引言：電力線載波（PLC）通信與無(wú)線通信都是配電通信網(wǎng)中的重要通信手段，PLC受線路負(fù)載和干擾影響，無(wú)線通信易受地域、氣候環(huán)境影響，目前這2種通信方式均未能形成有機(jī)整體。為此，本文研究了融合電力線與無(wú)線通信技術(shù)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，提出了PLC與無(wú)線通信中的物理層頻譜檢測(cè)、信道均衡優(yōu)化方案，探索了獨(dú)立MAC層與統(tǒng)一MAC層的融合通信方案，并設(shè)計(jì)了在不同應(yīng)用場(chǎng)景下的組網(wǎng)方案，可以有效提升通信整體性能，為智能配電網(wǎng)提供低成本、可靠、靈活接入的信息傳輸手段。

PLC與無(wú)線通信物理層技術(shù)分析與融合方式研究

PLC以電力線為媒介，無(wú)線通信通過(guò)電磁波進(jìn)行信號(hào)傳輸，這2種通信方式的物理層技術(shù)包括信號(hào)耦合、模擬前端、調(diào)制解調(diào)等。目前調(diào)制解調(diào)方式大多采用OFDM技術(shù)，由于信道媒介不同，信號(hào)頻率差異大，PLC與無(wú)線通信在物理層實(shí)現(xiàn)深度融合的難度極大，甚至并無(wú)必要。但考慮到PLC與無(wú)線通信的MAC層在路由接力、協(xié)議處理等方面都采用OFDM調(diào)制方式，本文在OFDM頻譜檢測(cè)、信道均衡的算法方面進(jìn)行融合，以期為MAC層的良好融合創(chuàng)造有利條件。

基于OFDM的調(diào)制解調(diào)技術(shù)

OFDM的基本原理是將高速信息數(shù)據(jù)編碼后分配到N個(gè)并行的、相互正交的子載波上，每個(gè)載波上的調(diào)制速率很低，調(diào)制符號(hào)的持續(xù)間隔遠(yuǎn)大于信道的時(shí)間擴(kuò)散，從而能夠在具有較大失真和突發(fā)性脈沖干擾環(huán)境下為傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)提供有效保護(hù)。OFDM關(guān)鍵技術(shù)包括基于OFDM技術(shù)的信道編（解）碼、信道交織（解交織）、串并（并串）轉(zhuǎn)換、數(shù)字調(diào)制（解調(diào)）、信號(hào)的IDFT（DFT）變換、循環(huán)保護(hù)間隔、信號(hào)同步、信道估計(jì)等，其中信道均衡采用Turbo碼均衡方式。

結(jié)合能量與協(xié)方差的PLC與無(wú)線頻譜檢測(cè)

在PLC與無(wú)線通信方式中都存在信號(hào)沖突的可能，解決信號(hào)沖突的能量檢測(cè)算法雖然實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但檢測(cè)性能受噪聲的影響較大，而協(xié)方差算法在低信噪比環(huán)境下具有較好的檢測(cè)性能，但計(jì)算量非常大，為此本文設(shè)計(jì)了一種將兩者相結(jié)合的兩步檢測(cè)算法，從而使其具有更準(zhǔn)確的頻譜感知能力。在兩步檢測(cè)算法流程中，針對(duì)能量檢測(cè)在低信噪比下的缺陷，在未檢測(cè)到頻段被占用時(shí)，進(jìn)入?yún)f(xié)方差檢測(cè)，減小漏檢概率，提高檢測(cè)概率，從而方便了PLC與無(wú)線通信中的子載波優(yōu)化。

基于Turbo碼均衡的PLC與無(wú)線信道均衡

由于PLC與無(wú)線通信的傳輸信道環(huán)境較差，多徑效應(yīng)引起的碼間干擾比較嚴(yán)重，在帶限信道上傳輸數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)因?yàn)樾诺阑儺a(chǎn)生符號(hào)間干擾（ISI），使得信號(hào)不同程度地失真。如果不對(duì)符號(hào)間干擾采取適當(dāng)措施，接收端就會(huì)有很高的誤碼率，信道均衡技術(shù)則可以抑制這種干擾。

PLC與無(wú)線在MAC層的融合研究

獨(dú)立MAC層的融合方案

獨(dú)立MAC層的電力線載波與無(wú)線融合方案主要實(shí)現(xiàn)了PLC與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)層的融合，PLC與無(wú)線MAC層的硬件簡(jiǎn)單集成，協(xié)議獨(dú)立；網(wǎng)絡(luò)層共用核心處理器MCU，基于協(xié)議轉(zhuǎn)換與混合自組網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行融合，對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行一定的資源管理與調(diào)度，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。獨(dú)立MAC層的PLC與無(wú)線方式的融合邏輯結(jié)構(gòu)如下圖所示。

統(tǒng)一MAC層的融合方案

統(tǒng)一MAC層的融合方案特點(diǎn)是PLC與無(wú)線MAC層采用統(tǒng)一的通信機(jī)制，如CSMA/CA、ARQ等。無(wú)線及PLC傳輸信號(hào)首先需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)頻譜檢測(cè)，檢測(cè)方法分別采用協(xié)方差檢測(cè)和能量檢測(cè)方式，檢測(cè)后的信號(hào)通過(guò)Turbo碼進(jìn)行糾錯(cuò)編碼，可以有效減少碼間干擾，然后將2種方式的MAC層進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)多模式的聯(lián)合信道評(píng)估，并對(duì)2種信道進(jìn)行比較，從而建立統(tǒng)一的MAC層架構(gòu)。對(duì)融合后的信道進(jìn)行動(dòng)態(tài)路由中繼，中繼方法選用蟻群遺傳混合算法，并對(duì)雙信道兼容協(xié)議進(jìn)行研究，此外還需研究兼容的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，并在傳輸過(guò)程中保證QoS。這樣，就形成了PLC與無(wú)線的統(tǒng)一評(píng)估體系，實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一MAC層的融合。PLC與無(wú)線方式統(tǒng)一MAC層的融合邏輯結(jié)構(gòu)如下圖所示。

PLC與無(wú)線融合組網(wǎng)方案設(shè)計(jì)

PLC與無(wú)線方式互備份的通信組網(wǎng)方案

針對(duì)智能配電網(wǎng)A+、A類(lèi)等對(duì)通信可靠性要求較高的區(qū)域，設(shè)計(jì)了PLC與無(wú)線方式互備份的通信組網(wǎng)方案。通過(guò)各通信信道的QoS保障機(jī)制與握手機(jī)制動(dòng)態(tài)選擇主信道與備信道，通信過(guò)程中主備用信道同時(shí)工作，但數(shù)據(jù)收發(fā)采用主用信道，備用信道數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在緩沖區(qū)。一旦主用信道丟包則采用備用信道數(shù)據(jù)，連續(xù)累計(jì)丟包3次后進(jìn)行主備信道切換。PLC與無(wú)線互備份通信組網(wǎng)方案如下圖所示。

PLC與無(wú)線級(jí)聯(lián)通信組網(wǎng)方案

針對(duì)智能配電網(wǎng)B、C類(lèi)等覆蓋區(qū)域較大、站點(diǎn)距離較遠(yuǎn)的區(qū)域，設(shè)計(jì)了PLC與無(wú)線融合終端級(jí)聯(lián)通信組網(wǎng)方案。該方案包括無(wú)線級(jí)聯(lián)PLC和PLC級(jí)聯(lián)無(wú)線2種方式：無(wú)線級(jí)聯(lián)PLC主要針對(duì)寬帶無(wú)線（LTE、McWiLL等）難以覆蓋的站點(diǎn)采用PLC補(bǔ)充覆蓋；PLC級(jí)聯(lián)無(wú)線主要針對(duì)PLC難以覆蓋的站點(diǎn)采用短距離無(wú)線（ZigBee、Wi-Fi等）補(bǔ)充覆蓋。PLC與無(wú)線級(jí)聯(lián)通信組網(wǎng)方案如下圖所示。

5結(jié)語(yǔ)

在智能配電網(wǎng)建設(shè)中，成本低、可靠性高、接入靈活的信息傳輸手段是關(guān)鍵。PLC與無(wú)線通信在配電自動(dòng)化、遠(yuǎn)程抄表等領(lǐng)域都有大量的應(yīng)用，但在工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)只應(yīng)用PLC或無(wú)線通信方式都存在難以克服的缺陷，電力線載波的性能受線路負(fù)載和干擾影響大，而無(wú)線通信則受地域、氣候環(huán)境影響，這2種通信方式未能形成有機(jī)整體。本文研究了融合電力線與無(wú)線通信技術(shù)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，提出了PLC與無(wú)線通信方式的物理層頻譜檢測(cè)、信道均衡優(yōu)化方案，探索了獨(dú)立MAC層與統(tǒng)一MAC層的融合通信方案，并設(shè)計(jì)了在不同應(yīng)用場(chǎng)景下的通信組網(wǎng)方案，可以有效提高接入網(wǎng)的通信性能，可為智能配電網(wǎng)建設(shè)提供一種有競(jìng)爭(zhēng)力的信息傳輸手段。

作者介紹

劉柱（1983–），男，湖北仙桃人，高級(jí)工程師，從事電力信息通信技術(shù)研究工作；

歐清海（1971–），男，四川廣安人，高級(jí)工程師，從事電力信息通信技術(shù)研究工作。

原標(biāo)題:【好文快報(bào)】劉柱，歐清海. 面向智能配電網(wǎng)的電力線與無(wú)線融合通信研究