一種多徑電力線信道第一主路徑的自適應(yīng)選擇方法

一種多徑電力線信道第一主路徑的自適應(yīng)選擇方法

1多徑電力線信同步算法設(shè)計電能源通信（rc-s）是一種用于中壓電氣的通信技術(shù)。隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展,PLC已經(jīng)應(yīng)用在智能電網(wǎng)和工業(yè)控制等諸多領(lǐng)域,例如自動抄表系統(tǒng)、汽車聯(lián)網(wǎng)通信和智能家電等。實現(xiàn)可靠的通信是維持電力通信系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵所在。正交頻分復(fù)用技術(shù)(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,OFDM)是一種有效的多載波調(diào)制方式目前,針對定時同步算法的研究主要分為數(shù)據(jù)輔助型基于此,本文提出了一種多徑電力線信道下的定時同步算法,并針對多徑電力線環(huán)境提出一種自適應(yīng)的第一主路徑判決門限選擇方法,通過對不同信噪比下仿真得到不同判決門限下的性能曲線,根據(jù)仿真的判決門限性能曲線擬合了一條最佳判決門限,最后制定了一種最優(yōu)判決門限的選擇方法。仿真表明提出的方法能夠有效提高定時同步的正確率,相比固定門限效果提升,并接近最優(yōu)判決門限曲線。2前導(dǎo)序列前導(dǎo)OFDM電力線載波通信系統(tǒng)的發(fā)送端和接收端物理層的流程如圖1所示。其中使用的頻段范圍為0.024414~12.5MHz,對應(yīng)的子載波個數(shù)為511個,時鐘采樣率為25MHz,快速傅里葉變換(FastFourierTransformation,FFT)點(diǎn)數(shù)為1024,子載波間的頻率間隔為24.414kHz,系統(tǒng)通信鏈路由Turbo編碼、信道交織和分集拷貝組成,編碼數(shù)據(jù)經(jīng)過調(diào)制映射,快速傅里葉變換,最后加入前導(dǎo)符號組合成幀后,通過模擬前端耦合到電力線上進(jìn)行傳輸。系統(tǒng)的前導(dǎo)序列幀格式如圖2所示。前導(dǎo)符號由10.5個SYNCP和2.5個SYNCM組成。其中前導(dǎo)符號SYNCP的產(chǎn)生方式如公式(1)所示:式中:M為一個前導(dǎo)符號的長度;C為可用的載波集合;φ(k)代表參考相位,主要用來降低前導(dǎo)信號峰均比。前導(dǎo)信號有著恒定的幅度值,峰值和均值的比值不高,具有較低的峰均比特性。另外,前導(dǎo)序列有著良好的自相關(guān)性和較低的互相關(guān)性。系統(tǒng)的前導(dǎo)符號由多個SYNCP組成,主要是通過較多的前導(dǎo)信號能更好地提取前導(dǎo)信號的特征,以及自動增益控制和信道估計等。另外還有2.5個與SYNCP互為相反的SYNCM,主要是因為互為相反的前導(dǎo)信號做相關(guān)運(yùn)算時能夠很好地確定SYNCP與SYNCM的分界位置,用于進(jìn)一步界定數(shù)據(jù)符號邊界。3電力線信道特性電力線通信網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)之間存在顯著的差別,由于電力線中的接入負(fù)載以及斷開的負(fù)載是不確定的因素,并不是均勻傳輸信號的傳輸電線,會導(dǎo)致電信號在傳輸?shù)倪^程中發(fā)生反射、回波的現(xiàn)象。因此信號傳播不僅發(fā)生在傳輸器和接收方之間的直接視線路徑上,還必須考慮其他路徑,經(jīng)過不同路徑的能量增益各有差別,第一時間到達(dá)的路徑能量增益也并非一定最強(qiáng)。因此,真實的傳輸信道是一個頻率選擇性衰落的多路徑傳輸信道。為了分析電力線信道的多徑特性和頻率衰減特性對信號的影響,本文采用廣泛使用的Zimmermann提出的電力線多徑信道模型式中:V表示電力線信道的多徑路徑數(shù);a電力線初始的用途是被設(shè)計用來傳輸電能,并不是用作數(shù)據(jù)的傳輸用途。因此相比于其他的通信網(wǎng)絡(luò),電力線傳輸環(huán)境更為惡劣,噪聲以及干擾的種類更復(fù)雜?？偟膩碚f電力線的噪聲種類可以分為背景噪聲和脈沖噪聲兩大類,其中背景噪聲可由有色背景噪聲和窄帶噪聲組成,該類噪聲持續(xù)時間長、變化緩慢且幅度相對較低;脈沖噪聲由工頻同步的周期性脈沖噪聲、工頻異步的周期性脈沖噪聲和隨機(jī)脈沖噪聲組成,是一種具有突發(fā)性、高幅度、持續(xù)時間較短的噪聲。脈沖噪聲變化較大,持續(xù)時間相對背景噪聲較低,但是噪聲幅度遠(yuǎn)高于背景噪聲,對系統(tǒng)性能影響較大。電力線通信系統(tǒng)中的噪聲分類如圖3所示。4電力線路時間同步算法同步方案主要分為兩個步驟:基于延時自相關(guān)的定時粗同步算法和基于本地序列互相關(guān)定時精同步算法。4.1時段流態(tài)成本計算數(shù)據(jù)的時效對接收信號做延時自相關(guān)運(yùn)算,由多個前導(dǎo)符號做延時相關(guān)運(yùn)算,會出現(xiàn)峰值平臺,如圖4所示。根據(jù)峰值平臺自相關(guān)值M(n)和預(yù)先設(shè)定的閾值Th作比較,當(dāng)M(n)>Th時,則把當(dāng)前相關(guān)峰值平臺位置判斷數(shù)據(jù)符號的粗同步起始位置。公式(5)為公式(4)的遞推公式,可進(jìn)一步化簡延時相關(guān)過程。其中r(n)為接收信號,M(n)為延時自相關(guān)判決函數(shù),i為定時粗同步位置,L為數(shù)據(jù)總長度,延時的長度N與一個前導(dǎo)符號的長度一致。具體的定時粗同步算法流程如圖5所示。如圖4所示,延時互相關(guān)的結(jié)果出現(xiàn)平臺現(xiàn)象,通過互相關(guān)峰值平臺僅能判斷粗略的幀數(shù)據(jù)到來時刻。峰值平臺維持的長度與幀格式中規(guī)定的前導(dǎo)SYNCP的個數(shù)一致。4.2商品時間和接收數(shù)據(jù)密度根據(jù)延時自相關(guān)結(jié)果得到粗同步位置與最小峰值位置,確定互相關(guān)算法的滑動范圍;然后用本地前導(dǎo)信號分別在粗同步位置與最小峰值位置確定的范圍分別對接收信號進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算,搜索對應(yīng)的兩個最大值;最后在最大值前面的范圍設(shè)置對應(yīng)固定門限,定時到第一主路徑的位置。具體步驟如下:根據(jù)延時自相關(guān)算法結(jié)果,分別在粗同步位置i確定范圍α∈[i-512,i+512]與最小負(fù)峰值位置j確定范圍β∈[j-512,j+512],在范圍α、β分別用本地前導(dǎo)信號與范圍內(nèi)的接收信號分別做互相關(guān)運(yùn)算,如式(7)和式(8):對互相關(guān)U現(xiàn)有的互相關(guān)算法需要對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行大范圍的互相關(guān)運(yùn)算,而互相關(guān)運(yùn)算的范圍與接收數(shù)據(jù)長度L一致,計算量較大。該算法只需要對接收數(shù)據(jù)內(nèi)劃出小的范圍α、β即可以實現(xiàn)定時精同步過程,其中進(jìn)一步化簡能量公式(11)可得到遞推公式(14):式中:r(i)為接收信號,U(i)為互相關(guān)函數(shù),p(k)為本地前導(dǎo)信號,E(i)為接收信號功率,α、β為互相關(guān)的搜索范圍。對相關(guān)后的結(jié)果U5最優(yōu)判決門限擬合第一主路徑的定時同步位置關(guān)鍵在于判決門限的選取,如果判決門限過高,會導(dǎo)致漏檢概率變大;如果判決門限設(shè)置過低,也會導(dǎo)致虛警概率變大,因此判決門限的選擇會影響定時同步正確概率。針對電力線信道環(huán)境,在不同信噪比情況下對判決門限的選擇進(jìn)行了仿真,結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出,SNR小于-5dB時的最優(yōu)判決門限為50~60,SNR在-5~-2dB時的最優(yōu)判決門限為60~70,在-2~-1dB時的最優(yōu)判決門限為70~80,在-1~2dB時的最優(yōu)判決門限為80,在2~5dB時的最優(yōu)判決門限為90,在5~10dB時的最優(yōu)判決門限為100~120均可。另外,從圖中還可看出,隨著信噪比的增大,判決門限較小的性能提升較小。在SNR大于-3dB時,判決門限為50~80之間的性能只有小幅度的提升,原因是第一主路徑峰值大小隨著信噪比而變化,選擇的判決門限過小,導(dǎo)致虛警概率較大,把非路徑偽峰值錯誤判斷為第一主路徑。針對以上的判決門限的仿真可分別取得各個SNR下性能最優(yōu)的判決門限選擇。圖8根據(jù)電力線環(huán)境,對比固定判決門限與最優(yōu)判決門限下的定時同步正確率,由圖可明顯看出在低信噪比情況下最優(yōu)判決門限的性能明顯好于固定的判決門限,在較高信噪比條件下兩者性能相仿。6自適應(yīng)判決函數(shù)提取在系統(tǒng)定時同步之前,接收端對于信噪比信息是未知的,因此門限選擇無法根據(jù)信噪比情況進(jìn)行選擇,所以提出了一種自適應(yīng)的判決門限選擇方法。另外,經(jīng)過電力線通信信道環(huán)境的接收端信號會受到信道多徑衰落以及各種噪聲的影響,因此信號會受到多種干擾而不斷變化,基于本地前導(dǎo)信號互相關(guān)的結(jié)果也會相應(yīng)產(chǎn)生變化。但是相對來說接收端和發(fā)送端的前導(dǎo)信號分別與本地前導(dǎo)信號做互相關(guān)運(yùn)算后,在規(guī)定的相同長度范圍內(nèi),接收端與發(fā)送端信號的互相關(guān)判決函數(shù)峰均比保持基本不變的比例關(guān)系。在規(guī)定的相同長度范圍內(nèi),在發(fā)送端預(yù)先通過仿真實驗求得發(fā)送端前導(dǎo)信號經(jīng)過不加噪聲的多徑電力線信道后的互相關(guān)判決函數(shù)的峰均比PAPRStep1通過仿真實驗把發(fā)送端前導(dǎo)信號通過不加噪聲的電力線信道,通過本地互相關(guān)算法得到互相關(guān)判決函數(shù),然后搜索互相關(guān)判決函數(shù)的最大值P,多次計算規(guī)定范圍[P-200,P]內(nèi)的互相關(guān)判決函數(shù)的峰均比P_papr,此值為一個定值。Step2根據(jù)真實的電力線信道環(huán)境下加入各類噪聲進(jìn)行仿真,通過本地互相關(guān)算法得到互相關(guān)判決函數(shù)并求取最大峰值Q,公式中的最大峰值Q隨著信道環(huán)境變化而變化。因此通過互相關(guān)算法確定互相關(guān)判決函數(shù)最大峰值Q,即可通過下面的公式確定第一徑的自適應(yīng)判決門限:式中:α為一個大于1的常數(shù),可根據(jù)實際性能要求靈活設(shè)置。為確保第一主路徑的有效性,第一主路徑搜索范圍必須與Step1規(guī)定的范圍大小一致,即第一主路徑搜索范圍應(yīng)為[Q-200,Q],范圍的限定只要不超過半個前導(dǎo)符號長度即可;然后把范圍內(nèi)的互相關(guān)運(yùn)算結(jié)果與門限值Th作比較,把第一個超過設(shè)定的門限的相關(guān)結(jié)果及其對應(yīng)的位置判斷為第一主路徑的定時同步位置。整體的定時同步算法流程如圖9所示。7matlab仿真依據(jù)上述分析,通過搭建電力線通信仿真鏈路,在Matlab中對不同判決門限選擇方法進(jìn)行仿真。仿真信道采用了電力線背景噪聲以及脈沖噪聲進(jìn)行仿真。以低壓電力線寬帶載波通信技術(shù)規(guī)范物理層通信協(xié)議8第一主路徑的同步門限選擇問題本文分析了電力線環(huán)境下第一主路徑非能量增益最強(qiáng)路徑的信道特性,提出了電力線載波通信的定時同步算法,并針對第一主路徑非能