（通信与信息系统专业论文）基于ofdm的电力线信道估计的分析与研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 电力线通信( p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ) 简称p l c 技术，它利用广泛存 在的电力线作为传输媒介，传输数据、图像、语音以及其他多媒体信号的一种 通信方式。电力线网络不需要重新布线、具有分布范围广泛、接入方便灵活等 一系列优点，被认为是提供宽带网络接入解决方案最具竞争力的技术之一。然 而电力线信道的各种特性提高了通信的难度，阻碍了其正常发展，作为能够有 效减小电力线信道各种不良影响的理想调制技术，正交频分复用技术被引入电 力线通信的研究之中。 通信信道是通信的基础，与无线通信相同，电力线通信的性能主要受到电 力线通信信道的制约。因此需要采用各种信号处理技术对抗恶劣的电力线信道 对电力线通信造成的影响，来提高通信性能，信道估计必不可少。 本文的主要研究内容是基于o f d m 的电力线通信信道估计算法。文章首 先介绍了电力线通信的概念以及相关的发展状况，然后对电力线信道的几种特 性作了主要分析，并在此基础上建立了电力线信道模型。针对目前国内外的研 究成果，o f d m 信道估计技术大体上可以分为三类：基于导频的信道估计、基 于判决反馈的信道估计和盲信道估计，本文尤其对基于导频的信道估计算法进 行了详细的分析和研究，包括导频图案的选取、基于块状导频的信道估计算法 和基于梳状导频的信道估计算法。文章最后对常值插值算法、一阶线性插值算 法、c u b i c 插值算法以及d f t 插值算法进行了仿真分析比较，并且对各种插值 算法的复杂度进行了分析。仿真结果表明，对于典型的4 径电力线信道，当采 用b p s k 调制和q p s k 调制，导频点处采用l s 算法估计时，一阶线性插值算 法比其他插值算法的误码率更低，误码性能更好。 关键字：电力线通信；正交频分复用；信道估计；信道模型 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a bs t r a c t a sak i n do fc o m m u n i c a t i o n s ，p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o nu s e st h eu b i q u i t o u s p o w e rl i n ea st r a n s m i s s i o nm e d i at ot r a n s m i td a t a ，i m a g e ，v o i c ea n do t h e r m u l t i m e d i as i g n a l s p o w e rl i n en e t w o r kh a sn on e e dt or e w i r e ，a n di ta l s oh a st h e s e r i e so fa d v a n t a g e ss u c ha sw i d er a n g eo fd i s t r i b u t i o na n dc o n v e n i e n ta n df l e x i b l e a c c e s s ，s oi ti sc o n s i d e r e dt ob eo n eo ft h em o s tc o m p e t i t i v et e c h n o l o g i e st op r o v i d e b r o a d b a n di n t e r n e ta c c e s ss o l u t i o n h o w e v e r , t h ec h a r a c t e r i s t i c si np o w e rl i n e c h a n n e li n c r e a s e dt h ed i f f i c u l t i e so fc o m m u n i c a t i o n ，s oi th a m p e r e di t sn o r m a l d e v e l o p m e n t b u ta sa ni d e a lm o d u l a t i o nt e c h n o l o g yt or e d u c et h ea d v e r s ee f f e c t si n p o w e r l i n e c h a n n e l s ，o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o n m u l 石p l e x i n g h a sb e e n i n t r o d u c e di n t ot h es t u d yo f p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n t h ec o m m u n i c a t i o nc h a n n e li st h eb a s i so fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m a si ti s w i t ht h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，t h ep e r f o r m a n c eo f p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o ni s a l s oc o n s t r a i n e db yt h ep o w e rl i n ec h a n n e l w en e e du s ek i n d so fs i g n a lp r o c e s s i n g m e t h o d st oc o m b a tw i t ht h ei n f l u e n c ei n t r o d u c e db yp o w e rl i n ec h a n n e l s i no r d e r t oi m p r o v et h ec o m m u n i c a t i o np e r f o r m a n c e ，c h a n n e le s t i m a t i o ni si n d i s p e n s a b l e t h em a i nc o n t e n ti nt h i sa r t i c l ei sc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mi np o w e rl i n e c o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do nt h eo f d m t h ea r t i c l ef i r s ti n t r o d u c e st h ec o n c e p t o fp o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o na n di t sd e v e l o p m e n t ，a n dt h e ni td o e ss o m em a i n a n a l y s i so nt h ep o w e rl i n ec h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c sa n de s t a b l i s h e sap o w e rl i n e m u l t i p a t hc h a n n e l m o d e l i nt h ep r e s e n tr e s e a r c hr e s u l t sa th o m ea n da b r o a d ， o f d mc h a n n e le s t i m a t i o nt e c h n i q u e sc a nb ed i v i d e di n t ot h r e ec a t e g o r i e s ：t h ep i l o t s y m b o l a s s i s t e dm o d u l a t i o nc h a n n e le s t i m a t i o n ，d e c i s i o nd i r e c tc h a n n e l e s t i m a t i o na n db l i n dc h a n n e le s t i m a t i o n i nt h i sa r t i c l e ，t h ep i l o ts y m b o la s s i s t e d m o d u l a t i o nc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mi s a n a l y z e da n ds t u d i e d i nd e t a i l ， i n c l u d i n gt h es e l e c t i o no fp i l o tp a t t e r n ，b l o c kt y p ec h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h ma n d c o m bt y p ec h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m t h el a s tp a r to ft h ea r t i c l ei n t r o d u c e d s e v e r a li n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m s ，i n c l u d i n gn e a r e s ti n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m ，l i n e a r i n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m ，c u b i ci n t e r p o l a t i o na l g o r i t h ma n dt h ed f ti n t e r p o l a t i o n a l g o r i t h m m e a n t i m e ，t h es i m u l a t i o nw a sg i v e ni no r d e rt om a k ead e t a i l e da n a l y s i s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 li 页 a n dc o m p a r i s o nw i t h i nd i f f e r e n ti n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m s t h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tf o rt h et y p i c a l f o u r - p a t hp o w e r - l i n ec h a n n e l ，w h e nu s i n gb p s k m o d u l a t i o na n dq p s km o d u l a t i o n ，a n dt h ee s t i m a t i o na l g o r i t h mi np i l o tp o i n tb e i n g l sa l g o r i t h m ，t h el i n e a ri n t e r p o l a t i o na l g o r i t h mc a l lm a k et h eb i te r r o rr a t el o w e r c o m p a r e dw i t ho t h e ri n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m si nt h es y s t e m k e y w o r d s ：p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ；o f d m ；c h a n n e le s t i m a t i o n ；c h a n n e l m o d e l 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密d 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“) 学位论文作者签名：7 f 汗1 ， 日期：2 弓7 8 指导老师签名： 日期：工叩罗7 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： ( 1 ) 研究了电力线信道的特性，对电力线信道的噪声进行了仿真，并且 可以用文中的噪声模型所产生的噪声来代替实际电力线信道中的噪声，减少了 实际测量噪声数据的工作量，提高了仿真的准确性，并且仿真了电力线信道模 型，验证了电力线信道的衰落特性。 ( 2 ) 详细分析了梳状导频的信道估计算法，在典型的4 径电力线信道中， 通过对仿真参数的合理取值，验证了不同的调制方式与不同的插值算法之间的 结合对系统的影响，得到了最佳结合使用方式。 学位论文作者签名：7 1 ， 1 日期：厶7 8 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 在通信技术高速发展的今天，电力线通信( p o w e rl i n ec o n u n u n i c a t i o n ， p l c ) 作为一种廉价且高速的通信方式受到了人们密切的关注。电力线网络不 需要重新布线，覆盖面广，接入方便灵活，任何用电设备都需要以电力线作为 供电的媒介，因此以电力线作为接入网具有独特的优势。研究和发展电力线通 信技术，对于充分利用电力设施，最大程度的发挥电力资源优势，进而发展电 力通信产业具有深远的意义。但是电力线信道上的噪声干扰、衰减和多径传播 等特性在很大程度上增加了通信的难度，而正交频分复用( o r t h o g o n a l f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 技术具有高速传输数据的能力、高效 的频谱利用率和抗多径能力【l 捌，被认为是一种能有效削弱电力线信道上述各种 不良影响的理想调制技术，从而将其引入到电力线通信的研究之中。 然而，要想充分实现o f d m 技术所带来的性能的提高，还需要进行相关 关键技术的研究，而信道估计就是其中之一。信道估计是进行相关检测、解调 和均衡的基础，o f d m 多载波的出现为信道估计技术的应用提供了广阔的发展 空间。除此之外，信道的成本在整个通信系统中也占据着很大的比重，因此， 对广泛的业已存在的电力线通信信道进行信道估计有其特有的经济意义和实 用意义。 1 2 电力线通信简介 随着社会信息化程度的提高，网络已经完全融入了人们的生活，成为人们 日常生活中不可或缺的组成部分。并且人们对信息的需求已经从单纯的数据信 息转向音、视频等多媒体信息，因此，现在急切需要种可靠的接入方式来适 应大容量、高速率的数据、视频，图像、语音等高质量信息的传输和服务。科 技的迅速发展，技术的不断进步，使电力线已成为种新型的宽带接入技术， 越来越被广大民众所推崇。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 1 电力线通信的概念 电力线通信简单来说就是利用已有的几乎无所不在的电力线作为通信载 体，传输高速数据、话音、图像等多媒体业务信号的一种通信方式【3 】，它利用 1 6 m 3 0 m 4 】频带范围传输信号。 电力线通信设备分为局端和终端调制解调器，局端主要负责与内部p l c 调制解调器的通信和与外部网络的连接。在通信时，来自用户的数据进入调制 解调器进行调制后，通过用户的配电线路传输到局端设备，局端将信号解调出 来，再转到外部的i n t e m e t 。典型的p l c 网纠5 j 如图1 1 所示： 图1 - 1 典型的p l c 网络 1 2 2 电力线通信的发展状况 一二_ ： 糯r u 粕k 警台 ， 一1 ：， 一 电力线通信萌芽于2 0 世纪2 0 年代，其发展历程可以划分为3 个主要阶段， 如表1 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 表1 1 电力线发展的三个阶段 阶段电压v载波频率删z应用领域 萌芽阶段 1 1 0 0 0 1 0 0 宽带多媒体数据通信、家庭楼宇智能网络、高速接入 电力线通信作为一种新颖的通信方式在最近几十年得到了足够的重视。国 内外许多学者对电力线中的高速数据传输技术做了大量的研究，很多的产品也 相继问世。除了高速数据调制解调技术、耦合技术、网络协议外，研究者们还 围绕着电力线通信技术的基本理论( 包括信道多径衰落模型、信道的测量和分 析、信道噪声特性等【6 ，7 j ) ，电力线通信所采用的关键技术，实现方式以及o f d m 技术应用于电力线通信等问题都进行了大量的研究。尤其是近年来，随着人类 步入到网络时代，上网人数急剧增加，利用电力线接入i n t e m e t 即通常所说的 “电力线上网”成为学者们研究的一个新热点，并取得了一些相关的研究成果， 主要包括电力线调制解调芯片的研究生产以及相关规范的制定，这些成果对于 电力线通信的发展起到了至关重要的作用。 欧盟为了促进p l c 技术的发展，从2 0 0 4 年1 月1 日开始启动了一个称为 o p e r a ( o p e np l ce u r o p e a nr e s e a r c h a l l i a n c e ) 的计划，旨在联合欧洲的主要 p l c 研究开发力量致力于制定欧洲的p l c 统一技术标准、推动大规模商业化 应用，并将p l c 作为实现“e e u r o p e ( 信息化欧洲) 的重要技术手段。美国联 邦通信委员会( f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i t t e e ，f c c ) 一直在鼓励启用新 的基于现有设施的宽带平台，促进美国的宽带业务。2 0 0 4 年2 月1 2 日，f c c 批准了对某些技术规则的修改意见，目的是通过促进电力线宽带接入技术的推 广应用，把美国电力网的巨大潜力利用起来。美国、欧洲等国许多大的电力企 业也在积极进行中压及低压p l c 的试验，美国的c i n e r g y 等1 7 家电力企业、 德国、奥地利、西班牙等1 5 个欧洲国家的3 2 个电力企业建立了p l c 试验网 络，德国的m v v 公司还进行了p l c 商业化运营。亚洲开展p l c 研究和试验 的国家和地区除中国大陆外，还有日本、韩国、新加坡、中国香港、中国台湾 等地，日本的东京电力、新加坡电力、香港中华电力等都建立了一定规模的试 验网络。 p l c 在我国应用起步较早，但与欧美相比，仍然处于初级阶段。国内p l c 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 技术的发展以中国电力科学院、国电中心为代表。1 9 9 9 年，国电通信中心开始 跟踪国外p l c 技术发展；2 0 0 0 年研制出国内第一套传输速率为2 m b p s 的p l c 产品；2 0 0 2 年3 月，引进欧洲p l c 产品进行语音传输试验，在我国第一次实 现利用电力线同时上网和打电话。2 0 0 2 年5 月，采用国内电力线系统研制的产 品，开通了第一个由国内电力系统自主研发的p l c 宽带接入系统。2 0 0 1 年和 2 0 0 3 年分别研制出传输速率为1 4 m b p s 和4 5 m b p s 的产品，并于2 0 0 3 年和沈 阳供电公司合作在沈阳开通了国内第一个4 5 m b p s 全电力线接入的宽带小区， 实现了宽带上网、视频点播、数字化小区管理等功能【8 】。截止到2 0 0 5 年5 月， 仅北京地区，电力线宽带接入试验网已覆盖5 0 0 多个居民小区，接入楼字4 0 0 0 栋，开通用户4 0 0 0 0 余户。到2 0 0 5 年1 1 月，电力线通信宽带接入用户达到5 6 5 2 4 户，覆盖用户近6 0 万，构建了世界上最大的p l c 宽带接入用户试验运营网络。 目前p l c 已经发展到第三代全数字p l c 。在全数字p l c 中可以采用 当前先进的数字信号处理技术，因此可以大大提高p l c 的容量和质量，使得 p l c 作为最后一公里解决方案成为可能。 1 2 3 电力线通信的优势 与其他接入方式相比，电力线通信具有以下优势【9 j ： 1 投资少：由于电力线通信是以电力线路为传输媒介，因此电力线通信可 以充分利用现有的配电网络基础设施，无需重新布线，从而节省了巨大的新增 基础建设投资。截止到2 0 0 8 年底，全国电网2 2 0 k v 及以上输电线路回路长度 达到3 6 4 8 万公里，可绕地球赤道8 圈多。而我国目前电话用户只有3 亿3 5 3 l 万，但电力线网络已经遍布了全国各地，显然现已存在的电力线是提供上网服 务的巨大物质基础，直接在覆盖全国电力网络上架构互联网连接将比现在铺设 光纤的方式节省大量的人力、物力和财力。 2 连接方便：现在2 2 0 v 低压电力线几乎已经接入到每一个普通家庭中， 因此家庭用户在需要宽带上网时，就可以利用电力线来轻松实现因特网接入， 不需要重新添置其他设备，只需在已经安装好的万能插座上插入电源插头就可 以方便的连接到因特网中，所以电力线上网技术被认为是提供“最后一公里 解决方案最具竞争力的技术之一。 3 传输速率高：电力线通信能够提供1 4 m b p s 以上的通信速率，远远高于 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 拨号上网、i s d n 及a d s l ，足以支持现有网络上的各种应用。而且能够将整 个家庭的电器和网络联为一体，在室内的设备之间构筑起可自由交换信息的局 域网，使人们能够通过网络来控制自己家里的电器设备，为构建智能化家庭网 络提供了很好的基础。 4 时时在线：电力线通信网络是永远在线的，属于“即插即用”，避免了 繁琐的拨号过程，接入了电源也就相当于接入了网络。 5 移动方便：不管在任何场所，只要有电源插座，就可立即拥有电力线通 信带来的高速网络享受。 1 2 4 电力线通信的发展前景 新世纪是国际互联网规模和速度发展最快的时期，其用户规模每年都在以 指数倍的速度增长，从最初的高科技数据网络发展成为人们工作、学习、生活 中必不可少的桌面工具。根据中国互联网络信息中心于2 0 0 9 年1 月发布的中 国互联网络发展状况统计报告所给出的数据，截至2 0 0 8 年底，我国网民规 模达到2 9 8 亿人，较2 0 0 7 年增长4 1 9 ，互联网普及率达到2 2 6 ，略高于 全球平均水平的2 1 9 。继2 0 0 8 年6 月我国网民规模超过美国，成为全球第 一之后，我国的互联网普及再次实现飞跃，赶上并超过了全球平均水平。 p l c 技术施工方便、使用灵活，能够利用业已存在的电力网这一广泛的基 础设施把宽带网络接入到每个家庭，节省了在接入方式上的重复建设，对于推 进中国数字化进程必定会产生积极的作用。于此同时，p l c 技术在远程抄表、 配网自动化、营销自动化、负荷管理等方面的广泛应用，将为实现我国电网配 售侧自动化、建设电力信息化平台，提供一个良好的网络基础和解决方案。 此外，电力线通信在家庭组网中也具有独特的优势。随着智能化楼宇和家 庭自动化的发展，人们期望通过简单的自动化控制就可以实现家用电器、报警 系统等设备的自动化管理，而通过将所有用电器连接在一起的电力线进行通 信，就可以方便的进行家庭组网，实现家庭自动化、办公自动化；又由于室内 随处可见的电源插座，使得通信设备可以即插即用，移动方便；无新线布局避 免了错综复杂的室内布线，更符合当今居室人性化的要求。 相信随着p l c 技术标准的制定，p l c 产业链的形成，市场化的推广，p l c 事业必将走向健康有序的发展道路。电力线通信这一通信奇兵，必将引起通信 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 领域从技术到政策变革的狂潮，同时也将真正地为用户创造出数字化家庭网络 生活。 1 3 电力线通信信道估计研究现状 现在，对信道估计方法的研究主要包括基于导频的信道估计方法、基于判 决反馈的信道估计方法和盲信道估计法，但是这些方法的应用主要集中在无线 通信领域方面，而对于基于电力线信道的研究相对来说还比较少。 文献 1 0 提出了竞争神经网络的概念，利用神经网络查找星座调制图，而 且不需要电力线的先验知识，并通过仿真得到该算法对脉冲噪声和非线性有很 好的抑制作用。文献 1 1 】针对电力线信道的慢时交性这个特点，提出了o f d m 系统中基于判决反馈的信道估计方法。该信道估计只需要延迟一个o f d m 符 号，能够保证信道的实时估计，符合实时通信的要求。文献 1 2 】提出在通信过 程中采用信道训练及信道估计与数据通信同时进行的技术方案具有系统稳定、 节省带宽及通信质量好等优势。文献 1 3 通过对基于o f d m 系统的低压电力线 通信信道估计的各种算法的比较和优缺点的分析，得出对于慢时变的电力线信 道，直判法是更合适的信道估计算法。当具体到实际的估计算法中，可以使用 l m s 或r l s 自适应算法对信道进行估计，对估计值进行频域滤波，可以降低 噪声的影响，进一步提高算法的性能。文献 1 4 提出了c e o c ( c h a n n e l e s t i m a t i o nb yu s i n go r t h o g o n a lc h a n n e l s ) 算法。这种信道估计方法能既保留 o f d m 系统原有的优点，同时又能跟踪信道变化、降低计算复杂度，这种信道 估计算法可以有效克服电力线信道快衰落的影响。文献 1 5 通过o f d m 低压电 力线通信信道估计的各种算法的比较和优缺点的分析，基于慢时变信道特性的 l m s 自适应信道估计实现简单，运算量小，信道利用率高，且对于突变衰减 稳定度高，是一种更合适于电力线的信道估计算法。具体到实际的估计算法中， 可以采用变步长的自适应算法，进一步提高算法的信道跟踪性能。文献 1 6 建 立了实测数据下低压电力线统计自回归模型，并作为o f d m 低压电力线通信 系统的信道，并在分析现有o f d m 信道估计方法特点的基础上，把能够自适 应跟踪信道变化的l m s 信道估计方法应用在o f d m 低压电力线通信中。该算 法能够较好地估计信道值，具有良好的信道估计性能。同时提出该方法的进一 步研究方向：如何使算法可以协助抵御低压电力线信道存在的突变衰减，进一 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 步提高该算法对o f d m 低压电力线通信系统的适用性。文献【1 7 】根据低压电力 线具有明显的多径传输特点，慢时变的信道特性，在适当选取更新因子的情况 下，l m s 自适应信道估计算法下的系统性能可以达到通信的要求。于此同时 为了进一步提高算法的信道跟踪能力，文章利用低压电力线的多径传播特性对 l m s 算法的更新因子进行修正，提出一种改进算法，通过对改进前后算法误 码率比较，得到改进后算法的误码率相对于改进前有较明显的下降，即改进后 算法具有更好信道估计性能；改进后信道估计的均方差也明显低于改进前，说 明改进算法对低压电力线具有更好的信道跟踪性能。 1 4 本文组织结构及内容安排 信道估计技术是o f d m 系统的关键技术之一，低压电力线信道可归纳为 一个多径衰落信道与加性噪声的组合。本文主要研究基于导频的信道估计技 术，并利用m a t l a b 在此信道模型上进行了仿真。 论文的具体安排如下： 第一章是全文的绪论，主要对电力线通信的情况进行了简要的介绍，包括 电力线通信的概念、国内外的发展状况、电力线通信在实际应用中的优势以及 应用于电力线信道的信道估计方法。 第二章主要介绍了电力线信道的特性，针对电力线信道的衰减特性、阻抗 特性、噪声特性和时变特性做了理论分析，并根据其特性建立了电力线信道模 型和噪声模型，并对电力线信道中的噪声和典型的4 径电力线信道进行了仿真。 第三章主要对o f d m 的原理进行了介绍，论述了o f d m 技术在电力线通 信中的应用优势，并简单的介绍了o f d m 系统中三种信道估计方法，以及在 此基础上形成的信道估计模型。 第四章主要介绍了基于导频的电力线信道估计方法，包括对导频图案的选 取、基于块状导频的信道估计方法以及基于梳状导频插值方法。文章最后对常 值插值算法、一阶线性插值算法、c u b i c 插值算法以及d f t 插值算法进行了仿 真分析比较，此外，还对不同调制方式下的同插值算法进行了比较，以及对各 种插值算法的复杂度进行了分析。 第五章最后总结了全文，并对未来可继续进行的工作作了展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 1 引言 第2 章电力线信道特性分析 在整个通信系统中，信道的硬件成本占有较大的比重，特别是在远距离的 通信系统中，信道成本在整个系统成本中所占的比例就会更大。因此可以说， 降低通信系统的成本，从减小信道成本着手是一种行之有效的方法。减小信道 成本首先考虑的就是充分利用已有的传输媒介，从目前状况看，可用于信息传 输的媒介是入户率最高的低压电力线，其入户率几乎达到了1 0 0 。因而，采 用电力线载波技术将电力线作为通信信道，是目前信道研究的一个重要方向。 电力线是一种分布极为广泛的线路资源，利用低压电力线作为通信线路可 以有效的降低投资和线路的维护成本。然而，低压电力线本身是用来传输5 0 h z 或6 0 h z 交流电的，并非专用通信线路，它与传统的通信传输介质，如双绞线、 同轴电缆、光纤等不同，具有特殊的网络拓扑结构和传输特性。大量的测量表 明，低压电力线网络存在着各种噪声，而且对传输的信号具有较高的频率选择 性衰落。此外由于传输阻抗的不匹配，在信号的传输过程中，信号在网络节点 上的反射和折射，进一步引起多径效应。 为了更好的利用广泛存在的电力线网络，有必要对电力线信道进行分析和 研究，针对电力线信道的特性采取相应的措施以便获得更好的通信性能。 2 2 电力线信道特性分析 电力线的传输特性是指信号在配电网中进行传输时的传输衰减特性，即信 号传递函数的幅频与相频特性或群延时特性【l 引。目前，对电力线信道特性研究 主要是对低频段和高频段的试验研究。国内外主要将研究工作放在了各种频率 范围内信道特性的测量上。o l a fgh o o i j e n 对荷兰阿姆斯特丹市一居民区低压 电力线网络的通信信号在9 一- 9 5 k h 频率范围内的信号幅度衰减和相移，噪声 分布进行了大量的分析 1 9 1 ；m o r g a nh l c h a n 和r o b e r tw d o n a l d s o n 研究了5 个不同建筑物内配电线路在2 0 - - 一2 4 0 k h z 频率范围内一些离散频率上信号幅度 的衰减规律【2 叫；m a s a o k it a n a k a 研究了一日本建筑物内电力线上1 0 k h z - - 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 1 0 m h z 频率范围内的一些离散频率上信号在短距离( 3 0 m ) 的传输损耗及噪声 功率谱分析【2 1 】；c h e n s e n 研究了德国p a d e r b o n 大学实验室内的低压电力线l 3 0 m h z 的通信信号传输特性【2 2 】；d l i u 等研究了美国一居民区内电力线通信信 号在l - - 6 0 m h z 频率范围内的平均衰减与延时以及噪声的分布【2 3 】；针对我国电 网的特殊性，华北电力大学的翟明岳教授分别对办公大楼和住宅楼中的电力线 信道衰减特性和噪声特性做了理论分析和实地测量，并且得出重要结论：同时 考虑信道衰减特性和存在的噪声，2 m i - i z 1 0 m h z 间的频率范围适合高速数据 传榭2 4 2 5 1 。 2 2 1 衰减特性分析 电力线信道对各种频率信号衰减程度是电力线通信选择载波频率的主要 依据【2 6 1 ，而低压电力线一般是由电的良性导体加工而成，其本身的阻抗很小， 对不同频率的信号，其阻抗略微有些变化，但是相对来说变化比较稳定，因此， 可以认为电力线本身的阻抗并不是产生衰减的主要原因。 信号的衰减主要取决于信号经由的路径和网络上所连接的负载 2 7 , 2 8 j 。低压 电力线网络分支众多，负载随机的接入或断出使通信系统所要求的最基本的阻 抗匹配都不能做到，所以信号会遇到反射、谐振等现象，使信号的衰减特性非 常复杂。 一般来说，频率越高，衰减越厉害，但对于某些频率，由于负载产生的共 振现象，会使衰减突然地迅速增加。此外，高频信号在低压电力线上传输时， 随着工频交流电的变化，高频信号的衰减会出现周期性的变化，在不同的时间 段和不同的地点，衰减幅度也不同，有时会出现很大的变化。 总的来说，衰减随着通信距离的增加而增加，信号传输距离越远，衰耗越 严重。研究表明【2 叭，信号的衰减是距离的函数，一般为4 0 - 1 0 0 d b k m ：在农 村的衰减最大，5 0 0 m 就达到5 0 d b ；在城市，2 5 0 m 大约2 0 d b ：在郊区，2 5 0 m 亦能达到2 5 d b ；但在工业区衰减较小，7 5 0 m 长的线路仅为3 0 d b 。 2 2 2 阻抗特性分析 低压电力线载波通信的输入阻抗是指在信号发送端和接收端间的电网的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 等效阻抗【3 0 】，它的大小直接影响到信号耦合的效率，是低压电网用于信号传输 的一个重要参数f 3 。 低压电力线上的输入阻抗与所传输信号的频率密切相关【3 2 1 。电力线通信网 络可看成由许多电阻、电容和电感组成的网络，信道的电参数随着时间、地点 的变化而发生变化，在同一时刻不同地点测得的输入阻抗是不同的，导致电力 线的输入阻抗产生较大幅度的变化。由于低压电力线输入阻抗的剧烈变化，使 得发送设备的输出阻抗和接收设备的输入阻抗难以与之保持匹配，从而给通信 系统的设计带来相当的困难。 2 2 3 噪声特性分析 电力线通信的最大干扰是噪声，其主要来源是连接在电力线上的所有负 载，以及无线电广播、天电等。当信道噪声很大时，必然要求增大信号的发射 功率来满足信号传输的要求，这样，就导致了产品成本额外增加。 电力线的网络结构复杂，连接有众多负载设备，因此信道所受的噪声影响 要比通常的通信线路复杂的多，而不能简单的归为加性高斯白噪声。 m z i m m e r m a n n 将低压电力线信道的噪声分成5 类【3 3 j ： ( 1 ) 有色背景噪声：这种噪声随频率发生变化，具有相对低的功率谱密 度。它主要由电力线上的各种低功率的噪声源产生的，其功率谱密度随时间的 变换而缓慢地发生变化，随频率的增加而减小。 ( 2 ) 窄带噪声：一般由中、短波广播造成的，它的频带很窄，干扰强度 在一天里变化不定，一般情况下，夜里干扰比较严重，而白天的干扰较小。 ( 3 ) 与主频率( 5 0 h z ) 异步的周期脉冲噪声：主要是由电网上的大功率 电器设备开关的开闭造成的，其功率谱是离散的谱线，重复率在5 0 k h z 到 2 0 0 k h z 范围之间。 ( 4 ) 与主频率同步的周期脉冲噪声：它主要是由与电网同步的电源开关 ( 可控硅器件) 工作时造成的。这种噪声脉冲的持续时间很短，频率覆盖范围 大，功率大，功率谱密度随频率的升高而下降。 ( 5 ) 异步脉冲噪声：闪电或网络上负载的开关操作会产生脉冲噪声，每 个脉冲噪声都会影响很宽的频带。它们的到达时间是随机的，持续时间从几微 秒到几毫秒，脉冲噪声的功率谱密度有时会比背景噪声高出5 0 d b ，是电力线通 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 信的最大障碍。 前3 种噪声为稳态的背景噪声，可以描述为加性高斯白噪声( a w g n ) ； 而后两类噪声，虽然持续时间很短，但其功率谱密度高，一旦发生就可能产生 数据通信的错位或突发性错误，因此被认为是电力线通信产生突发错误的主要 原因。 l-i，b 根据文献蚓中所提出了噪声模型：矿( f ) = 4i ( s i n ( 2 m 7 , , c + q ) ) l ，其中 ，；田 k 0 ，l ，2 ，l - 1 ，乙c 为交流电的周期，用表2 1 所示的参数，我们对电力线 信道中的噪声进行仿真得到信道噪声图： ；6 ” f 6 fi !洲 1 ： 川 j 。； i j i ； ” ”， j 图2 - 1 噪声仿真图 其中噪声仿真参数如下表所示。 表2 - 1 噪声仿真参数 z 46 l ( d e g )啊 00 2 3 0o0 11 3 8- 61 9 l 27 1 7- 3 5 1 5 7 l o 。 可以根据所给出的噪声模型来产生电力线通信系统中的真实噪声，除了保 证了信道噪声的真实性外，还避免了测量噪声带来的工作量上的增加。 作为电力线通信系统的最大干扰，噪声很难直接定性定量地描述，但是也 有一定的规律性可以遵循，比如噪声随频率的增高有下降的趋势3 5 1 ，并且无论 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 噪声多么复杂，都是由各种特定性质的噪声叠加而成，如图2 2 所示。 2 2 4 时变特性分析 图2 - 2 噪声分类图 由于低压电网上众多负载的不断接入、切出，电器的开关等各种事件随机 的发生，使得低压电力线的阻抗、信道衰减以及噪声特性也随机的发生变化。 文献 3 6 1 经过实际测量对此做了研究并给出了确切的描述。一般情况下，低压 电力线通信信道快衰落的变化幅度非常小，可以认为保持恒定不变，因此低压 电力线信道在较长的码元时间里可以按照慢时变信道来处理。 图2 3 给出了0 1 6 m h z 的低压电力线信道在一个小时内的衰减曲线【3 7 】： a t l e n u a t i o nv a r y i n gi no n eh o u r 图2 3 低压电力线频域衰减特性 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 可以看到，衰减特性曲线在很长时间内基本是相同的，因此，可以认为在 较长的码元周期内信道传输特性是慢时变的。 综合以上的分析，低压电力线信道的时变性可以描述为：低压电力线传输 特性的变化具有随机性，但在一段时间内是慢时变的。 2 3 电力线信道模型 电力线网络具有节点众多以及分支和节点不匹配的特点，因此决定了信号 的多径传播特性，以及频率选择性衰落特性。电力线的信道模型可表示为：一 个带加性干扰噪声的时变滤波器与一个多径时延和衰减信道的线性组合【3 3 1 ， m z i m m e r m a n n 和k l a u sd o s t e r t 经过大量的实际测量，应用统计的方法得出多 径时延与衰减信道模型的频率响应函数为： m 日( 厂) = & 彳( 4 ，f ) e 一2 玎畸 ( 2 1 ) 其中：m 为信旦厶匕i = j b 够到达接收机的路径数，称为多径数；g i 是第i 条路径的加 权系数；互为第f 条路径的时延，互= 喀c o ，c o 为光速，e r 为电力线介电 常数。a 为信号衰减函数，由发信机与接收机之间的距离d 和信号的载波频率 厂决定，其表达式为： 彳( 吐，) = e - ( 嘞坶广4 ( 2 2 ) 其中：a o 、q 为衰减系数；k 为衰减因子的指数，在0 5 , - 。1 之间；& 、 磁、k 均是m z i m m e r m a n n 和k l a u sd o s t e r t 经过大量的实际测量，运用统计规 律得出的【3 8 1 ，吐为路径f 的长度。例如对一个典型的4 径网络，当k = 1 时，其 衰减系数为= 0 ，- - 7 8 x 1 0 1 0 s m ，c o = 3 x 1 0 8 m s ，= 3 8 ，其它具体 参数如表2 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 袁2 - 2 典型4 径网络参数 路径编号 加权系数g 。路径长度以( m ) l0 6 42 0 0 2o 3 82 2 2 4 3- o 1 52 4 4 8 4 0 0 52 6 7 5 现在对电力线4 径信道进行仿真，仿真参数如前所定义以及表2 2 ，得到 4 径电力线信道模型的频率响应的幅频特性曲线如图2 - 4 所示： 4 经电力线信道模型的幅频特性曲线 2 - -、 、i v； 、 v 、 广一。 1 1 21 41 61 82 频率h 2 x1 0 7 图2 44 径电力线信道模型的频率响应的幅频特性曲线 从图2 - 4 中可以明显看出电力线信道的衰落特性，随着频率的增加，衰减 也在增大，而且在某些频率范围内存在严重后果的频率选择性衰落。 在实际的电力线信道中，多径的数目无法知道，然而在进行理论分析时， 多径的主要数目m 一般小于6 ，这是因为从远处反射的信号强度都很微弱，在 实际应用中可以忽略。但是模型的精确与否完全取决于反射路径的数目：多考 虑一条路径，模型的精确性就会得到相应的提高。 图2 5 表示的是电力线信道的多径传输模型。 o o 4 占 $ 加 舶 州 舶 m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 妁 图2 5 信道多径传输模型 综合考虑发送端和接收端的输入输出阻抗、信道的传输函数、噪声等各种 因素，最后得出电力线信道模型如图2 6 所示。 囹