电力线载波通信的OFDM编码方案

刘玉珍 王化琳

(辽宁工程技术大学 辽宁 葫芦岛 125100)

电力线载波通信的OFDM编码方案

刘玉珍 王化琳

(辽宁工程技术大学 辽宁 葫芦岛 125100)

针对电力线通信存在窄带干扰和载波频率偏移对系统传输性能的影响， 提出扩展现有的基于OFDM框架下Reed-Solomon卷积码的窄带电力线通信前向纠错方案， 即在OFDM的子载波间引入排列码。经过实验表明，该方案不但提高了系统传输得有效性，而且也提高了传输的可靠性。该成果对推进电力线载波通信的应用，具有重要意义。

载波频率偏移 载波间干扰 正交频分多路复用 正交频分多路复用技术-多进制频移键控 电力线载波通信

0 引 言

电力线通信技术PLC(Power Line Communication)，是指利用现有电力线传输数据和媒体信号的一种通信方式。PLC作为利用电力线组网的一种接入技术，是宽带网络”最后一公里”的一种解决方案[1]。利用现有的电网线路作为通信载体，可减少了重新铺设光纤的成本。在房间里只要有电源插座的地方，不用拨号，就可以享受高速网络接入，实现集数据、语音、视频以及电力为一体的“四网合一”功能。

窄带电力线技术作为未来配电网中的关键技术之一，深受研究人员的广泛关注。

自1991年欧洲的一家通信公司利用低压电力线进行高速数据传输研究开始，并于1995年-1997年在英国进行电力线语音传输实验成功后,就掀起了研究 PLC 技术的热潮。而且，随着接入网瓶颈效应的日益突出, PLC技术凭借其覆盖面积广、无需重构网络等特点,相对于目前的电缆调制解调器、数字用户环路(xDSL)、无线接入技术及LMDS(本地多点分配系统)等，占有明显的优势[2]，具有广泛的应用前景。

然而,由于低压电力网的通信环境相当恶劣,主要表现为：对载波频率偏移敏感、具有较高的峰均功率比(PAPR)等，这些给电力线的应用和研究带来很大的困难与挑战。

本文着重针对电力线通信存在窄带干扰和载波频率偏移对系统传输性能的影响， 提出了扩展现有的基于OFDM框架下Reed-Solomon卷积码的窄带电力线通讯前向纠错方案，即在OFDM的子载波间引入排列码来对抗窄带干扰和载波频率偏移。 该方法利用一个跳频的伪随机排列序列来发送信息，从而可均衡在频率点产生的窄带噪声的影响。这个方法有着0.4的频谱效率，并且与OFDM-MFSK的0.25频谱利用率相比提升了60%。

1 编码方案

正交频分复用OFDM是将高速串行数据流转换成N路低速并行数据流，分别调制到相互正交的子载波上，然后将N路子载波合并为一路实现数据传输的技术[3]，OFDM信号由逆傅立叶变换(IDFT)产生，公式如下：

N是数据载波的数量[4-5]。

本文提出的方法是使用了一个简单的P=2的伪随机排列码来对OFDM子载波间隔进行编码。这个简单的排列编码采用了包括一个仅含两个码字的码书[1 2],[2 1]。编码序列是伪随机的，因为它在连续的信息子载波间使用了一个预先定义的[1 2]-[2 1]-[1 2]码字序列，这个码字序列发端和接受端都知道。其中[1 2]意味着第一个和第二个携带信息的子载波间的频率间隔是一个空，第二个和第三个之间是两个空，空被定义为没有使用的频率。编码序列就是以这种方式产生的，在IFFT窗中使用的频率有一半在下一个窗中没使用。

从码书中取回的第一个码字的位置取决于目前的IFFT的编号。这个位置由l=1+(n(mod2))给出，其中n是当前的IFFT的编号[4]。从这个公式中可以看出，码字位置在第一个位置和第二个位置之间变换，第一个位置给偶数窗编号，第二个位置给奇数窗编号。在这种方式下连续IFFT窗的传输频率就不同，因此窄带噪声在它们上面的影响就不一样了。这个序列也可以在解码器处以所需要的最小的变动修改。这个方法的好处是，出现在具体的确定频率点的窄带干扰的影响就被减少了，因为部分被影响的频率一般的时间都没有被使用。

在这个方法中，子载波是基于上一个子载波选出来的，新的子载波的位置只是简单的来自前一个子载波的已经定义数量的一些子载波频率间隔。因为我们不需要知道一组子载波中的位置，我们只需要知道上一个子载波的频率距离。传输信息的子载波的精确位置是知道的，如果一个频率干扰出现在未使用的频率点，信息的完整性就不会受到影响，因为那个频率是被忽略的。这降低了窄带噪声出现在携带信息的子载波上的概率。

图1展示了该方法中子载波的排列。被使用的频率被标记为fk。因为没有两个子载波在相邻的频率点，同时因为所有的子载波都以正交频率的整数倍分割，连续载波间的干扰被降到最低，ICI被显著地消除了。因此，这个方法不仅可以对抗窄带干扰，同时也可以对付ICI。

图1 OFDM排列编码原理，黑色箭头代表传输信息的频率，灰色代表未使用的频率

OFDM在发射端使用线性变换(IFFT)，在接收端进行逆变换(FFT)[6]。信号经过这两个变换后不会受到影响，而另一方面，在IFFT之后加入的脉冲噪声，通过FFT变换后，脉冲的能量在OFDM符号间隔被分散，因此，在未编码的OFDM中常见的误差被降低了。循环码的加入增加了散开的长度，有利于消除OFDM符号中脉冲噪声影响。然而，这个关系不是成比例的，因为要考虑功率谱密度。

频率空位的使用意味着PEOFDM较之标准OFDM包含更少的信息，脉冲噪声能量 分布在更小的信号成分上。这就解释了为什么每个符号使用较少的子载波对抗脉冲噪声，这是通过减少其对传输信号不利的影响来实现的。我们采用的时频梳状滤波降低了解码器端接收噪声的相关性，有助于识别噪声[7]。

窄带干扰是PLC通信中一个严重的问题，因为它出现在一个或多个频率点，并且长时间间歇地发生。这意味着在那些特殊频率点传输的信息如果不是彻底不可恢复，就被破坏了。一个减轻频率干扰的主要方法是避免在那些受影响的频率传输信息。然而，确定这些频率点是不现实的，因此很需要一种跳跃传输频率的好方法[8]。该方法使用了一种简单的排列，这个方法让频率保持变换，信息就在这些变化的频率上传输，这个过程提高了避免一些干扰发生的频率的概率[9]。

2 MATLAB仿真

低压PLC配电网络中，信道的通信环境恶劣，结构也相对复杂，通信系统的性能因此受到了很大的影响。图2所示为电力线的信道模型，仿真的参数设置如表1所示。

图2 电力线的信道模型

仿真参数参数名称参数设置k衰减因子0.5gi加权因子绝对值≤1di路径长度>100mi路径数量≥1ai衰减参数测量获得

图3为系统流程，差分BPSK/QPSK是在连结信息上完成的，在I-Q已调符号被加载到OFDM子载波之前[10]。接着做IFFT，然后在信息沿着电力线频道发射之前加入循环码。本文采用AWGN(加性高斯白噪声)模拟电力线信道的随机噪声。电力线的信道模型如图2所示。仿真的参数设置如表2所示。

图3 系统流程

参数名称参数设置子载波数200子载波含符号数6符号含比特数2/4信噪比15FFT点数512信道模型高斯信道循环前缀32调制方式DBPSk/DQPSK

3 仿真结果及分析

仿真结果如图4-图7所示，其中OFDM子载波分别以DBPSK和DQPSK两种调制方法分别调制。将PEOFDM与传统的OFDM在不同的CFO(载波频率偏移)和子载波调制方法下进行了比较。且所有的仿真结果均在存在AGWN、脉冲和窄带干扰情况下获得的[11]。

图4 DBPSK方法调制的OFDM(存在CFO)

图5 DQPSK方法调制的OFDM(存在CFO)

图6 OFDM子载波排列编码PEOFDM(DBPSK)

图7 OFDM子载波排列编码PEOFDM(DQPSK)

图4和图5分别是改进前采用不同调制方法的MATLAB仿真图，其中图4采用DBPSK的OFDM，且存在CFO影响的仿真结果。图5是采用DQPSK的OFDM仿真结果；当CFO由0.00到0.12变化时，DBPSK在处有1.8 dBEb/No的损失。与DBPSK相比，DQPSK在处有6 dBEb/No的损失。可见同种调制方式，在相同信噪比下随载波频率偏移(CFO)的增加，误码率也增加，即抗造性能降低；另外随着进制的增加，误码率也增加。因此如果想要保持高传输能力，就需要加强调制方法和编码方法[12]。

图6和图7是改进的编码方案仿真图。图6是OFDM子载波排列编码(DBPSK)，图7是OFDM子载波排列编码(DQPSK)。在PEOFDM中，频率偏移对信号传输的影响有明显改善，如：DBPSK方法在10-2处只有大约1 dB的损失，而DQPSk在10-2BER处也是只有略微超过4 dBEb/No的损失，在10-3BER(没有频率偏移)处和传统方法相比有0.7 dB的提高，同时在10-2处(载波频率偏移为0.12)较之标准的OFDM有约3 dB的提升。

4 结 语

由上述可见，改进的方法OFDM子载波排列编码方案(PEOFDM)误码率低于改进前的方法。虽然它比原有的OFDM占用了更多的带宽，但是在传输能力上都着有很大的提升。该成果对促进电力线载波通信的应用，具有一定的理论参考价值[13]。但是此方法也存在着需要改进的地方，比如因为在OFDM的子载波间插入了排列码，增加了占用的频带宽度，在本文中使用了[1 2]-[2 1]-[1 2]码字序列，由图1可知，带宽宽度为不使用时的2.8倍，导致在同样带宽的情况下，所传输的信息较之传统方法有所减少。

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OFDM CODING SCHEME FOR NETWORK AND POWER LINE CARRIER COMMUNICATION

Liu Yuzhen Wang Hualin

(LiaoningTechnologyUniversity,Huludao125100,Liaoning,China)

Aiming at the influence of narrowband interference and carrier frequency offset on the transmission performance of power line communication, this paper proposes an extended scheme for forward error correction of narrowband power line communication based on Reed-Solomon convolutional code in OFDM framework, that is, introducing the permutation code between subcarriers of OFDM. Experiments show that the scheme not only improves the efficiency of the system transmission, but also improves the reliability of transmission. The work to promote the application of power line carrier communication, is of great significance.

Carrier frequency offset Inter carrier interference OFDM OFDM-MFSK Power line carrier communication

2016-02-26。刘玉珍，教授，主研领域：数据通信与网络工程。王化琳，硕士。

TP3

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.04.023