一種新的窄帶電力線載波通信物理層模型

趙黎 焦曉露 張峰

摘 要： G3?PLC標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)主要面向智能電網(wǎng)通信技術(shù)的全球開放性協(xié)議，該協(xié)議中引入了正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)，由于G3?PLC標(biāo)準(zhǔn)中的原基帶OFDM信號(hào)為復(fù)數(shù)信號(hào)，在接收端需要采用相干檢測技術(shù)進(jìn)行解調(diào)，系統(tǒng)復(fù)雜度高。因此根據(jù)FFT原理，通過在頻域?qū)π盘?hào)進(jìn)行編碼，使發(fā)送端OFDM信號(hào)實(shí)數(shù)化，從而在不影響系統(tǒng)可靠性的前提下簡化系統(tǒng)接收端的復(fù)雜度。最后通過仿真對(duì)該方法進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，無論在高斯信道還是在實(shí)際電力線載波信道中，系統(tǒng)性能均非常穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞： 電力線載波通信； 智能電網(wǎng)； 物理層； 正交頻分復(fù)用； 幀結(jié)構(gòu)； 信號(hào)編碼

中圖分類號(hào)： TN913.6?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）15?0006?04

A new physical layer model of narrow?band power line carrier communication

ZHAO Li， JIAO Xiaolu， ZHANG Feng

（School of Electronic Information Engineering， Xian Technological University， Xian 710021， China）

Abstract： The G3?PLC standard is a global open protocol for the smart grid communication technologies， and the orthogonal frequency division multiplexing （OFDM） technology is introduced into the protocol of the G3?PLC standard. Since the original baseband OFDM signal acts as the complex signal， the coherent detection technology needs to be adopted at the receiving terminal for signal demodulation， which makes the system complexity high. Therefore， the signal is encoded in frequency domain according to FFT theory to make the OFDM signal at transmitting terminal become real number， so as to simplify the complexity of system receiving terminal while ensuring the reliability of the system. The method is verified with simulation. The simulation results show that the system has extremely stable performance， wherever in Gauss channel or in real channel of power line carrier.

Keywords： power line carrier communication； smart grid； physical layer； orthogonal frequency division multiplexing； frame structure； signal encoding

0 引 言

電力線通信技術(shù)是利用電力線作為信號(hào)傳輸通道，采用載波方式將信號(hào)進(jìn)行高速傳輸?shù)奈ㄒ灰环N無需額外傳輸物理媒介的有線通信方式[1?3]。隨著智能電網(wǎng)和電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展，電力線通信技術(shù)也備受關(guān)注。然而電力線建設(shè)初期并沒有考慮通信的要求，其信道環(huán)境惡劣，傳統(tǒng)單載波通信技術(shù)無法很好地抵御信道干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性低，影響了電力線通信技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[4?7]。G3?PLC屬于窄帶電力線載波通信標(biāo)準(zhǔn)[8?9]，其采用正交頻分復(fù)用技術(shù)（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM），具有信息傳輸速率高、抗多徑衰落力強(qiáng)及頻譜資源利用率高等優(yōu)勢(shì)。同時(shí)G3?PLC采用多種糾錯(cuò)編碼及魯棒方式，具有較強(qiáng)的抗干擾能力[10]。因此，為了實(shí)現(xiàn)電力線通信系統(tǒng)的可靠傳輸，本文對(duì)基于G3?PLC的電力線載波通信系統(tǒng)性能進(jìn)行研究。

傳統(tǒng)的G3?PLC標(biāo)準(zhǔn)中已調(diào)信號(hào)采用直接映射的方式直接映射到相應(yīng)的子載波位置，然后進(jìn)行IFFT，所得原基帶OFDM信號(hào)為復(fù)數(shù)信號(hào)[11]，在發(fā)送端首先進(jìn)行取實(shí)部處理，接收端再進(jìn)行相干檢測，這樣導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜度高。因此，本文針對(duì)傳統(tǒng)G3?PLC標(biāo)準(zhǔn)中原基帶OFDM信號(hào)結(jié)構(gòu)造成的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高的缺陷，提出一種改進(jìn)的G3?PLC物理層模型。該模型根據(jù)FFT變換的原理對(duì)已調(diào)信號(hào)在頻域進(jìn)行相應(yīng)編碼，可使發(fā)送端基帶OFDM信號(hào)實(shí)數(shù)化，從而可以在不影響系統(tǒng)可靠性的前提下簡化系統(tǒng)接收端的復(fù)雜度。

1 G3?PLC物理層模型

G3?PLC標(biāo)準(zhǔn)是一種電力線通信全球開放性協(xié)議，完整的G3?PLC電力線載波通信系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)由發(fā)送和接收兩部分構(gòu)成，上半部分為發(fā)送模塊鏈路，數(shù)據(jù)位、FCH位與前導(dǎo)位分別進(jìn)行編碼，并且分部進(jìn)行級(jí)聯(lián)，最終耦合到電力線上進(jìn)行發(fā)送。

首先數(shù)據(jù)位經(jīng)過循環(huán)冗余糾錯(cuò)模塊，再經(jīng)過擾碼處理，之后再經(jīng)過里德所羅門編碼器（RS）和維特比編碼器進(jìn)行信道編碼處理。這兩者配合具有較強(qiáng)的糾檢錯(cuò)功能，接收端進(jìn)行相應(yīng)譯碼操作后可以將在傳輸過程中產(chǎn)生的誤碼消除。同時(shí)，為了使誤碼隨機(jī)化，還需對(duì)編碼后的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行交織編碼處理，從而便于接收端在解交織時(shí)進(jìn)行糾錯(cuò)。由于幀控制頭（Frame Control Header，F(xiàn)CH）包含確保發(fā)送數(shù)據(jù)信息幀能夠正確解調(diào)的必要信息，因此對(duì)FCH信息首先進(jìn)行維特比編碼，再進(jìn)行頻域ROBO以提高FCH傳輸?shù)目煽啃浴榱耸拐`碼隨機(jī)化，F(xiàn)CH同樣需要進(jìn)行交織編碼，交織后的數(shù)據(jù)位與FCH位進(jìn)行級(jí)聯(lián)，并且同時(shí)進(jìn)行調(diào)制。G3?PLC標(biāo)準(zhǔn)可同時(shí)支持DBPSK或DQPSK調(diào)制方式，數(shù)據(jù)位可根據(jù)信道環(huán)境靈活配置調(diào)制方式，而FCH位由于其重要性，通常采用最安全的BPSK影射方式。

調(diào)制后的數(shù)據(jù)便可以進(jìn)行傅里葉變換，生成原始的OFDM基帶信號(hào)，為了消除信道間干擾和碼間干擾還需進(jìn)行加載循環(huán)前綴和加窗處理。前導(dǎo)序列的主要功能是輔助接收機(jī)進(jìn)行自動(dòng)增益控制、信號(hào)定時(shí)同步檢測以及信道估計(jì)等操作，在發(fā)送端，前導(dǎo)序列直接進(jìn)行IFFT變換并進(jìn)行加窗處理，最后將FCH位、數(shù)據(jù)位與前導(dǎo)進(jìn)行級(jí)聯(lián)，再經(jīng)過模擬前端放大濾波器以及耦合變壓器將發(fā)送信號(hào)耦合至電力線載波上。

下半部分是接收部分鏈路，接收端耦合變壓器首先將從電力線上接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過模擬前端濾波放大，再經(jīng)過解調(diào)模塊將數(shù)據(jù)還原為原始數(shù)據(jù)[9]。

2 改進(jìn)物理層結(jié)構(gòu)

2.1 原基帶信號(hào)結(jié)構(gòu)

一個(gè)完整的G3?PLC幀結(jié)構(gòu)包括前導(dǎo)、幀控制頭和數(shù)據(jù)位。G3?PLC標(biāo)準(zhǔn)的帶寬范圍是35.9～90.6 kHz（處于CELENEC?A范圍內(nèi)），采樣頻率是400 kHz，采樣交疊子載波個(gè)數(shù)為8，子載波個(gè)數(shù)為256，其中有用子載波數(shù)為36個(gè)，循環(huán)前綴長度為30個(gè)，子載波之間的間隔是1.562 5 kHz。正常模式下，采用結(jié)合DBPSK或DQPSK調(diào)制方法的OFDM技術(shù)，其數(shù)據(jù)傳輸速率可高達(dá)33.4 Kb/s。

G3?PLC標(biāo)準(zhǔn)中的OFDM信號(hào)通常是由IFFT產(chǎn)生的，傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)中將調(diào)制后的數(shù)據(jù)位插入到256個(gè)子載波中的第23～58位，其余位數(shù)補(bǔ)零，即：

經(jīng)過IFFT變換后，原始基帶OFDM信號(hào)為：

式中：[N]為子載波個(gè)數(shù)（[N]=256）；[Xi，k]為第[i]個(gè)OFDM符號(hào)的第[k]個(gè)子載波上的信號(hào)；[ fk]表示子載波的頻率。由于基帶OFDM信號(hào)[st]是復(fù)數(shù)形式的信號(hào)，因此在接收端需要對(duì)其進(jìn)行相干檢測，系統(tǒng)復(fù)雜度較高。

2.2 改進(jìn)原理

任一復(fù)數(shù)序列[xn]可進(jìn)行虛實(shí)分解，即：

其中，實(shí)部分量為：

虛部分量為：

亦可進(jìn)行共軛對(duì)稱分解，即：

其中，圓周共軛對(duì)稱分量為：

圓周共軛反對(duì)稱分量為：

對(duì)[xrn]和[xin]分別進(jìn)行DFT變換，可得：

即實(shí)部對(duì)應(yīng)離散傅里葉變換的圓周共軛對(duì)稱分量，虛部對(duì)應(yīng)離散傅里葉變換的圓周共軛反對(duì)稱分量。從式（10）可以看出，為了使基帶OFDM符號(hào)實(shí)數(shù)化，即需要使共軛反對(duì)稱項(xiàng)[Xopk]為零，對(duì)應(yīng)的[Xk=][X?N-k]，即將經(jīng)過調(diào)制映射（DBPSK或者DQPSK）的[N2]個(gè)信息數(shù)據(jù)與該[N2]個(gè)信息數(shù)據(jù)的共軛倒序信息數(shù)據(jù)共同組成長度為N的具有共軛對(duì)稱特性的信息數(shù)據(jù)，再進(jìn)行N點(diǎn)IFFT變換，即可使基帶OFDM信號(hào)實(shí)數(shù)化。

2.3 改進(jìn)后信號(hào)結(jié)構(gòu)

本文根據(jù)FFT變換原理，在發(fā)送端進(jìn)行IFFT處理前，先對(duì)編碼后的信號(hào)執(zhí)行頻域編碼操作，即可將基帶OFDM信號(hào)實(shí)數(shù)化。取式（1）中前128個(gè)子載波信號(hào)，定義為式（11），其中[i]表示第[i]個(gè)OFDM符號(hào)：

[Xik=Xi，k， k=1～128] （11）

在頻域中，已調(diào)信號(hào)按照如下編碼方式進(jìn)行排列：

[X′i，k=Xik，k=1～N20，k=N2+1X?iN-k+2，k=N2+2～N] （12）

再對(duì)該[N]個(gè)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行[N]點(diǎn)IFFT變換，得到的OFDM信號(hào)為實(shí)數(shù)序列如下式：

[s′t=IFFTX′i，kn=1Nk=1NX′i，kej2πfkt] （13）

3 系統(tǒng)性能驗(yàn)證

圖2為原G3?PLC標(biāo)準(zhǔn)中基帶信號(hào)實(shí)部與虛部信號(hào)圖。圖3為本文設(shè)計(jì)的物理層模型中基帶OFDM信號(hào)的實(shí)部與虛部信號(hào)圖。從圖中可以看出，原始基帶OFDM信號(hào)是復(fù)數(shù)形式信號(hào)，發(fā)送端發(fā)送信號(hào)前需要取其實(shí)部進(jìn)行發(fā)送，接收端需要采用相干檢測方式進(jìn)行解調(diào)。本文設(shè)計(jì)的物理層模型中基帶OFDM信號(hào)的虛部為零，說明其為實(shí)數(shù)信號(hào)，在接收端只需直接做FFT運(yùn)算即可解調(diào)出原始信息。

為了具體分析本文物理層模型的效果，在假設(shè)系統(tǒng)完全同步的基礎(chǔ)上，分別在高斯信道環(huán)境和實(shí)測電力線載波信道環(huán)境下進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

如圖4所示，在高斯信道環(huán)境下，子載波的個(gè)數(shù)N=256，保護(hù)間隔的長度CP=30，采樣頻域[FS=]0.4 MHz，F(xiàn)CH符號(hào)數(shù)為[NFCH=13]，F(xiàn)CH位采用DBPSK調(diào)制方式。由仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)數(shù)據(jù)位采用DBPSK調(diào)制方式，SNR>0 dB時(shí)，系統(tǒng)誤碼率趨于零；當(dāng)數(shù)據(jù)位采用DQPSK調(diào)制方式，SNR>3 dB時(shí)，系統(tǒng)誤碼率趨于零，可見系統(tǒng)性能完全沒有受到信號(hào)結(jié)構(gòu)改變的影響。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文物理層模型對(duì)信道環(huán)境的適應(yīng)性，其他參數(shù)保持不變，采用電力線載波實(shí)測信道參數(shù)環(huán)境進(jìn)行仿真驗(yàn)證。圖5所示為不同時(shí)間測得的實(shí)際電力線信道噪聲波形，采樣間隔為[2×10-7] s。由不同時(shí)刻采集的信道噪聲波形圖可以看出電力線噪聲具有一定的周期性[12]。從兩圖之間的對(duì)比可以看出，電力線信道噪聲還具有時(shí)變性，從而導(dǎo)致不同地點(diǎn)或者不同時(shí)刻的配電網(wǎng)噪聲情況不同。

如圖6所示，采用圖5第二時(shí)間段的實(shí)測電力線信道噪聲作為系統(tǒng)信道環(huán)境進(jìn)行仿真。由仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)數(shù)據(jù)位采用DBPSK調(diào)制方式，SNR>-10.5 dB時(shí)，系統(tǒng)誤碼率趨于零；當(dāng)數(shù)據(jù)位采用DQPSK調(diào)制方式，SNR>-4 dB時(shí)，系統(tǒng)誤碼率趨于零，可見系統(tǒng)性能完全沒有受到信號(hào)結(jié)構(gòu)改變的影響。

4 結(jié) 論

本文在闡述了原基帶G3?PLC系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)上，根據(jù)G3?PLC標(biāo)準(zhǔn)中原基帶OFDM信號(hào)結(jié)構(gòu)造成系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高的缺陷，通過在頻域?qū)π盘?hào)進(jìn)行編碼，從而設(shè)計(jì)了一種新的窄帶電力線載波通信物理層模型，并通過仿真對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明該方案可以有效地解決原物理層模型的缺陷，可將基帶OFDM信號(hào)實(shí)數(shù)化，并且系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡單，性能理想。

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