以OFDMA提升电力线通信的可靠性

在全球各地，中压(MV)电力传输网(1–35kV)覆盖了绝大多数区域。特别是在中国，这种电力传输网所覆盖的范围甚至超过无线通信。在地理区域上的覆盖面如此广阔，让人们想象到，中压电力传输网可以成为非常有价值的通信媒介。可是，目前中压电力传输网最初根本就不是以数据传输为目的而建设的，其中存在着非常剧烈的噪声、频率选择性衰减和干扰，并且各种状况随着时间的不同而差异很大，因而很难在其中实现数据通信。尽管如此，近期的技术进步已经使得中压电力传输网中的数据传输变得更加可靠、灵活，并且可以在更长的距离中实现。

中压电力线数据通信有很多不同的应用，其中最重要的是远程监控，包括故障探测与控制，特别是远程自动抄表(Automatic Meter Reading, AMR)。理论上，简单的监控活动并不需要很高的数据传输速率，但实际上常见的情况是必须以重复传输的方式来提高远距离通信的可靠性。重复传输就会降低实际可用的数据传输速率。

在北美、日本和中国，规定用于电力线通信的传输频率是500kHz 以下(低于无线AM)，这基本上是合理可用的通信频段。本文就是讨论在这个频段上的电力线通信——窄带电力线通信(NB PLC)。

电力线通信的技术挑战

目前，在中压电力传输网中使用的窄带通信技术主要有三种：

* 单载波调制，例如二进制相移键控(BPSK)和频率键控(FSK)

* 正交频分复用(OFDM)

* 直序扩频通信(DSSS)配合码分多址(CDMA)

单载波调制电力线通信系统看上去很适合用来实现远程自动抄表(AMR)，因为它本身具有的低成本优势。但是，在噪声和信号传输等问题没有得到解决之前，该技术很难实用化。可靠性问题主要是由于信道中的信号衰减和窄带干扰源引起。电力线通道中的情况极为复杂，为数据通信带来非常多困难。不幸的是，简单性是一般的窄带通信技术的固有特点，而这意味在复杂环境的通信信道中其总会显得十分脆弱。最近发展起来的技术，例如正交频分复用(OFDM)和直序扩频通信(DSSS)对于抵抗窄带干扰和多径效应十分有效，因而成为高速数据通信的理想方式。尽管OFDM已经在宽带通信领域应用很久，但直到最近才逐渐用于窄带的电力线网络中。这种技术在稳定性方面的特色也使其成为远程自动抄表网络的不错方案。

在一个特定的智能电网中，设计通信方案要考虑的问题很多，并且各不相同。其中最关键的问题通常是网络拓朴结构和通信负载量。这也意味着，没有任何两个中压电力网完全相同。图1(a)和图1(b)分别呈现了中国河北省某个区域平常的典型状况和最坏的状况。为了提高在中压电力网中数据传输的可靠性，必须采用更先进的通信策略，以便克服噪音干扰以及某个频带临时性或者永久性阻塞。

F1: 智能电网中的高噪声变化

图1(a)：低密度乡村居住区的噪声和信号振幅

图1(b)：高密度工业区的噪声和信号振幅

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OFDMA在智能电网中的妙用

要在电力线这种高噪声信道中传输大量数据，正交频分复用(OFDM)是一种不错的方法。这种技术之所以有效，是因为它把信号分割成很多子信号并以多个不同的(正交)频率传送出去。每个更小的数据流被分配到单个的子载波上，并以某种相键控(PSK)或者正交幅度QAM进行调制。除了具有很高的频率利用率，OFDM还可以减少数据传输过程中的握手信号，从而抵抗干扰和多通道中易发生的频率选择性衰减。

尽管OFDM比较适合用于智能电网中的高噪声环境，但是在极端恶劣的高噪声环境中，它还是不足以解决所有问题。为了进一步提升OFDM方法的可靠性，可以把它们组合成多路访问阵列，这就是OFDMA。

OFDMA(正交频分多路访问)是一种多用户版本的OFDM。多路访问是通过把子载波分组指定给单个数据流来实现的，这就允许同时传送好几个单数据流。OFDMA进一步提升了OFDM克服衰减的稳健性，但更重要的是，单个数据流既可以用于多个节点(电表)的同时通信，也可以用来实现冗余以改善系统的可靠性。

图2呈现的，是采用OFDMA的冗余策略。与现有电力线通信方案相比，这种方法抵抗噪声的能力提高了18db。从图2可以看出，尽管有一半通道因为噪声而阻塞，但仍有另一半数量的通道可以正常工作，从而保证了100%的数据传输抵达率。所以，OFDMA可以显著地提高数据吞吐量，同时也可以显著提高可靠性。

F2：包传输成功率 (%)

Semitech半导体已经推出了业界首款基于OFDMA技术的电力线路通信收发器——SM2200。这款新一代OFDMA电力线通信收发器专门针对杂讯严重的电力网环境而设计，并且面向特定的网络通信应用。SM2200能提供最高可靠性级别的供电线路通信，同时重点引入了高级电表架构(AMI)和自动抄表系统等应用，充分满足了用户对低成本和高性能的要求。

SM2200不仅解决了速率的自适应调整问题，还能够实现“频率捷变”(frequency agile)，从而实现高度稳定可靠的通信。SM2200能够根据不同的噪声环境，自动选择最高效率的传输频率。它还采用了多址(Multi Access)架构设计，提供更高的稳定性，实现多节点并发通信。

面向SM2200的应用包括高级电表架构与自动抄表系统、路灯控制系统、智能化家庭电力管理、家庭自动化、楼宇自动化以及其他各类需要利用供电线路进行通信的应用部署。目前，SM2200所采用的技术已经在中国地区2000多个节点上成功地完成了测试和部署，取得了包括上述图表在内的大量珍贵实验数据，为今后的大面积普及应用奠定了独一无二的坚实基础。

作者: 代礼周 哈尔滨工业大学

　　　Mike Holt, Semitech半导体公司市场营销副总裁