李風飛，劉光熹，胡國榮

(中國科學院微電子研究所，北京 100029)

責任編輯:薛 京

智能電網(wǎng)下的高級量測體系(Advanced Metering Infrastructure，AMI)包括智能電表、網(wǎng)絡通信、電表數(shù)據(jù)管理3個系統(tǒng)，固定的雙向通信網(wǎng)絡是其全部高級應用的基礎。我國電網(wǎng)龐大而復雜，信道環(huán)境極其惡劣，信道特性在不同頻段、不同時間、不同地點各不相同，尤其是低頻段，工頻噪聲、窄帶噪聲等干擾非常嚴重，給系統(tǒng)設計帶來了很大的挑戰(zhàn)。無線信道的動態(tài)隨機性很大，空間電磁干擾和多徑干擾嚴重。而正交頻分復用(OFDM)技術(shù)具有良好的抗多徑干擾特性，并具有很高的頻譜利用率，能夠有效對抗有線電視分配網(wǎng)中的多徑效應和耦合進入的噪聲。因此在AMI的通信中，利用OFDM技術(shù)進行調(diào)制成為一個最佳選擇［1-5］。

現(xiàn)有用于AMI的通信方式主要可以分為電力線通信和無線通信。電力線通信主要采用單載波窄帶調(diào)制技術(shù)(如FSK、BPSK、跳頻、直接序列擴頻等)或多載波調(diào)制技術(shù)［1-5］，其中單載波調(diào)制技術(shù)下數(shù)據(jù)速率大都在10 kbit/s以下，OFDM多載波調(diào)制技術(shù)下數(shù)據(jù)率每秒可以達到幾十到幾百千比特;無線通信主要采用擴頻技術(shù)［6］(如Zig-Bee)，數(shù)據(jù)速率一般為每秒幾十到幾百千比特。無線通信技術(shù)成熟，安全性好，便于移動，但全網(wǎng)改造難度大，易受障礙物阻擋，傳輸距離短;電力線通信技術(shù)利用已有的電網(wǎng)實現(xiàn)成本低，不占用已有的頻率資源，不存在穿墻問題，但靈活性相對不足。

鑒于此，本文提出一種基于OFDM技術(shù)實現(xiàn)的適用于AMI的有線無線融合的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)及方法，將有線傳輸和無線傳輸進行有機結(jié)合，以滿足AMI在復雜環(huán)境下的有效通信，實現(xiàn)系統(tǒng)與環(huán)境和信道特性相適應的傳輸方案的靈活選擇;同時，系統(tǒng)復用了絕大部分硬件資源，降低了該方案的系統(tǒng)成本。

1 AMI信道特性

1.1 無線信道

由于噪聲、多徑、干擾等諸多因素的影響，無線信道呈現(xiàn)為時變、衰減、頻率選擇等特性。關(guān)于無線信道特性和無線信道建模［7］的相關(guān)研究十分廣泛，成果輩出。典型的如用于描述平坦小尺度衰落的Clarke模型、用于MMSD頻段的SUI信道模型等。

1.2 電力線信道

國內(nèi)窄帶電力線通信可用頻段為3～500 kHz，此頻段的電力線信道環(huán)境復雜多變，很多特性與無線信道相似，如衰落、多徑、時變、多噪聲等特性。電力線信道的特性主要分為傳輸特性和噪聲特性［8-10］，其中傳輸特性包括衰減特性、多徑特性和時變特性;噪聲特性主要包括有色背景噪聲、窄帶噪聲、工頻異步脈沖噪聲、工頻同步脈沖噪聲和突發(fā)脈沖噪聲［11］。

圖1是實測的一組信道噪聲數(shù)據(jù)，其中圖1a為信道噪聲的時域波形，圖1b為信道噪聲的功率譜。在圖1a中，可以明顯地看到50 Hz的工頻噪聲。由圖1b可見，低頻段(150 kHz以下)電力線信道背景噪聲功率很高、變化很快(相差約30 dB)，且窄帶噪聲干擾嚴重;高頻段(150～500 kHz)電力線信道噪聲平坦且基底噪聲較小。

圖1 實測電力線信道噪聲波形

通過對電力線信道和無線信道特性及可行性的研究和分析，無線傳輸模式下，系統(tǒng)采用470～510 MHz的免費無線信道進行數(shù)據(jù)傳輸，帶寬為187.5 kHz(無線電管理委員會要求不超過200 kHz);電力線傳輸模式下，系統(tǒng)采用電力線通信專用頻段3～500 kHz，選用其中的187.5 kHz(160.156～347.656 kHz)，這主要是考慮到低頻段噪聲強且變化快，而高頻段噪聲小且平坦。

2 系統(tǒng)設計

本文針對AMI需要和現(xiàn)有系統(tǒng)的不足，通過對電力線信道和無線信道的研究，提出了一種適用于AMI的有線無線融合的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)及方法。該系統(tǒng)基于OFDM技術(shù)實現(xiàn)，分為無線傳輸模式和電力線傳輸模式。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括:前向糾錯編碼模塊，用于對待發(fā)送的數(shù)據(jù)進行加擾和RS編碼處理，并將RS編碼處理后的數(shù)據(jù)與幀控制頭獨立地進行卷積編碼、交織和重復編碼，然后輸出給調(diào)制模塊;調(diào)制模塊，用于根據(jù)所選調(diào)制模式對前向糾錯編碼模塊輸入的重復編碼后的數(shù)據(jù)進行映射、插入導頻、IFFT、插入循環(huán)前綴、插入前導、加窗和重疊處理，形成基帶物理幀，并根據(jù)傳輸模式的設置選擇是否進行上變頻，然后輸出給模擬前端發(fā)送模塊;模擬前端發(fā)送模塊，用于根據(jù)傳輸方式的設置選擇采用電力線模擬前端或射頻模擬前端發(fā)送調(diào)制部分輸出的數(shù)據(jù)。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 物理幀格式

幀結(jié)構(gòu)如圖3所示，由9.5個前導(Preamble)符號、若干個幀控制頭(Frame Control Header，F(xiàn)CH)符號和若干數(shù)據(jù)符號組成。前導由8個P+符號和1.5個P-符號組成，每個P+符號和P-符號均由128個樣點組成。P+符號用于自動增益控制(AGC)的自適應調(diào)整、符號同步、頻率同步、信道估計和初始參考相位估計;P-符號由P+符號相移π得到，它可以用來完成幀同步。P+符號是一個Chirp序列。

圖3 物理幀結(jié)構(gòu)

2.2 前向糾錯編碼

前向糾錯模塊主要包括加擾、RS編碼、卷積編碼、交織和重復編碼，其中RS碼作為外碼，卷積碼和重復碼作為內(nèi)碼。

擾碼的產(chǎn)生基于隨機的PN序列，PN序列的生成多項式為:S(x)=x7⊕x4⊕1;加擾之后的數(shù)據(jù)采用GF(28)中的截短RS(N，K)進行編碼，其中N取8～255的整數(shù)，K=N－8;RS編碼處理后的數(shù)據(jù)與幀控制頭獨立地進行卷積編碼和重復編碼。其中卷積碼的碼率為1/2，約束長度k=7，生成多項式分別為:G1=171oct，G2=133oct。幀控制頭在穩(wěn)健模式下采用8次重復編碼，在其他模式下采用4次重復編碼;數(shù)據(jù)僅在穩(wěn)健模式下采用重復編碼(根據(jù)信道質(zhì)量選擇重復0，2，4或8次)。

2.3 調(diào)制

調(diào)制部分主要包括映射、插入導頻、IFFT、插入循環(huán)前綴、插入前導、加窗和重疊處理，最后形成基帶物理幀。

系統(tǒng)在任一種傳輸模式下均有3種調(diào)制方式:穩(wěn)健模式、DBPSK模式和DQPSK模式。其中穩(wěn)健模式是專門針對電力線信道和無線信道惡劣多變而設計的，可以根據(jù)信道質(zhì)量的惡劣程度自適應地選擇重復編碼的次數(shù)(2，4或8)。這樣的模式設置，旨在不同信道特性下自適應地選擇最佳的調(diào)制方式(根據(jù)信噪比選擇)，實現(xiàn)系統(tǒng)速率和穩(wěn)定性之間的折中，在穩(wěn)定可靠的前提下實現(xiàn)盡可能高的數(shù)據(jù)傳輸速率。

根據(jù)所選調(diào)制模式，進行數(shù)據(jù)映射并插入導頻，子載波映射如圖4所示。128個子載波被分為數(shù)據(jù)子載波、導頻子載波和虛擬子載波3部分，其中8個導頻(子載波序號6，8，30，42，86，98，110，122)、88 個數(shù)據(jù)子載波、32 個虛擬子載波(子載波序號0，49～79)。時域數(shù)據(jù)采樣頻率250 kHz，占用帶寬187.5 kHz，子載波間隔1.953125 kHz。

圖4 子載波映射

導頻的引入是為了對抗無線信道的頻率偏移，實現(xiàn)對頻偏的捕獲跟蹤。導頻數(shù)據(jù)為一組偽隨機二進制序列，始終采用BPSK調(diào)制。

插入導頻后的頻域數(shù)據(jù)變換到時域，通過128點的IFFT變換后，形成時域符號，其中IFFT的輸入為:1～48和80～127子載波輸入有效數(shù)據(jù)，其他子載波輸入為0。然后經(jīng)過加窗和重疊處理，形成物理層發(fā)送幀。

2.4 模擬前端

模擬前端分為電力線模擬前端和射頻模擬前端，分別用在電力線傳輸模式和無線傳輸模式下，用來發(fā)送調(diào)制部分輸出的數(shù)據(jù)。電力線模擬前端包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器、低通濾波器和發(fā)送驅(qū)動器;射頻模擬前端包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器、低通濾波器、發(fā)送驅(qū)動器和混頻器。其中數(shù)模轉(zhuǎn)換器、低通濾波器和發(fā)送驅(qū)動器均可復用，低通濾波器和發(fā)送驅(qū)動器均設計為參數(shù)可配置。

3 系統(tǒng)仿真

筆者對該系統(tǒng)進行了系統(tǒng)仿真，系統(tǒng)仿真參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)參數(shù)設置

表2所示為不同模式下的有效數(shù)據(jù)傳輸速率，其中穩(wěn)健模式1～3分別表示數(shù)據(jù)部分重復編碼時重復2，4，8次。在穩(wěn)健模式3時，系統(tǒng)碼率可達8.5493 kbit/s;在D8PSK模式時，系統(tǒng)碼率可達104.82 kbit/s。

表2 系統(tǒng)碼率統(tǒng)計表

圖5所示為發(fā)射端基帶信號頻譜，即電力線發(fā)送信號頻譜。若選用無線發(fā)送，將該信號上變頻至無線模式所選頻段即可?？梢娤到y(tǒng)在采用同一套基帶處理部分的情況下，實現(xiàn)了電力線傳輸和無線傳輸?shù)撵`活選擇，完成了可用于AMI的有線無線融合傳輸系統(tǒng)。

圖5 發(fā)射端基帶信號頻譜

表3為本文方案與現(xiàn)有方案的對比分析。從傳輸效率來看，PRIME的最高碼率和子載波碼率均最大，編碼速率本文最高。從編碼方案來看，由于引入了RS和重復編碼，G3-PLC和本文的性能優(yōu)于PRIME，但有效碼率有所降低。從調(diào)制方式來看，G3-PLC和本文采用的穩(wěn)健模式(ROBO)增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，PRIME和本文采用的D8PSK調(diào)制提高了系統(tǒng)的最高碼率。從系統(tǒng)資源和適用范圍來看，本文額外增加了無線發(fā)射部分，突破了PLC的限制，使系統(tǒng)更具有靈活性。

表3 方案比較

4 結(jié)論

本文提出了一種適用于AMI的有線無線融合的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)及方法，將有線技術(shù)和無線技術(shù)融合在一起實現(xiàn)，增強了系統(tǒng)適應性，可以根據(jù)環(huán)境需要和信道特性，配置為無線傳輸模式或有線傳輸模式，實現(xiàn)了與環(huán)境和信道特性相適應的傳輸方案的靈活選擇。該系統(tǒng)基于OFDM技術(shù)實現(xiàn)，增強了系統(tǒng)的抗干擾性能，提高了數(shù)據(jù)傳輸率，最高可達104.82 kbit/s。系統(tǒng)的多模式設計，雖然額外增加無線RF發(fā)送模塊硬件開銷，但為系統(tǒng)的穩(wěn)健性和高速率之間提供了折中選擇方案，使系統(tǒng)在可靠穩(wěn)定的前提下盡可能高地傳輸速率。通過有線、無線的基帶復用，簡化設計，節(jié)約成本，有利于提高市場效益。

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