【摘要】 電力線載波通信(Power Line Communication, PLC)[1-2]是以電力線傳輸信號的電力系統(tǒng)通信,電力線本身的特點是可以遍布到千家萬戶,因此不需要重新布線,使用電力線進行通信可以大大的降低成本,因此受到人們的青睞,并隨著技術(shù)水平的不斷增加,其通信性能得到了很大方面的提升,因而受到了智能配電網(wǎng)通信的青睞。電力線是專門為傳輸電能而設計的,因而當使用電力線載波信道進行數(shù)據(jù)通信時信道環(huán)境比較惡劣,從而限制了電力線通信的質(zhì)量。隨著技術(shù)水平的不斷發(fā)展,人們對數(shù)據(jù)傳輸速率的要求也在不斷增加,正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)[3-4]是一種高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),滿足了人們對高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊�求。OFDM系統(tǒng)中各子載波間相互正交,可以減小或者消除碼間串擾,因而降低了信道的頻率選擇性衰落,OFDM系統(tǒng)比較適用于惡劣的環(huán)境中。為了使信號在接收端可以完全分離,OFDM要求各子載波間要完全正交。為了使系統(tǒng)可以免除多徑衰落效應的影響,實現(xiàn)系統(tǒng)性能的最佳效果,就需要我們可以對信道的響應變化進行追蹤,信道估計就是一種比較理想的追蹤信道響應變化的方法,OFDM系統(tǒng)的性能也直接受到信道估計方法精確程度的影響。傳統(tǒng)的信道估計算法一般都需要預知信道的統(tǒng)計信息,LS算法雖不需要預知信道的統(tǒng)計特性但對噪聲比較敏感,容易受到噪聲的干擾�；�于傳統(tǒng)的信道估計算法復雜度較高和需要預先知道信道的統(tǒng)計信息的問題,本文提出了一種改進的算法,該算法避免了預先知道信道的統(tǒng)計信息,實則上本文算法也是對LS算法的一種優(yōu)化,具體的操作過程如：在信號的發(fā)送端通過對頻域信號插入導頻,在接收端先利用LS算法估計出時域信道的脈沖響應,我們知道信道的能量主要集中前L徑信道。基于此本文采用了兩種方法估計出時域信道的噪聲方差和信噪比,通過噪聲方差和信噪比估計出信道的時域響應,頻域響應可以通過快速傅里葉變換進行得到。本文改進的LMMSE算法避免了預先知道信道的統(tǒng)計信息,也避免了求解自相關(guān)矩陣及其逆矩陣,算法的復雜度得到了有效的降低。全文內(nèi)容包括如下幾個部分：第一章,簡單的介紹了在智能配電網(wǎng)的發(fā)展過程中電力線載波通信具備了獨特的功能和優(yōu)勢并對信道估計算法在國內(nèi)外的發(fā)展趨勢進行了簡單的介紹；第二章,對低壓電力線信道的信道特性進行簡單的分析,并對在此特性的基礎上建立的低壓電力線信道模型進行了簡單的分析；第三章,對OFDM系統(tǒng)模型、導頻圖案和導頻點處的幾種信道估計算法進行簡單的介紹；第四章,提出一種改進的LMMSE信道估計算法,并對改進的算法進行了描述和仿真分析；第五章,本章的系統(tǒng)模型和計算信噪比的方法與第四章有所不同,提出了一種快速LMMSE信道估計算法,針對該算法的系統(tǒng)模型和算法復雜度進行了詳盡的分析,并針對算法性能和復雜度進行了仿真分析；第六章,總結(jié)與展望。

第一章緒論

1.1課題背景及研究意義
智能配電網(wǎng)通過先進的技術(shù)可以實現(xiàn)電網(wǎng)的智能化，并支持與用戶間的互動，是智能電網(wǎng)（Smart Grid)的重要組成部分[6-7]，建設好SDG對整個社會的經(jīng)濟和環(huán)境發(fā)展都有重大意義。我國對智能電網(wǎng)發(fā)展較晚，在2009年舉行的特高壓國際會議上對智能電網(wǎng)才有了明確的定義[8]，我國將分三個階段加快對智能電網(wǎng)的建設，最終建成全面統(tǒng)一的堅強電網(wǎng)，擠身于世界領先水平。SDG運用了先進的保護控制技術(shù)（如：廣域保護技術(shù)和自適應保護技術(shù)等）和先進的傳感器技術(shù)（如：光學技術(shù)和電子互感器技術(shù)等），其建設的基礎是高級自動化技術(shù)。SDG允許大量的分布電源和分布式儲能以微網(wǎng)方式接入,實現(xiàn)配電網(wǎng)在異常狀態(tài)下的自愈控制能力和正常狀態(tài)下的監(jiān)測功能、控制功能和保護功能等，最終為用戶提供安全可靠和優(yōu)質(zhì)高效的電力能源供應及其一系列的相關(guān)服務。大量的分布式能源在配網(wǎng)中的安全運行是SDG發(fā)展的主要目標之一。研究表明，通過微網(wǎng)實現(xiàn)大量分布式能源的接入，既可以保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行又能實現(xiàn)分布式能源的“即插即用”，最大限度的利用可再生能源和清潔能源，保證社會和經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。由于微網(wǎng)在智能配電網(wǎng)中的重要性，因而微網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、接入及其對電網(wǎng)旳影響是目前的研究熱點，然而大量推廣使用微網(wǎng)必須解決的關(guān)鍵問題是高可靠性的通信和控制。智能配電網(wǎng)包含了多種通信方式[9]，如：光纖通信、電力線載波通信、GPRS、RS485串行通信方式等。由于配電網(wǎng)電力線網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)復雜，受通信環(huán)境的影響較大，有時需要各種通信方式綜合使用以充分的發(fā)揮各種通信方式的優(yōu)點。
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1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
PLC技術(shù)產(chǎn)生于20世紀初，使用電力傳輸線為信道，通過載波調(diào)制將模擬信號或數(shù)字信號轉(zhuǎn)變成高頻信號，滿足遠距離通信和監(jiān)測控制信號的數(shù)據(jù)傳輸。PLC通過低壓配電網(wǎng)線路進行圖像、話音、視頻等多媒體業(yè)務數(shù)據(jù)信號的高速傳輸。因其信道環(huán)境比較惡劣，進行數(shù)據(jù)傳輸時信號容易發(fā)生差錯，為了使系統(tǒng)可以免除多徑衰落效應的影響，實現(xiàn)系統(tǒng)性能的最佳效果，就需要我們可以對信道的響應變化進行追蹤，信道估計就是一種比較理想的追蹤信道響應變化的方法，OFDM系統(tǒng)的性能也直接受到信道估計方法精確程度的影響。通常的信道估計的算法主要有最小二乘法(Least-Square, LS)、最小均方誤差(Minimum Mean-Square Error, MMSE)、線性最小均方誤差(Line Minimum Mean-SquareError, LMMSE)、奇異值分解(Singular Value Decomposition, SVD)、最大似然估計(Maximum Likelihood, ML)等方法。LS算法簡單，不需要預知信道的任何統(tǒng)計信息但是受到高斯噪聲(AWGN)的干擾較大。MMSE算法性能較好但是算法復雜，理論上的MMSE算法性能可以通過二維納濾波器(2D-Wienner filter)進行實現(xiàn)。
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第二章低壓電力線信道建模

2.1低壓電力線倍道的傳輸特性
低壓電力線是一種比較復雜的信道，電力設備在電力線的接入位置也比較隨意，沒有嚴格的標準，電力設備的連接和斷開也是根據(jù)用戶的需要而執(zhí)行的，因此很難滿足阻抗匹配的要求，信號在傳輸過程中容易出現(xiàn)反射、駐波等復雜現(xiàn)象，其衰減現(xiàn)象比較復雜，并且具有很強的時變特性。由于受到負載共振現(xiàn)象和傳輸效應的影響，在某些頻率點會出現(xiàn)衰減幅度的急速增加。由于交流電周期性的變化，高頻信號在低壓電力線上傳輸時也會出現(xiàn)周期性的衰減，衰減也會隨著時間和地點的不同衰減也不同，負載所處的節(jié)點位置不同，衰減也會不同。阻抗隨著頻率的增加而增加，但在某些特殊的情況下也會出現(xiàn)低谷區(qū)，其原因：電力線上連接的各種復雜負載和電力線便組合成了諧振回路，在某一段頻率范圍內(nèi)和其諧振頻率上便形成了低阻抗區(qū)，從而造成了阻抗隨著頻率增加而減小的特殊現(xiàn)象。低壓電力線上連接了不同類型的負載，阻抗特性難以匹配，同時還要受到分布式電感和電容的影響，因此輸入阻抗隨頻率的變化情況比較復雜。低壓電力線上的負載因用戶的需要隨機地斷開或者連接，同種類型的負載在不同的接入點輸入阻抗也不相同，由電容、電感和電阻等組成的低壓電力線網(wǎng)絡中，不同的點上的輸入阻抗也是不同的。
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2.2低壓電力線信道模型
低壓電力線信道的衰減隨著頻率的增加衰減也明顯增加。但是在一些頻率存在著嚴重的衰減。通過文獻[42]我們知道4徑模型的仿真結(jié)果與實際測量結(jié)果能夠很好的吻合。MK模型的缺點：MK模型無法反映低壓電力線信道頻率響應的隨機性，僅僅是對某一瞬時頻率的響應進行了擬合，同時也無法反映出低壓電力線信道的時變特性。低壓電力線是為了傳輸電能而設計的，用于電力線進行信號的傳輸其干擾較大。電力線信道上接入了大量的用電設備，各種不同的電力設備在低壓電力線信道上的接入位置也是隨著客戶的需求加入的，沒有嚴格的標準，電力線上的用電設備也可以隨意的斷開或者連接，造成了阻抗的嚴重不匹配，因此引起了反射和駐波等復雜現(xiàn)象。中國的低壓電力線又存在了一些特殊的現(xiàn)狀，結(jié)構(gòu)布局沒有嚴格的規(guī)范性，存在著亂拉、亂扯電纜的現(xiàn)象。目前自動路由技術(shù)的最大難點是對于網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的算法，這種算法要實用于完全隨機的動態(tài)變化的拓撲結(jié)構(gòu)。因為人為的破壞或者因為客戶的需要增加一些電力設備，都會破壞已經(jīng)計算好的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外的學者根據(jù)低壓電力線信道本身的衰減特性、阻抗特性和噪聲特性以及電力線信道可以完全隨機的改變網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的一種特殊性，建立了不同的信道模型，并對不同的信道模型進行仿真分析，從仿真分析我們可以知道：沒有哪一種信道模型是完全適應于現(xiàn)實中的低壓電力線信道模型，它們各有優(yōu)點各有缺點。因此我們在對低壓電力線信道進行仿真分析時要根據(jù)需要選擇不同的信道模型。

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第三章基于OFDM的低壓電力線的信道估計........ 14
3.1 OFDM信道估計介紹.......14
3.2 OFDM基本原理及系統(tǒng)模型 .......15
3.3 OFDM導頻輔助信道估計....... 16
3.4本章小結(jié) .......  27
第四章一種改進的LMMSE信道估計算法....... 28
4.1改進算法的系統(tǒng)模型.......28
4.2改進的LMMSE算法....... 30
4.3改進LMMSE算法SNR的估計....... 31
4.4改進LMMSE算法MSE的計算....... 32 

4.5仿真結(jié)果與分析....... 33
4.6本章小結(jié) .......35
第五章快速LMMSE信道估計算法....... 36
5.1快速LMMSE算法的系統(tǒng)模型....... 36
5.2 快速 LMMSE....... 37
5.3快速LMMSE算法的MSE....... 40
5.4快速LMMSE算法的復雜度分析....... 41
5.5仿真結(jié)果與分析....... 42
5.6本章小結(jié)....... 45

第五章快速LMMSE信道估計算法

本文提出了一種基于時域信道的快速LMMSE信道估計算法，該算法對時域信道能量和信噪比進行信道估計，避免了傳統(tǒng)的LMMSE信道估計算法中求解自相關(guān)矩陣及其逆矩陣的過程，有效的降低了運算的復雜度。本文提出了一種快速的LMMSE算法，通過在發(fā)送端插入導頻，估計出時域信道的脈沖響應和信道能量。由于信號通過信道之后要受到噪聲的干擾，因此我們選取前徑信道所包含的能量作為信道能量，其余的N-L徑信道所包含的信道能量作為噪聲方差，估計出信噪比(SNR)和信道的時域特性，信道的頻域特性可以通過快速傅里葉變換得到�？焖貺MMSE(FLMMSE)算法避免了預先知道信道的統(tǒng)計信息，也避免了求解逆矩陣，計算的復雜度得到了有效的降低。
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總結(jié)

智能配電網(wǎng)作為智能電網(wǎng)一個比較重要的部分，隨著我國智能電網(wǎng)建設的大力發(fā)展，智能配電網(wǎng)作也亟需快速發(fā)展。在智能配電網(wǎng)建設和完善的過程中，電力線載波通信發(fā)揮著重大的意義。電力線信道作為通信介質(zhì)帶來了巨大的便利，但是電力線信道的衰減特性、阻抗特性、噪聲干擾和時變特性都影響著通信的可靠性。低壓電力線信道環(huán)境惡劣，LS算法簡單但容易受到噪聲的干擾，MMSE算法和SVD算法復雜還需要預先知道信道的統(tǒng)計特性，給實際的執(zhí)行過程帶來了困難。本文基于以上情況入手，對電力線信道估計算法進行了研究，主要進行了以下幾點工作：
1.首先對低壓電力線信道的衰減特性、阻抗特性、噪聲干擾和時變特性進 行了分析，介紹了幾種低壓電力線信道模型并對低壓電力線信道模型進行了仿真和分析。
2.對信道估計進行了簡單的介紹和PSAM信道估計的幾種導頻圖案進行了分析，并對幾種傳統(tǒng)的信道估計算法進行了詳盡的分析。
3.針對LS算法受噪聲影響較大的缺點和傳統(tǒng)LMMSE信道估計算法的復雜性，LS算法雖不需要預知信道的統(tǒng)計特性但對噪聲比較敏感，容易受到噪聲的干擾�；�于傳統(tǒng)的信道估計算法復雜度較高和需要預先知道信道的統(tǒng)計信息的問題，本文提出了改進的算法，該算法避兔了預先知道信道的統(tǒng)計信息，實則上本文算法也是對LS算法的一種優(yōu)化，由于信道的能量主要集中在前Z徑信道和噪聲方差遍布在每一徑信道，本文通過兩種不同的方式對時域信道的噪聲方差和信噪比進行了估計，得到了信道的時域特性。本文算法避免了預先知道信道的統(tǒng)計信息并降低了運算的復雜度，保證了通信的可靠性。
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