胡正偉,謝榮圓,謝志遠
(華北電力大學(xué) 電子與通信工程系,河北 保定 071003)
電力線通信 PLC(Power Line Communication)技術(shù)是智能電網(wǎng)和室內(nèi)寬帶接入所采用的重要的通信方式之一。經(jīng)過國內(nèi)外相關(guān)研究機構(gòu)和學(xué)者的研究,電力線通信技術(shù)取得了快速的發(fā)展[1-3]。但由于電力線信道受到噪聲干擾、阻抗匹配、信號衰減、負載多樣性且具有時變性等因素的影響,再加上電力線通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,導(dǎo)致了電力線通信可靠性問題一直未能得到很好的解決,在一定程度上制約了電力線通信技術(shù)的應(yīng)用。此外,隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,配電網(wǎng)通信業(yè)務(wù)大量涌入,對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的可靠性和有效性等指標提出了更高的要求。因此,研究基于電力線通信技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的有效傳輸具有重要的實用價值。
數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸蕾囉谛诺罓顟B(tài),目前研究者針對電力線信道特性的研究主要集中在信道的衰減、阻抗等物理特性[4-11]及噪聲[12-16]等,這些物理參數(shù)雖然能反映電力線信道的狀態(tài),但無法與基于服務(wù)質(zhì)量QoS(Quality of Service)參數(shù)的業(yè)務(wù)傳輸指標需求之間建立直觀的聯(lián)系。
為了解決上述物理參數(shù)表示信道狀態(tài)存在的問題,本文提出了基于QoS參數(shù)的電力線信道狀態(tài)映射方法。本文方法具有以下優(yōu)點:可以將映射得到的電力線信道的QoS參數(shù)與業(yè)務(wù)的QoS參數(shù)進行比較,從而驗證當前電力線信道狀態(tài)是否具備相關(guān)業(yè)務(wù)的傳輸能力;中繼技術(shù)已被廣泛認為可有效提高電力線通信的可靠性及通信距離,本文方法可以有效支持以QoS參數(shù)為約束條件的路由搜索算法,為在網(wǎng)絡(luò)層開展電力線通信的組網(wǎng)研究提供了一定的參考。
本文根據(jù)已有文獻對電力線信道的物理參數(shù)的研究,對信道的誤碼率、信道容量、時延及時延抖動等QoS參數(shù)進行了分析,確定了各QoS參數(shù)的取值或概率分布。在此基礎(chǔ)上,通過合理地設(shè)置工作頻帶、衰減因子、背景噪聲、發(fā)送功率等條件,基于OPNET建立了包含誤碼率、信道容量、時延及時延抖動4個QoS參數(shù)的電力線信道狀態(tài)模型,并進行了相關(guān)仿真分析,驗證了本文方法的可行性和有效性。
電力線信道的信號衰減由耦合衰減和線路衰減兩部分組成,理論上可以將耦合器內(nèi)阻做得相當小,因此可認為電力線信道的衰減主要取決于線路衰減。
假設(shè)發(fā)送節(jié)點的功率為PT(單位:dB),接收節(jié)點的功率為 PR(單位:dB),距離衰減因子為 PL(單位:dB/km)。接收功率PR與傳輸距離d的關(guān)系可表示為:
式(1)中的各功率轉(zhuǎn)換至以W為單位時有:
其中,PdB和PW分別為以dB和W為單位的功率。
若使用功率單位W,則接收功率和發(fā)送功率的關(guān)系為:
本文引用文獻[17]給出的幅度衰落模型。
頻率選擇性衰落和信號的相干帶寬有關(guān),如果相干帶寬大于信號帶寬,則信道呈現(xiàn)頻率平坦衰落,否則呈現(xiàn)選擇性衰落。當電力線網(wǎng)絡(luò)拓撲分支數(shù)量較少時,有較大的相干帶寬[18-19],此時可假設(shè)信號帶寬小于相干帶寬,即假設(shè)信道為平坦衰落信道。
文獻[17]提出,如果發(fā)送節(jié)點到目的節(jié)點有N跳,其衰落幅度為 h1、h2、…、hN,當每跳的通信頻率不同時,每跳幅度衰落都是獨立同分布的,且服從lognormal分布,第 i(i=1,2,…,N)跳的衰落幅度 hi滿足的概率密度函數(shù)表達式為:
hi的 m 階矩表示為 E=exp當=1 時,有 μh=-
因為每跳幅度衰落之間滿足獨立同分布,所以當發(fā)送節(jié)點和目的節(jié)點的跳數(shù)N=1時,式(3)可簡化為:
電力線信道噪聲主要由背景噪聲和脈沖噪聲造成,且脈沖噪聲和背景噪聲隨時間變化是相互獨立的[20]。為了研究噪聲在電力線通信系統(tǒng)中的影響,本文參考文獻[21]給出的包含背景噪聲和Bernoulli-Gaussian脈沖噪聲的統(tǒng)計模型。假設(shè)N跳節(jié)點中第i跳的總噪聲采樣值為zi,則有:
其中,zA,i和 zI,i分別為具有均值為 0 的背景噪聲(加性高斯白噪聲(AWGN))采樣值和脈沖沖擊噪聲采樣值,方差分別為為具有參數(shù) p 的Bernoulli隨機序列,且 p 與 zA,i和zI,i相互獨立。
每跳的噪聲采樣值是獨立同分布的隨機變量,第i跳噪聲采樣值的概率密度函數(shù)可表示為:
其中
如果每個節(jié)點傳輸信號的頻率不同,并且節(jié)點間滿足一定距離,則可以認為各跳噪聲之間滿足獨立同分布。假設(shè)N0為整個鏈路的平均噪聲功率,N0,i為第i跳的噪聲平均功率,則有:
其中式(7)的推導(dǎo)采用 Bernoulli隨機分布特性,即 E(X2)=02×(1-p)+12×p=p。
由式(7)可知,任意跳的噪聲平均功率與源節(jié)點和目的節(jié)點間的跳數(shù)無關(guān),當源節(jié)點到目的節(jié)點為單跳時的噪聲平均功率也為N0。
假設(shè)第i跳的瞬時信噪比為γi,則:
其中,PR,i為第i跳接收節(jié)點的功率。
當發(fā)送節(jié)點到目的節(jié)點為單跳時,式(8)可簡寫為:
由文獻[17]可知,衰落幅度hi服從 log-normal分布,則信噪比γi服從log-normal分布:
單跳時,信噪比的概率分布函數(shù)表達式為:
QoS是衡量一個通信網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)傳輸能力優(yōu)劣的標準之一。QoS指標包括:時延、時延抖動、丟包率、帶寬、吞吐率等。與專用通信網(wǎng)絡(luò)相比,電力線信道的時變特性更增加了保證業(yè)務(wù)QoS的難度。
圖1為本文提出的電力線通信信道狀態(tài)的QoS參數(shù)模型示意圖,該模型包含誤碼率、信道容量、時延和時延抖動4個QoS參數(shù)。
圖1 基于QoS參數(shù)的電力線信道狀態(tài)模型Fig.1 PLC channel status model based on QoS parameters
誤碼率是衡量數(shù)據(jù)在規(guī)定時間內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸精確性的指標。決定誤碼率的因素包括信道的衰減特性、衰落特性、噪聲以及調(diào)制解調(diào)方式。本文將電力線通信信道的衰減、幅度衰落、噪聲干擾、調(diào)制解調(diào)方式等因素通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)等效為電力線通信信道的誤碼率。
根據(jù)1.4節(jié)所得瞬時信噪比的概率密度函數(shù)可得到不同調(diào)制方式下的誤碼率,當以二進制進行編碼時,誤比特率Pe即為誤碼率[22]。當存在多跳情況時,Pi,e表示第 i跳的誤碼率。
a.當調(diào)制方式為移頻鍵控(FSK),且采用相干解調(diào)方式時,有:
根據(jù)文獻[23]給出的誤差函數(shù)的近似表達式:
可知互補誤差函數(shù) erfc(x)=1-erf(x)。
將近似表達式和互補誤差函數(shù)代入式(12),得調(diào)制方式為FSK時誤碼率的近似表達式為:
b.當調(diào)制方式為二進制相移鍵控(BPSK)時,誤碼率的表達式和近似表達式分別如式(15)、(16)所示。
c.當調(diào)制方式為正交相移鍵控(QPSK)時,誤碼率的表達式和近似表達式分別如式(17)、(18)所示。
信道容量即理論最大傳輸速率。單跳時,根據(jù)香農(nóng)公式,得信道容量C=Bln(1+γ),其中B為物理帶寬。因此可根據(jù)信噪比γ的概率分布函數(shù)式(11)求出信道容量C的概率分布特性。
通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包時延主要包括傳輸時延、傳播時延和隊列時延3個部分。傳輸時延與包長度和傳輸速率有關(guān);傳播時延與介質(zhì)和傳輸距離有關(guān);隊列時延與隊列類型、容量、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)有關(guān),在反映信道的物理狀態(tài)時,可不考慮隊列時延。
定義τ(t)、τT(t)、τP(t)分別為數(shù)據(jù)包總時延、傳輸時延和傳播時延,則有:
(1)傳輸時延τT(t)。
傳輸時延由包長度和信道傳輸速率決定。定義Spacket為包長度,C(t)為傳輸速率,則發(fā)送時延τT(t)=電力線信道特性決定了傳輸速率C(t)具有時變性,在Spacket一定的情況下,發(fā)送時延完全依賴于傳輸速率 C(t)。單跳時,若 C(t)取香農(nóng)定理的極限值,即 C(t)=Bln(1+γ),則τT(t)=
(2)傳播時延τP(t)。
傳播時延取決于電信號的傳播速率與傳輸距離。電信號的傳播速率為:
其中,c0為光速;εr、μr分別為導(dǎo)線的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。
傳輸距離為d時,傳播時延可表示為:
時延抖動即時延的變化,在電力線信道中,介質(zhì)和通信節(jié)點固定,在包長度相等的情況下,時延抖動與傳輸速率有關(guān)。
若定義 Δτ(t)為時延抖動,則 Δτi,i-1(t)=τi(t)-τi-1(t),其中τi(t)和τi-1(t)分別表示第 i個數(shù)據(jù)包的總時延。
為了驗證本文所提方法的可行性和有效性,建立了具備特定電力線通信信道狀態(tài)的P2P電力線通信系統(tǒng),并分析了相關(guān)QoS參數(shù)。圖2為本文建立的P2P電力線通信系統(tǒng)示意圖,系統(tǒng)中包含主節(jié)點和從節(jié)點2個節(jié)點,這2個節(jié)點都具備接收和發(fā)送功能。
圖2 P2P電力線通信系統(tǒng)Fig.2 P2P PLC system
數(shù)據(jù)傳輸由主節(jié)點發(fā)起,主節(jié)點經(jīng)電力線信道向從節(jié)點發(fā)送一個命令數(shù)據(jù)包,當收到從節(jié)點返回的數(shù)據(jù)包后,主節(jié)點開始發(fā)送下一個數(shù)據(jù)包。如果主節(jié)點發(fā)送一個數(shù)據(jù)包后,在規(guī)定的時間間隔內(nèi)未收到從節(jié)點返回的數(shù)據(jù)包,則認為本次通信失敗,主節(jié)點重新發(fā)送該傳輸失敗的數(shù)據(jù)包,直到發(fā)送成功后,才開始發(fā)送下一個數(shù)據(jù)包,即采用自動重傳機制。
在沒有收到主節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包時,從節(jié)點處于空閑狀態(tài)。當從節(jié)點接收到主節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)包后,立即向主節(jié)點返回一個數(shù)據(jù)包。
為了模擬實際的電力線信道狀態(tài),需要設(shè)置合理的相關(guān)物理參數(shù)。
(1)工作頻帶。
根據(jù)文獻[18],在 30kHz~100MHz帶寬室內(nèi)電力線通信信道中,相干系數(shù)為0.9時90%的測試信道的相干帶寬的取值范圍為[65.5,691.5]kHz,相干帶寬的最小值為32.5 kHz。因此本文選擇的物理帶寬為25 kHz。當實際通信的物理帶寬超過25 kHz時,可以將整個頻帶以25kHz進行劃分,采用正交頻分復(fù)用(OFDM)實現(xiàn)多載波通信。由于OFDM的每個載波頻率不同,每個載波的幅度衰落也服從log-normal分布[21]。本文選擇的電力線的頻率范圍為70~95 kHz。
(2)衰減因子。
電力線信道中信號隨距離衰減的取值一般在[40,100]dB/km[17,24-25]范圍內(nèi)。 為了驗證本文方法在不同衰減因子下的特性,選取距離衰減因子PL,best=40 dB/km 和 PL,worst=100 dB /km 作為仿真條件。
(3)噪聲功率。
為了確定噪聲的功率,需要確定3個參數(shù)和η。文獻[25]給出了計算電力線AWGN的公式:
其中,f為頻率。
在頻帶70~95 kHz范圍內(nèi)的AWGN可以近似計算[25]為:
選擇不同的參數(shù)p和η,可以表示不同發(fā)生概率和不同幅度的脈沖噪聲。考慮信道中存在嚴重的脈沖噪聲時,根據(jù)文獻[17],參數(shù) p 設(shè)置為 3.27×10-3,參數(shù)η設(shè)置為10。將參數(shù)p、η和代入式(7)可求得:N0,best=4.23×10-14W,N0,worst=4.03×10-11W。
(4)信噪比分布函數(shù)。
根據(jù)文獻[17]將參數(shù) σh設(shè)置為 0.69,則 μh=
根據(jù)式(11)可得:
其中,PR可由式(2)求得,故信噪比γ的分布函數(shù)可求得。
(5)其他參數(shù)。
在圖2中的電力線通信系統(tǒng)模型中,除了需要確定上述電力線信道特性參數(shù)外,還需要設(shè)置的參數(shù)如表1所示。
表1 其他參數(shù)設(shè)置Table 1 Setting of other parameters
相干帶寬、噪聲功率、衰減因子等參數(shù)的設(shè)置可能會導(dǎo)致仿真結(jié)果存在偏差,考慮到電力線信道由于受很多因素的影響而具有一定的不確定性,這些偏差的存在在一定范圍內(nèi)是允許的。
根據(jù)第3節(jié)的分析,為了對比不同衰減特性和噪聲功率對QoS參數(shù)的影響,設(shè)置了如表2所示的4種衰減參數(shù)和噪聲功率參數(shù)作為仿真條件。分析比較C1與C2、C3與C4的結(jié)果可以得到衰減參數(shù)對相關(guān)QoS參數(shù)的影響,分析比較C1與C3、C2與C4的結(jié)果可以得到噪聲功率對相關(guān)QoS參數(shù)的影響。
(1)誤碼率。
表3為不同仿真條件及不同調(diào)制方式下誤碼率的統(tǒng)計特性。由表3可見,在相同的信道狀態(tài)下,BPSK的誤碼率最小,QPSK的誤碼率最高。C1條件下,采用BPSK、FSK和QPSK調(diào)制方式時,90%的電力線信道的誤碼率分別不超過 8.0×10-15、6.3×10-8和 1.3×10-7。
表3 誤碼率統(tǒng)計數(shù)據(jù)Table 3 Statistic data of BER
(2)信道容量。
在仿真條件C1—C4中,上行信道和下行信道設(shè)置為相同的狀態(tài),因此每個仿真條件的上行信道和下行信道具有相同的信道容量。表4為不同仿真條件下的信道容量的統(tǒng)計特性,圖3為信道容量的概率密度。由表4和圖3可以發(fā)現(xiàn),較好的信道狀態(tài)具有較大的信道容量且信道容量的分布范圍較小。當業(yè)務(wù)的QoS指標參數(shù)可以用一段時間來衡量時,可以使用與信道容量的平均值進行比較。
表4 信道容量統(tǒng)計數(shù)據(jù)Table 4 Statistic data of channel capacity
圖3 信道容量的概率密度Fig.3 Probability density of channel capacity
(3)時延。
時延的數(shù)值取決于信道容量和數(shù)據(jù)包的長度。由于主節(jié)點和從節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包的長度不同,時延的分析需考慮數(shù)據(jù)包的傳輸方向。表5為時延參數(shù)的統(tǒng)計數(shù)據(jù),圖4為主節(jié)點到從節(jié)點和從節(jié)點到主節(jié)點的時延參數(shù)的概率密度。由仿真數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),信道狀態(tài)較好時,時延較小并且時延分布的范圍較小。
表5 時延統(tǒng)計數(shù)據(jù)Table 5 Statistic data of time delay
(4)時延抖動。
時延抖動取決于時延,因此同樣需考慮數(shù)據(jù)包的傳輸方向。表6為時延參數(shù)的統(tǒng)計數(shù)據(jù),圖5為主節(jié)點到從節(jié)點、從節(jié)點到主節(jié)點的時延參數(shù)的概率密度。由仿真數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),信道條件較好時,時延抖動的分布范圍相對較小。
圖4 時延的概率密度Fig.4 Probability density of time delay
表6 時延抖動統(tǒng)計數(shù)據(jù)Table 6 Statistic data of delay jitter
圖5 時延的概率密度Fig.5 Probability density of delay jitter
通過對具備特定電力線信道狀態(tài)的P2P電力線通信系統(tǒng)模型的仿真分析,說明了本文所提方法可以將不同電力線信道狀態(tài)映射為與業(yè)務(wù)傳輸相關(guān)的QoS參數(shù),驗證了本文方法的可行性和有效性。本文為研究基于電力線通信技術(shù)現(xiàn)實業(yè)務(wù)傳輸提供了一種參考方法,同時,為進一步在網(wǎng)絡(luò)層研究基于QoS參數(shù)的路由選擇機制研究提供了技術(shù)支持。
此外,本文研究主要存在以下不足:
(1)本文仿真實例中設(shè)定的電力線信道狀態(tài)只是依據(jù)已有參考文獻的相關(guān)統(tǒng)計結(jié)果,未能針對實際的電力線通信信道狀態(tài)進行在線測量;
(2)信道容量只考慮香農(nóng)定理的上限值,屬于理想的情況,實際的信道容量受多種條件的影響,如需考慮信道編碼和調(diào)制解調(diào)方式等;
(3)實際的數(shù)據(jù)包時延需要考慮隊列時延。針對以上不足,需進一步開展的工作包括:
(1)設(shè)計電力線通信硬件平臺,可以進行電力線信道狀態(tài)的實時測量,并且能夠映射為對應(yīng)的QoS參數(shù);
(2)在硬件平臺的基礎(chǔ)上,結(jié)合特定的配電網(wǎng)絡(luò),研究基于電力線通信實現(xiàn)具備QoS參數(shù)需求的業(yè)務(wù)傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)。
參考文獻:
[1]KHALILK,GAZALETM G,CORLAY P,etal.AnMIMO random channel generator for indoor power-line communication[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2014,29 (4):1561-1568.
[2]MATANZA J,ALEXANDRES S,RODRíGUEZ-MORCILLO C.Advanced metering infrastructure performance usingEuropean low-voltage power line communication networks[J].IET Communications,2014,8(7):1041-1047.
[3]ARTALE G,CATALIOTTI A,COSENTINO V,et al.Medium voltage smart grid:experimental analysis of secondary substation narrow band power line communication[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,2013,62(9):2391-2398.
[4]GUZELGOZ S,CELEBI H B,ARSLAN H.Statistical characterization of the paths in multipath PLC channels[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2011,26(1):181-187.
[5]GALLIS.A novelapproach to the statisticalmodeling of wireline channels[J].IEEE Transactions on Communications,2011,59(5):1332-1345.
[6]BARMADA S,MUSOLINO A,RAUGI M.Innovative model for time-varying power line communication channel response evaluation[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2006,24(7):1317-1326.
[7]黃文煥,戚佳金,黃南天,等.低壓電力線載波通信傳輸線參數(shù)測試與分析[J]. 電力自動化設(shè)備,2008,28(4):41-44.HUANG Wenhuan,QI Jiajin,HUANG Nantian,et al.Experiment and analysis of transmission line parameter for carrier wave communication over low-voltage power line[J].Electric Power Automation Equipment,2008,28(4):41-44.
[8]GALLI S,BANWELL T.A novel approach to accurate modeling of the indoor power line channel-part Ⅱ:transfer function and channel properties[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2005,20(3):1869-1878.
[9]SARTENAER T,DELOGNE P.Deterministic modeling of the(shielded) outdoor power line channel based on the multiconductor transmission line equations[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2006,24(7):1277-1291.
[10]AMIRSHAHI P,KAVEHRAD M.High-frequency characteristics of overhead multiconductor power line for broadband communications[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2006,24(7):1292-1303.
[11]ZIMMERMANN M,DOSTERT K.A multi-path signal propagation model for the power line channel in the high frequency range[C]∥Proceedings of 3rd International Symposium on Power Line Communications and Its Applications.Lancaster,UK:[s.n.],1999:45-51.
[12]LIU Siqian,GOU Bei,LI Hongxiang,et al.Power-line communication channel characteristics under transient model[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2014,29(4):1701-1707.
[13]RABIE K M,ALSUSA E.Effective noise cancellation using single-carrier FDMA transmission in power-line channels[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2014,29(5):2110-2117.
[14]GIANAROLI F,PANCALDI F,VITETTA G M.The impact of statisticalnoise modeling on the error-rate performance of OFDM power-line communications[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2014,29(6):2622-2630.
[15]MILIOUDIS A N,SYRANIDIS K N,ANDREOU G T,et al.Modeling of medium-voltage power-line communication systems noise levels[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2013,28(4):2004-2012.
[16]ALSUSA E,RABIE K M.Dynamic peak-based threshold estimation method for mitigating impulsive noise in power-line communication systems[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2013,28(4):2201-2208.
[17]ANKIT D,MALLIK R K,SCHOBER R.Performance analysis of a multi-hop power line communication system over log-normal fading in presence of impulsive noise[J].IET Communications,2015,9(1):1-9.
[18]TLICH M,ZEDDAM A,MOULIN F,etal.Indoorpower-line communications channel characterization up to 100 MHz-partⅡ:time-frequency analysis[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2008,23(3):1402-1409.
[19]ANTONIALI M,TONELLO A M,LENARDON M,et al.Measurements and analysis of PLC channels in a cruise ship[C]∥IEEE International Symposium on Power Line Communications and Its Applications.St Louis,Missouri,USA:IEEE,2011:102-107.
[20]GOTZ M,RAPP M,DOSTERT K.Power line channel characteristics and their effect on communication system design [J].IEEE Communications Magazine,2004,42(4):78-86.
[21]DUBEY A,MALLIK R K,SCHOBER R.Performance analysis ofa powerlinecommunication system employing selection combining in correlated log-normalchannelsand impulsive noise[J].IET Communications,2014,8(7):1072-1082.
[22]樊昌信,曹麗娜.通信原理[M].北京:國防工業(yè)出版社,2007.
[23]VEDDER J D,何克明.誤差函數(shù)及其反函數(shù)的簡單近似[J].物理實驗,1989,9(3):114-115.
[24]HOOIJEN O G.A channel model for the residential power circuit used as a digital communications medium [J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility,1998,40(4):331-336.
[25]HOOIJEN O G,VINCK A J H.On the channel capacity of a European-style residential power circuit[C]∥IEEE International Symposium on Power Line Communications and Its Applications.St Louis,Missouri,USA:IEEE,1998:31-44.