基于多載波擴(kuò)頻技術(shù)的低壓電力線通信研究

薛 明 ，于 豐 ，于祥兵

（1.豐縣供電公司生產(chǎn)技術(shù)部，江蘇豐縣 221700；2.中移動(dòng)浙江省公司信息技術(shù)部，浙江杭州 310000）

近年來，國際互聯(lián)網(wǎng)風(fēng)靡全球，用戶接入網(wǎng)絡(luò)通常有兩種方式：一種可以通過無線或電纜等方式實(shí)現(xiàn)，該方法由于成本高，難以大面積推廣；另一種方式是利用已有的線路資源，如電話線，電力線等。由于電力線路覆蓋范圍相當(dāng)廣泛，國內(nèi)外針對(duì)低壓電力線高速數(shù)據(jù)通信技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究。目前，德國、英國、美國、加拿大等國家采用擴(kuò)頻技術(shù)，已推出了傳輸速率為19.2 kb/s和100 kb/s的電力線擴(kuò)頻通信產(chǎn)品，在市電網(wǎng)上傳送2 Mb/s以上速率的產(chǎn)品[1，2]。我國研究低壓電力線通信技術(shù)較晚，國內(nèi)的深圳亞奇通信電子技術(shù)有限公司采用直序擴(kuò)頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)電力線載波通信。清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)等國內(nèi)一些高等學(xué)校和科研單位也對(duì)此進(jìn)行了研究，取得了一定的成果[3，4]。電力線信號(hào)傳輸機(jī)制是多徑傳播，多徑信號(hào)路徑時(shí)延較長時(shí)會(huì)產(chǎn)生頻率選擇性衰落和符號(hào)間干擾（ISI），這是電力線數(shù)據(jù)通信的最大障礙。為解決此問題，文中采用多載波直擴(kuò)CDMA系統(tǒng)（MC-DC-CDMA），該系統(tǒng)為使信息干擾最小化，不要求各子載波頻率滿足正交條件，而是使用脈沖成形，通過子載波頻率分配，使各子載波互不重疊，幾路子載波同時(shí)傳送相同的擴(kuò)頻序列，不僅可以有效地抑制鄰信道干擾，增強(qiáng)抗脈沖干擾能力，而且利用數(shù)目較少的子載波傳輸就可以解決頻率選擇性衰落和ISI的影響。

1 多載波擴(kuò)頻機(jī)理

1.1 CDMA技術(shù)

CDMA通信就是將要傳送的具有一定信號(hào)帶寬的信息、數(shù)據(jù)，用一個(gè)帶寬遠(yuǎn)大于信號(hào)帶寬的高速偽隨機(jī)碼信號(hào)去調(diào)制它，使原信息、數(shù)據(jù)信號(hào)的帶寬被大大擴(kuò)展(擴(kuò)頻)，再經(jīng)載波調(diào)制后發(fā)射出去；接收端則使用完全相同的偽隨機(jī)碼，與接收的寬帶信號(hào)作相關(guān)處理，把寬帶信號(hào)變成原信息、數(shù)據(jù)的窄帶信號(hào)（解擴(kuò)），實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信[5,6]。CDMA可在同一載波頻率上同時(shí)傳送多個(gè)用戶的信息、數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多址通信。擴(kuò)頻碼之間的互相關(guān)值越小，多址干擾就越小，多址通信用戶數(shù)就越多。

1.2 多載波傳輸技術(shù)

多載波傳輸技術(shù)有多種提法如OFDM[7-10]、離散多音調(diào)制和多載波調(diào)制，這3種提法在一般情況下等同，只是在OFDM中各子載波保持相互正交，而在多載波調(diào)制中這一條件并不總成立。子載波間存在3種不同的設(shè)置方案：傳統(tǒng)的頻分復(fù)用[11-13]、采用偏置QAM(SQAM)技術(shù)和OFDM。OFDM即各子載波正交且頻譜相互重疊，可使載波間隔達(dá)到最小，從而提高了頻帶利用律，OFDM的頻譜非常接近于矩形，因此頻帶利用律可接近香農(nóng)信息論的極限。

1.3 多載波與CDMA的結(jié)合方式

為了克服頻率選擇性衰落信道中的ISI，自1993年開始，陸續(xù)出現(xiàn)討論多載波調(diào)制與CDMA相結(jié)合方法的研究，主要研究時(shí)域擴(kuò)頻構(gòu)成方法之一的MC-DC-CDMA系統(tǒng)。

2 MC-DS-CDMA系統(tǒng)

2.1 信號(hào)發(fā)送

系統(tǒng)的發(fā)送圖如圖1所示。

在發(fā)送端，符號(hào)周期為Tb的信號(hào)序列經(jīng)串行變換成為P組并行的序列，在這P組并行的序列支路上符號(hào)的周期為Ts=PTb，再將P組的每個(gè)支路復(fù)制為L條子支路，在子處理支路上，用長度為N、碼片周期為Tc的同一擴(kuò)頻序列進(jìn)行擴(kuò)頻。Ts=NTc，用PL個(gè)子載波對(duì)各支路進(jìn)行BPSK調(diào)制，其中相同比特的支路使用的調(diào)制子載波頻率有最大間隔，這時(shí)可用式q(p,l)=p(l-1)+p,=1,2,…,L來表示被第P條并行數(shù)據(jù)流調(diào)制的L個(gè)子載波，其中q(p,l)為第P條并行支路的第l個(gè)子載波序號(hào)。相鄰載波調(diào)制后信號(hào)在頻譜上不存在重疊，具有相同的帶寬BWPL=BW1/PL，其中BW1=(1+λ)/Tc1， 為碼片波成形濾波器滾降因子，Tc1是傳統(tǒng)單載DS-CDMA系統(tǒng)的擴(kuò)頻碼片時(shí)長[6]。于是BWPL=(1+λ)/PLTc1，為保證傳輸帶寬不受P和L取值變化的影響，擴(kuò)頻序列的碼片時(shí)長Tc滿足：

圖1 MC-DS-CDMA系統(tǒng)信號(hào)發(fā)送框圖

因此考慮，Tc=PTBb/N,TBc1=Tb/N1，擴(kuò)頻序列的長度N必須滿足：

其中N1為P=L=1時(shí)的偽隨機(jī)(PN)序列長度，Tc1為P=L=1時(shí)的碼片時(shí)寬。為保證固定的傳輸帶寬，怎樣改變P和L的取值，單載波系統(tǒng)與多載波系統(tǒng)傳輸帶寬不變，擴(kuò)頻序列長度的改變必須遵守式(2)。

假設(shè)系統(tǒng)內(nèi)的用戶k的各子載波支路的功率相等，則第k個(gè)用戶的發(fā)送信號(hào)的表達(dá)式：

2.2 信號(hào)接收

信號(hào)接收方案采用最大合并比接收，接收機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示，經(jīng)相應(yīng)的帶通濾波器，k個(gè)用戶的接收機(jī)采用PL個(gè)碼片匹配濾波器組，對(duì)相同比特支路的各輸出進(jìn)行分集合并，再經(jīng)并串變換得到所有用戶發(fā)射信號(hào)。

圖2 MC-DS-CDMA系統(tǒng)信號(hào)接收模型

2.3 信道可恢復(fù)路徑數(shù)

設(shè)信道的最大路徑時(shí)延擴(kuò)展為Tm，則可回復(fù)路徑數(shù)目為path=[Tm/Tc]，令Tm=n1Tc1，n1為整數(shù)，再由式（1）得到：

其中，path1為P=L=1時(shí)系統(tǒng)在當(dāng)前信道條件下的可恢復(fù)的路徑數(shù)目。從式（4）可知，如果增加子載波數(shù)目，則可恢復(fù)路徑數(shù)目減小，選擇PL滿足以下條件：

（1）系統(tǒng)中每個(gè)子載波衰落是無選擇性的，即Tm≤PLTc1，得出PL≥Tm/Tc1，也就是說，如果子載波數(shù)目滿足。

其中path1為P=L=1時(shí)系統(tǒng)在當(dāng)前信道條件下的可恢復(fù)的路徑數(shù)目，則對(duì)于每路子載波經(jīng)歷的都是單路徑的衰落。

（2）相鄰子載波的衰落式相互獨(dú)立的，即BWPL≥（Δf）c，（Δf）c=1/Tm。 若子載波的選擇滿足下式：

則上兩條件可滿足。為保證上式左側(cè)式不相等，取PL=path1，右式不相等選取λ≥Tc1/Tm。

2.4 系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化

在配置支路數(shù)P和每個(gè)支路上的子載波數(shù)目L時(shí)有約束條件：

（1）多載波系統(tǒng)占用的帶寬應(yīng)與某一單載波DS-CDMA的帶寬相等，這就對(duì)MC-DS-CDMA的擴(kuò)頻序列長度提出要求，它們之間的關(guān)系符合式（2）。

（2）針對(duì)不同的信道特性，可以通過對(duì)P和L的配置來保證每路子載波經(jīng)歷的都是單路徑的衰落，這樣就可以在各子載波上用單獨(dú)的匹配濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。

2.5 接收信號(hào)與干擾分析

電力線通信信道是頻率選擇性衰落信道，通過恰當(dāng)?shù)倪x擇子載波數(shù)，滿足式（6），使每個(gè)用戶在每個(gè)載波上經(jīng)歷的是單路徑衰落。低壓電力線信道衰落是慢衰落信道，可以準(zhǔn)確地估計(jì)信道的變化，因此MC-DS-CDMA系統(tǒng)接收的信號(hào)為：

φkpl=φkpl–φkτ,φkτ為由于路徑延時(shí)引起的第k個(gè)用戶的相位，τkpl=τk+τkpl為了檢測所有用戶的第p組并行支路上的符號(hào)，只需要相應(yīng)L個(gè)子載波上的信號(hào)，經(jīng)帶通濾波器，得到第l個(gè)子載波的第k個(gè)用戶的信號(hào)為：

經(jīng)相應(yīng)匹配濾波器可得到：y1=[y1l，y2l，…，ykl]T，

當(dāng)接收端同步跟蹤鎖定后，有τkpl＝0和φkpl＝0，濾去高次諧波，于是：

式中：nld為相應(yīng)匹配濾波器輸出噪聲和；第一項(xiàng)是第k個(gè)用戶的第P組并行支路的第一個(gè)符號(hào)位；第二項(xiàng)是第k個(gè)用戶受到其他用戶的多址干擾；第l個(gè)子載波上的用戶i，對(duì)用戶k的平均多址干擾可以寫成：

獲得一個(gè)用戶的一個(gè)符號(hào)位需要L個(gè)子載波分集接收，則該用戶L個(gè)子載波受到的多址干擾為：

從式（13）可知，多址干擾的大小與用戶所使用擴(kuò)頻碼的非周期互相關(guān)函數(shù)有關(guān)，通過選擇互相關(guān)性小的擴(kuò)頻序列可以抑制多址干擾。

2.6 仿真分析

在數(shù)值仿真中，考察P=1和P＞1的性能。如果不是特別說明的情況，假定P=1,L=1對(duì)應(yīng)單載波擴(kuò)頻系統(tǒng)的可恢復(fù)多徑數(shù)目為L1=12，由式（4），得到隨著P和L的增加，相應(yīng)的多載波直擴(kuò)系統(tǒng)的可恢復(fù)多徑數(shù)目的變化規(guī)律，如表1所示。

表1 可恢復(fù)多徑數(shù)目與系統(tǒng)參數(shù)配置關(guān)系(L1＝12)

典型的低壓電力線信道最大時(shí)延擴(kuò)展Tm=1 μs(信道的最大路徑時(shí)延擴(kuò)展Tm=n1Tc1)，為保證系統(tǒng)中每個(gè)子載波衰落是無選擇性的，相鄰子載波的衰落是相互獨(dú)立的PL應(yīng)該滿足12≤PL≤13，λ≥1/11，這里取λ=0.1。若在電力線1～30 MHz頻率范圍內(nèi)，根據(jù)測試結(jié)果，選擇測試環(huán)境下的信號(hào)衰減相對(duì)較小的頻帶(7～20 MHz)進(jìn)行信號(hào)傳輸，λ=0.1，PL=12相應(yīng)的單載波系統(tǒng)最大傳輸速率為11 MHz，實(shí)際上由于多徑衰落單載波系統(tǒng)已無法達(dá)到，而對(duì)于多載波系統(tǒng)不同系統(tǒng)參數(shù)配置下可傳輸數(shù)據(jù)的最大速率如表2所示。

表2 系統(tǒng)最大傳輸比特率與系統(tǒng)參數(shù)配置關(guān)系（L1＝12）

（1）不同的參數(shù)配置對(duì)系統(tǒng)性能的影響

為考察系統(tǒng)抗多徑干擾的能力，只在背景噪聲下仿真。從圖3中可以看到P=3，L=2的系統(tǒng)性能優(yōu)于P=2,L=1的系統(tǒng)性能，并且隨著信噪比的增大，2種配置下系統(tǒng)性能都有所提高，但P=3，L=2的系統(tǒng)性能仍然優(yōu)于P=2,L=1的系統(tǒng)性能。從表1中可見這2種不同的配置下，信道可恢復(fù)路徑數(shù)目有所差異，在P=3,L=2時(shí)可恢復(fù)路徑數(shù)目為2，而P=2,L=1時(shí)可恢復(fù)路徑數(shù)目為6，仿真時(shí)在每路子載波上只采用一個(gè)匹配濾波器進(jìn)行接收，這樣后者將受到更多的多徑干擾，因此性能劣于前者。

（2）單載波DS-CDMA系統(tǒng)與MC-DS-CDMA系統(tǒng)性能的比較

圖4為傳統(tǒng)的單載波DS-CDMA系統(tǒng)P=L=1與MC-DS-CDMA系統(tǒng) (P=4,L=3)兩者的性能比較。單載波系統(tǒng)采用RAKE接收，多載波系統(tǒng)采用最大合并比接收。

從仿真結(jié)果可以看出，在相同的信噪比條件下多載波系統(tǒng)的誤碼率性能優(yōu)于單載波系統(tǒng)的誤碼率，能支持更多的用戶數(shù)。這是由于MC-DS-CDMA系統(tǒng)把串行的碼元變成并行的碼元在并行信道上傳輸，在占用相同的傳輸帶寬下，MC-DS-CDMA系統(tǒng)中子信道上的碼元時(shí)寬比單載波系統(tǒng)要寬得多，因此短時(shí)脈沖噪聲對(duì)其碼元的影響也相對(duì)要小得多，而且每個(gè)碼元僅占用整個(gè)信道頻帶的一小部分，脈沖噪聲的功率分布到每個(gè)子信道上后有所減弱，也減少了對(duì)該子信道上碼元的干擾，將突發(fā)錯(cuò)誤有效隨機(jī)化，使多個(gè)碼元承受細(xì)微的失真，不影響數(shù)據(jù)的恢復(fù)重構(gòu)。

（3）多用戶環(huán)境下的系統(tǒng)性能

為考察多址干擾對(duì)系統(tǒng)性能的影響，只考慮在背景噪聲下，信噪比為25 dB時(shí)的用戶容量的比較，N是擴(kuò)頻增益，滿足式(2)。

從圖5中可見，在用戶數(shù)較少時(shí)，子載波數(shù)P=3,L=4系統(tǒng)性能要好于P=4,L=3系統(tǒng)性能；而在用戶容量較大時(shí)，P=4,L=3好于P=3,L=4系統(tǒng)。可見，在總子載波數(shù)一定時(shí)，MC-DS-CDMA系統(tǒng)支持的用戶數(shù)是不同的。在用戶數(shù)較少時(shí)，P較小(相應(yīng)地L較大)的MC-DS-CDMA系統(tǒng)有更好的性能；在用戶數(shù)較多時(shí)，P較大 (相應(yīng)地L較小)的MC-DS-CDMA系統(tǒng)性能更好。這是因?yàn)樵谟脩魯?shù)較少時(shí)，多址干擾對(duì)系統(tǒng)性能的影響不顯著，P=3，L=4多載波系統(tǒng)采用了更多的分集路數(shù)，因而比P=4,L=3多載波系統(tǒng)有更好的性能。但隨著用戶數(shù)的增加，多址干擾也隨之增加，傳輸相同數(shù)據(jù)的子載波數(shù)L較少的，受到的多址干擾也較少，所以此情況下P=4,L=3多載波系統(tǒng)比P=3,L=4多載波系統(tǒng)具有更好的性能。

3 結(jié)束語

針對(duì)低壓電力線信道的多徑傳輸特性，給出了MC-DS-CDMA系統(tǒng)在低壓電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的信號(hào)傳送、接收與干擾和性能分析。該系統(tǒng)利用數(shù)目較少的子載波傳輸就可以解決ISI的影響，而且具有較好的抗脈沖噪聲的能力，由于采用相同比特的子載波支路同時(shí)在不同的子信道上傳輸，也可獲得頻率分集。仿真結(jié)果說明在多徑衰落信道中，當(dāng)載波的數(shù)目增加時(shí)，每個(gè)子載波上的帶寬相應(yīng)減小，在每個(gè)子載波上的可恢復(fù)路徑數(shù)目下降，當(dāng)恰當(dāng)?shù)剡x擇子載波的數(shù)目時(shí)，可實(shí)現(xiàn)每個(gè)子載波上單路徑衰落。

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