基于OFDM的高速电力线远程通信系统的设计与分析.pdf

第 5 2卷第 2 4期 2 0 1 5年1 2月 2 5日 电测 与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e me n t& I n s t r u me n t a t i o n VO I 5 2 No 2 4 De c 2 5， 2 0 1 5 基于 O F D M的高速电力线远程通信系统的设计与分析水 钱程 ， 陈良亮 ， 张卫国。 ( 1 安徽理工大学， 安徽 淮南 2 3 2 0 0 1 ； 2 国电南瑞科技股份有 限公 司，南京 2 1 1 1 0 0 ) 摘要： 针对国内外现有的电力载波通信存在通信速率低 ， 以及通信频率和通信功率不达标等缺陷， 推进传输技 术的研究 ， 设计 了一种基于正交频分复用技术 ( O F D M) 的高速 电力线远程通信系统。详细介绍了基于傅里叶 ( F F T ) 的 O F D M和基于小波变换的O F D M传输方式， 同时对比了两者数据传输的速率和效率， 利用 L a b V I E W 编程 ， 实现上位机的实时可视化监测。对电力载波通信传输 ( P L C) 的检测方法和手段进行初步探索 ， 测试结果 表明整个系统在数据传输、 抗干扰性、 安全性等方面具有优良的性能， 能够实现高速稳定的 P L C通讯。 关键词： 电力线通信； O F D M； L a b V I E W； 数据传输 中图分类号 ： T M 7 3 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 1 1 3 9 0 ( 2 0 1 5 ) 2 4 0 1 0 1 0 6 De s i g n a n d a n a l y s i s o f h i g h - s p e e d p o we r l i n e r e mo t e c o mmu n i c a t i o n s s y s t e m b a s e d o n OFDM Q i a n C h e n g ， C h e n L i a n g l i a n g ， Z h a n g We i g u o ( A n h u i U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Hu a i n a n 2 3 2 0 0 1 ， A n h u i ，C h i n a 2 N A R I T e c h n o l o g y C o ， L t d ， N a n j i n g 2 1 1 1 0 0 ，C h i n a ) Abs t r ac t：I n v i e w o f e x i s t i n g l o w c o mmu ni c a t i o n s p e e d a t h o me a nd a b r o a d，t he d e f e c t i n c o mmun i c a t i o n f r e q u e n c y a n d c o mmu ni c a t i o n p o we r i s s u bs t a n d a r d，wh i c h a d v a n c e s t h e r e s e a r c h o f t r a n s p o r t t e c h no l o g y，t h i s p a pe r d e s i g n e d a h i g h- s p e e d p o we r l i n e r e mo t e c o mmun i c a t i o n s y s t e m b a s e d o n OF DM I t i n t r o d uc e d t h e t r a n s p o rt o f OFDM b a s e d o n F n 1 a n d wa v e l e t i n d e t a i l ，a n d c o mp a r e d t h e i r r a t e a n d e f f i c i e n c y wi t h e a c h o t h e r i n d a t a t r a n s p o rt，t h u s ma k i n g P C v i s u a l i z a t i o n mo n i t o r i n g i n r e a l t i me po s s i b l e b y u s i n g La bVI EW Th i s p a p e r ma ke s a p r i ma r y r e s e a r c h o n t h e i n s p e c 。 t i o n a p p r o a c h o f P L CT h e r e s u l t s r e fl e c t t h a t t h e wh o l e s y s t e m b e h a v e s w e l l a n d i s a b l e t o a c h i e v e q u i c k a n d s t e a d y PLC c o mmu n i c a t i o n s i n d a t a t r a n s p o r t ，r e s i s t a n c e t o i nt e rfe r e n c e a nd s e c u r i t y e t c Ke y wor ds： po we r l i n e c o mmun i c a t i o n，OFDM ，L a b VI EW ，d a t a t r a n s p o rt 0 引 言 电力线通讯利用 现有 的电力 网络 ， 实现数据 的 高速传输。由于 电力线是多 以分 支方式连接 的 ， 在 作为通讯线路使用时 ， 会在传输路径 上形成 多路径 。 此外 ， 在电力线上连接着许多家用 电设备 ， 所 以还要 受到这些设备的负荷阻抗和由家 电设备产生的噪声 等影响。 目前 ， 在 P L C可使用的频带 ， 运行着许多无 线 电通讯设备 ， 另外一方面 ， 由于 电力线不是用 于通 讯的基础设施， 所以电力线对地间的平衡度( L C L ) 很 基金项 目： 国家 8 6 3基金 资助 项 目( 2 0 1 1 A A 0 5 A1 1 0) ； 国家 能 源局 项 目( N Y 2 0 1 1 0 7 0 31 ) 差 ， 因此来 自无线 电通设 备的空 中电波也成 为噪声 叠加到电力线上。反之， 由于 P L C的信号有时也会 因电力线对地 问平衡度差 而产 生对外辐射 ， 所 以势 必也会对已有无线 电通讯设备产生影响。为 了应对 上诉恶劣的传输通道环境 ， 推进传输技术 的研究 ， 本 文设计了一种基于 O F D M 的高速电力线远程通讯系 统 ， 为实现高速稳定 的 P L C通讯提供了新的途径 。 1 O F D M传输方式 所谓 O F D M， 是一种能够很好的适用于多路径传 播 的信道 的有效方式 ， 在移动通讯和地面波数字 广 播 中采用的调制解调技术 ， 由于其具有高频率利 用 率 、 对传输路径 的状态变化适应性好 ， 且有避免与其 - - - 1 01 - 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 2卷第 2 4期 2 0 1 5年1 2月 2 5日 电测与仪表 El e c t r i e a l M e a s u r e me nt& I n s t r u m e nt a fio n V0 1 5 2 No 2 4 De c 2 5。 2 01 5 他无线 电通讯设备之间干扰能力等优点 ， O F D M广泛 应用 于数 字 T V、 无 线 L A N 以及 非 对 称 数 字环 路 ( A D S L ) 等通讯方式 中 J 。O F D M 技术 的原理就是 将频段划分 成窄的子带， 二进制信息通过每个子 带 来传输 。每个子带 的频率 响应是 正交 的 ， 并且 混叠 较小 ， 因此就可以得到的频谱利用率较好。 1 1 基 于 F F T 的 O F D M 传 输方 式 基于 F 兀1 的 O F D M的传输方式是以高速傅里叶变 换为基础的， 基于 F F r 的 O F D M基本框图如图 1 所示。 图 1 基 于 F F T的 O F D M 基本 框 图 Fi g 1 OFDM b a s i c b l o c k d i a g r a m b a s e d O n F FT 首先数据输人后进 行串 并转换 ， 然后送 到映射 部分 。在映射 部分 ， 每 一个输入数据将 信息变换 为 振幅 相位信号 ， 进行振 幅、 相位 调制 ( 一 次调 制 ) 。 该经过一次调制的发信信号点作为频率轴上的信号 通讯数据 厂 加密 l l纠 帧 控 制 信 号L = = 二 二 一 子载波映射图索引数据 被乘 以各子 载波 ， 成为发信信号。在 傅里叶反变换 部分， 将该频域信息转换为时域信号， 经并 串变化、 数模变换后， 最后形成模拟信号发送到传输通道 。 经过线路 ， 被发送 的调制信号输入到接收部分。 在接收部分， 通过模数变化将模拟信号变换为数字 信号 ， 该数字信号通过 串 并变换、 傅里叶变换后 ， 恢 复发送侧的频域信息 。其后 ， 该频域信 息( 接收信 号点) 由逆映射回路进行与发信相反的操作 ， 得到并 行接收数据 。然后 ， 通过 串并变换 电路到最终 的输 出数据 。 加入保护间隔是基于 F F v r的 O F D M 中机器重要 的功能之一 。加入保护间隔不仅方便地在接 收端进 行正交解调， 而且在去除因多径扩散等引起的信道 时变特性恶化发挥很大的作用 。 1 2 基 于 小波 变换 的 O F D M 传 输方 式 不使用傅里叶变换 ， 而利用小波 O F D M的方式 ， 使得高速化成为可能。该方式使用的是图像压缩 中 的小波变换方 式。在该小波变化 的实现过程 中， 采 用了滤波器组合法( R P C M F B ) 和高速离散余弦变换 ( D C T ) 。小波 O F D M 的构成框图如图2所示 。 生成子载 l l 逆小渡l 。 I 前导 波 映 射 图r 变 换 - 1 H A 斜 波( R a m p ) 函数修正 = 前置模拟终端 图 2 小波 O F D M 的 构成框 图 F i g 2 OF DM s t r uc t u r e b l o c k d i a g r a m b a s e d o n wa v e l e t 小波 O F D M具有 如下特点 ： 由于副瓣 较小故受 到载波之间干扰的影响很小 ， 且依赖 全部 符号 问干 扰 ， 故即使不设保护间隔性能降低也很小 。没有保护 间隔 ， 并且通过采用长度短的符号 ， 即使在高速化方 一 1 0 2 一 法 中包连接数少时也得 到高效率 ， 此外 ， 采取增加连 接数情况下速度提高效果好的系统构成 ， 即使在 4 2 8 MH z 狭窄 的频带使用 ， 也可实现高 M A C效率 。 小波 O F D M特性如图 3所示。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 2卷第 2 4期 2 0 1 5年l 2月 2 5日 电测与仪表 El e c t r i c a l Me a s u r e me n t& I n s t r u me n t a t i o n V0 1 5 2 No 2 4 De c 2 5。 2 0 1 5 延迟量绝对值 ( s ) ( a ) 延迟时间 ( s ) ( b ) 图 3小波 O F D M 特性 F i g 3 Ch a r a c t e ris t i c o f wa v e l e t ba s e d o n OFDM 1 3 传 输 方式 对 比分析 如图 4所示 ， 若单纯采用高速傅里 叶变化 ， 最大 振幅的主瓣 和第一副瓣 之间的差 为 1 3 d B左右 。因 此 ， 在设置多个 1 0 d b左右陷波 的情况时就是效率极 高的方式 ， 而在设置多个 3 0 d b左右深度 陷波 的情况 时 ， 需要提取多个无用 的子载波 ， 使得频率 的利用效 率变差 。 由图 4可以看出， 在基于小波 的 O F D M 情况下， 可使振幅频谱 的第 一副瓣 比基于 F F r r的 O F D M低 ， 在窄频带产生干扰时 ， 可减少不适用的子载波数量 ， 因此便能够降低子载波间的干扰 J 。 图 5为小波 O F D M 和其他 O F D M传输速率 的比 较。由图可以看 出在小 波 O F D M 中当连 接 MA C帧 时 ， 效率就会得到极大 的提高 ， 同时在连接数少 的区 域 ， 由于符 号长 度短 ， 所 以效 率 高。而 在 F 丌 其 他 O F D M 中在连接数 少的区域 ， 当符号短 时效率高 ， 一 旦符号长度长 ， 效率就变低 。因此其他类型 的 O F D M 即使增加连接数量也不能提高效率。 时间特性 频率特性 J V V 第 l 副 瓣 基于 F I 叩 的 O F DM L ，、 V V 基于小波的 O F D M 图 4 F F T r变换 OF D M 和 Wa v e l e t 变换 O F D M 特 征 比较 F i g 4 Ch a r a c t e ris t i c c o mpa ris o n b e t we e n OFDM b a s e d o n FFr a n d wa v e l e t 6 图 5传输 速 率比较 Fi g 5 Tr a ns mi s s i o n r a t e c o mp a ris o n 2 系统总体结构 2 1 P L C试 验 网络介 绍 试验网络选择的是一 1 0层板楼 ， 每层 l 6户 ， 楼 内没有综合布线 。在每一层都有两个电表间， 每个电 表间放置有 8个 电表 ， 使用 电缆竖井将各层同一侧的 电表间相连。每层电表都是单相电表 ， 同一层是同一 相 。组 网结构为 m B +以太 网 +P L C， 采用磁环耦 合 电接触方式。总体结构如图 6所示。 2 2系统 主要设 备 P L C产品标称芯片的传输速率为4 5 Mb i t s 。 P L C局端设备 ( Ma s t e r ) ： 在 P L C网络和骨架网络 中的作用是网关 ， 主要功能是将低压配电网上的 P L C 高频信号和骨干网数据信号进行转换 。还具有对用 户端设备 P L C Mo d e m 的管理功能 ， 它提供网管程序 D HC P 、 S N MP的标准接 口。 - 1 03 - 遂 褥校簿 ，J v 苫 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 2卷第 2 4期 2 0 1 5年1 2月 2 5 日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e m e nt& I n s t r u m e n t a t i o n VO I 5 2 No 2 4 De c 2 5， 2 0 1 5 中继 ： 用来将 P L C高频信号进行放大和转发 ， 起 到扩大 P L C系统的覆盖范 围的作用。 P L C用户端设备 ( P L C Mo d e m) ： 通过 R J 4 5口与 计算机内的一块 以太 网网卡连接 ， 从而完成以太网数 据信号和 P L C高频信号间的转换。 耦合器 ： 将 P L C高频信号耦合到用户电力线上。 图 6 系统 总体 结构 图 Fi g 6 S y s t e m s t r u c t u r e d i a g r a m 3 软件结构与实现 3 1 Ho me P l u g AV物理 层 和数据 链路 层结 构 为了传输数据信息 ， P L C工作站必须将数据帧准 备好 ， 即具有帧头和帧尾区域的数据模块 。而包含数 据的模块 的格式 ， 是 由接人物理媒介所采用 的技术。 本次 测试 主 要采 用 H o m e P l u g A V 的 P L C帧结 构 ， H o m e P l u g 联盟 使用最新技 术使得 新版本 H o m e P l u g A V的新能得到很大的提升 ， 尤其是在物理层结构和 数据链路层结构方面有很大改善 。它允许 了 H o m e P l u g 1 0设备的交互 ， 实现了主从模式 。H o m e P l u g A V的结构如图7所示 。 物理层和数据链路层同时具有网络 中的主从设 备间的检查和管理以及数据管理这两个管理功能 ， 其 主要 目的是为了提供不同的 Q o s 功能和封装 MA C的 数据并保证上层数据使用 。同时该结构也反映了 P L C技术在 O S I 模型中的位置 ， 电力线实现数据信号 的传输主要处于第一层物理层 ( P HY) 。P L C设备提 供具有与第二层相关的以太 网链接服务终端 ， 它使用 M A C协议和 R J _ 4 5连接器 J 。因此我们在使用 P L C 板进行通信时仅仅只需要考虑 T C P以及用户可以看 到应用配置即可。 上层数据链路层 ( L L C 、S N A P) (j鸯 一 一 一 ：一 一 ： - ( 控 制 服 务 接 入 点 r_ 一 服 务 接 入 点 数 、 I、 I 0一 困 I I I I 一 一一 磊 I I _-J 控制管理 数据管理 图 7 Ho me P l u g AV结构 Fi g 7 S t r u c t u r e o f Ho me P l u g AV 3 2 基 于 L a b V I E W 的 网络 通讯 与 编程 具有强大的网络通讯功能， 是 L A B V I E W 设计的 虚拟仪器的其中一个巨大优势 ， 它能够方便地进行 网 络通讯来实现远程虚拟仪器的设计 。通过利用 网络 通讯协议编程实现网络通讯 ， 可使用的通讯协议类型 包括 T C P I P 、 串口通讯协议、 无线 网络协议等 。 L a b V I E W 运用 内嵌 的 T C P I P网络通 讯协议族 实现远程测控系统通讯 ， 可以实现数据从 网络或者 因 特网的一台计算机传输到另一台计算机， 完成单个网 络 内部 以及多个互联网之间的通讯。因此 ， 即使不在 现场也可以通过互联网使得科研人员 和工程技术人 员能够随时了解现场的控制 系统的运行情况和系统 的参数的实时变化 ， 并可根据具体情况通过网络在客 户计算机上对在控制现场运行于服务器计算机 的控 制系统发出命令 ， 及时调整现场控制系统运行状况 ， 从而达到远程控制的 目的 。 3 3 T C P通 信 编 程 L a b V I E W 中用于 T C P编程 的 V I 函数在函数选 板下的“ 数据通讯一 协议 T C P ” 子选项板中。利用 S e v e r C l i n e t 模式进行通信 ， 是 L a b V I E W 平 台下 网络通 讯 的最基本 的结构模式。服务器端首先对指定的端 口进行监听， 客户端则负责不断 向服务器端被监 听的 端 口发 出请求 ， 服务器端接收到请求后便建立客户端 与服务器的连接 ， 然后就可 以利用该 连接进行通讯 了。通讯完毕后 ， 两端通 过关 闭连 接断开 连接 。 T C P通信的流程 图如图 8所示。 在用 T C P节点进行通讯 时， 需要在服务器框 图 程序中指定 网络通讯端 口， 客户机也要指定相同的端 口， 才能与服务器之间进行正确的通信。端 口值 由用 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 2卷第 2 4期 2 0 1 5年l 2月 2 5日 电测与仪表 El e c t r i c a l Me a s ur e me n t I n s t r u me n t at i o n Vo 1 5 2 No 2 4 De c 2 5， 2 0 1 5 户任意指定， 只要服务器与客户机的端口保持一致即 可。在一次通讯连接建成之后 ， 就不能更改端 口的值 了。如果需要改变端 口的值 ， 则必须首先断开连接才 能重新设置端 口值 “ 。 图 8 T C P通信 流程 图 Fi g 8 Ho w c h a r t o f TCP c o mmun i c a t i o n 4 测 试 结果 本次 测试 工 具 为 N e t I Q公 司 的专用 测 试 软件 C h a r i o t ， 该软件是一套有效的通讯网络测试工具， 许 多数据 网络设备生产厂商和实验室都采用这套 软件 作为测试工具。C h a r i o t 由控制台程序和代理端程序 两部分组成 ， E n d p o i n t 安装在被测计算机上可以 自动 运行 ， 在控制台只需要知道被测计算机的 I P地址 ， 就 可 以容易地将被测计算机加入测试环境 中。C h a r i o t 自身携带了很多预定义 的应用程 序脚本可模拟各种 分布式应用 ， 能够产生详细的结果描述 。设置完有关 参数之后 ， C h a r i o t 就可以完成点对点 、 点对多点等多 种通讯方式情况下的网络吞吐量的测试 ， 并 自动记 录 测试结果。 表 1中数据 为点对 点 网络吞 吐量测试 ， 在 连续 2 4 h的测试时间内， 被测 P L C系统网络吞吐量变化很 小， 信号传输稳定， 没有出现网络中断现象， 说明本文 所涉及的系统传输性能受电网负荷变化的影响不大。 表 1 点对点访 问时网络吞吐量 Mb i t s T a b 1 Ne t t h r o u g h p u t o f p o i n t t o p o i n t a c c e s s 试验测试 了多点并发网络吞 吐量 。多点并发的 测试吞吐量的平均值见表 2， 选择同一局端设备下的 5个用户 Mo d e m进行并发 网络吞 吐量测试。由测试 数据可见 ， 随着用户数量 的增加 ， 网络总的吞 吐量会 随着并发用户数增加而增加 ， 每个用户 的网络吞吐量 变化并不明显 。 表 2 多用户并发访 问网络吞吐量 Mb i t s Tab 2 Ne t t h r o u g hp u t o f mu l t i u s e c o n c u r r e n t a c c e s s 5 结束语 ( 1 ) 电力线是 目前最普及、 覆盖范围最广的一种 物理媒介 。因此 ， 能够有效利用 电力线实现数据远程 高速的传输 ， 是国内外许多大公司的发展方向。 ( 2 ) 本文模拟设计的 P L C通讯模型 ， 通过现场测 试对网络的传输性能内容作了初步测试， 测试数据表 明该测试点 P L C系统 ， 传 输始终 非常的稳 定 ， 在 2 4 h 内没有出现信道中断的情况， 网络吞吐量受外界负荷 变化的影响很小。 ( 3 ) 通过对试验网络的运行监测 以及通讯 能力 的测试 ， 目的是掌握 目前 P L C系统的传输性能、 网络 功能的实际情况， 对 P L C系统设计进行初步探索， 为 下一步系统设计积累经验。 参 考 文 献 1 吕 英杰 ， 邹和平， 赵兵国内低压电力线载波通信应用现状分析 J 电网与清洁能源， 2 0 1 0 ， 4 6 ( 4 ) ： 3 3 - 3 6 L v i n g j i e ， Z o u H e p i n g ， Z h a o B i n g D o m e s t i c l o w v o l t a g e p o w e r l i n e c a r ti e r c o m mu n i c a ti o n a p p l i c a t io n s a n a l y s i s J P o w e r S y s t e m a n d C l e a r E n e r g y ， 2 0 1 0 ， 2 6 ( 4 ) ： 3 3 - 3 6 2 何志 良， 张然 ，陶维青窄带高速 电力线载波通信发 展现状分析 J 电测与仪表 ， 2 0 1 3 5 o ( 5 )： 6 8 - 7 1 He Z h i l i an g，Zh an g Ra n，T a x )W e i q i n g De v e l o p me n t s t a t e o f h i s h s p e e d n a r r o w b and p o w e r l i n e c o m mu n i c a t i o n J E l e c t r i c a l Me a s u r e me n t I n s t r u me n tat i o n ，2 0 1 3， 5 0( 5 ) ： 6 8 - 7 1 3 李丰，田海亭， 王思彤， 等低压电力线窄带载波通信信道阻抗 与衰减特性 的现场测量及分析 J 电测与仪 表 ， 2 0 1 l ， 4 8( 7) ： 2 O- 2 3 L i Fe n g， Ti a n Ha lt i n g ，W a n g S i t o n g， e t a 1 Fi e l d me as u r e me n t a n d a n a l y s i s o f t h e i mp e d a n c e a nd a t t e n u a t i 0 n c h ara c t e ri s t i c s o f t h e l o w- v o l t a g e p o w e r l i n e n a r r o w b a n d c a r r i e r c h a n n e l J E l e c t r i c al Me a s - u r e m e n t I n s t r u m e n t a t i o n， 2 0 1 1 ， 4 8 ( 7 ) ： 2 0 - 2 3 4 齐淑清电力线通信( P L C ) 技术与应用 M 北京： 中国电力出版 - - - 1 05 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m