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摘 要：主要研究了基于OFDM系统的低压电力线通信的信道估计问题。通过分析低压电力线信道特性，提出一种适合电力线信道且不需要导频的判决反馈信道估计方法。在信道慢时变的条件下，这种方法能够提高系统的传输效率。通过仿真电力线信道特性和OFDM系统，将这种信道估计方法应用在仿真系统中，能够得到较好的性能。
关键词：电力线通信；OFDM系统；信道估计；判决反馈
0 前言
低压电力线通信能够通过低压配电网络提供高速的数据服务，将是未来的一种有效通信方式。它无需重新架设新的网络基础设施，大大降低了成本，优于传统的通信方式。但是，考虑到电力线信道较差的特性，需要设计合适的通信方案以克服信道衰落。
正交频分复用（OFDM）技术是一种有效的对抗频谱衰落的调制方式，它通过DFT将串行数据调制到并行的正交子载波上，因而能够对抗信道的多径效应和符号间干扰。这些特性使它非常适合低压电力线通信。
在OFDM系统的发送端, 使用QAM,PSK或DPSK数据调制将输入数字信号映射成复信号，之后进行离散傅立叶变换(DFT)，将这些复数据调制到一些独立的正交子载波上。 在接收端,可以根据发射机来选择非相干和相干解调方式。如果使用非相干OFDM系统,将有3db的性能损失。为了提高系统的性能, 应采用相干OFDM系统。使用相干OFDM系统，就必须进行信道估计。本文通过分析低压电力线信道特性，提出了适合电力线信道的判决反馈信道估计方法。
1 低压电力线信道特性
低压电力线信道和传统的通信传输介质相比，比如双绞线、同轴电缆和光纤电缆等，在拓扑结构和物理特性上具有很大的不同。当传输通信信号时，电力线信道的特性非常复杂。它具有各种负荷，严重的噪声和衰减，因此不是一种好的传输通信信号的介质。所以必须对信道特性进行分析，以寻找合适的通信方法。一般来说, 对电力线信道的分析主要是阻抗、衰减和噪声性能这三个主要参数。
实验表明，电力线信道的阻抗在大多数情况下非常低,它是频率的函数，随着频率的变化而变化。但是,它并不随频率成线性变化,它也受时间、负载和位置的影响。如果发射机的内部阻抗与电力线信道的阻抗不匹配,就会产生很大的耦合损失。所以设计好的发射机应该有一个尽可能低的输出阻抗与信道阻抗相匹配。
电力线信道衰减是由多种因素造成的。由于电缆的衰落或者辐射，信号的衰减通常随着电缆长度和信号频率的增加而增加。 此外,由于低压主电网比较复杂, 网络上有许多不匹配的接入节点，就会产生反射波和驻波。信号除了直线传输外，还会有多径传输，从而导致信道具有频率选择性衰减特性。为了研究低压电力线信道的特性,文献［2］做了大量连续的测量，通过测量值得出了传输性能，见图1。从图1可以看出, 在一段时间内传输特性变化不大，低压电力线信道具有慢时变的特点。
由于电力线网络复杂环境,信道噪声不能归结为简单的加性高斯白噪声。在通常情况下,电力线信道的噪声可分为有色背景噪声、窄带噪声、与主电网异步的周期脉冲噪声、与主电网同步的周期脉冲噪声和突发噪声。第一到第三种噪声，在几秒几分钟甚至几小时内都可以保持不变, 可以概括为背景噪声。第四和第五种噪声在微秒和毫秒级是时变的。多种噪声的叠加，使得噪声很难进行量化。不过研究表明, 随着频率的增加，一般噪声的功率谱密度会下降，通过分析噪声的功率谱密度,背景噪声在高频率段可以近似认为是白噪声，在通信中背景噪声比周期性噪声和冲激噪声的影响更大。 基于这种分析,电力线噪声在仿真中可以归结为白色噪声和周期性噪声。
2 OFDM系统介绍
OFDM技术是一种特殊的多载波传输技术。它是一种并行传输方式，将串行高速数据流传输转化为并行的低速数据流传输, 每一个子数据流被调制在一个单独的子载波上。并行通信延长了信号的传输时间,可以有效地降低多径的影响。加入循环前缀的目的是为了消除ISI（码间干扰）并保护正交子载波。由于子载波正交，每个子信道的频谱可以重叠，提高了信道的频谱利用率。所有这些优点使OFDM系统适合低压电力线通信。
3 基于判决反馈的信道估计
如果OFDM系统采用相干检测，则必须进行信道估计。信道估计技术可以分为两大类:①训练序列方法，从训练序列或导频符号估计信道的信息；②盲信道估计法，直接从数据符号估计信道信息。本文提出了一种基于判决反馈的方法来估计OFDM系统的电力线信道。
3.1 低压电力线信道建模
由于电力线网络的阻抗不连续性和存在许多分支节点，电力线信道可视为具有多径传播特性，因此使用多径传播模型来表征这种特性。为了方便起见，假定发射机和接收机的阻抗完全匹配。 图3是一个N径回波模型。
式中gi为路径i的衰减系数,τi为信号通过路径i时的延时。假设信道冲激响应的最大采样延时是L,则此信道就可以用FIR滤波器建模。
3.2 电力线通道的判决反馈信道估计
由于电力线通道的慢时变特性, 符号间的信道特性可视为是时不变的。因此,可以采用判决反馈的信道估计方法,它利用判决反馈值估计信道，然后用估计值来均衡下一个OFDM符号。这一方法不需要导频符号，从而提高了传输效率。图4给出了信道估计器的结构。
信道估计算法可以详细地表达为:①初始化信道估计，发送3个OFDM符号作为训练序列来获得信道的初始信息；②初始化后,判决反馈值作为期望值, 然后用递推LS算法来估计信道；③由于信道噪声和估计噪声的影响, 估计值应进行低通滤波,以减少噪声；④使用经过时域滤波后的估计值来均衡下一个OFDM符号；⑤利用纠错码的纠错能力来实现传输序列的可靠估计；⑥在“反馈环”中使用纠错后的估计序列来进行下一个符号的信道估计,以使这一信道估计过程能够循环进行。
这个信道估计算法是一个循环反馈过程。相对于一个OFDM符号持续时间来说，电力线信道是慢时变的，所以两个相邻符号的信道特性可以视为时不变的。利用这一特性, 在反馈回路可以使用这种信道估计算法。 该算法的优点是不需要导频符号，能够提高数字通信的效率,而且在估计中延迟仅一个符号的持续时间, 这样可以满足实时传输的要求。
4 仿真
4.1 仿真参数
仿真参数见表1。传输带宽为15MHZ适合高速的PLC。调制方案采用是16QAM。FFT的数目为1024，有用的子载波的个数为800。循环前缀是符号持续时间的1/4,大于信道冲激响应的最大延迟时间。所以总符号持续时间是有用符号的持续时间加上循环前缀的时间。
4.2 电力线信道模型仿真
由于复杂的拓扑结构和物理特性, 目前还没有标准的低压电力线信道模型。 但是,我们可以选择一个能够反映频率选择性衰减和多径传输等主要特点的模型作为仿真模型。所以有人提出了信道模型,这是个四路径的模型,包括电力线通道的主要性能,并在实际中进行了测试。信道的频域传输特性如图5。
4.3 仿真结果
本文对两种信道估计方法进行了仿真，一种方法在文献［3］中的训练序列方法,另一种方法是本文基于判决反馈的方法。仿真结果见图6。
在图6中,“*”代表［3］中的方法，“o”代表本文中的方法。从图中可以看出本文中的方法比［3］中的性能要好。在高信噪比条件下它比［3］中的方法有2db的改善。这种方法的性能较好，是因为它能通过判决反馈值跟踪信道的缓慢变化。
6 结论
本文分析了低压电力线信道的特性。低压电力线信道相对于通信信号传输时间而言，具有慢时变性。针对这种特点，提出了OFDM系统中基于判决反馈的信道估计方法。该信道估计只需要延迟一个OFDM符号，能够保证信道的实时估计，符合实时通信的要求。仿真表明，这种方法的误码率能够达到通信的要求，因此是一种有效的OFDM系统中低压电力线通信信道估计方法。
参考文献
［1］Ye li, Leonard J. Cimini, Jr , Nelson R.Sollenberger ,Robust Channel Estimation for OFDM Systems with Rapid Dispersive Fading Channels. IEEE Trans. Communications, 1998,46(7):902-915
［2］Guo Jingbo, Wang Zanji, Spread spectrum signal transmission over low voltage distribution networks and realization countermeasures of the ommunication system. Proceedings of the Chinese Society for Electrical Engineering 2001,21(7):78-82
［3］Lv Haifeng, Guo Jingbo, Wang Zanji, Real time channel estimation of power line OFDM communications , Automation of Electric Power System2003, 27(9)：29-31
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。
关键词：电力线通信；OFDM系统；信道估计；判决反馈
0 前言
低压电力线通信能够通过低压配电网络提供高速的数据服务，将是未来的一种有效通信方式。它无需重新架设新的网络基础设施，大大降低了成本，优于传统的通信方式。但是，考虑到电力线信道较差的特性，需要设计合适的通信方案以克服信道衰落。
正交频分复用（OFDM）技术是一种有效的对抗频谱衰落的调制方式，它通过DFT将串行数据调制到并行的正交子载波上，因而能够对抗信道的多径效应和符号间干扰。这些特性使它非常适合低压电力线通信。
在OFDM系统的发送端, 使用QAM,PSK或DPSK数据调制将输入数字信号映射成复信号，之后进行离散傅立叶变换(DFT)，将这些复数据调制到一些独立的正交子载波上。 在接收端,可以根据发射机来选择非相干和相干解调方式。如果使用非相干OFDM系统,将有3db的性能损失。为了提高系统的性能, 应采用相干OFDM系统。使用相干OFDM系统，就必须进行信道估计。本文通过分析低压电力线信道特性，提出了适合电力线信道的判决反馈信道估计方法。
1 低压电力线信道特性
低压电力线信道和传统的通信传输介质相比，比如双绞线、同轴电缆和光纤电缆等，在拓扑结构和物理特性上具有很大的不同。当传输通信信号时，电力线信道的特性非常复杂。它具有各种负荷，严重的噪声和衰减，因此不是一种好的传输通信信号的介质。所以必须对信道特性进行分析，以寻找合适的通信方法。一般来说, 对电力线信道的分析主要是阻抗、衰减和噪声性能这三个主要参数。
实验表明，电力线信道的阻抗在大多数情况下非常低,它是频率的函数，随着频率的变化而变化。但是,它并不随频率成线性变化,它也受时间、负载和位置的影响。如果发射机的内部阻抗与电力线信道的阻抗不匹配,就会产生很大的耦合损失。所以设计好的发射机应该有一个尽可能低的输出阻抗与信道阻抗相匹配。
电力线信道衰减是由多种因素造成的。由于电缆的衰落或者辐射，信号的衰减通常随着电缆长度和信号频率的增加而增加。 此外,由于低压主电网比较复杂, 网络上有许多不匹配的接入节点，就会产生反射波和驻波。信号除了直线传输外，还会有多径传输，从而导致信道具有频率选择性衰减特性。为了研究低压电力线信道的特性,文献［2］做了大量连续的测量，通过测量值得出了传输性能，见图1。从图1可以看出, 在一段时间内传输特性变化不大，低压电力线信道具有慢时变的特点。
由于电力线网络复杂环境,信道噪声不能归结为简单的加性高斯白噪声。在通常情况下,电力线信道的噪声可分为有色背景噪声、窄带噪声、与主电网异步的周期脉冲噪声、与主电网同步的周期脉冲噪声和突发噪声。第一到第三种噪声，在几秒几分钟甚至几小时内都可以保持不变, 可以概括为背景噪声。第四和第五种噪声在微秒和毫秒级是时变的。多种噪声的叠加，使得噪声很难进行量化。不过研究表明, 随着频率的增加，一般噪声的功率谱密度会下降，通过分析噪声的功率谱密度,背景噪声在高频率段可以近似认为是白噪声，在通信中背景噪声比周期性噪声和冲激噪声的影响更大。 基于这种分析,电力线噪声在仿真中可以归结为白色噪声和周期性噪声。
2 OFDM系统介绍
OFDM技术是一种特殊的多载波传输技术。它是一种并行传输方式，将串行高速数据流传输转化为并行的低速数据流传输, 每一个子数据流被调制在一个单独的子载波上。并行通信延长了信号的传输时间,可以有效地降低多径的影响。加入循环前缀的目的是为了消除ISI（码间干扰）并保护正交子载波。由于子载波正交，每个子信道的频谱可以重叠，提高了信道的频谱利用率。所有这些优点使OFDM系统适合低压电力线通信。
3 基于判决反馈的信道估计
如果OFDM系统采用相干检测，则必须进行信道估计。信道估计技术可以分为两大类:①训练序列方法，从训练序列或导频符号估计信道的信息；②盲信道估计法，直接从数据符号估计信道信息。本文提出了一种基于判决反馈的方法来估计OFDM系统的电力线信道。
3.1 低压电力线信道建模
由于电力线网络的阻抗不连续性和存在许多分支节点，电力线信道可视为具有多径传播特性，因此使用多径传播模型来表征这种特性。为了方便起见，假定发射机和接收机的阻抗完全匹配。 图3是一个N径回波模型。
式中gi为路径i的衰减系数,τi为信号通过路径i时的延时。假设信道冲激响应的最大采样延时是L,则此信道就可以用FIR滤波器建模。
3.2 电力线通道的判决反馈信道估计
由于电力线通道的慢时变特性, 符号间的信道特性可视为是时不变的。因此,可以采用判决反馈的信道估计方法,它利用判决反馈值估计信道，然后用估计值来均衡下一个OFDM符号。这一方法不需要导频符号，从而提高了传输效率。图4给出了信道估计器的结构。
信道估计算法可以详细地表达为:①初始化信道估计，发送3个OFDM符号作为训练序列来获得信道的初始信息；②初始化后,判决反馈值作为期望值, 然后用递推LS算法来估计信道；③由于信道噪声和估计噪声的影响, 估计值应进行低通滤波,以减少噪声；④使用经过时域滤波后的估计值来均衡下一个OFDM符号；⑤利用纠错码的纠错能力来实现传输序列的可靠估计；⑥在“反馈环”中使用纠错后的估计序列来进行下一个符号的信道估计,以使这一信道估计过程能够循环进行。
这个信道估计算法是一个循环反馈过程。相对于一个OFDM符号持续时间来说，电力线信道是慢时变的，所以两个相邻符号的信道特性可以视为时不变的。利用这一特性, 在反馈回路可以使用这种信道估计算法。 该算法的优点是不需要导频符号，能够提高数字通信的效率,而且在估计中延迟仅一个符号的持续时间, 这样可以满足实时传输的要求。
4 仿真
4.1 仿真参数
仿真参数见表1。传输带宽为15MHZ适合高速的PLC。调制方案采用是16QAM。FFT的数目为1024，有用的子载波的个数为800。循环前缀是符号持续时间的1/4,大于信道冲激响应的最大延迟时间。所以总符号持续时间是有用符号的持续时间加上循环前缀的时间。
4.2 电力线信道模型仿真
由于复杂的拓扑结构和物理特性, 目前还没有标准的低压电力线信道模型。 但是,我们可以选择一个能够反映频率选择性衰减和多径传输等主要特点的模型作为仿真模型。所以有人提出了信道模型,这是个四路径的模型,包括电力线通道的主要性能,并在实际中进行了测试。信道的频域传输特性如图5。
4.3 仿真结果
本文对两种信道估计方法进行了仿真，一种方法在文献［3］中的训练序列方法,另一种方法是本文基于判决反馈的方法。仿真结果见图6。
在图6中,“*”代表［3］中的方法，“o”代表本文中的方法。从图中可以看出本文中的方法比［3］中的性能要好。在高信噪比条件下它比［3］中的方法有2db的改善。这种方法的性能较好，是因为它能通过判决反馈值跟踪信道的缓慢变化。
6 结论
本文分析了低压电力线信道的特性。低压电力线信道相对于通信信号传输时间而言，具有慢时变性。针对这种特点，提出了OFDM系统中基于判决反馈的信道估计方法。该信道估计只需要延迟一个OFDM符号，能够保证信道的实时估计，符合实时通信的要求。仿真表明，这种方法的误码率能够达到通信的要求，因此是一种有效的OFDM系统中低压电力线通信信道估计方法。
参考文献
［1］Ye li, Leonard J. Cimini, Jr , Nelson R.Sollenberger ,Robust Channel Estimation for OFDM Systems with Rapid Dispersive Fading Channels. IEEE Trans. Communications, 1998,46(7):902-915
［2］Guo Jingbo, Wang Zanji, Spread spectrum signal transmission over low voltage distribution networks and realization countermeasures of the ommunication system. Proceedings of the Chinese Society for Electrical Engineering 2001,21(7):78-82
［3］Lv Haifeng, Guo Jingbo, Wang Zanji, Real time channel estimation of power line OFDM communications , Automation of Electric Power System2003, 27(9)：29-31
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。