宽带电力载波信号性能浅析

梁丹丹吴 浩贵州电网公司贵阳供电局，烟台东方威思顿电气股份有限公司

宽带电力载波信号性能浅析

梁丹丹1吴 浩2
贵州电网公司贵阳供电局，烟台东方威思顿电气股份有限公司

梁丹丹（1979-）女，汉族，贵州贵阳人，上海电力学院工学学士，现从事计量信息自动化管理工作。曾获全国电力行业信息化成果二等奖一项，三等奖五项，优秀奖一项。

随着智能电网在配用电环节的建设与推进，智能用电信息采集系统成为实现智能电网“信息化、自动化、互动化”的重要技术支撑和关键载体。为真正实现电力能源供应者与电力能源使用者的互动交流，需要构建高速、实时的通信网络。此外，在配电网终端，越来越多的电力用户开始接受并使用以智能交互终端和智能家用插座为核心构建的智能家居网络，通过该网络，可以轻松实现家电控制、高清音视频服务、能耗监测管理等功能。这一切，都需要有高速、灵活的通信技术作为支撑。

为了实现高速通信，正交频分复用调制技术（OFDM：Orthogonal Frequency Division Multiplexing） 被 广 泛用于高速电力载波技术规范中，如：Maxim Integrated Products（美信公司）发布的G3-PLC协议、家庭插电联盟（HomePlug Powerline Alliance）提出的 HomePlug 1.0和HomePlug AV以及电力线智能电表进化联盟（PRIME ALLIANCE-PoweRline Intelligent Metering Evolution）提出的PRIME协议。

本文首先对OFDM技术进行简略介绍，然后针对基于OFDM技术的宽带协议进行对比分析，最后通过仿真实验验证不同协议的优缺点。

OFDM 技术

正交频分复用技术在20世纪60年代就已经提出，但是由于受到模拟滤波器技术的限制，该技术一直难以实现，直到 20世纪70年代， 离散快速傅里叶变换的实现才为OFDM的实用化奠定了基础。OFDM目前己经广泛应用于无线通信领域，包括日常生活中的无线局域网、数字广播电视和3G移动通信。由于OFDM技术有诸多优势，所以人们已经将OFDM的这些优点与各自的研究领域结合了起来，其中也包括了我们关心的电力线通信领域。

OFDM的主要思想是将传输信道（电力信道）的可用频段范围分成若干正交子信道，然后将需要传输的高速数据信号转换成并行的低速子数据流信号，调制到在每个子信道上进行传输。在实际使用中，可以通过在接收端利用相关技术对接收的信号进行分离，这样可以有效减少子信道之间的相互干扰 。

OFDM是一种多载波传输技术，一个OFDM符号内包含多个经过调制的子载波。假设N 表示子信道的个数，T 表示 OFDM 符号的持续时间，即符号周期，d（i i=0，1，...， N-1）为分配给每个子信道的数据符号，fc为第 0 个子载波的载波频率，fi 为第 i 个子载波的载波频率，有fi=fc+i/T，rect（t）=1，，则从t = ts开始的 OFDM 符号可以表示为：

图1 OFDM基本原理框图

由图1可知，传输时，将需要传输的信息比特独立分配到各个子载波上， 各子载波的幅度和相位由调制模式（如BPSK、16QAM、64QAM等）决定，调制后的等效OFDM的输出信号如公式2所示：

宽带通信协议

基于OFDM技术，家庭插电联盟（Homeplug powerline Alliance）提出了以Homeplug GP（HomePlug Green PHY）和Homeplug AV（Homeplug Audio and Video）为代表的高速电力载波传输方案［6-7］。该方案以电力线信道为信号传输通道，使用能够抵抗电网噪声和多径衰落的正交频分复用技术（OFDM：Orthogonal Frequency Division Multiplexing）做为信号调制、解调方式，并辅以功率、比特的自适应分配算法，实现了信号的高速、稳定传输。

Homeplug GP标准和Homeplug AV标准均适用于以频段2～30MHz为信号载频的宽带电力线载波通信系统。Homeplug AV标准是IEEE 1901电力标准的基本技术，其信号子载波采用自适应调制方式，信号最大速率可达200 Mbps，而Homeplug GP标准是一种小成本、低功耗的通信规约，信号最大速率为10Mbps。Homeplug GP标准和Homeplug AV标准在电力线网络协议方面具备互相操作的能力，即Homeplug GP标准向上兼容Homeplug AV标准，而Homeplug AV标准则向下支持Homeplug GP标准。二者都具备物理层（PHY层）和控制层（MAC层），区别主要体现在通信链路层，其对比分析如下。

PHY层对比分析

Homeplug AV标准和Homeplug GP标准的PHY层的最大区别就是数据传输速率。在PHY层，Homeplug AV标准可实现数据传输速率达到200Mbps，而Homeplug GP标准仅可实现10Mbps，速率差值巨大主要是因为：

1）Homeplug GP标准限制了OFDM子载波调制方式，只采用QPSK作为载波比特的调制方式，由此导致单位码元周期内传输的数据量有限，而Homeplug AV标准具有BPSK、QPSK、64QAM和256QAM等多种调制方式，可针对低压电力线时变的信道特性选择不同的比特调制方法，结合信道容量最大化算法使得载波信号速率达到最大。

2）Homeplug GP标准限制了数据速率的鲁棒模式，从而消除了自适应比特加载的管控基调，而Homeplug AV标准具有20～200 Mbps的自适应比特加载控制机制，使得子载波能够自动侦听信道增益，根据信道特性的优劣程度自适应选择子载波比特的加载模式。

MAC层对比分析

Homeplug AV标准和Homeplug GP标准的MAC层均具有集中性，但就信道访问方式而言，Homeplug AV标准的MAC层更具灵活性，它的1155个子载波可通过系统预设的信道估计模型来反馈信道的实时状态，从而制定信号调制解调、编码解码和前向纠错等方式，而在Homeplug GP标准的MAC层，为了节省子载波对信道侦听的比特开销，降低子载波比特加载的发射功率和硬件资源开销，省略了系统预设的信道估计反馈映射功能。

从PHY层和MAC层的性能对比分析可以看出，Homeplug AV标准和Homeplug GP标准各有优劣。总的来说，Homeplug AV标准可实现的数据速率较高，但应用在电力线通信设备中时，会导致设备能耗较大、工作温升较高；Homeplug GP标准虽然可实现的数据速率较慢，但能耗低、工作状态稳定，且它采用鲁棒模式传输数据，能够进一步加强家庭局域网内的网络覆盖力。在超高速（例如家庭影院在线观看、高清电视等领域）应用场景下，可以选择Homeplug AV标准作为电力线通信设备的技术规范。而对于某些对QoS等级要求略低、限定功率消耗门阀的电力线通信终端，可以采用Homeplug GP标准（如智能家居生活系统、智能用电信息采集系统、充电桩计量等领域）。

通信调制方式性能对比分析

由表1可知，Homeplug AV标准使用的信号调制方式较多，而Homeplug GP标准仅使用QPSK一种调制方式，下面就BPSK、QPSK、M-QAM（M取16为例）的性能、误码率及能量利用率展开对比分析。

QPSK与BPSK、16QAM的性能对比

BPSK调制方式具有设备简单、抗干扰能力强以及对衰落信道和非线性信道适应力好等优点，但是频谱利用率很低。QPSK调制方式的抗干扰能力、信道适应性与BPSK相近，而频谱利用率是BPSK的两倍，仅稍微增加了设备运算复杂度。16QAM调制方式的频谱利用率较高，设备相对简单，但是该方式对于信道的线性、幅相畸变和频率选择性衰落非常敏感，必须在采用信道均衡和线性优化措施的情况下使用。

QPSK与BPSK、16QAM的误码率对比

由文献可知，BPSK信号误码率是：

QPSK信号解调误码率是：

16QAM信号的误码率是：

其中，r为输入信号的信噪比。

在Matlab上分别对BPSK、QPSK和16QAM的误码率性能进行仿真调试，得到的结果分别如图2，3，4所示。

图2 BPSK误码率仿真

图3 QPSK误码率仿真

图4 16QAM误码率仿真

由图4可以看出，QPSK信号和16QAM信号的误码率仿真结果与其各自的理论曲线基本保持一致，但是BPSK信号的误码率仿真结果却与理论曲线差距较大。从频带的利用率来看，在相同的数据传输速率下，QPSK信号的码长是BPSK信号码长的两倍，因此QPSK信号的频带是BPSK信号频带的二分之一。同样的，根据b=log2M可知，16QAM信号在单位符号周期内传输的比特数是QPSK信号的4倍，那么16QAM信号的频带仅为QPSK信号频带的四分之一。

将BPSK、QPSK和16QAM等信号调制方式应用到通信系统中时，应综合考虑系统可承载的信道容量、时变的信道增益和噪声干扰等级。为了提高系统运作性能，建立高速、实时、可靠的通信链路，需要适当地引入自适应功率比特分配算法、信号功率裕量最大化算法等资源优化策略，以期取得满意的运行效果。

综合分析以上几点内容，联系Homeplug AV标准的技术内容展现，可知该技术能够取得较高的系统容量，在汇聚信息流和充当局域网络网关的作用上可以崭露头角，但是该技术由于使用多种调制方式，在面对恶劣的通信信道特性时，其抗环境衰减能力欠佳，不适合远距离通信，可以应用于住宅内部，如电力猫产品。而对于Homeplug GP标准，它约束了单位载波信号所承载的数据比特，降低了硬件开销和设备功耗，在不失高速性能的前提下，可以优质、高效地完成小容量数据流的传输，比如智能家居生活系统内部的设备状态信息、上位机控制命令，智能用电信息采集系统内智能电表的当前正向有功电能数据等。若将Homeplug AV标准与Homeplug GP标准进行有机结合，分别应用在智能信息路由网关和智能信息采集节点上，可有力助推智能家居产业、低压电力集抄系统的迅猛发展。

小结

本文介绍了家庭插电联盟，分析了该联盟立足于低压宽带电力线载波通信技术的Homeplug AV标准和Homeplug GP标准的PHY层、MAC层性能，并就BPSK、QPSK 和16QAM信号的性能、误码率以及能量效率进行了对比分析，给出了Homeplug AV标准与Homeplug GP标准的应用领域建议。随着低压电力线载波通信技术的发展，Homeplug标准将给智慧生活、能源管理、多网融合等领域带来新的应用前景。