面向可靠性的電力線通信OFDM系統(tǒng)資源分配算法

胡　星，李　擘

（1.華北計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程研究所，北京　100083；2.國家電網(wǎng)電力科學(xué)研究院，北京　100192）

面向可靠性的電力線通信OFDM系統(tǒng)資源分配算法

胡星1，李擘2

（1.華北計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程研究所，北京100083；
2.國家電網(wǎng)電力科學(xué)研究院，北京100192）

當(dāng)前OFDM已經(jīng)成為電力線通信的主流技術(shù)，但是由于國內(nèi)的電力線信道普遍存在噪聲特性極為惡劣、復(fù)雜多變，嚴(yán)重影響了通信質(zhì)量。本文針對該問題，系統(tǒng)性地提出了一種面向可靠性的電力線通信OFDM系統(tǒng)資源分配算法；該算法能夠根據(jù)信道噪聲特性計(jì)算每個(gè)子載波實(shí)現(xiàn)可靠通信的功率值，在此基礎(chǔ)上對OFDM的資源分配進(jìn)行優(yōu)化，在保證高通信可靠性的同時(shí)發(fā)揮OFDM的已有優(yōu)勢。本文結(jié)合PLC智能用電信息采集應(yīng)用對所提的頻帶優(yōu)化機(jī)制進(jìn)行現(xiàn)場測試，測試結(jié)果驗(yàn)證了OFDM的頻帶優(yōu)化算法的有效性。

電力線通信；OFDM；頻帶優(yōu)化；信道噪聲

0　引言

經(jīng)過多年的發(fā)展，OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技術(shù)逐漸成為電力線通信的主流技術(shù)之一，在智能配用電領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景［1］。目前，圍繞電力線通信的OFDM技術(shù)，在通信信道的特性分析和建模［2-3］、關(guān)鍵的調(diào)制解調(diào)技術(shù)、載波通信芯片及相應(yīng)產(chǎn)品、各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)約的制定等方面都取得了一定的成果。國際上形成了HomePlug、Prime和 G3等標(biāo)準(zhǔn)組織，對推動(dòng)基于OFDM的電力線通信技術(shù)的發(fā)展起到了重要作用。

作為電力線通信OFDM技術(shù)發(fā)展新趨勢，自適應(yīng)OFDM技術(shù)能夠根據(jù)每個(gè)子載波的信噪比，動(dòng)態(tài)地分配子載波和每個(gè)子載波上的比特?cái)?shù)及發(fā)射功率，有效降低惡劣信道特性對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懀?］。

針對室內(nèi)電力線通信OFDM系統(tǒng)，參考文獻(xiàn)［5］提出一種在多鏈路功率譜限制下的子載波和功率分配算法，并仿真了多種可變信道條件下算法性能。參考文獻(xiàn)［6］提出了一種解決信號功率譜限制條件下的多用戶頻譜優(yōu)化快速算法。在HomePlug AV標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，參考文獻(xiàn)［7］提出了在保證誤碼率和平均誤碼率條件下最大化系統(tǒng)容量的2種比特分配算法，并仿真比較了它們的性能。參考文獻(xiàn)［8-9］針對電力線通信系統(tǒng)提出一種在功率譜限制條件下比特分配算法，利用貪婪法原理設(shè)計(jì)分配算法，降低了算法的運(yùn)算量。以上文獻(xiàn)雖然對電力線通信中多業(yè)務(wù)資源分配問題進(jìn)行了深入研究，但是僅僅限于仿真。

然而在實(shí)際應(yīng)用中，國內(nèi)的電力線信道本身存在著固有的噪聲環(huán)境惡劣而且復(fù)雜多變的難題。在此惡劣復(fù)雜的噪聲環(huán)境下，標(biāo)準(zhǔn)的電力線通信OFDM系統(tǒng)（如HomePlug AV和Prime）仍然面臨通信可靠性問題，難以發(fā)揮OFDM的優(yōu)勢，這已成為亟待解決的問題。針對該難題，本文對基于OFDM的PLC頻帶分配技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)研究，系統(tǒng)地提出一種基于可靠性因子的OFDM電力線通信頻帶分配優(yōu)化算法，在發(fā)揮OFDM技術(shù)優(yōu)勢的同時(shí)保證OFDM的通信可靠性，為提高PLC的OFDM系統(tǒng)通信質(zhì)量提供有力支撐。

1　OFDM電力線通信信道噪聲測量分析

噪聲是影響電力線通信質(zhì)量的重要特性之一，電力線信道的噪聲建模是PCL領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容。已有的研究雖然提出了一些噪聲模型，但由于國內(nèi)電力線信道的噪聲環(huán)境極為惡劣、復(fù)雜多變，PCL信道噪聲難以建立適用的數(shù)學(xué)模型［10-11］。

由于電力線信道噪聲的惡劣影響，現(xiàn)有的OFDM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在一定程度上難以保證PLC的可靠性。為此，本文對四個(gè)不同類型的臺(tái)區(qū)的電力線信道噪聲進(jìn)行實(shí)際測量，如圖1所示。根據(jù)圖1的測量結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：（1）由于信道噪聲的惡劣性，難以保證標(biāo)準(zhǔn)的OFDM中所有子載波頻帶全部可用；（2）PLC的信道仍然存在著若干噪聲特性較為良好的頻帶，為OFDM通信提供了可用的頻帶窗口。

圖1　臺(tái)區(qū)電力線信道噪聲頻譜圖

因此，對 OFDM電力線通信的研究和應(yīng)用中，保證通信的可靠性是自適應(yīng)OFDM子載波頻帶分配算法研究的首要基礎(chǔ)。

2　電力線通信OFDM頻帶分配優(yōu)化模型

在自適應(yīng)OFDM中，通過信道訓(xùn)練和估計(jì)可以獲得子載波n的傳遞函數(shù)和噪聲功率。定義其單位功率載噪比為：

則子載波n最大傳輸比特?cái)?shù)為：

可靠性是電力線通信質(zhì)量的首要前提，而誤碼率則是可靠性的重要指標(biāo)之一。因此本文選用誤碼率作為判定可靠性的依據(jù)。在已知噪聲功率的情況下，可以根據(jù)OFDM系統(tǒng)對誤碼率的可靠性要求，得出子載波滿足可靠通信所需的最小信號功率，以作為可靠性約束條件。如公式（3）所示：

其中，eT為系統(tǒng)對誤碼率的可靠性要求。

因此，多業(yè)務(wù)自適應(yīng)OFDM系統(tǒng)的頻帶資源分配優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型為：

其中，ck，n表示子載波n是否分配給業(yè)務(wù)k，如果分配則為1，否則為0；Ptotal為總功率上限，為子載波功率上限。以上數(shù)學(xué)模型只有子載波功率上限和下限以及系統(tǒng)總功率上限，速率方面不做限制。則所提出的頻帶優(yōu)化分配目標(biāo)在保證OFDM系統(tǒng)通信可靠性的前提下，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容量的最大化。

3　基于可靠性因子的頻帶分配優(yōu)化算法

為了降低求解的復(fù)雜度，本文根據(jù)可靠性因子確定子載波分配功率，再根據(jù)公式（2）將rn變成常數(shù)，故上述頻帶分配優(yōu)化問題可以分為三個(gè)階段來求解：

（1）確定可用子載波集：將各子載波信號功率初始化為零。根據(jù)所設(shè)定的可靠性約束條件，在子載波功率上限條件下，初步分配各子載波信號功率。

（2）子載波比特資源初步分配：根據(jù)子載波功率上限和比特?cái)?shù)的下限確定該子載波比特?cái)?shù)。

（3）子載波功率優(yōu)化調(diào)整：計(jì)算剩余功率；按照子載波噪聲功率降序排列；再將所得的剩余功率和比特?cái)?shù)按次序分配給子載波，最終實(shí)現(xiàn)OFDM系統(tǒng)容量的最大化。

3.1確定可用子載波集

首先將各子載波信號功率初始化為零。根據(jù)所設(shè)定的可靠性約束條件，在子載波功率上限條件下，初步分配各子載波信號功率。第一階段的算法步驟如下：

（1）將各子載波信號功率和比特?cái)?shù)初始化為零；

（2）根據(jù)公式（3）的可靠性約束和功率上限計(jì)算出各子載波的初始功率；

（3）將滿足可靠性約束和功率上限的子載波納入可用子載波集；

（4）如果該子載波在可靠性約束下，功率超過子載波功率上限，則該子載波為不可用，舍棄該子載波；

（5）最終形成可用子載波集。

3.2子載波頻帶資源初步分配

第二階段是在確定可用子載波集的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)業(yè)務(wù)數(shù)k以及每個(gè)業(yè)務(wù)的優(yōu)先級，進(jìn)行子載波比特?cái)?shù)的初步分配。算法第二階段步驟如下：

（1）對于每一個(gè)可用的子載波，根據(jù)公式（2）確定其可分配比特?cái)?shù)。

（2）根據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)先級和所需帶寬，依次為業(yè)務(wù)分配子載波的比特?cái)?shù)；若子載波n分配給業(yè)務(wù)k，則標(biāo)記子載波分配Ck，n=1。重復(fù)此步驟，直到子載波數(shù)用盡為止。

（3）對各業(yè)務(wù)的子載波分配滿足情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分為已滿足業(yè)務(wù)集ψy和未滿足業(yè)務(wù)集ψn。

3.3子載波功率優(yōu)化調(diào)整

第三階段進(jìn)一步對子載波頻帶分配進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容量最大化的優(yōu)化分配目標(biāo)。算法第三階段的步驟如下：

（1）計(jì)算剩余總功率。

（2）根據(jù)公式（5）計(jì)算子載波每增加1比特的功率變量，按照其最大可分配比特?cái)?shù)上限建立功率變量表［4］。

（3）對于系統(tǒng)容量未最大化的業(yè)務(wù)，查表選擇最小功率增量的子載波加配1比特，更新資源分配情況表。重復(fù)此步驟，直到總功率約束不滿足為止。

4　測試結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證所提出的基于可靠性因子的OFDM電力線通信頻帶優(yōu)化分配算法的有效性，本文以智能用電信息采集系統(tǒng)應(yīng)用為例，選擇了兩個(gè)試點(diǎn)臺(tái)區(qū)進(jìn)行測試。

臺(tái)區(qū)a位于城鄉(xiāng)結(jié)合帶，需要抄表總數(shù)為872塊（871個(gè)用戶+1個(gè)集中器）；每塊表需要抄讀4個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)（F161日凍結(jié)1項(xiàng)以及F215的3項(xiàng)）。臺(tái)區(qū)a的變壓器電壓等級10kV/380V，容量800kVA。選取40kHz～100kHz為電力線通信的工作頻帶。

臺(tái)區(qū)b位于城市居民小區(qū)，需要抄表總數(shù)為501塊（500個(gè)用戶+1個(gè)集中器）；每塊表需要抄讀的數(shù)據(jù)項(xiàng)與臺(tái)區(qū)a相同。臺(tái)區(qū)b的變壓器電壓等級10kV/380V，容量500kVA。電力線載波工作頻帶亦為40kHz～100kHz。

臺(tái)區(qū)d為某農(nóng)村用電區(qū)域，需要抄表總數(shù)為325塊（324個(gè)用戶+1個(gè)集中器）；每塊表需要抄讀的數(shù)據(jù)項(xiàng)與臺(tái)區(qū)a相同。臺(tái)區(qū)c的變壓器電壓等級10kV/380V，容量400kVA。電力線載波工作頻帶同上。各臺(tái)區(qū)的算法性能比較如表1～表3所示。

表1　算法性能比較（臺(tái)區(qū)a城鄉(xiāng)結(jié)合帶）

表2　算法性能比較（臺(tái)區(qū)b城市居民區(qū)）

表3　算法性能比較（臺(tái)區(qū)d農(nóng)村）

表1、表2和表3的比較顯示，標(biāo)準(zhǔn)的OFDM的通信可靠性受電力線信道噪聲影響較大，不同的臺(tái)區(qū)環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸成功率較低，不具備較強(qiáng)的用電環(huán)境適應(yīng)能力。本文算法能夠達(dá)到較高的抄收成功率和誤碼率，但是總傳輸速率上與標(biāo)準(zhǔn)的OFDM相比略有降低，需要進(jìn)一步改進(jìn)。

5　結(jié)束語

本文針對基于OFDM的電力線載波通信中信道噪聲特性極為惡劣復(fù)雜所導(dǎo)致的通信質(zhì)量問題，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求，提出了一種基于可靠性因子的OFDM電力線通信頻帶分配優(yōu)化算法。通過PLC智能用電信息采集系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用和測試，表明該算法在有效保證OFDM電力線通信可靠性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了頻帶資源優(yōu)化分配模型的目標(biāo)。

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Reliability factor based frequency-band allcation optimization in OFDM power-line communication

Hu Xing1，Li Bo2

（1.National Computer System Engineering Research Institute of China，Beijing 100083，China；
2.State Grid Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China）

The OFDM has previously become the main trend of PLC.However，current OFDM based PLC technologies fails to make sure the communication reliability due to the bad environment of noise.To solve this problem，this paper proposes a reliability-factor based frequency-band allocation optimization algorithm of OFDM power-line communication.The reliability-factor is defined in this algorithm which is able to calculate the value of reliability-factor according to the characteristics of noise.Thus，the frequency-band allocation optimization of OFDM can be conducted，aimed to improve the reliability and keep the advantage of OFDM.The experimental results show the validity and efficiency of this proposed algorithm.

powerline communications；OFDM；frequency-band allocation；interchannel noise

TM73；TP3

A

1674-7720（2015）15-0015-03

胡星，李擘.面向可靠性的電力線通信OFDM系統(tǒng)資源分配算法［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2015，34（15）：15-17，21.

2015-04-22）

胡星（1983-），女，碩士，工程師，主要研究方向：電力線載波通信、電力系統(tǒng)自動(dòng)化。

李擘（1982-），男，碩士，工程師，主要研究方向：電網(wǎng)技術(shù)、電力系統(tǒng)自動(dòng)化。