林曉慶，陳 波，孫 航，張 鷙

(貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司貴陽供電局，貴州貴陽550001)

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基于Homeplug標(biāo)準(zhǔn)的寬帶電力線載波信號性能分析*

林曉慶，陳 波，孫 航，張 鷙

(貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司貴陽供電局，貴州貴陽550001)

以智能用電信息采集系統(tǒng)的建設(shè)為背景，介紹了低壓寬帶電力線載波通信技術(shù)的Homeplug AV標(biāo)準(zhǔn)和Homeplug GP標(biāo)準(zhǔn)，對比分析了二者PHY層與MAC層的差異。就OFDM子載波的調(diào)制方式BPSK、QPSK和16QAM信號的性能、誤碼率和能量效率展開了比較。仿真結(jié)果表明：Homeplug AV標(biāo)準(zhǔn)下的寬帶電力線載波技術(shù)可以獲得較高的系統(tǒng)容量，適用于局域網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)，以匯聚信息流形成堅強組網(wǎng)拓?fù)洌籋omeplug GP標(biāo)準(zhǔn)下的寬帶電力線載波技術(shù)功率消耗低、數(shù)據(jù)通信速率穩(wěn)定，適用于智能家居、低壓電力集抄和充電樁計量等領(lǐng)域。

Homeplug AV Homeplug GP 網(wǎng)關(guān) 功率消耗

0 引言

隨著智能電網(wǎng)[1-2]在配用電環(huán)節(jié)的建設(shè)推進(jìn)，智能用電信息采集系統(tǒng)是實現(xiàn)智能電網(wǎng)“信息化、自動化、互動化”的重要技術(shù)和關(guān)鍵載體，為了真正實現(xiàn)電力能源供應(yīng)者與電力能源使用者的互動交流，需要借助高速、實時的通信技術(shù)。此外，在配電網(wǎng)終端，越來越多的電力用戶開始選擇智能化的家用電器給家居生活帶來便捷，尤其以智能交互終端與家用智能插座為核心來構(gòu)建智能家居網(wǎng)絡(luò)，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，都需要以高速、靈活的通信方式為載體。

家庭插電聯(lián)盟(Homeplug powerline Alliance)是立足于提供電力線規(guī)范和接口的商業(yè)組織，針對智能電網(wǎng)用電信息采集系統(tǒng)和智能家居生活系統(tǒng)的功能需求，提出了Homeplug AV和Homeplug GP解決方案。以電力線信道[3]為信號傳輸通道，使用抗電網(wǎng)噪聲干擾和抗信號多徑衰落能力強的正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDM)為信號調(diào)制解調(diào)和功率、比特分配的主流機制，以期實現(xiàn)信號的高速、穩(wěn)定傳輸。

為了比較分析Homeplug GP和Homeplug AV方案的不同以及各自的主要應(yīng)用場景，本文選取了二者的PHY層、MAC層和信號子載波調(diào)制解調(diào)方式做淺要分析。

1 Homeplug GP標(biāo)準(zhǔn)和Homeplug AV標(biāo)準(zhǔn)

Homeplug GP標(biāo)準(zhǔn)和Homeplug AV標(biāo)準(zhǔn)均適用于以頻段2 MHz～30 MHz為信號載頻的寬帶電力線載波通信系統(tǒng)。Homeplug AV標(biāo)準(zhǔn)是IEEE 1901電力標(biāo)準(zhǔn)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(dá)200 Mbps，而Homeplug GP標(biāo)準(zhǔn)是一種小成本、低功耗的通信規(guī)約，信號最大速率為10 Mbps。Homeplug GP標(biāo)準(zhǔn)和Homeplug AV標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)向上兼容Homeplug AV標(biāo)準(zhǔn)，而Homeplug AV標(biāo)準(zhǔn)則向下支持Homeplug GP標(biāo)準(zhǔn)。它們二者都具備物理層(PHY層)和控制層(MAC層)，區(qū)別也主要體現(xiàn)在通信鏈路層，對比分析如下。

1.1 PHY層對比分析

Homeplug AV標(biāo)準(zhǔn)和Homeplug GP標(biāo)準(zhǔn)的PHY層相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 Homeplug AV和Homeplug GP的PHY層對比

指標(biāo)HomeplugAVPHY層HomeplugGPPHY層帶寬2MHz～30MHz2MHz～30MHz調(diào)制技術(shù)OFDMOFDM子載波數(shù)11551155載波間隔24.414kHz24.414kHz支持子載波調(diào)制方式BPSK/QPSK/16QAM/64QAM/256QAM/1024QAMQPSK數(shù)據(jù)前向糾錯渦輪碼,速率1/2或16/21(擊穿)渦輪碼,速率1/2支持?jǐn)?shù)據(jù)速率魯棒模式:4Mbps～10Mbps自適應(yīng)比特加載:20Mbps～200Mbps魯棒模式:4Mbps～10Mbps

由表1可知，Homeplug AV標(biāo)準(zhǔn)和Homeplug GP標(biāo)準(zhǔn)的最大區(qū)別就是數(shù)據(jù)傳輸速率，在PHY層，Homeplug AV標(biāo)準(zhǔn)可實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到200 Mbps，而Homeplug GP標(biāo)準(zhǔn)僅可實現(xiàn)10 Mbps，速率差值巨大主要是因為：

1)Homeplug GP標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)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(dá)到最大。

2)Homeplug GP標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)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。

1.2 MAC層對比分析

Homeplug AV標(biāo)準(zhǔn)和Homeplug GP標(biāo)準(zhǔn)的MAC層對比如表2所示。

表2 Homeplug AV和Homeplug GP的MAC層對比

MAC層HomeplugAVHomeplugGP信道訪問方式CSMA/CA和選擇性TDMA僅僅是CSMA/CA集中性是是信道估計每個子載波通過預(yù)先確定的tonemaps自適應(yīng)調(diào)制比特流魯棒正交頻分復(fù)用方式清除預(yù)先確定的tonemaps帶寬共享N/A魯棒正交頻分復(fù)用方式清除預(yù)先確定的tonemaps

從表2可以看出，Homeplug AV標(biāo)準(zhǔn)和Homeplug GP標(biāo)準(zhǔn)的MAC層均具有集中性，但就信道訪問方式而言，Homeplug AV標(biāo)準(zhǔn)的MAC層更具靈活性，它的1 155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)[4]，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(zhǔn)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[5]。

從PHY層和MAC層的性能對比分析可以看出，Homeplug AV標(biāo)準(zhǔn)和Homeplug GP標(biāo)準(zhǔn)各有優(yōu)劣。總的來說，Homeplug AV標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)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)[6]，能夠進(jìn)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(zhǔn)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(zhǔn)(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)。

2 通信調(diào)制方式性能對比分析

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

2.1 QPSK與BPSK、16QAM信號的性能對比 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[7]。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[8]。

2.2 QPSK與BPSK、16QAM信號的誤碼率對比由文獻(xiàn)[5]可知，BPSK信號誤碼率是：

(1)

QPSK信號解調(diào)誤碼率是：

(2)

16QAM信號的誤碼率是

(3)

其中，r為輸入信號的信噪比。

在Matlab上分別對BPSK信號、QPSK信號和16QAM信號的誤碼率性能進(jìn)行仿真調(diào)試，得到的結(jié)果分別如圖1(a)、圖1(b)和圖1(c)所示。

圖1 BPSK、QPSK和16QAM信號的誤碼率曲線

由圖1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[9]等資源優(yōu)化策略，以期取得滿意的運行效果。

2.3QPSK與BPSK、16QAM信號的能量效率對比

信號的能量效率即每比特信號發(fā)射時所消耗的能量。

(1)BPSK信號的能量效率

基于M-PAM數(shù)字基帶信號對載波相位的調(diào)制可得到M進(jìn)制的相移鍵控(M-PSK)調(diào)制信號，如式(4)所示：

(4)

每一個M-PSK信號的能量如式(5)所示：

(5)

因為一個BPSK信號僅承載著一個單位的數(shù)據(jù)比特，所以BPSK信號的能量效率是EBPSK=Eg/2。

(2)QPSK信號的能量效率

對于一個QPSK信號，它承載2個單位的數(shù)據(jù)比特，由此可知QPSK信號的能量效率如式(6)所示：

(6)

(3)16QAM信號的能量效率

兩個相互孤立的載波進(jìn)行正交運算，經(jīng)過多電平幅度序列的調(diào)制、疊加便得到16QAM信號，信號如式(7)所示：

si(t)=aicgT(t)cosωct-aisgT(t)sinωct

i=1，2，3，…，16；0≤t≤Ts

(7)

16QAM信號在時間Ts內(nèi)的平均能量如式(8)所示：

(8)

從以上關(guān)于信號能量效應(yīng)的分析比較可以看出，隨著調(diào)制階數(shù)M的增大，信號的能量效率也得到相應(yīng)提高。能量效率越高，每載波比特所消耗的能量凈值也就越少，但是提高了對應(yīng)的信號接收機和信號發(fā)射機的設(shè)計復(fù)雜度，導(dǎo)致硬件開銷加大。

綜合分析以上幾點內(nèi)容，聯(lián)系Homeplug AV標(biāo)準(zhǔn)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)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(yuǎn)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(zhǔn)，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)等等。若將Homeplug AV標(biāo)準(zhǔn)與Homeplug GP標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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。

3 結(jié)語

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(zhǔn)和Homeplug GP標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行了對比分析，給出了Homeplug AV標(biāo)準(zhǔn)與Homeplug GP標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)將給智慧生活、能源管理、多網(wǎng)融合等領(lǐng)域帶來新的觀察角度。

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Performance analysis of broadband power line carrier signal based on Homeplug standard

LIN Xiaoqing, CHEN Bo, SUN Hang, ZHANG Zhi

Homeplug AV standard and Homeplug GP standard of low voltage broadband power line carrier communication techniques are introduced taking smart power electric data acquisition system as background. The differences between PHY standards and MAC standards have been analyzed. Performance, BER and power efficiency of BPSK, QPSK and 16QAM signals have been compared. Simulation results show that broadband power line carrier technique of Homeplug AV can achieve higher system capacity, which is applicable for network gateway to gather information flow and form a strong topology. Low power consumption and stable data communication speed under Homeplug GP technique is applicable for smart home, low voltage power meter-reading and charging pile metering.

Homeplug AV, Homeplug GP, gateway, power consumption

TN913.6

A

1002-6886(2016)06-0074-04

貴州電網(wǎng)科技項目GZ2014-2-0006。

林曉慶(1986-)，女，華北電力大學(xué)研究生，現(xiàn)主要從事計量自動化工作。

2016-05-17