摘  要： 當(dāng)前OFDM已經(jīng)成為電力線通信的主流技術(shù)，但是由于國內(nèi)的電力線信道普遍存在噪聲特性極為惡劣、復(fù)雜多變，嚴(yán)重影響了通信質(zhì)量。本文針對(duì)該問題，系統(tǒng)性地提出了一種面向可靠性的電力線通信OFDM系統(tǒng)資源分配算法；該算法能夠根據(jù)信道噪聲特性計(jì)算每個(gè)子載波實(shí)現(xiàn)可靠通信的功率值，在此基礎(chǔ)上對(duì)OFDM的資源分配進(jìn)行優(yōu)化，在保證高通信可靠性的同時(shí)發(fā)揮OFDM的已有優(yōu)勢。本文結(jié)合PLC智能用電信息采集應(yīng)用對(duì)所提的頻帶優(yōu)化機(jī)制進(jìn)行現(xiàn)場測試，測試結(jié)果驗(yàn)證了OFDM的頻帶優(yōu)化算法的有效性。

　　關(guān)鍵詞： 電力線通信；OFDM；頻帶優(yōu)化；信道噪聲

0 引言

　　經(jīng)過多年的發(fā)展，OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技術(shù)逐漸成為電力線通信的主流技術(shù)之一，在智能配用電領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[1]。目前，圍繞電力線通信的OFDM技術(shù)，在通信信道的特性分析和建模[2-3]、關(guān)鍵的調(diào)制解調(diào)技術(shù)、載波通信芯片及相應(yīng)產(chǎn)品、各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)約的制定等方面都取得了一定的成果。國際上形成了HomePlug、Prime和G3等標(biāo)準(zhǔn)組織，對(duì)推動(dòng)基于OFDM的電力線通信技術(shù)的發(fā)展起到了重要作用。

　　作為電力線通信OFDM技術(shù)發(fā)展新趨勢，自適應(yīng)OFDM技術(shù)能夠根據(jù)每個(gè)子載波的信噪比，動(dòng)態(tài)地分配子載波和每個(gè)子載波上的比特?cái)?shù)及發(fā)射功率，有效降低惡劣信道特性對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊慬4]。

　　針對(duì)室內(nèi)電力線通信OFDM系統(tǒng)，參考文獻(xiàn)[5]提出一種在多鏈路功率譜限制下的子載波和功率分配算法，并仿真了多種可變信道條件下算法性能。參考文獻(xiàn)[6]提出了一種解決信號(hào)功率譜限制條件下的多用戶頻譜優(yōu)化快速算法。在HomePlug AV標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，參考文獻(xiàn)[7]提出了在保證誤碼率和平均誤碼率條件下最大化系統(tǒng)容量的2種比特分配算法，并仿真比較了它們的性能。參考文獻(xiàn)[8-9]針對(duì)電力線通信系統(tǒng)提出一種在功率譜限制條件下比特分配算法，利用貪婪法原理設(shè)計(jì)分配算法，降低了算法的運(yùn)算量。以上文獻(xiàn)雖然對(duì)電力線通信中多業(yè)務(wù)資源分配問題進(jìn)行了深入研究，但是僅僅限于仿真。

　　然而在實(shí)際應(yīng)用中，國內(nèi)的電力線信道本身存在著固有的噪聲環(huán)境惡劣而且復(fù)雜多變的難題。在此惡劣復(fù)雜的噪聲環(huán)境下，標(biāo)準(zhǔn)的電力線通信OFDM系統(tǒng)（如HomePlug AV和Prime）仍然面臨通信可靠性問題，難以發(fā)揮OFDM的優(yōu)勢，這已成為亟待解決的問題。針對(duì)該難題，本文對(duì)基于OFDM的PLC頻帶分配技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)研究，系統(tǒng)地提出一種基于可靠性因子的OFDM電力線通信頻帶分配優(yōu)化算法，在發(fā)揮OFDM技術(shù)優(yōu)勢的同時(shí)保證OFDM的通信可靠性，為提高PLC的OFDM系統(tǒng)通信質(zhì)量提供有力支撐。

1 OFDM電力線通信信道噪聲測量分析

　　噪聲是影響電力線通信質(zhì)量的重要特性之一，電力線信道的噪聲建模是PCL領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容。已有的研究雖然提出了一些噪聲模型，但由于國內(nèi)電力線信道的噪聲環(huán)境極為惡劣、復(fù)雜多變，PCL信道噪聲難以建立適用的數(shù)學(xué)模型[10-11]。

　　由于電力線信道噪聲的惡劣影響，現(xiàn)有的OFDM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在一定程度上難以保證PLC的可靠性。為此，本文對(duì)四個(gè)不同類型的臺(tái)區(qū)的電力線信道噪聲進(jìn)行實(shí)際測量，如圖1所示。根據(jù)圖1的測量結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：（1）由于信道噪聲的惡劣性，難以保證標(biāo)準(zhǔn)的OFDM中所有子載波頻帶全部可用；（2）PLC的信道仍然存在著若干噪聲特性較為良好的頻帶，為OFDM通信提供了可用的頻帶窗口。

　　因此，對(duì)OFDM電力線通信的研究和應(yīng)用中，保證通信的可靠性是自適應(yīng)OFDM子載波頻帶分配算法研究的首要基礎(chǔ)。

2 電力線通信OFDM頻帶分配優(yōu)化模型

　　在自適應(yīng)OFDM中，通過信道訓(xùn)練和估計(jì)可以獲得子載波n的傳遞函數(shù)Hn2和噪聲功率。定義其單位功率載噪比為：

　　則子載波n最大傳輸比特?cái)?shù)為：

　　其中，」表示向下取整，為信道極限速率與實(shí)際速率的差額；Pn為子載波n的信號(hào)功率。

　　可靠性是電力線通信質(zhì)量的首要前提，而誤碼率則是可靠性的重要指標(biāo)之一。因此本文選用誤碼率作為判定可靠性的依據(jù)。在已知噪聲功率的情況下，可以根據(jù)OFDM系統(tǒng)對(duì)誤碼率的可靠性要求，得出子載波滿足可靠通信所需的最小信號(hào)功率，以作為可靠性約束條件。如公式（3）所示：

　　其中，eT為系統(tǒng)對(duì)誤碼率的可靠性要求。

　　因此，多業(yè)務(wù)自適應(yīng)OFDM系統(tǒng)的頻帶資源分配優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型為：

　　其中，ck，n表示子載波n是否分配給業(yè)務(wù)k，如果分配則為1，否則為0；Ptotal為總功率上限，n為子載波功率上限。以上數(shù)學(xué)模型只有子載波功率上限和下限以及系統(tǒng)總功率上限，速率方面不做限制。則所提出的頻帶優(yōu)化分配目標(biāo)在保證OFDM系統(tǒng)通信可靠性的前提下，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容量的最大化。

3 基于可靠性因子的頻帶分配優(yōu)化算法

　　為了降低求解的復(fù)雜度，本文根據(jù)可靠性因子確定子載波分配功率，再根據(jù)公式（2）將rn變成常數(shù)，故上述頻帶分配優(yōu)化問題可以分為三個(gè)階段來求解：

　?。?）確定可用子載波集：將各子載波信號(hào)功率初始化為零。根據(jù)所設(shè)定的可靠性約束條件，在子載波功率上限條件下，初步分配各子載波信號(hào)功率。

　?。?）子載波比特資源初步分配：根據(jù)子載波功率上限和比特?cái)?shù)的下限確定該子載波比特?cái)?shù)。

　?。?）子載波功率優(yōu)化調(diào)整：計(jì)算剩余功率；按照子載波噪聲功率降序排列；再將所得的剩余功率和比特?cái)?shù)按次序分配給子載波，最終實(shí)現(xiàn)OFDM系統(tǒng)容量的最大化。

　　3.1 確定可用子載波集

　　首先將各子載波信號(hào)功率初始化為零。根據(jù)所設(shè)定的可靠性約束條件，在子載波功率上限條件下，初步分配各子載波信號(hào)功率。第一階段的算法步驟如下：

　?。?）將各子載波信號(hào)功率和比特?cái)?shù)初始化為零；

　?。?）根據(jù)公式（3）的可靠性約束和功率上限計(jì)算出各子載波的初始功率；

　?。?）將滿足可靠性約束和功率上限的子載波納入可用子載波集；

　?。?）如果該子載波在可靠性約束下，功率超過子載波功率上限，則該子載波為不可用，舍棄該子載波；

　?。?）最終形成可用子載波集。

　　3.2 子載波頻帶資源初步分配

　　第二階段是在確定可用子載波集的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)業(yè)務(wù)數(shù)k以及每個(gè)業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)，進(jìn)行子載波比特?cái)?shù)的初步分配。算法第二階段步驟如下：

　　（1）對(duì)于每一個(gè)可用的子載波，根據(jù)公式（2）確定其可分配比特?cái)?shù)。

　?。?）根據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)和所需帶寬，依次為業(yè)務(wù)分配子載波的比特?cái)?shù)；若子載波n分配給業(yè)務(wù)k，則標(biāo)記子載波分配Ck，n=1。重復(fù)此步驟，直到子載波數(shù)用盡為止。

　?。?）對(duì)各業(yè)務(wù)的子載波分配滿足情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分為已滿足業(yè)務(wù)集ψy和未滿足業(yè)務(wù)集ψn。

　　3.3 子載波功率優(yōu)化調(diào)整

　　第三階段進(jìn)一步對(duì)子載波頻帶分配進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容量最大化的優(yōu)化分配目標(biāo)。算法第三階段的步驟如下：

　?。?）計(jì)算剩余總功率。

　?。?）根據(jù)公式（5）計(jì)算子載波每增加1比特的功率變量，按照其最大可分配比特?cái)?shù)上限建立功率變量表[4]。

　　（3）對(duì)于系統(tǒng)容量未最大化的業(yè)務(wù)，查表選擇最小功率增量的子載波加配1比特，更新資源分配情況表。重復(fù)此步驟，直到總功率約束不滿足為止。

4 測試結(jié)果與分析

　　為了驗(yàn)證所提出的基于可靠性因子的OFDM電力線通信頻帶優(yōu)化分配算法的有效性，本文以智能用電信息采集系統(tǒng)應(yīng)用為例，選擇了兩個(gè)試點(diǎn)臺(tái)區(qū)進(jìn)行測試。

　　臺(tái)區(qū)a位于城鄉(xiāng)結(jié)合帶，需要抄表總數(shù)為872塊（871個(gè)用戶+1個(gè)集中器）；每塊表需要抄讀4個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)（F161日凍結(jié)1項(xiàng)以及F215的3項(xiàng)）。臺(tái)區(qū)a的變壓器電壓等級(jí)10 kV/380 V，容量800 kVA。選取40 kHz~100 kHz為電力線通信的工作頻帶。

　　臺(tái)區(qū)b位于城市居民小區(qū)，需要抄表總數(shù)為501塊（500個(gè)用戶+1個(gè)集中器）；每塊表需要抄讀的數(shù)據(jù)項(xiàng)與臺(tái)區(qū)a相同。臺(tái)區(qū)b的變壓器電壓等級(jí)10 kV/380 V，容量500 kVA。電力線載波工作頻帶亦為40 kHz~100 kHz。

　　臺(tái)區(qū)d為某農(nóng)村用電區(qū)域，需要抄表總數(shù)為325塊（324個(gè)用戶+1個(gè)集中器）；每塊表需要抄讀的數(shù)據(jù)項(xiàng)與臺(tái)區(qū)a相同。臺(tái)區(qū)c的變壓器電壓等級(jí)10 kV/380 V，容量400 kVA。電力線載波工作頻帶同上。各臺(tái)區(qū)的算法性能比較如表1~表3所示。

　　表1、表2和表3的比較顯示，標(biāo)準(zhǔn)的OFDM的通信可靠性受電力線信道噪聲影響較大，不同的臺(tái)區(qū)環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸成功率較低，不具備較強(qiáng)的用電環(huán)境適應(yīng)能力。本文算法能夠達(dá)到較高的抄收成功率和誤碼率，但是總傳輸速率上與標(biāo)準(zhǔn)的OFDM相比略有降低，需要進(jìn)一步改進(jìn)。

5 結(jié)束語

　　本文針對(duì)基于OFDM的電力線載波通信中信道噪聲特性極為惡劣復(fù)雜所導(dǎo)致的通信質(zhì)量問題，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求，提出了一種基于可靠性因子的OFDM電力線通信頻帶分配優(yōu)化算法。通過PLC智能用電信息采集系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用和測試，表明該算法在有效保證OFDM電力線通信可靠性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了頻帶資源優(yōu)化分配模型的目標(biāo)。

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