电力线OFDM的压缩感知均衡消噪方法

马晓奇，邵 滨，崔 宇，孙长河



电力线OFDM的压缩感知均衡消噪方法

马晓奇，邵 滨，崔 宇，孙长河

(辽宁省电力公司，辽宁 沈阳 110000)

电力线载波通信（PLC, Power Line Communication）技术被广泛地应用在电力数据采集系统中，大部分采用正交频分复用（OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术，而电力线中的异步脉冲噪声和周期脉冲噪声对OFDM电力线系统的性能影响很大，特别是对系统的可靠性影响最大，造成系统的误比特率上升。针对此问题，利用OFDM信号的时域稀疏性，在接收端对发送信号进行消除脉冲噪声处理，减小接收端计算量，提高系统的可靠性。通过仿真结果可以表明，所提的均衡方案有效消除了脉冲噪声的影响，同时降低了误码率。

电力线载波；脉冲噪声；均衡；误比特率；正交频分复用

0 引言

智能电网是一个智能能量传输网络，其包括通信和计算网络，而智能电网中的通信网络一般是多种通信技术（从无线通信到光纤通信）的集合。其中，电力线载波技术以其高覆盖率、低铺设成本等优势，成为智能电网应用中的主要组成部分。特别地，在现有电网中，对电量的采集分析，大量用到了电力线载波通信技术。无论是宽带载波通信还是窄带载波通信，多载波通信技术被广泛的应用，而其中正交频分复用技术以其高频谱利用率的优势，被大量的应用。

电力线通信分为宽带电力线通信和窄带电力线通信，而无论宽带电力线通信还是窄带电力线通信均采用多载波的通信方式，其中采用最广泛的是正交频分复用技术，来对抗频率选择性衰落和信道干扰噪声。然而在电力线通信系统中最主要的挑战就是克服电力线的加性噪声，其中不但包括加性高斯白噪声，还包括由于电气设备接入所带来的脉冲噪声。在这两种噪声中，脉冲噪声由于其自身高功率的特点，对通信系统干扰大，成为阻碍电力线通信性能提升的重要因素。一方面，商用的电力线通信调制均是低功率传输，所以脉冲干扰成为可以左右通信的关键因素；另一方面，脉冲干扰的随机特性与加性高斯白噪声有很大不同，所以传统的以加性高斯白噪声为前提条件进行优化的接收端已经不再适用于电力线通信中。

许多不同脉冲干扰的随机模型被提出，并且应用到了改善电力线载波通信中，当确定了一种随机模型后，可以采用滤波器、均衡、解码等方式进行优化，以提高系统的可靠性，然而这些均需要有训练序列的开销。本文采用压缩感知的方法，在发送端采用脉冲干扰预消除的方法，有效消除了脉冲噪声，从而提高系统的稳定性，降低系统的误比特率。

1 系统模型

本文所采用的系统模型，是建立在经典OFDM传输模型上的（见图1），其传输过程如下所示：设OFDM系统共有个子载波，系统带宽为Hz，信号长度为秒，循环前缀CP的长度为，即一个OFDM帧的传输时间是，考虑到循环前缀的影响，发送端发送的第个载波的波形可以表示为

(1)

当传输的是一个无限的OFDM信号序列时，OFDM已调信号波形可以表示为

(3)

由式（5）可以看出循环前缀CP已经被删除。由于CP包含了所有的码间干扰，所以接收机滤波器组的抽样输出将不包含码间干扰。警告过一系列的滤波器组的滤波后可以得到简化的输出为

(6)

(8)

2 基于压缩感知的均衡算法

(12)

(14)

(15)

(16)

(18)

根据以下参数进行更新迭代

(20)

为了进一步说明本方案的复杂度，表1给出了本方案的编码计算量；表2比较了本方法与传统方案的编码计算量，计算量的单位是每秒浮点运算次数（Floating-point Operations Per Second，flops），即一次复数乘法运算需要6次flops操作，一次复数加法运算需要2次flops操作。比较可得，本方案的复杂度都与、及呈线性关系，即本方案与已有的方案相比复杂度在同一个数量级。

表1 本方案的复杂度

表2 两种方案的复杂度比较

3 仿真结果

在本部分，所提方案和以下三个方案进行了对比：

1）不采用信号处理方式消除脉冲干扰，在图2和图3中记为“未消除脉冲噪声”；

2）传统的用非线性处理手段，经过迭代的方法消除脉冲噪声干扰方法，在图2和图3中记为“传统非线性方法”；

3）用传统的线性处理方法，没有采用压缩感知的线性方法，在图2和图3中记为“传统线性方法”。

在仿真中，根据文献[10]的仿真定义，仿真了三种已有方案与本方法的误比特性能的曲线，其中调制方式采用QPSK，快速傅里叶变换采用128位，信道编码采用码率为的卷积码，数据位为72位，非数据位为56位，由图2可以看出，随着发送功率增加，其BER随之下降，误比特性能为的情况下，本文所提方案相对于传统非线性方案提高2 dB。

图2 四种方案的BER对比（QPSK）

图3为调制方式采用16-QAM的条件下，快速傅里叶变换采用128位，信道编码采用码率为的卷积码，数据位为72位，非数据位为56位，随着发送功率增加，误比特性能的变化曲线图。从图3中可以看出，随着平均SNR的增加，其他三种方案均处于下降趋势，而在误比特性能为的情况下，本文所提方案相对于传统非线性方案有12 dB的增益。通过图2和图3的对比，可以看出，本方案在调制阶数较小的情况下，带来的增益较大。

图3 四种方案的误码率对比（16-QAM）

4 结论

本文提出了电力线载波通信中，OFDM系统中，消除脉冲噪声的均衡方案，此方案消除脉冲噪声的效果明显，并且BER的性能也高于其他方案，在接下来的工作中，将继续优化其计算复杂度。

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Equalizing method of eliminating impulse noise for OFDM PLC system

MA Xiao-qi, SHAO Bin, CUI Yu, SUN Chang-he

(Electric Power Company of Liaoning Province, Shenyang 110000, China)

Power Line carrier Communication (PLC) technology is widely used in electric power data acquisition system, most of them adopt Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing) technology, and the asynchronous pulse noise and periodic impulse noise in the power line have a great influence on the performance of OFDM power system, especially the greatest influence on the reliability of the system, due to the bit error rate of the system. Aiming at this problem, this paper uses OFDM signal sparse time-domain, eliminates impulse noise on the sending signal in the receiving terminal, and reduces the the calculation amount of the receiver, which improves the reliability of the system. The simulation results show that the proposed equalizing scheme eliminates the influence of impulse noise effectively and reduces the bit error rate.

PLC; impulse noise; equalizing; BER; OFDM

TM932

A

1674-3415(2014)15-0113-04

2013-10-10；

2014-02-22

马晓奇（1967-），男，硕士，高级工程师，主要从事电力线通信方面的研究。E-mail：andyzhaoster@163.com