基于分子帶電力線載波速率最大化算法

梁丹丹， 董天強， 陳 波， 林曉慶

(貴州電網有限責任公司貴陽供電局，貴陽 550001)

基于分子帶電力線載波速率最大化算法

梁丹丹， 董天強， 陳 波， 林曉慶

(貴州電網有限責任公司貴陽供電局，貴陽 550001)

在Q/GDW 1379.4-2013通信單元檢驗技術規范對載波通信單元功率消耗的限定要求下，為了有效提高低壓電力集抄臺區電能信息的采集速率，建設高速實時、雙向智能的用電信息采集系統，提出了一種基于分子帶的電力線載波速率最大化算法。以帶寬2～30 MHz為信號載頻，結合Homeplug AV規約下的子載波自適應調制方式，將相鄰子載波進行邏輯分組為子帶，以中值信噪比門限算法為基礎，融入貪婪功率分配機制，合理分配分子帶比特數，得到了最大化載波速率。仿真結果表明：較傳統的信噪比門限算法和Homeplug AV自適應比特分配算法，提出的算法具有更高的載波速率，而相比于傳統貪婪算法，雖達到的載波速率略低，卻極大地降低了計算復雜度和硬件開銷。

功率消耗； 電力集抄； 分子帶； 自適應調制； 信噪比門限

0 引 言

近年來，強調電力用戶參與需方響應的“智能用電”[1]成為了我國堅強智能電網[2]建設的研究熱點，智能計量與集抄系統，作為“智能用電”重要的組成部分，肩負著我國電網千家萬戶居民用電信息的采集與分析任務，是社會公眾感知電網智能化服務的關鍵所在。自2009年以來，根據國家電網公司的統一標準，智能計量與集抄系統在國內供配電臺區得到了大規模的建設與覆蓋，以電力線載波(PLC)技術為主干網的遠程自動化集抄方式實現了電能數據的采集、匯聚、存儲和傳輸。然而，國內廣泛覆蓋的窄帶電力線載波集抄方案僅能給智能計量與集抄系統帶來150～2 400 bit的信息傳輸速率，難以滿足智能用電系統海量電能信息流[3-4]的實時分析、管理與處理需求。因此，制定高速、雙向、準確、穩定的自動化集抄策略，是實現電力用戶與電網供配電業務實時互動的關鍵所在。

Homeplug Alliance是立足于提供電力線規范和接口的商業聯盟，針對窄帶電力線載波技術數據傳輸速率慢、組網時效性低、抗干擾能力差等缺點，結合智能電網要求的低能耗、低成本的解決方法，制定了以2～30 MHz為載頻的Homeplug AV集抄方案。Homeplug AV規約采用正交頻分復用技術(OFDM)，最先投用于家庭電力線寬帶的接入和高速音視頻信息的共享，其物理層支持最大可達200 Mb/s的數據傳輸速率，將Homeplug AV技術應用于低壓電力集抄系統內的電能信息匯聚設備，如集中器，可大幅縮短終端電能表的組網、抄表時間，提高通信單元的抗電網噪聲、抗衰減干擾的能力。國家電網公司的《Q/GDW 1379.4-2013通信單元檢驗技術規范》中明確規定了集中器本地通信單元的動態功耗要小于6 W，而現有的Homeplug AV集抄產品的實際功耗普遍超標，通信單元工作溫升值大于25 K。其原因主要緣于通信單元調制解調芯片的比特、功率分配方式欠佳。在已有文獻的電力線載波通信比特與功率分配算法中，以注水法及其改進算法[5-11]居多，其分配方式可使子載波速率為任意實數，對信道輸入總功率和子載波功率裕量進行了貪婪式的利用，得到了較為虛高的系統吞吐量，并且算法會根據當前子信道的增益情況來對各個子載波的信息進行逐一的自適應編碼、調制，因而會傳遞大量的信令和信道反饋信息，無形之中降低了頻譜利用率。實際上，當子載波速率為非整數時，OFDM系統及浮點DSP處理器實現起來就已非常困難，且會占據大量硬件開銷。若對OFDM子載波進行邏輯分組，將相鄰的子載波劃分為一個子帶，以分子帶為最小單位進行自適應編碼、調制，并且對子載波比特加載的粒度加以限制，則比特與功率分配算法可在硬件上較易實現，且能有效降低功耗。基于此，本文提出了一種基于分子帶的電力線載波速率最大化算法，該算法以中值信噪比門限算法為基準，合理控制子載波比特加載的粒度，對分子帶功率裕量進行貪婪分配，得到最大化的載波速率，以提升低壓電力集抄效率，滿足智能用電系統的建設需求。

1 載波信號功率優化準則

按照《Q/GDW 1379.4-2013通信單元檢驗技術規范》及文獻[12]中提到的測試方法，對某Homeplug AV集抄產品的信號功率進行了檢測，在頻譜分析儀上得到的圖形如圖1所示。

圖1 Homeplug AV集抄產品的信號功率檢測

從圖1可以看出，該Homeplug AV集抄產品的工作頻段為1.8～28 MHz，滿足低壓寬帶電力線載波技術要求。在頻率9.13 MHz處，載波信號功率達到最大，為14.78 dBm。考慮到測試儀器誤差、通信單元硬件電路板上電容、電感對載波信號的吸收、衰減以及耦合器件產生的耦合衰減作用，粗略估算載波信號功率的初始值為20 dBm，該功率即通信單元對電力線信道的輸入總功率。假設低壓電力線OFDM系統的信道估計準確，反饋誤差和信令延遲均可忽略，各子載波上的誤碼率BER(i)與其分配的功率εi、比特數bi和信噪比gi有關，記作BER(i)=y(εi,bi,gi)，gi為發射功率為單位1時的信噪比值。設信道輸入總功率Etotal=20 dBm，則各子載波所得功率需滿足:

(1)

式中,εi>0。

2 電力線載波分子帶劃分算法

在充滿電力諧波、用電設備噪聲、多徑衰落、阻抗不匹配的低壓電力線信道中，無論采用什么樣的調制方式、編碼方法，數據的傳輸速率總會低于理論的信道容量。考慮電力線信道中存在的影響因子，設定在第i個子載波上傳輸的比特速率bi與信噪比gi之間的關系為

(2)

其中:Γ為信噪比差額。

載波速率最大化，即在總發射功率Etotal一定的條件下，通過在多個子信道間合理分配比特數和傳輸功率來使整個信道的傳輸速率最大，也即使得

(3)

最大化。

(4)

設H′(i)為第i個子載波的頻率響應估計值，g′(i)為其信噪比估值,則子載波i的信道估計誤差為

(5)

由劃分子帶引入的信噪比誤差

(6)

子載波i在劃分的分子帶s內，其實際的信噪比誤差為

(7)

要使子載波分組帶來的系統頻譜利用率的損失最小，需滿足

(8)

分子帶劃分算法的實現流程如圖2所示。

圖2 分子帶劃分算法的實現流程

3 速率最大化算法

(2) 根據分子帶劃分算法得到分子帶數S的值。

(3) 對基于Homeplug AV規范的OFDM自適應調試方式下的系統誤碼率BER進行仿真，根據目標BER來確定各調制方案對應的信噪比門限θj。

(9)

式中,θA為分子帶s最終采用的調制方式所對應的信噪比門限值。

(5) 計算各載波分子帶的功率裕量

(10)

以及總的功率裕量

(11)

若Ψ>0，表示存在功率裕量，找到ηs>0的子帶群中對應信噪比差值ds最大的分子帶，使該分子帶內載波信號的調制方式向上升一級(如QPSK→16QAM)，返回(5)至Ψ≤0；若Ψ=0，表示無功率裕量，不進行功率、比特分配方式的調整；若Ψ<0，表示當前分子帶的功率分配方式超前，將有部分分子帶缺乏發射功率，此時須找到ηs<0的分子帶群中對應信噪比差值ds最大的分子帶，使其調制方式向下降一級(如1024QAM→256QAM)，返回步驟(5)至Ψ≥0。

(6) 對載波分子帶的功率進行調整。由式(1)可知，在某個分子帶上傳輸b個比特所需的功率εs(b)=(22b-1)/gs×Γ。定義β為低壓電力線信道上傳輸的最小信息增量間隔(粒度)，各分子帶的功率增減量:

(12)

且Δεs(b)=ηs。

(7) 貪婪分配分子帶功率裕量。對所有的載波分子帶，找出特定的分子帶φ，使得:

(13)

(14)

(9) 將式(14)代入式(3)，得到最大化的載波速率:

(15)

4 實驗仿真分析

4.1 誤碼率分析

為驗證所提算法的性能，選取Homeplug AV規約上關于低壓寬帶電力線載波技術的參數，如表1所示。

表1 Homeplug AV規約技術參數

設定低壓電力集抄系統所能容忍的誤碼率門限為BERΣ=10-4，由文獻[8]中提供的BPSK、QPSK和M-QAM調制方式下的誤碼率公式，仿真得到其誤碼性能曲線，如圖3所示。

圖3 Homeplug AV調制方式下的誤碼性能分析

根據圖3給出的BER曲線，可以得到在誤碼率為10-4時，各調制方式對應的信噪比門限值，即θ0=8.5 dB，θ1=12.3 dB，θ2=12.8 dB，θ3=16.5 dB，θ4=20.6 dB，θ5=25.6 dB。

4.2 載波速率分析

由Homeplug AV調制方式在單位碼元周期內傳輸的比特數可知，粒度β=2。對本文所提算法采用蒙特卡洛法進行計算仿真，仿真次數1 000次，得到的圖形如圖4所示。

圖4 載波速率仿真與比較

由圖4可以看出，所提算法對OFDM子載波進行了合理的劃分、歸類，避免了大量信令的開銷與功率浪費，提高了頻譜利用率，采用中值信噪比門限法對載波分子帶進行動態比特調制，有效地規避了信道增益衰減，對載波分子帶的功率裕量融入了貪婪分配機制，在信噪比為20 dB處取得了250 Mb/s的載波速率，分別是基于Homeplug AV規約和原信噪比門限算法的1.3、1.7倍。所提算法限定了原貪婪算法的最小信息增量粒度為整數，在每一次的比特分配過程中，對所需功率增量最小的分子帶分配2粒度的信息，會使得某些非整數載波比特的分子帶對信息增少補多，間接地造成了一定的性能損失，因此所提算法所得的載波速率較原貪婪算法低。然而，所提算法對功率裕量進行分配時，一共需做Etotal次迭代，在迭代過程中需做2S次功率比較，算法復雜度為O(Etotal×2S)。原貪婪算法未對粒度β做整數界定，在做Etotal次迭代時，需做N×N次功率比較，算法復雜度為O(EtotalN2)。通常，分子帶取值S<

5 結 語

以“智能用電”環境下的智能計量與集抄系統[14]為應用背景，結合國網通信單元檢驗技術規范對載波通信單元功率消耗的限定要求，提出了一種基于分子帶的電力線載波速率最大化算法。實驗結果證明，所提算法在線路衰減、噪聲干擾和輸入阻抗呈時變性的低壓電力線信道里能夠有效提高子載波傳輸速率，降低硬件開銷。在信噪比為20 dB時，載波速率可達到250 Mb/s，是智能電網應用需求的2 000倍[15]。依托該傳輸速率，可使低壓電力集抄臺區的負控終端、電能表的組網、采集時間縮短至秒級，為電力公司營銷系統的業務遞推和雙向互動[16]奠定了理論基礎。

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Research on Rate Maximization Algorithm Based on Sub-bands for Power Line Carrier

LIANGDandan，DONGTianqiang，CHENBo，LINXiaoqing

(Guizhou Power Grid Co., Ltd., Guiyang Power Supply Bureau, Guiyang 550001, China)

In order to develop the collection efficiency for power utilization information in low voltage power metering area, a high speed, real-time and bilateral intelligent power utilization information collection system is constructed under the demand of limitation for communication unit power consumption defined in Q/GDW 1379.4-2013 technical specification. A rate maximization algorithm based on sub-bands for power line carrier is proposed. In the algorithm, signal carrier band is 2～30 MHz. The adaptive sub-carrier modulation based on Homeplug AV statute is combined to make the neighboring sub-carriers be a unit sub-band. The greedy power allocation is assimilated into the average SNR threshold algorithm to allocate the bite on each sub-band which we set so as to acquire the maximal carrier rate. Simulation results show that the algorithm proposed owns a higher carrier rate compared to the classical SNR threshold algorithm and Homeplug AV method. Although it has weaker rate compared to the classical greedy algorithm, it cuts greatly the calculating complexity and hardware consumption.

power consumption; power metering; sub-bands; adaptive modulation; signal to noise ratio(SNR) threshold

2016-04-18

貴州省科技廳基金項目(黔科合LH[2014]7614);貴州電網科技項目(GZ2014-2-0006)

梁丹丹(1979-)，女，高級工程師,貴州貴陽人，現從事計量信息自動化管理工作。E-mail:zk8008h@qq.com

TM 73；TN 913.6

A

1006-7167(2017)02-0136-05