OFDM 技術(shù)在電力線載波通信中的應(yīng)用研究

何書毅

（海南電網(wǎng)電力通信自動(dòng)化有限公司）

1 引言

目前，高速電力線載波通信技術(shù)仍然沒有得到大規(guī)模的使用，這與自身技術(shù)不完善有很大的關(guān)系。眾所周知，目前的電力線主要用來傳輸電能的。在線路上電壓高、電流大、噪聲大、負(fù)載種類多，要在電力線上傳輸信號(hào)，就是對技術(shù)設(shè)備抗干擾性和穩(wěn)定性提出的挑戰(zhàn)。電力線中的信道噪聲是電力線通信發(fā)展的主要問題，如何解決這個(gè)問題成為電力線載波通信作為寬帶接入問題關(guān)鍵?，F(xiàn)在，國際上高速電力線載波通信采用的主要調(diào)制技術(shù)有單載波類、擴(kuò)展頻譜類和OFDM（正交頻分復(fù)用）調(diào)制技術(shù)。本文重點(diǎn)對OFDM 技術(shù)在電力線載波通信中的應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析和研究。

2 電力線載波通信概述

電力線載波通信是以電力網(wǎng)作為信息傳送信道，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)有效傳輸?shù)模裟芤噪娏W(wǎng)為信道，進(jìn)入 PSTN 和 Internet 網(wǎng)等通信領(lǐng)域，那么其應(yīng)用前景更廣泛。

2.1 電力線載波通信的優(yōu)點(diǎn)

2.1.1 載波電力線優(yōu)點(diǎn)

（1）電力線載波通信利用的是現(xiàn)有的電力基礎(chǔ)設(shè)施--電網(wǎng)，這個(gè)傳輸媒介是全球覆蓋最大的網(wǎng)絡(luò)，用電力線做接入無需新布線就可以用到有電的地方就有寬帶接入。（2）安裝簡單、設(shè)置靈活，為用戶實(shí)現(xiàn)寬帶互聯(lián)帶來很多方便，能實(shí)現(xiàn)智能家庭自動(dòng)化。（3）現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)可以滿足對帶寬要求較高的用戶需求。（4）PLC 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)靈活，可根據(jù)用戶需要按照小區(qū)甚至用戶安裝，投資小見效快，同時(shí)運(yùn)行費(fèi)用低，用戶花費(fèi)較小。（5）能夠?yàn)殡娏倦娏芾硖峁﹤鬏斖ǖ?，?shí)現(xiàn)電力、數(shù)據(jù)、話音和圖像綜合業(yè)務(wù)傳輸?shù)耐ㄐ偶夹g(shù)。

2.1.2 在電力線設(shè)計(jì)方面

（1）電力線載波通信不受地形、地貌的影響，投資少，施工期短，設(shè)備簡單，可以同其他通信手段一起實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。（2）電力線載波通信可靠性高，高壓輸電線結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，高壓輸電線安全設(shè)計(jì)系數(shù)比光纖的安全設(shè)計(jì)系數(shù)高。（3）具有等時(shí)性，只要高壓輸電線一架通，載波通道就開通了，輸電線架設(shè)到哪里，載波通信線路就可以延伸到那里，目前我國 110kV 輸電線路上和35kV的農(nóng)網(wǎng)上還有大量的電力線載波機(jī)在運(yùn)行，龐大的電力線載波通信擔(dān)負(fù)著電網(wǎng)內(nèi)調(diào)度電話遠(yuǎn)動(dòng)，遠(yuǎn)方保護(hù)信息的傳輸，對電力線系統(tǒng)的安全，穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起著重要的作用，因此對這種廉價(jià)的電力系統(tǒng)都有的信道資源不應(yīng)輕易放棄，應(yīng)加以合理的發(fā)展和利用，使之與高速，寬帶技術(shù)長期并存，互為補(bǔ)充。不過，我們也要看見載波電力線的不足，由于受電網(wǎng)的影響，PLC的傳播距離有限，在低壓配電網(wǎng)上無中繼的傳輸距離一般在250m 以下，要實(shí)現(xiàn)自配電變壓器至用戶插座的全電力線接入需要借助中繼技術(shù)，這勢必要增加系統(tǒng)的造價(jià)。電力負(fù)荷的波動(dòng)對PLC 接入網(wǎng)絡(luò)的吞吐量也有一定影響，由于多個(gè)用戶共享信道帶寬，當(dāng)用戶增加到一定程度時(shí)，網(wǎng)絡(luò)性能和用戶可用帶寬有所下降，但這些問題可以通過合理的組網(wǎng)方式得到解決。

2.2 電力線載波通信系統(tǒng)

電力線載波通信系統(tǒng)是通信系統(tǒng)的一個(gè)具體通信方式，電力線載波通信：利用傳輸電能的電力線路來傳遞高頻電信號(hào)，這種通信方式是根據(jù)電力系統(tǒng)的特有條件發(fā)展而成，具有良好的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。電力線載波在原理上和通信線路載波相同，只是電力線不同于通信線路，它專為傳輸 50Hz 工頻電流而架設(shè)，利用它實(shí)現(xiàn)載波通信有不少獨(dú)特之處。目前，在高壓和中壓電力線技術(shù)沒有成熟之前，基本使用低壓PLC 技術(shù)和其他網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)電力線網(wǎng)絡(luò)用戶上網(wǎng)的模式。用戶通過PLC 調(diào)制解調(diào)器，把電話和電能等通信終端連接到電力線上，同其他用戶互聯(lián)互通，然后用別的技術(shù)手段和互聯(lián)網(wǎng)連接，從而實(shí)現(xiàn)整體通信。

3 OFDM 技術(shù)的應(yīng)用

OFDM 采用FFT 和 IFFT 實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)，可以方便地使用數(shù)字信號(hào)處理器件來實(shí)現(xiàn)，采用保護(hù)間隔和循環(huán)前綴來抗多徑，從而有效地降低 ISI（碼間干擾）和 ICI（信道間干擾）。OFDM 調(diào)制技術(shù)在寬帶、高速電力線通信中成為一種有吸引力的技術(shù)，并有可能成為高速電力線通信的標(biāo)準(zhǔn)利用電力線進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶拵щ娏€通信技術(shù)已經(jīng)并將不斷獲得突破和發(fā)展，它不但給電力企業(yè)帶來新的市場和商機(jī)，也給用戶帶來了低成本、高性能的服務(wù)。

3.1 OFDM的基本原理

OFDM 技術(shù)應(yīng)用在電力線載波通信上，使電力線上的高速數(shù)據(jù)通信成為可能，OFDM的基本思想就是把可用信道帶寬劃分為若干子信道，每個(gè)子信道都可以近似看成理想信道。在規(guī)定使用的頻段內(nèi)，利用載波之間的正交性，使用上百、上千個(gè)具有正交特性的載波信號(hào)，每個(gè)載波輸出一定速率的數(shù)據(jù)，各個(gè)載波傳輸數(shù)據(jù)的總和就是總的傳輸速率。

3.2 OFDM 應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)

OFDM的同步問題。在單載波系統(tǒng)中，載波頻率的偏移只會(huì)對接收信號(hào)造成一定的幅度衰減和相位旋轉(zhuǎn)，這可以通過均衡等方法來克服。而對于多載波系統(tǒng)來說，載波頻率的偏移會(huì)造成子信道之間產(chǎn)生干擾。OFDM 系統(tǒng)內(nèi)存在多個(gè)正交子載波。其輸出信號(hào)是多個(gè)子信道信號(hào)的疊加，由于子信道相互覆蓋，這就對它們之間的正交性提出了嚴(yán)格的要求。

同步包括載波頻率偏移 (載波頻率同步問題)、時(shí)鐘位置偏移(OFDM 符號(hào)同步問題)和采樣頻率偏移(采樣頻率同步問題)都會(huì)產(chǎn)生ICI 和ISI 干擾。同步是OFDM 技術(shù)中的一個(gè)難點(diǎn)。其中符號(hào)同步是使收發(fā)雙方確定OFDM 符號(hào)的起始位置；載波同步是指收發(fā)雙發(fā)對于各子載波的頻率誤差的校正，頻率誤差的存在將嚴(yán)重破壞子載波之間的正交性，導(dǎo)致子載波干擾，使誤比特率大幅度增加，因而載波同步對于OFDM接收機(jī)是非常重要的；采樣頻率同步是指收發(fā)雙發(fā)對于采樣頻率偏移的校正，采樣頻率偏移導(dǎo)致在非信號(hào)峰值采樣，引起信號(hào)幅度減小，還引起了相鄰信道的信號(hào)干擾，使誤比特率增加。

OFDM 同步算法，歸納起來可分為兩類：一類是利用導(dǎo)頻信號(hào)或長訓(xùn)練序列完成OFDM載波同步，這種方法的性能好，但會(huì)造成帶寬和功率的損失；另一類是利用OFDM 循環(huán)前綴的相關(guān)性實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)同步，其中較常用的是維特比(Van deBeek) 極大似然 (ML，Maximum Likelihood)估計(jì)算法。ML 算法利用OFDM 信號(hào)的循環(huán)前綴，可以有效地對OFDM 信號(hào)進(jìn)行頻偏和時(shí)偏的聯(lián)合估計(jì)，從而完成精確同步。粗同步一般是采用能量檢測的方法。對于電力線作為傳輸媒介實(shí)現(xiàn)逆變電源間通信的技術(shù)，必須滿足短突發(fā)、高實(shí)時(shí)性、高速率要求，所以利用第二類同步方法比較合適。

OFDM的非線性失真問題。由于 OFDM系統(tǒng)的輸出是多個(gè)子載波信號(hào)的疊加，根據(jù)中心極限定理，當(dāng)子載波個(gè)數(shù) N 足夠大時(shí)，OFDM符號(hào)的實(shí)部和虛部趨于高斯分布。因此如果多個(gè)信號(hào)相位一致，所得到的疊加信號(hào)的瞬時(shí)功率會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號(hào)的平均功率，導(dǎo)致出現(xiàn)較大的峰均比(PAPR)。出現(xiàn)這樣的情況下，就會(huì)造成放大器、A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換器的線性范圍提出了更高的要求，如果系統(tǒng)的線性范圍不能滿足信號(hào)變化的需求，則會(huì)造成信號(hào)畸變，使得疊加信號(hào)的頻譜發(fā)生變化，從而導(dǎo)致子信道之間的正交性遭到破壞，產(chǎn)生相互干擾，使系統(tǒng)性能惡化。而且由于產(chǎn)生的大峰值信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間是不可預(yù)測的，這樣就要求系統(tǒng)中數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和功率放大器具有很大的線性動(dòng)態(tài)范圍，才能盡量滿足信號(hào)工作在線性區(qū)，否則，當(dāng)信號(hào)峰值進(jìn)入數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和功率放大器的非線性區(qū)域，使信號(hào)產(chǎn)生畸變，導(dǎo)致子載波間的互調(diào)干擾和帶外輻射，破壞了子載波間的正交性，降低系統(tǒng)性能。為了避免這種情況的發(fā)生，功率發(fā)達(dá)其應(yīng)工作在大功率補(bǔ)償狀態(tài)下。然而，由于在大多數(shù)時(shí)間內(nèi)，信號(hào)的幅度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于這個(gè)峰值，因此按這個(gè)峰值設(shè)計(jì)的功率放大器的利用效率會(huì)非常低并使發(fā)射機(jī)的成本變得分成昂貴。為此需要采用一定的技術(shù)來降低OFDM 信號(hào)的峰平功率比，使發(fā)射機(jī)中的功率放大器高效工作，以提高系統(tǒng)的整體性能。

自適應(yīng) OFDM 資源分配算法。電力線信道具有兩大特點(diǎn)：時(shí)變特性和衰減特性。因此，電力線信道的信道容量是一個(gè)具有時(shí)變性的隨機(jī)變量，要極大限度地利用信道容量，必須使信息的發(fā)送速率也是一個(gè)隨信道容量變化的兩，也就是使編碼和調(diào)制方式具有自適應(yīng)性。但是在傳統(tǒng)的數(shù)字通信系統(tǒng)中，都是以最差的情況時(shí)的信道為目標(biāo)設(shè)計(jì)編碼和調(diào)制等技術(shù)，系統(tǒng)中包含了很多用來克服最差條件的開銷，即使在信道條件較好的時(shí)候，這些開銷依然存在。

在一般的OFDM 調(diào)制中，子信道的分割是均勻的，即將整個(gè)可用頻帶均勻等分為若干個(gè)子信道，再對各個(gè)子信道的特性進(jìn)行估計(jì)、分配比特、均衡處理等，這樣分析起來比較方便。但是在某些信道中，有些頻段的幅頻衰減變化較快，而有些頻段的變化比較平坦，且在這些幅頻衰減緩慢的子信道中分配的比特?cái)?shù)都是相等的，若將某些幅頻變化不大的子信道粗分割，使子信道數(shù)減少，可以減少子帶間能量泄漏，減少失真，同時(shí)用于調(diào)制的計(jì)算復(fù)雜度也相應(yīng)的降低。在 OFDM 調(diào)制系統(tǒng)中，衡量系統(tǒng)性能的重要參數(shù)是在發(fā)送總功率給定的情況下，信道所能達(dá)到的最大傳輸能力。采用不同的子信道分割方法和比特分配方法都會(huì)影響系統(tǒng)的性能。

[1]公茂法，劉鵬.基于 CDMA 擴(kuò)頻的電力線載波通信系統(tǒng).信息科技.2006

[2]孫小東，于全，袁華廷等.OFDM 實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵技術(shù).通信電聲，2003

[3]陳長德,劉海濤，張保會(huì).OFDM 調(diào)制技術(shù)在寬帶高速電力線通信中的應(yīng)用.電力系統(tǒng)自動(dòng)化.