適用于AMI的有線無線融合數據傳輸方法

李風飛，劉光熹，胡國榮

(中國科學院微電子研究所，北京 100029)

責任編輯:薛 京

智能電網下的高級量測體系(Advanced Metering Infrastructure，AMI)包括智能電表、網絡通信、電表數據管理3個系統，固定的雙向通信網絡是其全部高級應用的基礎。我國電網龐大而復雜，信道環境極其惡劣，信道特性在不同頻段、不同時間、不同地點各不相同，尤其是低頻段，工頻噪聲、窄帶噪聲等干擾非常嚴重，給系統設計帶來了很大的挑戰。無線信道的動態隨機性很大，空間電磁干擾和多徑干擾嚴重。而正交頻分復用(OFDM)技術具有良好的抗多徑干擾特性，并具有很高的頻譜利用率，能夠有效對抗有線電視分配網中的多徑效應和耦合進入的噪聲。因此在AMI的通信中，利用OFDM技術進行調制成為一個最佳選擇［1-5］。

現有用于AMI的通信方式主要可以分為電力線通信和無線通信。電力線通信主要采用單載波窄帶調制技術(如FSK、BPSK、跳頻、直接序列擴頻等)或多載波調制技術［1-5］，其中單載波調制技術下數據速率大都在10 kbit/s以下，OFDM多載波調制技術下數據率每秒可以達到幾十到幾百千比特;無線通信主要采用擴頻技術［6］(如Zig-Bee)，數據速率一般為每秒幾十到幾百千比特。無線通信技術成熟，安全性好，便于移動，但全網改造難度大，易受障礙物阻擋，傳輸距離短;電力線通信技術利用已有的電網實現成本低，不占用已有的頻率資源，不存在穿墻問題，但靈活性相對不足。

鑒于此，本文提出一種基于OFDM技術實現的適用于AMI的有線無線融合的數據傳輸系統及方法，將有線傳輸和無線傳輸進行有機結合，以滿足AMI在復雜環境下的有效通信，實現系統與環境和信道特性相適應的傳輸方案的靈活選擇;同時，系統復用了絕大部分硬件資源，降低了該方案的系統成本。

1 AMI信道特性

1.1 無線信道

由于噪聲、多徑、干擾等諸多因素的影響，無線信道呈現為時變、衰減、頻率選擇等特性。關于無線信道特性和無線信道建模［7］的相關研究十分廣泛，成果輩出。典型的如用于描述平坦小尺度衰落的Clarke模型、用于MMSD頻段的SUI信道模型等。

1.2 電力線信道

國內窄帶電力線通信可用頻段為3～500 kHz，此頻段的電力線信道環境復雜多變，很多特性與無線信道相似，如衰落、多徑、時變、多噪聲等特性。電力線信道的特性主要分為傳輸特性和噪聲特性［8-10］，其中傳輸特性包括衰減特性、多徑特性和時變特性;噪聲特性主要包括有色背景噪聲、窄帶噪聲、工頻異步脈沖噪聲、工頻同步脈沖噪聲和突發脈沖噪聲［11］。

圖1是實測的一組信道噪聲數據，其中圖1a為信道噪聲的時域波形，圖1b為信道噪聲的功率譜。在圖1a中，可以明顯地看到50 Hz的工頻噪聲。由圖1b可見，低頻段(150 kHz以下)電力線信道背景噪聲功率很高、變化很快(相差約30 dB)，且窄帶噪聲干擾嚴重;高頻段(150～500 kHz)電力線信道噪聲平坦且基底噪聲較小。

圖1 實測電力線信道噪聲波形

通過對電力線信道和無線信道特性及可行性的研究和分析，無線傳輸模式下，系統采用470～510 MHz的免費無線信道進行數據傳輸，帶寬為187.5 kHz(無線電管理委員會要求不超過200 kHz);電力線傳輸模式下，系統采用電力線通信專用頻段3～500 kHz，選用其中的187.5 kHz(160.156～347.656 kHz)，這主要是考慮到低頻段噪聲強且變化快，而高頻段噪聲小且平坦。

2 系統設計

本文針對AMI需要和現有系統的不足，通過對電力線信道和無線信道的研究，提出了一種適用于AMI的有線無線融合的數據傳輸系統及方法。該系統基于OFDM技術實現，分為無線傳輸模式和電力線傳輸模式。系統結構如圖2所示，主要包括:前向糾錯編碼模塊，用于對待發送的數據進行加擾和RS編碼處理，并將RS編碼處理后的數據與幀控制頭獨立地進行卷積編碼、交織和重復編碼，然后輸出給調制模塊;調制模塊，用于根據所選調制模式對前向糾錯編碼模塊輸入的重復編碼后的數據進行映射、插入導頻、IFFT、插入循環前綴、插入前導、加窗和重疊處理，形成基帶物理幀，并根據傳輸模式的設置選擇是否進行上變頻，然后輸出給模擬前端發送模塊;模擬前端發送模塊，用于根據傳輸方式的設置選擇采用電力線模擬前端或射頻模擬前端發送調制部分輸出的數據。

圖2 系統結構圖

2.1 物理幀格式

幀結構如圖3所示，由9.5個前導(Preamble)符號、若干個幀控制頭(Frame Control Header，FCH)符號和若干數據符號組成。前導由8個P+符號和1.5個P-符號組成，每個P+符號和P-符號均由128個樣點組成。P+符號用于自動增益控制(AGC)的自適應調整、符號同步、頻率同步、信道估計和初始參考相位估計;P-符號由P+符號相移π得到，它可以用來完成幀同步。P+符號是一個Chirp序列。

圖3 物理幀結構

2.2 前向糾錯編碼

前向糾錯模塊主要包括加擾、RS編碼、卷積編碼、交織和重復編碼，其中RS碼作為外碼，卷積碼和重復碼作為內碼。

擾碼的產生基于隨機的PN序列，PN序列的生成多項式為:S(x)=x7⊕x4⊕1;加擾之后的數據采用GF(28)中的截短RS(N，K)進行編碼，其中N取8～255的整數，K=N－8;RS編碼處理后的數據與幀控制頭獨立地進行卷積編碼和重復編碼。其中卷積碼的碼率為1/2，約束長度k=7，生成多項式分別為:G1=171oct，G2=133oct。幀控制頭在穩健模式下采用8次重復編碼，在其他模式下采用4次重復編碼;數據僅在穩健模式下采用重復編碼(根據信道質量選擇重復0，2，4或8次)。

2.3 調制

調制部分主要包括映射、插入導頻、IFFT、插入循環前綴、插入前導、加窗和重疊處理，最后形成基帶物理幀。

系統在任一種傳輸模式下均有3種調制方式:穩健模式、DBPSK模式和DQPSK模式。其中穩健模式是專門針對電力線信道和無線信道惡劣多變而設計的，可以根據信道質量的惡劣程度自適應地選擇重復編碼的次數(2，4或8)。這樣的模式設置，旨在不同信道特性下自適應地選擇最佳的調制方式(根據信噪比選擇)，實現系統速率和穩定性之間的折中，在穩定可靠的前提下實現盡可能高的數據傳輸速率。

根據所選調制模式，進行數據映射并插入導頻，子載波映射如圖4所示。128個子載波被分為數據子載波、導頻子載波和虛擬子載波3部分，其中8個導頻(子載波序號6，8，30，42，86，98，110，122)、88 個數據子載波、32 個虛擬子載波(子載波序號0，49～79)。時域數據采樣頻率250 kHz，占用帶寬187.5 kHz，子載波間隔1.953125 kHz。

圖4 子載波映射

導頻的引入是為了對抗無線信道的頻率偏移，實現對頻偏的捕獲跟蹤。導頻數據為一組偽隨機二進制序列，始終采用BPSK調制。

插入導頻后的頻域數據變換到時域，通過128點的IFFT變換后，形成時域符號，其中IFFT的輸入為:1～48和80～127子載波輸入有效數據，其他子載波輸入為0。然后經過加窗和重疊處理，形成物理層發送幀。

2.4 模擬前端

模擬前端分為電力線模擬前端和射頻模擬前端，分別用在電力線傳輸模式和無線傳輸模式下，用來發送調制部分輸出的數據。電力線模擬前端包括數模轉換器、低通濾波器和發送驅動器;射頻模擬前端包括數模轉換器、低通濾波器、發送驅動器和混頻器。其中數模轉換器、低通濾波器和發送驅動器均可復用，低通濾波器和發送驅動器均設計為參數可配置。

3 系統仿真

筆者對該系統進行了系統仿真，系統仿真參數如表1所示。

表1 系統參數設置

表2所示為不同模式下的有效數據傳輸速率，其中穩健模式1～3分別表示數據部分重復編碼時重復2，4，8次。在穩健模式3時，系統碼率可達8.5493 kbit/s;在D8PSK模式時，系統碼率可達104.82 kbit/s。

表2 系統碼率統計表

圖5所示為發射端基帶信號頻譜，即電力線發送信號頻譜。若選用無線發送，將該信號上變頻至無線模式所選頻段即可。可見系統在采用同一套基帶處理部分的情況下，實現了電力線傳輸和無線傳輸的靈活選擇，完成了可用于AMI的有線無線融合傳輸系統。

圖5 發射端基帶信號頻譜

表3為本文方案與現有方案的對比分析。從傳輸效率來看，PRIME的最高碼率和子載波碼率均最大，編碼速率本文最高。從編碼方案來看，由于引入了RS和重復編碼，G3-PLC和本文的性能優于PRIME，但有效碼率有所降低。從調制方式來看，G3-PLC和本文采用的穩健模式(ROBO)增強了系統的穩定性和可靠性，PRIME和本文采用的D8PSK調制提高了系統的最高碼率。從系統資源和適用范圍來看，本文額外增加了無線發射部分，突破了PLC的限制，使系統更具有靈活性。

表3 方案比較

4 結論

本文提出了一種適用于AMI的有線無線融合的數據傳輸系統及方法，將有線技術和無線技術融合在一起實現，增強了系統適應性，可以根據環境需要和信道特性，配置為無線傳輸模式或有線傳輸模式，實現了與環境和信道特性相適應的傳輸方案的靈活選擇。該系統基于OFDM技術實現，增強了系統的抗干擾性能，提高了數據傳輸率，最高可達104.82 kbit/s。系統的多模式設計，雖然額外增加無線RF發送模塊硬件開銷，但為系統的穩健性和高速率之間提供了折中選擇方案，使系統在可靠穩定的前提下盡可能高地傳輸速率。通過有線、無線的基帶復用，簡化設計，節約成本，有利于提高市場效益。

［1］王芳，張士兵，王振朝.低壓電力線載波通信調制解調技術研究［J］.電視技術，2010，34(5):69-72.

［2］PRIME draft standard for powerline-related intelligent metering evolution［S］.2008.

［3］PLC G3 physical layer specification［S］.2009.

［4］IEEE Std 1901-2010，IEEE standard for broadband over power line networks: medium access control and physical layer specifications［S］.2010.

［5］PINTO F，SCORALICK F，CAMPOS F，et al.A low cost OFDM based modulation schemes for data communication in the passband frequency［C］//Proc.International Symposium on Powerline Communications and its Application(ISPLC2011). Udine:IEEE Press，2011:424-429.

［6］IEEE Std 802.15.4-2006，Part 15.4:wireless medium access control(MAC)and physical layer(PHY)specifications for low-rate wireless personal area networks(WPANs) ［S］.2006.

［7］Channel models for fixed wireless applications［EB/OL］.［2012-01-01］.http://www.nari.ee.ethz.ch/commth/pubs/p/EHSB01.

［8］ANDREADOU N，PAVLIDOU F.Modeling the noise on the OFDM powerline communications system［J］.IEEE Trans.Power Delivery，2010，25(1):150-157.

［9］ZIMMERMANN M，DOSTERT K.A multipath model for the power line channel［J］.IEEE Trans.Communication，2002，50(4):553-559.

［10］GUO Jingbo，LI Gang，WANG Zanji.Transmission characteristics of low-voltage distribution networks in China and its model［J］.IEEE Trans.Power Delivery，2005，20(2):1341-1348.

［11］ZIMMERMANN M，DOSTERT K.An analysis of the broadband noise scenario in powerline networks［EB/OL］. ［2012-01-01］.http://www.isplc.org/docsearch/Proceedings/2000/pdf/0613_001.pdf.

［12］HOCH M.Comparison of G3-PLC and PRIME［C］//Proc.International Symposium on Powerline Communications and Its Application(ISPLC2011).Udine:IEEE Press，2011:165-169.

［13］RAZAZIAN K，KAMALIZAD A，UMARI M，et al.G3-PLC field trials in U.S.distribution grid:initial results and requirements［C］//Proc.International Symposium on Powerline Communications and Its Application(ISPLC2011).Udine:IEEE Press，2011:153-158.

［14］RAZAZIAN K，UMARI M，KAMALIZAD A.Error correction mechanism in the new G3-PLC specification for powerline communication［C］//Proc.International Symposium on Powerline Communications and Its Application(ISPLC2010).Rio de Janeiro:IEEE Press，2010:50-55.

［15］DOMINGO J，ALEXANDRES S，RODRIGUEZ-MORCILLO C.PRIME performance in power line communication channel［C］//Proc.International Symposium on Powerline Communications and Its Application(ISPLC2011).Udine:IEEE Press，2011:159-164.