通馋电潦技术 ２０１２年７月２５日第２９卷第４期 Ｔｅｌｅｃｏｍ Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｊｕｌｙ ２５，２０１ ． ！ ： 文章编号：１００９—３６６４（２０１２）０４—００７３—０２ 鞭麟麟 爱 基于ＯＦＤＭ低压电力线通信的信道估计算法研究 刘映，刘永笑，翟明岳 （华北电力大学电气与电子工程学院，北京１０２２０６） 摘要：根据工作实验的分析，对低压电力线通信信道模型和信道特性进行了详尽的阐述，对当前应用广泛的几种低 压电力线通信信道模型进行了介绍，详细分析了几种基于ＯＦＤＭ低压电力线通信的信道估计算法。同时对多种算法实 施比较，分析总结出各自的优缺点，最终得出一种不仅运算量小，而且对信道的利用率很高、实现十分容易的算法。即：基 于慢时变信道特性的ＬＭＳ自适应信道估计算法在信道突变衰减中具有非常高的稳定度特性，非常适合在低压电力线信 道中应用。 关键词：ＯＦＤＭ；低压电力线通信；信道特性；信道模型；信道估计算法 中图分类号：ＴＭ９１９，ＴＭ７３ 文献标识码：Ａ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＯＦＤＭ Ｌｏｗ－Ｖｏｌｔａｇｅ Ｐｏｗｅｒ Ｌｉｎｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ＬＩＵ Ｙｉｎｇ，ＬＩＵ Ｙｏｎｇ－ｘｉａｏ，ＺＨＡＩ Ｍｉｎｇ－ｙｕｅ （Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０２２０６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒ＇ｓ ｗｏｒｋｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｌｏｗ－ｖｏｌｔａｇｅ ｐｏｗｅｒ ｌｉｎｅ ｃｈａｎｎｅｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅｎ ｌｏｗ－ｖｏｌｔａｇｅ ｐｏｗｅｒ ｌｉｎｅ ｃｈａｎｎｅｌ ｍｏｄｅｌ，ａｎｄ ｆｉｎａｌｌｙ ｓｔｕｄｉｅｓ ｔｈｅ ｃｈａｎｎｅｌ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＯＦＤＭ ｌｏｗ—ｖｏｌｔａｇｅ ｐｏｗｅｒ ｌｉｎｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．Ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｍａｎｙ ｃｈａｎｎｅｌ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ｏｆ ＯＦＤＭ ｌｏｗ ｖｏｌｔ— ａｇｅ ｐｏｗｅｒ ｌｉｎｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｔｈｅ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ ａｒｅ ｇｉｖｅｎ．Ｔｈｅ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ａｌ— ｇｏｒｉｔｈｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｌｏｗ ｔｉｍｅ－ｖａｒｙｉｎｇ ｃｈａｎｎｅｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ＬＭＳ ａｄａｐｔｉｖｅ ｃｈａｎｎｅｌ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ ｉｓ ｓｍａｌｌ， ｓｉｍｐｌｅ，ｃｈａｎｎｅｌ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｉｓ ａｌｓｏ ｈｉｇｈ，ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ｆｏｒ ｍｕｔａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅ ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉｇｈ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ｉｔ ｉｓ ｍｏｒｅ ｓｕｉｔ— ａｂｌｅ ｆｏｒ ａ ｐｏｗｅｒ ｌｉｎｅ ｃｈａｎｎｅ１． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＯＦＤＭ；ｌｏｗ－ｖｏｌｔａｇｅ ｐｏｗｅｒ ｌｉｎｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ；ｃｈａｎｎｅｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ；ｃｈａｎｎｅｌ ｍｏｄｅｌ；ｃｈａｎｎｅ１ ｅｓｔｉｍａ— ｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ 当前，对于ＯＦＤＭ来说，一个非常热门的研究就 是将正交频分复用技术当成低压电力线通信调制解调 方式，因为对于ＯＦＤＭ技术，其可以对低压电力线信 道的多径效应进行抑制，还可以加入ＣＰ，进而消除子 信道间干扰（ＩＣＩ）与符号间干扰（ＩＳＩ）。 低压电力网络是一个复杂的时变系统，这在很多 实验测量中也得到了充分的证明。在低压电力网络中 传播的信号，会由于这种特殊的性质，而使其产生很大 的失真，甚至畸变。那么如何可以有效解决这个问题 呢，使得接收端可以准确地对信号进行解调，那么就应 该取得信道状态信息（ＣＳＩ）。 中传播的信号不仅衰减大，而且具有很强的噪声干扰。 笔者对此进行了实际的测量试验，测量得到０～１６ ＭＨｚ的低压电力线信道于１ ｈ中的２条衰减曲线，如 图１所示。 Ｊ／ＭＨｚ １ 对低压电力线信道的特性分析 １．１低压电力信道的衰减特性分析 图１ 实验所得低压电力线通信信道衰减特性曲线 １．２低压电力线信道的噪声特性分析 如上文所述，低压电力信道的特性非常复杂，在其 收稿日期：２０１２－０３—１８ 作者简介：刘 映（１９８７一），男，华北电力大学硕士研究生，主要 研究方向：电力线通信、宽带网通信技术。 噪声的产生和信道的结构、负载等众多因素是分 不开的，而电力线信道恰好具有适于产生噪声的各种 条件。在通常情况下，电力线信道上的噪声有很多种 类型，比如窄带噪声、工频信号异步的周期性脉冲噪声 等，这些噪声对低压电力线信道会产生不同的影响，这 和它们各自的不同特性有关。因此，实验时要综合考 虑主要噪声的干扰。 那么如何才能对这些噪声进行分析呢？首先要考 刘永笑（１９８８一），女，华北电力大学硕士研究生，主要研究方向： 电力线通信、宽带网通信技术。 翟明岳（１９７０一），男，博士，主要研究方向：电力线通信、宽带网 通信技术。 通传电．潦 ２０１２年７月２５ １３第２９卷第４期 术 Ｊｕｌｙ ２５，２０１ ２，Ｖｏ１．２９ Ｎｏ．４ Ｔｅｌｅｃｏｍ Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 虑的就是对噪声的功率谱进行分析，例如有一些噪声 可以将其作为白噪声进行处理，这类噪声主要是高频 段上面的背景噪声，还有一些是对通信系统产生的影 响是较多的突发噪声与周期性噪声。因此，在仿真中， 可以运用周期性噪声与白噪声就噪声实施建模。 ２低压电力线信道模型介绍 ２．１ 简化的低压电力线时变信道模型 可以这样说，一旦分析出了电力线信道所具有的 主要信道干扰特性，就可以大致掌握其统计特性。比 如在对不同区域电力线网络信道中进行数据的高速通 信时的实验测定，可以得到诸如背景噪声服从高斯分 布的结论，这样就可以得到低压电力线基本参考模型， 即使用时变线性滤波器来替代，这是一种通用模型。 ２．２对于低压电力线多径信道模型介绍 此种模型与电力线网络特点具有紧密关系：不仅 节点与分支没有进行匹配，同时节点又众多，于是，信 号的多径传播特性就被决定。再加以分析，可以得到 如下模型： Ｎ一１ Ｈ（厂）一 ｇｉＡ（厂，ｄｉ） 。 ｉ一０ 式中，Ａ（ｆ，ｄ ）是路径ｉ的线路衰减；Ａ是路径长度ｄ 与信号频率厂的函数；Ｎ是最大路径数；ｇ 则是路径ｉ 的衰减系数。 ３基于ＯＦＤＭ低压电力线通信的信道估计算 法研究 目前，主要有以下几种信道估计算法。 ３．１盲信道估计算法 此种信道估计算法与传输符号的字符特性以及它 的统计特性有关系。众所周知，没有大量的数据是很 难获得统计特性的。考虑到信道上，这就要求信道是 具有慢变特性，而电力线信道正好具有此特性。因此， 就产生了二阶矩盲信道估计算法。 通过实验分析，这种算法的计算量很大，而且具有 非常慢的收敛速度，不适合应用于实时通信，但是其获 得信道估计值的方法对于数据传送速率的优势却是无 可替代的。 ３．２基于导频的信道估计算法 这种算法是通过对导频符号的应用所达到的。所 谓导频信息，就是在传输的数据里面插入一些已知的 信息。在数据到达接收端之后，通过导频符号的位置 就可以对信道实施估计。通过长期的实验，发现块状 和梳状导频是两种最常见的导频方式。而块状和梳状 导频方式又具有各自的特点和优势，前者把某时刻的 全部ＯＦＤＭ符号均安排成为导频，而后者是将导频均 匀地分布在各个ｏＦＤＭ符号里。限于篇幅原因，在此 不加赘述。 ３．３基于判决反馈的信道估计算法 此算法对前面一个符号的信道估计值进行合理运 用，对下个符号信道值进行估计，即： Ｈ （ ）一以Ｈ （是）＋（１一ａ）Ｈ一］（走） 式中，Ｈ、ａ、ｍ以及是分别表示信道估计值、关联因 子、时域以及频域下标。如此的一个判决反馈回路就 得以形成。其中的信道初始值，主要依靠训练序列得 到，这对于追踪信道的慢变是非常有效的。 当然，这种算法也有一定的缺点，其具有非常不稳 定的ＢＥＲ一误码率。而ＢＥＲ误码率极易造成快速循 环恶化的后果。如果考虑到信道的突变衰减，在算法 的误差扩散方面，其具有很大便利。 ３．４ ＬＭＳ自适应信道估计算法 这种信道估计算法是基于判决反馈思想。尤其在 时变信道的应用中，这种算法具有非常大的优势，它可 以有效地进行追踪。ＲＬＳ（ｒｅｃｕｒｓｉｖｅ ｌｅａｓｔ—ｓｑｕａｒｅｓ） 算法与ＬＭＳ（１ｅａｓｔ ｍｅａｎｓｑｕａｒｅ）算法是它的两种主要 的算法。其中，后者已经得到了广泛的应用，这归功于 其简便的计算，而且性能稳定，如图２。 图２ ＬＭＳ自适应信道估计算法 在图２中，ｒｍ（ ）代表着信道衰落之后的ＯＦＤＭ 信号，与此同时Ｒ （尼）是其频域值。于是Ｓ （ｋ）：Ｃｍ （走）Ｒ （ ）表示均衡值，Ｃｎ１（ ）表示均衡器系数。按照 ＭＭＳＥ准则，合理利用最陡下降算法，计算出系数的 迭代更新公式如下： Ｃｍ￣１（ ）一（１ｍ（志）＋Ｌ （ ）Ｅｍ（走）（Ｒ （足）） 式中，Ｌ （ｋ）表示第 次迭代的更新步长；Ｅ（志）一 Ｓ（ ）（是）一Ｓ （走）表示误差函数，通过训练序列可以 得到Ｃｍ（ ）的初始值。均衡系数Ｃｍ（走）和信道估计值 之间具有倒数关系： Ｈ （是）一１／Ｃｍ（是） 对于此算法，步长Ｌ （足）的取值是关键之处，与此 同时取第ｍ时刻均衡器输入的平均功率是： Ｌｍ ０＜Ｃ＜２，ｋ Ｖ ０ 其步长伴随着变化的接收信号发生改变，最终可 以自适应地进行信道改变的跟踪。 显而易见，ＬＭＳ算法具有更加稳定的性能，且对 时变信道的突变追踪更加有效而且快速。因此，在低 （下转第７７页） 通镌电．凉 】Ｉ： ２０１２年７月２５日第２９卷第４ 葛明勇：计算机无线通信 系统天线装置研究 光速。 Ｔｅｌｅｃｏｍ Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｊｕｌｙ ２５，２０１２，Ｖｏ１．２９ Ｎｏ．４ 用。电流在天线中是均匀的，绕组与屏蔽间的电容非 常小。工作时，利用来自外部电磁辐射源的无线电波， 通过框形天线的磁场发挥作用，框的灵敏度可以用下 式来表示： Ｇ 一 因此天线的各参数均可由下列公式计算得到。 天线的定向性Ｄ＝要； 单圈天线的辐射电阻Ｒ，一３１ ２００（ ） ； 扎圈天线的辐射电阻Ｒ，一３１ ２００（ｎ ） ； 通过给定接收条件，使框形天线与电型接收天线 的有效高度一致，接收天线能保证在输出端有同样的 信号电势： △Ｕ：＝△Ｕ 或Ｇ。Ｈ 一ｈ Ｅｌ 根据相互间关系式可得ｈ 一Ｇｐ Ｈｐ—Ｇｐ １ 厶Ｃ Ｌ１ 圈天线的损耗电阻Ｒ ＝＝ ｎＣ√ ； 圈铜天线的Ｒ ／Ｒ 的比值卺一 ３ ４３０ ； 圈天线的辐射效率 一■。 １ 十 式中， 为接收点上有用信号场的特性阻抗。 在通信过程中，传输信号的特性阻抗Ｚｃ与媒质 的波阻抗恒等。在计算机透地通信无线通信系统接收 点范围内， 值也取决于通讯距离长短。 式中，Ｃ 是圆环周长通过波长度量的，此公式只适用 于圆环；Ａ为环状天线的面积；Ｃ为环的周长； 为环 天线的匝数； 一４丌×１０－７ Ｈｍ－ ； 为媒质的电导 率；ｆＭＨＺ为频率；ｄ为天线导体的直径。 由上述公式，通过计算可以得到 ＝１６１，代人 ２天线选择 ２．１ 计算机无线通信系统的天线选择 计算机透地通信系统应用设置中，更多地应该考 虑使用的环境。应用磁型天线时，这一天线主要为环 形，发射端采用一圈或多圈来进行载波传输。为了提 高信号的强度，一般都选用大发射环的天线。 ２．２天线参数的设计 研究资料表明，当环形天线的环周长超过ａ／４时， 公式后计算天线的效率是一 １ —０・Ｏ０６，在实 际计算机透地通信使用过程中，通常附加提高载波频 率和调节环天线的周长来提升天线的工作效率。 ３ 总 结 总之，无线电波一般都选用低频段电磁波，波长较 长。如果天线的长度较长效率就会很低，在复杂的传 输媒介中，预测电磁波的分布规律就显得更为困难。 即终端短接的环的周长不大于０．２５倍工作波长时，称 为小环天线，环上的电流分布均匀相同。本设计所选 ｒ１ １ 天线周长为Ｃ一５ ｋｍ≤Ａ／４， 一 一０．０１≤｛ Ａ ０ ，属于小环天线（由于选定发送信号频率为３０ Ｈｚ，载 一４－９６４×１０ ＩＴＩ，其中 一３×１０。ｍ／ｓ为 波信号频率选择６ ０１４ Ｈｚ；则所用波长 一 天线的选用要与发射机和接收装置配合选择，在综合 考虑中还要注意耦合方式和阻抗匹配等问题。 永 （上接第７４页） 应信道估计算法具有优势，它可以很容易地得到实现， 压电力线ＯＦＤＭ通信系统中得到了更广泛的应用。 和以上几种算法相比，其优势不言而喻。它具有简便 的计算，降低了复杂度，可以有效保证信道的实时性。 仿真证明它的误码率满足通信要求，所以此种ＯＦＤＭ 系统中低压电力线通信信道估计方法是更为有效的。 而且使得电力线信道的利用率得到了提高。但是，如 果应用在实际中，还需要在算法的信道跟踪性能等方 面进一步提升。 参考文献： ［１］温家鹏，姜久春，张维戈，等．电池更换模式下电池管理 ４ 总 结 综上所述，低压电力线通信信道，在比较长的时间 中是具有慢变性质的。通过观察，对负载的改变仍然 系统的研究［Ｊ］．高技术通讯，２０１０，２０（４）：４１５—４２１． ［２］丁颢，张海滨，罗汉文，等．ＯＦＤＭ系统中的信道估计方 法分析Ｉ－Ｊ］．通信技术，２００２，１３２（１２）：２９—３１． ［３］ 张勤进，刘彦呈，赵友涛，张巧芬．低压电力线信道的决 策估计算法研究［Ｊ］．电力系统通信，２０１ １，（Ｏ３）：２６—２８． 会使得信道衰减具有突变。本文中，笔者列举出了当 前最常应用的几种算法，并简要分析了各种算法的优 劣所在，显而易见，基于慢时变信道特性的ＬＭＳ自适 ・７７・