OFDM 技术在电力线载波通信中的应用研究

何书毅

（海南电网电力通信自动化有限公司）

1 引言

目前，高速电力线载波通信技术仍然没有得到大规模的使用，这与自身技术不完善有很大的关系。众所周知，目前的电力线主要用来传输电能的。在线路上电压高、电流大、噪声大、负载种类多，要在电力线上传输信号，就是对技术设备抗干扰性和稳定性提出的挑战。电力线中的信道噪声是电力线通信发展的主要问题，如何解决这个问题成为电力线载波通信作为宽带接入问题关键。现在，国际上高速电力线载波通信采用的主要调制技术有单载波类、扩展频谱类和OFDM（正交频分复用）调制技术。本文重点对OFDM 技术在电力线载波通信中的应用中的关键技术进行了分析和研究。

2 电力线载波通信概述

电力线载波通信是以电力网作为信息传送信道，实现数据有效传输的，若能以电力网为信道，进入 PSTN 和 Internet 网等通信领域，那么其应用前景更广泛。

2.1 电力线载波通信的优点

2.1.1 载波电力线优点

（1）电力线载波通信利用的是现有的电力基础设施--电网，这个传输媒介是全球覆盖最大的网络，用电力线做接入无需新布线就可以用到有电的地方就有宽带接入。（2）安装简单、设置灵活，为用户实现宽带互联带来很多方便，能实现智能家庭自动化。（3）现有技术已经可以满足对带宽要求较高的用户需求。（4）PLC 网络建设灵活，可根据用户需要按照小区甚至用户安装，投资小见效快，同时运行费用低，用户花费较小。（5）能够为电力公司电力管理提供传输通道，实现电力、数据、话音和图像综合业务传输的通信技术。

2.1.2 在电力线设计方面

（1）电力线载波通信不受地形、地貌的影响，投资少，施工期短，设备简单，可以同其他通信手段一起实现网络互联。（2）电力线载波通信可靠性高，高压输电线结构坚固，高压输电线安全设计系数比光纤的安全设计系数高。（3）具有等时性，只要高压输电线一架通，载波通道就开通了，输电线架设到哪里，载波通信线路就可以延伸到那里，目前我国 110kV 输电线路上和35kV的农网上还有大量的电力线载波机在运行，庞大的电力线载波通信担负着电网内调度电话远动，远方保护信息的传输，对电力线系统的安全，稳定，经济运行起着重要的作用，因此对这种廉价的电力系统都有的信道资源不应轻易放弃，应加以合理的发展和利用，使之与高速，宽带技术长期并存，互为补充。不过，我们也要看见载波电力线的不足，由于受电网的影响，PLC的传播距离有限，在低压配电网上无中继的传输距离一般在250m 以下，要实现自配电变压器至用户插座的全电力线接入需要借助中继技术，这势必要增加系统的造价。电力负荷的波动对PLC 接入网络的吞吐量也有一定影响，由于多个用户共享信道带宽，当用户增加到一定程度时，网络性能和用户可用带宽有所下降，但这些问题可以通过合理的组网方式得到解决。

2.2 电力线载波通信系统

电力线载波通信系统是通信系统的一个具体通信方式，电力线载波通信：利用传输电能的电力线路来传递高频电信号，这种通信方式是根据电力系统的特有条件发展而成，具有良好的经济性和可靠性。电力线载波在原理上和通信线路载波相同，只是电力线不同于通信线路，它专为传输 50Hz 工频电流而架设，利用它实现载波通信有不少独特之处。目前，在高压和中压电力线技术没有成熟之前，基本使用低压PLC 技术和其他网络通信技术结合实现电力线网络用户上网的模式。用户通过PLC 调制解调器，把电话和电能等通信终端连接到电力线上，同其他用户互联互通，然后用别的技术手段和互联网连接，从而实现整体通信。

3 OFDM 技术的应用

OFDM 采用FFT 和 IFFT 实现调制和解调，可以方便地使用数字信号处理器件来实现，采用保护间隔和循环前缀来抗多径，从而有效地降低 ISI（码间干扰）和 ICI（信道间干扰）。OFDM 调制技术在宽带、高速电力线通信中成为一种有吸引力的技术，并有可能成为高速电力线通信的标准利用电力线进行高速数据传输的宽带电力线通信技术已经并将不断获得突破和发展，它不但给电力企业带来新的市场和商机，也给用户带来了低成本、高性能的服务。

3.1 OFDM的基本原理

OFDM 技术应用在电力线载波通信上，使电力线上的高速数据通信成为可能，OFDM的基本思想就是把可用信道带宽划分为若干子信道，每个子信道都可以近似看成理想信道。在规定使用的频段内，利用载波之间的正交性，使用上百、上千个具有正交特性的载波信号，每个载波输出一定速率的数据，各个载波传输数据的总和就是总的传输速率。

3.2 OFDM 应用中的关键技术

OFDM的同步问题。在单载波系统中，载波频率的偏移只会对接收信号造成一定的幅度衰减和相位旋转，这可以通过均衡等方法来克服。而对于多载波系统来说，载波频率的偏移会造成子信道之间产生干扰。OFDM 系统内存在多个正交子载波。其输出信号是多个子信道信号的叠加，由于子信道相互覆盖，这就对它们之间的正交性提出了严格的要求。

同步包括载波频率偏移 (载波频率同步问题)、时钟位置偏移(OFDM 符号同步问题)和采样频率偏移(采样频率同步问题)都会产生ICI 和ISI 干扰。同步是OFDM 技术中的一个难点。其中符号同步是使收发双方确定OFDM 符号的起始位置；载波同步是指收发双发对于各子载波的频率误差的校正，频率误差的存在将严重破坏子载波之间的正交性，导致子载波干扰，使误比特率大幅度增加，因而载波同步对于OFDM接收机是非常重要的；采样频率同步是指收发双发对于采样频率偏移的校正，采样频率偏移导致在非信号峰值采样，引起信号幅度减小，还引起了相邻信道的信号干扰，使误比特率增加。

OFDM 同步算法，归纳起来可分为两类：一类是利用导频信号或长训练序列完成OFDM载波同步，这种方法的性能好，但会造成带宽和功率的损失；另一类是利用OFDM 循环前缀的相关性实现系统同步，其中较常用的是维特比(Van deBeek) 极大似然 (ML，Maximum Likelihood)估计算法。ML 算法利用OFDM 信号的循环前缀，可以有效地对OFDM 信号进行频偏和时偏的联合估计，从而完成精确同步。粗同步一般是采用能量检测的方法。对于电力线作为传输媒介实现逆变电源间通信的技术，必须满足短突发、高实时性、高速率要求，所以利用第二类同步方法比较合适。

OFDM的非线性失真问题。由于 OFDM系统的输出是多个子载波信号的叠加，根据中心极限定理，当子载波个数 N 足够大时，OFDM符号的实部和虚部趋于高斯分布。因此如果多个信号相位一致，所得到的叠加信号的瞬时功率会远远大于信号的平均功率，导致出现较大的峰均比(PAPR)。出现这样的情况下，就会造成放大器、A/D 和 D/A 转换器的线性范围提出了更高的要求，如果系统的线性范围不能满足信号变化的需求，则会造成信号畸变，使得叠加信号的频谱发生变化，从而导致子信道之间的正交性遭到破坏，产生相互干扰，使系统性能恶化。而且由于产生的大峰值信号出现的时间是不可预测的，这样就要求系统中数模、模数转换器和功率放大器具有很大的线性动态范围，才能尽量满足信号工作在线性区，否则，当信号峰值进入数模、模数转换器和功率放大器的非线性区域，使信号产生畸变，导致子载波间的互调干扰和带外辐射，破坏了子载波间的正交性，降低系统性能。为了避免这种情况的发生，功率发达其应工作在大功率补偿状态下。然而，由于在大多数时间内，信号的幅度都远远小于这个峰值，因此按这个峰值设计的功率放大器的利用效率会非常低并使发射机的成本变得分成昂贵。为此需要采用一定的技术来降低OFDM 信号的峰平功率比，使发射机中的功率放大器高效工作，以提高系统的整体性能。

自适应 OFDM 资源分配算法。电力线信道具有两大特点：时变特性和衰减特性。因此，电力线信道的信道容量是一个具有时变性的随机变量，要极大限度地利用信道容量，必须使信息的发送速率也是一个随信道容量变化的两，也就是使编码和调制方式具有自适应性。但是在传统的数字通信系统中，都是以最差的情况时的信道为目标设计编码和调制等技术，系统中包含了很多用来克服最差条件的开销，即使在信道条件较好的时候，这些开销依然存在。

在一般的OFDM 调制中，子信道的分割是均匀的，即将整个可用频带均匀等分为若干个子信道，再对各个子信道的特性进行估计、分配比特、均衡处理等，这样分析起来比较方便。但是在某些信道中，有些频段的幅频衰减变化较快，而有些频段的变化比较平坦，且在这些幅频衰减缓慢的子信道中分配的比特数都是相等的，若将某些幅频变化不大的子信道粗分割，使子信道数减少，可以减少子带间能量泄漏，减少失真，同时用于调制的计算复杂度也相应的降低。在 OFDM 调制系统中，衡量系统性能的重要参数是在发送总功率给定的情况下，信道所能达到的最大传输能力。采用不同的子信道分割方法和比特分配方法都会影响系统的性能。

[1]公茂法，刘鹏.基于 CDMA 扩频的电力线载波通信系统.信息科技.2006

[2]孙小东，于全，袁华廷等.OFDM 实现中的关键技术.通信电声，2003

[3]陈长德,刘海涛，张保会.OFDM 调制技术在宽带高速电力线通信中的应用.电力系统自动化.