電力載波通信中的干擾特性與抑制技術(shù)探究

宋士剛，武占俠，洪海敏，劉飛飛，王道遠(yuǎn)

(深圳市國電科技通信有限公司，廣東深圳，518109)

1 電力載波通信中的干擾特性

電力載波通信系統(tǒng)有電力線、載波機(jī)、耦合設(shè)備組成。系統(tǒng)中存在的干擾特性包括阻抗特性、衰減特性、噪聲特性等。

1.1 阻抗特性

電力網(wǎng)絡(luò)阻抗由變壓器阻抗、電力線負(fù)載阻抗、導(dǎo)線特性阻抗組成。阻抗呈現(xiàn)為感性或者容性，應(yīng)達(dá)共軛匹配。其并非單一作用于線路內(nèi)，是多種阻抗負(fù)載效應(yīng)，換句話說，負(fù)載間阻抗匹配、負(fù)載和耦合裝置阻抗匹配、變壓器和電力特性阻抗匹配。靜態(tài)可將其視為頻率=0的動(dòng)態(tài)特例，屆時(shí)阻抗不是簡(jiǎn)單類型的電阻，為廣義阻抗，具備動(dòng)態(tài)效應(yīng)。阻抗匹配將對(duì)PLC信號(hào)完整傳輸產(chǎn)生影響，新增負(fù)載導(dǎo)致輸入的阻抗隨著PLC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化而變化。電線接頭阻抗匹配性不足將導(dǎo)致反射的多樣性提升，造成原有阻抗匹配混亂，進(jìn)而導(dǎo)致多徑模型發(fā)生變化，對(duì)信號(hào)的傳遞產(chǎn)生影響。

電力線位置不同輸入阻抗不同，大量電感、電容、電阻網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，在不同點(diǎn)分析，輸入阻抗必然不同。因?yàn)殡娏€中輸入阻抗存在明顯變化，導(dǎo)致接收機(jī)輸入阻抗與放大器輸出阻抗無法保持匹配，對(duì)電路設(shè)計(jì)造成影響。

1.2 信道衰減

信道衰減包括耦合衰減、線路衰減，其中耦合衰減能夠按照要求調(diào)整耦合器的內(nèi)阻值進(jìn)行抑制，線路衰減屬于重點(diǎn)問題，信道時(shí)變性較強(qiáng)，隨著傳輸距離與頻率變化，信號(hào)隨之變化，頻率增加，傳輸線效應(yīng)更明顯，當(dāng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和負(fù)載特征參數(shù)存在差異，則難以發(fā)現(xiàn)適用于所有線路數(shù)字模型。相關(guān)學(xué)者經(jīng)過多次試驗(yàn)，多徑反射為信道內(nèi)信號(hào)衰減主要原因，因?yàn)檩斎胱杩棺兓c多徑效應(yīng)影響，綜合時(shí)延、衰減、權(quán)重等因素，通道模型表達(dá)式為：

1.3 信道噪聲

在電力線內(nèi)實(shí)現(xiàn)高速通信與低速通信均需要對(duì)信道噪聲特性加以充分的了解，但電力線網(wǎng)絡(luò)是為電力傳輸所設(shè)計(jì)，在電力系統(tǒng)中負(fù)載繁多，多產(chǎn)生的噪聲也不同。通過大量的研究分析，電力線中噪聲還可分為人為噪聲與非人為噪聲。噪聲來源如下表1所示：

表1 電力線噪聲分類

2 干擾特性測(cè)試分析

電力線中信號(hào)衰減特性、干擾特性極為復(fù)雜，具有時(shí)變性、隨機(jī)性較大特點(diǎn)，無法通過比較準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型、解析式進(jìn)行描述，也正是因?yàn)槿绱耍瑢?duì)電力載波信號(hào)干擾特性分析多通過試驗(yàn)測(cè)試、定性分析等方式開展。雖然部分學(xué)者提出部分模型用于測(cè)試分析，但是模型多附加大量假設(shè)與限制，導(dǎo)致測(cè)試分析適用面較小，結(jié)果精準(zhǔn)度有待考證。同時(shí)，為達(dá)到實(shí)用，獲取合理性價(jià)比，并對(duì)其成本加以限制，需要加強(qiáng)研究。對(duì)載波產(chǎn)品進(jìn)行研發(fā)時(shí)，借助下述方式對(duì)載波信號(hào)干擾特性進(jìn)行測(cè)試具有良好的效果。

首先，測(cè)量信號(hào)方式。為對(duì)電力線衰減特性進(jìn)行測(cè)量，可以選用由電力網(wǎng)絡(luò)、耦合網(wǎng)絡(luò)、線性負(fù)載、示波器等設(shè)備組成的裝置。借助相關(guān)設(shè)備產(chǎn)生正弦信號(hào)，放大后，借助耦合網(wǎng)絡(luò)連接至電力網(wǎng)絡(luò)。正弦信號(hào)通過電力網(wǎng)之后，由接收端接收信號(hào)和噪聲，兩種電平經(jīng)與發(fā)射端相同耦合網(wǎng)絡(luò)，傳輸至阻性負(fù)載，通過示波器顯示其數(shù)值。測(cè)量結(jié)束對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。在實(shí)際測(cè)量中發(fā)現(xiàn)，電力網(wǎng)衰減特性極為復(fù)雜。同一電網(wǎng)中不同地方或者相同地方不同時(shí)段，衰減值存在較大差異，隨頻率增加，衰減值逐漸下降。對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析最終得出：第一，通常情況下同相衰減＜跨相衰減，一定頻率存在例外；第二，頻率逐漸增加，信號(hào)的衰減將逐漸增加，而增加情況并非單調(diào)增加；第三，電力網(wǎng)中電力負(fù)載對(duì)載波信號(hào)衰減存在嚴(yán)重影響。因?yàn)樨?fù)載情況將隨時(shí)間不斷變化，所以給定頻率點(diǎn)衰減將隨時(shí)間變化，變化范圍最大值為30dB。第四，電力通信信號(hào)衰減特性難以構(gòu)建精確數(shù)字模型，無法借助簡(jiǎn)單公式進(jìn)行表達(dá)，更加適合使用統(tǒng)計(jì)方式分析計(jì)算。

3 PLC抗干擾性能分析

為確保控制網(wǎng)絡(luò)內(nèi)信息有效交換，不管下行接收或者上行傳輸，需要將物理層、鏈路層抗干擾和MAC協(xié)議、糾錯(cuò)機(jī)制融合應(yīng)用，保證數(shù)據(jù)最優(yōu)傳輸，模型如圖1所示。

圖1 I／ISO網(wǎng)絡(luò)模型的抗干擾模型

3.1 基于物理層調(diào)制/解調(diào)抗干擾分析

電力通信非線性導(dǎo)致解調(diào)極為復(fù)雜，采用復(fù)雜的均衡技術(shù)將增加成本。以往調(diào)制技術(shù)對(duì)參信道內(nèi)脈沖干擾和多徑效應(yīng)的抑制已經(jīng)不滿足實(shí)際需求，因?yàn)槭艿叫盘?hào)功率影響，電力線通信調(diào)節(jié)方案主要以低信噪比達(dá)到允許誤碼率范圍，擴(kuò)頻技術(shù)則通過頻譜拓展借助低頻率的頻譜信號(hào)進(jìn)行再次發(fā)射，能夠有效抑制空中、電臺(tái)短波輻射所產(chǎn)生窄帶干擾，具有衰減能力大、抗噪聲性能強(qiáng)、秘密通信等優(yōu)勢(shì)。但隨著信號(hào)頻譜逐漸拓寬，將導(dǎo)致有線寬帶中可用信道的數(shù)量逐漸減少，同等碼元在大量信道內(nèi)傳輸，將對(duì)其傳輸速率產(chǎn)生影響。另外，擴(kuò)頻技術(shù)對(duì)寬頻譜脈沖噪聲進(jìn)行處理時(shí)，小幅度擴(kuò)頻信號(hào)將被寬頻帶噪聲所覆蓋，導(dǎo)致信號(hào)的接收出現(xiàn)錯(cuò)誤，可借助FEC技術(shù)檢錯(cuò)和糾錯(cuò)，而信道編碼導(dǎo)致信號(hào)頻帶再次擴(kuò)展將造成擴(kuò)頻效益逐漸下降，所以，擴(kuò)頻技術(shù)的應(yīng)用受到一定的限制。另外，OFMD技術(shù)在較高頻譜中具有較大利用率，具有傳輸速率較快，滿足高速PLC應(yīng)用需求，同時(shí)對(duì)抗脈沖干擾、多徑干擾具備一定優(yōu)勢(shì)。

首先，OFMD的傳輸速率較快。把頻帶劃分為互相獨(dú)立窄帶通道同時(shí)將高速串行碼轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿械退状a，借助低速碼流對(duì)子載波進(jìn)行調(diào)制，子載波中部分頻譜互相重疊，有效提升頻譜的利用率，即使子載波傳輸速率較低，但經(jīng)子通道；累積將獲取高傳輸速率。另外，具有強(qiáng)抗多徑干擾性能。信道多徑效應(yīng)將導(dǎo)致信號(hào)時(shí)延擴(kuò)展，造成前碼、后碼接收互相重疊，導(dǎo)致ISI情況發(fā)生。設(shè)定信號(hào)帶寬是B，碼子速率是R，碼字周期是T，多徑效應(yīng)所產(chǎn)生最大時(shí)延是Tmax，設(shè)定Tmax＞T，導(dǎo)致碼間干擾。借助OFDM可以把高速串行數(shù)據(jù)劃分為若干個(gè)子信號(hào)，割分后速率降低為R/N，周期NT，周期延長(zhǎng)N倍，超過多徑反射時(shí)延，能夠有效克服ISI，倘若對(duì)ISI徹底消除，需要設(shè)置保護(hù)間隔，保護(hù)間隔＞脈沖響應(yīng)持續(xù)時(shí)間，而空間保護(hù)間隔受多徑傳播影響，子載波正交性將受到破壞，出現(xiàn)ICI情況，如果保護(hù)間隔中設(shè)置前綴循環(huán)符號(hào)，則把OFDM符號(hào)后半部分替換紙前半部分，形成CP，確保子載波正交性，同時(shí)避免ICI。最后，OFDM在一定程度上可以抑制脈沖干擾。對(duì)于子載波調(diào)制可按照子通道實(shí)際情況選擇，當(dāng)脈沖干擾較為嚴(yán)重，可把關(guān)閉小于信噪比門限的通道，確保數(shù)據(jù)信息的完整性與降低誤碼率。電力線通信，OFDM對(duì)發(fā)射機(jī)的頻率偏移敏感且面臨PAPR大風(fēng)險(xiǎn)，相比于下行鏈路，上行鏈路所受PAPR更加嚴(yán)重。通過應(yīng)用SC-FDMA技術(shù)可以有效解決上行鏈路所產(chǎn)生均峰比情況。添加CP，導(dǎo)致傳輸速率下降。通過m序列作訓(xùn)練序列信道估計(jì)和迭代均衡，借助自相關(guān)特性取得時(shí)域響應(yīng)，迭代均衡OFDM，通過仿真實(shí)驗(yàn)，能夠有效提升傳輸效率于強(qiáng)化系統(tǒng)的抗噪性能。 I/ISO網(wǎng)絡(luò)模型的抗干擾模型見圖1.但是對(duì)載波同步、時(shí)間同步要求較高，硬件設(shè)備較為復(fù)雜。同時(shí)，對(duì)于通訊同步相關(guān)問題，將多相序列做主同步信號(hào)的多用戶幀結(jié)構(gòu)，能夠按照用戶不同選擇不同的同步序列，具有較強(qiáng)的相關(guān)性，滿足多用戶網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求。

3.2 數(shù)據(jù)鏈路層抗干擾分析

PEC和交織技術(shù)。電力線通信信號(hào)傳輸中，受電磁兼容的限制將對(duì)發(fā)射功率產(chǎn)生影響，當(dāng)發(fā)射功率較低時(shí)，影響信噪比，一定信噪比可以抑制背景噪聲，但是無法克服脈沖噪聲[7]。FEC、交織技術(shù)在一定程度上可以遏制脈沖信號(hào)。信道編碼可以提升通信效果，發(fā)送端不需要向接收端提供額外信息，發(fā)送待發(fā)信息前附加冗余位，在接收時(shí)，冗余信息可以借助一定規(guī)律糾正錯(cuò)誤，常用糾錯(cuò)碼包括卷積碼、分組碼與Turbo碼。信道編碼可對(duì)隨機(jī)性的錯(cuò)誤進(jìn)行處理，但PLC脈沖噪聲所產(chǎn)生頻率響應(yīng)將出現(xiàn)嚴(yán)重衰落，導(dǎo)致突發(fā)問題。交織技術(shù)可使突發(fā)錯(cuò)誤轉(zhuǎn)變?yōu)殡S機(jī)性，對(duì)脈沖干擾加以有效抑制。借助交織器與遞歸系統(tǒng)編碼器，保證Turbo編碼器可以輸出較大碼重。在1995年便有相關(guān)學(xué)者對(duì)LDPC進(jìn)一步研究。LDPC屬于線性的分組碼，屬于稀疏矩陣，通過研究發(fā)現(xiàn)相比于Turbo碼，不規(guī)則LDPC性能更好。在PLC模型中借助注水原理，有效降低信噪比的分布不均情況，發(fā)送端有效獲取信道狀態(tài)參數(shù)，便于對(duì)LDPC進(jìn)行分配。因?yàn)镻LC網(wǎng)絡(luò)電視協(xié)議，和高質(zhì)量視頻需要具備應(yīng)用層糾錯(cuò)機(jī)制保障，所以脈沖干擾所導(dǎo)致突發(fā)錯(cuò)誤造成通信困難。另外，多址接入技術(shù)。該技術(shù)中CDMA方案在電力線通信中具有較高的優(yōu)勢(shì)[6]。CDMA保留擴(kuò)頻技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，并具備高頻率利用、高傳輸速率等優(yōu)勢(shì)。應(yīng)用IDMA技術(shù)，在保留CDMA技術(shù)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)將脈沖噪聲突發(fā)錯(cuò)誤轉(zhuǎn)變?yōu)殡S機(jī)性，可以在資源受限、嚴(yán)重干擾信道中傳輸信號(hào)，提升信道利用率，提供更加優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。另外，脈沖調(diào)整綜合CDMA在高數(shù)據(jù)傳輸中允許進(jìn)行多用戶傳輸。

3.3 傳輸層抗干擾分析

通過以上分析，OFDM設(shè)計(jì)中各個(gè)子載波比較窄，形成平坦衰落，同時(shí)插入CP可以確保經(jīng)過頻率選擇后處于正交狀態(tài)，而帶寬增加，各子載波多經(jīng)歷衰減存在差異，不是平坦衰落，可能存在錯(cuò)誤，能夠借助FEC檢錯(cuò)、糾錯(cuò)。若借助物理層調(diào)制技術(shù)與FEC干擾措施處理仍然存在錯(cuò)誤，則只可借助ARQ機(jī)制重傳。一般情況下將FEC和ARQ同時(shí)應(yīng)用，減小系統(tǒng)錯(cuò)誤概率，而ARQ多用于時(shí)延要求較低系統(tǒng)中，不然將增加額外時(shí)間，難以滿足系統(tǒng)需求。另外，ARQ重復(fù)發(fā)送，降低通信效率，因此較適用于處理時(shí)間比較短干擾中。例如信號(hào)切出/接入所產(chǎn)生短暫的脈沖干擾，若存在持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)干擾群，則需按照數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾逝cQos相關(guān)要求，對(duì)MAC層通道進(jìn)行重新分配。

4 總結(jié)

本文對(duì)電力載波通信中阻抗特性、衰減特性以及干擾特性進(jìn)行分析，從物理層信號(hào)處理和數(shù)據(jù)鏈路信息數(shù)據(jù)傳輸角度，分析抑制技術(shù)應(yīng)用可行性。但是除需選擇抑制技術(shù)，算法韌性同樣需要加以考慮。分?jǐn)?shù)低階穩(wěn)定分布能夠?qū)Ω咚剐盘?hào)有效描述。另外，對(duì)于PLC中阻抗特性和信號(hào)在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)內(nèi)突然切出/接入所造成多徑傳輸動(dòng)態(tài)建模也需要加強(qiáng)研究。