器有默认的 IP 地址，可以很容易地改变使用互联网浏览器。 第一个 PLC 调制解调器(PLC 调制解调器1)设置端点，第二个(PLC 调制解调器2)设置固定接入点。 最终用户设备和子网掩码的地址在 Windows 中使用 IPv4设置进行调整。 通过功率分组公用程序的手段，更先进的设置的 PLC 调制解调器可以实现[12-13]。

3.1无噪音源测量

这些测量为与其他测量值进行比较创建了一个参考基础。 实现了两种参考测量。

在第一种情况下，可编程控制器调制解调器直接连接到电力分配插座。 对于 HD 200调制解调器，PLC 网络的平均总吞吐量为78.9 mbit / s。 图3显示了10个已使用的数据流的时间行为。 Tcp 流由于确认 UDP 数据包而不同于 TCP 数据包，因此其传输速率比 UDP 数据流少几倍。

对于 HAV500调制解调器，传输速率迅速增加。 PLC 网络的平均总吞吐量为222.5 mbit / s。 图4显示了10个已使用的数据流的时间行为。

在第二种情况下，PLC 调制解调器连接到扩展电缆，扩展电缆由于其固有的环境对小错误值有负面影响。 这根出口电缆连接到电力分配插座上。 图5显示了用于 HD 200调制解调器的 PLC 网络中数据流的时间行为，平均总吞吐量为69.1 mbit / s。 图6显示了用于 HAV500调制解调器的 PLC 网络中数据流的时间保存，平均总吞吐量为216.2 mbit / s。

3.2噪音源测量

所有已使用的噪音源都通过位于家庭网络中连接 PLC 调制解调器的相邻插座连接到电气分配，图2。 所有插座工作在同一相导体上。

第一个噪声源，手机充电器对网络吞吐量有极大的影响，我们实现了 HD 200调制解调器。 该网络的平均吞吐量为48.7 mbit / s，手机充电器直接连接到邻近的插座。 通过扩展电缆与配电系统连接时，输电容量降低到36.9 mbit / s。 与参考值相比，这两种情况下的降幅都在30mbit / s 左右。 传输速率的这种显著的减少是由于输出充电器脉冲源的高频脉冲造成的。只是周期性脉冲噪声与交流频率不同步是 PLC 调制解调器的最大障碍。

HAV500调制解调器也容易产生来自手机充电器的脉冲噪声。 这个噪声源导致两个连接中的 PLC 网络吞吐量降低近80 mbit / s。 在直接连接到插座的情况下，虚拟网络吞吐量为148.7 mbit / s。 对于通过扩展电缆连接，其值稍低于133.5 mbit / s 值。 基于这些数据，很明显，新的 PLC 调制解调器也不能完全消除周期性脉冲噪声异步对交流频率的影响。

另一个噪声源，笔记本电脑适配器的65w 输出功率代表周期性脉冲噪声同步交流频率对 PLC 网络吞吐量的影响最小。 与参考值相比，网络吞吐量有所下降

只是中等程度。 在直接连接到套接字的情况下，实际网络吞吐量为74.2 mbit / s。 对于通过扩展电缆连接，其值稍低，为61.5 mbit / s。 在使用 HD 200调制解调器实现的 PLC 网络中，笔记本适配器对网络吞吐量的影响非常小，几乎可以忽略不计。

在使用 HAV500调制解调器进行测量时，结果与以前的情况类似。 所使用的笔记本适配器对网络吞吐量的影响很小。 第一种情况下网络吞吐量的实际值为211.1 mbit / s，第二种情况下分别为201.4 mbit / s。

最后一个噪声源是真空吸尘器，用于评价2000w 功率感应电动机的异步脉冲噪声输出。 与参考值相比，网络吞吐量几乎没有变化。 对于直接连接到套接字，实际网络吞吐量为78.4 mbit / s。 对于通过扩展电缆连接，其值为65.8 mbit / s。 因此，从 PLC 网络运行的角度来看，真空吸尘器对采用 HD 200调制解调器实现的 PLC 网络吞吐量的影响很小。

在用 HAV500调制解调器测量时，PLC 连接不受干扰影响。第一种情况下网络吞吐量的实际值为217.4 mbit / s，第二种情况下分别为211.8 mbit / s。 基于这些数据，很明显，新的 PLC 调制解调器实质上也能抵抗异步脉冲噪声。

可以在 Tab 中看到。 在图7中，通过影响手机充电器达到最低的 PLC 网络吞吐量。 从其它噪声源来看，真空吸尘器对网络吞吐量的影响最小，其值与参考值接近。

可以在 Tab 中看到。 图3和图8中，利用手机充电器对 PLC 网络吞吐量的影响最大。 受其他噪声源影响的网络吞吐量值与无噪声源的参考值相比，变化很小，目前方差可以忽略不计。

在暗示，测量在家中的 PLC 网络吞吐量的连接创建使用新的 HAV 500调制解调器实现几个更高的价值比测量使用老 HD 200调制解调器。 但是，这些数值并不能完成制造商报告的数值，这些数值只能在理想条件下才能达到理论值。 对于两种类型的 PLC 调制解调器，各种噪声源有一个可比的影响。 影响最大的是手机充电器作为周期性脉冲噪声的噪声源，对交流频率的周期性脉冲噪声非同步，可使网络吞吐量降低40% 。 其他噪声源对家庭 PLC 网络的吞吐量没有明显影响。

4.相间信号联络的测量

在实际家庭 PLC 网络安装的某些情况下，可能会遇到不同 PLC 连接之间特有的并联现象 / 效应。 这种影响是由于电力配电线路的真实安装形式不适合 PLC 信号传输造成的。 由于相邻区域各种相位线的物理接近，可能产生特定的相间信号联络。

相间信号联络是由于在 RC4参考信道(几十兆赫)中使用了高频，以及电磁辐射，信号通过一个导体传递给其他导体。 测量的目的是确定相邻的家庭 PLC 网络使用调制解调器通过使用不同线路的插座连接到电力分配的相互作用的条件。

图9示出了对线间 PLC 信号进行检测的方案。 PLC 网络由两个 PLC 调制解调器(M1，M2)创建，它们使用网络电缆与相应的笔记本电脑(PC1，PC2)相互连接。 两个系统都由 L1和 L2输电线供电。

第一次测量的目的是确定紧密排列的线(L1，L2)的最小长度(l)在等距离(d →0厘米)必要的一个可能的线间 PLC 信号干扰。 测量了 PC 通信两个方向的 ping-echo 请求的响应时间。表中给出了丢失数据包和连接建立后获得的平均响应时间。因此，随着电力线平行排列长度的增加，响应时间逐渐减少。在小定距(d →0 cm)情况下，两电力线并联的最佳长度大于2米，从逻辑上讲，平行电力线越长，端点间的时间响应越好。 对于5个以上的仪表，家庭 PLC 网络中的传输参数已经不变。第二次测量的目的是确定两个不同的电力线接收器的最大距离(d)时，可编程控制器信号能够联络。 根据以往的测量结果，将并联电缆的长度设定为15m。 这个长度足以使 PLC 信号从 L1相向 L2相和向后转换。 网络元素配置与前面的度量相同。

表中给出了丢失数据包和连接建立后的平均响应时间。

结果表明，随着两个不同导线间距离的增加，响应时间逐渐增加。 对于 d4厘米，延迟增加，同时传输速率降低接近值不允许的 PLC 信号传输。

通过测量不同电力线之间的 PLC 信号，结果表明，如果使用不同的电力线连接，则 PLC 调制解调器能够协同工作。 但是，有些条件是必须满足的。

对于 HD 200调制解调器，线路线路必须至少1.3米对齐，同时其间距不超过D2cm，提供符合50mbit / s 传输速率的连接。

对于 HAV500调制解调器，线路线路必须至少对准1.2米，而其间距不超过 d3厘米，以提供符合150 mbit / s 传输速率的连接。

对于超过考虑的限制值，相间的 PLC 信号联络是不是在进行中。根据测量值，可以确定不同的家用 PLC 网络在不同的相线上工作时能否从相间信号中获得补偿。

5.结论

对于任何通信技术而言，最重要的目标就是要使重要的传输参数达到一定的限制，尤其是网络的通过率、传输速率、时延和丢包率。

所有的实验测量都是在实际的家庭 PLC 网络中，以 HD 200和 HAV 500为调制解调器，在各种不同的条件下进行的。 第一种方法是针对不同的噪声源进行测量及其对 PLC 信号传输的影响。 最负的作用是周期性脉冲噪声与手机充电器发出的交流频率不同步，从而导致传输速率的显著降低。 其他的噪声源并没有很大程度上改变 PLC 网络的传输参数。

第二种测量方法是针对实际家庭 PLC 网络中高频干线中的相间 PLC 信号进行测量。 两个不同相位连接的 PLC 调制解调器之间的无故障连接可以在并联电缆的最小长度至少3米、相互间的距离不超过2厘米的情况下建立。 这些相间

资料编号：[4522]