本文的类似版本出现在2011年7月的《嵌入式计算设计》杂志上。

2009年秋季，新的智能电网通信标准IEEE P1901.2的构想开始成形。IEEE P1901.2的概念是众多一级半导体制造商和全球能源供应商合作努力的结果，他们寻求开发一种标准支持的公用事业通信解决方案，在所有介质中，在所有国家都是100%可靠的。这是一项大胆而复杂的任务，使IEEE P1901.2成为现实的努力仍然需要所有相关人员的灵活操作。

该标准的开发人员面临着一项艰巨的任务——既要处理现有的和新增加的当前需求，也要处理10到20年的前瞻性需求。此外，该标准需要补偿关键的挑战和障碍，例如恶劣的低压，中压和变压器通道条件，这些条件历来阻碍了高数据速率，稳健的通过变压器电力线通信(plc)。可靠、高效的通信解决方案对于成功实现智能电网至关重要。

PLC的问题

更新公用电网通信所涉及的障碍可以追溯到许多年前。早在“智能电网”、“智能电表”、“eMeter”、“EV”(电动汽车)和“PEV”(插电式电动汽车)成为人们熟悉的术语之前，公用事业公司就开始研究潜在的解决方案，以应对他们最基本的运营挑战之一:在恶劣的环境中可靠地保持高效的通信。

对于低频(LF) plc，除了在线上的阻抗变化之外，负信噪比(SNR)条件是公认和预期的问题;通过变压器的plc，信号衰减50dB以上也很常见。通常对于plc来说，信道特性和参数随频率、位置、时间和连接到它的设备类型而变化。此外，电力线是一个非常有频率选择性的通道，通道噪声、背景噪声和脉冲噪声经常发生在50Hz/60Hz，组延迟持续长达几百微秒。

从低压线路上的通道噪声开始，LF PLC必须运行的这些条件可以从线路上的测量中得到最好的理解，如图1所示。

添加背景噪音:

η(c)(f) = 10((Κ - 3.95 × 10(-5) f))

图2显示Κ的正态分布为N(µ，西格马)，其中µ= 5.64，西格马 = 0.5，而f为频率，单位为Hz。

图3为脉冲噪声，其中两次突发之间的时间是一个指数分布的随机变量，每次突发噪声的持续时间是另一个指数分布的随机变量。

OFDM提供稳健的通信

为了克服在低频电力线中经常观察到的困难信道条件，IEEE 1901.2低频PLC采用正交频分复用(OFDM)架构，使用先进的调制和信道编码技术，有效地利用欧洲电工标准化委员会(CENELEC)、美国工业和商业协会(ARIB)和联邦通信委员会(FCC)频段的有限带宽。

这种OFDM架构促进了电力线信道上的深度鲁棒通信。允许的带宽被分成许多子信道，这些子信道可以看作是许多具有不同互不干扰(正交)载波频率的独立相移键控(PSK)调制载波。此外，卷积和里德-所罗门(RS)编码提供冗余位，允许接收机恢复由背景和脉冲噪声引起的丢失位。然后使用时频交织方案来降低解码器输入处接收噪声的相关性，从而提供分集。

该系统对由差分编码相位调制产生的复值信号点进行快速傅立叶反变换(IFFT)，包括差分二进制(DBPSK)、差分正交(DQPSK)和差分八进位(D8PSK)，并将其分配给产生OFDM信号的各个子载波。OFDM符号是通过在IFFT生成的每个块的开头附加一个循环前缀来构建的。选择循环前缀的长度，使信道组延迟不会引起连续OFDM符号或相邻子载波的干扰，并采用盲信道估计技术进行链路自适应。根据接收到的信号质量，接收器决定使用哪种调制方案。此外，该系统还能区分信噪比差的子载波，并在其上不传输数据。系统框图如图4所示。

每个块在对抗信道中的噪声方面起着重要的作用。前向纠错(FEC)编码器包括后接RS编码器和卷积编码器的乱置。在鲁棒模式下，在卷积编码器之后使用一个额外的编码器，重复码(RC)来重复卷积输出的位。

扰频块给数据和帧控制头(FCH)一个随机分布。数据和FCH流使用以下生成器多项式使用重复的伪随机噪声序列进行“异或”处理:

S(x) = x(7)⊕x(4)⊕1

图5说明了这一点。

在处理每个物理帧开始时，扰频器中的位被初始化为所有其他位，并且为FCH和数据重新初始化扰频器。扰频器不是FEC的关键部分;然而，重要的是要有一个经过验证的解决方案，能够生成具有良好自相关性的非常随机的序列。

扰频器的数据由缩短的系统RS码编码:

RS (N = 255, K = 239, T = 8)或RS (N = 255, K = 247, T = 4);在鲁棒模式下，T = 4

代码生成器多项式:

场发生器多项式:p(x) = x8 + x4 + x3 + x2 + 1

对于卷积编码，在K = 7的约束下使用二分之一的速率，并在帧的末尾插入六个尾位，以使编码器返回到零状态，如图6所示。

对于图7中生成的性能图，使用哪种解决方案的决定是基于仔细的模拟和比较其他方法(如低密度奇偶校验代码)的研究。

使用了以下参数，所有结果都显示了LF PLC系统中典型的低块大小的连接代码的优势:

• 块大小(头和日期)

• FEC编码器连接(指定二分之一、三分之一等等的编码率)

• 重复率(例如，1、2、4、8)

• 通道响应(如可变或平坦)

• 目标错误率(擦除、0%、5%、10%，等等)

由此产生的IEEE 1901.2解决方案结合了多种纠错机制，以确保可靠的通信，使用RS解码(纠正由于脉冲噪声引起的错误)和Viterbi解码(纠正由于白噪声引起的错误)，以及重复编码和时间/频率交错的组合，以获得额外的鲁棒性，以对抗脉冲噪声，干扰音和频率干扰。

IEEE 1901.2和智能电网

世界正在继续朝着更智能、更可靠、更自我修复的电网的实际实现迈进，它对工业和消费者的好处都得到了理解和充分的证明。它的应用范围从输配电到家庭自动化，它预示着一个更清洁、更安全、更可靠的能源未来。然而，广泛部署尚未成为现实，我们将如何最终实现智能电网的问题仍有待回答。

显而易见的是，新兴的智能电网将需要一个强大的技术框架，能够管理与其部署和运行相关的各种复杂性。智能电网最重要的关键任务之一是可靠的通信基础设施;没有这一基本支撑，无处不在的实施将继续受到阻碍。

随着电力线作为传统电网中最普遍的元素之一，plc是实现支持智能电网所需的庞大通信网络的理想，经济高效的解决方案。事实上，plc已经代表了智能计量最广泛采用的通信媒介。然而，为了它们的持续发展，以及通过联合，智能电网的发展，需要广泛采用灵活的、前瞻性的、全球公认的通信标准，如IEEE 1902.1。

随着这些标准的可用性和采用，智能电网面临的复杂挑战可以被克服。正如它们所预示的那样，智能电网所预示的承诺、潜力和机遇将完全触手可及。

有关IEEE 1901.2中采用的纠错机制的其他深入技术观点，请参见:。