基于時(shí)間流的電力線通信信道模型

基于時(shí)間流的電力線通信信道模型

1電力線調(diào)制技術(shù)能源通信（rc）是基于能源通信網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)，并在能源通信網(wǎng)絡(luò)中建立一個(gè)節(jié)點(diǎn)和其他通信網(wǎng)絡(luò)之間建立一個(gè)通信系統(tǒng)。電力線通信具有安裝方便、投資小、覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn),是解決最后一公里問題的有力競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)之一。但電力線的主要作用是輸送電能,作為通信信道其特性并不理想,噪聲干擾嚴(yán)重。目前主要采用合適的調(diào)制技術(shù)來保證電力線上的通信質(zhì)量,主要包括用于低速通信的擴(kuò)頻技術(shù)和用于高速通信的正交頻分復(fù)用(OFDM),而隨著人們對(duì)信息量的需求擴(kuò)大,OFDM技術(shù)無疑具有更為廣闊的發(fā)展前景,PLC的國(guó)際組織家電插電聯(lián)盟(HPA)的homeplug標(biāo)準(zhǔn)中就選擇OFDM作為調(diào)制解調(diào)技術(shù)。本文將分別建立OFDM基帶通信系統(tǒng)和電力線通信信道的Simulink模型,并對(duì)模型進(jìn)行仿真,分析影響電力線通信系統(tǒng)可靠性的因素。2ofd基帶通信系統(tǒng)模型OFDM是一種多載波的調(diào)制技術(shù),其主要思想是:在發(fā)射端,將信道在頻域內(nèi)分成N個(gè)正交子信道,高速串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流,低速子數(shù)據(jù)流將調(diào)制到每個(gè)子信道上并行傳輸。因此,盡管整個(gè)信道具有頻率選擇性,但每個(gè)子信道卻可以看作平坦性衰落信道。在接收端,正交信號(hào)采用相關(guān)技術(shù)將重疊的子載波分開,減少子信道之間的相互干擾和消除符號(hào)間干擾。而且由于每個(gè)子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一部分,信道均衡變得相對(duì)容易,同時(shí)提高了頻譜利用率。OFDM良好的性能使得它得到廣泛應(yīng)用,如歐洲的數(shù)字音頻廣播(DigitalAudioBroadcasting,DAB)﹑寬帶無線接入系統(tǒng)(IEEE802.11a、ADSL)標(biāo)準(zhǔn)等。關(guān)于OFDM原理更詳細(xì)的介紹可以參考文獻(xiàn)。下面采用MATLAB中Simulink軟件包作為仿真工具建立OFDM基帶通信系統(tǒng)模型。在OFDM發(fā)射端,信源產(chǎn)生的信號(hào)依次進(jìn)行信道編碼和交織、調(diào)制映射、IFFT變換,最后加入循環(huán)前綴(CyclicPrefix,CP)得到OFDM幀,在發(fā)送到信道之前還需進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換。OFDM數(shù)字基帶通信系統(tǒng)的發(fā)射端的Simulink框圖如圖1所示。關(guān)于模型有兩點(diǎn)說明:1)該模型是OFDM的基帶通信系統(tǒng)模型,在實(shí)際的載波通信時(shí),并串轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)還會(huì)經(jīng)過DAC(DigitalAnalogConverter,數(shù)模轉(zhuǎn)換器)和上變頻。但仿真的時(shí)候這兩部分對(duì)于信道來說是透明的,所以在仿真中通常用基帶通信系統(tǒng)來代替載波通信系統(tǒng);2)調(diào)制映射方式通常包括:BPSK﹑QPSK﹑8PSK﹑QAM﹑16QAM﹑64QAM﹑256QAM。在實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)信道的好環(huán)來選擇不同的映射方式以得到不同的數(shù)據(jù)率;OFDM接收端與反射端的操作相反,其Simulink框圖如圖2所示。3電力線噪聲模型電力線信道主要受阻抗不匹配、信道衰減及噪聲的影響。阻抗不匹配和信道衰減等衰減成分可用時(shí)變線性濾波器來表征,是乘性干擾;噪聲看作是加性隨機(jī)干擾,整個(gè)電力線信道可以由圖3所示的模型來表示。盡管噪聲源難以定量描述,但仍具有一定的規(guī)律性,可視為各種特定性質(zhì)的噪聲源的疊加。文獻(xiàn)將電力線噪聲分為五類:有色背景噪聲,窄帶噪聲,與工頻異步的周期脈沖噪聲,與工頻同步的周期脈沖噪聲,異步脈沖噪聲。后面三種噪聲都屬于脈沖噪聲,因此可以歸為突發(fā)噪聲。下面結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)分別對(duì)衰減和噪聲進(jìn)行Simulink建模。3.1fdj/vp的表征電力網(wǎng)的衰減模型包括阻抗不匹配引起的衰減和信道衰減,可用N條傳輸路徑的疊加來表示:H(f)=∑j=1N∑j=1Νgj·exp(-(a0+a1fk)dj)·exp(-j2πfdj/vp)(1)上式由三部分構(gòu)成:gj是多徑時(shí)延路徑j(luò)的權(quán)重因子,表征該路徑的反射和傳輸系數(shù);exp(-(a0+a1fk)dj)表征衰減因子,a0和a1為衰減系數(shù);k為衰減系數(shù)的指數(shù),數(shù)值一般在0.5和1之間;exp(j2πfdj/vp)表征延遲部分,dj是路徑j(luò)長(zhǎng)度,vp是相速度。式(1)中需要測(cè)量的數(shù)據(jù)很多,一般用來做理論分析,軟件仿真時(shí)可以通過時(shí)變線性濾波器來模擬信道衰減特性,通常是80～200階的FIR濾波器,FIR的參數(shù)根據(jù)實(shí)際測(cè)量中的值確定,這里采用150階的FIR濾波器來實(shí)現(xiàn)。3.2個(gè)人自回歸模型背景噪聲可由白色噪聲源濾波后得到,該濾波器可用傳遞函數(shù)H(z)表征H(z)=B(z)A(z)=Η(z)=B(z)A(z)=1+∑i=1mbiz?i1+∑i=1naiz?i(2)1+∑i=1mbiz-i1+∑i=1naiz-i(2)令式中bi=0,得到自回歸模型(auto-regressive,AR)。下面給出一組常用的ai=[1.00000.0511-0.0371-0.03200.0116-0.0817-0.0270-0.0834-0.00250.0357-0.0807-0.07980.0427-0.0112-0.1783-0.03730.0069-0.0829-0.0798-0.0395-0.0050-0.04740.0064-0.0695-0.0133-0.0487-0.0573-0.0347]。3.3幅值ait的模型窄帶噪聲一般由同頻段的中長(zhǎng)波AM廣播引起,可以用N個(gè)正弦波的疊加來表征:n(t)=∑i=1N∑i=1ΝAi(t)sin(2πfit+?i)(3)式中,幅值A(chǔ)i(t)是調(diào)制幅值,為了簡(jiǎn)化,仿真模型取的是常數(shù)值,相位?i是[0,2π]區(qū)間內(nèi)獨(dú)立于時(shí)間的隨機(jī)數(shù)。fi的范圍是40kHz～500kHz。3.4脈沖產(chǎn)生模塊仿真突發(fā)噪聲主要是由電力線網(wǎng)絡(luò)中電器的開閉、開關(guān)整流二極管等開關(guān)器件器件引起的,持續(xù)時(shí)間較短,但是幅值較大,功率譜密度有時(shí)會(huì)比背景噪聲高出50dB,會(huì)造成突發(fā)錯(cuò)誤。仿真模型中采用隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生模塊與脈沖產(chǎn)生模型相乘來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)以上分析,最終得到的電力線仿真信道由四部分構(gòu)成:衰減信道、背景噪聲、窄帶噪聲和突發(fā)噪聲,如圖4所示。4仿真模型參數(shù)設(shè)置通信系統(tǒng)最重要的參數(shù)是有效性和可靠性,仿真也應(yīng)該以這兩個(gè)參數(shù)為導(dǎo)向,數(shù)字通信中有效性用信息傳輸速率衡量,可靠性用誤碼率衡量。仿真模型中有效性已經(jīng)由采樣率和編碼效率確定,因此將重點(diǎn)分析電力線信道模型下OFDM通信系統(tǒng)中影響誤碼率的因素。OFDM仿真模型的參數(shù)設(shè)置如下:OFDM幀的子載波數(shù)目為640,其中前320為導(dǎo)頻幀,后320是信息幀,導(dǎo)頻幀和信息幀的循環(huán)前綴長(zhǎng)度都是64;信道估計(jì)為最小二乘估計(jì)(LS,LeastSquare)。4.1信噪比不同的編碼性能圖5反映了不同編碼下OFDM通信系統(tǒng)的誤碼率曲線。從圖中可以看出:在信噪比低時(shí),由于電力線通信信道環(huán)境惡劣,各種編碼方式下誤碼率都較大,性能相差不大。由于級(jí)聯(lián)編碼會(huì)出現(xiàn)誤差擴(kuò)散,因此信噪比較低時(shí),級(jí)聯(lián)編碼(RS/卷積碼和RS/TCM編碼)比單次編碼(卷積碼、RS編碼和TCM)的效果略好;隨著信噪比的提高,級(jí)聯(lián)編碼的誤碼率迅速降低。但是級(jí)聯(lián)編碼良好的誤碼性能來源于編碼效率的降低,會(huì)降低系統(tǒng)的頻譜利用率。因此實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,應(yīng)該綜合考慮頻譜利用率和誤碼率兩方面的因素,選擇滿足一定誤碼率的最佳編碼方式來獲取最大的頻譜利用率。4.2方式比較的影響圖6反映了不同調(diào)制方式下OFDM通信系統(tǒng)的誤碼率曲線。從圖中可以看出:信噪比低的時(shí)候(如-10dB),由于電力線通信信道環(huán)境惡劣,各種調(diào)制方式下誤碼率都較大,因此性能相差不大。隨著信噪比的增加,調(diào)制方式對(duì)誤碼率的影響也在增加。在相同信息速率條件下,誤碼率從低到高的排序是QPSK、8PSK、16QAM、64QAM。但是誤碼率的降低是以犧牲帶寬來實(shí)現(xiàn)的的:QPSK、8PSK、16QAM所占用的系統(tǒng)帶寬分別為64QAM的3倍、2倍和1.5倍。因此實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,應(yīng)該綜合考慮帶寬和誤碼率兩方面的因素,選擇滿足一定誤碼率的最佳調(diào)制方式來獲取最大的頻譜利用率。5波通信的編碼與傳輸由于電力線信道的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜,建立通用的精確的電力線信道非常困難,一般是通過建立一個(gè)近似模型來模擬電力線信道的基本特征,這對(duì)研究電力線載波通信的編碼、調(diào)制、傳輸?shù)榷加泻苤匾囊饬x。本文在前人的基