基于OFDM的电力线通信网络
日期：2006-5-4 22:48:54 来源：本文摘自《PLC&FA》
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低压电力线通信(Low Voltage Powerline Communication)是指利用现有的低压电力线网络进行语音及数据业务的一项新技术。近年来，随着Internet技术的飞速发展，登录上网的人数成倍增长,然而在采用何种通信方式使用户终端连接到最近的宽带网络连接设备，成为长期困扰人们的难点之一，被业内人士称为宽带网络接入的最后一英里(Last mile)问题。利用四通八达、遍布城乡直达用户的220V低压电力线传输高速数据的PLC(Powerline Communication)技术以其不用布线、覆盖范围广、连接方便等显著特点，被业内人士认为是接入网方案中最具竞争力的技术之一。目前高速PLC已可传输高达45Mbps的数据，而且能同时传输数据、语音、视频和电力，有可能带来“四网合一”的新趋势。
低压电力线网络有很多不同的结构，它跟很多因素有关，如电力线网络所在的位置、网络用户的密度等等。另外由于变压器对电力载波信号有阻隔作用，所以只考虑在一个变压器区域范围内传送的情况。一般情况下，一个电力线接入网络都要通过一个主站与外面的主干网连接，也就是所有用户与外界的联络都需要通过这个主站中转，把这个主站定义为“基站”，这个基站可以建议放在变压器里面。整个电力线网络模型就包括一个基站和多个接入用户，各个接入用户通过电力线信道与基站互连，并通过基站连接外部广域网(WAN)，尽管实际的电力线网络可能有不同的物理拓扑结构(一般为树状结构)，但是在逻辑上电力线局域网络可以看作是总线型的，如图1所示:
总线型的共享信道与用户节点之间需要考虑如何把信道资源分配给各节点使用的问题，由于信道是共享的，所以可同时建立多条逻辑链路以实现同时通信。可作如下定义:从基站到接入用户单元的传输为下行线路。由于下行线路的数据流被所有的接入用户接收到，不存在冲突的情况;从接入用户单元到基站为上行线路，由于上行线路是不同接入节点对基站的传输，所以用户之间传输数据就会产生冲突，媒质访问控制MAC)子层协议就是用来管理这些竞争冲突和信道分配的。
OFDM(正交频分复用)是一种多载波调制技术，它将高速串行传输的码流转变成并行的低速码流，并且调制到N个频率间隔相等的一组正交的子载波信道上, 各子载波上可以采用任意的调制方法，这样符号周期就被延长到原来的N倍。传统的频分复用系统当中各载波频谱是不重叠的, 以便接收时可以用滤波器分离提取，所以频谱利用率很低。而OFDM系统为了提高频谱利用率，将各子载波的频谱重叠，但载波间隔的选择使这些载波在整个符号周期上是正交的。显然载波间隔等于符号周期倒数的整数倍时, 可以实现正交。如图2所示就是在时域上正交频域上混叠的OFDM信号的频谱。OFDM技术的最大优点是对抗频率选择性衰落或窄带干扰。在单载波系统中, 单个衰落或干扰能够导致整个通信链路失败，但是在多载波系统中, 仅仅有很小一部分载波会受到干扰，对这些子信道可以采用纠错码纠错。
原先的OFDM系统采用直接产生信号的方法，每个子载波采用独立的调制设备，在发射端将需要大量频率精确的频率源，而在接收端不但需要同样数量同样精度的频率源，而且还需要陡峭的滤波器用于提取各子载波分量。当子载波数很大时，这样的系统复杂度难以估计，而且实用性也难以保证。S.B.Weinstein 和P.M.Ebert在1971年发表的论文中指出OFDM的调制解调可以利用N点的IDFT/DFT来快速实现，大大降低了系统实现的复杂度。下面解释一下如何用N点的IDFT/DFT来快速实现OFDM的调制解调:
1 引言
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低压电力线通信(Low Voltage Powerline Communication)是指利用现有的低压电力线网络进行语音及数据业务的一项新技术。近年来，随着Internet技术的飞速发展，登录上网的人数成倍增长,然而在采用何种通信方式使用户终端连接到最近的宽带网络连接设备，成为长期困扰人们的难点之一，被业内人士称为宽带网络接入的最后一英里(Last mile)问题。利用四通八达、遍布城乡直达用户的220V低压电力线传输高速数据的PLC(Powerline Communication)技术以其不用布线、覆盖范围广、连接方便等显著特点，被业内人士认为是接入网方案中最具竞争力的技术之一。目前高速PLC已可传输高达45Mbps的数据，而且能同时传输数据、语音、视频和电力，有可能带来“四网合一”的新趋势。
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2 电力线网络模型
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低压电力线网络有很多不同的结构，它跟很多因素有关，如电力线网络所在的位置、网络用户的密度等等。另外由于变压器对电力载波信号有阻隔作用，所以只考虑在一个变压器区域范围内传送的情况。一般情况下，一个电力线接入网络都要通过一个主站与外面的主干网连接，也就是所有用户与外界的联络都需要通过这个主站中转，把这个主站定义为“基站”，这个基站可以建议放在变压器里面。整个电力线网络模型就包括一个基站和多个接入用户，各个接入用户通过电力线信道与基站互连，并通过基站连接外部广域网(WAN)，尽管实际的电力线网络可能有不同的物理拓扑结构(一般为树状结构)，但是在逻辑上电力线局域网络可以看作是总线型的，如图1所示:
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图1 电力线网络模型
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总线型的共享信道与用户节点之间需要考虑如何把信道资源分配给各节点使用的问题，由于信道是共享的，所以可同时建立多条逻辑链路以实现同时通信。可作如下定义:从基站到接入用户单元的传输为下行线路。由于下行线路的数据流被所有的接入用户接收到，不存在冲突的情况;从接入用户单元到基站为上行线路，由于上行线路是不同接入节点对基站的传输，所以用户之间传输数据就会产生冲突，媒质访问控制MAC)子层协议就是用来管理这些竞争冲突和信道分配的。
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3 网络物理层采用的OFDM 技术
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OFDM(正交频分复用)是一种多载波调制技术，它将高速串行传输的码流转变成并行的低速码流，并且调制到N个频率间隔相等的一组正交的子载波信道上, 各子载波上可以采用任意的调制方法，这样符号周期就被延长到原来的N倍。传统的频分复用系统当中各载波频谱是不重叠的, 以便接收时可以用滤波器分离提取，所以频谱利用率很低。而OFDM系统为了提高频谱利用率，将各子载波的频谱重叠，但载波间隔的选择使这些载波在整个符号周期上是正交的。显然载波间隔等于符号周期倒数的整数倍时, 可以实现正交。如图2所示就是在时域上正交频域上混叠的OFDM信号的频谱。OFDM技术的最大优点是对抗频率选择性衰落或窄带干扰。在单载波系统中, 单个衰落或干扰能够导致整个通信链路失败，但是在多载波系统中, 仅仅有很小一部分载波会受到干扰，对这些子信道可以采用纠错码纠错。
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图2 OFDM信号频谱
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原先的OFDM系统采用直接产生信号的方法，每个子载波采用独立的调制设备，在发射端将需要大量频率精确的频率源，而在接收端不但需要同样数量同样精度的频率源，而且还需要陡峭的滤波器用于提取各子载波分量。当子载波数很大时，这样的系统复杂度难以估计，而且实用性也难以保证。S.B.Weinstein 和P.M.Ebert在1971年发表的论文中指出OFDM的调制解调可以利用N点的IDFT/DFT来快速实现，大大降低了系统实现的复杂度。下面解释一下如何用N点的IDFT/DFT来快速实现OFDM的调制解调:
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