电力线载波通信中的频域分段重构算法*

赵 黎,焦晓露,张 峰,吴 兰

(1.西安工业大学 电子信息工程学院,西安 710021；2.河南工业大学 电气工程学院,郑州 450000)

电力线载波通信技术(Power Line Communication,PLC)是利用已有的配电网作为传输媒介,实现数据传输及信息交换.由于国内电力线网络具有覆盖范围广、成本低和便于维护及管理等特点,因此PLC技术成为通信领域的研究热点[1-2].目前针对PLC技术已经形成了多种通信标准,其中,2009年法国ERDF公司提出的G3-PLC标准中信号帧结构较完整[3],且该通信标准在物理层对传输信号进行前向纠错编码,有效的降低了电力线信道特性对通信系统的干扰[4-7].但由于电力线信道具有阻抗特性、多径衰减和噪声干扰等特性且电力线噪声常表现出时频域的双重复杂性,因此电力线信道的通信环境将对通信质量产生较大的影响[8-10].特别是在通信环境较恶劣的环境中,G3-PLC标准远不能满足高质量的通信需求.

为了提升电力线载波通信系统的性能,文献[11]中引入信道均衡技术用来抵抗信道畸变对通信过程的干扰,结果显示在误码率为1.0×10-4时,系统仅获得0.5 dB的增益,这种算法的抗扰效果并不明显.而文献[12]中为了抑制电力线噪声对通信质量的影响采用Karhunen-Loeve特征空间分解法,但这种算法也只能获得1 dB的系统增益.针对现有的G3-PLC标准存在的不足,本文将对G3-PLC标准进行研究并设计了基于G3-PLC标准的频域分段重构算法.该算法在频域中对发送端信号分别进行分段、重构编码,同时接收端信息引用译码性能较好的最大似然译码准则进行译码操作,该算法有效的保证通信系统的通信性能,提高系统抗强噪声干扰的能力,增强G3-PLC标准对电力线信道的适应能力.

1 G3-PLC标准

G3-PLC标准是为了满足行业发展而提出来的电力线通信规范,该标准中采用正交频分复用技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)对信号进行调制解调,使并行传输的数据通过多个正交的子信道,在接收端通过相关解调技术将正交信号分离,该技术可用于降低载波间干扰及符号间干扰.此外,在OFDM系统中增加了前向纠错编码(Forward Error Correction,FEC)方式,使系统具备检错纠错能力.G3-PLC标准中数据帧结构如图1所示,物理层模型如图2所示.图1中数据帧结构主要由前导、帧控制头和数据三部分构成.其中前导用来辅助系统的自动增益控制、信号定时同步和信道估计,帧控制头包含了信号调制解调的正确信息,而数据则表示需经电力线传输的通讯信息.

图1 G3-PLC标准中数据帧结构

G3-PLC的物理层模型根据其数据帧结构设定(如图2所示),该模型主要分为发送端和接收端两大部分,其中接收端信号的译码过程为发送端的逆过程.图2中电力线上半部分为发送模块,发送端数据经过FEC时分别依靠循环冗余校验(CRC-16)和Reed-Solomon编码(简称RS编码)来实现检错与纠错性能,其中RS编码配合扰码、维特比编码和交织编码能够提高系统的纠错能力.G3-PLC标准中信号经过前向纠错编码后进行调制,其中,为了保证信号实现正确的调制解调,需将数据位、帧控制头(Frame Control Header,FCH)位与前导进行级联构成完整的信号帧结构,成帧过程中为了消除OFDM系统中载波间干扰和符号间干扰,需对信号加循环前缀、加窗处理.发送端编码后的信息经模拟前端(Analog Front End,AFE)放大滤波器及耦合变压器传输至电力线上.映射采用差分二进制相移键控(Differential Binary Phase Shift Keying,DBPSK)和差分四相相移键控(Differential Quarternary Phase Shift Keying,DQPSK)技术,之后进行快速傅里叶逆变换(Inverse Fast Fourier Transform,IFFT).图2下半部分为接收模块,通常接收端信息的处理过程为发送端的逆操作,当接收端信号经过解调及译码处理后可得到接收信号.解调前进行快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT).滤波后进行自动增益控制(Automatic Gain Control,AGC).

图2 G3-PLC系统的物理层模型

2 频域分段重构算法

2.1 频域分段重构编码算法

G3-PLC标准中对发送信息增添循环前缀、加窗和FEC等技术可减少噪声对通信系统的干扰,但低压电网中电力线信道传输特性复杂多变,特别是电力线信道噪声对通信系统的影响不容忽视.为了更好的提高通信系统抗噪声性能并保证信号调制解调的准确性,在频域中主要对帧控制头和待传输信号进行频域分段重构编码,具体的原理和处理过程如下：

① 发送端对经过FEC编码的信息进行串并转换；由于G3-PLC标准主要采用OFDM调制,因此,在进行频域分段重构编码之前需将串行数据流转换为并行传输的数据矩阵.有效子载波分配如图3所示. G3-PLC标准中采用256个子载波(用C0～C255表示)进行信息传递,其中有用子载波为36个(用C23～C58表示),经过串并转换后信息通过有用子载波C23～C58进行传输.

② 提取有效子载波信息；提取每个OFDM符号的第23～58位(C23～C58),用D矩阵表示该有效子载波的信息矩阵.

③ 频域分段编码；根据有效子载波数量对每个OFDM信号进行频域分段编码,信息的分段数n与通信质量成正比,n越大系统复杂性越高.在G3-PLC系统中加载该算法时,为了兼顾系统的复杂性及可靠性,取n=4.有效子载波信息矩阵D的分段编码为

Di(l)=D(9(i-1)+1，9i,l)

(1)

式中：i为第i个数据段,且满足1≤i≤4；l为OFDM符号的序号；Di(l)为第l个OFDM符号中第i个数据段包含的信息;D(·)为OFDM符号分段函数.

图3 有效子载波分配图

④ 重构编码；对分段后的信息Di(l)进行重构编码,编码后的通信系统满足：每i个数据段中包含一个OFDM符号的全部信息,且36个子载波中共进行4次这样的重构编码过程.重构编码后的信息为

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(2)

式中：m为子载波的序号；l为OFDM符号的序号.

G3-PLC系统中发送端符号在频域中的分段重构算法原理如图4所示.Di(i=1,2,…,36)为OFDM符号数据段.

⑤ 对经过频域分段重构编码后的信息进行IFFT处理；为避免接收端相干检测,降低系统的复杂性,需要在发送端对频域信号进行构造.频域分段重构编码后的信息B(m,l)处理结果为

(3)

其中B*(·)为B(m,l)的共轭运算.

2.2 频域分段重构译码算法

发送模块中编码后的信息依次进行调制、成帧、经电力线信道传输、滤波、自动增益控制(Automatic Gain Control,AGC)、同步、解帧和解调,在接收端可靠的译码方式是保证算法性能的关键,最大似然译码准则通过选取出现概率最大的信息作为最终接收到的信息.在频域分段重构译码中引用最大似然译码准则,经过频域分段重构编码后的信道传递矩阵为

(4)

式中：x1,x2,…,xi为发送端信息；y1,y2,…,yj为接收端信息；r为信道传递矩阵的序号,在频域分段重构系统中r的值与发送端信息分段的次数有关,且r=1,2,3,4；Pr(·)为信道传递矩阵分量.

图4 频域分段重构算法原理

由于电力线信道在较短的时间段内具有稳定性,因此可对信道传递矩阵Pr求数学期望,信道传递矩阵的数学期望为

(5)

(6)

根据最大似然译码原理,接收端信息为yj时,则发送端信息x′的概率最大,在译码时将xi译码为x′.最大似然译码准则的引入有效的保证了频域分段重构译码的准确性.

3 仿真结果及分析

为了具体分析频域分段重构算法在G3-PLC标准中的抗扰性能,在仿真平台中搭建了各仿真系统并进行仿真验证.系统仿真参数：子载波数N=256,保护间隔长度CP=30 μs,采样频率Fs=0.4 MHz,帧控制头(FCH)符号数为NFCH=13,调制方式采用DBPSK.为保证实验结果的可靠性,在每个信噪比条件下进行1 000次的仿真实验,对误码率结果求平均.仿真的信道环境分别为高斯信道和实际测量的电力线信道,实验结果如图5～6所示.

图5 高斯信道中仿真结果

在高斯信道中各系统的信噪比与误码率的关系曲线表明,当发送端信号按照G3-PLC标准进行编码后,在信噪比SNR=2 dB时系统的误码率BER=0,在该系统中加载频域分段重构编码后在SNR=3 dB便能实现准确传输.因此在理想的高斯信道环境中,加载频域分段重构编码算法后G3-PLC系统可获得约3 dB的系统增益.

为了分析频域分段重构算法在实际电力线信道中的抗噪性,采集了实际低压电网中的电力线噪声并在仿真环境中对其进行分析,如图6所示.

图6中噪声在时域具有周期性、时变性和连续性,同时频域中的噪声在低频段随频率变化明显,高频段叠加有周期脉冲噪声.因此国内电网噪声具有时频域的双重复杂性,这将对通信质量造成较大的影响.

图6 实测电力线噪声时域和频域波形

在图6噪声干扰下对系统进行仿真实验,调制方式为DBPSK,仿真结果如图7所示.

图7 实测电力线噪声信道中的仿真结果

由图7显示,当SNR=11 dB时,G3-PLC系统的误码率为1×10-4,信号在该噪声强度下可满足传输的可靠性.在加载频域分段重构后的系统SNR=16 dB时便能实现BER=1×10-4.相较未加载频域分段重构编码的系统,在实测的电力线信道中,频域分段重构编码后的系统获得约5 dB的增益.

根据仿真结果分析,在高斯信道及实测的电力线信道中,按照G3-PLC标准进行编码的系统能够保证信号的可靠传输,但在噪声强度较大时,G3-PLC标准将不能满足较高质量的通信需求.针对这种情况,本文设计的基于G3-PLC标准的频域分段重构编码算法能够有效的提高系统的抗噪性能,仿真结果表明经过频域分段重构编码后系统能够获得3～5 dB的增益,提高了抗强噪声干扰能力,增强了通信系统对信道的适应性.

4 结 论

1) 针对电力线信道特性对通信质量产生严重影响,在高斯信道及实测电力线信道中对G3-PLC标准进行仿真分析,得出在噪声干扰较小通信环境中,G3-PLC标准中的编码方式能够有效的降低噪声的干扰,保证信号的可靠传输.

2) 信息传输中信道环境不稳定以及噪声的复杂多样性,受噪声影响较大时系统的通信质量受到严重干扰,针对这种情况,在G3-PLC标准增加频域分段重构编码.结果显示频域分段重构编码方式能够适用于G3-PLC标准且能有效的抵抗噪声的干扰；在高斯信道及实测电力线信道中,加载频域分段重构编码后的系统相比未加载该编码的系统约获得3～5 dB的增益.频域分段重构算法可有效提高系统的抗噪性能,保证通信系统的可靠性.