（通信与信息系统专业论文）电力线通信关键技术研究.pdf

e 塞銮道厶堂亟堂位监塞生童塑至 中文摘要 摘要：随着h i t e m e t 的发展，高速电力线通信己经成为了通信领域的研究热点之一， 在电力线网络中实现可靠的高速率通信将成为通信领域的一个巨大突破。 本文首先介绍了电力线通信基本概念，关键技术，国内外发展状况以及 h o m e p l u gh v 标准的基本规范；接着分析了电力线信道及噪声模型，并做了相应的 仿真；随后对电力线通信物理层的核心技术0 f d m 基本原理作了较详细的分析，从 理论上分析了o f d m 技术应用于电力线通信的优点，并通过仿真验证了o f d m 较单 载波b p s k 在抑制电力线脉冲噪声方面的优势，以及o f d m 载波数对其抗脉冲噪声 性能的影响：稍后为0 f d m 引入了一种特殊的编码交织技术，使其可以同时解决窄 带干扰和时域脉冲干扰；最后总结了o f 嗍自适应分配技术的基本理论，介绍了 h o m e p l u g a v 标准的电力线基带系统模型，并将两种比特分配算法应用到该模型中， 信道模型采用了h o l g e rp h i l i p p s 模型，信道估计采用理想估计及l s 估计两种情 况，仿真结果表明，两种比特分配算法在理想与非理想信道估计的情况下，都能 达到最新电力线通信标准h o m e p l u g a v 物理层的期望数据速率，且有一定的余量， 至于两种算法的优劣，二者依据应用条件的不同而表现出不同的特点，另外，在 信道估计不够准确时，如果高元调制方式出现性能截止的情况，会对算法的实现 造成一定影响，这个问题有待继续研究。 关键词：电力线通信；噪声模型；信道模型；正交频分复用；比特分配算法 分类号：t n 9 1 5 8 5 3 e 塞窑墟厶堂亟堂位论塞旦s 王b 至 a b s t r a c t a b s t r a c t ：t 1 l eh i g hs p e e dp o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ( p l c ) h a sb e e no n eo ft h e h o t s p o t si nc o m m u n i c a t i o nf i e l d ，t oa c h i e v eh i 曲s p e e da n dr e l i a b l ec o m m u n i c a t i o ni n p l cn e t w o r kw i l lb eaq u a n t u ml e a pi nc o m m u n i c a t i o nf i e l d t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c et h eb a s i cc o n c e p t i o no fp l c ，t h e nw ea n a l y s et h en o i s e a n de h a u n e lm o d e lo ft h ep l c ，t h e nw ea d o p to f d ma n ds i n g l ec a r r i c rb p s k s e p a r a t e l ya s t h em o d u l a t i o nt e c h n o l o g yf o rp l c ，a n dt h er e s u l to ft h es i m u l a t i o n s h o w e dt h a to f d mi sm o r ee f f i c i e n tt h a nb p s ki nr e s i s t i n gt h ep l c i m p u l s en o i s e , a n d w ea l s og i v et h et h e o r e t i c a la n a l y s i so fw h yo f d mi sb e t t e rt h a nb p s k a f t e rt h a t ，w e i n t r o d u c eap r o p e ri n t e r l e a v i n gt e c h n o l o g yf o ro f d m ，a n dt h i ss p e c i a lk i n do f i n t e r l e a v e rc a np e r f e c t l yo v e r c o m et h en a r r o wb a n di n t e r f e r e n c ea n di m p u l s en o i s ea t o n et i m e a tl a s t ，w es u m m a r i z et h eb a s i ct h e o r yo fa d a p t i v el o a d i n ga l g o r i t h m s ，a n d i n t r o d u c et h eb a s e b a n dm o d e lo fh o m e p l u ga v ( as t a n d a r do fp l c ) ，t h e nw es i m u l a t e d t w ok i n do fb i tl o a d i n ga l g o r i t h m sb a s eo nh o m e p l u ga vm o d e l ，t h ec h a n n e lm o d e lw e a d o p t e di sh o l g e rp h i l i p p sm o d e l ，t h ec h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m sw eu s ea r ei d e a l e s t i m a t i o na n dl se s t i m a t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w e dt h a tb o t ho ft h eb i tl o a d i n g a l g o r i t h mc a na c h i e v et h ee x p e c t e db i tr a t eo fh o m e p l u ga vs t a n d a r d ，i na d d i t i o n , i ft h e c h a n n e le s t i m a t i o ni sn o ta c c u r a t e l ye n o u g h , t h ep e r f o r m a n c ef l o o rm a yo e e u r o dw h i l e u s i n gh i g hl e v e lm o d u l a t i o n ，t h i sk i n do f p h e n o m e n am a ys t o pt h eb i tl o a d i n ga l g o r i t h m f r o mw o r k i n gn o r m a l l y k e y w o r d s ：p o w e r l i n ec o m m u n i c a t i o n ；n o i s em o d e l ；c h a n n e lm o d e l ；o f d m ； b i t - 1 0 a d i n ga l g o r i t h m s c l a s s n o ：t n 9 1 5 8 5 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：西恒 签字同期番。， 年陪月“- 开 导师签名： 黼期哆7 诉 北京交通人学硕十学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者躲渺匝签字嗍。，。7 年俗月巧晶 致谢 本论文的工作是在我的导师贾怀义研究员的悉心指导下完成的，贾怀义老师 严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年 来贾怀义老师对我的关心和指导。 冯锡生教授悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向冯锡生老师表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期问武桦、彭莉莉、陶柁丞、俞惠等同学对我论 文中的一些研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人和朋友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学 _ k 。 引言 1 引言 随着社会信息化程度的提高，网络已成为人们生活中不可缺少的一部分。由 于人们对信息的需求已从单纯的数据信息向交互式多媒体信息发展，所以急需一 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 信息的传输与服务。目前常用的是i s d n ( 综合业务数字网) 、a d s l 、光纤网 等效能较高的接入方式。但是，随着科技的迅速发展，电力线已成为一种新型的 宽带接入技术，并且有着良好的发展前景。 电力线载波通信( p l c ) 利用输电线路作为信号的传输媒介，人们利用电力线 可以传输电话、电报、数据和远方保护信号等。由于电力线机械强度高，可靠性 好，不需要线路的基础建设投资和日常的维护费用，因此p l c 具有较高的经济 性和可靠性，在电力系统的调度通信、生产指挥、行政业务通信以及各种信息传 输方面发挥了重要作用。随着电力部门逐步实现调度自动化和管理现代化，p l c 日益受到重视。而且随着家庭自动化和智能大楼概念的出现，p l c 能方便地为各 种设备( 如警报系统的传感器) 提供通信链路。近年来低压p l c 作为最后一公里的 一种解决方案也已经取得成功，特别是在小区内采用低压网作为局域网的接人方 案已经投入使用。因此p l c 由于其经济、可靠性而逐渐受到人们的重视。 1 1 电力线通信的基本原理 1 i 1 什么是p l c 通常，我们上网的方式一般有：利用电话线的拨号x d s l 方式；利用h f c 双向有线电视线路的c a b l em o d e m 方式，或利用双绞线的l a n 方式，及利用无 线技术的l m d s 或w l a n 方式。现在。随着最新的电力线通信( p l c p o w e rl i n e c o m m u n i c a t i o n ) 技术的发展，我们又多了一种更经济、灵活、方便的宽带接入 方式一电力线通信( p l c ) 方式即通过电力线实现高速上i n t e r a c t 网。 电力线通信( p l c ) 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，加上一些p l c 局端和终端调制解调器，将原有电力网变成电力线通信 网络，将原来所有的电源插座变为信息插座的一种通信技术。p l c 局端设备负责 与内部p l c 终端设备的通信和与外部i n t e r n e t 网络的连接。p l c 终端设备负责将 来自用户的数据通过电力线路传输到局端设备，局端将信号解调出来接入外部的 i n t e m e t 。 北京交通人学硕+ 学位论文 电力线通信网络建成后，用户只要在房间任何有电源插座的地方，把p l c 终 端电力调制解调器的一端插到电源插座上，一端接到电脑，不用拨号，就立即可 享受最高达4 5 4 5 m b p s 的高速网络接入，来浏览网页、拨打v o i p 电话和在线观 看电影，从而实现数据语音、视频以及电力于体的”四网合一41 而且在室内组 网方面，计算机、打印机、v o i p 电话和各种智能控制设备都可通过普通电源插座， 由电力线连接起来，无需网络布线，便可组成局域网，高速共享i n t c t n e t 网资源。 现有的各种网络应用：如话音、电视、多媒体业务、远程教育等，都可通过电力 线向用户提供，从而可实现宽带接入网和室内组网的多网合一。另外，可将房屋 内的电话、电视、音响冰箱等家电利用p l c 连接起来，进行集中控制，实现“智 能家庭”的梦想。日前。p l c 主要是作为一种接入技术，提供宽带网络“最后一 公里”的解决方案，适用于居民小区，学校，酒店，写字楼等领域。 1 1 2p l c 关键技术 p l c 传输技术，是为提供端到端接入而设计的。它贯穿了从家用电源插座和 最终用户终端到电信网络的入口点。p l c 技术利用室内电源线网络将口包从用户 p c 传送至一个家庭室内入口点的集成器，在这一入口点，另外一个传输段利用低 压配电网将数据传输至同时为多个家庭提供电源的变压器。p l c 技术主要包括这 么几个要素： 电力线网络单元( e n i d ，它负责控制电力线网络并从单元配电网集成话 务。通过适当的电信干线接口，p n u 再将话务传至馈电网络根据馈电网络中使 用的不同介质，p n u 也可转换来自低压配电网的数据话务。 电源线网络终端( p n t ) ，它为最终用户p c 或其它用户提供适当的接口， 如以太网或是u s b 。为了降低成本，这独立设备能够和p c 或其它设备相集成。 耦合设备( c o u p l i n g u n i o 是将信号传入线路并过滤噪音的。目前它还是一 个插销插入电插座的相对独立的设备，今后它可能会和p l c 调制解调器集成于一 体。p l c 调制解调器和p c 内的耦合设备的集合体有一天将使p c 可以直接在网上 运行。 一一正交频分多路复用技术( o r t h o g o n a lf 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1 可以提高电力线网络传输质量。它是一种多载波调制技术。传输质量 的不稳定意味着电力线网络不能保证如语音和视频流这样的实时应用程序的传输 质量。然而对于传输突发性h t e r n e t 数据流它却是个理想的网络。即便是在配电网 受到严重干扰的情况下，o f d m 也可提供高带宽并且保证带宽传输效率，而且适 当的纠错技术可以确保可靠的数据传输。 2 引言 介质接入控制( m a c ) ，运用其很强的带宽分配能力，使电源线网络不 仅能支持其基本用户的数据交换，而且能灵活地适应以不同速率传输的上行和下 行数据。 1 2p l g 与其它接入技术的比较 当前，宽带接入在我国逐步升温，技术选择也日益多样化。随着因特网的迅 速发展，网上话音通信、音频视频广播和宽带交互式新媒体的出现及发展对接入 网带宽的要求越来越高，带宽不足将制约社区信息化发展。个人用户对高速上网、 多媒体娱乐、远程教育、在线证券等需求增加，对可视电话等视频终端需求加大， 并对话音、视频等实时性应用要求提高。因此，没有足够的带宽，视频点播( v o d ) ， 音乐及电影的下载、远程教育及医疗服务、可视电话，视频会议、可视电子邮件 等新型服务都将难以开展。 基于我国现有网络的技术和现状，目前用户接入方式主要有以下几种：基于 现有固定电话线路的x d s l ( 数字用户线路) 技术、基于现有有线电视线路日( 力= i 以i “卫。2 1 _ ( 2 2 0 ) 在该模型中，每一条多径包含三个参数，成，饥和下，因此只要确定多径的个数 及每一径相应的三个参数就可确定该信道模型。 ：i i ： h 舢车匠卜坤 图2 2h o l g e rp h i l i p p s 回波模型 f i g u r e2 2h o l g e rp h i l i p p se c h o m o d e l h o l g c rp h i l i p p s 根据具体的测量数据归纳出了一个五径的信道模型，具体参数 见下表： 4 电力线信道建模及实例分析 表2 2h o l g e rp h i l i p p s 五径信道模型参数 t a b l e2 2s e to f p a r a m e t e r so f e c h om o d e l n o 1 0 i毋i n t a d t m i t s l0 1 5 l0 6 9 l 0 1 1 0 2o 0 4 7- 0 3 5 90 1 5 4 30 0 2 90 5 9 10 2 40 0 4j2 9 1 30 ，3 l l 50 0 3 3i 0 j 20 4 2 7 该模型参数的时频域仿真结果见下图2 3 ： ! 。1 _ 图2 3h o l g e rp h i l i p p s 五径信道模型冲击响应 f i g u r e2 3i m p u l s er e s p o n s eo f m e a s u r e m e n ta n de c h om o d e l 由图2 3 可以看到，丁= o 1 1 0 u s 时第一个主径到达，其幅度相比下一个到达路 径有l o d b 的增益，所有路径在l u s 内全部都己到达。 图2 , 4h o l g e rp h i l i p p s 五径信道模璎传递函数 f i g u r e 2 4 t r a n s f e r f u n c t i o n o f t h ee c h o m o d e l 5 北京交通人学硕十学位论文 2 2 2 m z i m m e r m a n n 信道模型 m z i 册e r 舱肌和k ，d o s t e r t 提出的电力线多径信道模型1 7 】，其频率响应旦( 厂) 如下： ( ，) = l 蜀( 川詹，卫山+ 1 ，4 卫川叽 ( 2 2 1 ) ，一i 其中ig ( ，) i 七门为加权因子，e - ( + 4 ，m 为衰落部分，e - 2 呐为延迟部分， 参数的详细说明见下表2 3 ： 表2 3m z i m m e r m a n n 电力线信道模型参数说明 t a b l e2 3t h ei l l u m i n a t i o no f t h ep a r a m e t e r sf o rm z i m m e r m a r mm o d e l l j 略径的撤量当拥有鼍短廷迟时有i - i _ 袭示倩号能够到达接收机的路径量稃为参径量 口b ，4 l衰减参敛 j 上 衰减园子的指教，典型位在0 5 4 1 之罔 路径i 的加较困子一般而言。它柱认为是有关反射和传 五 因予的混台k i 1 d f 路径i 的长度 t路径，的簋肘，箕中，光速气- 3 x l o j m l ：， 卜 绝缘体的电介质常矗f ，i ，- o 其中- 8 j 略x m 川，_ 特别要指出的是延时 l ：型旦：互( 2 2 2 ) c o 这里的e r 为p v c 绝缘材料的介电常数，在本文中我们取= 4 。因此，电 缆的相位速度 。万c o = 1 5 0 , 0 0 0 o n 7 s = 1 5 咖7 眇2 2 3 上述模型是一个电力线信道的通用模型，为了便于计算机仿真，作者又给出 了一个简化的模型如下： 曰( ) = g i , e - t a q + a j f l ) d j e - 7 2 町 ( 2 2 4 ) 这个简化模型描述了典型电力线信道的复杂频率响应，它用较少的参数涵盖 了5 0 0 址匕到2 0 m h z 频率范围内几乎所有的信道传输特性，而且可通过控制多径数 电力线信道建模及实例分析 目的大小来控制模型的准确性。 下面给出该模型的两个具体参数设置： 表2 4m z i m m e n n a n n 四径信道模型参数 t a b l e2 4t h ep a r a m e t e r so f t h em z i m m e n n a n l lm o d e lw i t h4p a t h s 囊砖参数 扛ia o - - 04 i - 7 8 1 0 。1 0 s m 路径参数 l 觑蜘 f 霸 , f m l 0 6 4 2 0 0 3 0 1 52 4 4 g 2o - 3 82 2 2 440 0 5 2 6 7 j 四径信道模型的幅频响应曲线如图2 5 所示： 呈 图2 5z i r m n e n 】a a n n 四径信道模型传递函数 f i g u r e2 5t h e 仃a f l g 衙f m c t i o no f m z i m m e r m a n nm o d e lw i 吐l4p a t h s 表2 5m z i m m c r m a n n 十五径信道模型参数 t a b l e2 , 5t h ep a r a m e t e r so f t h em ，z i m m e n n a n nm o d e lw i t h1 5p a t h s 囊雄参熬 k = l 伽= ola l - - 一7 ，8 ，1 0 1 0m s 路径参曩 l 角d ，m i 翩 d m 1n 0 2 9 9 0 90 0 7 l4 1 l 2 n 0 4 31 0 2j o- o 0 3 5 4 9 0 3n 1 0 31 1 3 i l 0 0 6 55 6 7 40 0 5 81 4 31 2- 0 0 5 57 4 0 5n 0 4 5 1 4 31 30 0 4 2 9 6 0 60 脚2 1 4- o ，0 5 91 1 3 0 7 0 0 3 87 , 6 0j 50 0 4 91 2 如 8- 0 0 3 8 3 2 2 7 北京交通人学硕士学位论文 十五径信道模型的幅频响应曲线如图2 6 所示： 闰2 6z i m m e r m a n n 十五径信道模型传递函数 f i g u r e2 6t h et r a n s f e rf u n c t i o no f m z i m m e r m a n n m o d e lw i t h1 5p a t h s 8 电力线信道中的噪声与干扰 3 电力线信道中的噪声与干扰 除了幅度与相位畸变，噪声是影响电力线达到高数据速率的最关键因素。通 过计算机仿真来设计合适的编码与调制技术，需要详细的离散电力线噪声模型， 在估算网络性能与容量时，噪声谱密度也是重要的参数，因此我们将在本章详细 分析电力线信道中存在的各神噪声干扰，并介绍两种可以用计算机仿真实现的噪 声模型。 3 。1 中压电力线中的噪声 在中压电力线中，存在两种主要类型的噪声，彩色背景噪声与窄带噪声 9 1 。 3 1 1 背景噪声 背景噪声也就是环境噪声，它与天气状况，地理环境，电线距地面的高度等 因素都有关系，根据相关测量结果，在1 m h z 到2 0 m h z 频段区白j ，中压电力线中 的背景噪声比低压电力线中的背景噪声要高出约2 0 3 0 d b m h z 。 背景噪声在通信信道中总是存在的，且在不同的频带中有不同的值。 电晕放电是产生背景噪声的主要原因，特别是在潮湿的环境中【lo 】。当中压电 力线处于工作状态时，电线附近会产生很强的电磁场，这个电磁场会聚集导体周 围空气中的自由净电荷。这些电荷与空气分子相互作用产生自由电子和阳离子。 这个过程引起的离子雪崩，我们称之为电晕放电。这种放电会使导体中产生随机 幅度与间隔的电流脉冲，感应电流可以建模为电力线系统中的电流源，如图3 1 所 示。图中三根不同的导线会在不同的时间放电，只要该电线处的电压足够高，电 晕就会突然发生，噪声也就产生了。 9 北京交通人学硕十学位论文 图3 1 电晕放电示意图 f i g u r e3 1c o r o n ad i s c h a r g e sm o d e l e dw i t hs h u n tc m x m l t $ 0 t f f c e 8 电晕噪声是一种持久的噪声，其幅度依赖于供电电压，电线柬的几何结构及 绞合方式，以及天气情况。在载波频率范围，电晕噪声是一个准常数，自由缓慢 的衰减，在较短的频段内，可以将它看作白噪声。在本文中，给出一个新的公式 对电晕嗓声进行建模。令t 为到达第i 导体终端的合成电流，这个电流定义为通过 基准电阻r 的电压。由此可以推出，电晕噪声定义为电压噪声相对于l l z v 的d b 值： a 0 = ，+ 2 0 l o g r o ( 3 1 ) 这罩定义为电压噪声相对于i p v 的d b 值，r 单位为欧姆。 电晕电流的计算可以分成两个部分，分别与电流的产生与传播现象有关： = r ，+ q ( 3 2 ) 这罩r ，是相对l ( p 4 朋) 的d b 值，是激励函数，u 是相对l 脚的d b 值。是 传播系数。 激励函数r ，的含义在文献1 1 1 中给出，依赖于导体表面的最大电流梯度蜀，半 径，导体束包含的导线数目，以及出因子以表示的天气条件，由这个函数可以 推出许多种表达式，本文采用文献f 1 2 表达式如下： r ，= r “+ a b 一1 2 d b ( 3 3 ) f 。= 7 8 - 詈+ 3 8 1 0 9 孤2 r + 墨 a b ：1 0 l o g 墨 ( 3 5 ) b w 是噪声模型的带宽。 一致随机分行的电晕源发射电流，电流沿着第i 根导线流动，导线i 长度为工， 电力线信道中的噪声与干扰 其传播因子表达式如下： u = 2 0 l o g q = 去承q ( 3 6 ) ( 3 7 ) 这里为导线数目，是介电常数，瓯和g 分别是电流传播矩阵和线性电 容矩阵的基本系数。 3 1 2 窄带噪声 窄带噪声干扰是由工作在b p l 频段( 0 3 7 5 m h z ) 的其它窄带无线设备造成 的，比如h a m 和短波无线电。窄带噪声随时间地点的不同而不同，因为b p l 频 段并非在所有时间地点都有其它无线设备占用。另外，窄带噪声是时白j 独立的， 文献【9 1 中将窄带噪声建模如下： v b w ( f ) = ：4 b ( f - f , ) ( 3 8 ) ， ， b ( f ) = s i l i c ( 专) ( - o 2 m h z f 。 幅度 图3 5 周期脉冲噪声包络 北京交通人学硕十学位论文 f i g u r e3 5e n v e l o p ec l l r v eo f t h ep e r i o d i ci m p u l s i v en o i s e 假设矩形信号r ( f ) 宽度( 持续时间) 为，幅度为一，其傅立叶变换r ( ，) 表 达式如下，相应的时频域波形见图3 6 ， 附削掣 ( 3 1 1 ) 2 2 一i iii 图3 6 周期脉冲噪声矩形包络及其付利叶变换 f i g u r e3 6r e c t a n g u l a re n v e l o p ec u r v e a n di t sf o u r i e rt r a n s f o r mo f p e r i o d i c i m p u l s i v en o i s e 矩形包络信号，( f ) 与一系列周期为f ，的脉冲相乘得到结果0 ( f ) ，这个周期包络 的傅立叶变换r 。( ，) 由式3 1 2 给出，频谱图见图3 7 ， i ， 石 图3 7 脉冲噪声周期连续矩形包络的付利叶变换 f i g u r e3 7f o u r i e rt r a n s f o r mo f p e r i o d i c a l l yc o n t i n u e de n v e l o p e o 1 l v eo f p e r i o d i c i m p u l s i v en o i s e w = 爿岽岩皇驴 同步周期噪声( f ) 等于彩色背景噪声以( f ) 与( f ) 的乘积。 电力线信道中的噪卢与干扰 p ( f ) = n ( f ) ( f ) 一 0 ( d = ( 力+ 巧( ) ( 3 1 3 ) 周期冲击噪声的频谱与基本噪声( f ) 并没有太多区别，只是与周期方波序列频 谱作了卷积，但是由于噪声信号带宽相比i 0 很宽，频谱u ) 很平坦，因此在实 际中，周期噪声可以忽略。 3 2 3 异步周期冲激噪声 这种嗓声主要由电力设备的开关引起，其频率在5 0 k h z 到2 m h z 之白j ，由于 此种噪声持续时间短，幅度小，对它的测量和分析比较困难，它对测量噪声频谱 及对通信系统的影响可以采用增加背景噪声功率谱密度的方式来模拟，因此这种 噪声可以看作是彩色背景噪声的一部分。 3 2 4 突发冲激噪声 这种噪声的发生时间是随机的。某些文献【。4 1 中也称之为“异步冲击噪声”。这 种噪声来源于各种各样的开关操作，例如家用电器，电动摩托，或是电容放电管。 异步冲击噪声是突发的，这增加了它的干扰性由于它来源广泛，因而其时频特 性都很复杂。 对于噪声的建模，只要能再生它的频谱就足够了，这可以通过将彩色背景噪 声在冲激噪声发生的时间进行加强来实现，加强的程度由冲激噪声的幅度来决定。 异步冲击噪声与周期噪声类似。只是矩形波的产生时间及幅度不同，需要有一个 复杂的规则来确定。 与周期冲击噪声一样，突发冲激噪声也可以描述为一系列的矩形波包络，如 图3 8 ，对应三个参数，幅度4 ，脉宽f 。，脉冲自j 隔f 。，二者的不同在于。突发 冲激噪声对应的三个参数是变化的，每一个脉冲都不同，因此要建立一个模型， 就是如何尽可能符合实际的确定这些变化的参数。 北京交通人学硕十学位论文 时问 图3 8 异步冲击噪声的包络曲线 f i g u r e3 8e n v e l o p ec u r v eo f a s y n c h r o n o u si m p u l s i v en o i s e 在电力线上进行数据传输时，突发冲激噪声是影响最大的噪声，因为它的幅 度和功率谱密度都远远超过了其它的噪声，会导致大数据包的丢失。 突发冲激噪声可以由其幅度，脉宽，脉冲间隔及频谱特性来描述，与周期噪 声相比，这些特性是变化的，每个噪声都不同，我们的目标就是采用统计方法来 建立确定这些参数的规则。为了建模和产生噪声，我们考虑从噪声包络和频谱两 个角度入手。 下面给出突发冲激噪声几个参数的详细说明。 】脉冲速率 定义冲激噪声特性的一个重要标准是脉冲速率。在计算和测量中存在的困难 是会受到周期脉冲的干扰，而突发噪声的产生是随机的，噪声的检测受检测灵敏 度影响，测灵敏度影响定义了个阙值电压，只有噪声幅度超过了这个电压值才 被认为是噪声，如果阙值电压提高了，检测到的噪声速率就会随之下降，典型的 平均脉冲速率在每秒o 1 个( 低干扰) 到每秒i 0 0 个( 高干扰) 之间，但是，突发 噪声的速率在某些瞬间是很高的。 2 相关于扰时问 相关干扰时问描述了突发冲激噪声的平均持续时间，和脉冲速率类似，它也 受到检测阙值电压的限制，根据文献【i ”，典型的阙值电压值在l o o m v 的o 0 0 1 到l 之自j ，因此周期噪声也会被检测到。 3 脉冲幅度 脉冲幅度近似服从指数分御，超过1 v 的概率很小。 4 ，脉冲宽度及脉冲自j 自j 隔 脉冲宽度及间隔也服从指数分布，脉冲宽度的典型值是l o o a st 脉冲间隔的 典型值是o o is 到l s ，脉冲宽度脉冲白j 间隔，相关干扰时间和脉冲速率是相互影 电力线信道中的雌卢与干扰 响的，这就使得产生一个可用于仿真豹噪声方案交得困难。 3 3 两个低压电力线噪声模型 从2 0 世纪8 0 年代起，宽带电力线信道的脉冲噪声建模就是一个挑战，建模 的方法有多种，z i n m n v r m a n 和d o s t e r t 提出了高频段的一种建模方法【堋，他们采用 马尔可夫模型来描述脉冲噪声的特性。一般来说，对于低压电力线噪声，我们有 两种建模方法：统计建模和基于时间的建模。 3 3 1 统计噪声模型 统计噪声建模方法一直是许多研究者热衷的方法，m i d d l e t o n 1 s l 【1 川将脉冲噪声 分为a ，b 两类，而b p l 中的噪声被大多数研究者归为a 类m i d d l e t o n 噪声。根 据这个模型，噪声，也就是脉冲噪声加背景噪声是一系列的独立同分布随机变 量。其概率分布函数( p d f ) 为： 腓) = m - - - o 贵州一匆 ( 3 1 4 ) 、，二，u _u o 其中 玎。鲁 ( 涵 方差口：定义为： 一2 o w 2 ，喾6 ) r ：善( 3 1 7 ) 这里的和砰分别是背景噪声和脉冲噪声的功率，参数爿称为脉冲“指标”， 是脉冲平均速率与平均宽度的乘积，当a 较小时，脉冲噪声的结构较复杂，当么较 大时，噪声的p d f 变为高斯分布【i s l ，参数r 是背景噪声与脉冲噪声的比值，结合 等式3 1 6 和3 1 7 ，方差2 表达如下： ：犁 ( 3 1 8 ) 等式3 1 4 表明噪声的p d f 是多个零均值高斯p d f 的加权和，因此噪声的均值 北京交通人学硕十学位论文 和方差可由下式获得： 以柏 z ) = ，z 驰肛m 妻_ 0 0 t m 壶j 乙唰一番) _ o ( 3 1 9 ) z = e 留) = 薹壶，z 2 唧( 一三z 巧2 ) = 竽- a2 三0 0 备m ( 三+ r ) ( s 御) 这个模型给出了噪声p d f 和功率谱密度的精确认识，但它还不能用作脉冲噪 声的时间表示，除非假设交织长度无限。这是因为m i d d l e t o n 的模型假设脉冲噪声 独立同分布，但实际中的脉冲噪声随机序列是有记忆的，只有无限长度的交织器 才能保证噪声在时间上的独立。 3 3 2 基于时间的模型 这个模型与文献【冽中一样，我们采用两种简化的马尔可夫模型来表示由脉冲 噪声引起的突发错误。这个模型分为两层，第一层( 高层) 描述突发的脉冲组， 第二层( 低层) 描述突发脉冲组内的单个脉冲，每一层都有自己的概率转移矩阵 来描述马尔可夫过程。 对于高层，马尔可夫模型有两种状态：有干扰状态和无干扰状态。有干扰时 对应突发脉冲组的发生，无干扰状态对应没有噪声的发生。在有干扰状态的时间 内，我们定义另外两种低时间分辨率的马尔可夫状态，有噪声和无噪声。图3 9 的 状态转移图诠释了这两种马尔可夫模型。 (d(b) 图3 9 突发噪声的马尔可夫模型：( a ) 突发脉冲组建模单个脉冲的建模 f i g u r e3 9m m k o vm o d e lf o rb u r s tn o i s e ：( a ) m o d e l i n gb u m tg o u p s ( b ) m o d e l i n gs i n g l ei m p u l s e s w i t h i nab u r s tg r o u p 确定两个马尔可夫状态的概率很重要，它是设计一个马尔可夫模型概率转移 矩阵的重要指标，我们所需的概率可由静止状态概率得到，在一个不回归马尔可 夫链中，存在一个静止状态概率矢量“，它表示马尔可夫链中，从某状态出发，最 终又回到出发状态的概率，对于我们所采用两状态马尔可夫链，7 r 表达如下： 电力线信道中的噪声与干扰 一 t r i 吧卜l 焘i p 丽1 2j ( 3 2 1 ) 根据相关文献【2 1 1 的测量结果，对于某个特定的低压电力线网络。高层干扰状 态的平均时问是5 m s ，平均无干扰时间是i s ，系统的期望干扰状态时间表示如下： j - 白若( 1 一m ) 蒯硝i - - p l 丝= 5 粥( 3 功 这里，是第一层的时间分辨率，如果将，r t 设定为l m s ，根据式3 2 2 有， 眉丑= o s ，因而最。l = 0 2 ，根据平均有干扰状态和无干扰状态时间，第一层的静 止状态干扰模型表达为口1 】：霄i = 【丌l j 霄i j 】= 【0 9 9 50 0 0 5 1 ，因此第一层的转移概 率矩阵为； 五= i 。翟絮1 i 第二层的时问分辨率选择为t r 2 = l 邶，第二层的静止状态概率是等概率的独立 随机变量，也就是7 r 2 = 【订0 丌2 j 】= 【o 5 0 5 】 我们假设有无干扰两种状态的平均持续时间为5 0 s ，则低层的状态转移概率 矩阵如下： b = 馏：翌渊 现在已经有了状态转移概率矩阵，我们开始研究突发噪声的速率， p i ，脉冲组突发速率如下； 啊= 南竺半圳， ( 3 2 4 ) 根据参数 ( 3 2 5 ) 根据参数p ，脉冲组内单个脉冲突发速率如下： 码= 三亨弋+ ；2 - = 士( 丌2 j - p 2 - 1 2 + 丌2 - 2 i n 埘) = 2 0 0 0 j ( 3 2 6 ) 。 e f 2 j ) 五 r 2 工，2 、 。一瑚7 、 总平均脉冲速率计算如下： ，咕= 1 2 j 毛= 1 0 0 s ( 3 2 7 ) 上文讨论的两个模型是脉冲噪声的两种不同表示，如果给m i d d l e t o n 模型选择 合适的参数正r ( 后文经常出现的参数g 就相当于这个r ) ，就可以计算出基于马 尔可夫链的模型的边缘概率统计，在噪声统计方面。m i d d l e t o n 模型是一个好模型， 面在时域，马尔可夫链模型能够更好的表示噪声 北京交通大学硕士学位论文 3 3 3 两种噪声模型的仿真比较 前面已经提到，m i d d l c t o n 的统计模型是假设脉冲噪声独立同分布，相当于对 实际情况采用了无限长交织，但具有仿真时间短的优点；实际中的脉冲噪声随机 序列是有记忆的，而马尔可夫模型的噪声产生则具有较强相关性，脉冲一旦产生， 往往会连续出现，更接近实际一些，缺点是仿真时间较长下面给出电力线系统 采用两种不同噪声时的不同表现。 电力线o f d m 系统参考h o m e p l u ga v 标准设置，带宽为3 7 。5 m i - i z ，载波间隅 2 4 4 1 4 k h z ，子载波数目为n = 3 7 5 m 2 4 4 1 4 k = 1 5 3 6 ，所有子载波都采用b p s k 调制，脉冲噪声与背景噪声的比值g = 0 i ，编码采用( 2 1 ，3 ) 卷积玛，生成矩阵为： | 1 0 1 l( 3 2 s ) g - - i i11i q 系统无交织，两种噪声模型的的仿真参数设置如下： 参数l ： m i d d l e t o n 统计模型，a = 0 i , o = 0 i ，马尔可夫模型， 毋镀捌 昱= 瞄渊 ( 3 s o ) 此时两种模型具有相同的p d f 。 参数2 ： 对于m i d d l e t o n 统计模型，a = 0 0 1 。其它不变，对于马尔可夫模型， 只= 【0 9 9 0 0 1 ；0 2o 3 】，其它不变，此时两种模型具有相同的p d f 仿真结果见图3 1 0 电力线信道中的噪声与干扰 图3 1 0 编码o f d m 系统在两个脉冲噪声模型下的性能 f i g u r e 3 1 0 t h e p 盯细a n c eo f c o d e d o f d ms y a t c m i n t w o i m p u l s i v e n o i 辩m o d e l s 由图3 1 0 可以看到，对于两种参数设置，只要信噪比大一定门限后，编码 o f d m 在m i d d l e t o n 噪声下的性能总是要比在马尔可夫噪声下的性能好，这是因为 m i d d l e t o n 噪声假设无限长交织，是独立同分布的，因而引起的误码也只是随机错 误，可以通过纠错码来纠错，面马尔可夫噪声具有一定的记忆效应，一旦产生， 就会短时间内出现大量脉冲，即脉冲不出现则已，一出现就会扎堆发生，这样的 连续脉冲干扰会引起连续的突发错误，这种错误光靠纠错码是鳃决不了的，要配 合交织才行，关于编码交织的设计将在后文讨论。另外，对于马尔可夫噪声模型， 当提高脉冲速率后，性能自然会有下降，但当信噪比足够高以后。大概是超过1 0 d b 以后，脉冲噪声的影响有逐渐减弱的趋势，对这种现象的解释是，由于事先设定 脉冲噪声的功率事背景噪声的l o 倍，因此当信噪比( 信号与背景噪声的功率比) 超过1 0 d b 后，信号功率就超过了脉冲噪声功率，这样系统性能受脉冲噪声的影响 就会逐渐减弱，也就出现了仿真中出现的情况。至于m i d d l e t o n 噪声，提高脉冲速 率前后的性能差距并未随信噪比的增加而有明显的变化，我们可以认为这是由于 曲线始终没画到信噪比超过1 0 d b 以后。当然，这是由于仿真时问不够，如果增加 仿真时间，当误码率下降到一定程度后，可能会出现类似的变化趋势，但由于误 码率每下降一个数量级，需要增加1 0 倍的仿真运算量，考虑到时间仓促，没有尝 试。 3 l 北京交通人学硕士学位论文 4o f d m 技术在电力线通信中抗噪声性能分析 o f d m 的英文全称为o r t h o g o n a lf 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 ，中文含义为 正交频分复用技术。o f d m 技术的主要思想就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一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。 这样，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信