基于智能電表系統(tǒng)的一種優(yōu)化OFDM電力線通信自適應(yīng)調(diào)制方法

作者 / 朱迷穎 谷志茹  湖南工業(yè)大學 電氣與信息工程學院(湖南 株洲 412700)

　　*基金項目：國家自然科學基金項目(61672224);湖南省自然科學基金項目(2018JJ4077)

　　朱迷穎(1991-)，碩士研究生。研究方向：智能電網(wǎng)，電力通信

摘要：本文以智能電表系統(tǒng)的電力線傳輸通信為背景，針對電力線信道的時域衰減客觀劣勢，以及傳統(tǒng)的OFDM系統(tǒng)子信道采用相同的調(diào)制方式和輸出功率，采用關(guān)停某些干擾嚴重子信道的手段來抵抗干擾性，以失去頻譜利用率和信息傳導效率為代價來換取可靠性等問題。本文對傳統(tǒng)貪婪(Greedy)算法進行深入優(yōu)化改良，在給定目標誤比特率、固定總功率約束限制的前提條件下，提出了基于速率自適應(yīng)(rate adaptive,RA)準則，一種最優(yōu)傳輸速率的非遞進疊加自適應(yīng)比特功率算法。本文優(yōu)化算法是通過通信載波幀前導序列數(shù)據(jù)和增益估計值，獲得更多子信道的信噪比估計值，將可增加的OFDM系統(tǒng)額外比特自適應(yīng)分配給平均誤比特率較低的子信道。從而，以非遞進疊加方式?jīng)]有使用傳統(tǒng)算法給定的比特分配增量最大疊加遞進限額值，簡化了算法、降低了算法的復雜性。matlab仿真圖顯示，在同一個的模擬條件下本文算法的自適應(yīng)比特功率分配效果更好，同時傳輸速率更快、信道容量更大、信噪比更低，進而說明優(yōu)化算法擁有簡化性與實用性。

0 引言

　　智能電表系統(tǒng)是包括測量、采集和存儲用戶終端能源消耗的智能電表，和局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)系統(tǒng)與智能終端的通信體系，以及計量數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)^[1]。在智能電表基礎(chǔ)上構(gòu)建的高級量測體系(advanced metering infrastructure，AMI)、自動抄表(automatic meter reading，AMR)系統(tǒng)根據(jù)需要進行供電控制，遠距離查看或者讀寫用電情況。智能電表系統(tǒng)通過電力線通信(Power Line Communication，PLC)技術(shù)，利用現(xiàn)有輸配電線路作為通信信道，結(jié)合OFDM電力載波通信模塊遵循協(xié)議標準采用合適的調(diào)制辦法，實現(xiàn)前端電表到末端控制中心的數(shù)據(jù)信息雙向傳輸如圖1所示，從而實現(xiàn)上述功能^[2]。

　　電力線傳輸信道具有時域衰減特性，存在大量傳輸干擾外加噪聲。OFDM(正交頻分復用)調(diào)制技術(shù)同時充當了頻分復用和多信道調(diào)制技術(shù)的作用，能夠明顯效果抑制信道噪聲、通信信道衰減特性。然而在傳統(tǒng)的OFDM系統(tǒng)中，子信道的調(diào)制方式是統(tǒng)一的，系統(tǒng)性能優(yōu)劣的關(guān)鍵則在于子信道中信道增益最差的部分，所以自適應(yīng)OFDM 技術(shù)應(yīng)運而生。自適應(yīng)調(diào)制與OFDM技術(shù)有機結(jié)合，能夠根據(jù)子信道傳導特性狀態(tài)決定其調(diào)制方法，在保證傳導可靠特性的前提下，使信道傳導能力在任何時刻最大化，從而得到高效的頻帶利用率和比特碼元傳輸速率。

　　在電力線的通信傳輸系統(tǒng)中，不同的子信道衰減特性決定了其不同的傳輸能力。自適應(yīng)的比特功率分配技術(shù)可以根據(jù)子信道狀態(tài)，動態(tài)分配每個信道相關(guān)的調(diào)制方式，選擇狀況好的子信道，放棄狀況差的子信道;從而達到整體OFDM系統(tǒng)功率或者速率最大化。對于OFDM自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)的研究主要有基于速率自適應(yīng)(RA)原則和邊緣自適應(yīng)(MA)原則，以及誤比特率最小化原則進行的。實現(xiàn)過程的經(jīng)典算法有注水算法、貪婪(Greedy)算法、Chow算法、Fisher算法，以及在此基礎(chǔ)上改進的一些算法^[4-10] 。

　　文獻[4]研究解決了波間干擾(ICI)敏感和服務(wù)質(zhì)量退化的資源管理問題，寫出了基于平均誤碼率最小的自適應(yīng)分配子載波方法。仿真結(jié)論顯示，與均勻功率分配或傳統(tǒng)的注水算法相比，所提的次優(yōu)算法能改善OFDM系統(tǒng)的性能。文獻[5]為了有效地提高系統(tǒng)的平均頻譜效率，提出了一種低復雜度的超功率下移(PSGPA-EPMd)算法，該算法將每空間過剩功率向下移動，以提高基于空間復用的頻譜效率，獲得更好的頻譜效率和最大的吞吐量。文獻[6]中研究了一種低復雜度的自動調(diào)制分類(AMC)最大后驗(MAP)算法的分類性能。提出了一種新的具有附加分類誤差約束的修正速率自適應(yīng)(RA)比特加載算法。數(shù)值結(jié)果表明，性能上明顯優(yōu)于RA算法，并在信道與噪聲比較高的狀況下提供了合理的吞吐量。文獻[7]描述了新離散比特方法，降低自由度的情況下，可以獲得較低的峰值旁瓣電平。分析和正確選擇位移，以獲得更多的連續(xù)滯后。給出了所提出的陣列設(shè)計策略的共陣列特性。最后，通過數(shù)值模擬，研究了結(jié)構(gòu)的到達方向估計、物理孔徑和峰值旁瓣電平性能。文獻[8]講述了一種基于邊緣自適應(yīng)準則的改進低難度自適應(yīng)載波分布算法，證明兩階段迭代效果好。文獻[9]采用了查找表(LUT)操作，可以在不犧牲性能的情況下顯著減少迭代次數(shù)，并在仿真結(jié)果中證明了所提出的ALA算法的可行性，并在帶寬嚴重受限的情況下給出了分配結(jié)果。文獻[10]提出了基于交叉空法的OFDM系統(tǒng)自適應(yīng)資源分配算法，但是考慮算法復雜度不利于普及到電力線信道傳輸中。

　　本文在以上文獻研究的基礎(chǔ)上，針對在實際智能電表系統(tǒng)中電力線傳輸通信環(huán)境的衰減特性、噪聲干擾特性;以及OFDM系統(tǒng)通信G3標準子信道采用相同的調(diào)制方式和輸出功率，采用關(guān)停某些干擾嚴重子信道的手段來抵抗干擾性，以失去頻譜利用率和信息傳導效率為代價來獲得可靠性等問題。對傳統(tǒng)貪婪(Greedy)算法進行深入優(yōu)化改良，在給定目標誤比特率、固定總功率約束限制的前提條件下，提出了基于速率自適應(yīng)(rate adaptive,RA)準則，一種最優(yōu)傳輸速率的非遞進疊加自適應(yīng)比特功率算法。

1 OFDM自適應(yīng)系統(tǒng)模型

　　1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與模型

　　在保證信道傳輸可靠性的前提下，OFDM系統(tǒng)中應(yīng)用自適應(yīng)技術(shù)，其思路就是通過估計信道特性來動態(tài)地改變調(diào)制方法，使信道吞吐容量最大化、系統(tǒng)性能最優(yōu)化，從而得到較高的頻譜占有率和信息傳導速率。一般地，碼元誤比特率和誤幀率可以作為穩(wěn)態(tài)的信道狀況信息，信道傳導函數(shù)和信噪比作為瞬態(tài)的信道狀況信息。而用在自適應(yīng)技術(shù)中可以改變某些參數(shù)，如發(fā)送功率、調(diào)制方法、頻率、符號速率、碼元速率、交織變換等，使得自適應(yīng)分配效果最優(yōu)。

　　OFDM自適應(yīng)系統(tǒng)框圖如圖2所示。上面流程是系統(tǒng)的發(fā)送端，下面流程則對應(yīng)著系統(tǒng)的接受端。在系統(tǒng)的接受端通過信道估計的方法獲取子信道的信噪比，用自適應(yīng)技術(shù)將OFDM系統(tǒng)各個子信道得到不同調(diào)制方法，經(jīng)過信道反饋傳遞到發(fā)送端。在發(fā)送端，用于電力線信道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進行比特加擾、RS編碼、卷積編碼、交織后，通過自適應(yīng)映射調(diào)制器完成對各個子信道基帶調(diào)制;然后數(shù)據(jù)經(jīng)過IFFT，加入循環(huán)前綴和保護間隔、插入模擬前端、最終耦合發(fā)送到電力線信道。在接受端，信號經(jīng)過模擬前端后進行符號同步檢測、信道均衡等步驟。接著去循環(huán)前綴和保護間隔，F(xiàn)FT變換后，同時進行信噪比估計，然后數(shù)據(jù)在自適應(yīng)映射解調(diào)器中利用子信道的調(diào)制參數(shù)進行解調(diào)，解交織、Viterbi譯碼、RS譯碼、解交織，最終就可以恢復出原發(fā)送端的發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　由于速率自適應(yīng)準則的基本思想是在總發(fā)送功率PT 和給定誤碼率BER_target一定限制條件下達到最大化傳輸速率。所以本文算法的優(yōu)化問題可以表示為:

(1)

　　公式(1)中R_T表示總傳輸速率;N表示OFDM系統(tǒng)的子信道數(shù);b_i表示在一個 OFDM符號內(nèi)，分配給第i個子信道的比特數(shù);P_e(i)表示第i個子信道誤碼率。

　　1.2 信道模型

　　本文采用多徑模型進行仿真，其傳導函數(shù)：

　　1.3 合理的幀結(jié)構(gòu)模式

　　如圖3所示，本文通信信道幀結(jié)構(gòu)包括前導、幀頭和應(yīng)用層數(shù)據(jù);其中幀頭數(shù)據(jù)包含解調(diào)數(shù)據(jù)幀的重要信息，幀控制頭之后是數(shù)據(jù)符號，稱為負載。幀頭數(shù)據(jù)對信號至關(guān)重要，如果幀頭數(shù)據(jù)有誤，則接收端將用錯誤的參數(shù)對接收數(shù)據(jù)進行解調(diào)，所以合理的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計是必要的。前導序列數(shù)據(jù)由8個完全相同的符號和1.5個與之載波相反的倒相符號構(gòu)成，使用這8個載波信號和接受端的信道增益來估計獲得子信道的信噪比。

2 優(yōu)化自適應(yīng)比特分配算法

　　電力線信道傳輸系統(tǒng)中每個OFDM符號上有效的子信道數(shù)目較多，對每個符號都進行分配資源處理將使得信號工作量劇增。貪婪算法是通過循環(huán)比較增加功率少的信道增加比特的過程達到總功率限制;然而貪婪算法主要問題是復雜度高，必須大量使用比較、加乘運算;算法執(zhí)行過程中無法分解成多個子過程并行，浪費電力信道帶寬造成資源浪費。

　　為了簡化算法、減少迭代次數(shù)，提高電力線信道信道信號傳輸速率。本文提出了在固定總功率和目標誤比特率約束下，一種優(yōu)化的自適應(yīng)比特算法，即最優(yōu)傳輸速率的非遞進疊加自適應(yīng)調(diào)制算法。具體步驟如下：

　　步驟1 算法初始化，設(shè)定電力線OFDM系統(tǒng)中有用子信道數(shù)為N，目標誤碼率為BER_target ，所有子信道固定功率分配;

　　步驟2 由上一幀的數(shù)據(jù)前導序列和信道增益估計值，計算子信道信噪比X_i：

　　步驟10 算法結(jié)束。

3 系統(tǒng)仿真與結(jié)果分析

　　本文在matlab仿真環(huán)境中，設(shè)定子信道數(shù)目N=128，采用衰減模型。為了驗證本文優(yōu)化算法誤比特性能，如圖4所示，給出了等比特分配算法與本文算法在不同目標誤碼率要求下的子信道平均信噪比曲線，是經(jīng)過800次仿真取平均結(jié)果。由圖4看出，在誤比特率為10^-3時，優(yōu)化算法的子信道平均信噪比要等比特分配算法小約3dB。因為等比特分配算法，不考慮電力線傳輸實際狀況，信道質(zhì)量差的部分也承擔一部分比特傳輸，從而在給定誤碼率要求下，導致需要更大的子信道的平均信噪比。綜上，本文提出的優(yōu)化算法較好的實現(xiàn)了比特分配，同時也降低了信噪比，簡化了運算。

4 結(jié)束語

　　在智能電表系統(tǒng)的電力線傳輸通信為背景框架下，本文所提出的最優(yōu)傳輸速率的非疊加遞進方法是以速率自適應(yīng)原則，對傳統(tǒng)自適應(yīng)算法優(yōu)化改進。該方法在目標誤碼率和固定功率分配的約束下，通過子信道信噪比估計值和多子信道信噪比估計值獲得可以增加至OFDM符號的額外比特，自適應(yīng)的分配給對平均誤比特率影響最小的子信道，從而得到接近最優(yōu)傳輸率的調(diào)制方法，降低了運算的復雜度，提高了傳導速率，增強了吞吐量，提升了實用價值。

　　參考文獻：

　　[1]馬曉奇.電力線信道通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及其應(yīng)用前景[J].機電設(shè)備，2014(3):36-40.

　　[2]ANCILLOTTI E，BRUNO R，CONTI M.Review: The role of communication systems in smart grids: Architectures,technical solutions and research challenges[J].Computer Communications，2013，36(17-18) : 1665-1697.

　　[3]谷志茹.面向AMI的低壓電力線信道特性與傳輸性能優(yōu)化方法研究[D].湖南大學，2015.

　　[4]Ho-Lung Hung.Adaptive Resource Allocation Algorithm Based on Minimize Average Bit-Error-Rate for OFDM Systems [J].Springer,2017(94):3091-3112

　　[5]Najib A.Odhah,Emad S.Hassan,Moawad I.Dessouky,Waleed E.Al-Hanafy, Saleh A.Alshebeili,Fathi E.Abd El-Samie.Adaptive Per-spatial Stream Power Allocation Algorithms for Single-User MIMO-OFDM Systems[J].Springer,2018(98):1-31

　　[6]Sima Bahrani,Mostafa Derakhtian,Alireza Zolghadrasli.Performance analysis of a low-complexity MAP algorithm for automatic modulation classification in adaptive OFDM systems[J].IET Communications,10(7),pp:2363-2371

　　[7]VOTN,AMIS K,CHONAVEL T,et al.Achievable throughput optimization in OFDM systems in the presence of interference and its application to power line networks[J].IEEE Transactions on Communications,2014,62(5):1704-1715

　　[8]朱繼華,王竟鑫，申茜，邱飄玉，王永，袁建國.OFDM系統(tǒng)中一種改進的低復雜度自適應(yīng)比特功率分配算法[J].重慶郵電大學學報(自然科學版)，2017，Vol29,NO.2:203-207

　　[9]Xi Chen, Zhenhua Feng, Ming Tang,Huibin Zhou,Songnian Fu, Deming Liu.A 3-D Adaptive Loading Algorithm for Direct Detection Optical OFDM System[J].IEEE,2016,2-5

　　[10]Lee.K.C,Wang.S.H,Li.C.P,Chang.H.H,Li.H.J.Adaptive resource allocation algorithm based on cross-empty method for OFDM systems[J].IEEE

　　Transcations on Broadcasting,2017,60:524-531

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第10期第27頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。