低压载波集抄系统的市场前景、技术发展与未来的展望
低压载波集抄系统的市场前景、技术发展与未来的展望
一、 今日现状：
低压载波集抄系统在我国已经发展了十几年，即使包括电能表、水表、煤气表，不过总装终端也就不超过200万台，这相对我国接近3亿台的市场，太微不足道了！
即使推广最多、设备最好、技术最先进的厂家，也只能说一声“系统可用”！它距离真正的商业化推广，还有一段很遥远的路！而更多的系统处于瘫痪或半瘫痪状态，完全只是一个摆设！引起多方非议，在平面媒体、专业网站都可见到这方面的报道！
二、 市场前景：
但即使如此，众多投资者依然趋之若骛，广大用户仍然在苦苦等待！造成这种“奇观”的原因，不外乎以下几方面的原因：
1. 计划经济想市场经济转轨的需要：
对电能表而言，计划经济向市场经济转轨，首先就提出了“一户一表”问题。别看就这一个口号，它是现有条件下，供电部门完全无力完成的任务！自动抄表是唯一的出路！
再考虑营业管理体制的变革，如用电分时计价，阶梯式水价……都对传统的计量装备与抄收方式，提出了有力的挑战！应对这种挑战的最佳方式，就是集中抄表！
2. 一个覆盖面最广的网络：
随着国计民生对通信的日益增加的需求，人民把目光投向世界上覆盖面最广的网络——低压配电网！这条信道的开放可以解决现在的三表抄收、物业管理、消防、保安、医疗、卫生、计算机上网……等一系列通信方面的要求。
3. 电网无投入增值的需要：
借鉴国外的经验，电网不仅是电能输送的媒介，还可以作为通信的媒介。国外的顶级公司，如microsoft、motolora、echelon、interlon、3com、施伦贝谢，无不投入巨资，正在开发这条遍及全球每个角落、千家万户的低压载波信道。我国电力部门自然也看到了其中的巨大商机，它的价值在于无投入、或低投入，就可以大大增加低压配电网的商业价值，而这个资产所有权施属于电力部门的！
4. 电子工业与通信技术的发展提供了低压载波通信技术成熟的条件：
国外载波通信技术在上个世纪30年代就起步了，60年代传到我国，80年代我国已经可以自主生产高压载波机。但低压载波信道，由于技术上存在难以逾越的障碍，一直属于通信禁区。近年随着电子技术与通信技术发展，国内外大批资金的注入，科研工作取得重大突破，这就为低压电力载波通信技术成熟，创造了条件！
三、 技术障碍：
造成国内低压载波集抄系统今天尴尬局面的原因，主要是信道衰减与电网污染：
1. 信道衰减：
据有关资料介绍：根据我国不同低压电网的不完全测试，从配电变压器出口到电网末端，最大高频（500KHZ以下）衰减达到130db。
造成衰减的原因包括：
1) 线路衰减：其中包括电缆的分布电容造成的相间衰减、对地衰减，还有高频趋肤效应造成的线路阻抗衰减；
2) 负载引起的线路衰减剧烈变化；
3) 功放阻抗失配造成的衰减；
4) 线路节点引起的高频信号反射，特别是线路类别变化的节点，反射更加严重，架空线与电缆接头可能造成80％信号功率反射（约7db衰减）；
5) 多径衰落引起的高频信号衰减；
由于低压电网环境十分复杂，衰减的分析计算极端困难，影响因素很多，所以近25年，国内外基本没有这方面的专业论著问世。人们只能根据试验结果，进行定性分析比较。
低压载波集抄系统市场也经历了十年徘徊，生产厂家与用户都积累了相当丰富的现场经验。但这种经验告诉我们，事实比我们想象的更复杂！在高压电网载波通信中的计算结果与试验数据，与低压电网测试结果大相径庭。相反，却为低压载波通信不可行性报告提供了更充足的论据。
2. 电网污染：
国内电网污染立法相对落后，大批劣质电器泛滥，对低压电网形成严重的污染。
下面介绍两种干扰频谱：上图是18W节能灯的干扰频谱，下图是充电器的干扰频谱。
这样高幅、广谱干扰，对于不能进行电网一次回路阻波、隔离的低压配电网载波信道，它彻底破坏了接收信噪比，完全是致命的！
四、 已经采取的技术措施分析：
出于市场的诱惑，广大技术人员，几乎采用现代科技的最新成果；但效果并不明显！
已经采用的技术措施包括：
1. 提高功放输出，增加发射信号幅度：
该技术措施受电网谐波系数限制。电网相关规程规定，所有非50HZ频率分量的均方根值，不得高于50HZ有效值的3％。这个规定是用于保护家用电器运行的安全性。根据这个规定，我们从功放最大获取的增益，不会超过3－4db。但实际上，我们需要的却是数十分贝（60db以上），我们从理论上就可以否定该技术措施独立实施的技术可行性！
2. 提高接收设备接收灵敏度：
鉴于通信成功与否取决的是接收信噪比，从上面我们提供的干扰频谱，可以看出，各种劣质电器的干扰基本属于广谱干扰，而我们可以采用的各种滤波电路，在极低的电网等效内阻作用下，Q值极低，滤波效果好不了；面对同频干扰，信号淹没在巨大的干扰噪声中，再高的接收灵敏度也无济于事！所以这项技术措施也不具备独立实施的技术可行性！
3. 扩频技术应用：
对付干扰，人们早就积累了丰富的经验，扩频调制就是一种十分有效的技术手段！目前国内的低压载波芯片几乎毫无例外，都采用了扩频调制方式。确实它对提高信道物理层通信能力起到了重要的作用。
但仔细分析就会发现，依然存在根本性矛盾解决不了！
我国低压载波通信频段规定在40－500KHZ左右。这就限制了扩频调制只能是窄带扩频。通过计算可以知道，在规定频率范围内，我们可以获得的窄带扩频增益，大约在20－30db。不可能更高了！否则，将突破我国规定的低压载波频率范围！
根据我国低压载波现场不完全测试结果，我们需要的增益约在60db以上！这个增益还不足以满足我国低压通信的全部需求！更何况这个数据还不包括低压电网的强干扰影响！
4. 超窄带通信：
在上个世纪末，超窄带通信技术就已经传到我国。它以超窄带（传输带宽可以低到0.001HZ）、低速率、低功耗（可以低到0.3mW）、强穿透、长距离、体积小而著称。根据美洲绿色乌龟组织介绍的超窄带载波通信，抄一块表，需要14个小时；抄3000块表，也只要14个小时。
由于通信速率太慢，国内基本没有使用。
5. 多载波调制：
多载波调制就是为了应对低压电网恶劣的干扰环境而应用的！目前国内深圳清华力合微电子生产的LME2200芯片与以色列itrar公司的it800d都是采用这种调制方式。它的指导思想是为了避开窄带干扰，而无法应对广谱干扰！
这种调制方式的缺点是使用频带宽度比较宽，可能从60KHZ到120KHZ之间，在全部可使用带宽只有400－450KHZ的低压载波频段，如果带外抑制措施不到位，很容易形成不堪接受的杂散辐射！
6. 自适应跳频技术：
这种技术应用于扩频就是为了提高频率利用效率。每次发射采用能够避开干扰频率的某一个频道。目前echelon公司与国内某款尚未上市的扩频模块就是采用这种调制方式。
但这种调制方式与扩频调制方式一样，能够获得的扩频增益依然不足以应对我国低压电网的剧烈衰减。
7. 正交频分复用（OFDM）技术：
也就是直角频率多路传输分割复用技术。这种技术将无线通信传输信号分割成了多个副载波进行传输，而每个副载波由于仅仅携带了很小一部分的数据负载，这样的话OFDM技术就能利用更长的符号周期，从而使通信传输信号更不容易受到多径传输的干扰或者其他外界的特殊干扰。当然，OFDM技术除了通过分割载波的方法来增强通信的抗干扰外，它还通过提高载波频谱利用率的方法来提高通信的稳定性。这种技术通过对多载波的调制改进，让各子载波相互正交，于是扩频调制后的频谱可以相互重叠，从而减小了子载波间的相互干扰。在对每个载波完成调制以后，为了增加数据的吞吐量，提高数据传输的速度，它又采用了一种叫作HomePlug的处理技术，来对所有将要被发送数据信号位的载波进行合并处理，把众多的单个信号合并成一个独立的传输信号进行发送。OFDM技术比较突出的地方就是即使在窄带带宽下也能够发出大量的数据。
但这种技术主要应用于2－30MHZ频段！目前我国的OFDM技术研究已经起步，在载波通信中的应用，尚未到商业推广应用的程度。
8. 分组传送：
根据我们掌握的低压配电网实测干扰频谱，他们大多具有频域周期性的特点。根据傅立叶反变换，在时域必然存在干扰间隙！
根据这一点，人们采用了“分组传送”措施。也就是把报文祯“切碎”分组，利用干扰时间间隙，“穿透“干扰进行通信！实践证明，这是一种十分有效的抗干扰通信措施。
遗憾的是这种通信方式，并不能提高物理层通信的抗衰减能力。所以独立采用这种技术措施，依然不能解决低压载波通信中的全部问题。
9. 中继技术：
借鉴有线、无线通信中的抗衰减技术措施，也就是所谓“中继增音“技术，在低压载波通信领域，早就有人提出了中继通信的概念。特别是载波电能表自身同时具备接收与发射能力，已经具备”中继站“的基本功能。所以表中继技术是一种自然的选择！
特别考虑到中继增音措施不仅可以提高系统的抗衰减能力，而且由于信号幅度以几何级数增加，大大提高了接收信噪比，对系统抗干扰能力提高，同样有效。所以近年在低压载波通信领域，中继通信是一个十分热门的话题。
在现场实践中，通过人选表中继，取得了很好的通信效果。
但是，由于低压载波集抄系统主要对象是居民照明用户，面广量大，网络拓扑结构极端复杂，电网负载的随机变化又在不断改变系统抄收状态，中继表的选择十分困难，给工程实践带来了巨大的困难！
五、 未来的展望：
根据目前我国载波集抄系统现场运行的实际情况，可以断言：单独的某项技术独立采用，都不能完全解决低压载波通信中的全部问题！
从物理层通信能力而言，目前潜力基本已经挖尽。而在现有物理层通信能力基础上，如果能够解决“准确表中继“问题，基本可以满足用户要求！
但“准确表中继“实现的前提，就是必须预先知道低压电网的网络拓扑结构！经过多方调研，目前只有建筑设计院与房地产商的新该楼房设计施工图中，具有配线图；其他人根本不知道配网结构；而老楼房与农网的网络拓扑结构图纸，就从来没人知道！
面对这样的现实，北京微阳世纪电子科技有限公司研发了Topo-relay技术。
Topo-relay技术利用计算机系统，对低压电网进行仔细的网络拓扑分析，得到系统的先验网络拓扑结构。在用户进行系统抄收时，再实时检测电网的负载状态与拓扑结构变化，准确选择抄收路径与中继表位置，避开电网负载的高频变化，进行可靠的自适应抄收，实现24小时100％抄收！
Topo-relay系统的最大优势在于：通过先验网络拓扑分析，准确选择实时可靠抄收的中继表位置；从而最有效地利用载波芯片或模块的物理层通信能力；以几何级数提高接收信噪比；既提高了整个系统抵御电网衰减的能力，又增强了系统的抗干扰能力；不仅可以大大提高抄收成功率；而且最大限度缩短了系统抄收时间。由于系统具有天文数字的系统冗余，所以可以确保系统任何时刻，都能实现100％抄收！
从系统资源利用的角度，Topo-relay技术巧妙地利用了两个资源：
其一是时间资源：现在的自动抄表系统是一个非实时系统，对抄收的实时性要求不高，但具有数据同时性的要求。所以我们在做系统方案设计时，在解决了数据同时性要求以后，就有充足的时间资源可以利用！中继抄收就是利用了系统的时间资源，在已有芯片或模块的物理层通信能力基础上，实现系统通信能力的几何级数提高！
其二时系统资源：自动抄表系统时一个庞大的系统工程，具有数量极多、密度很高的众多节点与终端；它们同时具有发射与接收能力。已经具备中继器的基本功能。这就为系统的表中继路径自适应，或者说自动路由，创造了极其有利的条件！
Topo-relay技术的最大难度在于系统的网络拓扑分析。因为这里不仅需要设计一个可靠的网络拓扑分析算法；更困难的是这个分析算法必须适应完全随机、自由动态变化的电网拓扑结构；因为新户报装、定期校验、坏表更换、元器件老化、甚至电网负载波动、气候变化、用户人为破坏，都有可能改变或破坏已经计算好的电网拓扑结构！
Topo-relay技术的第二个难度在于中继表的选择原则设计。因为低波特率的抄收速度跟不上电网瞬时负载变化的速度！这就可能导致已经选择的中继表，不能可靠通信，从而引起整个系统瘫痪。而要改变这种状态的必要条件，就是系统的先验拓扑结构与系统的实时负载状态，及其变化形态！需要实时的、量化的、软件可靠性调节！
造成这种困难的根本原因，就在于系统的下段信道，采用了总线制的通信方式；而下段信道的网络结构，却是一个星形发散模式！这二者之间的矛盾，就导致了我们必须有一个清晰的、先验的、实时的、但又是动态的、收敛的、可迅速修正的网络拓扑结构！
只有这样的网络拓扑结构，才能保证中继表选择的绝对准确性；也只有绝对准确的中继表选择，才可以保证载波芯片或模块物理层通信能力，得到最充分的利用！
在有了准确的低压电网网络拓扑结构与中继表选择原则以后，就可以建立系统全抄不等式了：
（中继级别＋1）×芯片或模块物理层通信能力（db）≥
130db＋中继级别数×电网负载高频动态因素等效db数＋Σ分段实际抄收末端的电网干扰（衰减后的）db数（要考虑频偏与滤波因素）；
只要满足上述不等式，就可以确保实现24小时100％抄收！
根据以上不等式与现场经验，如果系统最大中继级别为3级中继，模块的物理层通信能力低于50db，实现24小时100％抄收就有一定困难；而高于70db，实现24小时100％抄收，几乎没有任何困难！
现在这套系统已经通过了现场的初步验证与人工实现试验。
这就是我们对载波集抄系统技术未来的构想！