基于多載波擴頻技術的低壓電力線通信研究

薛 明 ，于 豐 ，于祥兵

（1.豐縣供電公司生產技術部，江蘇豐縣 221700；2.中移動浙江省公司信息技術部，浙江杭州 310000）

近年來，國際互聯網風靡全球，用戶接入網絡通常有兩種方式：一種可以通過無線或電纜等方式實現，該方法由于成本高，難以大面積推廣；另一種方式是利用已有的線路資源，如電話線，電力線等。由于電力線路覆蓋范圍相當廣泛，國內外針對低壓電力線高速數據通信技術進行了相關研究。目前，德國、英國、美國、加拿大等國家采用擴頻技術，已推出了傳輸速率為19.2 kb/s和100 kb/s的電力線擴頻通信產品，在市電網上傳送2 Mb/s以上速率的產品[1，2]。我國研究低壓電力線通信技術較晚，國內的深圳亞奇通信電子技術有限公司采用直序擴頻技術實現電力線載波通信。清華大學、華中科技大學、西安交通大學等國內一些高等學校和科研單位也對此進行了研究，取得了一定的成果[3，4]。電力線信號傳輸機制是多徑傳播，多徑信號路徑時延較長時會產生頻率選擇性衰落和符號間干擾（ISI），這是電力線數據通信的最大障礙。為解決此問題，文中采用多載波直擴CDMA系統（MC-DC-CDMA），該系統為使信息干擾最小化，不要求各子載波頻率滿足正交條件，而是使用脈沖成形，通過子載波頻率分配，使各子載波互不重疊，幾路子載波同時傳送相同的擴頻序列，不僅可以有效地抑制鄰信道干擾，增強抗脈沖干擾能力，而且利用數目較少的子載波傳輸就可以解決頻率選擇性衰落和ISI的影響。

1 多載波擴頻機理

1.1 CDMA技術

CDMA通信就是將要傳送的具有一定信號帶寬的信息、數據，用一個帶寬遠大于信號帶寬的高速偽隨機碼信號去調制它，使原信息、數據信號的帶寬被大大擴展(擴頻)，再經載波調制后發射出去；接收端則使用完全相同的偽隨機碼，與接收的寬帶信號作相關處理，把寬帶信號變成原信息、數據的窄帶信號（解擴），實現數據通信[5,6]。CDMA可在同一載波頻率上同時傳送多個用戶的信息、數據，實現多址通信。擴頻碼之間的互相關值越小，多址干擾就越小，多址通信用戶數就越多。

1.2 多載波傳輸技術

多載波傳輸技術有多種提法如OFDM[7-10]、離散多音調制和多載波調制，這3種提法在一般情況下等同，只是在OFDM中各子載波保持相互正交，而在多載波調制中這一條件并不總成立。子載波間存在3種不同的設置方案：傳統的頻分復用[11-13]、采用偏置QAM(SQAM)技術和OFDM。OFDM即各子載波正交且頻譜相互重疊，可使載波間隔達到最小，從而提高了頻帶利用律，OFDM的頻譜非常接近于矩形，因此頻帶利用律可接近香農信息論的極限。

1.3 多載波與CDMA的結合方式

為了克服頻率選擇性衰落信道中的ISI，自1993年開始，陸續出現討論多載波調制與CDMA相結合方法的研究，主要研究時域擴頻構成方法之一的MC-DC-CDMA系統。

2 MC-DS-CDMA系統

2.1 信號發送

系統的發送圖如圖1所示。

在發送端，符號周期為Tb的信號序列經串行變換成為P組并行的序列，在這P組并行的序列支路上符號的周期為Ts=PTb，再將P組的每個支路復制為L條子支路，在子處理支路上，用長度為N、碼片周期為Tc的同一擴頻序列進行擴頻。Ts=NTc，用PL個子載波對各支路進行BPSK調制，其中相同比特的支路使用的調制子載波頻率有最大間隔，這時可用式q(p,l)=p(l-1)+p,=1,2,…,L來表示被第P條并行數據流調制的L個子載波，其中q(p,l)為第P條并行支路的第l個子載波序號。相鄰載波調制后信號在頻譜上不存在重疊，具有相同的帶寬BWPL=BW1/PL，其中BW1=(1+λ)/Tc1， 為碼片波成形濾波器滾降因子，Tc1是傳統單載DS-CDMA系統的擴頻碼片時長[6]。于是BWPL=(1+λ)/PLTc1，為保證傳輸帶寬不受P和L取值變化的影響，擴頻序列的碼片時長Tc滿足：

圖1 MC-DS-CDMA系統信號發送框圖

因此考慮，Tc=PTBb/N,TBc1=Tb/N1，擴頻序列的長度N必須滿足：

其中N1為P=L=1時的偽隨機(PN)序列長度，Tc1為P=L=1時的碼片時寬。為保證固定的傳輸帶寬，怎樣改變P和L的取值，單載波系統與多載波系統傳輸帶寬不變，擴頻序列長度的改變必須遵守式(2)。

假設系統內的用戶k的各子載波支路的功率相等，則第k個用戶的發送信號的表達式：

2.2 信號接收

信號接收方案采用最大合并比接收，接收機結構如圖2所示，經相應的帶通濾波器，k個用戶的接收機采用PL個碼片匹配濾波器組，對相同比特支路的各輸出進行分集合并，再經并串變換得到所有用戶發射信號。

圖2 MC-DS-CDMA系統信號接收模型

2.3 信道可恢復路徑數

設信道的最大路徑時延擴展為Tm，則可回復路徑數目為path=[Tm/Tc]，令Tm=n1Tc1，n1為整數，再由式（1）得到：

其中，path1為P=L=1時系統在當前信道條件下的可恢復的路徑數目。從式（4）可知，如果增加子載波數目，則可恢復路徑數目減小，選擇PL滿足以下條件：

（1）系統中每個子載波衰落是無選擇性的，即Tm≤PLTc1，得出PL≥Tm/Tc1，也就是說，如果子載波數目滿足。

其中path1為P=L=1時系統在當前信道條件下的可恢復的路徑數目，則對于每路子載波經歷的都是單路徑的衰落。

（2）相鄰子載波的衰落式相互獨立的，即BWPL≥（Δf）c，（Δf）c=1/Tm。 若子載波的選擇滿足下式：

則上兩條件可滿足。為保證上式左側式不相等，取PL=path1，右式不相等選取λ≥Tc1/Tm。

2.4 系統參數的優化

在配置支路數P和每個支路上的子載波數目L時有約束條件：

（1）多載波系統占用的帶寬應與某一單載波DS-CDMA的帶寬相等，這就對MC-DS-CDMA的擴頻序列長度提出要求，它們之間的關系符合式（2）。

（2）針對不同的信道特性，可以通過對P和L的配置來保證每路子載波經歷的都是單路徑的衰落，這樣就可以在各子載波上用單獨的匹配濾波器對信號進行處理。

2.5 接收信號與干擾分析

電力線通信信道是頻率選擇性衰落信道，通過恰當的選擇子載波數，滿足式（6），使每個用戶在每個載波上經歷的是單路徑衰落。低壓電力線信道衰落是慢衰落信道，可以準確地估計信道的變化，因此MC-DS-CDMA系統接收的信號為：

φkpl=φkpl–φkτ,φkτ為由于路徑延時引起的第k個用戶的相位，τkpl=τk+τkpl為了檢測所有用戶的第p組并行支路上的符號，只需要相應L個子載波上的信號，經帶通濾波器，得到第l個子載波的第k個用戶的信號為：

經相應匹配濾波器可得到：y1=[y1l，y2l，…，ykl]T，

當接收端同步跟蹤鎖定后，有τkpl＝0和φkpl＝0，濾去高次諧波，于是：

式中：nld為相應匹配濾波器輸出噪聲和；第一項是第k個用戶的第P組并行支路的第一個符號位；第二項是第k個用戶受到其他用戶的多址干擾；第l個子載波上的用戶i，對用戶k的平均多址干擾可以寫成：

獲得一個用戶的一個符號位需要L個子載波分集接收，則該用戶L個子載波受到的多址干擾為：

從式（13）可知，多址干擾的大小與用戶所使用擴頻碼的非周期互相關函數有關，通過選擇互相關性小的擴頻序列可以抑制多址干擾。

2.6 仿真分析

在數值仿真中，考察P=1和P＞1的性能。如果不是特別說明的情況，假定P=1,L=1對應單載波擴頻系統的可恢復多徑數目為L1=12，由式（4），得到隨著P和L的增加，相應的多載波直擴系統的可恢復多徑數目的變化規律，如表1所示。

表1 可恢復多徑數目與系統參數配置關系(L1＝12)

典型的低壓電力線信道最大時延擴展Tm=1 μs(信道的最大路徑時延擴展Tm=n1Tc1)，為保證系統中每個子載波衰落是無選擇性的，相鄰子載波的衰落是相互獨立的PL應該滿足12≤PL≤13，λ≥1/11，這里取λ=0.1。若在電力線1～30 MHz頻率范圍內，根據測試結果，選擇測試環境下的信號衰減相對較小的頻帶(7～20 MHz)進行信號傳輸，λ=0.1，PL=12相應的單載波系統最大傳輸速率為11 MHz，實際上由于多徑衰落單載波系統已無法達到，而對于多載波系統不同系統參數配置下可傳輸數據的最大速率如表2所示。

表2 系統最大傳輸比特率與系統參數配置關系（L1＝12）

（1）不同的參數配置對系統性能的影響

為考察系統抗多徑干擾的能力，只在背景噪聲下仿真。從圖3中可以看到P=3，L=2的系統性能優于P=2,L=1的系統性能，并且隨著信噪比的增大，2種配置下系統性能都有所提高，但P=3，L=2的系統性能仍然優于P=2,L=1的系統性能。從表1中可見這2種不同的配置下，信道可恢復路徑數目有所差異，在P=3,L=2時可恢復路徑數目為2，而P=2,L=1時可恢復路徑數目為6，仿真時在每路子載波上只采用一個匹配濾波器進行接收，這樣后者將受到更多的多徑干擾，因此性能劣于前者。

（2）單載波DS-CDMA系統與MC-DS-CDMA系統性能的比較

圖4為傳統的單載波DS-CDMA系統P=L=1與MC-DS-CDMA系統 (P=4,L=3)兩者的性能比較。單載波系統采用RAKE接收，多載波系統采用最大合并比接收。

從仿真結果可以看出，在相同的信噪比條件下多載波系統的誤碼率性能優于單載波系統的誤碼率，能支持更多的用戶數。這是由于MC-DS-CDMA系統把串行的碼元變成并行的碼元在并行信道上傳輸，在占用相同的傳輸帶寬下，MC-DS-CDMA系統中子信道上的碼元時寬比單載波系統要寬得多，因此短時脈沖噪聲對其碼元的影響也相對要小得多，而且每個碼元僅占用整個信道頻帶的一小部分，脈沖噪聲的功率分布到每個子信道上后有所減弱，也減少了對該子信道上碼元的干擾，將突發錯誤有效隨機化，使多個碼元承受細微的失真，不影響數據的恢復重構。

（3）多用戶環境下的系統性能

為考察多址干擾對系統性能的影響，只考慮在背景噪聲下，信噪比為25 dB時的用戶容量的比較，N是擴頻增益，滿足式(2)。

從圖5中可見，在用戶數較少時，子載波數P=3,L=4系統性能要好于P=4,L=3系統性能；而在用戶容量較大時，P=4,L=3好于P=3,L=4系統。可見，在總子載波數一定時，MC-DS-CDMA系統支持的用戶數是不同的。在用戶數較少時，P較小(相應地L較大)的MC-DS-CDMA系統有更好的性能；在用戶數較多時，P較大 (相應地L較小)的MC-DS-CDMA系統性能更好。這是因為在用戶數較少時，多址干擾對系統性能的影響不顯著，P=3，L=4多載波系統采用了更多的分集路數，因而比P=4,L=3多載波系統有更好的性能。但隨著用戶數的增加，多址干擾也隨之增加，傳輸相同數據的子載波數L較少的，受到的多址干擾也較少，所以此情況下P=4,L=3多載波系統比P=3,L=4多載波系統具有更好的性能。

3 結束語

針對低壓電力線信道的多徑傳輸特性，給出了MC-DS-CDMA系統在低壓電力線進行數據通信的信號傳送、接收與干擾和性能分析。該系統利用數目較少的子載波傳輸就可以解決ISI的影響，而且具有較好的抗脈沖噪聲的能力，由于采用相同比特的子載波支路同時在不同的子信道上傳輸，也可獲得頻率分集。仿真結果說明在多徑衰落信道中，當載波的數目增加時，每個子載波上的帶寬相應減小，在每個子載波上的可恢復路徑數目下降，當恰當地選擇子載波的數目時，可實現每個子載波上單路徑衰落。

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