电力线载波通信的可靠性提升

张曙光

摘 要：电力线载波通信，使用我们平时所常见的电力线本身作为通信介质，是智能电网采集中最具先天优势的通信方式。但在实际应用中，电力线受电抗和负载干扰的影响，信号衰减较大，直接影响其通信的可靠性。为了使其信号传输的稳定性提升，研究发现OFDM方式抵抗“多径效应”和干扰的效果明显，频谱的利用率也较高，也是目前如皋地区电力线载波使用最广泛的调制方式；而FSK、PSK适用干扰程度较小或者干扰稳定的情况，将两者结合优化，再加上有关电力线载波通信信道阻抗和衰减特征实际测得的数据支持，就可以形成一套完整的相关模拟方案。

关键词：数据可靠性；电力线载波通信；抗干扰能力

电力线载波通信的基本原理

所谓电力线载波通信，就是将信息调制为高频信号并耦合至电力线路，利用电力线路作为介质进行通信的技术。在电力线上将模拟或数字信号通过载波方式进行传输。接收端接收到载有信号的载波信号后，经过带有阻波器的耦合装置提取出有用信号并通过接受机分离高频信号，滤去干扰信号后还原成原有的模拟或数字信号[1]。这样并不必像其他有线通信方式那样去重新建设通信线路，也不必像无线通信那样要用更为复杂的收发装置还占用有限的无线频谱资源，因此对综合变单台区下的用户来使用是非常适合的。

电力线载波通信除了调制解调设备、耦合单元等构成模块[2]。载波通信调制技术也是电力线载波通信的重要组成部分。江苏使用调制方式主要有 BFSK、BPSK、OFDM等，采用40-500kHz的频段，约几十比特每秒的传输速率，虽然通信速率较低，但设备构造简单且拥有较为成熟的技术。

载波调制技术

1、FSK：（Frequency-Shift Keying ）频移键控。是“利用基带数字信号离散取值特点去键控载波频率以传递信息的种数字调制技术”[5]。它的主要优点是：容易实现，用途广泛，常用于中低速数据的传输。

2、PSK： （ Phase-Shift Keying ）相移键控。在PSK调制中，载波的相位随调制信号状态的变化而发生变化。PSK在一般的通信传输中抗干扰性很强，在有衰落的信道中也有不错的表现。

3、OFDM：（Orthogonal Frequency Division Multiplexing ） 正交频分复用。实际上OFDM是MCM（ Multi-Carrier Modulation）多载波调制的一种。其主要思想是：“将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速户数据流，调制到每个子信道上进行传输”[4]。

电力线信道中的有多种影响信号传输的不良因素，其中最显著就是“多径效应、信道衰落和设备噪声的干扰”。OFDM系统中通过使用循环前缀的方法加长分支中符号周期来抑制电力线多径效应中由信号反射造成的干扰。

FSK和PSK经过优化之后适用干扰程度较小或者干扰稳定的情况；OFDM适用于各种不同环境下进行通信，还可以在保证可靠通信的条件下进行高速通信。

电力线载波通信信道建模

电力线信道可等效成二端口网络。传输矩阵为 。Z0为负载阻抗。则输入阻抗的表达式见式1：

式中，N（t） 为总加性噪声。

电力线载波通信噪声的分类

电力线上的干扰噪声可根据其形成因素、持续时长、频谱和干扰强度进行分类研究。正常情况下，噪声的干扰有背景噪声和脉冲噪声[6]。

扩频通信与OFDM结合的多载波CDMA技术

CDMA （码分多址），它来源于扩频通信技术。其技术原理基于扩频技术：“即将需传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去[3]。”

将OFDM与CDMA这两者结合起来的多载波CDMA（MC-CDMA） 通信方式能同时具有两者的优点，可有效解决电力线信道的干扰影响，提高电力线载波信号传输效率。

一、MC-CDMA原理

MC-CDMA系统允许在同一组子载波同时传输几个这样的用户的信号。在下行链路复用，这可以通过使用逆FFT和码矩阵来实现。

MC-CDMA系统作为DS-CDMAMC-CDMA的特例。每个比特上发送N个不同的子载波。每个子载波有它自己的相位偏移量，由扩频码确定的。

二、MC-CDMA抗噪声性能

由前面的章节可以知道，之所以电力线载波通信的噪声情况复杂，最重要的因素就是各个客户端的用电设备的接入。由之前的用电设备噪声试验可以得知，其噪声有脉冲噪声和背景噪声两类。MC-CDMA调制中的扩频部分，让它同时具有扩频通信的抗噪性。接下来研究MC-CDMA抗噪声性能。

1、抗脉冲噪声性能

对J（t） 进行 傅里叶变换。GJ（f） 为干扰功率谱密度。Ba为带宽。将滤波后的干扰信号放入相关器，相关器的主瓣带宽Bc 远大于Ba。

相关器输出的干扰功率用式4表示。

基带滤波器的单位冲激响应h （t ） 。基带滤波器的输出Vj （X ， t ） 。见式5

根据干擾Vj （X ， t ）的自相关值，取平均时间后进行傅里叶变换。得式6

在式6中，SC （f ） 为本地扩频码自相关函数的傅里叶变换。H （f ）是系统函数h （t ） 的傅里叶变换。│H （f ）│2是功率传输函数。BC 远大于Ba，因此H（f ） 的通带内干扰的频谱被拓宽很大。基带滤波器输出的单频干扰功率谱密度得到有效减小，为提高信噪比起到了关键作用。

2、抗背景噪声性能

背景噪声在扩频、解扩和基带滤波后，得到输出信号的平均功率谱密度。见式 。

式中H（f） 为系统函数h （t）的傅里叶变换。Sn（f）和Sc（f）分别表示本地干扰信号和扩频码的功率谱密度。干扰信号的带宽为fn。中心频率为fon。本地扩频码的带宽为fs。中心频率为foc。卷积公式 。

三、MC-CDMA抗多径干扰性能

在供电网络中，电力线连接千家万户，支线很多且极为复杂，多径效应明显。从前述上看，信号在通信的时候会从各种路径到达接收装置，在相互影响下，导致误码甚至接收失败。经过改良后的OFDM系统以降低信号传输速率的方式来使得码元周期变长，也就一定程度上提高了系统的抗多径干扰性。若在每个OFDM符号插入循环前缀CP，就能让其符号的时间宽度变大，以此来消除系统符号和符号内部之间的相互干扰。

如果插入的循環前缀过长，损耗就会变多，为了维持平衡，就需在系统中添加均衡机制来控制其合理长度。

四、MC-CDMA仿真

OFDM系统中，先要将输入码串并转换成q列的并行传输序列，然后对每个序列扩频，进行傅里叶逆变换后调制到子载波上。因此载波总数N = q？Np。假设扩频码Np= 1，则系统就有q条子信道。

仿真的各项设定：q=32，Np=16，得到N=512，调制方式为 BPSK，并采用了卷积码编码。通过在仿真系统中添加白噪声和脉冲噪声以模拟出电力线载波通信中受到的噪声干扰。图3得到差错率与信噪比的关系，并与同样条件下仿真的OFDM进行比较。

从图3中得知，MC-CDMA在信道干扰环境一致的情况下，其差错率明显低于OFDM，拥有很高的抗噪能力。

通过一系列的仿真，从结果上看OFDM系统在经过改良之后其抗噪性提高明显。MC-CDMA系统的主要优点是降低了每个子载波的误码率，也增强了系统的抗衰性，虽然以牺牲一定的比特速率为代价，但是仍然可以满足电力信息采集系统的应用要求。

参考文献：

[1]何光宇，孙云英.智能电网基础[M].北京：中国电力出版社，2010.

[2]尹华武.云浮电网电力大客户负荷管理系统实用化研究与分析.2007.

[3]张智勇，周国正，电力线载波通信数字化进程及标准[J].电力系统通信，2001，22（5）5-11

[4]欧友良. 浅谈智能低压集中抄表系统. 城市建设，2012

[5]秦立军，马其燕.智能配电网及其关键技术[M].北京：中国电力出版社.2010

[6]张颖，粟时平，梁运华.基于 Internet/Intranet 技术的 SCADA/EMS 设计[J]. 高电压技术，2005，9：65-68