一种新的窄带电力线载波通信物理层模型

赵黎 焦晓露 张峰

摘 要： G3?PLC标准是一个主要面向智能电网通信技术的全球开放性协议，该协议中引入了正交频分复用（OFDM）技术，由于G3?PLC标准中的原基带OFDM信号为复数信号，在接收端需要采用相干检测技术进行解调，系统复杂度高。因此根据FFT原理，通过在频域对信号进行编码，使发送端OFDM信号实数化，从而在不影响系统可靠性的前提下简化系统接收端的复杂度。最后通过仿真对该方法进行验证，结果表明，无论在高斯信道还是在实际电力线载波信道中，系统性能均非常稳定。

关键词： 电力线载波通信； 智能电网； 物理层； 正交频分复用； 帧结构； 信号编码

中图分类号： TN913.6?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）15?0006?04

A new physical layer model of narrow?band power line carrier communication

ZHAO Li， JIAO Xiaolu， ZHANG Feng

（School of Electronic Information Engineering， Xian Technological University， Xian 710021， China）

Abstract： The G3?PLC standard is a global open protocol for the smart grid communication technologies， and the orthogonal frequency division multiplexing （OFDM） technology is introduced into the protocol of the G3?PLC standard. Since the original baseband OFDM signal acts as the complex signal， the coherent detection technology needs to be adopted at the receiving terminal for signal demodulation， which makes the system complexity high. Therefore， the signal is encoded in frequency domain according to FFT theory to make the OFDM signal at transmitting terminal become real number， so as to simplify the complexity of system receiving terminal while ensuring the reliability of the system. The method is verified with simulation. The simulation results show that the system has extremely stable performance， wherever in Gauss channel or in real channel of power line carrier.

Keywords： power line carrier communication； smart grid； physical layer； orthogonal frequency division multiplexing； frame structure； signal encoding

0 引 言

电力线通信技术是利用电力线作为信号传输通道，采用载波方式将信号进行高速传输的唯一一种无需额外传输物理媒介的有线通信方式[1?3]。随着智能电网和电力系统的飞速发展，电力线通信技术也备受关注。然而电力线建设初期并没有考虑通信的要求，其信道环境恶劣，传统单载波通信技术无法很好地抵御信道干扰，导致系统可靠性低，影响了电力线通信技术的应用与发展[4?7]。G3?PLC属于窄带电力线载波通信标准[8?9]，其采用正交频分复用技术（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM），具有信息传输速率高、抗多径衰落力强及频谱资源利用率高等优势。同时G3?PLC采用多种纠错编码及鲁棒方式，具有较强的抗干扰能力[10]。因此，为了实现电力线通信系统的可靠传输，本文对基于G3?PLC的电力线载波通信系统性能进行研究。

传统的G3?PLC标准中已调信号采用直接映射的方式直接映射到相应的子载波位置，然后进行IFFT，所得原基带OFDM信号为复数信号[11]，在发送端首先进行取实部处理，接收端再进行相干检测，这样导致系统复杂度高。因此，本文针对传统G3?PLC标准中原基带OFDM信号结构造成的系统实现复杂度高的缺陷，提出一种改进的G3?PLC物理层模型。该模型根据FFT变换的原理对已调信号在频域进行相应编码，可使发送端基带OFDM信号实数化，从而可以在不影响系统可靠性的前提下简化系统接收端的复杂度。

1 G3?PLC物理层模型

G3?PLC标准是一种电力线通信全球开放性协议，完整的G3?PLC电力线载波通信系统的总体结构如图1所示，整个系统由发送和接收两部分构成，上半部分为发送模块链路，数据位、FCH位与前导位分别进行编码，并且分部进行级联，最终耦合到电力线上进行发送。

首先数据位经过循环冗余纠错模块，再經过扰码处理，之后再经过里德所罗门编码器（RS）和维特比编码器进行信道编码处理。这两者配合具有较强的纠检错功能，接收端进行相应译码操作后可以将在传输过程中产生的误码消除。同时，为了使误码随机化，还需对编码后的数据信息进行交织编码处理，从而便于接收端在解交织时进行纠错。由于帧控制头（Frame Control Header，FCH）包含确保发送数据信息帧能够正确解调的必要信息，因此对FCH信息首先进行维特比编码，再进行频域ROBO以提高FCH传输的可靠性。为了使误码随机化，FCH同样需要进行交织编码，交织后的数据位与FCH位进行级联，并且同时进行调制。G3?PLC标准可同时支持DBPSK或DQPSK调制方式，数据位可根据信道环境灵活配置调制方式，而FCH位由于其重要性，通常采用最安全的BPSK影射方式。

调制后的数据便可以进行傅里叶变换，生成原始的OFDM基带信号，为了消除信道间干扰和码间干扰还需进行加载循环前缀和加窗处理。前导序列的主要功能是辅助接收机进行自动增益控制、信号定时同步检测以及信道估计等操作，在发送端，前导序列直接进行IFFT变换并进行加窗处理，最后将FCH位、数据位与前导进行级联，再经过模拟前端放大滤波器以及耦合变压器将发送信号耦合至电力线载波上。

下半部分是接收部分链路，接收端耦合变压器首先将从电力线上接收到的数据经过模拟前端滤波放大，再经过解调模块将数据还原为原始数据[9]。

2 改进物理层结构

2.1 原基带信号结构

一个完整的G3?PLC帧结构包括前导、帧控制头和数据位。G3?PLC标准的带宽范围是35.9～90.6 kHz（处于CELENEC?A范围内），采样频率是400 kHz，采样交叠子载波个数为8，子载波个数为256，其中有用子载波数为36个，循环前缀长度为30个，子载波之间的间隔是1.562 5 kHz。正常模式下，采用结合DBPSK或DQPSK调制方法的OFDM技术，其数据传输速率可高达33.4 Kb/s。

G3?PLC标准中的OFDM信号通常是由IFFT产生的，传统标准中将调制后的数据位插入到256个子载波中的第23～58位，其余位数补零，即：

经过IFFT变换后，原始基带OFDM信号为：

式中：[N]为子载波个数（[N]=256）；[Xi，k]为第[i]个OFDM符号的第[k]个子载波上的信号；[ fk]表示子载波的频率。由于基带OFDM信号[st]是复数形式的信号，因此在接收端需要对其进行相干检测，系统复杂度较高。

2.2 改进原理

任一复数序列[xn]可进行虚实分解，即：

其中，实部分量为：

虚部分量为：

亦可进行共轭对称分解，即：

其中，圆周共轭对称分量为：

圆周共轭反对称分量为：

对[xrn]和[xin]分别进行DFT变换，可得：

即实部对应离散傅里叶变换的圆周共轭对称分量，虚部对应离散傅里叶变换的圆周共轭反对称分量。从式（10）可以看出，为了使基带OFDM符号实数化，即需要使共轭反对称项[Xopk]为零，对应的[Xk=][X?N-k]，即将经过调制映射（DBPSK或者DQPSK）的[N2]个信息数据与该[N2]个信息数据的共轭倒序信息数据共同组成长度为N的具有共轭对称特性的信息数据，再进行N点IFFT变换，即可使基带OFDM信号实数化。

2.3 改进后信号结构

本文根据FFT变换原理，在发送端进行IFFT处理前，先对编码后的信号执行频域编码操作，即可将基带OFDM信号实数化。取式（1）中前128个子载波信号，定义为式（11），其中[i]表示第[i]个OFDM符号：

[Xik=Xi，k， k=1～128] （11）

在频域中，已调信号按照如下编码方式进行排列：

[X′i，k=Xik，k=1～N20，k=N2+1X?iN-k+2，k=N2+2～N] （12）

再对该[N]个信息数据进行[N]点IFFT变换，得到的OFDM信号为实数序列如下式：

[s′t=IFFTX′i，kn=1Nk=1NX′i，kej2πfkt] （13）

3 系统性能验证

图2为原G3?PLC标准中基带信号实部与虚部信号图。图3为本文设计的物理层模型中基带OFDM信号的实部与虚部信号图。从图中可以看出，原始基带OFDM信号是复数形式信号，发送端发送信号前需要取其实部进行发送，接收端需要采用相干檢测方式进行解调。本文设计的物理层模型中基带OFDM信号的虚部为零，说明其为实数信号，在接收端只需直接做FFT运算即可解调出原始信息。

为了具体分析本文物理层模型的效果，在假设系统完全同步的基础上，分别在高斯信道环境和实测电力线载波信道环境下进行仿真验证。

如图4所示，在高斯信道环境下，子载波的个数N=256，保护间隔的长度CP=30，采样频域[FS=]0.4 MHz，FCH符号数为[NFCH=13]，FCH位采用DBPSK调制方式。由仿真结果可以看出，当数据位采用DBPSK调制方式，SNR>0 dB时，系统误码率趋于零；当数据位采用DQPSK调制方式，SNR>3 dB时，系统误码率趋于零，可见系统性能完全没有受到信号结构改变的影响。

为了进一步验证本文物理层模型对信道环境的适应性，其他参数保持不变，采用电力线载波实测信道参数环境进行仿真验证。图5所示为不同时间测得的实际电力线信道噪声波形，采样间隔为[2×10-7] s。由不同时刻采集的信道噪声波形图可以看出电力线噪声具有一定的周期性[12]。从两图之间的对比可以看出，电力线信道噪声还具有时变性，从而导致不同地点或者不同时刻的配电网噪声情况不同。

如图6所示，采用图5第二时间段的实测电力线信道噪声作为系统信道环境进行仿真。由仿真结果可以看出，当数据位采用DBPSK调制方式，SNR>-10.5 dB时，系统误码率趋于零；当数据位采用DQPSK调制方式，SNR>-4 dB时，系统误码率趋于零，可见系统性能完全没有受到信号结构改变的影响。

4 结 论

本文在阐述了原基带G3?PLC系统原理的基础上，根据G3?PLC标准中原基带OFDM信号结构造成系统实现复杂度高的缺陷，通过在频域对信号进行编码，从而设计了一种新的窄带电力线载波通信物理层模型，并通过仿真对系统性能进行验证，结果表明该方案可以有效地解决原物理层模型的缺陷，可将基带OFDM信号实数化，并且系统实现简单，性能理想。

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