電力載波通信中的干擾特性與抑制技術探究

宋士剛，武占俠，洪海敏，劉飛飛，王道遠

(深圳市國電科技通信有限公司，廣東深圳，518109)

1 電力載波通信中的干擾特性

電力載波通信系統有電力線、載波機、耦合設備組成。系統中存在的干擾特性包括阻抗特性、衰減特性、噪聲特性等。

1.1 阻抗特性

電力網絡阻抗由變壓器阻抗、電力線負載阻抗、導線特性阻抗組成。阻抗呈現為感性或者容性，應達共軛匹配。其并非單一作用于線路內，是多種阻抗負載效應，換句話說，負載間阻抗匹配、負載和耦合裝置阻抗匹配、變壓器和電力特性阻抗匹配。靜態可將其視為頻率=0的動態特例，屆時阻抗不是簡單類型的電阻，為廣義阻抗，具備動態效應。阻抗匹配將對PLC信號完整傳輸產生影響，新增負載導致輸入的阻抗隨著PLC網絡結構變化而變化。電線接頭阻抗匹配性不足將導致反射的多樣性提升，造成原有阻抗匹配混亂，進而導致多徑模型發生變化，對信號的傳遞產生影響。

電力線位置不同輸入阻抗不同，大量電感、電容、電阻網絡內，在不同點分析，輸入阻抗必然不同。因為電力線中輸入阻抗存在明顯變化，導致接收機輸入阻抗與放大器輸出阻抗無法保持匹配，對電路設計造成影響。

1.2 信道衰減

信道衰減包括耦合衰減、線路衰減，其中耦合衰減能夠按照要求調整耦合器的內阻值進行抑制，線路衰減屬于重點問題，信道時變性較強，隨著傳輸距離與頻率變化，信號隨之變化，頻率增加，傳輸線效應更明顯，當拓撲結構和負載特征參數存在差異，則難以發現適用于所有線路數字模型。相關學者經過多次試驗，多徑反射為信道內信號衰減主要原因，因為輸入阻抗變化與多徑效應影響，綜合時延、衰減、權重等因素，通道模型表達式為：

1.3 信道噪聲

在電力線內實現高速通信與低速通信均需要對信道噪聲特性加以充分的了解，但電力線網絡是為電力傳輸所設計，在電力系統中負載繁多，多產生的噪聲也不同。通過大量的研究分析，電力線中噪聲還可分為人為噪聲與非人為噪聲。噪聲來源如下表1所示：

表1 電力線噪聲分類

2 干擾特性測試分析

電力線中信號衰減特性、干擾特性極為復雜，具有時變性、隨機性較大特點，無法通過比較準確的數學模型、解析式進行描述，也正是因為如此，對電力載波信號干擾特性分析多通過試驗測試、定性分析等方式開展。雖然部分學者提出部分模型用于測試分析，但是模型多附加大量假設與限制，導致測試分析適用面較小，結果精準度有待考證。同時，為達到實用，獲取合理性價比，并對其成本加以限制，需要加強研究。對載波產品進行研發時，借助下述方式對載波信號干擾特性進行測試具有良好的效果。

首先，測量信號方式。為對電力線衰減特性進行測量，可以選用由電力網絡、耦合網絡、線性負載、示波器等設備組成的裝置。借助相關設備產生正弦信號，放大后，借助耦合網絡連接至電力網絡。正弦信號通過電力網之后，由接收端接收信號和噪聲，兩種電平經與發射端相同耦合網絡，傳輸至阻性負載，通過示波器顯示其數值。測量結束對實驗結果進行分析。在實際測量中發現，電力網衰減特性極為復雜。同一電網中不同地方或者相同地方不同時段，衰減值存在較大差異，隨頻率增加，衰減值逐漸下降。對測量結果進行分析最終得出：第一，通常情況下同相衰減＜跨相衰減，一定頻率存在例外；第二，頻率逐漸增加，信號的衰減將逐漸增加，而增加情況并非單調增加；第三，電力網中電力負載對載波信號衰減存在嚴重影響。因為負載情況將隨時間不斷變化，所以給定頻率點衰減將隨時間變化，變化范圍最大值為30dB。第四，電力通信信號衰減特性難以構建精確數字模型，無法借助簡單公式進行表達，更加適合使用統計方式分析計算。

3 PLC抗干擾性能分析

為確保控制網絡內信息有效交換，不管下行接收或者上行傳輸，需要將物理層、鏈路層抗干擾和MAC協議、糾錯機制融合應用，保證數據最優傳輸，模型如圖1所示。

圖1 I／ISO網絡模型的抗干擾模型

3.1 基于物理層調制/解調抗干擾分析

電力通信非線性導致解調極為復雜，采用復雜的均衡技術將增加成本。以往調制技術對參信道內脈沖干擾和多徑效應的抑制已經不滿足實際需求，因為受到信號功率影響，電力線通信調節方案主要以低信噪比達到允許誤碼率范圍，擴頻技術則通過頻譜拓展借助低頻率的頻譜信號進行再次發射，能夠有效抑制空中、電臺短波輻射所產生窄帶干擾，具有衰減能力大、抗噪聲性能強、秘密通信等優勢。但隨著信號頻譜逐漸拓寬，將導致有線寬帶中可用信道的數量逐漸減少，同等碼元在大量信道內傳輸，將對其傳輸速率產生影響。另外，擴頻技術對寬頻譜脈沖噪聲進行處理時，小幅度擴頻信號將被寬頻帶噪聲所覆蓋，導致信號的接收出現錯誤，可借助FEC技術檢錯和糾錯，而信道編碼導致信號頻帶再次擴展將造成擴頻效益逐漸下降，所以，擴頻技術的應用受到一定的限制。另外，OFMD技術在較高頻譜中具有較大利用率，具有傳輸速率較快，滿足高速PLC應用需求，同時對抗脈沖干擾、多徑干擾具備一定優勢。

首先，OFMD的傳輸速率較快。把頻帶劃分為互相獨立窄帶通道同時將高速串行碼轉變為并行低俗碼，借助低速碼流對子載波進行調制，子載波中部分頻譜互相重疊，有效提升頻譜的利用率，即使子載波傳輸速率較低，但經子通道；累積將獲取高傳輸速率。另外，具有強抗多徑干擾性能。信道多徑效應將導致信號時延擴展，造成前碼、后碼接收互相重疊，導致ISI情況發生。設定信號帶寬是B，碼子速率是R，碼字周期是T，多徑效應所產生最大時延是Tmax，設定Tmax＞T，導致碼間干擾。借助OFDM可以把高速串行數據劃分為若干個子信號，割分后速率降低為R/N，周期NT，周期延長N倍，超過多徑反射時延，能夠有效克服ISI，倘若對ISI徹底消除，需要設置保護間隔，保護間隔＞脈沖響應持續時間，而空間保護間隔受多徑傳播影響，子載波正交性將受到破壞，出現ICI情況，如果保護間隔中設置前綴循環符號，則把OFDM符號后半部分替換紙前半部分，形成CP，確保子載波正交性，同時避免ICI。最后，OFDM在一定程度上可以抑制脈沖干擾。對于子載波調制可按照子通道實際情況選擇，當脈沖干擾較為嚴重，可把關閉小于信噪比門限的通道，確保數據信息的完整性與降低誤碼率。電力線通信，OFDM對發射機的頻率偏移敏感且面臨PAPR大風險，相比于下行鏈路，上行鏈路所受PAPR更加嚴重。通過應用SC-FDMA技術可以有效解決上行鏈路所產生均峰比情況。添加CP，導致傳輸速率下降。通過m序列作訓練序列信道估計和迭代均衡，借助自相關特性取得時域響應，迭代均衡OFDM，通過仿真實驗，能夠有效提升傳輸效率于強化系統的抗噪性能。 I/ISO網絡模型的抗干擾模型見圖1.但是對載波同步、時間同步要求較高，硬件設備較為復雜。同時，對于通訊同步相關問題，將多相序列做主同步信號的多用戶幀結構，能夠按照用戶不同選擇不同的同步序列，具有較強的相關性，滿足多用戶網絡應用需求。

3.2 數據鏈路層抗干擾分析

PEC和交織技術。電力線通信信號傳輸中，受電磁兼容的限制將對發射功率產生影響，當發射功率較低時，影響信噪比，一定信噪比可以抑制背景噪聲，但是無法克服脈沖噪聲[7]。FEC、交織技術在一定程度上可以遏制脈沖信號。信道編碼可以提升通信效果，發送端不需要向接收端提供額外信息，發送待發信息前附加冗余位，在接收時，冗余信息可以借助一定規律糾正錯誤，常用糾錯碼包括卷積碼、分組碼與Turbo碼。信道編碼可對隨機性的錯誤進行處理，但PLC脈沖噪聲所產生頻率響應將出現嚴重衰落，導致突發問題。交織技術可使突發錯誤轉變為隨機性，對脈沖干擾加以有效抑制。借助交織器與遞歸系統編碼器，保證Turbo編碼器可以輸出較大碼重。在1995年便有相關學者對LDPC進一步研究。LDPC屬于線性的分組碼，屬于稀疏矩陣，通過研究發現相比于Turbo碼，不規則LDPC性能更好。在PLC模型中借助注水原理，有效降低信噪比的分布不均情況，發送端有效獲取信道狀態參數，便于對LDPC進行分配。因為PLC網絡電視協議，和高質量視頻需要具備應用層糾錯機制保障，所以脈沖干擾所導致突發錯誤造成通信困難。另外，多址接入技術。該技術中CDMA方案在電力線通信中具有較高的優勢[6]。CDMA保留擴頻技術優點，并具備高頻率利用、高傳輸速率等優勢。應用IDMA技術，在保留CDMA技術優勢的同時將脈沖噪聲突發錯誤轉變為隨機性，可以在資源受限、嚴重干擾信道中傳輸信號，提升信道利用率，提供更加優質的服務。另外，脈沖調整綜合CDMA在高數據傳輸中允許進行多用戶傳輸。

3.3 傳輸層抗干擾分析

通過以上分析，OFDM設計中各個子載波比較窄，形成平坦衰落，同時插入CP可以確保經過頻率選擇后處于正交狀態，而帶寬增加，各子載波多經歷衰減存在差異，不是平坦衰落，可能存在錯誤，能夠借助FEC檢錯、糾錯。若借助物理層調制技術與FEC干擾措施處理仍然存在錯誤，則只可借助ARQ機制重傳。一般情況下將FEC和ARQ同時應用，減小系統錯誤概率，而ARQ多用于時延要求較低系統中，不然將增加額外時間，難以滿足系統需求。另外，ARQ重復發送，降低通信效率，因此較適用于處理時間比較短干擾中。例如信號切出/接入所產生短暫的脈沖干擾，若存在持續時間較長干擾群，則需按照數據傳輸的速率與Qos相關要求，對MAC層通道進行重新分配。

4 總結

本文對電力載波通信中阻抗特性、衰減特性以及干擾特性進行分析，從物理層信號處理和數據鏈路信息數據傳輸角度，分析抑制技術應用可行性。但是除需選擇抑制技術，算法韌性同樣需要加以考慮。分數低階穩定分布能夠對高斯信號有效描述。另外，對于PLC中阻抗特性和信號在拓撲結構內突然切出/接入所造成多徑傳輸動態建模也需要加強研究。