电力线载波通信系统的关键技术和算法分析

　　摘要：本文通过对物理层平台使用双核数字信号处理芯片，完成高效的基于OFDM 技术的点对点通信。详细讨论了实际电力线通信系统中，采用多相序列族的同步算法、含虚拟子载波的信噪比估计算法、限幅滤波峰均功率比算法的优缺点，以及LDPC 编码和卷积编码的适用范围，为宽带电力线通信技术的广泛应用提供了有益的参考。

　　0 引言

　　电力线载波通信PLC（Power Line Communication） 是利用中低压电力网络作为数字信息传输媒介的一种有线通信方式。近10 年来，随着信息化进程的加速发展，各种宽带接入技术在网络实现成本、技术先进性和接入的方便性等方面不断的提高着自身的竞争优势。采用何种通信方式将附近的宽带网络设备接入到用户终端，成为了宽带网络营运商不断探索和关注的问题，这也成为了Internet 普及的瓶颈之一，此问题被称之为宽带网路接入的“一百米问题”.PLC 技术利用覆盖范围为广泛的电力线网络资源，建设速度快、投资少、无需布新线、室内无死角，用户通过室内遍布的每一个插座都可以高速上网，具备了其它接入方式所不具备的优势，成为了国内外信息接入技术研究的热点。

　　近年来PLC 技术发展十分迅速，尤其是新一代高速电力线通信的异军突起，使得用户室内高速数据传输等需求可以通过电力线通信来实现。高速电力线通信技术不仅仅涉及通信中的调制解调技术和编译码技术本身，还受到低压电网中的电力线信道特性和电力线噪声甚至网络结构的影响。因此要实现高速、可靠的宽带电力线通信，研究适合电力线信道特性的调制解调、编译码等通信技术有积极的意义。而OFDM 技术抵抗信道畸变的能力强，可以通过自适应调制来高效利用信道提高信道利用率，且传输容量较大。本文利用高速数字信号处理器搭建基于OFDM 通信技术的硬件平台，并验证了OFDM 通信中的关键技术，为宽带电力线通信的应用提供了有益的参考。

　　1 通信系统上线实验的关键技术和算法

　　为了得到宽带电力线通信系统实验平台在实际低压电网的性能，并验证对比各种关键技术和算法的适用性，本文在典型的大学实验室环境下对各个环节的算法进行了实测实验。

　　实验系统使用的OFDM 基本参数如下：接收和发送端口处的采样频率为FS=39MHz,OFDM 符号周期为T,在OFDM 中使用的IFFT/FFT 计算点数为N（若为复数OFDM 则N 代表子载波个数），如果N=1024,则T=N/FS=1024/39MHz=26.25us.循环前缀CP长度NCP=128,CP 的时间周期为TCP=128/FS=3.28us.这样，一个完整的OFDM 符号周期长度TS 为OFDM 符号周期与CP 时间周期之和TS=T+TCP=29.53us.子载波间隔为有效符号周期的倒数Δf=1/T=1/26.25us=38KHz,子载波数NC=B/Δf=39MHz/38KHz1024.若每个子载波映射均采用BPSK 方式，则传输速率为R=1024×1bit/26.25us=39Mbit/s.下面主要讨论硬件系统实际运行中，OFDM 宽带通信关键技术表现出的性能。

　　1.1 同步技术实验

　　在39MHz 采样频率下，对基于多相序列族的同步算法进行了实测。图1 给出了同步训练序列，它由四段共轭对称的序列构成，其中每一段由多相序列族中的一个序列生成。这种结构可以同时验证基于重复结构自相关的Park 算法和本文采用的基于本地序列互相关的同步算法。

　　

　　1.2 自适应信噪比估计实验

　　首先给出使用虚拟子载波的OFDM 信噪比估计算法在实际电力线系统中的实测实验结果。由于系统使用单D/A 的采样板，所以设计实数的载波序列。频域上每一个导频上插入三个虚拟子载波。时域中每隔一个完整OFDM 符号周期插入导频。这样的结构相当于在频域使用虚拟子载波来计算信噪比，本文使用时频二维导频来做信噪比估计。

　　图2 为在FPGA 的sigtap 逻辑分析工具中观测到得经过15m 单分支的低压电力线的接收波形。可见波形包络变化平稳，印证了电力线信道属于慢时变的特性。

　　

　　图3 为经过同步算法后确定的时隙里的OFDM 符号，其中同步序列与信噪比估计的定时位置已经标注到了起点位置。

　　

　　图4 为接收数据帧1 的平均信噪比估计值。

　　

　　根据信噪比的估计结果，对大学实验室为代表的低压电力线网络中，在同一帧内插入信噪比估计符号的间隔可以控制在0.4ms 左右，即15 个时隙时间内估计两次。在连续模式传输的OFDM 系统中，多每6~8 个完整的OFDM 符号估计平均信噪比可以得到信道的基本变化规律。

　　1.3 抑制OFDM 系统PAPR 实验

　　本节主要从实用角度，对比了限幅滤波算法与选择性映射算法SLM 两种抑制OFDM 的峰均功率比算法的实现。

　　图5 和图6 所示为使用限幅滤波算法的发送波形和经过15 米电力线的接收波形。根据误码率统计结果可以计算得出使用限幅滤波算法系统的平均误码率在没有加入任何编码和交织时为6.1%.

　　

　　

　　综合考虑算法复杂度与效率的优化，我们认为在39MHz 带宽的电力系统通信中使用限幅算法更加高效。这是因为抑制了PAPR 算法之后，在发送前对信号还要按照FPGA 的幅度范围进行归一化以适应D/A 采样的需求，相当于增加限幅算法的信噪比，而SLM 算法损失的信噪比与其峰值成反比。所以在信噪比增益珍贵的实际系统中限幅算法非常适合高频宽带中的电力线通信。

　　1.4 编码技术的实验对比

　　本节主要考虑卷积码+ 交织码的级联编码与LDPC 码的实测实比较。卷积码和LDPC 码均采用1/2 码率的编码方案。在级联编码方案中，卷积码使用常见的（2,1,3）编码，交织则使用交织深度为256bit 的随机交织。

　　在比较两种编码技术中，均使用了相同参数的OFDM 系统、CP 长度、PAPR 算法和同步算法。结果表明两种方法在实验有限的的译码次数中结果误码率都基本为0.蒙特卡洛仿真中显示级联码与LDPC 码的误码率差异在10dB 左右。在实际系统中，由于LDPC 码的编码长度很长，从码长的角度来看，LDPC 码更加适用于连续模式的OFDM 系统（如数字电视广播等视频流或者音频流的通信过程），而级联编码更加适合突发模式OFDM 通信（如智能抄表、智能电网中的应用）。

　　2 结论

　　本文通过对物理层平台使用双核数字信号处理芯片，进行OFDM 的点对点通信。基于实验平台，详细分析和探讨了同步算法、自适应信噪比估计算法、抑制OFDM 峰均功率比算法和编解码算法等OFDM 通信的各个关键技术在低压电力线的实测结果，并分别给出了适合低压电力线实际系统的技术方法。（作者：白凯）