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重庆大学硕士学位论文低压电力线宽带通信的自适应OFDM调制研究姓名：孔召贤申请学位级别：硕士专业：信号与信息处理指导教师：朱冰莲20050501重庆大学硕士学位论文中文摘要I摘要低压电力线宽带通信具有传输速率高、使用方便、建设成本低等优点，但低压电力线信道噪声干扰大、时变性强，信道特性的恶劣制约了其性能和可靠性。随着现代信号处理技术的发展和硬件条件的改善，OFDM技术受到重视并得到了广泛的应用。自适应技术与OFDM也进一步融合，已成功应用于无线及有线通信领域。低压电力线信道特性差，加之电力线通信往高速宽带方向发展，自适应技术的应用可以有效地改善OFDM系统的性能，进一步提高传输效率和信息通过率。准确的信道估计和高效的自适应调制方案是自适应OFDM技术的两个关键。本文首先较为详细地分析了低压电力线信道特性和干扰噪声特性，通过实验测量验证了其衰减特性，给出了低压电力线信道的等效表示方法。针对信道估计，本文分析了基于训练序列和基于导频的信道估计方法，详细讨论了信道估计流程。给出了基于导频的最大似然估计和最小均方估计的信道响应估计表达式，并对二者的性能及实现复杂度进行了分析比较。自适应系统的构建和参数选择是本文研究的重点，结合OFDM原理和电力线通信的特点，对双工模式、信令传递方式、自适应结构、帧结构等方面进行详细的分析后，给出了低压电力线宽带通信的自适应OFDM系统框图。调制参数的选择是自适应OFDM调制的重点。结合电力线通信的特点，对固定速率自适应和变速率自适应进行分析后选择变速率自适应作为论文方案。在此基础上研究了固定门限法变速率自适应调制以及功率和调制联合优化的自适应调制。固定门限法首先在假设信道估计完全准确的理想情况下，推导出门限的设定方法，在此基础上分析由于信道估计误差给自适应调制带来的影响，给出实际情况下切换门限的设定方法。功率和调制方式联合优化方法采用拉格郎日乘数法进行求极值优化，给出了调制方式和功率分配的最优解，利用零比特分配(不传)排除衰落大的子载波组并重新分配的方法解决了正功率和正比特分配的实际约束条件，最后使用连续调制离散化近似的方法逼近基于连续调制优化的分配结果。论文最后对采用的方案进行仿真，比较传统OFDM调制和固定门限自适应调制以及功率和调制联合优化自适应调制的性能差别，结果表明自适应OFDM调制比传统OFDM调制有更高的信息通过率，同时可以满足系统的BER要求。论文中的功率-调制联合优化的自适应OFDM调制方案，在给定目标BER要求的情况下，实际达到的BER性能可以满足目标BER要求；在固定SNR的情况下实际达到的BER性满足目标BER要求，同时系统信息通过率比传统OFDM调制也获得了提升。关键词：电力线通信，信道特性，信道估计，OFDM，自适应调制重庆大学硕士学位论文英文摘要IIIABSTRACTTheadvantagesofpowerlinecommunicationincludinghightransmittingspeed,convenienceandlowcost,butitsbadchannelcharacteristicsrestrictitsperformance.Asthedevelopmentofmoderndigitalsignalprocessingtechnology,OFDMappliedinextensiverangeespeciallywirelesscommunications.OFDMdevelopedwithadaptivetechnologygradually.DuetotheadvantagesofOFDMandthespeeddemandofbroadbandPLC,adaptiveOFDMtechnologyappliedtoPLCinordertoimproveitsperformance.ThekeyaspectofadaptiveOFDMincludesaccuratechannelestimationandefficientadaptivemodulationschemes.Firstly,thethesisdiscussespowerlinechannelcharacteristicsindetail,andthenanexperimentofmeasuringitsattenuationisimplementinthelab.Asforchannelestimation,firstlythethesisdiscussestheestimationmethodsbasedontrainingseriesandpilot,thenacomparisonofthesetwomethodsinperformanceandcalculationcomplexityisgiven.ThethesisstudiesonhowtoestablishtheadaptiveOFDMsystem,emphasesonhowtoselectthesuitablemodulationparametersofthesystem.AwholemodelofadaptiveOFDMmodulationforbroadbandcommunicationbasedonlowvoltagepowerlineisintroducedafteradetailanalysisofthesystem.Themethodofmodulationparameterselectingisthekeycontentofthethesis.Firstly,thethesisdiscussestheadaptivemodulationsystembasedonSNRthreshold,introducesthemethodsofSNRthresholdsetting.Thenbasedonit,anoptimizeschemeconsideringboththetransmittingpowerandmodulationmodeselectingisintroduced.PerformanceemulationshowsthattheoptimizeschemeenhancesthedatathroughputofthesysteminthesameBERrestrictcomparingtothetraditionalOFDMmodulationsystem.Keywords:PowerLineCommunication,ChannelCharacteristic,ChannelEstimation,OFDM,AdaptiveModulation.重庆大学硕士学位论文1绪论11绪论1.1引言随着社会信息化程度的提高，人们对信息的需求己从单纯的数据信息向交互式多媒体信息发展，迫切希望获得大容量和高速率的数据、视频、图像等宽带业务。电力线通信（PowerLineCommunication，PLC）最初应用于话音信号及低速率数据传输，如利用高压电力线载波通信进行电力系统继电保护、控制、调度、载波电话、远程抄表等，传输速率只有几Kbps至几十Kbps[1]。随后国际上对高速电力线通信的研究普遍认为1MHZ-30MHZ的频带可以用来进行高速PLC传输，传输速率可达上百Mbps，使得电力线通信的应用范围扩展到了宽带接入、家庭网络应用等方面。正交频分复用（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplex，OFDM）具有传输速率高、频带利用率高、抗码间干扰和信道衰减能力强的特点，已经成为高速PLC的一项主流技术。1.2高速PLC系统的结构及应用高速PLC可用于宽带接入及家庭网络的构建，典型系统结构如图1.1所示，按地理范围可分为户内和户外两大部分。户内PLC系统为从家庭网关（HomeGateway，HG）到用户电源插座的部分，包括用户驻地设备（CustomerPremiseEquipment，CPE）及无线接入点（AccessPoint，AP），通过建筑物内现有的电力线可以组成一个“智能家庭”（SmartHome）局域网；户外PLC系统包括头端（HeadEnd，HE）单元、耦合单元（CouplingUnit，CU）、中继器（Repeater）等，在HE的位置，通常是配电变压器低压侧耦合接入交换机，最后接入PSTN和IP骨干网，由此通过电力线就可以实现数据、话音、视频、电力的传输，也就是通常所说的“四网合一”。1.2.1PLC的优势PLC的接入方式与传统方式相比没有大的区别，主要在于传输媒介不同。PLC通过现成的分布极为广泛的电力线作为信道进行数据传输，将信号注入电力线后，通过任何一个电源插座都可以实现宽带接入，即所谓的“电通百通”，其最大的优势就是不需要重新铺设信道，具有建设成本低、周期短，使用灵活方便，传输速度快等优点。光纤到户（FiberToTheHome，FTTH）是宽带接入的发展趋势，但成本较高，在国内实现还需要较长的时间，特别在偏远地区PLC优势更为明显。重庆大学硕士学位论文1绪论2基于PLC的宽带接入和家庭联网与XDSL、LAN、HFC等方式比较也有组网方便、施工简单等优势，比如采用XDSL完成宽带接入，但在家庭组网上还是需要重新布线或其他方式来完成。可见，FTTX+PLC的接入方式，即用PLC完成宽带入户是一种很好的选择。图1.1PLC宽带接入及家庭网络系统Fig1.1Broadbandaccessandhomenetworkapplicationsbasedonlow-voltagepowerline1.2.2PLC存在的问题电力线不是为通信而设计的，通信环境更为恶劣，所以低压宽带PLC与专用宽带通信方式相比较还不够完善，技术上和实际应用中都还有一定的差距，总体说来PLC需要解决好以下几个关键问题：（1）噪声干扰及系统稳定性电力线信道具有噪声干扰大、时变性强的特点，PLC性能容易受到配电结构、周边用电设备的使用状况等环境因素的影响，这些因素随时随地都在变化，所以PLC稳定性问题是一个挑战。（2）电磁兼容性和载波频段的选取由于电力线是非屏蔽的传输信道，高频载波会对周边环境造成电磁污染。PLC的电磁兼容（ElectroMagneticCompatibility，EMC）标准涉及到载波频段选取和发送功率约束两方面，载波频段的选取必须考虑与现有的无线电频段共存的问题，而发送功率约束要求载波发送功率不超过某一限值。（3）安全性由于电力线是一种共享的传输媒介，用电力线组建的网络结构十分类似于以太网的树型结构，涉及到众多用户共享信道。同时网络用户具有很强的隐私性，与外部网络连接后，安全性就成为PLC系统必须考虑的一个重要问题。重庆大学硕士学位论文1绪论31.3PLC及自适应调制的国内外研究现状1.3.1国外研究现状在PLC产品研发及其商用方面，国外主要有欧洲和美国两大阵营。欧洲的科研机构和厂商主要研究PLC在INTERNET高速接入网上的“最后一公里”（从配电变压器到用户）应用[2]。2001年德国MW公司在德国曼海姆为3000个用户安装了德国RWE公司的PLC接入设备，正式向用户提供服务，成为全球第一个商用的PLC网络。2004年底西班牙的DS2公司开发出了200Mbit/s的PLC芯片。美国的众多厂商则侧重于基于PLC的智能家庭网络技术、信息家电联网等方面的研究。2000年3月，由3COM、AMD、CISCO、INTEL、TI、日本松下等13家国际知名公司成立了Homeplug国际电力线通信联盟，并于2001年7月首次推出了国际上第一个PLC标准Homeplug1.0[3]，主要面向家庭及小型办公室的电力线宽带联网，户外仍然采用传统的通信接入方式，物理层速率可达14Mbit/s，采用OFDM调制技术，现在正在致力于制定新的标准HomeplugAV，力求进一步融合与信息家电（如高清晰度电视HDTV）的应用。在美国，采用电力线方式的家庭网络已经成为现实并且呈现高速增长的态势