基于LDPC编码的OFDM无线专网通信在输电线路在线监测的应用研究
仝杰+刘艳丽+杨德龙+雷煜卿
摘 要： 作为智能电网输电环节必不可少的一部分，输电线路在线监测系统是实现输电线路状态实时管控、提高运行管理精益化水平的重要技术手段。系统通过部署在输电线路上的终端监测设备来采集信息，但是信息回传时通信方式的选取需结合线路情况提出最佳的解决方案。对比分析目前输电线路在线监测系统的通信方式，利用OFDM和LDPC编码的特点，提出基于LDPC编码的OFDM无线专网通信系统，选取AWGN和瑞利衰弱这两个典型情景仿真验证系统的可靠性，并在山西进行实际应用。该研究为输电网的建设提供了重要的理论依据。
关键词： 在线监测； 输电线路； OFDM； LDPC编码； 无线专网
中图分类号： TN915.11?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）17?0162?05
Research of LDPC coding?based OFDM wireless special network communication applied to online monitoring of power transmission line
TONG Jie1， LIU Yanli2， YANG Delong1， LEI Yuqing1
（1. Academy of Information and Communications， China Electric Power Research Institute， Beijing 100192， China；
2. School of Electrical and Electronic Engineering， North China Electric Power University， Beijing 102206， China）
Abstract： As an essential part of the power transmission of the smart grid， the online monitoring system of power transmission line is an important technical means to realize the real?time control of power transmission line status and improve the level of operation management. The system gathers information by means of the terminal monitoring device deployed on the power transmission line. However， when transmitting information back， the optimal solution about the communication mode selection needs to be proposed in combination with line status. In this paper， the communication modes of the current online monitoring system of power transmission line are analyzed and contrasted. The OFDM wireless special network communication system based on LDPC coding is proposed by utilizing the characteristics of OFDM and LDPC coding. AWGN and Rayleigh fading as two typical scenes are chosen to simulate and verify the system reliability. The system was applied in Shanxi. The research in this paper provides an important theoretical basis for the construction of the power transmission network.
Keywords： online monitoring； transmission line； OFDM； LDPC coding； wireless special network
0 引 言
近几年，我国电网规模迅速扩大，复杂地形条件下的电网建设和设备维护工作也越来越多，输电线路的巡檢和维护更大程度地表现出地域广、距离长、难度高等特点。因此，对输电线路本身以及其运行环境的智能化监测成为智能电网改造的重点之一。
输电线路状态监测系统通过各种传感器技术、广域通信技术和信息处理技术实现各类输电线路运行状态的实时感知、监视预警、分析诊断和评估预测[1]。但是，由于输电线路多分布在野外，运行环境恶劣等，需结合实际情况采用可靠的通信方案来完成数据回传。本文提出基于LDPC编码的OFDM无线专网通信解决方案，具备灵活组网，即插即用以及完善的系统保密功能，统一的网管功能等特点，可为输电线路提供强大的在线监测功能。
1 输电线路在线监测系统通信方式现状及问题
1.1 输电线路在线监测模型及基本需要
随着电力行业的不断发展，人们对供电的可靠性、安全性提出了更高的要求，输电线路在线监测系统也应运而生。系统通过各种传感技术监测线路情况并采集信息，通过公网/专网/光纤网络等通信技术传输信息到地市、网省主站，实时监控输电线路运行状态并及时作出相应处理，确保电力输电线路的安全运行。图1给出了输电线路在线监测系统的基本模型。
输电线路在线监测系统需要监测的信息数据包括：温度、相对湿度、风速、风向、气压、雨量、光辐射、覆冰监测等气象环境；导线弧垂、导线温度、导线微风震动、导线风偏、导线舞动等导线情况；杆塔振动监测、杆塔倾斜监测等杆塔信息；绝缘子风偏监测、绝缘子污秽监测等杆塔附件信息[1]。
通信接入方案在选择时，应考虑以下准则：
（1） 比较通信方案的优缺点，结合线路实际运行情况，并综合考虑带宽、成本、可管控性等因素，选取最佳通信方式。选择的通信技术应尽可能先进，能满足未来5年内的通信需求并有一定的预留容量。
（2） 考虑到系统运行环境复杂多变，应尽可能选用可靠性高、功耗小的通信设备。
（3） 系统需要符合国家电网对信息化、标准化、安全、管理调控等方面的相关规范。
（4） 系统通信网络的接入应尽可能简单快捷，避免繁杂的施工改造。
1.2 输电线路在线监测通信方式的性能比较及存在的问题
輸电线路监控系统中，摄像头和传感器采集到的信号均为模拟信号，将模拟信号转化为数字信号并压缩后，通过有线或无线方式传送到地市或网省中心，在监控中心对数据进行解码，存储、分析并展示图像或视频。目前，输电线路在线监测系统与监控主站之间采用最为常见的接入方式——光纤通信和无线公网通信。
由于光纤通信具有抗电磁干扰能力强、传输容量大、频带宽、传输衰耗小等诸多优点，它一问世便首先在电力部门得到应用并迅速发展，除普通光纤外，一些专用特种光纤也在电力通信中大量使用[2]。目前ADSS和OPGW在我国广泛分布且应用较多。虽然光纤通信方式在很多方面具有优势，但是在电力的输电线路上OPGW不宜频繁开口，施工周期长，同时线路铺设其他光缆也不现实。此外，光纤在长时间使用过程中逐渐老化，易受外力破坏而受到损伤。
无线公网具有很多优点，比如成本低、容易建网和维护等，包括卫星通信方式和2G/3G/4G公网方式。卫星通信是在两个或多个地面站之间，以人造地球卫星为中继站来转发或反射无线电信号进行通信[3]。而电信运营商公网普遍提供2G/3G/4G数据业务服务，主要方式包括GPRS，EDGE，CDMA，LTE等。虽然卫星通信方式数据传输距离长、覆盖广、开通方便，但资费成本较高、带宽较低，且无线公网通信存在信号稳定性低、可靠性较差等问题，威胁到电力系统的可靠运行。
无线专网接入方式具有时延小、效率高、可靠性好、成本低等优点，使得专网通信得到越来越多的关注。随着实时数据收集、移动巡检作业、应急通信业务的迅速发展，构建电力无线专网越来越迫切，已成为输电网中通信技术发展的重要方向之一。
因此，如何提高无线专网的质量就成为输电线路中的重要问题之一。本文设计了LDPC编码的OFDM系统，提升了无线专网的性能，确保了电网输电线路的通信质量。
2 基于LDPC编码的OFDM通信系统
2.1 LDPC编码基本原理
低密度奇偶校验码（Low?Density Parity?Check Codes，LDPC）是继Turbo码后又一种逼近香农极限的信道编码。LDPC码是一种分组码，其校验矩阵只含有很少量的非零元素，正是校验矩阵的这种稀疏性保证了译码的复杂度和最小码距，仅随码长呈现线性增加[4]。研究表明，在信道编码中，LDPC码的纠错能力最强，而且译码器结构简单，吞吐量极高，因此有很好的应用前景。
表示LDPC码的校验矩阵，相对于矩阵的行、列数，的每行、每列中只有少量的1，这一现象为低密度特性，是LDPC码最大的特点。每行每列中1的个数固定的LDPC码称为规则码。一个长为的低密度奇偶校验码与稀疏校验矩阵相对应，可用表示，即每行有个1，每列有个1。的密度定义为中1的数目与行数目或列数目的比值，记为。如果矩阵是满秩，那么由该稀疏校验矩阵定义的LDPC码的码率为。此外，为了保证LDPC码译码性能，矩阵任意两行或任意两列相重叠，非零元素个数不大于1。二元（10，2，4）规则的LDPC码的稀疏校验矩阵[5]可表示为：
（1）
理论上，由校验矩阵算出生成矩阵根据公式求得编码后的码字。但求得的生成矩阵一般都不是稀疏矩阵，所以运算量和存储量都很大，对实际应用造成了很大困难[6?8]。
2.2 OFDM系统基本原理
正交频分复用技术（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）是一种高效的数据传输方式，其基本思想是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用子载波进行调制，并且各子载波并行传输[7]。虽然总信道不是平坦的，但每一个子信道都是窄带传输，因此就可以大大降低信号波形间的干扰。
不同于一般的多载波传输，OFDM允许子载波频谱部分重叠，只要重叠的子载波之间两两正交，则可将信号从混叠的子载波中分离出来。根据OFDM的基本原理，若想实现OFDM，子载波必须是一组正交信号[8]，而每个OFDM均为多个经过调制的子载波信号之和。如果用表示子信道个数，表示OFDM的符号宽度，是分配给每个子信道的数据符号，表示载波频率，，则OFDM输出可以表示为：
（2）
采用等效基带信号来描述OFDM的输出信号：
（3）
式中：实部表示OFDM符号的同相分量；虚部表示OFDM符号的正交分量。OFDM系统的调制与解调的实现可分别用余弦分量和正弦分量相乘来实现。图2给出了OFDM系统调制与解调的框图，其中假定。
上述方法所需设备多，系统复杂且昂贵。为了降低OFDM系统成本和简化系统，一般采用离散傅里叶变换（Discrete Fourier Transform，DFT）和离散傅里叶反变换（Inverse Discrete Fourier Transform，IDFT）来实现上述功能。首先信号在发送端做IDFT后，将信号经信道传送到接收端，然后对接收到的信号做DFT，结果的实部即为原始信号。这样便可以不失真地将原始信号还原，实现OFDM信号的调制和解调。用DFT和IDFT实现的OFDM系统较简单且成本低，有利于OFDM的广泛应用。
2.3 基于LDPC编码的OFDM通信系统
2.3.1 系统框架
OFDM技术对定时和频率偏差比较敏感，频率的偏差会使OFDM系统子载波之间的正交性遭到破坏，产生子通道间干扰ICI[9]。而LDPC编码具有极好的纠错抗干扰能力，将LDPC编码应用到OFDM系统中，可以降低系统的误码率，提高系统的抗干扰能力，提高系统的性能。基于LDPC编码的OFDM系统框架图如图3所示。
图3为信源发送信号经LDPC信道编码以后，再进行OFDM调制等一系列的处理，最后进入信道中进行传输的系统框图。在发送端，二进制数据比特流首先进行LDPC编码，经过比特交织、星座映射、时域深度交织，利用导频技术进行OFDM符号匹配，后经IFFT、插保护间隔、插帧头，完成OFDM调制后经射频发射出去。在接收端，首先保护间隔，经滤波、采样、FFT、导频后，进行信道估计与均衡（如果通道衰落较严重，需要用均衡器对信道均衡处理），解符号、时域、比特交织，通过LDPC解码后，经数据解扰后输出二进制比特流。其中，该系统通过LDPC编码对OFDM各个子载波实现联合编码，具有较强的抗衰落能力，系统性能得到明显提升。
2.3.2 性能仿真
分別选取AWGN和瑞利衰弱信道这两种典型的环境下，对比无编码OFDM、卷积码编码OFDM和LDPC?OFDM的性能。从图4中可以看出，LDPC?OFDM系统的性能明显优于无编码OFDM和卷积码编码OFDM系统。
由图4（a）可得：在白噪声下，当BER为10-3的条件下，LDPC?OFDM优于卷积编码约2.3 dB，优于无编码OFDM约5.3 dB；当BER为10-4的条件下，LDPC?OFDM优于卷积编码约2.7 dB，优于无编码OFDM约6.5 dB。由图4（b）可得：在瑞利衰落信道下，当BER为10-3的条件下，LDPC?OFDM优于卷积编码约6.3 dB，LDPC?OFDM优于无编码OFDM约4.0 dB；当BER为10-4的条件下，LDPC?OFDM优于卷积编码OFDM约8.2 dB，LDPC?OFDM优于无编码OFDM约1.8 dB。由此可见，基于LDPC编码的OFDM系统明显降低了信噪比，提高了抗干扰性能。
综上所述，在相同信道下，加入LDPC编码后，LDPC?OFDM系统的性能得到了显著提高。
3 基于LDPC编码的OFDM无线专网通信方案
针对电力企业输电线路的特点，在具体建设过程中，将基于LDPC编码的OFDM系统应用于光纤+无线的专网解决方案中。
3.1 组网方案
组网方案中，首先监测终端收集某一区域的杆塔或输电线路上的各种图像或视频信息，将信息传送到临近的杆塔节点；然后杆塔节点存储并处理信息，以无线方式向这一区域的汇聚点传送数据；接着通过OPGW光通信系统，将多个区域汇聚节点的信息汇集到特定的一个汇聚节点，通过ADSS光缆实现到变电站的连接；最后利用现有数据网实现变电站到地市、网省公司之间的数据传输，如图5所示。
混合组网解决方案特点如下：
（1） 采用无线方式将就近的多个杆塔监控节点进行汇聚，然后将具备OPGW接头的汇聚杆塔采用光纤进行连接。
（2） 无线系统开通便捷，沿输电线路的走向进行网络部署，部署的可扩展性和灵活性高，组网灵活方便，对于偏远地区不会存在覆盖问题[10]。
（3） 光纤方式传输距离长、实时性好、安全可靠、支持冗余保护组网功能等，同时能满足巡检等扩展业务。
（4） 一台设备损坏，往往不会影响到整个网络，能够很好地抗单点失效。
混合组网解决方案适用于输电线路上有丰富的光缆纤芯资源，监测杆塔上安装有光纤接续盒，同时接入点光缆应有余留长度，具备开断条件。
3.2 应用实例
在 “山西电力公司输电线路在线监测无线专网综合接入项目”中，采用无线专网+光纤的方式，实现神忻Ⅱ线89#杆塔的输电线路视频在线监测系统接入。由于无线专网设备采用LDPC编码技术和先进的OFDM调制技术，使整个无线系统带宽变大，无线系统稳定性增强，系统环境适应性增强。
项目网络拓扑为神忻Ⅱ线89#通过点对点无线专网设备连接至神忻Ⅰ线122#杆塔，而后接入神忻Ⅰ线122#杆塔的OPGW光缆的光交换机，从而实现高清视频的接入，无线通信链路组网拓扑图如图6所示，图7为89#杆塔至122#杆塔链路的仿真图，其中蓝色区域表示两个杆塔之间无线设备的模拟菲尼尔区，红线表示两个杆塔的无线设备到最高点的距离。从图7可以看出菲尼尔区完全正常，没有任何的破坏，说明组网良好。
在分析仿真图的基础上，对链路进行仿真预算，结果如图8所示。无编码OFDM系统的总IP吞吐量为27.93 Mb/s，LDPC?OFDM系统的总IP吞吐量为79.52 Mb/s，明显高于无编码OFDM系统，说明系统性能明显提高；无编码OFDM系统的增益余量为11.29 dB，LDPC?OFDM系统的增益余量为16.03 dB，系统更加稳定可靠（系统增益余量越大越稳定）。可以看出，在同等条件下采用LDPC编码技术和先进的OFDM调制技术的无线设备在带宽和链路余量方面有较强的优势。
4 结 语
输电线路在线监测系统是智能电网输电环节不可或缺的一部分，能保障智能电网的信息化、自动化、互动化。由于输电杆塔种类较多，线路运行环境复杂，因此在选择通信方案时，应尽可能避免对输电杆塔和线路的施工改造。本文提出基于LDPC编码的OFDM无线专网通信解决方案，具备灵活组网、即插即用以及完善的系统保密功能、统一的网管功能等特点，可为输电线路提供强大的在线监测功能。
参考文献
[1] 刘丽榕，辛培哲.输电线路在线监测系统通信传输方式研究[J].电力系统通信，2011（4）：20?25.
[2] 于祝芳.论光纤通信技术的特点和发展趋势[J].机电信息，2010（18）：72.
[3] 程黎军.浅议无线通信技术的发展[J].才智，2011（34）：50.
[4] 董同昕.LDPC码低复杂度译码算法研究[D].天津：天津大学，2010.
[5] 甘毅.LDPC码编译码算法研究[D].南京：南京理工大学，2010.
[6] 董同昕，陈为刚，柳元.LDPC码改进的量化自适应偏移最小和算法[J].计算机工程与应用，2014，50（4）：203?206.
[7] 佟学俭，罗涛.OFDM移动通信技术原理与应用[M].北京：人民邮电出版社，2003.
[8] HEISKALA Juha， TERRY John. OFDM无线局域网[M].杨晓春，何建吾，译.北京：电子工业出版社，2003.
[9] 袁苑.基于LDPC码的协作通信在OFDM系统中的应用研究[D].北京：北京邮电大学，2012.
[10] 陈海波，王成，李俊峰，等.特高压输电线路在线监测技术的应用[J].电网技术，2009（10）：55?58.
[11] 王文博，郑侃.宽带无线通信OFDM技术[M].北京：人民邮电出版社，2003.
摘 要： 作为智能电网输电环节必不可少的一部分，输电线路在线监测系统是实现输电线路状态实时管控、提高运行管理精益化水平的重要技术手段。系统通过部署在输电线路上的终端监测设备来采集信息，但是信息回传时通信方式的选取需结合线路情况提出最佳的解决方案。对比分析目前输电线路在线监测系统的通信方式，利用OFDM和LDPC编码的特点，提出基于LDPC编码的OFDM无线专网通信系统，选取AWGN和瑞利衰弱这两个典型情景仿真验证系统的可靠性，并在山西进行实际应用。该研究为输电网的建设提供了重要的理论依据。
关键词： 在线监测； 输电线路； OFDM； LDPC编码； 无线专网
中图分类号： TN915.11?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）17?0162?05
Research of LDPC coding?based OFDM wireless special network communication applied to online monitoring of power transmission line
TONG Jie1， LIU Yanli2， YANG Delong1， LEI Yuqing1
（1. Academy of Information and Communications， China Electric Power Research Institute， Beijing 100192， China；
2. School of Electrical and Electronic Engineering， North China Electric Power University， Beijing 102206， China）
Abstract： As an essential part of the power transmission of the smart grid， the online monitoring system of power transmission line is an important technical means to realize the real?time control of power transmission line status and improve the level of operation management. The system gathers information by means of the terminal monitoring device deployed on the power transmission line. However， when transmitting information back， the optimal solution about the communication mode selection needs to be proposed in combination with line status. In this paper， the communication modes of the current online monitoring system of power transmission line are analyzed and contrasted. The OFDM wireless special network communication system based on LDPC coding is proposed by utilizing the characteristics of OFDM and LDPC coding. AWGN and Rayleigh fading as two typical scenes are chosen to simulate and verify the system reliability. The system was applied in Shanxi. The research in this paper provides an important theoretical basis for the construction of the power transmission network.
Keywords： online monitoring； transmission line； OFDM； LDPC coding； wireless special network
0 引 言
近几年，我国电网规模迅速扩大，复杂地形条件下的电网建设和设备维护工作也越来越多，输电线路的巡檢和维护更大程度地表现出地域广、距离长、难度高等特点。因此，对输电线路本身以及其运行环境的智能化监测成为智能电网改造的重点之一。
输电线路状态监测系统通过各种传感器技术、广域通信技术和信息处理技术实现各类输电线路运行状态的实时感知、监视预警、分析诊断和评估预测[1]。但是，由于输电线路多分布在野外，运行环境恶劣等，需结合实际情况采用可靠的通信方案来完成数据回传。本文提出基于LDPC编码的OFDM无线专网通信解决方案，具备灵活组网，即插即用以及完善的系统保密功能，统一的网管功能等特点，可为输电线路提供强大的在线监测功能。
1 输电线路在线监测系统通信方式现状及问题
1.1 输电线路在线监测模型及基本需要
随着电力行业的不断发展，人们对供电的可靠性、安全性提出了更高的要求，输电线路在线监测系统也应运而生。系统通过各种传感技术监测线路情况并采集信息，通过公网/专网/光纤网络等通信技术传输信息到地市、网省主站，实时监控输电线路运行状态并及时作出相应处理，确保电力输电线路的安全运行。图1给出了输电线路在线监测系统的基本模型。
输电线路在线监测系统需要监测的信息数据包括：温度、相对湿度、风速、风向、气压、雨量、光辐射、覆冰监测等气象环境；导线弧垂、导线温度、导线微风震动、导线风偏、导线舞动等导线情况；杆塔振动监测、杆塔倾斜监测等杆塔信息；绝缘子风偏监测、绝缘子污秽监测等杆塔附件信息[1]。
通信接入方案在选择时，应考虑以下准则：
（1） 比较通信方案的优缺点，结合线路实际运行情况，并综合考虑带宽、成本、可管控性等因素，选取最佳通信方式。选择的通信技术应尽可能先进，能满足未来5年内的通信需求并有一定的预留容量。
（2） 考虑到系统运行环境复杂多变，应尽可能选用可靠性高、功耗小的通信设备。
（3） 系统需要符合国家电网对信息化、标准化、安全、管理调控等方面的相关规范。
（4） 系统通信网络的接入应尽可能简单快捷，避免繁杂的施工改造。
1.2 输电线路在线监测通信方式的性能比较及存在的问题
輸电线路监控系统中，摄像头和传感器采集到的信号均为模拟信号，将模拟信号转化为数字信号并压缩后，通过有线或无线方式传送到地市或网省中心，在监控中心对数据进行解码，存储、分析并展示图像或视频。目前，输电线路在线监测系统与监控主站之间采用最为常见的接入方式——光纤通信和无线公网通信。
由于光纤通信具有抗电磁干扰能力强、传输容量大、频带宽、传输衰耗小等诸多优点，它一问世便首先在电力部门得到应用并迅速发展，除普通光纤外，一些专用特种光纤也在电力通信中大量使用[2]。目前ADSS和OPGW在我国广泛分布且应用较多。虽然光纤通信方式在很多方面具有优势，但是在电力的输电线路上OPGW不宜频繁开口，施工周期长，同时线路铺设其他光缆也不现实。此外，光纤在长时间使用过程中逐渐老化，易受外力破坏而受到损伤。
无线公网具有很多优点，比如成本低、容易建网和维护等，包括卫星通信方式和2G/3G/4G公网方式。卫星通信是在两个或多个地面站之间，以人造地球卫星为中继站来转发或反射无线电信号进行通信[3]。而电信运营商公网普遍提供2G/3G/4G数据业务服务，主要方式包括GPRS，EDGE，CDMA，LTE等。虽然卫星通信方式数据传输距离长、覆盖广、开通方便，但资费成本较高、带宽较低，且无线公网通信存在信号稳定性低、可靠性较差等问题，威胁到电力系统的可靠运行。
无线专网接入方式具有时延小、效率高、可靠性好、成本低等优点，使得专网通信得到越来越多的关注。随着实时数据收集、移动巡检作业、应急通信业务的迅速发展，构建电力无线专网越来越迫切，已成为输电网中通信技术发展的重要方向之一。
因此，如何提高无线专网的质量就成为输电线路中的重要问题之一。本文设计了LDPC编码的OFDM系统，提升了无线专网的性能，确保了电网输电线路的通信质量。
2 基于LDPC编码的OFDM通信系统
2.1 LDPC编码基本原理
低密度奇偶校验码（Low?Density Parity?Check Codes，LDPC）是继Turbo码后又一种逼近香农极限的信道编码。LDPC码是一种分组码，其校验矩阵只含有很少量的非零元素，正是校验矩阵的这种稀疏性保证了译码的复杂度和最小码距，仅随码长呈现线性增加[4]。研究表明，在信道编码中，LDPC码的纠错能力最强，而且译码器结构简单，吞吐量极高，因此有很好的应用前景。
表示LDPC码的校验矩阵，相对于矩阵的行、列数，的每行、每列中只有少量的1，这一现象为低密度特性，是LDPC码最大的特点。每行每列中1的个数固定的LDPC码称为规则码。一个长为的低密度奇偶校验码与稀疏校验矩阵相对应，可用表示，即每行有个1，每列有个1。的密度定义为中1的数目与行数目或列数目的比值，记为。如果矩阵是满秩，那么由该稀疏校验矩阵定义的LDPC码的码率为。此外，为了保证LDPC码译码性能，矩阵任意两行或任意两列相重叠，非零元素个数不大于1。二元（10，2，4）规则的LDPC码的稀疏校验矩阵[5]可表示为：
（1）
理论上，由校验矩阵算出生成矩阵根据公式求得编码后的码字。但求得的生成矩阵一般都不是稀疏矩阵，所以运算量和存储量都很大，对实际应用造成了很大困难[6?8]。
2.2 OFDM系统基本原理
正交频分复用技术（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）是一种高效的数据传输方式，其基本思想是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用子载波进行调制，并且各子载波并行传输[7]。虽然总信道不是平坦的，但每一个子信道都是窄带传输，因此就可以大大降低信号波形间的干扰。
不同于一般的多载波传输，OFDM允许子载波频谱部分重叠，只要重叠的子载波之间两两正交，则可将信号从混叠的子载波中分离出来。根据OFDM的基本原理，若想实现OFDM，子载波必须是一组正交信号[8]，而每个OFDM均为多个经过调制的子载波信号之和。如果用表示子信道个数，表示OFDM的符号宽度，是分配给每个子信道的数据符号，表示载波频率，，则OFDM输出可以表示为：
（2）
采用等效基带信号来描述OFDM的输出信号：
（3）
式中：实部表示OFDM符号的同相分量；虚部表示OFDM符号的正交分量。OFDM系统的调制与解调的实现可分别用余弦分量和正弦分量相乘来实现。图2给出了OFDM系统调制与解调的框图，其中假定。
上述方法所需设备多，系统复杂且昂贵。为了降低OFDM系统成本和简化系统，一般采用离散傅里叶变换（Discrete Fourier Transform，DFT）和离散傅里叶反变换（Inverse Discrete Fourier Transform，IDFT）来实现上述功能。首先信号在发送端做IDFT后，将信号经信道传送到接收端，然后对接收到的信号做DFT，结果的实部即为原始信号。这样便可以不失真地将原始信号还原，实现OFDM信号的调制和解调。用DFT和IDFT实现的OFDM系统较简单且成本低，有利于OFDM的广泛应用。
2.3 基于LDPC编码的OFDM通信系统
2.3.1 系统框架
OFDM技术对定时和频率偏差比较敏感，频率的偏差会使OFDM系统子载波之间的正交性遭到破坏，产生子通道间干扰ICI[9]。而LDPC编码具有极好的纠错抗干扰能力，将LDPC编码应用到OFDM系统中，可以降低系统的误码率，提高系统的抗干扰能力，提高系统的性能。基于LDPC编码的OFDM系统框架图如图3所示。
图3为信源发送信号经LDPC信道编码以后，再进行OFDM调制等一系列的处理，最后进入信道中进行传输的系统框图。在发送端，二进制数据比特流首先进行LDPC编码，经过比特交织、星座映射、时域深度交织，利用导频技术进行OFDM符号匹配，后经IFFT、插保护间隔、插帧头，完成OFDM调制后经射频发射出去。在接收端，首先保护间隔，经滤波、采样、FFT、导频后，进行信道估计与均衡（如果通道衰落较严重，需要用均衡器对信道均衡处理），解符号、时域、比特交织，通过LDPC解码后，经数据解扰后输出二进制比特流。其中，该系统通过LDPC编码对OFDM各个子载波实现联合编码，具有较强的抗衰落能力，系统性能得到明显提升。
2.3.2 性能仿真
分別选取AWGN和瑞利衰弱信道这两种典型的环境下，对比无编码OFDM、卷积码编码OFDM和LDPC?OFDM的性能。从图4中可以看出，LDPC?OFDM系统的性能明显优于无编码OFDM和卷积码编码OFDM系统。
由图4（a）可得：在白噪声下，当BER为10-3的条件下，LDPC?OFDM优于卷积编码约2.3 dB，优于无编码OFDM约5.3 dB；当BER为10-4的条件下，LDPC?OFDM优于卷积编码约2.7 dB，优于无编码OFDM约6.5 dB。由图4（b）可得：在瑞利衰落信道下，当BER为10-3的条件下，LDPC?OFDM优于卷积编码约6.3 dB，LDPC?OFDM优于无编码OFDM约4.0 dB；当BER为10-4的条件下，LDPC?OFDM优于卷积编码OFDM约8.2 dB，LDPC?OFDM优于无编码OFDM约1.8 dB。由此可见，基于LDPC编码的OFDM系统明显降低了信噪比，提高了抗干扰性能。
综上所述，在相同信道下，加入LDPC编码后，LDPC?OFDM系统的性能得到了显著提高。
3 基于LDPC编码的OFDM无线专网通信方案
针对电力企业输电线路的特点，在具体建设过程中，将基于LDPC编码的OFDM系统应用于光纤+无线的专网解决方案中。
3.1 组网方案
组网方案中，首先监测终端收集某一区域的杆塔或输电线路上的各种图像或视频信息，将信息传送到临近的杆塔节点；然后杆塔节点存储并处理信息，以无线方式向这一区域的汇聚点传送数据；接着通过OPGW光通信系统，将多个区域汇聚节点的信息汇集到特定的一个汇聚节点，通过ADSS光缆实现到变电站的连接；最后利用现有数据网实现变电站到地市、网省公司之间的数据传输，如图5所示。
混合组网解决方案特点如下：
（1） 采用无线方式将就近的多个杆塔监控节点进行汇聚，然后将具备OPGW接头的汇聚杆塔采用光纤进行连接。
（2） 无线系统开通便捷，沿输电线路的走向进行网络部署，部署的可扩展性和灵活性高，组网灵活方便，对于偏远地区不会存在覆盖问题[10]。
（3） 光纤方式传输距离长、实时性好、安全可靠、支持冗余保护组网功能等，同时能满足巡检等扩展业务。
（4） 一台设备损坏，往往不会影响到整个网络，能够很好地抗单点失效。
混合组网解决方案适用于输电线路上有丰富的光缆纤芯资源，监测杆塔上安装有光纤接续盒，同时接入点光缆应有余留长度，具备开断条件。
3.2 应用实例
在 “山西电力公司输电线路在线监测无线专网综合接入项目”中，采用无线专网+光纤的方式，实现神忻Ⅱ线89#杆塔的输电线路视频在线监测系统接入。由于无线专网设备采用LDPC编码技术和先进的OFDM调制技术，使整个无线系统带宽变大，无线系统稳定性增强，系统环境适应性增强。
项目网络拓扑为神忻Ⅱ线89#通过点对点无线专网设备连接至神忻Ⅰ线122#杆塔，而后接入神忻Ⅰ线122#杆塔的OPGW光缆的光交换机，从而实现高清视频的接入，无线通信链路组网拓扑图如图6所示，图7为89#杆塔至122#杆塔链路的仿真图，其中蓝色区域表示两个杆塔之间无线设备的模拟菲尼尔区，红线表示两个杆塔的无线设备到最高点的距离。从图7可以看出菲尼尔区完全正常，没有任何的破坏，说明组网良好。
在分析仿真图的基础上，对链路进行仿真预算，结果如图8所示。无编码OFDM系统的总IP吞吐量为27.93 Mb/s，LDPC?OFDM系统的总IP吞吐量为79.52 Mb/s，明显高于无编码OFDM系统，说明系统性能明显提高；无编码OFDM系统的增益余量为11.29 dB，LDPC?OFDM系统的增益余量为16.03 dB，系统更加稳定可靠（系统增益余量越大越稳定）。可以看出，在同等条件下采用LDPC编码技术和先进的OFDM调制技术的无线设备在带宽和链路余量方面有较强的优势。
4 结 语
输电线路在线监测系统是智能电网输电环节不可或缺的一部分，能保障智能电网的信息化、自动化、互动化。由于输电杆塔种类较多，线路运行环境复杂，因此在选择通信方案时，应尽可能避免对输电杆塔和线路的施工改造。本文提出基于LDPC编码的OFDM无线专网通信解决方案，具备灵活组网、即插即用以及完善的系统保密功能、统一的网管功能等特点，可为输电线路提供强大的在线监测功能。
参考文献
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