电力载波通信中的干扰特性与抑制技术探究

宋士刚，武占侠，洪海敏，刘飞飞，王道远

(深圳市国电科技通信有限公司，广东深圳，518109)

1 电力载波通信中的干扰特性

电力载波通信系统有电力线、载波机、耦合设备组成。系统中存在的干扰特性包括阻抗特性、衰减特性、噪声特性等。

1.1 阻抗特性

电力网络阻抗由变压器阻抗、电力线负载阻抗、导线特性阻抗组成。阻抗呈现为感性或者容性，应达共轭匹配。其并非单一作用于线路内，是多种阻抗负载效应，换句话说，负载间阻抗匹配、负载和耦合装置阻抗匹配、变压器和电力特性阻抗匹配。静态可将其视为频率=0的动态特例，届时阻抗不是简单类型的电阻，为广义阻抗，具备动态效应。阻抗匹配将对PLC信号完整传输产生影响，新增负载导致输入的阻抗随着PLC网络结构变化而变化。电线接头阻抗匹配性不足将导致反射的多样性提升，造成原有阻抗匹配混乱，进而导致多径模型发生变化，对信号的传递产生影响。

电力线位置不同输入阻抗不同，大量电感、电容、电阻网络内，在不同点分析，输入阻抗必然不同。因为电力线中输入阻抗存在明显变化，导致接收机输入阻抗与放大器输出阻抗无法保持匹配，对电路设计造成影响。

1.2 信道衰减

信道衰减包括耦合衰减、线路衰减，其中耦合衰减能够按照要求调整耦合器的内阻值进行抑制，线路衰减属于重点问题，信道时变性较强，随着传输距离与频率变化，信号随之变化，频率增加，传输线效应更明显，当拓扑结构和负载特征参数存在差异，则难以发现适用于所有线路数字模型。相关学者经过多次试验，多径反射为信道内信号衰减主要原因，因为输入阻抗变化与多径效应影响，综合时延、衰减、权重等因素，通道模型表达式为：

1.3 信道噪声

在电力线内实现高速通信与低速通信均需要对信道噪声特性加以充分的了解，但电力线网络是为电力传输所设计，在电力系统中负载繁多，多产生的噪声也不同。通过大量的研究分析，电力线中噪声还可分为人为噪声与非人为噪声。噪声来源如下表1所示：

表1 电力线噪声分类

2 干扰特性测试分析

电力线中信号衰减特性、干扰特性极为复杂，具有时变性、随机性较大特点，无法通过比较准确的数学模型、解析式进行描述，也正是因为如此，对电力载波信号干扰特性分析多通过试验测试、定性分析等方式开展。虽然部分学者提出部分模型用于测试分析，但是模型多附加大量假设与限制，导致测试分析适用面较小，结果精准度有待考证。同时，为达到实用，获取合理性价比，并对其成本加以限制，需要加强研究。对载波产品进行研发时，借助下述方式对载波信号干扰特性进行测试具有良好的效果。

首先，测量信号方式。为对电力线衰减特性进行测量，可以选用由电力网络、耦合网络、线性负载、示波器等设备组成的装置。借助相关设备产生正弦信号，放大后，借助耦合网络连接至电力网络。正弦信号通过电力网之后，由接收端接收信号和噪声，两种电平经与发射端相同耦合网络，传输至阻性负载，通过示波器显示其数值。测量结束对实验结果进行分析。在实际测量中发现，电力网衰减特性极为复杂。同一电网中不同地方或者相同地方不同时段，衰减值存在较大差异，随频率增加，衰减值逐渐下降。对测量结果进行分析最终得出：第一，通常情况下同相衰减＜跨相衰减，一定频率存在例外；第二，频率逐渐增加，信号的衰减将逐渐增加，而增加情况并非单调增加；第三，电力网中电力负载对载波信号衰减存在严重影响。因为负载情况将随时间不断变化，所以给定频率点衰减将随时间变化，变化范围最大值为30dB。第四，电力通信信号衰减特性难以构建精确数字模型，无法借助简单公式进行表达，更加适合使用统计方式分析计算。

3 PLC抗干扰性能分析

为确保控制网络内信息有效交换，不管下行接收或者上行传输，需要将物理层、链路层抗干扰和MAC协议、纠错机制融合应用，保证数据最优传输，模型如图1所示。

图1 I／ISO网络模型的抗干扰模型

3.1 基于物理层调制/解调抗干扰分析

电力通信非线性导致解调极为复杂，采用复杂的均衡技术将增加成本。以往调制技术对参信道内脉冲干扰和多径效应的抑制已经不满足实际需求，因为受到信号功率影响，电力线通信调节方案主要以低信噪比达到允许误码率范围，扩频技术则通过频谱拓展借助低频率的频谱信号进行再次发射，能够有效抑制空中、电台短波辐射所产生窄带干扰，具有衰减能力大、抗噪声性能强、秘密通信等优势。但随着信号频谱逐渐拓宽，将导致有线宽带中可用信道的数量逐渐减少，同等码元在大量信道内传输，将对其传输速率产生影响。另外，扩频技术对宽频谱脉冲噪声进行处理时，小幅度扩频信号将被宽频带噪声所覆盖，导致信号的接收出现错误，可借助FEC技术检错和纠错，而信道编码导致信号频带再次扩展将造成扩频效益逐渐下降，所以，扩频技术的应用受到一定的限制。另外，OFMD技术在较高频谱中具有较大利用率，具有传输速率较快，满足高速PLC应用需求，同时对抗脉冲干扰、多径干扰具备一定优势。

首先，OFMD的传输速率较快。把频带划分为互相独立窄带通道同时将高速串行码转变为并行低俗码，借助低速码流对子载波进行调制，子载波中部分频谱互相重叠，有效提升频谱的利用率，即使子载波传输速率较低，但经子通道；累积将获取高传输速率。另外，具有强抗多径干扰性能。信道多径效应将导致信号时延扩展，造成前码、后码接收互相重叠，导致ISI情况发生。设定信号带宽是B，码子速率是R，码字周期是T，多径效应所产生最大时延是Tmax，设定Tmax＞T，导致码间干扰。借助OFDM可以把高速串行数据划分为若干个子信号，割分后速率降低为R/N，周期NT，周期延长N倍，超过多径反射时延，能够有效克服ISI，倘若对ISI彻底消除，需要设置保护间隔，保护间隔＞脉冲响应持续时间，而空间保护间隔受多径传播影响，子载波正交性将受到破坏，出现ICI情况，如果保护间隔中设置前缀循环符号，则把OFDM符号后半部分替换纸前半部分，形成CP，确保子载波正交性，同时避免ICI。最后，OFDM在一定程度上可以抑制脉冲干扰。对于子载波调制可按照子通道实际情况选择，当脉冲干扰较为严重，可把关闭小于信噪比门限的通道，确保数据信息的完整性与降低误码率。电力线通信，OFDM对发射机的频率偏移敏感且面临PAPR大风险，相比于下行链路，上行链路所受PAPR更加严重。通过应用SC-FDMA技术可以有效解决上行链路所产生均峰比情况。添加CP，导致传输速率下降。通过m序列作训练序列信道估计和迭代均衡，借助自相关特性取得时域响应，迭代均衡OFDM，通过仿真实验，能够有效提升传输效率于强化系统的抗噪性能。 I/ISO网络模型的抗干扰模型见图1.但是对载波同步、时间同步要求较高，硬件设备较为复杂。同时，对于通讯同步相关问题，将多相序列做主同步信号的多用户帧结构，能够按照用户不同选择不同的同步序列，具有较强的相关性，满足多用户网络应用需求。

3.2 数据链路层抗干扰分析

PEC和交织技术。电力线通信信号传输中，受电磁兼容的限制将对发射功率产生影响，当发射功率较低时，影响信噪比，一定信噪比可以抑制背景噪声，但是无法克服脉冲噪声[7]。FEC、交织技术在一定程度上可以遏制脉冲信号。信道编码可以提升通信效果，发送端不需要向接收端提供额外信息，发送待发信息前附加冗余位，在接收时，冗余信息可以借助一定规律纠正错误，常用纠错码包括卷积码、分组码与Turbo码。信道编码可对随机性的错误进行处理，但PLC脉冲噪声所产生频率响应将出现严重衰落，导致突发问题。交织技术可使突发错误转变为随机性，对脉冲干扰加以有效抑制。借助交织器与递归系统编码器，保证Turbo编码器可以输出较大码重。在1995年便有相关学者对LDPC进一步研究。LDPC属于线性的分组码，属于稀疏矩阵，通过研究发现相比于Turbo码，不规则LDPC性能更好。在PLC模型中借助注水原理，有效降低信噪比的分布不均情况，发送端有效获取信道状态参数，便于对LDPC进行分配。因为PLC网络电视协议，和高质量视频需要具备应用层纠错机制保障，所以脉冲干扰所导致突发错误造成通信困难。另外，多址接入技术。该技术中CDMA方案在电力线通信中具有较高的优势[6]。CDMA保留扩频技术优点，并具备高频率利用、高传输速率等优势。应用IDMA技术，在保留CDMA技术优势的同时将脉冲噪声突发错误转变为随机性，可以在资源受限、严重干扰信道中传输信号，提升信道利用率，提供更加优质的服务。另外，脉冲调整综合CDMA在高数据传输中允许进行多用户传输。

3.3 传输层抗干扰分析

通过以上分析，OFDM设计中各个子载波比较窄，形成平坦衰落，同时插入CP可以确保经过频率选择后处于正交状态，而带宽增加，各子载波多经历衰减存在差异，不是平坦衰落，可能存在错误，能够借助FEC检错、纠错。若借助物理层调制技术与FEC干扰措施处理仍然存在错误，则只可借助ARQ机制重传。一般情况下将FEC和ARQ同时应用，减小系统错误概率，而ARQ多用于时延要求较低系统中，不然将增加额外时间，难以满足系统需求。另外，ARQ重复发送，降低通信效率，因此较适用于处理时间比较短干扰中。例如信号切出/接入所产生短暂的脉冲干扰，若存在持续时间较长干扰群，则需按照数据传输的速率与Qos相关要求，对MAC层通道进行重新分配。

4 总结

本文对电力载波通信中阻抗特性、衰减特性以及干扰特性进行分析，从物理层信号处理和数据链路信息数据传输角度，分析抑制技术应用可行性。但是除需选择抑制技术，算法韧性同样需要加以考虑。分数低阶稳定分布能够对高斯信号有效描述。另外，对于PLC中阻抗特性和信号在拓扑结构内突然切出/接入所造成多径传输动态建模也需要加强研究。