State Grid Information and Telecommunication Group Co., LTD., Beijing 100031, China

作者简介：

刘柱 （1983–） ， 男， 湖北仙桃人， 高级工程师， 从事电力 信息通信技术研究工作；

欧清海（1971-）,男,四川广安人,高级工程师,从事电力信息通信技术研究工作。

基金项目： 国家电网公司科技项目“电力线与无线融合通信技术研究”;

文章编号: 2095-641X(2016)02-000-06 中图分类号: TN919.7

电力线载波（Power Line Carrier,PLC）通信与无线通信都是配电通信网中的重要通信手段,PLC受线路负载和干扰影响,无线通信易受地域、气候环境影响,目前这2种通信方式均未能形成有机整体。为此,文章研究了融合电力线与无线通信技术的异构网络,提出了PLC与无线通信中的物理层频谱检测、信道均衡优化方案,探索了独立MAC层与统一MAC层的融合通信方案,并设计了在不同应用场景下的组网方案,可以有效提升通信整体性能,为智能配电网提供低成本、可靠、灵活接入的信息传输手段。

关键词 : 电力线载波通信; 无线通信; 融合通信; MAC层;

Power line carrier (PLC) and wireless communication technology are the important methods of communication in the power distribution communication network. However, the performance of PLC is affected by the load and interference of the line, while the wireless communication is influenced by the regional and climate environment. At present, both of these two communication methods fail to form an organic whole. This paper focuses on the integration of heterogeneous network with PLC and wireless communication technology, and proposes the PLC and wireless physical layer spectrum detection and channel equalization optimization scheme, then designs the communication networking scheme in different scenarios, which can effectively improve the overall performance of the communication, and provide low cost, reliable and flexible accessing information transmission means for the smart distribution grid.

KEY WORDS : power line carrier; wireless communication; integrated communication; MAC layer;

目前,电力线载波（Power Line Carrier,PLC）与无线通信技术在配电通信网中有一定的应用,但同时也都存在一些问题[1-2]。其中,PLC通过在电力线上传输高频信号实现通信,由于电力线不是专门的通信线路,线路噪声干扰强,同时高频信号衰减严重,其性能难以满足智能配电网对信息传输的实时性和可靠性需求;在无线通信方面,基于公共无线网络传输配电网信息存在安全问题、信号盲区问题以及服务费用问题。为此,电力系统建设了多种无线专网用于专变用户的数据采集与负荷控制,但通信效果受建筑以及环境影响较严重,建设成本高,施工难度大,运维管理困难。

基于此,本文根据PLC与无线通信的不同信道环境特点,设计了PLC与无线技术融合的通信网络,在媒体访问控制（Media Access Control,MAC）层进行路由、协议等融合,可以有效回避单一通信模式的缺陷,大大提升数据传输的可靠性,为智能配电网的信息传输提供可行的通信手段。

PLC以电力线为媒介,无线通信通过电磁波进行信号传输,这2种通信方式的物理层技术包括信号耦合、模拟前端、调制解调等。目前调制解调方式大多采用正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM）技术,由于信道媒介不同,信号频率差异大,PLC与无线通信在物理层实现深度融合的难度极大,甚至并无必要。但考虑到PLC与无线通信的MAC层在路由接力、协议处理等方面都采用OFDM调制方式,本文在OFDM频谱检测、信道均衡的算法方面进行融合,以期为MAC层的良好融合创造有利条件。

OFDM的基本原理是将高速信息数据编码后分配到N个并行的、相互正交的子载波上,每个载波上的调制速率很低,调制符号的持续间隔远大于信道的时间扩散,从而能够在具有较大失真和突发性脉冲干扰环境下为传输的数字信号提供有效保护。OFDM关键技术[3]包括基于OFDM技术的信道编（解）码、信道交织（解交织）、串并（并串）转换、数字调制（解调）、信号的IDFT（DFT）变换、循环保护间隔、信号同步、信道估计等,其中信道均衡采用Turbo码均衡方式。OFDM实现方法如图1所示。

图1 OFDM实现方法 Fig.1 The OFDM implementation method

在PLC与无线通信方式中都存在信号冲突的可能,解决信号冲突的能量检测算法虽然实现简单,但检测性能受噪声的影响较大,而协方差算法在低信噪比环境下具有较好的检测性能,但计算量非常大,为此本文设计了一种将两者相结合的两步检测算法,从而使其具有更准确的频谱感知能力[4]。两步检测算法流程如图2所示。

图2 两步检测算法流程 Fig.2 The two-step detection algorithm flow chart

图3 基于Turbo均衡原理的抗码间干扰方案 Fig.3 The anti-inter symbol interference scheme based on Turbo equalization principle

在两步检测算法流程中,针对能量检测在低信噪比下的缺陷,在未检测到频段被占用时,进入协方差检测,减小漏检概率,提高检测概率,从而方便了PLC与无线通信中的子载波优化。

在图2中,y(k)为离散化后的输入信号,λ1、k1为2种检测方式的门限值,当能量检测时未检测到信号（即小于门限值λ1）则进入协方差检测,否则判断授权用户存在;同理,当协方差检测时检测到信号超过门限值k1,判定授权用户存在。

基于协方差矩阵的检测方法不需要先验信息,且不需要同步,其性能由信号样值的相关性决定,信号样值的相关性越高则其检测性能越好。协方差算法通过最大或平均特征值与最小特征值的比值来检测信号是否存在,并且根据随机矩阵理论得出算法的检测门限。由于基于特征值的检测算法可以同时估计噪声方差和信号功率,因此可以有效对抗噪声功率的不确定性。

由于PLC与无线通信的传输信道环境较差,多径效应引起的码间干扰比较严重,在带限信道上传输数据时会因为信道畸变产生符号间干扰（Inter Symbol Interference,ISI）,使得信号不同程度地失真[5]。如果不对符号间干扰采取适当措施,接收端就会有很高的误码率,信道均衡技术则可以抑制这种干扰。

针对PLC与无线信道的低信噪比特点[6-10],本文设计了基于Turbo码均衡的抗码间干扰方案（见图3）,由于均衡器和译码器之间相互传送信息并多次迭代,因此Turbo均衡器具有很好的性能。

在图3中,Turbo均衡器将用于解码的2个并列的单输入单输出（Single Input Single Output,SISO）解码器中的一个用SISO均衡器代替,另一个SISO解码器仍用于递归系统卷积码的MAP译码。SISO均衡器在接收信道输出的同时,也接收外部输入的先验信息,通常SISO解码器的软输出反馈到SISO均衡器作为先验信息,这样SISO均衡器与SISO解码器都可以处理输入的先验信息,并输出更为精确的后验信息。输出的后验信息经过交织或解织后又可作为彼此的先验信息,以进行迭代的联合均衡与解码,从而获得近似最优的性能。

Turbo均衡通过多次迭代,在均衡器和解码器之间充分进行信息交换来获得性能的提高。设信道噪声是零均值的加性高斯白噪声,则噪声的抽样wn是独立同分布的,满足均值为零,方差为 。

二进制数据bn经过卷积编码器后被映射到信号星座图,形成长为L的数据块{cn},其中n=1,…,L,经过交织后通过ISI信道得到的接受符号序列z=[z0, z1, z2,…, zL-1,]。在Turbo均衡中,均衡器的输出为对数似然比LE(cn),则：

式中, 为均衡器传递的外信息, 为由信道译码器提供的先验信息。同理,信道译码器输出为对数似然比LD(cn),则：

式中, 为译码器输出的外信息, 为均衡器提供的先验信息。基于Turbo原理, ,同理 ,其中∏(·)表示交织,∏-1(·)表示解交织。在初次均衡时,先验信息 =0。

电力线与无线通信在物理层基本彼此独立,建设异构网络必须在MAC层进行优化融合。目前,电力线与无线融合模型主要有2种实现方式：一种是独立MAC层的电力线载波与无线融合方式,另一种是统一MAC层的融合方式。

独立MAC层的电力线载波与无线融合方案主要实现了PLC与无线网络层的融合（见图4）,PLC与无线MAC层的硬件简单集成,协议独立;网络层共用核心处理器微控制单元（Micro Controller Unit,MCU）,基于协议转换与混合自组网技术进行融合,对异构网络进行一定的资源管理与调度,从而提高整个系统的性能。

图4 独立MAC层的PLC与无线方式的融合逻辑结构 Fig.4 Independent MAC PLC and wireless integration logic structure

1）MAC层集成技术。PLC协议主要有IEEEP1901协议及ITU-T G.hn协议。目前PLC各标准的MAC层采用的技术在方向上基本相同,帧同步多采用比特填充法,差错控制多选用包含前向纠错（ForwardErrorCorrection,FEC）和自动重传请求（Automatic Repeat Request,ARQ）的混合纠错策略;在流量控制方面,采用基于信标、提供任务优先级机制以保证服务质量,在信标、超帧机制的作用下进行链路的分配和使用;在信道介质的使用方面,采用载波侦听多路访问/冲突避免（Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance,CSMA/CA）技术处理冲突。无线通信MAC层协议IEEE 802.15.4标准帧同步采用字节计数法,差错控制采用循环冗余码校验（Cyclic Redundancy Check,CRC）方式来检错,同时应用了ARQ重传机制,流量控制采用超帧机制,链路管理采用基于信标的时分多址（Time Division Multiple Access,TDMA）技术,同时在竞争时隙中采用CSMA/CA技术解决信号冲突。

2）MAC层混合自组网技术和协议转换技术。在PLC与无线融合终端中,由于PLC、无线制式不一致,MAC层协议差异较大,在链路连接、速率匹配、接入控制等方面存在失配,如存在无线信道准备完毕时载波信道尚未准备完毕、无线速率高而载波速率低等现象,进而影响通信效果。基于信道质量评估,通过协调控制器可实现PLC与无线MAC之间的适配。

在PLC与无线融合终端中,在流量控制方面选择窗口方案;对2种信道的统一评估采用基于统计值的信道评估方法;由于不同网络的MAC层帧不同,为了保证数据流在2种网络间的透明传输,PLC与无线融合终端中对数据帧的处理采用了附加子层技术[5],即在PLC和无线网络的MAC层增加了汇聚子层来完成数据帧转换工作。

统一MAC层的融合方案特点是PLC与无线MAC层采用统一的通信机制,如CSMA/CA、ARQ等（见图5）。无线及PLC传输信号首先需要进行动态频谱检测,检测方法分别采用协方差检测和能量检测方式,检测后的信号通过Turbo码进行纠错编码,可以有效减少码间干扰,然后将2种方式的MAC层进行融合,实现多节点多模式的联合信道评估,并对2种信道进行比较,从而建立统一的MAC层架构。对融合后的信道进行动态路由中继,中继方法选用蚁群遗传混合算法,并对双信道兼容协议进行研究,此外还需研究兼容的数据帧结构,并在传输过程中保证QoS。这样,就形成了PLC与无线的统一评估体系,实现了统一MAC层的融合。

这种融合方式的优点是可有效避免异构网络MAC层之间的协议转换,有利于实现统一的资源调度、接入控制、网络管理等策略,提高整个接入系统的QoS保障。但由于PLC与无线技术制式上的差异性较大,统一MAC层的技术难度较高,实现较复杂。

图5 PLC与无线方式统一MAC层的融合逻辑结构 Fig.5 Logical structure of PLC and wireless unified MAC fusion

针对智能配电网A+、A类等对通信可靠性要求较高的区域,设计了PLC与无线方式互备份的通信组网方案。通过各通信信道的QoS保障机制与握手机制动态选择主信道与备信道,通信过程中主备用信道同时工作,但数据收发采用主用信道,备用信道数据存储在缓冲区。一旦主用信道丢包则采用备用信道数据,连续累计丢包3次后进行主备信道切换。PLC与无线互备份通信组网方案如图6所示。

图6 PLC与无线互备份通信组网方案 Fig.6 PLC and wireless mutual backup communication networking solution

PLC与无线通信的双路由备份组网方式如下：

1）融合通信终端的无线模块与PLC模块分别建立各自的路由表,融合通信终端汇聚设备建立全局路由表信息;

2）在通信过程中,数据由默认通道上传,当默认通道失去连接时,设备可自动选择备份路由进行通信。

针对智能配电网B、C类等覆盖区域较大、站点距离较远的区域,设计了PLC与无线融合终端级联通信组网方案。该方案包括无线级联PLC和PLC级联无线2种方式：无线级联PLC主要针对宽带无线（LTE、McWiLL等）难以覆盖的站点采用PLC补充覆盖;PLC级联无线主要针对PLC难以覆盖的站点采用短距离无线（ZigBee、Wi-Fi等）补充覆盖。PLC与无线级联通信组网方案如图7所示。

图7 PLC与无线级联通信组网方案 Fig.7 PLC and wireless cascade communication networking solution

在智能配电网建设中,成本低、可靠性高、接入灵活的信息传输手段是关键。PLC与无线通信在配电自动化、远程抄表等领域都有大量的应用,但在工程实践中发现只应用PLC或无线通信方式都存在难以克服的缺陷,电力线载波的性能受线路负载和干扰影响大,而无线通信则受地域、气候环境影响,这2种通信方式未能形成有机整体。本文研究了融合电力线与无线通信技术的异构网络,提出了PLC与无线通信方式的物理层频谱检测、信道均衡优化方案,探索了独立MAC层与统一MAC层的融合通信方案,并设计了在不同应用场景下的通信组网方案,可以有效提高接入网的通信性能,可为智能配电网建设提供一种有竞争力的信息传输手段。

(编辑:邹海彬)

[1] 易浩勇, 刘柱. 智能配电混合通信系统的设计与实现[J]. 华东电力, 2011, 39(10): 1675-1678.

YI Hao-yong, LIU Zhu.Design and implementation of hybrid communication network in intelligent distribution[J]. East China Electric Power, 2011, 39(10): 1675-1678.

[2] 刘柱, 赵明科, 张京娜. 基于基带拉远LTE230MHz的配电自动化通信系统设计[J]. 电力系统通信, 2012, 33(12): 35-39.

LIU Zhu, ZHAO Ming-ke, ZHANG Jing-na.Design of distribution automation communication system based on remote base-bandLTE230MHz[J]. Telecommunications for Electric Power System, 2012, 33(12): 35-39.

[3] 戚佳金, 刘晓胜, 李贵娇, 等. 低压窄带电力线通信信道编码方法[J]. 电力自动化设备, 2008, 28(3): 78-81.

QI Jia-jin, LIU Xiao-sheng, LI Gui-jiao, et al.Channel coding methods of narrow-band LV power line communication[J]. Electric Power Automation Equipment, 2008, 28(3): 78-81.

[4] TANDRA R, SAHAI A.SNR walls for signal detection[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing, 2008, 2(1): 4-16.

[5] 李勇. 智能配电通信网中信道编码技术研究[D]. 昆明: 云南大学, 2014.

[6] AHNED M, SOOW L.Power line carrier(PLC)based communication system fordistribution automation system[C]// IEEE 2nd International Power and Energy, 2008: 1638-1643.

[7] 叶夏兰, 林东. PLC中OFDM应用及DSP代码自动生成[J]. 电力信息与通信技术, 2013, 11(11): 12-15.

YE Xia-lan, LIN Dong.Application of OFDM in PLC and its automatic DSP code generation[J]. Electric Power Information and Communication Technology, 2013, 11(11): 12-15.

[8] 李建岐, 陆阳, 赵涛, 等. 新一代电力线载波通信关键技术探 讨[J]. 电力信息与通信技术, 2013, 11(12): 1-5.

LI Jian-qi, LU Yang, ZHAO Tao, et al.Discussions on key technologies of new generation power line carrier communication[J]. Electric Power Information and Communication Technology, 2013, 11(12): 1-5.

[9] 彭炜锋, 管刚. 电力线通信技术的应用研究[J]. 自动化与信息工程, 2008, 29(2): 23-25.

PENG Wei-feng, GUAN Gang.The application research of power line communication[J]. Automation & Information Engineering, 2008, 29(2): 23-25.

[10] 陈琳, 黄怿. 电力线通信技术的研究[J]. 上海电力学院学报, 2009, 25(2): 161-164.

CHEN Lin, HUANG Yi.Research of power-line communication technology[J]. Journal of Shanghai University of Electric Power, 2009, 25(2): 161-164.