電力線載波通信中的頻域分段重構(gòu)算法*

趙 黎,焦曉露,張 峰,吳 蘭

(1.西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,西安 710021；2.河南工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院,鄭州 450000)

電力線載波通信技術(shù)(Power Line Communication,PLC)是利用已有的配電網(wǎng)作為傳輸媒介,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸及信息交換.由于國內(nèi)電力線網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋范圍廣、成本低和便于維護(hù)及管理等特點(diǎn),因此PLC技術(shù)成為通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-2].目前針對(duì)PLC技術(shù)已經(jīng)形成了多種通信標(biāo)準(zhǔn),其中,2009年法國ERDF公司提出的G3-PLC標(biāo)準(zhǔn)中信號(hào)幀結(jié)構(gòu)較完整[3],且該通信標(biāo)準(zhǔn)在物理層對(duì)傳輸信號(hào)進(jìn)行前向糾錯(cuò)編碼,有效的降低了電力線信道特性對(duì)通信系統(tǒng)的干擾[4-7].但由于電力線信道具有阻抗特性、多徑衰減和噪聲干擾等特性且電力線噪聲常表現(xiàn)出時(shí)頻域的雙重復(fù)雜性,因此電力線信道的通信環(huán)境將對(duì)通信質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響[8-10].特別是在通信環(huán)境較惡劣的環(huán)境中,G3-PLC標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)不能滿足高質(zhì)量的通信需求.

為了提升電力線載波通信系統(tǒng)的性能,文獻(xiàn)[11]中引入信道均衡技術(shù)用來抵抗信道畸變對(duì)通信過程的干擾,結(jié)果顯示在誤碼率為1.0×10-4時(shí),系統(tǒng)僅獲得0.5 dB的增益,這種算法的抗擾效果并不明顯.而文獻(xiàn)[12]中為了抑制電力線噪聲對(duì)通信質(zhì)量的影響采用Karhunen-Loeve特征空間分解法,但這種算法也只能獲得1 dB的系統(tǒng)增益.針對(duì)現(xiàn)有的G3-PLC標(biāo)準(zhǔn)存在的不足,本文將對(duì)G3-PLC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究并設(shè)計(jì)了基于G3-PLC標(biāo)準(zhǔn)的頻域分段重構(gòu)算法.該算法在頻域中對(duì)發(fā)送端信號(hào)分別進(jìn)行分段、重構(gòu)編碼,同時(shí)接收端信息引用譯碼性能較好的最大似然譯碼準(zhǔn)則進(jìn)行譯碼操作,該算法有效的保證通信系統(tǒng)的通信性能,提高系統(tǒng)抗強(qiáng)噪聲干擾的能力,增強(qiáng)G3-PLC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電力線信道的適應(yīng)能力.

1 G3-PLC標(biāo)準(zhǔn)

G3-PLC標(biāo)準(zhǔn)是為了滿足行業(yè)發(fā)展而提出來的電力線通信規(guī)范,該標(biāo)準(zhǔn)中采用正交頻分復(fù)用技術(shù)(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解調(diào),使并行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通過多個(gè)正交的子信道,在接收端通過相關(guān)解調(diào)技術(shù)將正交信號(hào)分離,該技術(shù)可用于降低載波間干擾及符號(hào)間干擾.此外,在OFDM系統(tǒng)中增加了前向糾錯(cuò)編碼(Forward Error Correction,FEC)方式,使系統(tǒng)具備檢錯(cuò)糾錯(cuò)能力.G3-PLC標(biāo)準(zhǔn)中數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖1所示,物理層模型如圖2所示.圖1中數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)主要由前導(dǎo)、幀控制頭和數(shù)據(jù)三部分構(gòu)成.其中前導(dǎo)用來輔助系統(tǒng)的自動(dòng)增益控制、信號(hào)定時(shí)同步和信道估計(jì),幀控制頭包含了信號(hào)調(diào)制解調(diào)的正確信息,而數(shù)據(jù)則表示需經(jīng)電力線傳輸?shù)耐ㄓ嵭畔?

圖1 G3-PLC標(biāo)準(zhǔn)中數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

G3-PLC的物理層模型根據(jù)其數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)設(shè)定(如圖2所示),該模型主要分為發(fā)送端和接收端兩大部分,其中接收端信號(hào)的譯碼過程為發(fā)送端的逆過程.圖2中電力線上半部分為發(fā)送模塊,發(fā)送端數(shù)據(jù)經(jīng)過FEC時(shí)分別依靠循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC-16)和Reed-Solomon編碼(簡(jiǎn)稱RS編碼)來實(shí)現(xiàn)檢錯(cuò)與糾錯(cuò)性能,其中RS編碼配合擾碼、維特比編碼和交織編碼能夠提高系統(tǒng)的糾錯(cuò)能力.G3-PLC標(biāo)準(zhǔn)中信號(hào)經(jīng)過前向糾錯(cuò)編碼后進(jìn)行調(diào)制,其中,為了保證信號(hào)實(shí)現(xiàn)正確的調(diào)制解調(diào),需將數(shù)據(jù)位、幀控制頭(Frame Control Header,FCH)位與前導(dǎo)進(jìn)行級(jí)聯(lián)構(gòu)成完整的信號(hào)幀結(jié)構(gòu),成幀過程中為了消除OFDM系統(tǒng)中載波間干擾和符號(hào)間干擾,需對(duì)信號(hào)加循環(huán)前綴、加窗處理.發(fā)送端編碼后的信息經(jīng)模擬前端(Analog Front End,AFE)放大濾波器及耦合變壓器傳輸至電力線上.映射采用差分二進(jìn)制相移鍵控(Differential Binary Phase Shift Keying,DBPSK)和差分四相相移鍵控(Differential Quarternary Phase Shift Keying,DQPSK)技術(shù),之后進(jìn)行快速傅里葉逆變換(Inverse Fast Fourier Transform,IFFT).圖2下半部分為接收模塊,通常接收端信息的處理過程為發(fā)送端的逆操作,當(dāng)接收端信號(hào)經(jīng)過解調(diào)及譯碼處理后可得到接收信號(hào).解調(diào)前進(jìn)行快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform,FFT).濾波后進(jìn)行自動(dòng)增益控制(Automatic Gain Control,AGC).

圖2 G3-PLC系統(tǒng)的物理層模型

2 頻域分段重構(gòu)算法

2.1 頻域分段重構(gòu)編碼算法

G3-PLC標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)發(fā)送信息增添循環(huán)前綴、加窗和FEC等技術(shù)可減少噪聲對(duì)通信系統(tǒng)的干擾,但低壓電網(wǎng)中電力線信道傳輸特性復(fù)雜多變,特別是電力線信道噪聲對(duì)通信系統(tǒng)的影響不容忽視.為了更好的提高通信系統(tǒng)抗噪聲性能并保證信號(hào)調(diào)制解調(diào)的準(zhǔn)確性,在頻域中主要對(duì)幀控制頭和待傳輸信號(hào)進(jìn)行頻域分段重構(gòu)編碼,具體的原理和處理過程如下：

① 發(fā)送端對(duì)經(jīng)過FEC編碼的信息進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換；由于G3-PLC標(biāo)準(zhǔn)主要采用OFDM調(diào)制,因此,在進(jìn)行頻域分段重構(gòu)編碼之前需將串行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為并行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)矩陣.有效子載波分配如圖3所示. G3-PLC標(biāo)準(zhǔn)中采用256個(gè)子載波(用C0～C255表示)進(jìn)行信息傳遞,其中有用子載波為36個(gè)(用C23～C58表示),經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后信息通過有用子載波C23～C58進(jìn)行傳輸.

② 提取有效子載波信息；提取每個(gè)OFDM符號(hào)的第23～58位(C23～C58),用D矩陣表示該有效子載波的信息矩陣.

③ 頻域分段編碼；根據(jù)有效子載波數(shù)量對(duì)每個(gè)OFDM信號(hào)進(jìn)行頻域分段編碼,信息的分段數(shù)n與通信質(zhì)量成正比,n越大系統(tǒng)復(fù)雜性越高.在G3-PLC系統(tǒng)中加載該算法時(shí),為了兼顧系統(tǒng)的復(fù)雜性及可靠性,取n=4.有效子載波信息矩陣D的分段編碼為

Di(l)=D(9(i-1)+1，9i,l)

(1)

式中：i為第i個(gè)數(shù)據(jù)段,且滿足1≤i≤4；l為OFDM符號(hào)的序號(hào)；Di(l)為第l個(gè)OFDM符號(hào)中第i個(gè)數(shù)據(jù)段包含的信息;D(·)為OFDM符號(hào)分段函數(shù).

圖3 有效子載波分配圖

④ 重構(gòu)編碼；對(duì)分段后的信息Di(l)進(jìn)行重構(gòu)編碼,編碼后的通信系統(tǒng)滿足：每i個(gè)數(shù)據(jù)段中包含一個(gè)OFDM符號(hào)的全部信息,且36個(gè)子載波中共進(jìn)行4次這樣的重構(gòu)編碼過程.重構(gòu)編碼后的信息為

綜上所述，“研討與練習(xí)”題是教師解讀課文和了解學(xué)生情況的途徑，也是學(xué)生深入學(xué)習(xí)文本的重要環(huán)節(jié)，教師必須重視起來，抓住這一陣地，促進(jìn)學(xué)生語文能力的提高。

(2)

式中：m為子載波的序號(hào)；l為OFDM符號(hào)的序號(hào).

G3-PLC系統(tǒng)中發(fā)送端符號(hào)在頻域中的分段重構(gòu)算法原理如圖4所示.Di(i=1,2,…,36)為OFDM符號(hào)數(shù)據(jù)段.

⑤ 對(duì)經(jīng)過頻域分段重構(gòu)編碼后的信息進(jìn)行IFFT處理；為避免接收端相干檢測(cè),降低系統(tǒng)的復(fù)雜性,需要在發(fā)送端對(duì)頻域信號(hào)進(jìn)行構(gòu)造.頻域分段重構(gòu)編碼后的信息B(m,l)處理結(jié)果為

(3)

其中B*(·)為B(m,l)的共軛運(yùn)算.

2.2 頻域分段重構(gòu)譯碼算法

發(fā)送模塊中編碼后的信息依次進(jìn)行調(diào)制、成幀、經(jīng)電力線信道傳輸、濾波、自動(dòng)增益控制(Automatic Gain Control,AGC)、同步、解幀和解調(diào),在接收端可靠的譯碼方式是保證算法性能的關(guān)鍵,最大似然譯碼準(zhǔn)則通過選取出現(xiàn)概率最大的信息作為最終接收到的信息.在頻域分段重構(gòu)譯碼中引用最大似然譯碼準(zhǔn)則,經(jīng)過頻域分段重構(gòu)編碼后的信道傳遞矩陣為

(4)

式中：x1,x2,…,xi為發(fā)送端信息；y1,y2,…,yj為接收端信息；r為信道傳遞矩陣的序號(hào),在頻域分段重構(gòu)系統(tǒng)中r的值與發(fā)送端信息分段的次數(shù)有關(guān),且r=1,2,3,4；Pr(·)為信道傳遞矩陣分量.

圖4 頻域分段重構(gòu)算法原理

由于電力線信道在較短的時(shí)間段內(nèi)具有穩(wěn)定性,因此可對(duì)信道傳遞矩陣Pr求數(shù)學(xué)期望,信道傳遞矩陣的數(shù)學(xué)期望為

(5)

(6)

根據(jù)最大似然譯碼原理,接收端信息為yj時(shí),則發(fā)送端信息x′的概率最大,在譯碼時(shí)將xi譯碼為x′.最大似然譯碼準(zhǔn)則的引入有效的保證了頻域分段重構(gòu)譯碼的準(zhǔn)確性.

3 仿真結(jié)果及分析

為了具體分析頻域分段重構(gòu)算法在G3-PLC標(biāo)準(zhǔn)中的抗擾性能,在仿真平臺(tái)中搭建了各仿真系統(tǒng)并進(jìn)行仿真驗(yàn)證.系統(tǒng)仿真參數(shù)：子載波數(shù)N=256,保護(hù)間隔長(zhǎng)度CP=30 μs,采樣頻率Fs=0.4 MHz,幀控制頭(FCH)符號(hào)數(shù)為NFCH=13,調(diào)制方式采用DBPSK.為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性,在每個(gè)信噪比條件下進(jìn)行1 000次的仿真實(shí)驗(yàn),對(duì)誤碼率結(jié)果求平均.仿真的信道環(huán)境分別為高斯信道和實(shí)際測(cè)量的電力線信道,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5～6所示.

圖5 高斯信道中仿真結(jié)果

在高斯信道中各系統(tǒng)的信噪比與誤碼率的關(guān)系曲線表明,當(dāng)發(fā)送端信號(hào)按照G3-PLC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行編碼后,在信噪比SNR=2 dB時(shí)系統(tǒng)的誤碼率BER=0,在該系統(tǒng)中加載頻域分段重構(gòu)編碼后在SNR=3 dB便能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確傳輸.因此在理想的高斯信道環(huán)境中,加載頻域分段重構(gòu)編碼算法后G3-PLC系統(tǒng)可獲得約3 dB的系統(tǒng)增益.

為了分析頻域分段重構(gòu)算法在實(shí)際電力線信道中的抗噪性,采集了實(shí)際低壓電網(wǎng)中的電力線噪聲并在仿真環(huán)境中對(duì)其進(jìn)行分析,如圖6所示.

圖6中噪聲在時(shí)域具有周期性、時(shí)變性和連續(xù)性,同時(shí)頻域中的噪聲在低頻段隨頻率變化明顯,高頻段疊加有周期脈沖噪聲.因此國內(nèi)電網(wǎng)噪聲具有時(shí)頻域的雙重復(fù)雜性,這將對(duì)通信質(zhì)量造成較大的影響.

圖6 實(shí)測(cè)電力線噪聲時(shí)域和頻域波形

在圖6噪聲干擾下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),調(diào)制方式為DBPSK,仿真結(jié)果如圖7所示.

圖7 實(shí)測(cè)電力線噪聲信道中的仿真結(jié)果

由圖7顯示,當(dāng)SNR=11 dB時(shí),G3-PLC系統(tǒng)的誤碼率為1×10-4,信號(hào)在該噪聲強(qiáng)度下可滿足傳輸?shù)目煽啃?在加載頻域分段重構(gòu)后的系統(tǒng)SNR=16 dB時(shí)便能實(shí)現(xiàn)BER=1×10-4.相較未加載頻域分段重構(gòu)編碼的系統(tǒng),在實(shí)測(cè)的電力線信道中,頻域分段重構(gòu)編碼后的系統(tǒng)獲得約5 dB的增益.

根據(jù)仿真結(jié)果分析,在高斯信道及實(shí)測(cè)的電力線信道中,按照G3-PLC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行編碼的系統(tǒng)能夠保證信號(hào)的可靠傳輸,但在噪聲強(qiáng)度較大時(shí),G3-PLC標(biāo)準(zhǔn)將不能滿足較高質(zhì)量的通信需求.針對(duì)這種情況,本文設(shè)計(jì)的基于G3-PLC標(biāo)準(zhǔn)的頻域分段重構(gòu)編碼算法能夠有效的提高系統(tǒng)的抗噪性能,仿真結(jié)果表明經(jīng)過頻域分段重構(gòu)編碼后系統(tǒng)能夠獲得3～5 dB的增益,提高了抗強(qiáng)噪聲干擾能力,增強(qiáng)了通信系統(tǒng)對(duì)信道的適應(yīng)性.

4 結(jié) 論

1) 針對(duì)電力線信道特性對(duì)通信質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響,在高斯信道及實(shí)測(cè)電力線信道中對(duì)G3-PLC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行仿真分析,得出在噪聲干擾較小通信環(huán)境中,G3-PLC標(biāo)準(zhǔn)中的編碼方式能夠有效的降低噪聲的干擾,保證信號(hào)的可靠傳輸.

2) 信息傳輸中信道環(huán)境不穩(wěn)定以及噪聲的復(fù)雜多樣性,受噪聲影響較大時(shí)系統(tǒng)的通信質(zhì)量受到嚴(yán)重干擾,針對(duì)這種情況,在G3-PLC標(biāo)準(zhǔn)增加頻域分段重構(gòu)編碼.結(jié)果顯示頻域分段重構(gòu)編碼方式能夠適用于G3-PLC標(biāo)準(zhǔn)且能有效的抵抗噪聲的干擾；在高斯信道及實(shí)測(cè)電力線信道中,加載頻域分段重構(gòu)編碼后的系統(tǒng)相比未加載該編碼的系統(tǒng)約獲得3～5 dB的增益.頻域分段重構(gòu)算法可有效提高系統(tǒng)的抗噪性能,保證通信系統(tǒng)的可靠性.