基于智能电表系统的一种优化OFDM电力线通信自适应调制方法

作者 / 朱迷颖 谷志茹  湖南工业大学 电气与信息工程学院(湖南 株洲 412700)

　　*基金项目：国家自然科学基金项目(61672224);湖南省自然科学基金项目(2018JJ4077)

　　朱迷颖(1991-)，硕士研究生。研究方向：智能电网，电力通信

摘要：本文以智能电表系统的电力线传输通信为背景，针对电力线信道的时域衰减客观劣势，以及传统的OFDM系统子信道采用相同的调制方式和输出功率，采用关停某些干扰严重子信道的手段来抵抗干扰性，以失去频谱利用率和信息传导效率为代价来换取可靠性等问题。本文对传统贪婪(Greedy)算法进行深入优化改良，在给定目标误比特率、固定总功率约束限制的前提条件下，提出了基于速率自适应(rate adaptive,RA)准则，一种最优传输速率的非递进叠加自适应比特功率算法。本文优化算法是通过通信载波帧前导序列数据和增益估计值，获得更多子信道的信噪比估计值，将可增加的OFDM系统额外比特自适应分配给平均误比特率较低的子信道。从而，以非递进叠加方式没有使用传统算法给定的比特分配增量最大叠加递进限额值，简化了算法、降低了算法的复杂性。matlab仿真图显示，在同一个的模拟条件下本文算法的自适应比特功率分配效果更好，同时传输速率更快、信道容量更大、信噪比更低，进而说明优化算法拥有简化性与实用性。

0 引言

　　智能电表系统是包括测量、采集和存储用户终端能源消耗的智能电表，和局域网、广域网系统与智能终端的通信体系，以及计量数据管理系统^[1]。在智能电表基础上构建的高级量测体系(advanced metering infrastructure，AMI)、自动抄表(automatic meter reading，AMR)系统根据需要进行供电控制，远距离查看或者读写用电情况。智能电表系统通过电力线通信(Power Line Communication，PLC)技术，利用现有输配电线路作为通信信道，结合OFDM电力载波通信模块遵循协议标准采用合适的调制办法，实现前端电表到末端控制中心的数据信息双向传输如图1所示，从而实现上述功能^[2]。

　　电力线传输信道具有时域衰减特性，存在大量传输干扰外加噪声。OFDM(正交频分复用)调制技术同时充当了频分复用和多信道调制技术的作用，能够明显效果抑制信道噪声、通信信道衰减特性。然而在传统的OFDM系统中，子信道的调制方式是统一的，系统性能优劣的关键则在于子信道中信道增益最差的部分，所以自适应OFDM 技术应运而生。自适应调制与OFDM技术有机结合，能够根据子信道传导特性状态决定其调制方法，在保证传导可靠特性的前提下，使信道传导能力在任何时刻最大化，从而得到高效的频带利用率和比特码元传输速率。

　　在电力线的通信传输系统中，不同的子信道衰减特性决定了其不同的传输能力。自适应的比特功率分配技术可以根据子信道状态，动态分配每个信道相关的调制方式，选择状况好的子信道，放弃状况差的子信道;从而达到整体OFDM系统功率或者速率最大化。对于OFDM自适应调制技术的研究主要有基于速率自适应(RA)原则和边缘自适应(MA)原则，以及误比特率最小化原则进行的。实现过程的经典算法有注水算法、贪婪(Greedy)算法、Chow算法、Fisher算法，以及在此基础上改进的一些算法^[4-10] 。

　　文献[4]研究解决了波间干扰(ICI)敏感和服务质量退化的资源管理问题，写出了基于平均误码率最小的自适应分配子载波方法。仿真结论显示，与均匀功率分配或传统的注水算法相比，所提的次优算法能改善OFDM系统的性能。文献[5]为了有效地提高系统的平均频谱效率，提出了一种低复杂度的超功率下移(PSGPA-EPMd)算法，该算法将每空间过剩功率向下移动，以提高基于空间复用的频谱效率，获得更好的频谱效率和最大的吞吐量。文献[6]中研究了一种低复杂度的自动调制分类(AMC)最大后验(MAP)算法的分类性能。提出了一种新的具有附加分类误差约束的修正速率自适应(RA)比特加载算法。数值结果表明，性能上明显优于RA算法，并在信道与噪声比较高的状况下提供了合理的吞吐量。文献[7]描述了新离散比特方法，降低自由度的情况下，可以获得较低的峰值旁瓣电平。分析和正确选择位移，以获得更多的连续滞后。给出了所提出的阵列设计策略的共阵列特性。最后，通过数值模拟，研究了结构的到达方向估计、物理孔径和峰值旁瓣电平性能。文献[8]讲述了一种基于边缘自适应准则的改进低难度自适应载波分布算法，证明两阶段迭代效果好。文献[9]采用了查找表(LUT)操作，可以在不牺牲性能的情况下显著减少迭代次数，并在仿真结果中证明了所提出的ALA算法的可行性，并在带宽严重受限的情况下给出了分配结果。文献[10]提出了基于交叉空法的OFDM系统自适应资源分配算法，但是考虑算法复杂度不利于普及到电力线信道传输中。

　　本文在以上文献研究的基础上，针对在实际智能电表系统中电力线传输通信环境的衰减特性、噪声干扰特性;以及OFDM系统通信G3标准子信道采用相同的调制方式和输出功率，采用关停某些干扰严重子信道的手段来抵抗干扰性，以失去频谱利用率和信息传导效率为代价来获得可靠性等问题。对传统贪婪(Greedy)算法进行深入优化改良，在给定目标误比特率、固定总功率约束限制的前提条件下，提出了基于速率自适应(rate adaptive,RA)准则，一种最优传输速率的非递进叠加自适应比特功率算法。

1 OFDM自适应系统模型

　　1.1 系统结构与模型

　　在保证信道传输可靠性的前提下，OFDM系统中应用自适应技术，其思路就是通过估计信道特性来动态地改变调制方法，使信道吞吐容量最大化、系统性能最优化，从而得到较高的频谱占有率和信息传导速率。一般地，码元误比特率和误帧率可以作为稳态的信道状况信息，信道传导函数和信噪比作为瞬态的信道状况信息。而用在自适应技术中可以改变某些参数，如发送功率、调制方法、频率、符号速率、码元速率、交织变换等，使得自适应分配效果最优。

　　OFDM自适应系统框图如图2所示。上面流程是系统的发送端，下面流程则对应着系统的接受端。在系统的接受端通过信道估计的方法获取子信道的信噪比，用自适应技术将OFDM系统各个子信道得到不同调制方法，经过信道反馈传递到发送端。在发送端，用于电力线信道传输的数据信息进行比特加扰、RS编码、卷积编码、交织后，通过自适应映射调制器完成对各个子信道基带调制;然后数据经过IFFT，加入循环前缀和保护间隔、插入模拟前端、最终耦合发送到电力线信道。在接受端，信号经过模拟前端后进行符号同步检测、信道均衡等步骤。接着去循环前缀和保护间隔，FFT变换后，同时进行信噪比估计，然后数据在自适应映射解调器中利用子信道的调制参数进行解调，解交织、Viterbi译码、RS译码、解交织，最终就可以恢复出原发送端的发送数据。

　　由于速率自适应准则的基本思想是在总发送功率PT 和给定误码率BER_target一定限制条件下达到最大化传输速率。所以本文算法的优化问题可以表示为:

(1)

　　公式(1)中R_T表示总传输速率;N表示OFDM系统的子信道数;b_i表示在一个 OFDM符号内，分配给第i个子信道的比特数;P_e(i)表示第i个子信道误码率。

　　1.2 信道模型

　　本文采用多径模型进行仿真，其传导函数：

　　1.3 合理的帧结构模式

　　如图3所示，本文通信信道帧结构包括前导、帧头和应用层数据;其中帧头数据包含解调数据帧的重要信息，帧控制头之后是数据符号，称为负载。帧头数据对信号至关重要，如果帧头数据有误，则接收端将用错误的参数对接收数据进行解调，所以合理的帧结构设计是必要的。前导序列数据由8个完全相同的符号和1.5个与之载波相反的倒相符号构成，使用这8个载波信号和接受端的信道增益来估计获得子信道的信噪比。

2 优化自适应比特分配算法

　　电力线信道传输系统中每个OFDM符号上有效的子信道数目较多，对每个符号都进行分配资源处理将使得信号工作量剧增。贪婪算法是通过循环比较增加功率少的信道增加比特的过程达到总功率限制;然而贪婪算法主要问题是复杂度高，必须大量使用比较、加乘运算;算法执行过程中无法分解成多个子过程并行，浪费电力信道带宽造成资源浪费。

　　为了简化算法、减少迭代次数，提高电力线信道信道信号传输速率。本文提出了在固定总功率和目标误比特率约束下，一种优化的自适应比特算法，即最优传输速率的非递进叠加自适应调制算法。具体步骤如下：

　　步骤1 算法初始化，设定电力线OFDM系统中有用子信道数为N，目标误码率为BER_target ，所有子信道固定功率分配;

　　步骤2 由上一帧的数据前导序列和信道增益估计值，计算子信道信噪比X_i：

　　步骤10 算法结束。

3 系统仿真与结果分析

　　本文在matlab仿真环境中，设定子信道数目N=128，采用衰减模型。为了验证本文优化算法误比特性能，如图4所示，给出了等比特分配算法与本文算法在不同目标误码率要求下的子信道平均信噪比曲线，是经过800次仿真取平均结果。由图4看出，在误比特率为10^-3时，优化算法的子信道平均信噪比要等比特分配算法小约3dB。因为等比特分配算法，不考虑电力线传输实际状况，信道质量差的部分也承担一部分比特传输，从而在给定误码率要求下，导致需要更大的子信道的平均信噪比。综上，本文提出的优化算法较好的实现了比特分配，同时也降低了信噪比，简化了运算。

4 结束语

　　在智能电表系统的电力线传输通信为背景框架下，本文所提出的最优传输速率的非叠加递进方法是以速率自适应原则，对传统自适应算法优化改进。该方法在目标误码率和固定功率分配的约束下，通过子信道信噪比估计值和多子信道信噪比估计值获得可以增加至OFDM符号的额外比特，自适应的分配给对平均误比特率影响最小的子信道，从而得到接近最优传输率的调制方法，降低了运算的复杂度，提高了传导速率，增强了吞吐量，提升了实用价值。

　　参考文献：

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　　Transcations on Broadcasting,2017,60:524-531

　　本文来源于《电子产品世界》2018年第10期第27页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。