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)算每個子載波實(shí)現(xiàn)可靠通信的功率值，在此基礎(chǔ)上對OFDM的資源分配進(jìn)行優(yōu)化,，在保證高通信可靠性的同時發(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，對推動基于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)每個子載波的信噪比,，動態(tài)地分配子載波和每個子載波上的比特?cái)?shù)及發(fā)射功率，有效降低惡劣信道特性對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊慬4],。

　　針對室內(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,。針對該難題，本文對基于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,，本文對四個不同類型的臺區(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階段來求解：

　?。?）確定可用子載波集：將各子載波信號功率初始化為零,。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功率。第一階段的算法步驟如下：

　?。?）將各子載波信號功率和比特?cái)?shù)初始化為零,；

　　（2）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,；

　　（5）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以及每個業(yè)務(wù)的優(yōu)先級，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：

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

　　（2）根據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)先級和所需帶寬,，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：

　　（1）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],。

　?。?）對于系統(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，選擇了兩個試點(diǎn)臺區(qū)進(jìn)行測試,。

　　臺區(qū)a位于城鄉(xiāng)結(jié)合帶,，需要抄表總數(shù)為872塊（871個用戶+1個集中器）；每塊表需要抄讀4個數(shù)據(jù)項(xiàng)（F161日凍結(jié)1項(xiàng)以及F215的3項(xiàng)）,。臺區(qū)a的變壓器電壓等級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,。

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

　　臺區(qū)d為某農(nóng)村用電區(qū)域,，需要抄表總數(shù)為325塊（324個用戶+1個集中器）；每塊表需要抄讀的數(shù)據(jù)項(xiàng)與臺區(qū)a相同,。臺區(qū)c的變壓器電壓等級10 kV/380 V,，容量400 kVA。電力線載波工作頻帶同上,。各臺區(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,，實(shí)現(xiàn)了頻帶資源優(yōu)化分配模型的目標(biāo)。

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