基于Homeplug标准的宽带电力线载波信号性能分析*

林晓庆，陈 波，孙 航，张 鸷

(贵州电网有限责任公司贵阳供电局，贵州贵阳550001)



基于Homeplug标准的宽带电力线载波信号性能分析*

林晓庆，陈 波，孙 航，张 鸷

(贵州电网有限责任公司贵阳供电局，贵州贵阳550001)

以智能用电信息采集系统的建设为背景，介绍了低压宽带电力线载波通信技术的Homeplug AV标准和Homeplug GP标准，对比分析了二者PHY层与MAC层的差异。就OFDM子载波的调制方式BPSK、QPSK和16QAM信号的性能、误码率和能量效率展开了比较。仿真结果表明：Homeplug AV标准下的宽带电力线载波技术可以获得较高的系统容量，适用于局域网络网关，以汇聚信息流形成坚强组网拓扑；Homeplug GP标准下的宽带电力线载波技术功率消耗低、数据通信速率稳定，适用于智能家居、低压电力集抄和充电桩计量等领域。

Homeplug AV Homeplug GP 网关 功率消耗

0 引言

随着智能电网[1-2]在配用电环节的建设推进，智能用电信息采集系统是实现智能电网“信息化、自动化、互动化”的重要技术和关键载体，为了真正实现电力能源供应者与电力能源使用者的互动交流，需要借助高速、实时的通信技术。此外，在配电网终端，越来越多的电力用户开始选择智能化的家用电器给家居生活带来便捷，尤其以智能交互终端与家用智能插座为核心来构建智能家居网络，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，都需要以高速、灵活的通信方式为载体。

家庭插电联盟(Homeplug powerline Alliance)是立足于提供电力线规范和接口的商业组织，针对智能电网用电信息采集系统和智能家居生活系统的功能需求，提出了Homeplug AV和Homeplug GP解决方案。以电力线信道[3]为信号传输通道，使用抗电网噪声干扰和抗信号多径衰落能力强的正交频分复用技术(OFDM)为信号调制解调和功率、比特分配的主流机制，以期实现信号的高速、稳定传输。

为了比较分析Homeplug GP和Homeplug AV方案的不同以及各自的主要应用场景，本文选取了二者的PHY层、MAC层和信号子载波调制解调方式做浅要分析。

1 Homeplug GP标准和Homeplug AV标准

Homeplug GP标准和Homeplug AV标准均适用于以频段2 MHz～30 MHz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10 Mbps。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。它们二者都具备物理层(PHY层)和控制层(MAC层)，区别也主要体现在通信链路层，对比分析如下。

1.1 PHY层对比分析

Homeplug AV标准和Homeplug GP标准的PHY层相关参数如表1所示。

表1 Homeplug AV和Homeplug GP的PHY层对比

指标HomeplugAVPHY层HomeplugGPPHY层带宽2MHz～30MHz2MHz～30MHz调制技术OFDMOFDM子载波数11551155载波间隔24.414kHz24.414kHz支持子载波调制方式BPSK/QPSK/16QAM/64QAM/256QAM/1024QAMQPSK数据前向纠错涡轮码,速率1/2或16/21(击穿)涡轮码,速率1/2支持数据速率鲁棒模式:4Mbps～10Mbps自适应比特加载:20Mbps～200Mbps鲁棒模式:4Mbps～10Mbps

由表1可知，Homeplug AV标准和Homeplug GP标准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200 Mbps，而Homeplug GP标准仅可实现10 Mbps，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。

1.2 MAC层对比分析

Homeplug AV标准和Homeplug GP标准的MAC层对比如表2所示。

表2 Homeplug AV和Homeplug GP的MAC层对比

MAC层HomeplugAVHomeplugGP信道访问方式CSMA/CA和选择性TDMA仅仅是CSMA/CA集中性是是信道估计每个子载波通过预先确定的tonemaps自适应调制比特流鲁棒正交频分复用方式清除预先确定的tonemaps带宽共享N/A鲁棒正交频分复用方式清除预先确定的tonemaps

从表2可以看出，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1 155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[4]，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[5]。

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[6]，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)。

2 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、16-QAM信号的性能、误码率及能量利用率展开对比分析。

2.1 QPSK与BPSK、16QAM信号的性能对比 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[7]。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[8]。

2.2 QPSK与BPSK、16QAM信号的误码率对比由文献[5]可知，BPSK信号误码率是：

(1)

QPSK信号解调误码率是：

(2)

16QAM信号的误码率是

(3)

其中，r为输入信号的信噪比。

在Matlab上分别对BPSK信号、QPSK信号和16QAM信号的误码率性能进行仿真调试，得到的结果分别如图1(a)、图1(b)和图1(c)所示。

图1 BPSK、QPSK和16QAM信号的误码率曲线

由图1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[9]等资源优化策略，以期取得满意的运行效果。

2.3QPSK与BPSK、16QAM信号的能量效率对比

信号的能量效率即每比特信号发射时所消耗的能量。

(1)BPSK信号的能量效率

基于M-PAM数字基带信号对载波相位的调制可得到M进制的相移键控(M-PSK)调制信号，如式(4)所示：

(4)

每一个M-PSK信号的能量如式(5)所示：

(5)

因为一个BPSK信号仅承载着一个单位的数据比特，所以BPSK信号的能量效率是EBPSK=Eg/2。

(2)QPSK信号的能量效率

对于一个QPSK信号，它承载2个单位的数据比特，由此可知QPSK信号的能量效率如式(6)所示：

(6)

(3)16QAM信号的能量效率

两个相互孤立的载波进行正交运算，经过多电平幅度序列的调制、叠加便得到16QAM信号，信号如式(7)所示：

si(t)=aicgT(t)cosωct-aisgT(t)sinωct

i=1，2，3，…，16；0≤t≤Ts

(7)

16QAM信号在时间Ts内的平均能量如式(8)所示：

(8)

从以上关于信号能量效应的分析比较可以看出，随着调制阶数M的增大，信号的能量效率也得到相应提高。能量效率越高，每载波比特所消耗的能量净值也就越少，但是提高了对应的信号接收机和信号发射机的设计复杂度，导致硬件开销加大。

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。

3 结语

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观察角度。

[1] 高财根,宋常青. 浅析智能电网技术在我国的发展及应用[J]. 中小企业管理与科技旬刊, 2012(1): 279-282.

[2] 曹昭. 浅谈我国智能电网的状况与发展趋势[J].消费电子, 2014(8): 10.

[3] 杨刚. 电力线通信技术[M]. 北京: 电子工业出版社, 2011: 2-5.

[4] 李东东, 崔龙龙, 等. 家庭智能用电系统研究及智能控制器开发[J]. 电力系统保护与控制, 2013, 41(4): 123-129.

[5] 纪峰, 田正其, 等. 基于OFDM窄带载波通信技术的研究与应用[J]. 电测与仪表, 2015, 52(15): 113-119.

[6] 张童飞, 郭静波. 高速窄带OFDM电力线通信实时动态频谱分配[J]. 中国电机工程学报, 2014, 34(4): 695-701.

[7] 胡广书. 数字信号处理-理论算法与实现[M]. 北京: 清华大学出版社, 2002.

[8] 樊昌信, 曹丽娜. 通信原理[M]. 北京: 国防工业出版社, 2011: 226-233.

[9] 何威, 周克, 等. 基于QoS策略的低压电力线信道容量研究[J]. 电力系统保护与控制, 2014, 42(13): 106-111.

Performance analysis of broadband power line carrier signal based on Homeplug standard

LIN Xiaoqing, CHEN Bo, SUN Hang, ZHANG Zhi

Homeplug AV standard and Homeplug GP standard of low voltage broadband power line carrier communication techniques are introduced taking smart power electric data acquisition system as background. The differences between PHY standards and MAC standards have been analyzed. Performance, BER and power efficiency of BPSK, QPSK and 16QAM signals have been compared. Simulation results show that broadband power line carrier technique of Homeplug AV can achieve higher system capacity, which is applicable for network gateway to gather information flow and form a strong topology. Low power consumption and stable data communication speed under Homeplug GP technique is applicable for smart home, low voltage power meter-reading and charging pile metering.

Homeplug AV, Homeplug GP, gateway, power consumption

TN913.6

A

1002-6886(2016)06-0074-04

贵州电网科技项目GZ2014-2-0006。

林晓庆(1986-)，女，华北电力大学研究生，现主要从事计量自动化工作。

2016-05-17