通過正交頻分復(fù)用和IEEE 1901.2克服智能電網(wǎng)通信挑戰(zhàn)

雖然圍繞智能電網(wǎng)的創(chuàng)建和部署仍然存在許多問題，但對可靠通信基礎(chǔ)設(shè)施的需求是無可爭辯的。IEEE 1901.2 標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)人員確定了低頻電力線通信的困難信道條件特征，并使用先進(jìn)的調(diào)制和信道編碼技術(shù)實現(xiàn)了正交頻分復(fù)用 （OFDM） 架構(gòu)。這一策略有助于確保智能電網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)健。

2009年智能電網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)IEEE P1901.2的想法開始形成。IEEE P1901.2的概念是眾多一級半導(dǎo)體制造商和全球能源供應(yīng)商合作的結(jié)果，他們尋求開發(fā)一種標(biāo)準(zhǔn)支持的公用事業(yè)通信解決方案，該解決方案在所有國家的所有介質(zhì)中都是100%可靠的。使IEEE P1901.2成為現(xiàn)實是一項大膽而復(fù)雜的工作，繼續(xù)需要所有相關(guān)人員的靈巧操作。

該標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)人員面臨著一項艱巨的任務(wù)——既要滿足現(xiàn)有和新增加的當(dāng)前要求，又要滿足 10 到 20 年的前瞻性要求。此外，該標(biāo)準(zhǔn)需要彌補關(guān)鍵的挑戰(zhàn)和障礙，例如惡劣的低壓、中壓和變壓器通道條件，這些條件傳統(tǒng)上阻礙了高數(shù)據(jù)速率、穩(wěn)健的直通變壓器電力線通信（PLC）?？煽俊⒏咝У耐ㄐ沤鉀Q方案對于成功實現(xiàn)智能電網(wǎng)至關(guān)重要。

可編程控制器問題

更新公用電網(wǎng)通信所涉及的障礙可以追溯到很多年前。早在“智能電網(wǎng)”、“智能電表”、“電表”、“EV”（電動汽車）和“PEV”（插電式電動汽車）成為人們熟悉的術(shù)語之前，公用事業(yè)公司就開始研究其最基本的運營挑戰(zhàn)之一的潛在解決方案：在惡劣的環(huán)境中可靠地保持高效通信。

對于低頻 （LF） PLC，除了線路阻抗變化之外，負(fù)信噪比 （SNR） 條件是一個公認(rèn)的預(yù)期問題;對于通過變壓器的PLC，50dB或更高的信號衰減也很常見。通常，對于PLC，通道特性和參數(shù)隨頻率，位置，時間和連接到它的設(shè)備類型而變化。此外，電源線是一個非常頻率選擇性的通道，通道噪聲、背景噪聲和脈沖噪聲通常發(fā)生在 50Hz/60Hz 處，群延遲持續(xù)長達(dá)數(shù)百微秒。

LF PLC必須工作的這些條件可以從線路上的測量中得到最好的理解，從低壓線路上的通道噪聲開始，如圖1所示。

圖1.低壓線路上的信道噪聲。圖片由德州儀器提供。

添加了背景噪音：

圖 2 顯示了其中 Κ 具有正態(tài)分布 N（μ，σ），μ = 5.64，σ = 0.5，? 是以 Hz 為單位的頻率。

圖2.背景噪音。

圖3顯示了脈沖噪聲，其中兩個突發(fā)之間的時間是一個指數(shù)分布的隨機變量，每個突發(fā)噪聲的持續(xù)時間是另一個具有指數(shù)分布的隨機變量。

圖3.脈沖噪聲分布。

OFDM 提供強大的通信

為了克服低頻電力線中經(jīng)常觀察到的困難信道條件，IEEE 1901.2 LF PLC 采用正交頻分復(fù)用 （OFDM） 架構(gòu)，使用先進(jìn)的調(diào)制和信道編碼技術(shù)，以有效利用歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)化委員會 （CENELEC）、無線電工業(yè)和商業(yè)協(xié)會 （ARIB） 和聯(lián)邦通信委員會 （FCC） 頻段的有限帶寬。

這種 OFDM 架構(gòu)有助于通過電力線通道進(jìn)行深度魯棒的通信。允許的帶寬分為多個子通道，這些子通道可以看作是具有不同非干擾（正交）載波頻率的許多獨立相移鍵控（PSK）調(diào)制載波。此外，卷積和里德-所羅門（RS）編碼提供冗余位，允許接收器恢復(fù)由背景和脈沖噪聲引起的丟失位。然后使用時頻交錯方案來降低解碼器輸入端接收噪聲的相關(guān)性，從而提供多樣性。

該系統(tǒng)對由差分編碼相位調(diào)制產(chǎn)生的復(fù)值信號點執(zhí)行逆快速傅里葉變換（IFFT），包括差分二進(jìn)制（DBPSK）、差分正交（DQPSK）和差分八元（D8PSK），并分配給生成OFDM信號的各個子載波。OFDM 符號是通過在 IFFT 生成的每個塊的開頭附加一個循環(huán)前綴來構(gòu)建的。選擇循環(huán)前綴的長度，使信道群延遲不會引起連續(xù)的OFDM符號或相鄰子載波干擾，并使用盲信道估計器技術(shù)進(jìn)行鏈路自適應(yīng)。根據(jù)接收到的信號質(zhì)量，接收器決定使用哪種調(diào)制方案。此外，該系統(tǒng)區(qū)分信噪比差的子載波，并且不會在其上傳輸數(shù)據(jù)。 系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4.前向糾錯框圖。

每個模塊在消除通道中的噪聲方面都起著重要作用。前向糾錯（FEC）編碼器包括一個擾頻，后跟一個RS編碼器和一個卷積編碼器。在魯棒模式下，在卷積編碼器之后使用額外的編碼器重復(fù)碼（RC）在卷積編碼器的輸出端重復(fù)位。

加擾器塊為數(shù)據(jù)和幀控制標(biāo)頭 （FCH） 提供隨機分布。數(shù)據(jù)和 FCH 流是“異或”的，使用以下生成器多項式使用重復(fù)的偽隨機噪聲序列：

如圖 5 所示。

圖5.數(shù)據(jù)加擾器。

加擾器中的位在開始處理每個物理幀時初始化為所有其他位，并且加擾器針對 FCH 和數(shù)據(jù)重新初始化。加擾器不是 FEC 的關(guān)鍵部分;但是，重要的是成為一個經(jīng)過驗證的解決方案，能夠生成具有良好自相關(guān)的非常隨機的序列。

來自擾頻器的數(shù)據(jù)由縮短的系統(tǒng) RS 代碼編碼：

RS （n = 255， k = 239， t = 8） 或 RS （n = 255， k = 247， t = 4）;在魯棒模式下，使用 T = 4

代碼生成器多項式：

（公式3）

場發(fā)生器多項式：p（x） = x8 + x4 + x3 + x2 + 1

對于卷積編碼，使用二分之一的速率，約束為 K = 7，并在幀末尾插入六個尾位，將編碼器返回到狀態(tài)零，如圖 6 所示。

圖6.卷積編碼器。

對于圖 7 中得到的性能圖，決定使用哪種解決方案是基于仔細(xì)的仿真和研究，比較其他方法（如低密度奇偶校驗代碼）。

圖7.模擬 BER 與 SNR 性能改進(jìn)，并增加了糾錯功能。

使用以下參數(shù)，所有結(jié)果都顯示了串聯(lián)代碼對于LF PLC系統(tǒng)中典型的低塊大小的優(yōu)勢：

塊大?。?biāo)題和日期）

FEC 編碼器 - 串聯(lián)（指定編碼速率為二分之一、三分之一等）

重復(fù)率（例如，1、2、4、8）

通道響應(yīng)（如可變或平坦）

目標(biāo)錯誤率（擦除、0%、5%、10% 等）

由此產(chǎn)生的IEEE 1901.2解決方案結(jié)合了多種糾錯機制，以確保使用RS解碼（糾正脈沖噪聲引起的錯誤）和Viterbi解碼（糾正白噪聲引起的錯誤）進(jìn)行可靠通信，并結(jié)合重復(fù)編碼和時間/頻率交錯，以提高魯棒性，以對抗脈沖噪聲，干擾音和頻率衰落。

IEEE 1901.2 和智能電網(wǎng)

世界正在繼續(xù)朝著更智能、更可靠、更自我修復(fù)的電網(wǎng)的實際實施方向發(fā)展，它對行業(yè)和消費者的好處都是眾所周知的，也是有據(jù)可查的。從輸配電到家庭自動化，它有望實現(xiàn)更清潔、更安全、更可靠的能源未來。然而，廣泛部署尚未成為現(xiàn)實，我們?nèi)绾巫罱K實現(xiàn)智能電網(wǎng)的問題仍在回答中。

顯而易見的是，新興的智能電網(wǎng)將需要強大的技術(shù)框架，能夠管理與其部署和運營相關(guān)的各種復(fù)雜性。智能電網(wǎng)最重要的關(guān)鍵任務(wù)推動因素之一是可靠的通信基礎(chǔ)設(shè)施;沒有這一基本基礎(chǔ)，無處不在的實施將繼續(xù)受到阻礙。

由于電力線是傳統(tǒng)電網(wǎng)中最普遍的元素之一，PLC是實現(xiàn)支持智能電網(wǎng)所需的龐大通信網(wǎng)絡(luò)的理想且經(jīng)濟高效的解決方案。事實上，PLC已經(jīng)代表了智能計量中最廣泛采用的通信介質(zhì)。然而，為了繼續(xù)推進(jìn)智能電網(wǎng)的發(fā)展，需要廣泛采用靈活、前瞻性和全球公認(rèn)的通信標(biāo)準(zhǔn)，如IEEE 1902.1。

隨著這些標(biāo)準(zhǔn)的可用性和采用，可以克服智能電網(wǎng)面臨的復(fù)雜挑戰(zhàn)。事實上，智能電網(wǎng)所預(yù)示的前景、潛力和機遇將真正觸手可及。

審核編輯：郭婷