基于分子帶電力線載波速率最大化算法

梁丹丹， 董天強(qiáng)， 陳 波， 林曉慶

(貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司貴陽供電局，貴陽 550001)

基于分子帶電力線載波速率最大化算法

梁丹丹， 董天強(qiáng)， 陳 波， 林曉慶

(貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司貴陽供電局，貴陽 550001)

在Q/GDW 1379.4-2013通信單元檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)范對(duì)載波通信單元功率消耗的限定要求下，為了有效提高低壓電力集抄臺(tái)區(qū)電能信息的采集速率，建設(shè)高速實(shí)時(shí)、雙向智能的用電信息采集系統(tǒng)，提出了一種基于分子帶的電力線載波速率最大化算法。以帶寬2～30 MHz為信號(hào)載頻，結(jié)合Homeplug AV規(guī)約下的子載波自適應(yīng)調(diào)制方式，將相鄰子載波進(jìn)行邏輯分組為子帶，以中值信噪比門限算法為基礎(chǔ)，融入貪婪功率分配機(jī)制，合理分配分子帶比特?cái)?shù)，得到了最大化載波速率。仿真結(jié)果表明：較傳統(tǒng)的信噪比門限算法和Homeplug AV自適應(yīng)比特分配算法，提出的算法具有更高的載波速率，而相比于傳統(tǒng)貪婪算法，雖達(dá)到的載波速率略低，卻極大地降低了計(jì)算復(fù)雜度和硬件開銷。

功率消耗； 電力集抄； 分子帶； 自適應(yīng)調(diào)制； 信噪比門限

0 引 言

近年來，強(qiáng)調(diào)電力用戶參與需方響應(yīng)的“智能用電”[1]成為了我國堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)[2]建設(shè)的研究熱點(diǎn)，智能計(jì)量與集抄系統(tǒng)，作為“智能用電”重要的組成部分，肩負(fù)著我國電網(wǎng)千家萬戶居民用電信息的采集與分析任務(wù)，是社會(huì)公眾感知電網(wǎng)智能化服務(wù)的關(guān)鍵所在。自2009年以來，根據(jù)國家電網(wǎng)公司的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，智能計(jì)量與集抄系統(tǒng)在國內(nèi)供配電臺(tái)區(qū)得到了大規(guī)模的建設(shè)與覆蓋，以電力線載波(PLC)技術(shù)為主干網(wǎng)的遠(yuǎn)程自動(dòng)化集抄方式實(shí)現(xiàn)了電能數(shù)據(jù)的采集、匯聚、存儲(chǔ)和傳輸。然而，國內(nèi)廣泛覆蓋的窄帶電力線載波集抄方案僅能給智能計(jì)量與集抄系統(tǒng)帶來150～2 400 bit的信息傳輸速率，難以滿足智能用電系統(tǒng)海量電能信息流[3-4]的實(shí)時(shí)分析、管理與處理需求。因此，制定高速、雙向、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的自動(dòng)化集抄策略，是實(shí)現(xiàn)電力用戶與電網(wǎng)供配電業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)互動(dòng)的關(guān)鍵所在。

Homeplug Alliance是立足于提供電力線規(guī)范和接口的商業(yè)聯(lián)盟，針對(duì)窄帶電力線載波技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸速率慢、組網(wǎng)時(shí)效性低、抗干擾能力差等缺點(diǎn)，結(jié)合智能電網(wǎng)要求的低能耗、低成本的解決方法，制定了以2～30 MHz為載頻的Homeplug AV集抄方案。Homeplug AV規(guī)約采用正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDM)，最先投用于家庭電力線寬帶的接入和高速音視頻信息的共享，其物理層支持最大可達(dá)200 Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，將Homeplug AV技術(shù)應(yīng)用于低壓電力集抄系統(tǒng)內(nèi)的電能信息匯聚設(shè)備，如集中器，可大幅縮短終端電能表的組網(wǎng)、抄表時(shí)間，提高通信單元的抗電網(wǎng)噪聲、抗衰減干擾的能力。國家電網(wǎng)公司的《Q/GDW 1379.4-2013通信單元檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)范》中明確規(guī)定了集中器本地通信單元的動(dòng)態(tài)功耗要小于6 W，而現(xiàn)有的Homeplug AV集抄產(chǎn)品的實(shí)際功耗普遍超標(biāo)，通信單元工作溫升值大于25 K。其原因主要緣于通信單元調(diào)制解調(diào)芯片的比特、功率分配方式欠佳。在已有文獻(xiàn)的電力線載波通信比特與功率分配算法中，以注水法及其改進(jìn)算法[5-11]居多，其分配方式可使子載波速率為任意實(shí)數(shù)，對(duì)信道輸入總功率和子載波功率裕量進(jìn)行了貪婪式的利用，得到了較為虛高的系統(tǒng)吞吐量，并且算法會(huì)根據(jù)當(dāng)前子信道的增益情況來對(duì)各個(gè)子載波的信息進(jìn)行逐一的自適應(yīng)編碼、調(diào)制，因而會(huì)傳遞大量的信令和信道反饋信息，無形之中降低了頻譜利用率。實(shí)際上，當(dāng)子載波速率為非整數(shù)時(shí)，OFDM系統(tǒng)及浮點(diǎn)DSP處理器實(shí)現(xiàn)起來就已非常困難，且會(huì)占據(jù)大量硬件開銷。若對(duì)OFDM子載波進(jìn)行邏輯分組，將相鄰的子載波劃分為一個(gè)子帶，以分子帶為最小單位進(jìn)行自適應(yīng)編碼、調(diào)制，并且對(duì)子載波比特加載的粒度加以限制，則比特與功率分配算法可在硬件上較易實(shí)現(xiàn)，且能有效降低功耗?；诖?，本文提出了一種基于分子帶的電力線載波速率最大化算法，該算法以中值信噪比門限算法為基準(zhǔn)，合理控制子載波比特加載的粒度，對(duì)分子帶功率裕量進(jìn)行貪婪分配，得到最大化的載波速率，以提升低壓電力集抄效率，滿足智能用電系統(tǒng)的建設(shè)需求。

1 載波信號(hào)功率優(yōu)化準(zhǔn)則

按照《Q/GDW 1379.4-2013通信單元檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)范》及文獻(xiàn)[12]中提到的測試方法，對(duì)某Homeplug AV集抄產(chǎn)品的信號(hào)功率進(jìn)行了檢測，在頻譜分析儀上得到的圖形如圖1所示。

圖1 Homeplug AV集抄產(chǎn)品的信號(hào)功率檢測

從圖1可以看出，該Homeplug AV集抄產(chǎn)品的工作頻段為1.8～28 MHz，滿足低壓寬帶電力線載波技術(shù)要求。在頻率9.13 MHz處，載波信號(hào)功率達(dá)到最大，為14.78 dBm?？紤]到測試儀器誤差、通信單元硬件電路板上電容、電感對(duì)載波信號(hào)的吸收、衰減以及耦合器件產(chǎn)生的耦合衰減作用，粗略估算載波信號(hào)功率的初始值為20 dBm，該功率即通信單元對(duì)電力線信道的輸入總功率。假設(shè)低壓電力線OFDM系統(tǒng)的信道估計(jì)準(zhǔn)確，反饋誤差和信令延遲均可忽略，各子載波上的誤碼率BER(i)與其分配的功率εi、比特?cái)?shù)bi和信噪比gi有關(guān)，記作BER(i)=y(εi,bi,gi)，gi為發(fā)射功率為單位1時(shí)的信噪比值。設(shè)信道輸入總功率Etotal=20 dBm，則各子載波所得功率需滿足:

(1)

式中,εi>0。

2 電力線載波分子帶劃分算法

在充滿電力諧波、用電設(shè)備噪聲、多徑衰落、阻抗不匹配的低壓電力線信道中，無論采用什么樣的調(diào)制方式、編碼方法，數(shù)據(jù)的傳輸速率總會(huì)低于理論的信道容量。考慮電力線信道中存在的影響因子，設(shè)定在第i個(gè)子載波上傳輸?shù)谋忍厮俾蔮i與信噪比gi之間的關(guān)系為

(2)

其中:Γ為信噪比差額。

載波速率最大化，即在總發(fā)射功率Etotal一定的條件下，通過在多個(gè)子信道間合理分配比特?cái)?shù)和傳輸功率來使整個(gè)信道的傳輸速率最大，也即使得

(3)

最大化。

(4)

設(shè)H′(i)為第i個(gè)子載波的頻率響應(yīng)估計(jì)值，g′(i)為其信噪比估值,則子載波i的信道估計(jì)誤差為

(5)

由劃分子帶引入的信噪比誤差

(6)

子載波i在劃分的分子帶s內(nèi)，其實(shí)際的信噪比誤差為

(7)

要使子載波分組帶來的系統(tǒng)頻譜利用率的損失最小，需滿足

(8)

分子帶劃分算法的實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。

圖2 分子帶劃分算法的實(shí)現(xiàn)流程

3 速率最大化算法

(2) 根據(jù)分子帶劃分算法得到分子帶數(shù)S的值。

(3) 對(duì)基于Homeplug AV規(guī)范的OFDM自適應(yīng)調(diào)試方式下的系統(tǒng)誤碼率BER進(jìn)行仿真，根據(jù)目標(biāo)BER來確定各調(diào)制方案對(duì)應(yīng)的信噪比門限θj。

(9)

式中,θA為分子帶s最終采用的調(diào)制方式所對(duì)應(yīng)的信噪比門限值。

(5) 計(jì)算各載波分子帶的功率裕量

(10)

以及總的功率裕量

(11)

若Ψ>0，表示存在功率裕量，找到ηs>0的子帶群中對(duì)應(yīng)信噪比差值ds最大的分子帶，使該分子帶內(nèi)載波信號(hào)的調(diào)制方式向上升一級(jí)(如QPSK→16QAM)，返回(5)至Ψ≤0；若Ψ=0，表示無功率裕量，不進(jìn)行功率、比特分配方式的調(diào)整；若Ψ<0，表示當(dāng)前分子帶的功率分配方式超前，將有部分分子帶缺乏發(fā)射功率，此時(shí)須找到ηs<0的分子帶群中對(duì)應(yīng)信噪比差值ds最大的分子帶，使其調(diào)制方式向下降一級(jí)(如1024QAM→256QAM)，返回步驟(5)至Ψ≥0。

(6) 對(duì)載波分子帶的功率進(jìn)行調(diào)整。由式(1)可知，在某個(gè)分子帶上傳輸b個(gè)比特所需的功率εs(b)=(22b-1)/gs×Γ。定義β為低壓電力線信道上傳輸?shù)淖钚⌒畔⒃隽块g隔(粒度)，各分子帶的功率增減量:

(12)

且Δεs(b)=ηs。

(7) 貪婪分配分子帶功率裕量。對(duì)所有的載波分子帶，找出特定的分子帶φ，使得:

(13)

(14)

(9) 將式(14)代入式(3)，得到最大化的載波速率:

(15)

4 實(shí)驗(yàn)仿真分析

4.1 誤碼率分析

為驗(yàn)證所提算法的性能，選取Homeplug AV規(guī)約上關(guān)于低壓寬帶電力線載波技術(shù)的參數(shù)，如表1所示。

表1 Homeplug AV規(guī)約技術(shù)參數(shù)

設(shè)定低壓電力集抄系統(tǒng)所能容忍的誤碼率門限為BERΣ=10-4，由文獻(xiàn)[8]中提供的BPSK、QPSK和M-QAM調(diào)制方式下的誤碼率公式，仿真得到其誤碼性能曲線，如圖3所示。

圖3 Homeplug AV調(diào)制方式下的誤碼性能分析

根據(jù)圖3給出的BER曲線，可以得到在誤碼率為10-4時(shí)，各調(diào)制方式對(duì)應(yīng)的信噪比門限值，即θ0=8.5 dB，θ1=12.3 dB，θ2=12.8 dB，θ3=16.5 dB，θ4=20.6 dB，θ5=25.6 dB。

4.2 載波速率分析

由Homeplug AV調(diào)制方式在單位碼元周期內(nèi)傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)可知，粒度β=2。對(duì)本文所提算法采用蒙特卡洛法進(jìn)行計(jì)算仿真，仿真次數(shù)1 000次，得到的圖形如圖4所示。

圖4 載波速率仿真與比較

由圖4可以看出，所提算法對(duì)OFDM子載波進(jìn)行了合理的劃分、歸類，避免了大量信令的開銷與功率浪費(fèi)，提高了頻譜利用率，采用中值信噪比門限法對(duì)載波分子帶進(jìn)行動(dòng)態(tài)比特調(diào)制，有效地規(guī)避了信道增益衰減，對(duì)載波分子帶的功率裕量融入了貪婪分配機(jī)制，在信噪比為20 dB處取得了250 Mb/s的載波速率，分別是基于Homeplug AV規(guī)約和原信噪比門限算法的1.3、1.7倍。所提算法限定了原貪婪算法的最小信息增量粒度為整數(shù)，在每一次的比特分配過程中，對(duì)所需功率增量最小的分子帶分配2粒度的信息，會(huì)使得某些非整數(shù)載波比特的分子帶對(duì)信息增少補(bǔ)多，間接地造成了一定的性能損失，因此所提算法所得的載波速率較原貪婪算法低。然而，所提算法對(duì)功率裕量進(jìn)行分配時(shí)，一共需做Etotal次迭代，在迭代過程中需做2S次功率比較，算法復(fù)雜度為O(Etotal×2S)。原貪婪算法未對(duì)粒度β做整數(shù)界定，在做Etotal次迭代時(shí)，需做N×N次功率比較，算法復(fù)雜度為O(EtotalN2)。通常，分子帶取值S<

5 結(jié) 語

以“智能用電”環(huán)境下的智能計(jì)量與集抄系統(tǒng)[14]為應(yīng)用背景，結(jié)合國網(wǎng)通信單元檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)范對(duì)載波通信單元功率消耗的限定要求，提出了一種基于分子帶的電力線載波速率最大化算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，所提算法在線路衰減、噪聲干擾和輸入阻抗呈時(shí)變性的低壓電力線信道里能夠有效提高子載波傳輸速率，降低硬件開銷。在信噪比為20 dB時(shí)，載波速率可達(dá)到250 Mb/s，是智能電網(wǎng)應(yīng)用需求的2 000倍[15]。依托該傳輸速率，可使低壓電力集抄臺(tái)區(qū)的負(fù)控終端、電能表的組網(wǎng)、采集時(shí)間縮短至秒級(jí)，為電力公司營銷系統(tǒng)的業(yè)務(wù)遞推和雙向互動(dòng)[16]奠定了理論基礎(chǔ)。

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Research on Rate Maximization Algorithm Based on Sub-bands for Power Line Carrier

LIANGDandan，DONGTianqiang，CHENBo，LINXiaoqing

(Guizhou Power Grid Co., Ltd., Guiyang Power Supply Bureau, Guiyang 550001, China)

In order to develop the collection efficiency for power utilization information in low voltage power metering area, a high speed, real-time and bilateral intelligent power utilization information collection system is constructed under the demand of limitation for communication unit power consumption defined in Q/GDW 1379.4-2013 technical specification. A rate maximization algorithm based on sub-bands for power line carrier is proposed. In the algorithm, signal carrier band is 2～30 MHz. The adaptive sub-carrier modulation based on Homeplug AV statute is combined to make the neighboring sub-carriers be a unit sub-band. The greedy power allocation is assimilated into the average SNR threshold algorithm to allocate the bite on each sub-band which we set so as to acquire the maximal carrier rate. Simulation results show that the algorithm proposed owns a higher carrier rate compared to the classical SNR threshold algorithm and Homeplug AV method. Although it has weaker rate compared to the classical greedy algorithm, it cuts greatly the calculating complexity and hardware consumption.

power consumption; power metering; sub-bands; adaptive modulation; signal to noise ratio(SNR) threshold

2016-04-18

貴州省科技廳基金項(xiàng)目(黔科合LH[2014]7614);貴州電網(wǎng)科技項(xiàng)目(GZ2014-2-0006)

梁丹丹(1979-)，女，高級(jí)工程師,貴州貴陽人，現(xiàn)從事計(jì)量信息自動(dòng)化管理工作。E-mail:zk8008h@qq.com

TM 73；TN 913.6

A

1006-7167(2017)02-0136-05