一種多帶時頻擴展ofdm系統(tǒng)

一種多帶時頻擴展ofdm系統(tǒng)

0電力線環(huán)境設計的中間層仿真研究智能電網(wǎng)（sg）和高級測量系統(tǒng)（pmi）的目標是“全覆蓋、全互聯(lián)、全成本控制”，以及通過雙向測量和雙向應用的雙重目標。它對電氣線通信技術的可靠性、桿件性和通信速度提出了更高的要求。電力網(wǎng)絡的設備多種多樣、特性各異,使得電力信道現(xiàn)有的電力線通信技術分為單載波技術和多載波技術。其中,單載波技術(如FSK)比較成熟,但速率很低,不能滿足高速率的要求;采用OFDM技術的PRIME和G3-PLC,已經(jīng)在國外廣泛試點,但介于國內(nèi)電力環(huán)境的復雜性,其在國內(nèi)并沒有得到應用,適用于國內(nèi)電力線環(huán)境的解決方案仍在爭相制定中。當前研究主要集中在速率與可靠性的折中選擇,文獻[10]提出了一種電力線傳輸和無線傳輸融合的OFDM解決方案,旨在結(jié)合各自的優(yōu)點,實現(xiàn)系統(tǒng)與環(huán)境和信道特性相適應的可靠傳輸;文獻[11]對MC-CDMA和CDMA性能進行了對比;文獻[12-13]對DS-CDMA和OFDM技術在低壓電力線通信系統(tǒng)中的性能進行了比較;文獻[14]將多帶重復和OFDM結(jié)合,通過頻域分塊重復的方式抑制窄帶噪聲;文獻[15]對MS-DC-CDMA和OFDM技術在高壓電力線通信系統(tǒng)中的性能進行了研究;文獻[16]將并行擴頻和OFDM結(jié)合(ParallelSequenceSpreadSpectrumOFDM,PSSS-OFDM),通過并行擴頻的方式增加頻率分集以提高系統(tǒng)可靠性;文獻[17]將擴頻、CDMA和OFDM結(jié)合,提出了一種擴頻因子可變的正交頻分碼分復用系統(tǒng)(VariableSpreadingFactorOrthogonalFrequencyandCodeDivisionMultiplexing,VSF-OFCDM),并對不同的時頻擴頻比下的性能進行仿真分析。為了進一步提高系統(tǒng)的抗噪聲特性,本文基于擴頻技術、多帶技術和OFDM技術,提出了MB-TFS-OFDM方案。該方案結(jié)合了時頻二維擴頻技術在抗時變性和脈沖噪聲方面的優(yōu)點、多帶技術在避免脈沖噪聲和窄帶干擾方面的靈活性、以及OFDM技術在抗符號間干擾和頻譜利用率方面的優(yōu)越性,在可靠通信的前提下獲得最佳的通信性能。本文首先對二維擴頻技術和多帶OFDM技術進行了分析,提出了MB-TFS-OFDM系統(tǒng)方案;然后對MB-TFS-OFDM的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行了闡述;最后對OFDM、TFS-OFDM和MB-TFS-OFDM在AWGN和脈沖噪聲信道下的性能進行了仿真對比。1系統(tǒng)模型1.1新型正交試驗時頻二維擴展(Time-FrequencySpreading,TFS)技術在文獻[18]首次被提出,用來抵抗信道干擾以減少復雜的信道估計和均衡的代價。它的基本思想是:將調(diào)制后的數(shù)據(jù)x(i)重復N通過二維擴頻后,1比特的數(shù)被擴展為G比特,獲得10log(G)dB的擴頻增益。其中,G為二維擴頻的擴頻因子,G=N1.2纖維增強技術TFS-OFDM技術是將二維擴頻技術與OFDM技術直接結(jié)合的產(chǎn)物,即將二維擴頻后的數(shù)據(jù)采用OFDM調(diào)制的方式發(fā)送。該技術結(jié)合了二維擴頻和OFDM各自的優(yōu)點,相互彌補不足,在速率與可靠性之間做了折中的選擇。TFS-OFDM先進行二維擴頻,然后將擴頻后的每一路數(shù)據(jù)分別映射對應的子載波上,經(jīng)過IDFT調(diào)制后進行發(fā)送,此過程可以用式(3)表示,其中,1.3濾除電力線信道上的噪聲干擾針對電力線信道的特性(強時變性、脈沖噪聲干擾和窄帶噪聲),本文在時頻擴展OFDM的基礎上引入了多帶技術,采用多帶濾波器在更窄的頻帶上實現(xiàn)自適應多載波塊選擇映射技術,以濾除電力線信道上某些頻帶強的噪聲干擾。系統(tǒng)根據(jù)信道特性,通過多帶濾波器和自適應多載波塊選擇映射技術,在強噪聲頻帶上,不傳輸數(shù)據(jù);在中等強度的噪聲頻帶上,采用長的時頻擴頻碼傳輸數(shù)據(jù),以克服帶內(nèi)噪聲干擾;在弱等強度噪聲頻帶上,采用短的時頻擴頻碼或無擴頻方式傳輸數(shù)據(jù),以提高系統(tǒng)傳輸速率。MB-TFS-OFDM先將原始數(shù)據(jù)b(i)分配給N接收端收到數(shù)據(jù)后,首先通過多帶濾波器濾出有效子帶內(nèi)的信號,然后進行串并轉(zhuǎn)換、FFT和時頻擴展解擴,最后將解擴后的數(shù)據(jù)進行解調(diào)得到發(fā)送數(shù)據(jù)。2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)按上文所述,MB-TFS-OFDM的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。發(fā)送端首先將M個用戶的數(shù)據(jù)分配到N2.1多帶時頻二維擴頻解擴過程多帶時頻二維擴頻發(fā)送端和接收端結(jié)構(gòu)分別如圖2(a)和圖2(b)所示。其中,圖2(a)所示為多帶時頻二維擴頻過程,各子帶的數(shù)據(jù)首先進行時域擴頻,分別與時域擴頻因子圖2(b)所示為多帶時頻二維擴頻解擴過程,對子幀內(nèi)的每個符號先進行OFDM解調(diào)和頻域解擴合并;然后對一個子幀內(nèi)的所有頻域解擴合并后的符號,進行時域解擴合并,得到N2.2子帶自適應的選擇過程在本文設計中將600kHz以內(nèi)頻段劃分為32個子帶,其中25個有效子帶(窄帶電力線通信頻段3～500kHz)用于數(shù)據(jù)通信。通信過程中子帶的選擇根據(jù)信道特性自適應完成。子帶自適應選擇的過程:首先,通過信道檢測與估計獲得每個子帶的信噪比(SignalNoiseRatio,SNR或接收信號強度(ReceiveSignalStrengthIndication,RSSI);然后,根據(jù)信道質(zhì)量(SNR或RSSI)選擇可用子帶和各子帶的調(diào)制方式及擴頻方式。摒棄SNR很低的子帶,在SNR較好的子帶上采用長的時頻擴頻碼傳輸數(shù)據(jù),以克服帶內(nèi)噪聲干擾,在SNR很好的子帶上采用短的時頻擴頻碼或無擴頻方式傳輸數(shù)據(jù),以提高系統(tǒng)傳輸速率。3脈沖噪聲信道仿真為了進一步了解MB-TFS-OFDM的性能,分別對OFDM、TFS-OFDM、MB-TFS-OFDM三種系統(tǒng)進行仿真對比,仿真參數(shù)如表1所示,仿真信道采用AWGN信道和脈沖噪聲信道。其中脈沖噪聲信道由脈沖噪聲加20dB的AWGN產(chǎn)生,脈沖噪聲根據(jù)文獻[19]中的描述加性白A類噪聲(AdditivewhiteClassAnoise,AWCN)生成,脈沖噪聲的脈沖寬度和發(fā)生時間均服從Poisson分布,生成的脈沖噪聲如圖4所示。圖5和圖6分別為三種系統(tǒng)在AWGN信道和脈沖噪聲信道下的仿真對比。圖5為三種系統(tǒng)在AWGN信道下的仿真。在TF=1×1時,TFS-OFDM等同于OFDM,所以其性能相同,但此時MB-TFS-OFDM由于引入多帶濾波器,其性能有所改善;隨著擴頻因子G的增加,TFS-OFDM和MB-TFS-OFDM的性能不斷提高;與TFS-OFDM相比,MB-TFS-OFDM在性能整體上提高1dB左右;MB-TFS-OFDM在BPSK調(diào)制下的性能比QPSK調(diào)制改善4dB左右。圖6為三種系統(tǒng)在AWCN信道下的仿真對比。由圖可見,隨著擴頻因子G的增加,TFS-OFDM和MB-TFS-OFDM的性能不斷提高,且MB-TFS-OFDM的性能提高明顯快于TFS-OFDM;與TFS-OFDM相比,MB-TFS-OFDM在性能上整體提高5dB左右,比在AWGN下的改善更為明顯。MB-TFS-OFDM相對于TFS-OFDM的性能改善,主要出于兩方面的原因:第一,MB-TFS-OFDM通過多帶濾波器減少各子帶的基底噪聲對其他子帶的干擾,提高了信噪比,改善了傳輸性能;第二,MB-TFS-OFDM通過信道檢測,可以屏蔽掉惡劣的子帶,以犧牲速率的換取通信的可靠性。4通信信道性能針對電力線的噪聲特性,提出了一種適用于電力線通信MB-TFS-OFDM系統(tǒng)方案,該方案基于多帶、擴頻和OFDM技術,有效地抑制了電力信道的時變性、脈沖噪聲、窄帶干擾等。同時,