基于分子带电力线载波速率最大化算法

梁丹丹， 董天强， 陈 波， 林晓庆

(贵州电网有限责任公司贵阳供电局，贵阳 550001)

基于分子带电力线载波速率最大化算法

梁丹丹， 董天强， 陈 波， 林晓庆

(贵州电网有限责任公司贵阳供电局，贵阳 550001)

在Q/GDW 1379.4-2013通信单元检验技术规范对载波通信单元功率消耗的限定要求下，为了有效提高低压电力集抄台区电能信息的采集速率，建设高速实时、双向智能的用电信息采集系统，提出了一种基于分子带的电力线载波速率最大化算法。以带宽2～30 MHz为信号载频，结合Homeplug AV规约下的子载波自适应调制方式，将相邻子载波进行逻辑分组为子带，以中值信噪比门限算法为基础，融入贪婪功率分配机制，合理分配分子带比特数，得到了最大化载波速率。仿真结果表明：较传统的信噪比门限算法和Homeplug AV自适应比特分配算法，提出的算法具有更高的载波速率，而相比于传统贪婪算法，虽达到的载波速率略低，却极大地降低了计算复杂度和硬件开销。

功率消耗； 电力集抄； 分子带； 自适应调制； 信噪比门限

0 引 言

近年来，强调电力用户参与需方响应的“智能用电”[1]成为了我国坚强智能电网[2]建设的研究热点，智能计量与集抄系统，作为“智能用电”重要的组成部分，肩负着我国电网千家万户居民用电信息的采集与分析任务，是社会公众感知电网智能化服务的关键所在。自2009年以来，根据国家电网公司的统一标准，智能计量与集抄系统在国内供配电台区得到了大规模的建设与覆盖，以电力线载波(PLC)技术为主干网的远程自动化集抄方式实现了电能数据的采集、汇聚、存储和传输。然而，国内广泛覆盖的窄带电力线载波集抄方案仅能给智能计量与集抄系统带来150～2 400 bit的信息传输速率，难以满足智能用电系统海量电能信息流[3-4]的实时分析、管理与处理需求。因此，制定高速、双向、准确、稳定的自动化集抄策略，是实现电力用户与电网供配电业务实时互动的关键所在。

Homeplug Alliance是立足于提供电力线规范和接口的商业联盟，针对窄带电力线载波技术数据传输速率慢、组网时效性低、抗干扰能力差等缺点，结合智能电网要求的低能耗、低成本的解决方法，制定了以2～30 MHz为载频的Homeplug AV集抄方案。Homeplug AV规约采用正交频分复用技术(OFDM)，最先投用于家庭电力线宽带的接入和高速音视频信息的共享，其物理层支持最大可达200 Mb/s的数据传输速率，将Homeplug AV技术应用于低压电力集抄系统内的电能信息汇聚设备，如集中器，可大幅缩短终端电能表的组网、抄表时间，提高通信单元的抗电网噪声、抗衰减干扰的能力。国家电网公司的《Q/GDW 1379.4-2013通信单元检验技术规范》中明确规定了集中器本地通信单元的动态功耗要小于6 W，而现有的Homeplug AV集抄产品的实际功耗普遍超标，通信单元工作温升值大于25 K。其原因主要缘于通信单元调制解调芯片的比特、功率分配方式欠佳。在已有文献的电力线载波通信比特与功率分配算法中，以注水法及其改进算法[5-11]居多，其分配方式可使子载波速率为任意实数，对信道输入总功率和子载波功率裕量进行了贪婪式的利用，得到了较为虚高的系统吞吐量，并且算法会根据当前子信道的增益情况来对各个子载波的信息进行逐一的自适应编码、调制，因而会传递大量的信令和信道反馈信息，无形之中降低了频谱利用率。实际上，当子载波速率为非整数时，OFDM系统及浮点DSP处理器实现起来就已非常困难，且会占据大量硬件开销。若对OFDM子载波进行逻辑分组，将相邻的子载波划分为一个子带，以分子带为最小单位进行自适应编码、调制，并且对子载波比特加载的粒度加以限制，则比特与功率分配算法可在硬件上较易实现，且能有效降低功耗。基于此，本文提出了一种基于分子带的电力线载波速率最大化算法，该算法以中值信噪比门限算法为基准，合理控制子载波比特加载的粒度，对分子带功率裕量进行贪婪分配，得到最大化的载波速率，以提升低压电力集抄效率，满足智能用电系统的建设需求。

1 载波信号功率优化准则

按照《Q/GDW 1379.4-2013通信单元检验技术规范》及文献[12]中提到的测试方法，对某Homeplug AV集抄产品的信号功率进行了检测，在频谱分析仪上得到的图形如图1所示。

图1 Homeplug AV集抄产品的信号功率检测

从图1可以看出，该Homeplug AV集抄产品的工作频段为1.8～28 MHz，满足低压宽带电力线载波技术要求。在频率9.13 MHz处，载波信号功率达到最大，为14.78 dBm。考虑到测试仪器误差、通信单元硬件电路板上电容、电感对载波信号的吸收、衰减以及耦合器件产生的耦合衰减作用，粗略估算载波信号功率的初始值为20 dBm，该功率即通信单元对电力线信道的输入总功率。假设低压电力线OFDM系统的信道估计准确，反馈误差和信令延迟均可忽略，各子载波上的误码率BER(i)与其分配的功率εi、比特数bi和信噪比gi有关，记作BER(i)=y(εi,bi,gi)，gi为发射功率为单位1时的信噪比值。设信道输入总功率Etotal=20 dBm，则各子载波所得功率需满足:

(1)

式中,εi>0。

2 电力线载波分子带划分算法

在充满电力谐波、用电设备噪声、多径衰落、阻抗不匹配的低压电力线信道中，无论采用什么样的调制方式、编码方法，数据的传输速率总会低于理论的信道容量。考虑电力线信道中存在的影响因子，设定在第i个子载波上传输的比特速率bi与信噪比gi之间的关系为

(2)

其中:Γ为信噪比差额。

载波速率最大化，即在总发射功率Etotal一定的条件下，通过在多个子信道间合理分配比特数和传输功率来使整个信道的传输速率最大，也即使得

(3)

最大化。

(4)

设H′(i)为第i个子载波的频率响应估计值，g′(i)为其信噪比估值,则子载波i的信道估计误差为

(5)

由划分子带引入的信噪比误差

(6)

子载波i在划分的分子带s内，其实际的信噪比误差为

(7)

要使子载波分组带来的系统频谱利用率的损失最小，需满足

(8)

分子带划分算法的实现流程如图2所示。

图2 分子带划分算法的实现流程

3 速率最大化算法

(2) 根据分子带划分算法得到分子带数S的值。

(3) 对基于Homeplug AV规范的OFDM自适应调试方式下的系统误码率BER进行仿真，根据目标BER来确定各调制方案对应的信噪比门限θj。

(9)

式中,θA为分子带s最终采用的调制方式所对应的信噪比门限值。

(5) 计算各载波分子带的功率裕量

(10)

以及总的功率裕量

(11)

若Ψ>0，表示存在功率裕量，找到ηs>0的子带群中对应信噪比差值ds最大的分子带，使该分子带内载波信号的调制方式向上升一级(如QPSK→16QAM)，返回(5)至Ψ≤0；若Ψ=0，表示无功率裕量，不进行功率、比特分配方式的调整；若Ψ<0，表示当前分子带的功率分配方式超前，将有部分分子带缺乏发射功率，此时须找到ηs<0的分子带群中对应信噪比差值ds最大的分子带，使其调制方式向下降一级(如1024QAM→256QAM)，返回步骤(5)至Ψ≥0。

(6) 对载波分子带的功率进行调整。由式(1)可知，在某个分子带上传输b个比特所需的功率εs(b)=(22b-1)/gs×Γ。定义β为低压电力线信道上传输的最小信息增量间隔(粒度)，各分子带的功率增减量:

(12)

且Δεs(b)=ηs。

(7) 贪婪分配分子带功率裕量。对所有的载波分子带，找出特定的分子带φ，使得:

(13)

(14)

(9) 将式(14)代入式(3)，得到最大化的载波速率:

(15)

4 实验仿真分析

4.1 误码率分析

为验证所提算法的性能，选取Homeplug AV规约上关于低压宽带电力线载波技术的参数，如表1所示。

表1 Homeplug AV规约技术参数

设定低压电力集抄系统所能容忍的误码率门限为BERΣ=10-4，由文献[8]中提供的BPSK、QPSK和M-QAM调制方式下的误码率公式，仿真得到其误码性能曲线，如图3所示。

图3 Homeplug AV调制方式下的误码性能分析

根据图3给出的BER曲线，可以得到在误码率为10-4时，各调制方式对应的信噪比门限值，即θ0=8.5 dB，θ1=12.3 dB，θ2=12.8 dB，θ3=16.5 dB，θ4=20.6 dB，θ5=25.6 dB。

4.2 载波速率分析

由Homeplug AV调制方式在单位码元周期内传输的比特数可知，粒度β=2。对本文所提算法采用蒙特卡洛法进行计算仿真，仿真次数1 000次，得到的图形如图4所示。

图4 载波速率仿真与比较

由图4可以看出，所提算法对OFDM子载波进行了合理的划分、归类，避免了大量信令的开销与功率浪费，提高了频谱利用率，采用中值信噪比门限法对载波分子带进行动态比特调制，有效地规避了信道增益衰减，对载波分子带的功率裕量融入了贪婪分配机制，在信噪比为20 dB处取得了250 Mb/s的载波速率，分别是基于Homeplug AV规约和原信噪比门限算法的1.3、1.7倍。所提算法限定了原贪婪算法的最小信息增量粒度为整数，在每一次的比特分配过程中，对所需功率增量最小的分子带分配2粒度的信息，会使得某些非整数载波比特的分子带对信息增少补多，间接地造成了一定的性能损失，因此所提算法所得的载波速率较原贪婪算法低。然而，所提算法对功率裕量进行分配时，一共需做Etotal次迭代，在迭代过程中需做2S次功率比较，算法复杂度为O(Etotal×2S)。原贪婪算法未对粒度β做整数界定，在做Etotal次迭代时，需做N×N次功率比较，算法复杂度为O(EtotalN2)。通常，分子带取值S<

5 结 语

以“智能用电”环境下的智能计量与集抄系统[14]为应用背景，结合国网通信单元检验技术规范对载波通信单元功率消耗的限定要求，提出了一种基于分子带的电力线载波速率最大化算法。实验结果证明，所提算法在线路衰减、噪声干扰和输入阻抗呈时变性的低压电力线信道里能够有效提高子载波传输速率，降低硬件开销。在信噪比为20 dB时，载波速率可达到250 Mb/s，是智能电网应用需求的2 000倍[15]。依托该传输速率，可使低压电力集抄台区的负控终端、电能表的组网、采集时间缩短至秒级，为电力公司营销系统的业务递推和双向互动[16]奠定了理论基础。

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Research on Rate Maximization Algorithm Based on Sub-bands for Power Line Carrier

LIANGDandan，DONGTianqiang，CHENBo，LINXiaoqing

(Guizhou Power Grid Co., Ltd., Guiyang Power Supply Bureau, Guiyang 550001, China)

In order to develop the collection efficiency for power utilization information in low voltage power metering area, a high speed, real-time and bilateral intelligent power utilization information collection system is constructed under the demand of limitation for communication unit power consumption defined in Q/GDW 1379.4-2013 technical specification. A rate maximization algorithm based on sub-bands for power line carrier is proposed. In the algorithm, signal carrier band is 2～30 MHz. The adaptive sub-carrier modulation based on Homeplug AV statute is combined to make the neighboring sub-carriers be a unit sub-band. The greedy power allocation is assimilated into the average SNR threshold algorithm to allocate the bite on each sub-band which we set so as to acquire the maximal carrier rate. Simulation results show that the algorithm proposed owns a higher carrier rate compared to the classical SNR threshold algorithm and Homeplug AV method. Although it has weaker rate compared to the classical greedy algorithm, it cuts greatly the calculating complexity and hardware consumption.

power consumption; power metering; sub-bands; adaptive modulation; signal to noise ratio(SNR) threshold

2016-04-18

贵州省科技厅基金项目(黔科合LH[2014]7614);贵州电网科技项目(GZ2014-2-0006)

梁丹丹(1979-)，女，高级工程师,贵州贵阳人，现从事计量信息自动化管理工作。E-mail:zk8008h@qq.com

TM 73；TN 913.6

A

1006-7167(2017)02-0136-05