基于OFDM技术的低压电力线通信的性能分析

1 引 言

通过利用低压电力线通信(PLC)技术，用户只要通过电力调制解调器连接到室内220 V交流电源插座上，就可随时随地享受4.5～45 Mb／s的高速网络接入。墙壁上的交流电源插座可同时进行电力和信息的传输，一线两用，互不干扰。这被看作是解决信息高速公路"一公里"问题的竞争力的方案之一，但其能否终成功地走向市场，还取决于PLC在当前诸多技术中能否更占优势以及PLC能否尽快突破主要的技术障碍。

2 低压电力线通信面临的主要问题

目前，PLC所面临的主要问题和研究热点主要集中在以下几个方面：

(1) 如何在可靠传输数据的情况下尽可能提高其传输速度

PLC传输速度的提高，主要依赖于调制频率和频段宽度的提高。研究表明，为了将传输速率提高到数Mb／s以至数十Mb／s以上，就必须采用数MHz以上频段。目前国际上普遍认为，1～30 MHz的频带可以用来进行高速数据传输。但1.6～30 MHz频段已分配给广播电台和电视台，如中、短波广播，业余无线电以及导航系统等。因而利用PLC传输数据时，势必会受到这些通信系统的严重干扰。而且电力线恶劣的信道环境占用了大量的带宽资源，使用户实际可用率低，网速上不去。这些问题随着用户不断增多，用户对带宽的需求不断增加而显得愈发突出。 (2) 如何在不增大信号发送功率的情况下提高信噪比

电力网本不是用来传输数据的，是用来传输电能的，因此电力线信道环境极其恶劣。一方面各种用电设备经常频繁开关，给电力线上带来各种幅度很大的噪声干扰，另一方面电力网时变性和线路分支多的特点使电力信道存在大量阻抗不匹配节点，致使高频信号在电力线信道上传输时出现多径传输，并由此导致多种衰减，包括频率选择性衰落以及码间干扰(ISI)造成的衰减。另外电力线上还存在由发射器与接收器与电力线阻抗不匹配造成的耦合衰减以及电力线上各种容性和感性负载对高频信号绝缘性能不好造成的衰减等。电力线上严重的衰减以及强烈的噪声干扰使接受信号的信噪比极差，给信号的正确接收造成严重影响。

(3) 电磁兼容问题

电磁兼容(EMC)是指设备或系统在所处的电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何其他事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。目前电磁兼容与PLC传输速度的提高形成一对难以克服的矛盾。PLC在利用1～30 MHz的频带进行高速数据传输时，会引发严重的EMI(电磁干扰)。NOR.WEB公司的DPL运行后，发现路灯起了发射天线的作用，干扰了包括BBC(英国广播公司)4台(Radio4)在内的多家广播电台的无线电接收，引起使用短波通信的军用、民用及业余无线电爱好者的反对。高速PLC不仅会对其他无线电通信造成干扰，而且会对周围环境造成污染。这一问题随着电磁兼容标准越来越严格，将会变得愈加突出，并成为PLC推向市场的技术障碍。

研究表明，PLC的许多技术障碍可通过采用的调制解调技术得到解决。目前国际上高速电力线通信采用的调制技术主要有：扩展频谱类和OFDM(正交频分复用)调制技术。其中OFDM以他独特的优点在宽带、高速电力线通信中成为有吸引力的技术，他成功地解决了电力线通信技术中的大部分问题。

3 OFDM的基本原理

OFDM调制是一种正交多载波调制方式。他的基本思想是把输入信息转换成多路并行信号，利用快速傅里叶变换对相互完全正交的一组载波进行调制形成子载波信号，同时将可用的频谱划分为许多窄带，分别传输这些子载波信号。为了获得高的频带利用率，OFDM调制中各子载波上的信号频谱相互重叠，但载波间隔的选择要满足这些子载波在整个符号周期上是正交的，即在一个符号周期内，任何两个子载波的乘积等于零。这样即使各载波上的信号频谱问存在重叠，也能保证在接收端不失真地复原信号。一般来讲，当载波间的间隔等于符号周期倒数的整数倍时，即可以满足正交条件。然而，为实现频谱效率，一般取载波间隔等于符号周期的倒数。OFDM信号频谱示意图如图1所示。

由图1中可以看出，各个子载波在调制后的频谱是相互重叠的，每个子载波频谱的波峰正好位于所有其他子载波频谱的零点，从而决定了各子载波之间的正交性。

4 OFDM技术适用于电力线通信的性能分析

(1) 频谱利用率高

OFDM允许重叠的正交子载波作为子信道，而不是传统的利用保护频带分离子信道，从而提高了频谱利用率。当载波数较多时，所有子载波组合在一起，总的频谱非常接近矩形。这一点在频谱资源有限的电力线信道环境中尤其重要。

(2) 适合高速数据传输

OFDM是把一组高速传输的串行数据转化成相对低速的并行数据来传输，虽然每个子载波的传输速率并不高，但是所有子信道加起来将会获得很高的数据传输速率。并且子载波数量越多，OFDM的数据传输速率越高。

(3) 抗衰落能力强

电力线多径信道造成的频率选择性衰落，使某些子载波可能会丢失数据。OFDM把一组数据通过多个子载波传播，在每个子载波上的信号时间就相应的比同速率的单载波系统上的信号时间长很多倍，使OFDM对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力很强；另外，OFDM与信道编码和交织技术结合，将有更好地抗衰落性能。特别适宜于电力线这种非常恶劣的信道环境。

(4) 克服码间干扰

码间干扰(ISI)是造成系统传输性能下降的主要原因。OFDM系统通过降低码元速率有效地克服了由多径效应引起的码问干扰(ISI)。同时通过在每个OFDM符号之间加入循环前缀以形成保护间隔，来进一步消除残存的码间干扰。若保护间隔长度为△，原码元周期为T，则OFDM的实际传输周期变为Ts=T+△。保护间隔内的信号是由OFDM信号进行循环扩展生成的，相当于将OFDM信号的尾部复制到前面。当ISI的时延长度不超过△时，OFDM子载波间的正交性仍能保持，接收机丢弃保护间隔△内的信号，只提取有效的OFDM周期T内的信号进行处理，就可以不受ISI的干扰。所以OFDM抵抗ISI的能力取决于△的长度，△越长，可消除ISI的时延范围越大。但是保护间隔内是不传输有用信息的，△越大，浪费的频带资源也越多，这是OFDM消除ISI干扰的代价。

(5) 通过动态分配子信道抑制阻抗衰减与噪声干扰 OFDM可以用发射的导频信号对各个子载波信道进行信道估计，然后根据信道特性的变化动态地分配子信道，以保证数据传输的可靠性。电力线信道阻抗衰减与噪声干扰的抑制就是通过OFDM的子信道分配实现的。当电力线信道中OFDM的子载波建立时，所有的载波都进行传输，发送机和接收机将同时在链接中使用子信道分配，如图2所示，低于SNR门限的子信道被关闭，没有数据调制到这些被关闭的子信道。

OFDM通过开启和关闭子载波来重新分配子信道，因而数据仅在能够传输的频谱内传输，从而保证较低的误码率。使用子信道分配传输频谱适应传输函数幅值的原理同样可以用来抑制频带内连续波形的干扰。这类干扰典型的例子是中短波广播信号耦合到电力线信道中形成的窄带干扰，这种干扰有时很大，可能超过了OFDM信息的信号。当子载波所在的频带与这些干扰重叠时，只要把这些信道关闭就可以改善误码性能。但这种误码性能的改善是以传输速率下降为代价的，因为被关闭的信道就无法传输数据了。

5 结 语

分析表明，OFDM是一种频谱利用率高，抗多径衰落和码间干扰，能抑制阻抗衰减与噪声干扰的高速传输技术。他成功地解决了电力线通信技术中的大部分难点，被认为是高速电力线通信技术中必不可少的关键技术。但OFDM系统也存在一些缺点，如易受频率偏移的影响和存在较高的峰值平均功率等。这就要求我们在充分认识OFDM对电力线通信技术的重要性的基础上，加快对其关键技术的研究，力争早日实现电力线通信技术中新的重大突破。

  

参考文献:

[1]. PLC datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PLC_1248813.html.