电力线载波通信标准 PRIME 和 G3- PLC 的研究.pdf

第 5 l卷第 1 3期 2 0 1 4年7月 l 0日 电测与仪表 Ei e c t r i c a l M e a s ur e m e n t& I n s t r u m e n t a t i o n VO 1 5 1 No 1 3 J u 1 1 3。 2 0 1 4 电力线载波通信标 准 P R I ME和 G 3一P L C的研 究 尹建丰 ， 丁文伯 ， 魏华义 ， 朱德省 ， 蔡宇 ， 高镇 ( 1 江苏林洋电子股份有限公司， 江苏 启东2 2 6 2 0 0 ； 2 清华大学电子工程系数字0 z q - 心 北京 1 0 0 0 8 4 ) 摘要： 电力线载波( P L C ) 通信是电力系统特有的基本通信方式。通过对当今世界上基于 O F D M的两种载波通 信标准 P R I M E和 G 3一P L C进行研究 ， 主要分析了二者物理层的处理过程 ， 并 比较 了其异 同点 ， 进而对两个标 准的通信性能进行了对比。最后， 对符合两个标准的载波方案进行了实际测试， 并得出了实验结果。对不同电 力线环境下载波标准的选取具有一定的参考意义 。 关键词： 电力线载波通信 ； O F D M； P R I ME； G 3一P L C 中图分类号： T M 9 3 3 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 11 3 9 0 ( 2 0 1 4 ) 1 3 0 0 3 7 0 5 Re s e a r c h o n PLC Co m mu ni c a t i o n S t a n da r d s PRI M E a n d G3一PLC YI N J i a nf e n g ，D I N G We nb o ， W EI Hu ay i ，ZHU Des h e n g ，CAI Yu ，GAO Zh e n ( 1 J i a n g s u L i n y a n g E l e c t r o n i c s C o ，L t d ， Q i d o n g 2 2 6 2 0 0 ， J i a n g s u ，C h i n a 2 D i g i t a l T e l e v i s i o n C e n t e r ，D e p a r t m e n t o f E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g o f T s i n g h u a U n i v e r s i t y ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 4 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： P o w e r l i n e c a r r i e r( P L C)c o mm u n i c a t i o n i s t h e s p e c i fi c c o mm u n i c a t i o n m o d e i n e l e c t r i c s y s t e m T h r o u g h t h e r e s e a r c h e s o n P RI ME a n d G 3 P L C wh i c h a r e t h e ma i n OF DM b a s e d c a r r i e r c o mmu n i c a t i o n s t a n d a r d s n o w a d a y s ，t h e p r o c e s s i n g p r o c e d u r e s o f t h e t wo s t a n d a r d s i n p h y s i c a l l a y e r a r e a n a l y z e d a n d t h e i r s i mi l a r i t i e s a n d di f f e r - e n c e s a r e c o mpa r e d，S O a s t o ma k e a d e e p c o mp a r i s o n o n t h e i r c o mmu n i c a t i o n p e r f o r ma n c e Fi na l l y，a c t u a l t e s t s a r e p e r f o r me d b a s e d o n c a r r i e r s c h e me s t h a t a c c o r d wi t h PRI ME a n d G3一PLCTh e r e s u l t s p r o v i d e a r e f e r e n c e f o r t he s e l e c t i o n o f PLC c o mmu n i c a t i o n s t a n d a r d s i n d i f f e r e n t po we r l i n e e n v i r o n me n t s Ke y wo r d s： p o we r l i n e c a r r i e r c o mmu n i c a t i o n，OFDM ，PRI ME，G3一PLC 0 引 言 电力线载波( P L C ) 通信是指利用现有的输电线或 配电线作为信号传输媒介的一种通信方式 。由于 其具有覆盖范围广 、 无需专门布线等优点 ， 正成为一种 非常有吸引力 的通信方式。P L C技术可 以分为窄带 P L C和宽带 P L C， 其中， 窄带 P L C使用的带宽通常为几 十 k H z ， 且频段一般位于 5 0 0 k H z以下 ， 可应用于 自动 抄表、 配用电自动化 、 智能家电控制等方面。 当前 ， 基于 O F D M窄带 P L C的标 准主要是 G 3一 P L C和 P R I ME， 其 中， G 3一P L C标 准 由美 信 公 司 ( Ma x i m I n t e g r a t e d ) 和法 国电力 公用 事业公 司 ( E R D F ) 共 同开发， 而 P R I ME标 准 由 P R I ME联盟推 出， 该联盟包含了 3 0多个 由供电公 司、 电表厂家和 晶片 供应商组成的成员。 本文通过对两个 P L C标准物理层处理过程 的研 究 ， 分析了二者各 自的处理过程 ， 对其异 同点做 了比 较 ， 进而从理论上对两个标 准的通信性 能进行 了对 比， 并最终通过对产品的测试 ， 对 比了其在不同电力 线环境下的实际通信性能 。 1 G 3一P L C和 P R I ME标准的共同点 ( 1 ) 两个标准均位于 C E N E L E C A频带 j 。 ( 2 ) 二者都进行了扰码器和卷积编码器处理， 并 且其采用 的扰码 器 和卷积编码 器 的结构都 是一致 的。扰码器 的生成多项式都是 S ( )= + +1 ， 卷 积编码器采用的都是编码效率为 1 2的卷积码 。 ( 3 ) 二者都采用加循环前缀 ( C P ) 的方式抗符号 间干扰 ( I S I ) 和码 间干扰 ( I C I ) ， 其 物理层 ( P h y s i c a l L a y e r ) 发射机框图分别如图 1和图2所示 。 ( 4 ) 二者数 据映射方式都 是采用 的差分 移相键 控( D P S K) 。 ( 5 ) 二者均采用 O F D M调制方式 ， 来实现数据的 高速率和可靠传输 。 3 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 1卷第 1 3期 2 0 1 4年7月 1 O日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e m e n t& I n s t r u me n t at i o n V0 1 5 1 No 1 3 J u 1 1 3。 2 0 1 4 2 G 3一P L C和 P R I ME标准的区别 G 3一P L C和 P R I ME标准 的主要 区别是 前 向纠 错( F E C ) 方式不同、 D P S K的方式不同、 功率谱密度 不同和前导不同， 二者的采样频率 、 采样间隔、 F F T点 数 ， 最高传输速率等具体参数区别见表 1 。 表 1 G 3一P L C和 P R I M E标准参数对比 Ta b 1 Co mpa r i s o n s o f G3 一PLC a nd P RI ME pa r a me t e r s 参 数 G 3一P L C P R I ME 工作 频率 采样频率 F F 丁点数 循环前缀点数 采样间隔 加窗 有用子载波数 最高传输速率 F E C编码 交织方式 映射方式 3 5 9 3 89 0 6 2 5 k HZ 41 9 9 2 8 8 8 6 7k HZ 4 0 0k Hz 2 5 0 5 【 Hz 2 5 6 5l 2 3 0 4 8 1 5 6 2 5k Hz 4 8 8Hz 有 没有 3 6 9 7 3 3 4Kb p s 1 2 8 6Kb p s R S编码 、 卷积码 、 R C编码 卷积码 按帧交织 按 O F DM符号交织 D B P S K D QP S K D B P S K D Q P S K D 8 P S K 2 1 F E C的 区别 参照图 1 和图2中 G 3一 P L C和 P R I M E标准的 F E C编码器 ( 虚线框 内) 可知 ， G 3一P L C F E C编码器 包括扰码器 、 R S编码器 、 卷积编码器 、 重复编码器、 交织器等； P R I ME F E C编码器包括 C R C编码器 、 卷 积编码器 、 扰码器 、 交织器等。 两者不同的是 G 3一P L C标准是先经过加扰处理 再进行卷积编码 ， 而 P R I M E标准则相 反。G 3一P L C 标准的 F E C编码不包括 C R C编码 ， 但其采用了 Rs 编码作为外码 ， 用 以纠正随机符号错误和 随机 突发 错误 ， 并且以卷积码为 内码 ， 采用二者级联编码 的方 式在降低译码复杂度 的同时， 又能够提供很 高的数 据可靠性， 但同时， R S 码的引入， 使得数据的冗余 信息较大 ， 对信号传输速率会产生一定的影响 ， 同时 会增加系统 的计算复杂度。另外 ， G 3一P L C标准在 R o b u s t 模式下 ， F E C编码器还包含一个重复编码器 ， 其把每个信息 比特重复编码 4次 ， 使 系统更可靠 ， 抗 干扰能力更强 ， 但是 ， 这也使系统 的吞吐量大约减少 到 1 4 。P R I ME标准和 G 3一P L C标准都采用了交织 技术来应对电力线信道的频率选择性衰落和时间选 择性衰落。P R I ME标 准采用 的是块交织 ， 交织块 的 大小被限定在一个 O F D M符号 内所对应 的编码 比特 数 ， 而 G 3一P L C标准采用的块交织 的范 围却 是对应 一 帧数据的编码 比特数 ， 所 以 G 3一P L C标 准的交织 块的大小是随着数字信息或是物理层工作模 式和选 择的符号数的变化而变化 的， G 3一P L C标准交织块 较大， 交织深度大 ， 因此引入 的时延也大 ， 但 同时， 其 抗短期干扰的能力也 比 P R I ME强 。另外 ， P R I ME标 准的交织块和工作模式无关 ， 大小是固定 的 ， 有一个 固定 的交织表对应 ， 便于硬件实现。 图 1 G 3一P L C标准物理层发射机框 图 Fi g 1 Di a g r a m o f G3一P LC p h y s i c a l l a y e r t r a n s mi t t e r 一 一一 一一 t 图 2 P R I ME标 准 物理层 发射 机框 图 Fi g 2 Di a g r a m o f PRI ME p h y s i c a l l a y e r t r a n s mi t t e r 电力钱 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 1卷第 l 3期 2 0 1 4年7月 1 0日 电测与仪表 El e c t r i e a l Me a s ur e me n t I n s t r u me n t a t i o n V0 I 5 1 NO 1 3 J u 1 1 3。 2 0 1 4 2 2 前导序列的区别 G 3一P L C标准中的前导序列( P r e a m b l e ) 主要被用 作 O F D M系统的帧同步、 符号定时同步、 频偏估计、 信 道估计等 。同步是利用前导 良好 的 自相关特性 。 G 3一 P L C中， P符号的自相关特性如图3所示。 1 0 O 0 0 - 0 一 图3 G 3一P L C标准中前导的 自相 关值 F i g 3 Au t o c o r r e l a t i o n v a l u e o f p r e a mb l e i n G3 P L C P符号是将 2 5 6个相位转换到频域中 ， 再做反傅 里叶变换 ( I F F rr ) 运算 ， 取其复数 的实部 ， 得到 的 2 5 6 个数值组成的。这 2 5 6个相位 中的 3 6个相位是有用 相位， 其余的2 2 0 个相位为0 ， 这 3 6 个相位是从第 2 4 到 5 9的位置上 ， 这 由 O F D M 的发射频段计算而 出。 根据协议 ， M符号和 P符号形成的相位相差 1 8 0 。 ， 所 以 M符号只需要 给得到的 P符号乘 以 一1即可 得 到 ， 且 P符号和 M符号都有 2 5 6个数据 。所 用的 3 6 个子载波的相位按照表 2中的参数设置。 如图 4所示 ， G 3一P L C标准前 导是 由 8个 P符 号 ， 即图中的 S Y N C P， 1 个 M符号和半个 M符号组成 的。半个 M符号是 M符号的前 1 2 8个数字组成的。 表 2 G 3一P L C子载波相位表 Ta b 2 Su b e a r r i e r p h a s e o f G3一PL C 图4 G 3一P L C标准中前导符号的结构 F i g 4 P r e a mb l e s t r u c t u r e o f G3一PL C 1 2 1 0 8 O 6 O 4 0 2 O 一0 2 H IIl 枷 一3 0 0 2 0 01 o 0 0 1 O 0 2 0 o 30 0 图5 P R I ME标准 中前导的 自相关值 Fi g 5 Au t o c o r r e l a t i o n v a l u e o f p r e a mb l e i n PRI ME P R I ME 中前 导 主 要 用 来 做 P P D U 的 同 步 。 P R I ME的前导具有 良好 的自相关性 ， 如图 5所示 。 为了提供一个能量较大的同步训练序列， P R I ME 标准采用一个线性调频信号来代替 O F D M符号， 并 且该信号还可以采用选择传输频段 的方法对抗频率 的选择性衰落和窄带干扰。其前导表达式为： S c H ( t )=A r e c t ( t T ) C O S 2 r r ( f o t +1 2 t x t ) T=2 0 4 8 IX S ， f o=4 1 9 9 2 Hz =8 8 8 6 7 H z ， = ( 一 f o ) T 2 3功率谱 密度 的 区别 相对于 G 3P L C而言， P R I ME的 O F D M符号的 子载波数要多很多 ， 这样每个子 载波功率谱密度 主 瓣和旁瓣更窄 ， 也就是它们下降的陡度增加 ， 所 以其 功率谱密度的下降速度会更快。因此， G 3一 P L C标 准对 O F D M符 号采用加 窗处理 ， 以此加快带外辐射 功率的衰减。而 P R I ME标准则无需此操作。图 6和 图 7分别为 G 3一P L C标准和 P R I ME标准 O F D M符 一 1 一l 频率 k H z 图 6 G 3一 P L C功率谱密度 F i g 6 P o w e r s p e c t r u m d e n s i t y( P S D)o f G 3一P L C 3 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 1卷第 1 3期 2 0 1 4年7月 1 0日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e as u r e m e n t& I n s t r u me n t at i o n VO 1 5 1 NO 1 3 J u 1 1 3， 2 0 1 4 里 图 7 P R I M E功 率谱 密度 F i g 7 P o w e r s p e c t r u m d e n s i t y( P S D)o f P R I ME 号的功率谱 密度。可 以发现 ， G 3一P L C标准经过加 窗后的 O F D M符号的功率谱密度 的带外衰减速度跟 P R I M E标准的 O F D M符号相当。 3 G 3一P L C和 P R I M E标准的性能对比 下面就 G 3一P L C标 准和 P R I ME标准 的系统在 传输速率和系统误码率两方面进行分析比较。 3 1 传输 速 率对 比 根据标准中物理层规范 ， 在不 同的调制模式下 ， 其支持的最大理论数据传输速率 ， 如表 3所示 。 表 3 G 3一 P L C和 P R I ME标准理论速率 Ta b 3 Th e o r e t i c a l r a t e o f G3一PL C a n d PRI ME 从表中可 以看 出 ， P R I ME标准物理层 的速率要 比 G 3一P L C的高很多。 3 2 误码率对比 在 Ma t l a b环境下对 G 3一P L C标准和 P R I M E标 准系统的误码率进行仿真 。如图 8 所示 。 仿真的信道环境选用高斯 白噪声 A WA G N信道 。 其 中， P R I ME标准系统选择 D B P S K调制 模式 ， 使用 编码速率为 1 2卷积编码器进行编码。G 3一P L C标 准系统选择 D B P S K调制模式 ， 使 用校验字节数为 8 的 R S编码器 ， 联合编码速率为 1 2卷积编码器进 行编码 ， 再 经过重复编码器编码 。从 图中可 以看出 在同一信道环境下 ， 当信 噪比相同时， G 3一P L C标准 40 图 8 G 3一P L C和 P R I ME标 准误 码 率对 比 Fi g 8 Co mpa r i s o n o f BER b e t we e n G3 P LC a n d PRI ME 系统误码率要 比 P R I ME标 准系统低 。这是 由于 G 3 一 P L C标 准采用 了较为复杂 的 Rs编码器和卷积 编码联合编码的模式 ， 同时考虑 了鲁棒模式 ， 采用了 重复编码进一步提高了系统的抗干扰能力。 4实际产品性能测试对比 4 1 测试 环境 首先 ， 用隔离 电源 ( 低通滤波器 ) 将 待测试产品 和市 电隔离 ， 形成一个 干净稳定 的测试 环境 ； 然后 ， 在隔离电源输 出端分别 串接 P L C产品主节点和服务 节点 。测试环境示意图如图 9所示 。 图 9 P L C测 试环 境 示意 图 F i g 9 Di a g r a m o f PL C t e s t e n v i r o n me n t 4 2测 试 方 法 及 测 试 结 果 通过调节 P L C产 品两个节 点之 间 电力 线 的距 离 ， 测量 其 通 信 性 能 和距 离 的关 系 ， 即抗 衰减 能 力 。如表 4、 表 5所示 ， 在 P L C产 品两个节点之间 增加干扰 ， 并调节干扰强度 ， 测试其抗干扰能力。 从两组表格 的测试结 果对 比看 出， 它们都 是随 着电力线距离 的增加或 电力线 干扰的增强 ， 其通 信 性能有所下降。相同干扰 时， 若增加 电力线距离 ， 二 者都能通信成功 ， 说 明二者都有一定 的对抗 电力线 信号衰减的能力。相同距离时 ， 若增加 电力线干扰 ， P R I ME标准产品通信成功率 为 0 ， 而 G 3一P L C标 准产品通信成功率为 1 0 0 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 l卷第 1 3期 2 0 1 4年7月 1 0日 电测与仪表 El e c t r i c al M e a s ur e m e n t I n s t r u me n t at i o n V0 1 51 No 1 3 J u i 1 3 。 2 0 1 4 表 5 P R I ME标准产品测试结果 Ta b 5 Te s t r e s u l t o f PLC p r o d u c t o f PRI ME 5结束语 G 3一 P L C标 准和 P R I ME标 准是 目前 国际上较 有影响且使用较多的两个基 于 O F D M 的 P L C标准 ， 从前述的比较可知 ， P R I ME标准 的数据传输速率更 高 ， 结构相对简单 ， 比较容易实现 ， 但抗干扰性稍差 ； G 3一P L C标准的抗干扰性要好很多 ， 但 速率相对 较 低 ， 结构复杂， 不便于硬件的实现。 参 考 文 献 1 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 0 ( 5 ) ： 6 8 7 1 HE Zh il i a n g，Z HANG Ra n，T AO We iq i n g De v e lo p me n t S t a t e o f H i g h S p e e d N a o w b a n d P o w e r L i n e c 0 m m u 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 t a t i o n ， 2 0 1 3， 5 0 ( 5 ) ： 6 87 1 2 朱满军， 王斌， 陶维青， 汪丽丽欧洲电力线智能计量发展标准 简介 J 电测与仪表 ， 2 0 1 1 ， 4 8 ( 8 ) ： 2 22 5 Z H U M a n j u n ， WA N G B i n ， T A O We i q i n g ， WA NG L i l i T h e I n - t r o d u c t i o n o f P o w e r一L i n e I n t e l l i g e n t M e t e r i n g E v mi o n S t a n d a r d J E l e c t r i c a l Me a s u r e m e n t I n s t rum e n ta t i o n ， 2 0 1 1 ， 4 8 ( 8 ) ： 2 2 2 5 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 1 ， 4 8 ( 7 ) ： 2 O 一2 3 L I F e n g，T I AN Ha it i n g，WANG S it o n g，e l a 1 F i e l d Me a s u r e - me n t a n d An a l y s i s o f t h e I mp e d a n c e a n d At t e n u a t i o n Ch a r a c t e r i s t i c s o f t h e L o w v o h a g e P o w e r L i n e Na 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 fi 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 ， 2 0 1 1 ， 4 8 ( 7 ) ： 2 02 3 4P L C G 3 OF D M P r o i e e t P L C G 3 P h y s i c al L a y e r S p e c i fi c a t i o n Z 5 P R I ME A l l i a n c e T e c h n i c al Wo r k i n g G r o u p D r a f t S p e c ifi c a t i o n f o r P o w e r l i n e I n t e l l i g e n t Me t e r i n g E v o l u t i o n R e v i s i o n 1 3 6 z 6 陶维青 ，余根 ， 刘 明武 ，等 窄带 G 3一P L C技 术及其在 A MI 中 应用探讨 J 通信技术 ， 2 0 1 2 ， 4 5 ( 1 O) 7 M日 n i n H o c h ， C o m p a r i s o n ofP L C G 3 a n d P R I M E， 2 0 1 1 I E E E I n t e rna t i o n al S y m p o s i u m o n P o w e r L i n e C o rr a n u n i c a t i o n s a n d I t s A p p l i c a t i o n s Z 作者简介 ： 尹建 丰( 1 9 6 4一 ) ， 男 ， 高 级工程 师 ， 从事 电 能计量 与电力通信技术方面 的研究 。 E m a i l ： y i n j i a n f e n g l i n y a n g c o m c n 丁文伯( 1 9 9 0)， 男 ， 博士研究生 ， 研究方 向： 电力线通信关 键技术及 其应 用。 魏华义( 1 9 8 7) ， 男 ， 助理工程师， 从事电力通信技术方面的研究及 软件开发。E ma i l ： w e i h u a y i l i n y a n g c o ln c n 朱德省( 1 9 6 3 ) ， 男 ， 博 士， 从事 电能表及系统的研发工作 。 Ema i l ： z h u d e s h e n g l i n y a n c o n c n 蔡宇( 1 9 8 9一) ， 女， 博士研究生， 研究方向： 智能电网运行与优化， 电 压稳定控制 。 高镇( 1 9 8 9 一) ， 男， 博士研究生， 研究方向： 无线通信中的定时同步 ， 信道估计。 收稿 日期 ： 2 0 1 31 O一3 1 ； 修 回日期 ： 2 0 1 31 21 8 ( 王克祥田春雨编发 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m