馬曉奇，邵 濱，崔 宇，孫長河

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電力線OFDM的壓縮感知均衡消噪方法

馬曉奇，邵 濱，崔 宇，孫長河

(遼寧省電力公司，遼寧 沈陽 110000)

電力線載波通信（PLC, Power Line Communication）技術被廣泛地應用在電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，大部分采用正交頻分復用（OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技術，而電力線中的異步脈沖噪聲和周期脈沖噪聲對OFDM電力線系統(tǒng)的性能影響很大，特別是對系統(tǒng)的可靠性影響最大，造成系統(tǒng)的誤比特率上升。針對此問題，利用OFDM信號的時域稀疏性，在接收端對發(fā)送信號進行消除脈沖噪聲處理，減小接收端計算量，提高系統(tǒng)的可靠性。通過仿真結果可以表明，所提的均衡方案有效消除了脈沖噪聲的影響，同時降低了誤碼率。

電力線載波；脈沖噪聲；均衡；誤比特率；正交頻分復用

0 引言

智能電網(wǎng)是一個智能能量傳輸網(wǎng)絡，其包括通信和計算網(wǎng)絡，而智能電網(wǎng)中的通信網(wǎng)絡一般是多種通信技術（從無線通信到光纖通信）的集合。其中，電力線載波技術以其高覆蓋率、低鋪設成本等優(yōu)勢，成為智能電網(wǎng)應用中的主要組成部分。特別地，在現(xiàn)有電網(wǎng)中，對電量的采集分析，大量用到了電力線載波通信技術。無論是寬帶載波通信還是窄帶載波通信，多載波通信技術被廣泛的應用，而其中正交頻分復用技術以其高頻譜利用率的優(yōu)勢，被大量的應用。

電力線通信分為寬帶電力線通信和窄帶電力線通信，而無論寬帶電力線通信還是窄帶電力線通信均采用多載波的通信方式，其中采用最廣泛的是正交頻分復用技術，來對抗頻率選擇性衰落和信道干擾噪聲。然而在電力線通信系統(tǒng)中最主要的挑戰(zhàn)就是克服電力線的加性噪聲，其中不但包括加性高斯白噪聲，還包括由于電氣設備接入所帶來的脈沖噪聲。在這兩種噪聲中，脈沖噪聲由于其自身高功率的特點，對通信系統(tǒng)干擾大，成為阻礙電力線通信性能提升的重要因素。一方面，商用的電力線通信調(diào)制均是低功率傳輸，所以脈沖干擾成為可以左右通信的關鍵因素；另一方面，脈沖干擾的隨機特性與加性高斯白噪聲有很大不同，所以傳統(tǒng)的以加性高斯白噪聲為前提條件進行優(yōu)化的接收端已經(jīng)不再適用于電力線通信中。

許多不同脈沖干擾的隨機模型被提出，并且應用到了改善電力線載波通信中，當確定了一種隨機模型后，可以采用濾波器、均衡、解碼等方式進行優(yōu)化，以提高系統(tǒng)的可靠性，然而這些均需要有訓練序列的開銷。本文采用壓縮感知的方法，在發(fā)送端采用脈沖干擾預消除的方法，有效消除了脈沖噪聲，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低系統(tǒng)的誤比特率。

1 系統(tǒng)模型

本文所采用的系統(tǒng)模型，是建立在經(jīng)典OFDM傳輸模型上的（見圖1），其傳輸過程如下所示：設OFDM系統(tǒng)共有個子載波，系統(tǒng)帶寬為Hz，信號長度為秒，循環(huán)前綴CP的長度為，即一個OFDM幀的傳輸時間是，考慮到循環(huán)前綴的影響，發(fā)送端發(fā)送的第個載波的波形可以表示為

(1)

當傳輸?shù)氖且粋€無限的OFDM信號序列時，OFDM已調(diào)信號波形可以表示為

(3)

由式（5）可以看出循環(huán)前綴CP已經(jīng)被刪除。由于CP包含了所有的碼間干擾，所以接收機濾波器組的抽樣輸出將不包含碼間干擾。警告過一系列的濾波器組的濾波后可以得到簡化的輸出為

(6)

(8)

2 基于壓縮感知的均衡算法

(12)

(14)

(15)

(16)

(18)

根據(jù)以下參數(shù)進行更新迭代

(20)

為了進一步說明本方案的復雜度，表1給出了本方案的編碼計算量；表2比較了本方法與傳統(tǒng)方案的編碼計算量，計算量的單位是每秒浮點運算次數(shù)（Floating-point Operations Per Second，flops），即一次復數(shù)乘法運算需要6次flops操作，一次復數(shù)加法運算需要2次flops操作。比較可得，本方案的復雜度都與、及呈線性關系，即本方案與已有的方案相比復雜度在同一個數(shù)量級。

表1 本方案的復雜度

表2 兩種方案的復雜度比較

3 仿真結果

在本部分，所提方案和以下三個方案進行了對比：

1）不采用信號處理方式消除脈沖干擾，在圖2和圖3中記為“未消除脈沖噪聲”；

2）傳統(tǒng)的用非線性處理手段，經(jīng)過迭代的方法消除脈沖噪聲干擾方法，在圖2和圖3中記為“傳統(tǒng)非線性方法”；

3）用傳統(tǒng)的線性處理方法，沒有采用壓縮感知的線性方法，在圖2和圖3中記為“傳統(tǒng)線性方法”。

在仿真中，根據(jù)文獻[10]的仿真定義，仿真了三種已有方案與本方法的誤比特性能的曲線，其中調(diào)制方式采用QPSK，快速傅里葉變換采用128位，信道編碼采用碼率為的卷積碼，數(shù)據(jù)位為72位，非數(shù)據(jù)位為56位，由圖2可以看出，隨著發(fā)送功率增加，其BER隨之下降，誤比特性能為的情況下，本文所提方案相對于傳統(tǒng)非線性方案提高2 dB。

圖2 四種方案的BER對比（QPSK）

圖3為調(diào)制方式采用16-QAM的條件下，快速傅里葉變換采用128位，信道編碼采用碼率為的卷積碼，數(shù)據(jù)位為72位，非數(shù)據(jù)位為56位，隨著發(fā)送功率增加，誤比特性能的變化曲線圖。從圖3中可以看出，隨著平均SNR的增加，其他三種方案均處于下降趨勢，而在誤比特性能為的情況下，本文所提方案相對于傳統(tǒng)非線性方案有12 dB的增益。通過圖2和圖3的對比，可以看出，本方案在調(diào)制階數(shù)較小的情況下，帶來的增益較大。

圖3 四種方案的誤碼率對比（16-QAM）

4 結論

本文提出了電力線載波通信中，OFDM系統(tǒng)中，消除脈沖噪聲的均衡方案，此方案消除脈沖噪聲的效果明顯，并且BER的性能也高于其他方案，在接下來的工作中，將繼續(xù)優(yōu)化其計算復雜度。

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Equalizing method of eliminating impulse noise for OFDM PLC system

MA Xiao-qi, SHAO Bin, CUI Yu, SUN Chang-he

(Electric Power Company of Liaoning Province, Shenyang 110000, China)

Power Line carrier Communication (PLC) technology is widely used in electric power data acquisition system, most of them adopt Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing) technology, and the asynchronous pulse noise and periodic impulse noise in the power line have a great influence on the performance of OFDM power system, especially the greatest influence on the reliability of the system, due to the bit error rate of the system. Aiming at this problem, this paper uses OFDM signal sparse time-domain, eliminates impulse noise on the sending signal in the receiving terminal, and reduces the the calculation amount of the receiver, which improves the reliability of the system. The simulation results show that the proposed equalizing scheme eliminates the influence of impulse noise effectively and reduces the bit error rate.

PLC; impulse noise; equalizing; BER; OFDM

TM932

A

1674-3415(2014)15-0113-04

2013-10-10；

2014-02-22

馬曉奇（1967-），男，碩士，高級工程師，主要從事電力線通信方面的研究。E-mail：andyzhaoster@163.com