一种新的低压电力线通信比特和功率分配算法 .pdf
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1、第 5 l卷第 1 0期 2 0 1 4年5月 2 5日 电测与仪表 El e c t r i c al M e a s u r e m e n t& I ns t r u m e n t a t i o n Vo I 51 NO 1 0 M a y 2 5, 2 0 1 4 一种新的低压电力线通信 比特和功率分配算法 术 周克, 邓颖, 何威, 张霞, 张超 ( 贵州大学 电气工程学院, 贵阳 5 5 0 0 2 5 ) 摘要: 为了提高低压电力线通信的传输速率和信道容量, 提出了一种新的比特和功率分配算法。利用正交频分 复用( O F D M) 自 适应比特分配方法动态调整了信号的调制方式
2、, 在此基础之上分析了电力信道传输信号的误 码率 。选取电力线多径传输模型作为信道模型, 结合注水法和通信服务质量( Q o S ) 提出了基于特定 Q o S的约 束注水法 , 得出了最大化信道容量的闭式解 , 分析了影 响信道容量 的主要因素 。仿真结果表明 : 4 Q A M调制方 式对应的误码率最小。与已有注水法相 比, 所提功率分配算法的性能最优 , 当信噪 比为 4 0 d B时, 信道容量可达 9 6 0 M b p s , 从而实现了电力信道传输速率的大幅升级。 关键词 : O F D M; 误码率 ; Q o S ; 注水法 ; 信道容量 中图分类号: T M 7 3 ; T
3、 N 9 1 3 6 文献标识码 : A 文章编号 : 1 0 0 1 1 3 9 0 ( 2 0 1 4 ) 1 0 0 0 5 80 6 A No v e l Bi t a nd Po we r Al l o c a t i o n Al g o r i t hm f o r Lo w Vo l t a g e Po we r Li n e Co mm u ni c a t i o n Z HOU Ke,DENG Yi ng,HE W e i ,ZHANG Xi a,ZHANG Ch a o ( E l e c t ri c a l E n g i n e e r i n g C o l
4、l e g e o f G u i z h o u U n i v e r s i t y , G u i y a n g 5 5 0 0 2 5 , C h i n a ) Ab s t r a c t : A n o v e b i t a n d p o we r a l l o c a t i o n a l g o rit h m h a s be e n p r o po s e d i n t h i s p a p e r t o i mp r o v e t h e t r a n s mi s s i o n r a t e a n d c h a n n e l c a
5、pa c i t y f o r l o w v o l t a g e p o we rl i ne c o mmun i c a t i o nOF DM a d a p t i v e b i t e a l l o c a t i o n me t h o d i s u t i l i z e d t o a d j u s t t h e s i g n a l m o d u l a t i o n m o d e d y n a mi c a l l y O n t h i s b a s i s , t h e b i t e r r o r r a t e ( B E R)
6、o f t h e t r a n s mi t t i n g s i g n a l s i n t h e p o w e r c h a n n e l i s a n a l y z e d P o we rl i n e mu h i p a t h t r a n s mi s s i o n mo d e l i s s e l e c t e d a s t h e c h a n n e l mo d e 1 A s p e c i fi c Q o S b a s e d c o n s t r a i n t w a t e r fi l l i n g me t h
7、o d i s p r o p o s e d c o m b i n i n g t h e c l a s s i c a l w a t e r fi l l i n g m e t h o d w i t h t h e c o m mu n i c a t i o n Q o S , S O a s t o o b t a i n t h e c l o s e d fo r m s o l u t i o n f o r t h e ma x i m u m c h a n n e l c a p a c i t y F u r t h e r m o r e , t h e ma
8、 i n f a c t o r s t o a f f e c t t h e c h a n n e l c a p a c i t y i s a n a l y z e d d e e p l y S i m u l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e B E R o f 4 Q A M i s t h e s m a l l e s t C o m p a rin g t o t h e e x i s t e d wa t e r fil l i n g me t h o d s,t h e p r o p o s e d p
9、o we r a l l o c a t i o n a l g o rit h m wi l l a c h i e v e a b e t t e r pe r f o rm a nc e W h e n SNR =4 0dB,t h e c h a nn e l c a p a c i t y c a n r e a c h 9 6 0Mb p s ,wh i c h h a s a c h i e v e d a s u b s t a n t i a l u p g r a d e for t h e t r a ns mi s s i o n r a t e o f t h e p
10、 o we r c ha n n e 1 Ke y wo r d s : O F D M, b i t e r r o r r a t e , Q o S , w a t e r fi l l i n g , c h a n n e l c a p a c i t y 0引 言 随着电力行 业的迅猛发展 , 用于传输 电能 的电 力线其覆盖面远大于其他通信线缆 的覆盖范 围。利 用现有 电力线缆作为信息传输媒介来完成信号的传 输, 可以避免通信线路的二次铺设 , 节省大量投资。 低压电力线 是 电网配 电人户 的主要途 径 和关 键桥 基 金项 目: 贵州 省 科学 技 术基 金 项 目( 黔
11、科 合 J字 2 0 1 3 2 1 2 5 号 ) ; 贵州省教育厅 自然科 技基金 ( 2 0 0 9) 0 0 2 8 ; 贵 州大学 研究生 创新 基金( 研理工 2 0 1 3 0 0 2 ) 梁 , 由于受到 电 网热 噪声 、 电力谐 波产 生 的 电磁 干 扰 、 交流系统产生的浪涌噪声等 因素的影响 , 低压 电 力线并非理想 的通信传输信道 , 它的 网络拓 扑结构 复杂 , 分支终端众多 , 在时域上表现为信号传输 的多 径特性 , 在频域上表现为频 率选择性衰落 , 而且 电力 线的传输特性会随其物理分布结构、 时问、 地点的变 化而产生随机性变化 , 这些不利因素 ,
12、 给电力载波通 信系统的通信质量和性能造成恶劣影响。 O F D M技术 因其频带利用率高、 抗信道 衰落强和 抗噪声干扰性好等优点被广泛应用于通信系统设 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m第 5 1卷第 l 0期 2 0 1 4年5月2 5日 电测与仪表 El e c tr i c a l M e a s ur e m e n t& I ns t r u me n t a t i o n VO 1 5 l NO 1 0 M a y 2 5。 2 0 1 4 计。在低压电力线载波通信系统中采用 O F D M 自适 应调制技术 可根据子信道的增益幅度来优化输入 信号
13、的调制方式, 有效提高频带内信号的传输速率, 降低信号在传播过程 中的误码和失真危 险。在给定 的输入总功率前提下 , 优化分配 电力子信道上 的载 波功率可有效提高信道容量 。对通信系统信道容量 的研究 , 国内外 的主流技 术是采用拉格朗 日乘 系数 法来计算信道容量 的最大值 。文献 2 采用经典注 水法分析了电力线信道内信息的最大传输速率和信 道容量, 但其研究的频带较窄, 仅用三阶自回归模型 来说明电力线信道的噪声特性, 显得不够精确。在 计算信道容量 时, 该 文未充分考虑信道容量与 电力 线信道模型之 间的关 系, 得到的信道容量与最大速 率未佐以仿真说明, 缺乏说服力 。文献
14、3 在采用注 水法分析信道最大容量的基础之上, 给出了影响信 道容量的具体 因素。由于其采用的经典注水法在每 个子信道上分配的功率未加限, 致使功率分配不均 匀 , 不能保证信道输入总功率 的完全分配, 更不能保 证剩余子信道内功率的最优分配, 所以该文达到的 最大信道容量有限, 仍有待改善 。文献 4 提 出了一 种改进的基 于特定服务质 量的注水算 法 , 将分配 给 各子信道的功率进行量化, 使调制阶数离散化, 将量 化后 的剩余功率加到下一 子信道 中, 保证 了一定 的 Q o S水平 , 符合实 际通信应用, 在算 法实现 上未增加 复杂度 , 但也存在文献 3 所包含的缺 陷。本
15、文在经 典注水法和 Q o S的理论研 究基础之上 , 提 出了使信 道容量最大化 的一种新 的比特和功率分配算法 , 分 析了电力信道误码率与 O F D M 自适应调制 阶数之间 的关系, 找出了影响低压 电力信道容量的主要 因素 , 并 比较了所提算法与已有注水法之间的性能。 1 低压电力线信道模型 电力系统配 电网的拓扑结构复杂多 变 , 电力线 分支较多, 呈环状 、 树状和网状等特征。受到 电力热 噪声的影响, 电力信道的通信质量呈动态非平稳变 化 , 特别在出现雷电、 海啸、 地震等现象时 , 电网内会 出现剧烈的浪涌信号和异常衍生磁场, 给电网内信 号的传输带来损害。为了提高电
16、力载波通信系统的 抗电磁干扰 、 抗噪声 和抗衰减能力 , 需要对 电力线信 道进行建模, 以分析影响电力线信道特性的因素。 现有文献建立 的低 压 电力线 信道模 型 主要 分为 两 类: 多径传输型和网络拓扑型l5 一 。 1 1 多径传 输模 型 M K 提出了电力线信道 的多径传输模型_ 8 j , 它 描述了信号在电力信道内的物理传播路径。受到低 压 电网内用 电设备无序接入与断开带来 的阻抗不匹 配影响, 电力信道内出现了大量的信号反射、 折射节 点 , 造成了信号的多径效应 , 其频率响应 H( 厂 )为: , v 日 ( =g i e e ( 1 ) 式中 i 为信号传播路径号
17、; g 为路径 i 的加权 系数 ; a 。, a , 为信道衰减系数 ; d 为路径长度 , 路径时延 T 1, _ 一 :生 :生 ,其中 为电力线介 电常数 , 。 为光 速。实验环境下 , 通过对不 同时刻 、 不 同地点的室内 低压电力线信道特性进行定量测量, 可得到 g 、 a 、 a 等参考值 。模型的路径数 可控制模型 的精度 , 越大, 越能反映信号在低压电力信道内的多路径传 播情况 。 1 2网络拓 扑模 型 J A n a t o r y提 出了低压 电力线信道的 网络拓扑 模型, 该模型从低压电网内用电设备的分布及拓扑 结构人手 , 描述 了从信号 发射端 至接 收端之
18、间 由阻 抗不匹配带来的信号衰减影响, 该模型函数如下式 所示 : M+L , v 日 ( =量 T L H ( ( 2 ) 式 中 =P p M - 1 e 一 m, 。 为线路传输 系 数 , P 为所有终端反射系数 , P 为线路与阻抗间 的反射系数 ; 。 为传播常数 , Z 。 为线长 ; M 为指定 模式里的线路分支总数 , n为分支号 , m为参考负载 号, 为反射数量 。 ( 2 ) 式详 细描述 了低压 电力信道分支终端接 入 负载给信号传 播带来 的影 响, 具有地域代 表性。在 实际应用 中, 需考 虑的参 数众多且不 易掌握。随着 电力线信道分支数 目和终端负载 的增
19、多, 线路传输 系数 、 终端发射系数和线路 与阻抗 间的发射系数均 呈动态变化 , 这给实验仿真带来 巨大困难 。式( 1 ) 虽 未介绍低压 电力信道 的具体结构 , 但不失一般性 地 描述了信号的传播衰减情况, 参数较易获得, 已广泛 运用于通信系统 内信号 的特性分析 , 故采用多径传 输模型参与实验仿真, 分析低压电力线信道的功率 分配和信道容量。 2 电力信道 自适应比特分配 在电力载波通信系统中采用 O F D M技术, 可将 频率选择性衰落 的电力信道划分为一 系列带宽窄小 的子信道 , 各子信道衰落相对平坦 , 可认为其噪声功 一5 9 学兔兔 w w w .x u e t
20、u t u .c o m第 5 l卷第 1 0期 2 0 1 4年5月 2 5日 电测与仪表 El e c t r i c a l U e a s u r e m e n t& I n s t r u m e n t a t i o n V0 1 51 No 1 0 M a y 2 5, 2 0 1 4 率谱密度基本保持不变 。若利用 O F D M 的循环前缀 技术 , 则可有效抵抗码 间干扰 ( I S I ) 和多径衰落。多 进制正交幅度调制( MQ A M) 是 O F D M技术 中常用的 信号调制方式 , 若 忽略电力信道 内瞬时脉 冲噪声的 干扰 , 低压 电力 信道可看做是变化
21、缓慢且具有 循环 平稳特性的通信信道, 在该信道中传输 电平 的 Q A M信号, 其误码率 P 。 ( ) 与信号调制阶数 、 信号 的平 均 功 率 P 和 噪声 功 率 l1 有 关。设 Q 口 =J _ e - x 2 2 d , 则M Q A M的误码率 如 o 27 r 下式所示 : ( 1 一 l _ 2 )Q 31 g 2 M P 。 ( 3 ) 式 中M =2 , q为发送比特数 。 从 ( 3 ) 式可以看出, 电力信道 内信 号的发送 比特 数 q 与误码率 P 。 ( )和信号平均信噪比P 。 有 关 。O F D M 自适应调制方法能根据 当前 子信道 内信 号 的发
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- 关 键 词:
- 一种 低压 电力线 通信 比特 功率 分配 算法
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