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(xué) 電氣與信息工程學(xué)院(湖南 株洲 412700)

　　*基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61672224);湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)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(shí)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(yán)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(dǎo)效率為代價(jià)來換取可靠性等問題。本文對傳統(tǒng)貪婪(Greedy)算法進(jìn)行深入優(yōu)化改良，在給定目標(biāo)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(zhǔn)則，一種最優(yōu)傳輸速率的非遞進(jìn)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(dǎo)序列數(shù)據(jù)和增益估計(jì)值，獲得更多子信道的信噪比估計(jì)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(jìn)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(jìn)限額值，簡化了算法、降低了算法的復(fù)雜性。matlab仿真圖顯示，在同一個(gè)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(shí)傳輸速率更快、信道容量更大、信噪比更低，進(jìn)而說明優(yōu)化算法擁有簡化性與實(shí)用性。

0 引言

　　智能電表系統(tǒng)是包括測量、采集和存儲(chǔ)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(jì)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(dòng)抄表(automatic meter reading，AMR)系統(tǒng)根據(jù)需要進(jìn)行供電控制，遠(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)采用合適的調(diào)制辦法，實(shí)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(shí)現(xiàn)上述功能^[2]。

　　電力線傳輸信道具有時(shí)域衰減特性，存在大量傳輸干擾外加噪聲。OFDM(正交頻分復(fù)用)調(diào)制技術(shù)同時(shí)充當(dāng)了頻分復(fù)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(yùn)而生。自適應(yīng)調(diào)制與OFDM技術(shù)有機(jī)結(jié)合，能夠根據(jù)子信道傳導(dǎo)特性狀態(tài)決定其調(diào)制方法，在保證傳導(dǎo)可靠特性的前提下，使信道傳導(dǎo)能力在任何時(shí)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(dòng)態(tài)分配每個(gè)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(dá)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(jìn)行的。實(shí)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(jìn)的一些算法^[4-10] 。

　　文獻(xiàn)[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(xiàn)[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(fù)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(dòng)，以提高基于空間復(fù)用的頻譜效率，獲得更好的頻譜效率和最大的吞吐量。文獻(xiàn)[6]中研究了一種低復(fù)雜度的自動(dòng)調(diào)制分類(AMC)最大后驗(yàn)(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(xiàn)[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(jì)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(dá)方向估計(jì)、物理孔徑和峰值旁瓣電平性能。文獻(xiàn)[8]講述了一種基于邊緣自適應(yīng)準(zhǔn)則的改進(jìn)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(xiàn)[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(yán)重受限的情況下給出了分配結(jié)果。文獻(xiàn)[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(fù)雜度不利于普及到電力線信道傳輸中。

　　本文在以上文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上，針對在實(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(yán)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(dǎo)效率為代價(jià)來獲得可靠性等問題。對傳統(tǒng)貪婪(Greedy)算法進(jìn)行深入優(yōu)化改良，在給定目標(biāo)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(zhǔn)則，一種最優(yōu)傳輸速率的非遞進(jìn)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(jì)信道特性來動(dòng)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(dǎo)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(dǎo)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(hào)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(jì)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(gè)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(jìn)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(gè)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(hù)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(hào)經(jīng)過模擬前端后進(jìn)行符號(hào)同步檢測、信道均衡等步驟。接著去循環(huán)前綴和保護(hù)間隔，F(xiàn)FT變換后，同時(shí)進(jìn)行信噪比估計(jì)，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(jìn)行解調(diào)，解交織、Viterbi譯碼、RS譯碼、解交織，最終就可以恢復(fù)出原發(fā)送端的發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　由于速率自適應(yīng)準(zhǔn)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(dá)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(gè) OFDM符號(hào)內(nèi)，分配給第i個(gè)子信道的比特?cái)?shù);P_e(i)表示第i個(gè)子信道誤碼率。

　　1.2 信道模型

　　本文采用多徑模型進(jìn)行仿真，其傳導(dǎo)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(dǎo)、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(hào)，稱為負(fù)載。幀頭數(shù)據(jù)對信號(hào)至關(guān)重要，如果幀頭數(shù)據(jù)有誤，則接收端將用錯(cuò)誤的參數(shù)對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)，所以合理的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是必要的。前導(dǎo)序列數(shù)據(jù)由8個(gè)完全相同的符號(hào)和1.5個(gè)與之載波相反的倒相符號(hào)構(gòu)成，使用這8個(gè)載波信號(hào)和接受端的信道增益來估計(jì)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(gè)OFDM符號(hào)上有效的子信道數(shù)目較多，對每個(gè)符號(hào)都進(jìn)行分配資源處理將使得信號(hào)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(dá)到總功率限制;然而貪婪算法主要問題是復(fù)雜度高，必須大量使用比較、加乘運(yùn)算;算法執(zhí)行過程中無法分解成多個(gè)子過程并行，浪費(fèi)電力信道帶寬造成資源浪費(fèi)。

　　為了簡化算法、減少迭代次數(shù)，提高電力線信道信道信號(hào)傳輸速率。本文提出了在固定總功率和目標(biāo)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(jìn)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(biāo)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(dǎo)序列和信道增益估計(jì)值，計(jì)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(yàn)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(biāo)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(shí)，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?yàn)榈缺忍胤峙渌惴?，不考慮電力線傳輸實(shí)際狀況，信道質(zhì)量差的部分也承擔(dān)一部分比特傳輸，從而在給定誤碼率要求下，導(dǎo)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(shí)現(xiàn)了比特分配，同時(shí)也降低了信噪比，簡化了運(yùn)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(jìn)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(jìn)。該方法在目標(biāo)誤碼率和固定功率分配的約束下，通過子信道信噪比估計(jì)值和多子信道信噪比估計(jì)值獲得可以增加至OFDM符號(hào)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(yùn)算的復(fù)雜度，提高了傳導(dǎo)速率，增強(qiáng)了吞吐量，提升了實(shí)用價(jià)值。

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　　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(shí)引用，并注明出處。