【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(diǎn)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(jìn)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(shè)計的,因而當(dāng)使用電力線載波信道進(jìn)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(fù)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?dāng)_,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(yīng)的影響,實(shí)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(yīng)變化進(jìn)行追蹤,信道估計就是一種比較理想的追蹤信道響應(yīng)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(yù)知信道的統(tǒng)計信息,LS算法雖不需要預(yù)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。基于傳統(tǒng)的信道估計算法復(fù)雜度較高和需要預(yù)先知道信道的統(tǒng)計信息的問題,本文提出了一種改進(jìn)的算法,該算法避免了預(yù)先知道信道的統(tǒng)計信息,實(shí)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(dǎo)頻,在接收端先利用LS算法估計出時域信道的脈沖響應(yīng),我們知道信道的能量主要集中前L徑信道�；�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(yīng),頻域響應(yīng)可以通過快速傅里葉變換進(jìn)行得到。本文改進(jìn)的LMMSE算法避免了預(yù)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(fù)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(dú)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(jìn)行了簡單的介紹；第二章,對低壓電力線信道的信道特性進(jìn)行簡單的分析,并對在此特性的基礎(chǔ)上建立的低壓電力線信道模型進(jìn)行了簡單的分析；第三章,對OFDM系統(tǒng)模型、導(dǎo)頻圖案和導(dǎo)頻點(diǎn)處的幾種信道估計算法進(jìn)行簡單的介紹；第四章,提出一種改進(jìn)的LMMSE信道估計算法,并對改進(jìn)的算法進(jìn)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(fù)雜度進(jìn)行了詳盡的分析,并針對算法性能和復(fù)雜度進(jìn)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(jìn)的技術(shù)可以實(shí)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(shè)好SDG對整個社會的經(jīng)濟(jì)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(shè)，最終建成全面統(tǒng)一的堅強(qiáng)電網(wǎng)，擠身于世界領(lǐng)先水平。SDG運(yùn)用了先進(jìn)的保護(hù)控制技術(shù)（如：廣域保護(hù)技術(shù)和自適應(yīng)保護(hù)技術(shù)等）和先進(jìn)的傳感器技術(shù)（如：光學(xué)技術(shù)和電子互感器技術(shù)等），其建設(shè)的基礎(chǔ)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(shí)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(hù)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(yīng)及其一系列的相關(guān)服務(wù)。大量的分布式能源在配網(wǎng)中的安全運(yùn)行是SDG發(fā)展的主要目標(biāo)之一。研究表明，通過微網(wǎng)實(shí)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(yùn)行又能實(shí)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(jì)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(diǎn)，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(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)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(diǎn)。
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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(jì)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(yuǎn)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(jìn)行圖像、話音、視頻等多媒體業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信號的高速傳輸。因其信道環(huán)境比較惡劣，進(jìn)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(yīng)的影響，實(shí)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(yīng)變化進(jìn)行追蹤，信道估計就是一種比較理想的追蹤信道響應(yīng)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(yù)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(fù)雜，理論上的MMSE算法性能可以通過二維納濾波器(2D-Wienner filter)進(jìn)行實(shí)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(fù)雜的信道，電力設(shè)備在電力線的接入位置也比較隨意，沒有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，電力設(shè)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(fù)雜現(xiàn)象，其衰減現(xiàn)象比較復(fù)雜，并且具有很強(qiáng)的時變特性。由于受到負(fù)載共振現(xiàn)象和傳輸效應(yīng)的影響，在某些頻率點(diǎn)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(diǎn)的不同衰減也不同，負(fù)載所處的節(jié)點(diǎn)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(fù)雜負(fù)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(fù)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(fù)雜。低壓電力線上的負(fù)載因用戶的需要隨機(jī)地斷開或者連接，同種類型的負(fù)載在不同的接入點(diǎn)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(luò)中，不同的點(diǎn)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(yán)重的衰減。通過文獻(xiàn)[42]我們知道4徑模型的仿真結(jié)果與實(shí)際測量結(jié)果能夠很好的吻合。MK模型的缺點(diǎn)：MK模型無法反映低壓電力線信道頻率響應(yīng)的隨機(jī)性，僅僅是對某一瞬時頻率的響應(yīng)進(jìn)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(shè)計的，用于電力線進(jìn)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(shè)備，各種不同的電力設(shè)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(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，電力線上的用電設(shè)備也可以隨意的斷開或者連接，造成了阻抗的嚴(yán)重不匹配，因此引起了反射和駐波等復(fù)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(yán)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(diǎn)是對于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的算法，這種算法要實(shí)用于完全隨機(jī)的動態(tài)變化的拓?fù)浣Y(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(shè)備，都會破壞已經(jīng)計算好的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，國內(nèi)外的學(xué)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(jī)的改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(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(jìn)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(yīng)于現(xiàn)實(shí)中的低壓電力線信道模型，它們各有優(yōu)點(diǎn)各有缺點(diǎn)。因此我們在對低壓電力線信道進(jìn)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(dǎo)頻輔助信道估計....... 16
3.4本章小結(jié) .......  27
第四章一種改進(jìn)的LMMSE信道估計算法....... 28
4.1改進(jìn)算法的系統(tǒng)模型.......28
4.2改進(jìn)的LMMSE算法....... 30
4.3改進(jìn)LMMSE算法SNR的估計....... 31
4.4改進(jìn)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(fù)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(jìn)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(yùn)算的復(fù)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(dǎo)頻，估計出時域信道的脈沖響應(yīng)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(yù)先知道信道的統(tǒng)計信息，也避免了求解逆矩陣，計算的復(fù)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(shè)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(shè)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(fù)雜還需要預(yù)先知道信道的統(tǒng)計特性，給實(shí)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(jìn)行了研究，主要進(jìn)行了以下幾點(diǎn)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(jìn) 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(jìn)行了仿真和分析。
2.對信道估計進(jìn)行了簡單的介紹和PSAM信道估計的幾種導(dǎo)頻圖案進(jìn)行了分析，并對幾種傳統(tǒng)的信道估計算法進(jìn)行了詳盡的分析。
3.針對LS算法受噪聲影響較大的缺點(diǎn)和傳統(tǒng)LMMSE信道估計算法的復(fù)雜性，LS算法雖不需要預(yù)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。基于傳統(tǒng)的信道估計算法復(fù)雜度較高和需要預(yù)先知道信道的統(tǒng)計信息的問題，本文提出了改進(jìn)的算法，該算法避兔了預(yù)先知道信道的統(tǒng)計信息，實(shí)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(jìn)行了估計，得到了信道的時域特性。本文算法避免了預(yù)先知道信道的統(tǒng)計信息并降低了運(yùn)算的復(fù)雜度，保證了通信的可靠性。
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