梁丹丹吳 浩貴州電網(wǎng)公司貴陽供電局，煙臺東方威思頓電氣股份有限公司

寬帶電力載波信號性能淺析

梁丹丹1吳 浩2
貴州電網(wǎng)公司貴陽供電局，煙臺東方威思頓電氣股份有限公司

梁丹丹（1979-）女，漢族，貴州貴陽人，上海電力學(xué)院工學(xué)學(xué)士，現(xiàn)從事計量信息自動化管理工作。曾獲全國電力行業(yè)信息化成果二等獎一項，三等獎五項，優(yōu)秀獎一項。

隨著智能電網(wǎng)在配用電環(huán)節(jié)的建設(shè)與推進，智能用電信息采集系統(tǒng)成為實現(xiàn)智能電網(wǎng)“信息化、自動化、互動化”的重要技術(shù)支撐和關(guān)鍵載體。為真正實現(xiàn)電力能源供應(yīng)者與電力能源使用者的互動交流，需要構(gòu)建高速、實時的通信網(wǎng)絡(luò)。此外，在配電網(wǎng)終端，越來越多的電力用戶開始接受并使用以智能交互終端和智能家用插座為核心構(gòu)建的智能家居網(wǎng)絡(luò)，通過該網(wǎng)絡(luò)，可以輕松實現(xiàn)家電控制、高清音視頻服務(wù)、能耗監(jiān)測管理等功能。這一切，都需要有高速、靈活的通信技術(shù)作為支撐。

為了實現(xiàn)高速通信，正交頻分復(fù)用調(diào)制技術(shù)（OFDM：Orthogonal Frequency Division Multiplexing） 被 廣 泛用于高速電力載波技術(shù)規(guī)范中，如：Maxim Integrated Products（美信公司）發(fā)布的G3-PLC協(xié)議、家庭插電聯(lián)盟（HomePlug Powerline Alliance）提出的 HomePlug 1.0和HomePlug AV以及電力線智能電表進化聯(lián)盟（PRIME ALLIANCE-PoweRline Intelligent Metering Evolution）提出的PRIME協(xié)議。

本文首先對OFDM技術(shù)進行簡略介紹，然后針對基于OFDM技術(shù)的寬帶協(xié)議進行對比分析，最后通過仿真實驗驗證不同協(xié)議的優(yōu)缺點。

OFDM 技術(shù)

正交頻分復(fù)用技術(shù)在20世紀60年代就已經(jīng)提出，但是由于受到模擬濾波器技術(shù)的限制，該技術(shù)一直難以實現(xiàn)，直到 20世紀70年代， 離散快速傅里葉變換的實現(xiàn)才為OFDM的實用化奠定了基礎(chǔ)。OFDM目前己經(jīng)廣泛應(yīng)用于無線通信領(lǐng)域，包括日常生活中的無線局域網(wǎng)、數(shù)字廣播電視和3G移動通信。由于OFDM技術(shù)有諸多優(yōu)勢，所以人們已經(jīng)將OFDM的這些優(yōu)點與各自的研究領(lǐng)域結(jié)合了起來，其中也包括了我們關(guān)心的電力線通信領(lǐng)域。

OFDM的主要思想是將傳輸信道（電力信道）的可用頻段范圍分成若干正交子信道，然后將需要傳輸?shù)母咚贁?shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流信號，調(diào)制到在每個子信道上進行傳輸。在實際使用中，可以通過在接收端利用相關(guān)技術(shù)對接收的信號進行分離，這樣可以有效減少子信道之間的相互干擾 。

OFDM是一種多載波傳輸技術(shù)，一個OFDM符號內(nèi)包含多個經(jīng)過調(diào)制的子載波。假設(shè)N 表示子信道的個數(shù)，T 表示 OFDM 符號的持續(xù)時間，即符號周期，d（i i=0，1，...， N-1）為分配給每個子信道的數(shù)據(jù)符號，fc為第 0 個子載波的載波頻率，fi 為第 i 個子載波的載波頻率，有fi=fc+i/T，rect（t）=1，，則從t = ts開始的 OFDM 符號可以表示為：

圖1 OFDM基本原理框圖

由圖1可知，傳輸時，將需要傳輸?shù)男畔⒈忍鬲毩⒎峙涞礁鱾€子載波上， 各子載波的幅度和相位由調(diào)制模式（如BPSK、16QAM、64QAM等）決定，調(diào)制后的等效OFDM的輸出信號如公式2所示：

寬帶通信協(xié)議

基于OFDM技術(shù)，家庭插電聯(lián)盟（Homeplug powerline Alliance）提出了以Homeplug GP（HomePlug Green PHY）和Homeplug AV（Homeplug Audio and Video）為代表的高速電力載波傳輸方案［6-7］。該方案以電力線信道為信號傳輸通道，使用能夠抵抗電網(wǎng)噪聲和多徑衰落的正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM：Orthogonal Frequency Division Multiplexing）做為信號調(diào)制、解調(diào)方式，并輔以功率、比特的自適應(yīng)分配算法，實現(xiàn)了信號的高速、穩(wěn)定傳輸。

Homeplug GP標(biāo)準和Homeplug AV標(biāo)準均適用于以頻段2～30MHz為信號載頻的寬帶電力線載波通信系統(tǒng)。Homeplug AV標(biāo)準是IEEE 1901電力標(biāo)準的基本技術(shù)，其信號子載波采用自適應(yīng)調(diào)制方式，信號最大速率可達200 Mbps，而Homeplug GP標(biāo)準是一種小成本、低功耗的通信規(guī)約，信號最大速率為10Mbps。Homeplug GP標(biāo)準和Homeplug AV標(biāo)準在電力線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議方面具備互相操作的能力，即Homeplug GP標(biāo)準向上兼容Homeplug AV標(biāo)準，而Homeplug AV標(biāo)準則向下支持Homeplug GP標(biāo)準。二者都具備物理層（PHY層）和控制層（MAC層），區(qū)別主要體現(xiàn)在通信鏈路層，其對比分析如下。

PHY層對比分析

Homeplug AV標(biāo)準和Homeplug GP標(biāo)準的PHY層的最大區(qū)別就是數(shù)據(jù)傳輸速率。在PHY層，Homeplug AV標(biāo)準可實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸速率達到200Mbps，而Homeplug GP標(biāo)準僅可實現(xiàn)10Mbps，速率差值巨大主要是因為：

1）Homeplug GP標(biāo)準限制了OFDM子載波調(diào)制方式，只采用QPSK作為載波比特的調(diào)制方式，由此導(dǎo)致單位碼元周期內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量有限，而Homeplug AV標(biāo)準具有BPSK、QPSK、64QAM和256QAM等多種調(diào)制方式，可針對低壓電力線時變的信道特性選擇不同的比特調(diào)制方法，結(jié)合信道容量最大化算法使得載波信號速率達到最大。

2）Homeplug GP標(biāo)準限制了數(shù)據(jù)速率的魯棒模式，從而消除了自適應(yīng)比特加載的管控基調(diào)，而Homeplug AV標(biāo)準具有20～200 Mbps的自適應(yīng)比特加載控制機制，使得子載波能夠自動偵聽信道增益，根據(jù)信道特性的優(yōu)劣程度自適應(yīng)選擇子載波比特的加載模式。

MAC層對比分析

Homeplug AV標(biāo)準和Homeplug GP標(biāo)準的MAC層均具有集中性，但就信道訪問方式而言，Homeplug AV標(biāo)準的MAC層更具靈活性，它的1155個子載波可通過系統(tǒng)預(yù)設(shè)的信道估計模型來反饋信道的實時狀態(tài)，從而制定信號調(diào)制解調(diào)、編碼解碼和前向糾錯等方式，而在Homeplug GP標(biāo)準的MAC層，為了節(jié)省子載波對信道偵聽的比特開銷，降低子載波比特加載的發(fā)射功率和硬件資源開銷，省略了系統(tǒng)預(yù)設(shè)的信道估計反饋映射功能。

從PHY層和MAC層的性能對比分析可以看出，Homeplug AV標(biāo)準和Homeplug GP標(biāo)準各有優(yōu)劣?？偟膩碚f，Homeplug AV標(biāo)準可實現(xiàn)的數(shù)據(jù)速率較高，但應(yīng)用在電力線通信設(shè)備中時，會導(dǎo)致設(shè)備能耗較大、工作溫升較高；Homeplug GP標(biāo)準雖然可實現(xiàn)的數(shù)據(jù)速率較慢，但能耗低、工作狀態(tài)穩(wěn)定，且它采用魯棒模式傳輸數(shù)據(jù)，能夠進一步加強家庭局域網(wǎng)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋力。在超高速（例如家庭影院在線觀看、高清電視等領(lǐng)域）應(yīng)用場景下，可以選擇Homeplug AV標(biāo)準作為電力線通信設(shè)備的技術(shù)規(guī)范。而對于某些對QoS等級要求略低、限定功率消耗門閥的電力線通信終端，可以采用Homeplug GP標(biāo)準（如智能家居生活系統(tǒng)、智能用電信息采集系統(tǒng)、充電樁計量等領(lǐng)域）。

通信調(diào)制方式性能對比分析

由表1可知，Homeplug AV標(biāo)準使用的信號調(diào)制方式較多，而Homeplug GP標(biāo)準僅使用QPSK一種調(diào)制方式，下面就BPSK、QPSK、M-QAM（M取16為例）的性能、誤碼率及能量利用率展開對比分析。

QPSK與BPSK、16QAM的性能對比

BPSK調(diào)制方式具有設(shè)備簡單、抗干擾能力強以及對衰落信道和非線性信道適應(yīng)力好等優(yōu)點，但是頻譜利用率很低。QPSK調(diào)制方式的抗干擾能力、信道適應(yīng)性與BPSK相近，而頻譜利用率是BPSK的兩倍，僅稍微增加了設(shè)備運算復(fù)雜度。16QAM調(diào)制方式的頻譜利用率較高，設(shè)備相對簡單，但是該方式對于信道的線性、幅相畸變和頻率選擇性衰落非常敏感，必須在采用信道均衡和線性優(yōu)化措施的情況下使用。

QPSK與BPSK、16QAM的誤碼率對比

由文獻可知，BPSK信號誤碼率是：

QPSK信號解調(diào)誤碼率是：

16QAM信號的誤碼率是：

其中，r為輸入信號的信噪比。

在Matlab上分別對BPSK、QPSK和16QAM的誤碼率性能進行仿真調(diào)試，得到的結(jié)果分別如圖2，3，4所示。

圖2 BPSK誤碼率仿真

圖3 QPSK誤碼率仿真

圖4 16QAM誤碼率仿真

由圖4可以看出，QPSK信號和16QAM信號的誤碼率仿真結(jié)果與其各自的理論曲線基本保持一致，但是BPSK信號的誤碼率仿真結(jié)果卻與理論曲線差距較大。從頻帶的利用率來看，在相同的數(shù)據(jù)傳輸速率下，QPSK信號的碼長是BPSK信號碼長的兩倍，因此QPSK信號的頻帶是BPSK信號頻帶的二分之一。同樣的，根據(jù)b=log2M可知，16QAM信號在單位符號周期內(nèi)傳輸?shù)谋忍財?shù)是QPSK信號的4倍，那么16QAM信號的頻帶僅為QPSK信號頻帶的四分之一。

將BPSK、QPSK和16QAM等信號調(diào)制方式應(yīng)用到通信系統(tǒng)中時，應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)可承載的信道容量、時變的信道增益和噪聲干擾等級。為了提高系統(tǒng)運作性能，建立高速、實時、可靠的通信鏈路，需要適當(dāng)?shù)匾胱赃m應(yīng)功率比特分配算法、信號功率裕量最大化算法等資源優(yōu)化策略，以期取得滿意的運行效果。

綜合分析以上幾點內(nèi)容，聯(lián)系Homeplug AV標(biāo)準的技術(shù)內(nèi)容展現(xiàn)，可知該技術(shù)能夠取得較高的系統(tǒng)容量，在匯聚信息流和充當(dāng)局域網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)的作用上可以嶄露頭角，但是該技術(shù)由于使用多種調(diào)制方式，在面對惡劣的通信信道特性時，其抗環(huán)境衰減能力欠佳，不適合遠距離通信，可以應(yīng)用于住宅內(nèi)部，如電力貓產(chǎn)品。而對于Homeplug GP標(biāo)準，它約束了單位載波信號所承載的數(shù)據(jù)比特，降低了硬件開銷和設(shè)備功耗，在不失高速性能的前提下，可以優(yōu)質(zhì)、高效地完成小容量數(shù)據(jù)流的傳輸，比如智能家居生活系統(tǒng)內(nèi)部的設(shè)備狀態(tài)信息、上位機控制命令，智能用電信息采集系統(tǒng)內(nèi)智能電表的當(dāng)前正向有功電能數(shù)據(jù)等。若將Homeplug AV標(biāo)準與Homeplug GP標(biāo)準進行有機結(jié)合，分別應(yīng)用在智能信息路由網(wǎng)關(guān)和智能信息采集節(jié)點上，可有力助推智能家居產(chǎn)業(yè)、低壓電力集抄系統(tǒng)的迅猛發(fā)展。

小結(jié)

本文介紹了家庭插電聯(lián)盟，分析了該聯(lián)盟立足于低壓寬帶電力線載波通信技術(shù)的Homeplug AV標(biāo)準和Homeplug GP標(biāo)準的PHY層、MAC層性能，并就BPSK、QPSK 和16QAM信號的性能、誤碼率以及能量效率進行了對比分析，給出了Homeplug AV標(biāo)準與Homeplug GP標(biāo)準的應(yīng)用領(lǐng)域建議。隨著低壓電力線載波通信技術(shù)的發(fā)展，Homeplug標(biāo)準將給智慧生活、能源管理、多網(wǎng)融合等領(lǐng)域帶來新的應(yīng)用前景。