基于LDPC編碼的OFDM無線專網通信在輸電線路在線監測的應用研究

仝杰+劉艷麗+楊德龍+雷煜卿

摘 要： 作為智能電網輸電環節必不可少的一部分，輸電線路在線監測系統是實現輸電線路狀態實時管控、提高運行管理精益化水平的重要技術手段。系統通過部署在輸電線路上的終端監測設備來采集信息，但是信息回傳時通信方式的選取需結合線路情況提出最佳的解決方案。對比分析目前輸電線路在線監測系統的通信方式，利用OFDM和LDPC編碼的特點，提出基于LDPC編碼的OFDM無線專網通信系統，選取AWGN和瑞利衰弱這兩個典型情景仿真驗證系統的可靠性，并在山西進行實際應用。該研究為輸電網的建設提供了重要的理論依據。

關鍵詞： 在線監測； 輸電線路； OFDM； LDPC編碼； 無線專網

中圖分類號： TN915.11?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）17?0162?05

Research of LDPC coding?based OFDM wireless special network communication applied to online monitoring of power transmission line

TONG Jie1， LIU Yanli2， YANG Delong1， LEI Yuqing1

（1. Academy of Information and Communications， China Electric Power Research Institute， Beijing 100192， China；

2. School of Electrical and Electronic Engineering， North China Electric Power University， Beijing 102206， China）

Abstract： As an essential part of the power transmission of the smart grid， the online monitoring system of power transmission line is an important technical means to realize the real?time control of power transmission line status and improve the level of operation management. The system gathers information by means of the terminal monitoring device deployed on the power transmission line. However， when transmitting information back， the optimal solution about the communication mode selection needs to be proposed in combination with line status. In this paper， the communication modes of the current online monitoring system of power transmission line are analyzed and contrasted. The OFDM wireless special network communication system based on LDPC coding is proposed by utilizing the characteristics of OFDM and LDPC coding. AWGN and Rayleigh fading as two typical scenes are chosen to simulate and verify the system reliability. The system was applied in Shanxi. The research in this paper provides an important theoretical basis for the construction of the power transmission network.

Keywords： online monitoring； transmission line； OFDM； LDPC coding； wireless special network

0 引 言

近幾年，我國電網規模迅速擴大，復雜地形條件下的電網建設和設備維護工作也越來越多，輸電線路的巡檢和維護更大程度地表現出地域廣、距離長、難度高等特點。因此，對輸電線路本身以及其運行環境的智能化監測成為智能電網改造的重點之一。

輸電線路狀態監測系統通過各種傳感器技術、廣域通信技術和信息處理技術實現各類輸電線路運行狀態的實時感知、監視預警、分析診斷和評估預測[1]。但是，由于輸電線路多分布在野外，運行環境惡劣等，需結合實際情況采用可靠的通信方案來完成數據回傳。本文提出基于LDPC編碼的OFDM無線專網通信解決方案，具備靈活組網，即插即用以及完善的系統保密功能，統一的網管功能等特點，可為輸電線路提供強大的在線監測功能。

1 輸電線路在線監測系統通信方式現狀及問題

1.1 輸電線路在線監測模型及基本需要

隨著電力行業的不斷發展，人們對供電的可靠性、安全性提出了更高的要求，輸電線路在線監測系統也應運而生。系統通過各種傳感技術監測線路情況并采集信息，通過公網/專網/光纖網絡等通信技術傳輸信息到地市、網省主站，實時監控輸電線路運行狀態并及時作出相應處理，確保電力輸電線路的安全運行。圖1給出了輸電線路在線監測系統的基本模型。endprint

輸電線路在線監測系統需要監測的信息數據包括：溫度、相對濕度、風速、風向、氣壓、雨量、光輻射、覆冰監測等氣象環境；導線弧垂、導線溫度、導線微風震動、導線風偏、導線舞動等導線情況；桿塔振動監測、桿塔傾斜監測等桿塔信息；絕緣子風偏監測、絕緣子污穢監測等桿塔附件信息[1]。

通信接入方案在選擇時，應考慮以下準則：

（1） 比較通信方案的優缺點，結合線路實際運行情況，并綜合考慮帶寬、成本、可管控性等因素，選取最佳通信方式。選擇的通信技術應盡可能先進，能滿足未來5年內的通信需求并有一定的預留容量。

（2） 考慮到系統運行環境復雜多變，應盡可能選用可靠性高、功耗小的通信設備。

（3） 系統需要符合國家電網對信息化、標準化、安全、管理調控等方面的相關規范。

（4） 系統通信網絡的接入應盡可能簡單快捷，避免繁雜的施工改造。

1.2 輸電線路在線監測通信方式的性能比較及存在的問題

輸電線路監控系統中，攝像頭和傳感器采集到的信號均為模擬信號，將模擬信號轉化為數字信號并壓縮后，通過有線或無線方式傳送到地市或網省中心，在監控中心對數據進行解碼，存儲、分析并展示圖像或視頻。目前，輸電線路在線監測系統與監控主站之間采用最為常見的接入方式——光纖通信和無線公網通信。

由于光纖通信具有抗電磁干擾能力強、傳輸容量大、頻帶寬、傳輸衰耗小等諸多優點，它一問世便首先在電力部門得到應用并迅速發展，除普通光纖外，一些專用特種光纖也在電力通信中大量使用[2]。目前ADSS和OPGW在我國廣泛分布且應用較多。雖然光纖通信方式在很多方面具有優勢，但是在電力的輸電線路上OPGW不宜頻繁開口，施工周期長，同時線路鋪設其他光纜也不現實。此外，光纖在長時間使用過程中逐漸老化，易受外力破壞而受到損傷。

無線公網具有很多優點，比如成本低、容易建網和維護等，包括衛星通信方式和2G/3G/4G公網方式。衛星通信是在兩個或多個地面站之間，以人造地球衛星為中繼站來轉發或反射無線電信號進行通信[3]。而電信運營商公網普遍提供2G/3G/4G數據業務服務，主要方式包括GPRS，EDGE，CDMA，LTE等。雖然衛星通信方式數據傳輸距離長、覆蓋廣、開通方便，但資費成本較高、帶寬較低，且無線公網通信存在信號穩定性低、可靠性較差等問題，威脅到電力系統的可靠運行。

無線專網接入方式具有時延小、效率高、可靠性好、成本低等優點，使得專網通信得到越來越多的關注。隨著實時數據收集、移動巡檢作業、應急通信業務的迅速發展，構建電力無線專網越來越迫切，已成為輸電網中通信技術發展的重要方向之一。

因此，如何提高無線專網的質量就成為輸電線路中的重要問題之一。本文設計了LDPC編碼的OFDM系統，提升了無線專網的性能，確保了電網輸電線路的通信質量。

2 基于LDPC編碼的OFDM通信系統

2.1 LDPC編碼基本原理

低密度奇偶校驗碼（Low?Density Parity?Check Codes，LDPC）是繼Turbo碼后又一種逼近香農極限的信道編碼。LDPC碼是一種分組碼，其校驗矩陣只含有很少量的非零元素，正是校驗矩陣的這種稀疏性保證了譯碼的復雜度和最小碼距，僅隨碼長呈現線性增加[4]。研究表明，在信道編碼中，LDPC碼的糾錯能力最強，而且譯碼器結構簡單，吞吐量極高，因此有很好的應用前景。

表示LDPC碼的校驗矩陣，相對于矩陣的行、列數，的每行、每列中只有少量的1，這一現象為低密度特性，是LDPC碼最大的特點。每行每列中1的個數固定的LDPC碼稱為規則碼。一個長為的低密度奇偶校驗碼與稀疏校驗矩陣相對應，可用表示，即每行有個1，每列有個1。的密度定義為中1的數目與行數目或列數目的比值，記為。如果矩陣是滿秩，那么由該稀疏校驗矩陣定義的LDPC碼的碼率為。此外，為了保證LDPC碼譯碼性能，矩陣任意兩行或任意兩列相重疊，非零元素個數不大于1。二元（10，2，4）規則的LDPC碼的稀疏校驗矩陣[5]可表示為：

（1）

理論上，由校驗矩陣算出生成矩陣根據公式求得編碼后的碼字。但求得的生成矩陣一般都不是稀疏矩陣，所以運算量和存儲量都很大，對實際應用造成了很大困難[6?8]。

2.2 OFDM系統基本原理

正交頻分復用技術（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）是一種高效的數據傳輸方式，其基本思想是在頻域內將給定信道分成許多正交子信道，在每個子信道上使用子載波進行調制，并且各子載波并行傳輸[7]。雖然總信道不是平坦的，但每一個子信道都是窄帶傳輸，因此就可以大大降低信號波形間的干擾。

不同于一般的多載波傳輸，OFDM允許子載波頻譜部分重疊，只要重疊的子載波之間兩兩正交，則可將信號從混疊的子載波中分離出來。根據OFDM的基本原理，若想實現OFDM，子載波必須是一組正交信號[8]，而每個OFDM均為多個經過調制的子載波信號之和。如果用表示子信道個數，表示OFDM的符號寬度，是分配給每個子信道的數據符號，表示載波頻率，，則OFDM輸出可以表示為：

（2）

采用等效基帶信號來描述OFDM的輸出信號：

（3）

式中：實部表示OFDM符號的同相分量；虛部表示OFDM符號的正交分量。OFDM系統的調制與解調的實現可分別用余弦分量和正弦分量相乘來實現。圖2給出了OFDM系統調制與解調的框圖，其中假定。

上述方法所需設備多，系統復雜且昂貴。為了降低OFDM系統成本和簡化系統，一般采用離散傅里葉變換（Discrete Fourier Transform，DFT）和離散傅里葉反變換（Inverse Discrete Fourier Transform，IDFT）來實現上述功能。首先信號在發送端做IDFT后，將信號經信道傳送到接收端，然后對接收到的信號做DFT，結果的實部即為原始信號。這樣便可以不失真地將原始信號還原，實現OFDM信號的調制和解調。用DFT和IDFT實現的OFDM系統較簡單且成本低，有利于OFDM的廣泛應用。endprint

2.3 基于LDPC編碼的OFDM通信系統

2.3.1 系統框架

OFDM技術對定時和頻率偏差比較敏感，頻率的偏差會使OFDM系統子載波之間的正交性遭到破壞，產生子通道間干擾ICI[9]。而LDPC編碼具有極好的糾錯抗干擾能力，將LDPC編碼應用到OFDM系統中，可以降低系統的誤碼率，提高系統的抗干擾能力，提高系統的性能。基于LDPC編碼的OFDM系統框架圖如圖3所示。

圖3為信源發送信號經LDPC信道編碼以后，再進行OFDM調制等一系列的處理，最后進入信道中進行傳輸的系統框圖。在發送端，二進制數據比特流首先進行LDPC編碼，經過比特交織、星座映射、時域深度交織，利用導頻技術進行OFDM符號匹配，后經IFFT、插保護間隔、插幀頭，完成OFDM調制后經射頻發射出去。在接收端，首先保護間隔，經濾波、采樣、FFT、導頻后，進行信道估計與均衡（如果通道衰落較嚴重，需要用均衡器對信道均衡處理），解符號、時域、比特交織，通過LDPC解碼后，經數據解擾后輸出二進制比特流。其中，該系統通過LDPC編碼對OFDM各個子載波實現聯合編碼，具有較強的抗衰落能力，系統性能得到明顯提升。

2.3.2 性能仿真

分別選取AWGN和瑞利衰弱信道這兩種典型的環境下，對比無編碼OFDM、卷積碼編碼OFDM和LDPC?OFDM的性能。從圖4中可以看出，LDPC?OFDM系統的性能明顯優于無編碼OFDM和卷積碼編碼OFDM系統。

由圖4（a）可得：在白噪聲下，當BER為10-3的條件下，LDPC?OFDM優于卷積編碼約2.3 dB，優于無編碼OFDM約5.3 dB；當BER為10-4的條件下，LDPC?OFDM優于卷積編碼約2.7 dB，優于無編碼OFDM約6.5 dB。由圖4（b）可得：在瑞利衰落信道下，當BER為10-3的條件下，LDPC?OFDM優于卷積編碼約6.3 dB，LDPC?OFDM優于無編碼OFDM約4.0 dB；當BER為10-4的條件下，LDPC?OFDM優于卷積編碼OFDM約8.2 dB，LDPC?OFDM優于無編碼OFDM約1.8 dB。由此可見，基于LDPC編碼的OFDM系統明顯降低了信噪比，提高了抗干擾性能。

綜上所述，在相同信道下，加入LDPC編碼后，LDPC?OFDM系統的性能得到了顯著提高。

3 基于LDPC編碼的OFDM無線專網通信方案

針對電力企業輸電線路的特點，在具體建設過程中，將基于LDPC編碼的OFDM系統應用于光纖+無線的專網解決方案中。

3.1 組網方案

組網方案中，首先監測終端收集某一區域的桿塔或輸電線路上的各種圖像或視頻信息，將信息傳送到臨近的桿塔節點；然后桿塔節點存儲并處理信息，以無線方式向這一區域的匯聚點傳送數據；接著通過OPGW光通信系統，將多個區域匯聚節點的信息匯集到特定的一個匯聚節點，通過ADSS光纜實現到變電站的連接；最后利用現有數據網實現變電站到地市、網省公司之間的數據傳輸，如圖5所示。

混合組網解決方案特點如下：

（1） 采用無線方式將就近的多個桿塔監控節點進行匯聚，然后將具備OPGW接頭的匯聚桿塔采用光纖進行連接。

（2） 無線系統開通便捷，沿輸電線路的走向進行網絡部署，部署的可擴展性和靈活性高，組網靈活方便，對于偏遠地區不會存在覆蓋問題[10]。

（3） 光纖方式傳輸距離長、實時性好、安全可靠、支持冗余保護組網功能等，同時能滿足巡檢等擴展業務。

（4） 一臺設備損壞，往往不會影響到整個網絡，能夠很好地抗單點失效。

混合組網解決方案適用于輸電線路上有豐富的光纜纖芯資源，監測桿塔上安裝有光纖接續盒，同時接入點光纜應有余留長度，具備開斷條件。

3.2 應用實例

在 “山西電力公司輸電線路在線監測無線專網綜合接入項目”中，采用無線專網+光纖的方式，實現神忻Ⅱ線89#桿塔的輸電線路視頻在線監測系統接入。由于無線專網設備采用LDPC編碼技術和先進的OFDM調制技術，使整個無線系統帶寬變大，無線系統穩定性增強，系統環境適應性增強。

項目網絡拓撲為神忻Ⅱ線89#通過點對點無線專網設備連接至神忻Ⅰ線122#桿塔，而后接入神忻Ⅰ線122#桿塔的OPGW光纜的光交換機，從而實現高清視頻的接入，無線通信鏈路組網拓撲圖如圖6所示，圖7為89#桿塔至122#桿塔鏈路的仿真圖，其中藍色區域表示兩個桿塔之間無線設備的模擬菲尼爾區，紅線表示兩個桿塔的無線設備到最高點的距離。從圖7可以看出菲尼爾區完全正常，沒有任何的破壞，說明組網良好。

在分析仿真圖的基礎上，對鏈路進行仿真預算，結果如圖8所示。無編碼OFDM系統的總IP吞吐量為27.93 Mb/s，LDPC?OFDM系統的總IP吞吐量為79.52 Mb/s，明顯高于無編碼OFDM系統，說明系統性能明顯提高；無編碼OFDM系統的增益余量為11.29 dB，LDPC?OFDM系統的增益余量為16.03 dB，系統更加穩定可靠（系統增益余量越大越穩定）。可以看出，在同等條件下采用LDPC編碼技術和先進的OFDM調制技術的無線設備在帶寬和鏈路余量方面有較強的優勢。

4 結 語

輸電線路在線監測系統是智能電網輸電環節不可或缺的一部分，能保障智能電網的信息化、自動化、互動化。由于輸電桿塔種類較多，線路運行環境復雜，因此在選擇通信方案時，應盡可能避免對輸電桿塔和線路的施工改造。本文提出基于LDPC編碼的OFDM無線專網通信解決方案，具備靈活組網、即插即用以及完善的系統保密功能、統一的網管功能等特點，可為輸電線路提供強大的在線監測功能。

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