寬帶電力載波信號性能淺析

梁丹丹吳 浩貴州電網公司貴陽供電局，煙臺東方威思頓電氣股份有限公司

寬帶電力載波信號性能淺析

梁丹丹1吳 浩2
貴州電網公司貴陽供電局，煙臺東方威思頓電氣股份有限公司

梁丹丹（1979-）女，漢族，貴州貴陽人，上海電力學院工學學士，現從事計量信息自動化管理工作。曾獲全國電力行業信息化成果二等獎一項，三等獎五項，優秀獎一項。

隨著智能電網在配用電環節的建設與推進，智能用電信息采集系統成為實現智能電網“信息化、自動化、互動化”的重要技術支撐和關鍵載體。為真正實現電力能源供應者與電力能源使用者的互動交流，需要構建高速、實時的通信網絡。此外，在配電網終端，越來越多的電力用戶開始接受并使用以智能交互終端和智能家用插座為核心構建的智能家居網絡，通過該網絡，可以輕松實現家電控制、高清音視頻服務、能耗監測管理等功能。這一切，都需要有高速、靈活的通信技術作為支撐。

為了實現高速通信，正交頻分復用調制技術（OFDM：Orthogonal Frequency Division Multiplexing） 被 廣 泛用于高速電力載波技術規范中，如：Maxim Integrated Products（美信公司）發布的G3-PLC協議、家庭插電聯盟（HomePlug Powerline Alliance）提出的 HomePlug 1.0和HomePlug AV以及電力線智能電表進化聯盟（PRIME ALLIANCE-PoweRline Intelligent Metering Evolution）提出的PRIME協議。

本文首先對OFDM技術進行簡略介紹，然后針對基于OFDM技術的寬帶協議進行對比分析，最后通過仿真實驗驗證不同協議的優缺點。

OFDM 技術

正交頻分復用技術在20世紀60年代就已經提出，但是由于受到模擬濾波器技術的限制，該技術一直難以實現，直到 20世紀70年代， 離散快速傅里葉變換的實現才為OFDM的實用化奠定了基礎。OFDM目前己經廣泛應用于無線通信領域，包括日常生活中的無線局域網、數字廣播電視和3G移動通信。由于OFDM技術有諸多優勢，所以人們已經將OFDM的這些優點與各自的研究領域結合了起來，其中也包括了我們關心的電力線通信領域。

OFDM的主要思想是將傳輸信道（電力信道）的可用頻段范圍分成若干正交子信道，然后將需要傳輸的高速數據信號轉換成并行的低速子數據流信號，調制到在每個子信道上進行傳輸。在實際使用中，可以通過在接收端利用相關技術對接收的信號進行分離，這樣可以有效減少子信道之間的相互干擾 。

OFDM是一種多載波傳輸技術，一個OFDM符號內包含多個經過調制的子載波。假設N 表示子信道的個數，T 表示 OFDM 符號的持續時間，即符號周期，d（i i=0，1，...， N-1）為分配給每個子信道的數據符號，fc為第 0 個子載波的載波頻率，fi 為第 i 個子載波的載波頻率，有fi=fc+i/T，rect（t）=1，，則從t = ts開始的 OFDM 符號可以表示為：

圖1 OFDM基本原理框圖

由圖1可知，傳輸時，將需要傳輸的信息比特獨立分配到各個子載波上， 各子載波的幅度和相位由調制模式（如BPSK、16QAM、64QAM等）決定，調制后的等效OFDM的輸出信號如公式2所示：

寬帶通信協議

基于OFDM技術，家庭插電聯盟（Homeplug powerline Alliance）提出了以Homeplug GP（HomePlug Green PHY）和Homeplug AV（Homeplug Audio and Video）為代表的高速電力載波傳輸方案［6-7］。該方案以電力線信道為信號傳輸通道，使用能夠抵抗電網噪聲和多徑衰落的正交頻分復用技術（OFDM：Orthogonal Frequency Division Multiplexing）做為信號調制、解調方式，并輔以功率、比特的自適應分配算法，實現了信號的高速、穩定傳輸。

Homeplug GP標準和Homeplug AV標準均適用于以頻段2～30MHz為信號載頻的寬帶電力線載波通信系統。Homeplug AV標準是IEEE 1901電力標準的基本技術，其信號子載波采用自適應調制方式，信號最大速率可達200 Mbps，而Homeplug GP標準是一種小成本、低功耗的通信規約，信號最大速率為10Mbps。Homeplug GP標準和Homeplug AV標準在電力線網絡協議方面具備互相操作的能力，即Homeplug GP標準向上兼容Homeplug AV標準，而Homeplug AV標準則向下支持Homeplug GP標準。二者都具備物理層（PHY層）和控制層（MAC層），區別主要體現在通信鏈路層，其對比分析如下。

PHY層對比分析

Homeplug AV標準和Homeplug GP標準的PHY層的最大區別就是數據傳輸速率。在PHY層，Homeplug AV標準可實現數據傳輸速率達到200Mbps，而Homeplug GP標準僅可實現10Mbps，速率差值巨大主要是因為：

1）Homeplug GP標準限制了OFDM子載波調制方式，只采用QPSK作為載波比特的調制方式，由此導致單位碼元周期內傳輸的數據量有限，而Homeplug AV標準具有BPSK、QPSK、64QAM和256QAM等多種調制方式，可針對低壓電力線時變的信道特性選擇不同的比特調制方法，結合信道容量最大化算法使得載波信號速率達到最大。

2）Homeplug GP標準限制了數據速率的魯棒模式，從而消除了自適應比特加載的管控基調，而Homeplug AV標準具有20～200 Mbps的自適應比特加載控制機制，使得子載波能夠自動偵聽信道增益，根據信道特性的優劣程度自適應選擇子載波比特的加載模式。

MAC層對比分析

Homeplug AV標準和Homeplug GP標準的MAC層均具有集中性，但就信道訪問方式而言，Homeplug AV標準的MAC層更具靈活性，它的1155個子載波可通過系統預設的信道估計模型來反饋信道的實時狀態，從而制定信號調制解調、編碼解碼和前向糾錯等方式，而在Homeplug GP標準的MAC層，為了節省子載波對信道偵聽的比特開銷，降低子載波比特加載的發射功率和硬件資源開銷，省略了系統預設的信道估計反饋映射功能。

從PHY層和MAC層的性能對比分析可以看出，Homeplug AV標準和Homeplug GP標準各有優劣。總的來說，Homeplug AV標準可實現的數據速率較高，但應用在電力線通信設備中時，會導致設備能耗較大、工作溫升較高；Homeplug GP標準雖然可實現的數據速率較慢，但能耗低、工作狀態穩定，且它采用魯棒模式傳輸數據，能夠進一步加強家庭局域網內的網絡覆蓋力。在超高速（例如家庭影院在線觀看、高清電視等領域）應用場景下，可以選擇Homeplug AV標準作為電力線通信設備的技術規范。而對于某些對QoS等級要求略低、限定功率消耗門閥的電力線通信終端，可以采用Homeplug GP標準（如智能家居生活系統、智能用電信息采集系統、充電樁計量等領域）。

通信調制方式性能對比分析

由表1可知，Homeplug AV標準使用的信號調制方式較多，而Homeplug GP標準僅使用QPSK一種調制方式，下面就BPSK、QPSK、M-QAM（M取16為例）的性能、誤碼率及能量利用率展開對比分析。

QPSK與BPSK、16QAM的性能對比

BPSK調制方式具有設備簡單、抗干擾能力強以及對衰落信道和非線性信道適應力好等優點，但是頻譜利用率很低。QPSK調制方式的抗干擾能力、信道適應性與BPSK相近，而頻譜利用率是BPSK的兩倍，僅稍微增加了設備運算復雜度。16QAM調制方式的頻譜利用率較高，設備相對簡單，但是該方式對于信道的線性、幅相畸變和頻率選擇性衰落非常敏感，必須在采用信道均衡和線性優化措施的情況下使用。

QPSK與BPSK、16QAM的誤碼率對比

由文獻可知，BPSK信號誤碼率是：

QPSK信號解調誤碼率是：

16QAM信號的誤碼率是：

其中，r為輸入信號的信噪比。

在Matlab上分別對BPSK、QPSK和16QAM的誤碼率性能進行仿真調試，得到的結果分別如圖2，3，4所示。

圖2 BPSK誤碼率仿真

圖3 QPSK誤碼率仿真

圖4 16QAM誤碼率仿真

由圖4可以看出，QPSK信號和16QAM信號的誤碼率仿真結果與其各自的理論曲線基本保持一致，但是BPSK信號的誤碼率仿真結果卻與理論曲線差距較大。從頻帶的利用率來看，在相同的數據傳輸速率下，QPSK信號的碼長是BPSK信號碼長的兩倍，因此QPSK信號的頻帶是BPSK信號頻帶的二分之一。同樣的，根據b=log2M可知，16QAM信號在單位符號周期內傳輸的比特數是QPSK信號的4倍，那么16QAM信號的頻帶僅為QPSK信號頻帶的四分之一。

將BPSK、QPSK和16QAM等信號調制方式應用到通信系統中時，應綜合考慮系統可承載的信道容量、時變的信道增益和噪聲干擾等級。為了提高系統運作性能，建立高速、實時、可靠的通信鏈路，需要適當地引入自適應功率比特分配算法、信號功率裕量最大化算法等資源優化策略，以期取得滿意的運行效果。

綜合分析以上幾點內容，聯系Homeplug AV標準的技術內容展現，可知該技術能夠取得較高的系統容量，在匯聚信息流和充當局域網絡網關的作用上可以嶄露頭角，但是該技術由于使用多種調制方式，在面對惡劣的通信信道特性時，其抗環境衰減能力欠佳，不適合遠距離通信，可以應用于住宅內部，如電力貓產品。而對于Homeplug GP標準，它約束了單位載波信號所承載的數據比特，降低了硬件開銷和設備功耗，在不失高速性能的前提下，可以優質、高效地完成小容量數據流的傳輸，比如智能家居生活系統內部的設備狀態信息、上位機控制命令，智能用電信息采集系統內智能電表的當前正向有功電能數據等。若將Homeplug AV標準與Homeplug GP標準進行有機結合，分別應用在智能信息路由網關和智能信息采集節點上，可有力助推智能家居產業、低壓電力集抄系統的迅猛發展。

小結

本文介紹了家庭插電聯盟，分析了該聯盟立足于低壓寬帶電力線載波通信技術的Homeplug AV標準和Homeplug GP標準的PHY層、MAC層性能，并就BPSK、QPSK 和16QAM信號的性能、誤碼率以及能量效率進行了對比分析，給出了Homeplug AV標準與Homeplug GP標準的應用領域建議。隨著低壓電力線載波通信技術的發展，Homeplug標準將給智慧生活、能源管理、多網融合等領域帶來新的應用前景。