OFDM电力载波通信技术在智能家居中的应用

云南电网公司楚雄供电局 刘正友

0 引言

随着科技的进步，人们的物质条件和生活水平的提高，人们对家居环境的要求也越来越高，智能家居不仅要舒适更加需要便捷、高效、安全及个性化，使人们可以随时随地了解家中各种用电设备的运行状况、电能消耗和远程控制等，为人们创造和提供良好的家庭生活空间，智能家居同时是智能电网在用电侧实现信息化、自动化、互动化的特征，本文主要介绍了OFDM电力载波原理，体系架构，智能家居的概念及OFDM在智能家居领域的应用。

1 OFDM电力载波原理

正交频分复用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术是多载波调制（MCM，Multi－Carrier Modulation）技术的一种，其概念于20世纪50～60年代提出，20世纪80年代后，随着大规模集成电路的发展，使FFT技术更加易于实现，OFDM开始正式走上通信舞台，逐步迈入高速数字通信的领域，被广泛应用。

由于OFDM可以有效地消除信号多径传播所造成符号间干扰（ISI），OFDM技术最初主要被用于无线通信信道，1995年，由欧洲电信标准协会（ETSI）制定了数字音频广播DAB标准，这是第一个使用OFDM的标准。此后，OFDM技术在DVB、ADSL、IEEE 802.11、ETSI等应用和标准中被采纳而广泛使用。

在电力线通信方面，从2008年至今，随着节能减排低碳的需求，以及各国对自动抄表（AMR）技术和智能电网（Smart Grid）建设的需要，PRIME联盟和G3－PLC联盟分别推出了用于智能电网的开放性的全球电力线通信协议。后来，电气与电子工程师协会（IEEE）和国际电信联盟（ITU）均以这两份规范为参考，并进行了进一步的研究与修改，分别发布了IEEE Std 1901.2和ITU－T G.990x系列标准，同时，宽带电力线相关标准IEEE 1901、ITU－T G.996x等陆续推出，这些标准的物理层均基于OFDM技术实现。

OFDM是一种特殊的多载波传输方案，可以看作是一种调制技术，也可以当作一种复用技术。具备高速率资料传输的能力，能有效对抗频率选择性衰减。OFDM的主要思想是：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子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。

2 OFDM体系架构及技术优势分析

2.1 OFDM体系架构

尽管OFDM技术被用于各种不同的应用，但其体系架构基本一致，如图1所示。

图1 OFDM体系架构

图1所示的OFDM体系架构上半部分为发射机，下半部分为接收机，该架构最大的发挥了该技术的优势，并通过各种编解码措施来弥补其缺陷，使采用OFDM技术的通信系统在窄带干扰、脉冲噪声和频率选择性衰落存在时提供非常强壮的通信。

在OFDM系统中，可用带宽被分为一些子信道，具有不同的且互不干扰（正交）的子载波频率，并独立进行子载波调制，一般使用PSK、QAM等调制方式。FEC编解码（一般包括卷积编码和RS编码）使接收机能够恢复由背景噪声和脉冲噪声引起的错误。交织方案在解码器的输入端降低接收噪声的相关性，离散连续的错误码元，使FEC解码能纠正更多的错误。

分配给个别子载波的不同的相位调制编码，会产生复数值信号点，针对这些点进行快速傅里叶逆变换（IFFT），并在每个IFFT生成的模块前附加一个循环前缀（CP）即可得到一个OFDM符号。循环前缀的长度选择是为了信道群延迟不会在连续OFDM符号之间产生过多的干扰。有些OFDM系统中还会通过加窗技术来降低传输信号的带外泄露。

接收端的信道估计用于同步、链路适配等，并向发射端反馈信道信息，使发射端自适应调整其子载波调制方案。

2.2 OFDM技术特性

低压配电网是一个富含噪声的网络，存在频率衰落特性、时变特性等，且传输过程中信号在变化节点上的反射还会产生多径效应，因此电力线通信系统中信号调制技术是一个关键问题。传统的直接序列扩频（DS－SS）与单载波调制结合的方式，其抗干扰能力是以牺牲带宽为代价，频谱利用率不高，难以满足现代通信高速率、大容量的要求，与其相比，OFDM技术很好的解决了这些问题，下面结合OFDM体系结构，来分析OFDM技术的优势与存在的缺点。

与单载波系统相比，OFDM系统存在以下的优点：

1）频率利用率高，数据传输速率高。OFDM允许重叠的正交子载波作为子信道，提高了频率利用效率，频谱效率比串行系统高出近一倍，可实现高速数据传输。

2）较强的抗窄带干扰和频率选择性衰落能力。OFDM的每个子信道均可看成是平坦衰落，使OFDM对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力更强。在单载波系统中，单个衰落或干扰能够导致整个通信链路失败，但是在多载波系统中，仅仅有很小一部分载波会受到干扰。同时，通过子载波的联合编码，达到了子信道间的频率分集的作用，也增强了对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力。

3）有效对抗时延扩展，较强的抗码间干扰（ISI）能力。只要OFDM的循环前缀长度大于多径时延，就可以消除多径造成的码间干扰，并且保证了各信道间的正交性，从而大大减少了信道间干扰。不过，循环前缀越长，则带宽越大，能量损失就越大，其长度应折衷考虑。

4）OFDM子载波可以自适应调制，具有较强的灵活性。子载波根据每个子信道质量，选取不同的调制方式及分配给各子载波的功率，使总比特率最大，以此提高系统的容量，不过这需要较为复杂的信道估计技术。

5）各个子信道中的正交调制/解调都可以采用基于IFFT/FFT的实现方法，随着大规模集成电路技术与DSP技术的发展，IFFT/FFT更易于实现，可以提高系统的调制解调速度，而且实际实现中IFFT/FFT可以共用部分硬件，实现更加简单经济。

6）OFDM易于与空时编码、分集、干扰抑制、智能天线等技术相结合，最大限度的提高物理层信息传输的可靠性。

虽然OFDM存在上述优势，但是同样其信号调制机制也使得OFDM信号在传输过程中存在着一些劣势：

1）易受频率偏差的影响。对频率偏差敏感是OFDM系统的主要缺点之一，频偏和相位噪声会使各个子载波之间的正交特性恶化，从而导致子信道间的信号相互干扰（ICI）。

利用同步可以解决频偏带来的影响，OFDM系统的同步主要包括：载波同步、样值同步和符号同步等。因此，OFDM对同步的实现要求较高。目前电力线载波通信中，一般使用前导符符号实现同步处理，并辅以其他算法实现精确同步。

2）较高的峰值平均功率比（PARP）。PAPR指OFDM信号的最大峰值功率和其平均功率之比。若PAPR过高，则会增加AD、DA变换的复杂度，并降低了射频功率放大器的效率，若放大器的动态范围不能满足信号的变化，会带来信号畸变，导致各子信道信号之间的正交性遭到破坏，使系统性能恶化。

降低PAPR的方法主要有：信号预畸变技术、编码技术、扰码技术等。在实际系统中，可根据系统特点，选择或组合使用上述方法，从而以最小的代价获得最佳性能。目前电力线载波通信中，一般采用扰码技术来降低PAPR。

3 OFDM技术在智能家居领域的应用

智能家居（Smart Home）又称智能住宅，是通过采用先进的计算机技术、网络通信技术和综合布线技术，建立一个由家庭安全防护系统、网络服务系统和家庭自动化系统等组成的家庭服务与管理集成系统，从而实现全面、安全、舒适的居住环境以及便利的通讯网络家庭住宅。把与家庭生活有关的各种子系统有机结合在一起统一管理，使生活舒适、安全、和高效，具有良好的发展前景。

智能家居领域由于其多样性和个性化的特点，目前并没有统一通行的技术标准体系。从技术应用角度来看主要有三类主流技术，即总线技术、无线通信技术和电力线载波通信技术。

电力线载波通信技术充分利用现有的电网，两端加以调制解调器，直接以50Hz交流电为载波，再以数百千赫兹的脉冲为调制信号，进行信号的传输与控制。电力载波技术成本低、有现成的电源线，一线两用，价格低廉，延伸方便，不需要重新架设网络，只要有电力线，就能进行数据传递，即只要有供电网络的环境，用户只需换个开关即可实现智能控制，简单快捷；并且，电力线载波技术更加健康环保，不会产生任何的对身体有害的射频干扰；同时，采用电力线载波技术信号更加稳定，因为没有所谓穿墙能力的干扰，在任何一个场所，电力线的零火线都是通的，只要是通的就能传送信号。

然而，传统的电力线载波也存在许多弱点，如通道干扰大、信息量小、传输速率较低、频率拥挤等，这使得在过去较长的一段时间限制了电力载波技术在智能家居行业的应用。随着电力载波技术的不断发展，尤其是将OFDM技术引入电力线载波通信，大大提高了系统的通信速率，目前低压窄带OFDM系统通信速率可达几百kbit/s，宽带OFDM系统通信速率高达几百Mbit/s，完全可以满足智能家居对速率的要求。

图2给出的是基于采用OFDM调制解调技术的电力线载波的智能家居系统网络图。

图2 基于电力线载波的智能家居系统网络图

该系统通过物理层基于OFDM的芯片实现，采用纯分布式的全新体系结构，建立电力线载波平台，管理超过上千个设备节点，每个节点都具有路由中继功能，通信可靠，安装方便，即插即用，并采用多重加密技术，更好地保护隐私。该系统可支持多种应用，如电能能耗管理系统、智能灯光控制系统、安防报警视频系统、智能家电控制系统、室内环境监测系统等等。

4 结束语

随着科学技术的发展和物质生活水平的提高，人们对家居生活环境的要求也越来越高，高科技技术已经融入智能建筑当中，智能的概念也不断得到深化和更新。基于OFDM技术的电力线载波通信具有通信速率高、通信可靠、通信实时、安装方便、即插即用、灵活性与可扩展性等优势，将OFDM技术用于智能家居可以达到更加理想的效果，满足更加丰富复杂的要求，使家居的智能解决方案更完善。

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