Реализация систем передачи телеметрии по линии электропередачи затрудняется наличием шума и импульсных помех в канале связи, что требует применения кодов, корректирующих ошибки. Демонстрируются результаты испытаний низкоплотностного (LDPC) кода, аналогичного используемому в технологии цифрового спутникового вещания DVB-S2, при передаче информационных сообщений по ЛЭП.
Введение Системы связи по линиям электропередач (PLC – Power Line Communication) сегодня широко используются по всему миру для построения автоматизированных систем учета и контроля энергопотребления (АСКУЭ), а также для управления технологическими процессами в энергосистемах [1]. Развитие систем телеметрии и внедрение новых сервисов требуют повышения пропускной способности таких систем.
Для более эффективного использования спектральных ресурсов в подобных системах связи применяют технологию OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing – Ортогональное частотное мультиплексирование), которая позволяет выбирать различные схемы модуляции на каждой поднесущей, быстро адаптируясь к нестационарной частотной характеристике канала.
Канал связи по ЛЭП характеризуется наличием белого шума, импульсных помех от переходных процессов в электросети, а также интерференции от радиостанций, работающих в том же диапазоне частот. Характер передаваемых в энергосистемах сообщений требует высокой помехоустойчивости канала связи, что достигается применением кодов коррекции ошибок.
Традиционный подход с использованием каскадного кода описан в стандарте МСЭ-T G.9903 [2]. Первой ступенью этого кода является код Рида – Соломона, а второй – сверточный код. Данная схема кодирования характеризуется высокой сложностью реализации декодера и неудовлетворительным энергетическим выигрышем от кодирования.
Принципы низкоплотностного кодирования (LDPC – Low Density Parity Check) были предложены Робертом Галлагером еще в 1960 году. Однако из-за высоких требований, которые эти коды предъявляют к вычислительным устройствам, они начали применяться лишь в середине 90-х годов прошлого века. Сегодня LDPC-коды являются стандартом в системах беспроводной связи.
Код LDPC – это линейный блоковый код с разреженной проверочной матрицей и большой длиной кодового слова. Его использование позволяет приблизиться к теоретической предельной пропускной способности канала.
Принципы работы алгоритмов кодирования и декодирования, а также метод преобразования проверочной матрицы, аналогичной используемой в технологии DVB-S2, к требуемому размеру пакетов описаны нами в работе [3]. В данной статье приводятся результаты испытаний работы полученного LDPC-кода при передаче информации в реальном канале связи.
Условия и результаты эксперимента Программная реализация кодера и декодера на языке программирования C++ выполняется на процессоре ARM Cortex-A15 Quad @2.0GHz с 2 ГБ оперативной памяти.
Мы фиксируем число проверочных бит (3024) и тестируем работу кодека при разной скорости кода, меняя длину информационной последовательности. Скорости 4/5, 3/4, 2/3 и 1/2 соответствуют последовательностям длиной 12096, 9072, 6048 и 3024 бит. Результаты измерений при каждой скорости кода усреднялись по 500 пакетам, принятым с ошибками. При передаче используется двоичная фазовая модуляция.
На рис.1 приведены вероятность битовой ошибки без применения кодирования и с применением LDPC-кода для различных скоростей кода (различных длин информационной последовательности). С уменьшением длины сообщения избыточность возрастает, а с ней увеличивается и способность исправлять ошибки.
В табл.1 представлена задержка, вносимая декодером, для разных длин информационной последовательности. Она находится в пределах 10–20 мс, что эквивалентно скорости передачи информационных сообщений 0,3–0,6 Мбит/c и достаточно для задач телеметрии в энергосистемах.
В табл.2 указана вероятность наличия ошибки в пакете в системе с кодированием – в сравнении со 100% в системе без кодирования.
Заключение Рост числа систем телеметрии, связанный, в частности, с развитием концепции умного города, вынуждает использовать каналы связи по линиям электропередачи, характеризующиеся высоким уровнем шума и интерференции. Для надежной передачи сообщений по таким каналам необходимо применение помехоустойчивого кодирования. В этой работе мы продемонстрировали результаты испытаний в системе связи по ЛЭП LDPC-кода коррекции ошибок, аналогичного используемому в технологии DVB-S2. Они показывают, что дополнительная помехоустойчивость была достигнута при допустимой величине задержки.
ЛИТЕРАТУРА Majumder A., Caffery J. Power line communication: An overview // IEEE Potentials Magazine. 2004. No. 23(4). P. 4–8. Recommendation ITU-T G.9903. Narrowband orthogonal frequency division multiplexing power line communication transceivers for G3-PLC networks. Карандин О., Лицына Е., Лузинский В., Портной С. Разработка помехоустойчивого кодека для системы связи по ЛЭП // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2020. № 2. С. 40–45.