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標準是一個主要面向智能電網(wǎng)通信技術的全球開放性協(xié)議，該協(xié)議中引入了正交頻分復用（OFDM）技術，由于G3?PLC標準中的原基帶OFDM信號為復數(shù)信號，在接收端需要采用相干檢測技術進行解調，系統(tǒng)復雜度高。因此根據(jù)FFT原理，通過在頻域對信號進行編碼，使發(fā)送端OFDM信號實數(shù)化，從而在不影響系統(tǒng)可靠性的前提下簡化系統(tǒng)接收端的復雜度。最后通過仿真對該方法進行驗證，結果表明，無論在高斯信道還是在實際電力線載波信道中，系統(tǒng)性能均非常穩(wěn)定。

關鍵詞： 電力線載波通信； 智能電網(wǎng)； 物理層； 正交頻分復用； 幀結構； 信號編碼

中圖分類號： TN913.6?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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

電力線通信技術是利用電力線作為信號傳輸通道，采用載波方式將信號進行高速傳輸?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，電力線通信技術也備受關注。然而電力線建設初期并沒有考慮通信的要求，其信道環(huán)境惡劣，傳統(tǒng)單載波通信技術無法很好地抵御信道干擾，導致系統(tǒng)可靠性低，影響了電力線通信技術的應用與發(fā)展[4?7]。G3?PLC屬于窄帶電力線載波通信標準[8?9]，其采用正交頻分復用技術（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM），具有信息傳輸速率高、抗多徑衰落力強及頻譜資源利用率高等優(yōu)勢。同時G3?PLC采用多種糾錯編碼及魯棒方式，具有較強的抗干擾能力[10]。因此，為了實現(xiàn)電力線通信系統(tǒng)的可靠傳輸，本文對基于G3?PLC的電力線載波通信系統(tǒng)性能進行研究。

傳統(tǒng)的G3?PLC標準中已調信號采用直接映射的方式直接映射到相應的子載波位置，然后進行IFFT，所得原基帶OFDM信號為復數(shù)信號[11]，在發(fā)送端首先進行取實部處理，接收端再進行相干檢測，這樣導致系統(tǒng)復雜度高。因此，本文針對傳統(tǒng)G3?PLC標準中原基帶OFDM信號結構造成的系統(tǒng)實現(xiàn)復雜度高的缺陷，提出一種改進的G3?PLC物理層模型。該模型根據(jù)FFT變換的原理對已調信號在頻域進行相應編碼，可使發(fā)送端基帶OFDM信號實數(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)接收端的復雜度。

1 G3?PLC物理層模型

G3?PLC標準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)的總體結構如圖1所示，整個系統(tǒng)由發(fā)送和接收兩部分構成，上半部分為發(fā)送模塊鏈路，數(shù)據(jù)位、FCH位與前導位分別進行編碼，并且分部進行級聯(lián)，最終耦合到電力線上進行發(fā)送。

首先數(shù)據(jù)位經(jīng)過循環(huán)冗余糾錯模塊，再經(jīng)過擾碼處理，之后再經(jīng)過里德所羅門編碼器（RS）和維特比編碼器進行信道編碼處理。這兩者配合具有較強的糾檢錯功能，接收端進行相應譯碼操作后可以將在傳輸過程中產(chǎn)生的誤碼消除。同時，為了使誤碼隨機化，還需對編碼后的數(shù)據(jù)信息進行交織編碼處理，從而便于接收端在解交織時進行糾錯。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的必要信息，因此對FCH信息首先進行維特比編碼，再進行頻域ROBO以提高FCH傳輸?shù)目煽啃?。為了使誤碼隨機化，F(xiàn)CH同樣需要進行交織編碼，交織后的數(shù)據(jù)位與FCH位進行級聯(lián)，并且同時進行調制。G3?PLC標準可同時支持DBPSK或DQPSK調制方式，數(shù)據(jù)位可根據(jù)信道環(huán)境靈活配置調制方式，而FCH位由于其重要性，通常采用最安全的BPSK影射方式。

調制后的數(shù)據(jù)便可以進行傅里葉變換，生成原始的OFDM基帶信號，為了消除信道間干擾和碼間干擾還需進行加載循環(huán)前綴和加窗處理。前導序列的主要功能是輔助接收機進行自動增益控制、信號定時同步檢測以及信道估計等操作，在發(fā)送端，前導序列直接進行IFFT變換并進行加窗處理，最后將FCH位、數(shù)據(jù)位與前導進行級聯(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)過解調模塊將數(shù)據(jù)還原為原始數(shù)據(jù)[9]。

2 改進物理層結構

2.1 原基帶信號結構

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

G3?PLC標準中的OFDM信號通常是由IFFT產(chǎn)生的，傳統(tǒng)標準中將調制后的數(shù)據(jù)位插入到256個子載波中的第23～58位，其余位數(shù)補零，即：

經(jīng)過IFFT變換后，原始基帶OFDM信號為：

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

2.2 改進原理

任一復數(shù)序列[xn]可進行虛實分解，即：

其中，實部分量為：

虛部分量為：

亦可進行共軛對稱分解，即：

其中，圓周共軛對稱分量為：

圓周共軛反對稱分量為：

對[xrn]和[xin]分別進行DFT變換，可得：

即實部對應離散傅里葉變換的圓周共軛對稱分量，虛部對應離散傅里葉變換的圓周共軛反對稱分量。從式（10）可以看出，為了使基帶OFDM符號實數(shù)化，即需要使共軛反對稱項[Xopk]為零，對應的[Xk=][X?N-k]，即將經(jīng)過調制映射（DBPSK或者DQPSK）的[N2]個信息數(shù)據(jù)與該[N2]個信息數(shù)據(jù)的共軛倒序信息數(shù)據(jù)共同組成長度為N的具有共軛對稱特性的信息數(shù)據(jù)，再進行N點IFFT變換，即可使基帶OFDM信號實數(shù)化。

2.3 改進后信號結構

本文根據(jù)FFT變換原理，在發(fā)送端進行IFFT處理前，先對編碼后的信號執(zhí)行頻域編碼操作，即可將基帶OFDM信號實數(shù)化。取式（1）中前128個子載波信號，定義為式（11），其中[i]表示第[i]個OFDM符號：

[Xik=Xi，k， k=1～128] （11）

在頻域中，已調信號按照如下編碼方式進行排列：

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

再對該[N]個信息數(shù)據(jù)進行[N]點IFFT變換，得到的OFDM信號為實數(shù)序列如下式：

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

3 系統(tǒng)性能驗證

圖2為原G3?PLC標準中基帶信號實部與虛部信號圖。圖3為本文設計的物理層模型中基帶OFDM信號的實部與虛部信號圖。從圖中可以看出，原始基帶OFDM信號是復數(shù)形式信號，發(fā)送端發(fā)送信號前需要取其實部進行發(fā)送，接收端需要采用相干檢測方式進行解調。本文設計的物理層模型中基帶OFDM信號的虛部為零，說明其為實數(shù)信號，在接收端只需直接做FFT運算即可解調出原始信息。

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

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

為了進一步驗證本文物理層模型對信道環(huán)境的適應性，其他參數(shù)保持不變，采用電力線載波實測信道參數(shù)環(huán)境進行仿真驗證。圖5所示為不同時間測得的實際電力線信道噪聲波形，采樣間隔為[2×10-7] s。由不同時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]。從兩圖之間的對比可以看出，電力線信道噪聲還具有時變性，從而導致不同地點或者不同時刻的配電網(wǎng)噪聲情況不同。

如圖6所示，采用圖5第二時間段的實測電力線信道噪聲作為系統(tǒng)信道環(huán)境進行仿真。由仿真結果可以看出，當數(shù)據(jù)位采用DBPSK調制方式，SNR>-10.5 dB時，系統(tǒng)誤碼率趨于零；當數(shù)據(jù)位采用DQPSK調制方式，SNR>-4 dB時，系統(tǒng)誤碼率趨于零，可見系統(tǒng)性能完全沒有受到信號結構改變的影響。

4 結 論

本文在闡述了原基帶G3?PLC系統(tǒng)原理的基礎上，根據(jù)G3?PLC標準中原基帶OFDM信號結構造成系統(tǒng)實現(xiàn)復雜度高的缺陷，通過在頻域對信號進行編碼，從而設計了一種新的窄帶電力線載波通信物理層模型，并通過仿真對系統(tǒng)性能進行驗證，結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信號實數(shù)化，并且系統(tǒng)實現(xiàn)簡單，性能理想。

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