劉玉珍 王化琳

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 遼寧 葫蘆島 125100)

電力線載波通信的OFDM編碼方案

劉玉珍 王化琳

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 遼寧 葫蘆島 125100)

針對電力線通信存在窄帶干擾和載波頻率偏移對系統(tǒng)傳輸性能的影響， 提出擴(kuò)展現(xiàn)有的基于OFDM框架下Reed-Solomon卷積碼的窄帶電力線通信前向糾錯(cuò)方案， 即在OFDM的子載波間引入排列碼。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)表明，該方案不但提高了系統(tǒng)傳輸?shù)糜行?，而且也提高了傳輸?shù)目煽啃?。該成果對推進(jìn)電力線載波通信的應(yīng)用，具有重要意義。

載波頻率偏移 載波間干擾 正交頻分多路復(fù)用 正交頻分多路復(fù)用技術(shù)-多進(jìn)制頻移鍵控 電力線載波通信

0 引 言

電力線通信技術(shù)PLC(Power Line Communication)，是指利用現(xiàn)有電力線傳輸數(shù)據(jù)和媒體信號的一種通信方式。PLC作為利用電力線組網(wǎng)的一種接入技術(shù)，是寬帶網(wǎng)絡(luò)”最后一公里”的一種解決方案[1]。利用現(xiàn)有的電網(wǎng)線路作為通信載體，可減少了重新鋪設(shè)光纖的成本。在房間里只要有電源插座的地方，不用撥號，就可以享受高速網(wǎng)絡(luò)接入，實(shí)現(xiàn)集數(shù)據(jù)、語音、視頻以及電力為一體的“四網(wǎng)合一”功能。

窄帶電力線技術(shù)作為未來配電網(wǎng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，深受研究人員的廣泛關(guān)注。

自1991年歐洲的一家通信公司利用低壓電力線進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸研究開始，并于1995年-1997年在英國進(jìn)行電力線語音傳輸實(shí)驗(yàn)成功后,就掀起了研究 PLC 技術(shù)的熱潮。而且，隨著接入網(wǎng)瓶頸效應(yīng)的日益突出, PLC技術(shù)憑借其覆蓋面積廣、無需重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)等特點(diǎn),相對于目前的電纜調(diào)制解調(diào)器、數(shù)字用戶環(huán)路(xDSL)、無線接入技術(shù)及LMDS(本地多點(diǎn)分配系統(tǒng))等，占有明顯的優(yōu)勢[2]，具有廣泛的應(yīng)用前景。

然而,由于低壓電力網(wǎng)的通信環(huán)境相當(dāng)惡劣,主要表現(xiàn)為：對載波頻率偏移敏感、具有較高的峰均功率比(PAPR)等，這些給電力線的應(yīng)用和研究帶來很大的困難與挑戰(zhàn)。

本文著重針對電力線通信存在窄帶干擾和載波頻率偏移對系統(tǒng)傳輸性能的影響， 提出了擴(kuò)展現(xiàn)有的基于OFDM框架下Reed-Solomon卷積碼的窄帶電力線通訊前向糾錯(cuò)方案，即在OFDM的子載波間引入排列碼來對抗窄帶干擾和載波頻率偏移。 該方法利用一個(gè)跳頻的偽隨機(jī)排列序列來發(fā)送信息，從而可均衡在頻率點(diǎn)產(chǎn)生的窄帶噪聲的影響。這個(gè)方法有著0.4的頻譜效率，并且與OFDM-MFSK的0.25頻譜利用率相比提升了60%。

1 編碼方案

正交頻分復(fù)用OFDM是將高速串行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成N路低速并行數(shù)據(jù)流，分別調(diào)制到相互正交的子載波上，然后將N路子載波合并為一路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)[3]，OFDM信號由逆傅立葉變換(IDFT)產(chǎn)生，公式如下：

N是數(shù)據(jù)載波的數(shù)量[4-5]。

本文提出的方法是使用了一個(gè)簡單的P=2的偽隨機(jī)排列碼來對OFDM子載波間隔進(jìn)行編碼。這個(gè)簡單的排列編碼采用了包括一個(gè)僅含兩個(gè)碼字的碼書[1 2],[2 1]。編碼序列是偽隨機(jī)的，因?yàn)樗谶B續(xù)的信息子載波間使用了一個(gè)預(yù)先定義的[1 2]-[2 1]-[1 2]碼字序列，這個(gè)碼字序列發(fā)端和接受端都知道。其中[1 2]意味著第一個(gè)和第二個(gè)攜帶信息的子載波間的頻率間隔是一個(gè)空，第二個(gè)和第三個(gè)之間是兩個(gè)空，空被定義為沒有使用的頻率。編碼序列就是以這種方式產(chǎn)生的，在IFFT窗中使用的頻率有一半在下一個(gè)窗中沒使用。

從碼書中取回的第一個(gè)碼字的位置取決于目前的IFFT的編號。這個(gè)位置由l=1+(n(mod2))給出，其中n是當(dāng)前的IFFT的編號[4]。從這個(gè)公式中可以看出，碼字位置在第一個(gè)位置和第二個(gè)位置之間變換，第一個(gè)位置給偶數(shù)窗編號，第二個(gè)位置給奇數(shù)窗編號。在這種方式下連續(xù)IFFT窗的傳輸頻率就不同，因此窄帶噪聲在它們上面的影響就不一樣了。這個(gè)序列也可以在解碼器處以所需要的最小的變動(dòng)修改。這個(gè)方法的好處是，出現(xiàn)在具體的確定頻率點(diǎn)的窄帶干擾的影響就被減少了，因?yàn)椴糠直挥绊懙念l率一般的時(shí)間都沒有被使用。

在這個(gè)方法中，子載波是基于上一個(gè)子載波選出來的，新的子載波的位置只是簡單的來自前一個(gè)子載波的已經(jīng)定義數(shù)量的一些子載波頻率間隔。因?yàn)槲覀儾恍枰酪唤M子載波中的位置，我們只需要知道上一個(gè)子載波的頻率距離。傳輸信息的子載波的精確位置是知道的，如果一個(gè)頻率干擾出現(xiàn)在未使用的頻率點(diǎn)，信息的完整性就不會(huì)受到影響，因?yàn)槟莻€(gè)頻率是被忽略的。這降低了窄帶噪聲出現(xiàn)在攜帶信息的子載波上的概率。

圖1展示了該方法中子載波的排列。被使用的頻率被標(biāo)記為fk。因?yàn)闆]有兩個(gè)子載波在相鄰的頻率點(diǎn)，同時(shí)因?yàn)樗械淖虞d波都以正交頻率的整數(shù)倍分割，連續(xù)載波間的干擾被降到最低，ICI被顯著地消除了。因此，這個(gè)方法不僅可以對抗窄帶干擾，同時(shí)也可以對付ICI。

圖1 OFDM排列編碼原理，黑色箭頭代表傳輸信息的頻率，灰色代表未使用的頻率

OFDM在發(fā)射端使用線性變換(IFFT)，在接收端進(jìn)行逆變換(FFT)[6]。信號經(jīng)過這兩個(gè)變換后不會(huì)受到影響，而另一方面，在IFFT之后加入的脈沖噪聲，通過FFT變換后，脈沖的能量在OFDM符號間隔被分散，因此，在未編碼的OFDM中常見的誤差被降低了。循環(huán)碼的加入增加了散開的長度，有利于消除OFDM符號中脈沖噪聲影響。然而，這個(gè)關(guān)系不是成比例的，因?yàn)橐紤]功率譜密度。

頻率空位的使用意味著PEOFDM較之標(biāo)準(zhǔn)OFDM包含更少的信息，脈沖噪聲能量 分布在更小的信號成分上。這就解釋了為什么每個(gè)符號使用較少的子載波對抗脈沖噪聲，這是通過減少其對傳輸信號不利的影響來實(shí)現(xiàn)的。我們采用的時(shí)頻梳狀濾波降低了解碼器端接收噪聲的相關(guān)性，有助于識別噪聲[7]。

窄帶干擾是PLC通信中一個(gè)嚴(yán)重的問題，因?yàn)樗霈F(xiàn)在一個(gè)或多個(gè)頻率點(diǎn)，并且長時(shí)間間歇地發(fā)生。這意味著在那些特殊頻率點(diǎn)傳輸?shù)男畔⑷绻皇菑氐撞豢苫謴?fù)，就被破壞了。一個(gè)減輕頻率干擾的主要方法是避免在那些受影響的頻率傳輸信息。然而，確定這些頻率點(diǎn)是不現(xiàn)實(shí)的，因此很需要一種跳躍傳輸頻率的好方法[8]。該方法使用了一種簡單的排列，這個(gè)方法讓頻率保持變換，信息就在這些變化的頻率上傳輸，這個(gè)過程提高了避免一些干擾發(fā)生的頻率的概率[9]。

2 MATLAB仿真

低壓PLC配電網(wǎng)絡(luò)中，信道的通信環(huán)境惡劣，結(jié)構(gòu)也相對復(fù)雜，通信系統(tǒng)的性能因此受到了很大的影響。圖2所示為電力線的信道模型，仿真的參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖2 電力線的信道模型

仿真參數(shù)參數(shù)名稱參數(shù)設(shè)置k衰減因子0.5gi加權(quán)因子絕對值≤1di路徑長度>100mi路徑數(shù)量≥1ai衰減參數(shù)測量獲得

圖3為系統(tǒng)流程，差分BPSK/QPSK是在連結(jié)信息上完成的，在I-Q已調(diào)符號被加載到OFDM子載波之前[10]。接著做IFFT，然后在信息沿著電力線頻道發(fā)射之前加入循環(huán)碼。本文采用AWGN(加性高斯白噪聲)模擬電力線信道的隨機(jī)噪聲。電力線的信道模型如圖2所示。仿真的參數(shù)設(shè)置如表2所示。

圖3 系統(tǒng)流程

參數(shù)名稱參數(shù)設(shè)置子載波數(shù)200子載波含符號數(shù)6符號含比特?cái)?shù)2/4信噪比15FFT點(diǎn)數(shù)512信道模型高斯信道循環(huán)前綴32調(diào)制方式DBPSk/DQPSK

3 仿真結(jié)果及分析

仿真結(jié)果如圖4-圖7所示，其中OFDM子載波分別以DBPSK和DQPSK兩種調(diào)制方法分別調(diào)制。將PEOFDM與傳統(tǒng)的OFDM在不同的CFO(載波頻率偏移)和子載波調(diào)制方法下進(jìn)行了比較。且所有的仿真結(jié)果均在存在AGWN、脈沖和窄帶干擾情況下獲得的[11]。

圖4 DBPSK方法調(diào)制的OFDM(存在CFO)

圖5 DQPSK方法調(diào)制的OFDM(存在CFO)

圖6 OFDM子載波排列編碼PEOFDM(DBPSK)

圖7 OFDM子載波排列編碼PEOFDM(DQPSK)

圖4和圖5分別是改進(jìn)前采用不同調(diào)制方法的MATLAB仿真圖，其中圖4采用DBPSK的OFDM，且存在CFO影響的仿真結(jié)果。圖5是采用DQPSK的OFDM仿真結(jié)果；當(dāng)CFO由0.00到0.12變化時(shí)，DBPSK在處有1.8 dBEb/No的損失。與DBPSK相比，DQPSK在處有6 dBEb/No的損失。可見同種調(diào)制方式，在相同信噪比下隨載波頻率偏移(CFO)的增加，誤碼率也增加，即抗造性能降低；另外隨著進(jìn)制的增加，誤碼率也增加。因此如果想要保持高傳輸能力，就需要加強(qiáng)調(diào)制方法和編碼方法[12]。

圖6和圖7是改進(jìn)的編碼方案仿真圖。圖6是OFDM子載波排列編碼(DBPSK)，圖7是OFDM子載波排列編碼(DQPSK)。在PEOFDM中，頻率偏移對信號傳輸?shù)挠绊懹忻黠@改善，如：DBPSK方法在10-2處只有大約1 dB的損失，而DQPSk在10-2BER處也是只有略微超過4 dBEb/No的損失，在10-3BER(沒有頻率偏移)處和傳統(tǒng)方法相比有0.7 dB的提高，同時(shí)在10-2處(載波頻率偏移為0.12)較之標(biāo)準(zhǔn)的OFDM有約3 dB的提升。

4 結(jié) 語

由上述可見，改進(jìn)的方法OFDM子載波排列編碼方案(PEOFDM)誤碼率低于改進(jìn)前的方法。雖然它比原有的OFDM占用了更多的帶寬，但是在傳輸能力上都著有很大的提升。該成果對促進(jìn)電力線載波通信的應(yīng)用，具有一定的理論參考價(jià)值[13]。但是此方法也存在著需要改進(jìn)的地方，比如因?yàn)樵贠FDM的子載波間插入了排列碼，增加了占用的頻帶寬度，在本文中使用了[1 2]-[2 1]-[1 2]碼字序列，由圖1可知，帶寬寬度為不使用時(shí)的2.8倍，導(dǎo)致在同樣帶寬的情況下，所傳輸?shù)男畔⑤^之傳統(tǒng)方法有所減少。

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OFDM CODING SCHEME FOR NETWORK AND POWER LINE CARRIER COMMUNICATION

Liu Yuzhen Wang Hualin

(LiaoningTechnologyUniversity,Huludao125100,Liaoning,China)

Aiming at the influence of narrowband interference and carrier frequency offset on the transmission performance of power line communication, this paper proposes an extended scheme for forward error correction of narrowband power line communication based on Reed-Solomon convolutional code in OFDM framework, that is, introducing the permutation code between subcarriers of OFDM. Experiments show that the scheme not only improves the efficiency of the system transmission, but also improves the reliability of transmission. The work to promote the application of power line carrier communication, is of great significance.

Carrier frequency offset Inter carrier interference OFDM OFDM-MFSK Power line carrier communication

2016-02-26。劉玉珍，教授，主研領(lǐng)域：數(shù)據(jù)通信與網(wǎng)絡(luò)工程。王化琳，碩士。

TP3

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10.3969/j.issn.1000-386x.2017.04.023