1、哈爾濱工業(yè)大學(xué)低壓電力線通信若干關(guān)鍵技術(shù)研究課題研究現(xiàn)狀1.1 課題背景人類在傳輸和使用電能的過(guò)程中建立了遍及全球的電力網(wǎng),利用它作為信息傳輸?shù)奈锢砭W(wǎng)絡(luò)來(lái)建成電力線通信網(wǎng),不需另外布線,可節(jié)省大量的信道建設(shè)費(fèi)用是目前唯一不需線路投資的有線通信方式。電力線載波通信 （PLC）并不是一項(xiàng)新技術(shù),它出現(xiàn)于上世紀(jì)20年代。在我國(guó)的應(yīng)用也已有半個(gè)多世紀(jì)的歷史了。利用高壓輸電網(wǎng)進(jìn)行載波通訊早已被電力部門(mén)用于電網(wǎng)管理和話音通信,并有包括加工設(shè)備（高頻阻波器等）、結(jié)合設(shè)備（耦合電容、結(jié)合濾波器等）及載波機(jī)等在內(nèi)的成套設(shè)備供應(yīng)。而利用低壓輸電線路組成數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò),則是近十幾年迅速發(fā)展的一門(mén)新技術(shù)。1.2 課題意

2、義電力線通信（Power Line Communication）技術(shù)簡(jiǎn)稱為 PLC技術(shù)，有時(shí)也稱電力線上網(wǎng)技術(shù)。主要是指利用電力線傳輸數(shù)據(jù)和話音信號(hào)的一種通信方式。該技術(shù)是將載有信息的高頻信號(hào)加載到電力線上,用電線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,通過(guò)專用的電力線調(diào)制解調(diào)器將高頻信號(hào)從電力線上分離出來(lái),傳送到終端設(shè)備。是目前發(fā)展前景十分看好的寬帶接入技術(shù)，也是利用配電網(wǎng)低壓線路傳輸高速數(shù)據(jù)、話音、圖像等多媒體業(yè)務(wù)信號(hào)的一種通信方式。最早出現(xiàn)于上世紀(jì)二十年代初期。近年來(lái)，隨著Internet技術(shù)的飛速發(fā)展，利用220V低壓電力線傳輸高速數(shù)據(jù)的價(jià)值越來(lái)越為人們所重視，因?yàn)樗哂胁挥貌季€、覆蓋范圍廣、連接方便的顯著特點(diǎn)

3、。隨著全球化的廣泛滲透，電力線通信（PLC）作為一種新的家庭聯(lián)網(wǎng)和寬帶接入技術(shù)日益引起了人們極大的關(guān)注。高速上網(wǎng)變得越來(lái)越重要, 尤其對(duì)許多家庭和小辦公室來(lái)說(shuō), 如何利用入戶的線路提供互聯(lián)網(wǎng)高速接入已經(jīng)成為非常實(shí)際和日益迫切的需求。眾所周知, 入戶的線路除了電話線和有線電視電纜以外, 就是電力線。而電力線是其中普及最廣的線路,幾乎家家戶戶每個(gè)房間都有電源插座。電力供電網(wǎng)絡(luò)四通八達(dá),而低壓電力線連接千家萬(wàn)戶,構(gòu)成最普及的網(wǎng)絡(luò)。利用它進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,傳遞各種信息,不占用無(wú)線頻道資源,亦無(wú)需鋪設(shè)專用通訊線路 ,省工、省錢(qián)、維護(hù)簡(jiǎn)單、無(wú)疑有著美好的前景。這項(xiàng)技術(shù)越來(lái)越受到計(jì)算機(jī)與通訊界專業(yè)人士的高度重視

4、,并成為IT 業(yè)的又一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。1.3 課題目的雖然低壓電力線寬帶通信具有投資成本少、建設(shè)速度快、接入方便的特點(diǎn)，是解決寬帶接入“最后一公里”的理想方案之一1。但由于低壓電力線最初的設(shè)計(jì)是用來(lái)傳送電力而非通信，相比于其它有線通信媒介而言，電力載波通信為在已加載工頻電力信號(hào)的通路上傳輸高速數(shù)據(jù)信息，它也具有信道不穩(wěn)定，工作環(huán)境惡劣、 干擾嚴(yán)重以及時(shí)變性大等特點(diǎn)從而成為了限制低壓電力線通信發(fā)展的根本原因。同時(shí)，信號(hào)很容易產(chǎn)生反射、駐波和諧振等現(xiàn)象，使信號(hào)的衰減特性極其復(fù)雜，造成電力載波通信信道具有很強(qiáng)的頻率選擇性。由于低壓電力線主要任務(wù)是在短距離內(nèi)對(duì)50 Hz 電能實(shí)行分配,故與專用的通信線

5、路相比,其信道環(huán)境極為惡劣。主要有:(1)在廣闊的范圍內(nèi)遇到干擾信號(hào)。如用戶的各種電氣設(shè)備,特別是陳舊的和有質(zhì)量缺陷的電器,會(huì)給電力線上傳送的信號(hào)帶來(lái)災(zāi)難性的干擾。(2)電力網(wǎng)絡(luò)上的阻抗隨負(fù)載的變化而會(huì)有大幅度的變化,且具有較強(qiáng)的時(shí)變性。(3)由于存在較強(qiáng)的衰減特性,使得電力線上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)出的性能也不盡相同。并且，和許多其他通信信道不同的是，低壓電力線信道的噪聲不僅僅是一個(gè)附加的高斯白噪聲環(huán)境，從幾KHZ 到 20MHZ 范圍內(nèi)主要由窄帶噪聲和脈沖噪聲主導(dǎo)。 并且具有時(shí)變性，隨著環(huán)境的不同，噪聲的大小也是不一樣的。可分為：(1)有色背景噪聲(colored noise)：具有相對(duì)較低的功率

6、譜密度，并且隨著頻率的變化而變化。這類噪聲主要是由眾多低功率的噪聲源合并在一起造成的，他的功率譜密度在數(shù)分鐘或者數(shù)小時(shí)內(nèi)是保持不變的。(2)窄帶噪聲(narrow band noise):大多數(shù)是幅度調(diào)制的正弦信號(hào)，這種類型的噪聲主是由于中短廣播頻段的廣播電臺(tái)引起的，白天和晚上該噪聲對(duì)信號(hào)的影響是不同的。( 3) 與工頻異步的脈沖性周期噪聲( periodic impulse noise asynchronous to themains) ： 這些脈沖大多數(shù)情況下的重復(fù)頻率在50KHZ 到 200KHZ 之間， 從而導(dǎo)致了在頻譜上有許多重復(fù)頻率間隔的離散的線。這類類型的噪聲主要是由電源設(shè)備的開(kāi)

7、關(guān)引起的。( 4) 與工頻同步的周期性脈沖噪聲( periodic impulse noise synchronous to themains):這種脈沖的重復(fù)頻率為 50HZ或者100HZ,和電源的周期是同步的。他們具有很短的持續(xù)時(shí)間，并且功率譜密度是隨著頻率下降而下降的。這種類型的噪聲主要是由于供電設(shè)備的操作和電源周期同步引起的。(5)異步脈沖噪聲(asynchronousimpulse noise):主要是由于電力線網(wǎng)絡(luò)中的開(kāi)關(guān)瞬間引起的一種噪聲，這種噪聲持續(xù)從幾微秒到幾毫秒，間隔時(shí)間是隨機(jī)的，這種噪聲的功率譜甚至可以高出背景噪聲50dB。如何精確地建立有效的電力載波通信信道傳輸模型，降

8、低噪聲對(duì)電力線通信的干擾，對(duì)于電力載波通信技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用支持具有重大理論意義和實(shí)用價(jià) 值。因此， 本課題著重研究精確地有效的電力載波通信信道傳輸模型和有效的抗噪聲干擾技術(shù)。、國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)研究作為通訊技術(shù)的一個(gè)新興應(yīng)用領(lǐng)域,電力載波通訊技術(shù)以其誘人的前景及潛在的巨大市場(chǎng)而為全世界所關(guān)注,成為世界各大公司及研究單位爭(zhēng)相研究的熱點(diǎn)。國(guó)外許多著名公司和研究單位都在對(duì)此進(jìn)行研究,并開(kāi)發(fā)出相對(duì)應(yīng)的器件和產(chǎn)品,如 : Intellon、 Thomson、 Atmel、 Itron、 Ds2 等等。隨著PLC 的發(fā)展,相繼成立了相關(guān)的一些國(guó)際性PLC 組織 ,如由3Com、 AMD 公司發(fā)起組織的Home

9、Plug電力線聯(lián)盟,該聯(lián)盟已制定了第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)草案(Home Plug 1. 0 Specification)。我國(guó)研究低壓電力線載波技術(shù)起步較晚,但發(fā)展速度較快。中國(guó)電科院1997年開(kāi)始研究低壓電力線載波技術(shù) ，2000年開(kāi)始引進(jìn)國(guó)外的 PLC芯片，研制了 2Mbps樣機(jī)。2001年下半年進(jìn)行了小規(guī)模現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得了較好實(shí)驗(yàn)效果。2003 年成功研制了 EPLC-45M和EPL-14系統(tǒng)。另外，一些高等院校的電力系、通信系 也對(duì)PLC進(jìn)行理論研究，如華中科技大學(xué)電力系對(duì)時(shí)變信道的信號(hào)均衡取得了一 定的進(jìn)展。此外，一些企業(yè)也在對(duì)PLC技術(shù)進(jìn)行研究，如深圳國(guó)電有限公司、福建 電力公司、中電飛華公司

10、等都引進(jìn)國(guó)外芯片進(jìn)行PLC研究。2.1 信道建模技術(shù)決定信道建模可靠性和準(zhǔn)確性的2個(gè)重要因素是模型參數(shù)和建模算法。按照 模型參數(shù)的獲取方法，建模方法可分為自頂向下法和自底向上法。自頂向下法的又分為兩類：一類是將電力線信道看成一個(gè)整體， 通過(guò)各種參數(shù)擬合算法得到所 需的各種參數(shù)；第二類是將傳輸線系統(tǒng)看作一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)求解傳輸矩陣來(lái)建立信道模型。與上述方法相對(duì)應(yīng)的自底向上法，基本思想是按照網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際接線，考慮阻 抗不匹配點(diǎn)的反射和衰減來(lái)建立信道模型。信道建模技術(shù)中的自頂向下法最早采用此方法并進(jìn)行仿真驗(yàn)證的是1999年P(guān)hilipps提出的電力線多徑傳輸模型。具指出由于信號(hào)在阻抗不匹配點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生

11、 反射，因此從信號(hào)發(fā)射點(diǎn)到達(dá)信號(hào)接收點(diǎn)間的波不止一條通路，由多條路徑重疊而成，因此電力線傳輸信道可以用多徑傳輸模型來(lái)建模。文獻(xiàn)2中提出一種自低向上的一種建模方法，但是該方法要了解低壓配電 網(wǎng)絡(luò)中所有元件的特性，然后建立傳輸矩陣，需要大量的計(jì)算量。文獻(xiàn) 3中則 提出一種自頂向下的建模方法，該方法只需要少量的幾個(gè)參數(shù)就可以模擬低壓電 力線傳輸特性。2.1.2信道建模技術(shù)自頂向下法(1)二端口網(wǎng)絡(luò)一種方法是將傳輸線系統(tǒng)看作二端口網(wǎng)絡(luò)如圖 1,通過(guò)求解傳輸矩陣來(lái)建立 信道模型。由于二端口網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)時(shí)傳輸矩陣可表示為一系列矩陣的乘積形式，因此能很方便地對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生改變時(shí)的傳輸特性進(jìn)行分析。用二端口網(wǎng)絡(luò)級(jí)

12、聯(lián)模 型求解傳遞函數(shù)，參數(shù)容易求得，且能很方便地對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生改變時(shí)的傳輸特 性進(jìn)行分析；但由于該方法并未考慮信號(hào)在不同電力線間傳輸時(shí)多徑、時(shí)延等特點(diǎn)，因此模型精確度不高。圖2-1二端口網(wǎng)絡(luò)(2)多徑信號(hào)傳播3由于信號(hào)在電力線傳播過(guò)程中，會(huì)在不同節(jié)點(diǎn)之間反射和折射，從而導(dǎo)致了 具有頻率選擇性衰落的多徑情況。下面兩點(diǎn)傳輸過(guò)程中有一個(gè)節(jié)點(diǎn)的情況。如圖 2。ACnc：oB圖2-2多徑傳輸示意圖假設(shè)相關(guān)的阻抗已經(jīng)匹配，則上面的情況會(huì)導(dǎo)致信號(hào)傳輸過(guò)程中產(chǎn)生多徑效 應(yīng)。即(A->B->C, A->B->D->B->C ,.)。在對(duì)所有可能通路進(jìn)行分類時(shí)，設(shè)定發(fā)送端和接收

13、端的阻抗匹配，對(duì)信號(hào)的傳輸路徑進(jìn)行了極大的簡(jiǎn)化。知道路 徑的延時(shí)和電纜損耗就可以建立模型。但它的擴(kuò)展性差。當(dāng)電力拓?fù)浒l(fā)生改變時(shí)，需要對(duì)通路進(jìn)行重新分類，且 通路類型隨著拓?fù)鋸?fù)雜程度的增加而增多。(3)信道建模技術(shù)自底向下法4-10與自頂向下法相對(duì)應(yīng)的是自底向上法。 該方法按照網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際接線，考慮阻 抗不匹配點(diǎn)的反射和衰減來(lái)建立信道模型。 該方法計(jì)算量大，但建模物理概念清 晰，便于分析各種影響信道傳輸特性的因素及其影響規(guī)律， 且適用性強(qiáng)，對(duì)不同 的電力拓?fù)渚芸焖贉?zhǔn)確地確定其傳遞函數(shù)。Galli等早在2006年考慮實(shí)際網(wǎng)絡(luò)接線11,對(duì)簡(jiǎn)單的電力拓?fù)渲胁ǖ膫鬏?路徑進(jìn)行了分類。該方法建模物理概念清

14、晰，提供了一種完全不同于參數(shù)模擬建 模思路，但是，在實(shí)際情況下，由于負(fù)載阻抗的時(shí)變性和復(fù)雜性，不能同線路特 性阻抗完全匹配，因此本建模方法實(shí)用性差。現(xiàn)在高速電力線通信(PLC)系統(tǒng)已經(jīng)向家庭網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。但是，室內(nèi) AC主線的傳輸特性還不是很清楚。2.2 載波調(diào)制技術(shù)即抗干擾技術(shù)傳統(tǒng)的低壓電力線載波通信一般采用頻帶傳輸，也就是用載波調(diào)制的方法將攜帶信息的數(shù)字信號(hào)的頻譜搬移到較高的載波頻率上。其基本的調(diào)制方式分為幅值鍵控(ASK),頻率鍵控(FSK),相位鍵控(PSK)。在此基礎(chǔ)上，又派生出了差分移相 鍵控(DPSK),最小移 頻鍵控(MSK:Minimum Shift Keying)、四相移相鍵控

15、 (QPSK:Quadriphase-shift Keying)、正交幅度調(diào)制(QAM:Quadrature amplitude modulation)等。低壓電力線載波通信已從傳統(tǒng)的頻帶傳輸(幅移鍵控ASK:Amplitude-Shift Keying,頻移鍵控 FSK:Frequency-Shift Key-ing,相移鍵控 PSK:Phase-Shift Keying) 發(fā)展到了擴(kuò)頻通信(SSC)tfc術(shù)、多載波正交頻分多址(OFDM)技術(shù)術(shù)以及使用高 速光纖的光波分復(fù)用(WDM:Wave-length Division Multiplexing)技術(shù)等。2.2.1 擴(kuò)頻載波通信(SSC

16、)原理12簡(jiǎn)單地說(shuō)，擴(kuò)頻通信(Spread Spectrum Communication)是用偽隨機(jī)編碼(擴(kuò)頻 序列:Spread Sequence將待傳送的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)頻譜擴(kuò)展后再傳輸，在 接收端則采用同樣的編碼進(jìn)行解調(diào)及相關(guān)處理。就低壓電力載波通信而言，應(yīng)用擴(kuò)頻通信的主要優(yōu)點(diǎn)如下：(1)抗干擾能力強(qiáng),適合在低壓電力線這樣的惡劣通信環(huán)境下實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)通信。(2)可以實(shí)現(xiàn)碼分多址(CDMA: Code Division Multiple Access) 技術(shù),在低壓配電網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)不同用戶的同時(shí)通信。(3)信號(hào)的功率譜密度很低,具有良好的隱蔽性,不易被截獲。就擴(kuò)展頻譜方式的不同,擴(kuò)頻通

17、信系統(tǒng)可分為:直接序列(DS: Direct Sequency獷頻，跳頻(FH: Frequency Hopping),跳時(shí)(TH: Time Hopping),線性調(diào)頻(Chirp)以及上述各種基本方式的組合，如:FH/DS,DS/TH 等。就擴(kuò)頻技術(shù)的真正全面研究是從50 年代美國(guó)麻省理工學(xué)院成功研制的NOMAC 系統(tǒng)(Noise Modulation and Correlation System)開(kāi)始的。1976 年,R.C Dixon 撰寫(xiě)了第一部關(guān)于擴(kuò)頻通信的概述性專著:Spread Spectrum System。 1982年 J.K. Holmes撰寫(xiě)的 Coherent Spr

18、ead Spectrum System1第一部擴(kuò)頻通信的理論 性專著。 90 年代以來(lái),隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展,擴(kuò)頻技術(shù)在理論上和應(yīng)用中都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。2.2.2 多載波正交頻分多址(OFDM)技術(shù)的原理13-16多載波正交頻分多址(OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 技術(shù)是指將可用的頻譜分解成一系列低速的窄帶一次載波(Subcarrier)各次載波相互 正交重疊,在發(fā)送端分別對(duì)其進(jìn)行調(diào)制。其優(yōu)越性主要是:(1) 由于多路次載波能互不干擾地同時(shí)傳送信息,因此可以從整體上極大地提高通信的速率。(2)由于每個(gè)子信號(hào)的傳輸速率是原信

19、號(hào)的1/M,因此可以很好地抑制因延遲、多徑干擾而帶來(lái)的誤碼,從而提高通信質(zhì)量。OFDM的發(fā)展可追溯到1966年,R. W. Chang首次提出多路傳輸?shù)恼l帶正交分解及合成的概念(Bell System Technical Journal);1971 年 S. B. Wein-stein 和 P.M. Ebert使用離散傅立葉變換(DFT: discrete Fourier transform)進(jìn)行基帶的調(diào)制和 解調(diào)，為OFDM的發(fā)展作出了巨大的貢獻(xiàn)；1980年,A Peled和A. Ruiz提出利用循環(huán)前綴來(lái)保持正交性,將 OFDM 向?qū)嵱没七M(jìn)了一大步。Intellon 等一批全球知名企業(yè)

20、已將OFDM 技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng),其 Power Packet 技術(shù)的傳輸速率已達(dá)14Mbps(頻帶 43MHz20.9MHz,84 路載波)。2.3 電力線通信組網(wǎng)17低壓電力線作為信息傳輸工具，可以發(fā)送和接收控制、監(jiān)視和通訊信息，也可通過(guò)特殊的數(shù)字設(shè)備(網(wǎng)關(guān)) 實(shí)現(xiàn)視頻業(yè)務(wù)擴(kuò)展和電話擴(kuò)展。下圖就是一個(gè)通過(guò)電源線組成的家庭網(wǎng)絡(luò)圖。電視電纜電話線電線網(wǎng)絡(luò)圖2-3家庭網(wǎng)絡(luò)圖由于低壓電力線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，沒(méi)有一種固定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式 來(lái)描述電力線網(wǎng)絡(luò)，因此考慮到低壓電力網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，可以將其分為低壓電力 線網(wǎng)絡(luò)和連接用戶的室內(nèi)電力線網(wǎng)絡(luò)。三、課題主要研究?jī)?nèi)容如圖3-1所示圖3-1主要研究?jī)?nèi)容

21、3.1 寬帶低壓電力線通信信道拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與電磁特性3.1.1 低壓電力線通信信道拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析可分為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直線連接傳輸模型、單節(jié)點(diǎn)多分支的直線傳輸模型和多節(jié)點(diǎn)多 支路的直線傳輸模型。圖3-2 (a)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直線連接傳輸模型(b)單節(jié)點(diǎn)多分支的直線傳輸模型和(c)多節(jié)點(diǎn)多支路的直線傳輸模型3.1.2 低壓電力線特性的三維電磁仿真主要研究設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)對(duì)市內(nèi)辦公區(qū)家庭電力線主線傳輸特性的影響。電力線和設(shè)備都是由四端口和二端口網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行等多端口網(wǎng)絡(luò)描述的。通過(guò)這些網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的模型可計(jì)算出傳輸特性。3.1.3 低壓電力線通信信道實(shí)驗(yàn)測(cè)試：(1)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簻y(cè)試實(shí)際條件下的低壓電力線傳輸特性，獲得信道的噪聲和干擾特性

22、。(2)實(shí)驗(yàn)條件：線纜長(zhǎng)度：96米；線纜直徑：3毫米線纜個(gè)數(shù)：2.根架設(shè)方式：墻上和地下實(shí)驗(yàn)儀器：信號(hào)源：示波器：頻率范圍：2MHz30MHz(3)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：表1.連接磁環(huán)置于地面上的白色電線測(cè)試結(jié)果F(MHZ)F(MHZ)FF(MHZ) (MHZ)Vo/ViVi(v)Vo/ViVi(v)13520.80000.81330.1612100.35300.35200.0720200.05070.05030.0100300.01560.01500.0029表2不連接磁環(huán)置于地面上的白色電線測(cè)試結(jié)果F(MHZ)Vo/ViVi(v)Vo/ViVi(v)13521.25001.18671.1880100.

23、94400.97330.9680200.51300.51670.5040300.20800.19470.20003.2 認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的低壓電力線通信抗干擾技術(shù)3.2.1 認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的原理與應(yīng)用認(rèn)知無(wú)線電的概念是針對(duì)當(dāng)前沒(méi)有被充分利用的頻譜資源提出的一種頻譜 利用方式，它是基于軟件無(wú)線電設(shè)備的，并可以為認(rèn)知無(wú)線電用戶提供智能頻譜 感知、頻譜管理和頻譜接入等機(jī)制，以便對(duì)頻譜資源中未被充分利用的頻譜加以 利用。認(rèn)知無(wú)線電定義如下：認(rèn)知無(wú)線電是一種可以感知周圍環(huán)境的無(wú)線通信系 統(tǒng)，它可以通過(guò)對(duì)通信環(huán)境的學(xué)習(xí)，實(shí)時(shí)地對(duì)自身的通信傳輸參數(shù)做出改變，從而更加滿足當(dāng)前的通信需求。認(rèn)知無(wú)線電的目的在于通過(guò)

24、對(duì)當(dāng)前空閑頻譜的使 用，對(duì)無(wú)線通信的可靠性和高效性做出改進(jìn)。當(dāng)前，利用認(rèn)知無(wú)線電進(jìn)行通信的主要思路可以概括為認(rèn)知用戶以“擇機(jī)” 的方式對(duì)授權(quán)頻譜資源進(jìn)行利用，即授權(quán)用戶不使用該頻譜的時(shí)候，認(rèn)知用戶使 用其進(jìn)行通信；授權(quán)用戶重新使用該頻譜時(shí)，認(rèn)知用戶退出該頻譜并尋求其他空 閑頻譜進(jìn)行通信。然而，根據(jù)當(dāng)前的頻譜管理策略，授權(quán)給某個(gè)特定用戶群的頻 譜資源是受到法律保護(hù)的，非授權(quán)用戶不被允許進(jìn)入該頻譜資源使用，這使得認(rèn)知無(wú)線電概念提出的初期，技術(shù)發(fā)展緩慢。但是，隨著目前通信系統(tǒng)的發(fā)展和對(duì) 頻譜資源需求的增加，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(Federal Communications Commission, FC

25、C)終于在2004年5月發(fā)布通告，建議制定規(guī)則使用認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)對(duì)電 視廣播頻段的空閑頻譜資源進(jìn)行利用。之后，認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)得到了廣泛關(guān)注， 國(guó)內(nèi)外管理機(jī)構(gòu)、著名高校、研究機(jī)構(gòu)以及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織也都投入到認(rèn)知無(wú)線 電的研究當(dāng)中。5.1.1低壓電力線條件下的認(rèn)知無(wú)線電方法抗干擾方法(1)頻譜感知技術(shù)頻譜環(huán)境的檢測(cè)方法因?yàn)檎J(rèn)知無(wú)線電要面對(duì)各種不同需求的用戶，所以也就要求其具有不同的靈敏度和感知速度，因此頻譜環(huán)境的檢測(cè)方法也有所不同。現(xiàn)在研 究較多的方法有：匹配濾波法、能量檢測(cè)法、循環(huán)平穩(wěn)特性檢測(cè)法、合作分集法 和協(xié)同機(jī)制。頓譜感知<r作檢測(cè)發(fā)射機(jī)總測(cè)基于干擾基于接收的檢測(cè)機(jī)的檢測(cè)能:立檢犯“

26、配濾波器樓測(cè)能態(tài)循環(huán)特針槍測(cè)圖1頻譜感知技求的分類(2)頻譜分配技術(shù)a基于圖論著色模型的分配算法基于圖論著色的頻譜分配模型是由 Zheng等人提出的3。該模型以圖論為基 礎(chǔ)，在頻譜分配的研究中，將認(rèn)知用戶構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)抽象成圖基于 OFDM 技術(shù)的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)b.基于干擾溫度的頻譜分配模型2003年，F(xiàn)CC引入干擾溫度概念量化和管理干擾4。采用這個(gè)模型，工作在授 頻段的認(rèn)知設(shè)備可以測(cè)量干擾環(huán)境， 相應(yīng)地調(diào)整發(fā)射機(jī)的功率、頻譜等，避免對(duì) 授權(quán)用戶的干擾超過(guò)規(guī)定的溫度限。OFDM(正交頻分復(fù)用)技術(shù)的主要思想是將給定信道分成許多正交子信道，在每 個(gè)子信道上使用一個(gè)子載波進(jìn)行調(diào)制。OFDM技術(shù)

27、的正交子信道頻譜相互重疊，適合在多徑傳播和多普勒頻移的無(wú)線移動(dòng)信道中傳輸高速數(shù)據(jù)，是目前公認(rèn)的比較容易實(shí)現(xiàn)頻譜資源控制的方法，促使了 OFDM技術(shù)在CR中得到應(yīng)用。OFDM技術(shù)中已有的頻率分配算法主要是基于在功率限制條件下最大化系統(tǒng)容 量或者在用戶數(shù)據(jù)速率限制條件下最小化發(fā)射功率，引入CR概念后，這個(gè)問(wèn)題可以轉(zhuǎn)化成在通信質(zhì)量需求約束條件下求干擾溫度最小的最優(yōu)化解的問(wèn)題。假設(shè)存在L個(gè)子信道，每個(gè)子信道上的干擾溫度用IT1來(lái)表示，通信質(zhì)量需求的 約束有總數(shù)據(jù)率要求R和總誤碼率要求Pe,其最優(yōu)化模型描述為分別表示每個(gè) 子信道上的數(shù)據(jù)率和誤碼率。根據(jù)上述優(yōu)化模型可以得到一個(gè)優(yōu)化的分配方案向 量用這個(gè)分

28、配算法設(shè)計(jì)CR系統(tǒng)，可以更好的使用無(wú)線資源。文獻(xiàn)12提供了一個(gè) 基于OFDM技術(shù)的CR系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該設(shè)計(jì)方案仿真結(jié)果表明，基于 OFDM 技術(shù)的CR系統(tǒng)可以方便地查找到頻譜空穴，能夠更加合理地分配頻譜資源，在 引入認(rèn)知功能后系統(tǒng)性能明顯改善，研究表明OFDM技術(shù)與CR技術(shù)的結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。六、研究方案6.1信道建模一種方法是將傳輸線系統(tǒng)看作二端口網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)求解傳輸矩陣來(lái)建立信道模型。由于二端口網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)時(shí)傳輸矩陣可表示為一系列矩陣的乘積形式，因此能很方便地對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)于信道建模應(yīng)通過(guò)研究電力線信道建模問(wèn)題，采用傳輸線理論，將電力線與設(shè)備模擬成多端口網(wǎng)絡(luò)。研究步驟：（ 1） ）繪出實(shí)際家庭

29、電力線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。（ 2） 使用相關(guān)軟件建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙S結(jié)構(gòu)，即將電力線，用電設(shè)備及大地、空氣模擬成多端口網(wǎng)絡(luò)（如二端口、四端口）。也即在軟件上對(duì)電力線進(jìn)行了三維重建。（ 3） 使用 EMSS 公司的 FEKO 5.5 對(duì)該三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。得到其S 參數(shù)矩陣。相當(dāng)于增益和衰減。（ 4） 就得到了傳輸矩陣了設(shè)備的多端口網(wǎng)絡(luò)參數(shù)是應(yīng)該電力線上設(shè)備在工作和停止兩個(gè)狀態(tài)下在進(jìn)行測(cè)量的。在電路的頻率特性滿足測(cè)量值的條件下，以此為基礎(chǔ)，根據(jù)兩種狀態(tài)來(lái)決定等效電路。建立一個(gè)簡(jiǎn)單系統(tǒng)，測(cè)量其傳輸特性并與不同狀態(tài)下的計(jì)算值進(jìn)行比較。結(jié)果說(shuō)明，計(jì)算值與測(cè)量值是一致的。由設(shè)備狀態(tài)導(dǎo)致的傳輸損耗偏差在10dB

30、 以內(nèi)。用扼流圈插入到AC 主線和設(shè)備之間，可減小由不同狀態(tài)導(dǎo)致的傳輸損耗偏差。測(cè)量和計(jì)算值表明，插入濾波器后，偏差就由10dB 減小到 0.5dB。（ 5） 消噪選擇一種好的調(diào)制方式可以極大的抑制噪聲。我們這里選用認(rèn)知無(wú)線電的相關(guān)技術(shù)。具體步驟：（ 1） ）應(yīng)用陷波濾波器，濾掉業(yè)余無(wú)線電的頻段及工頻信號(hào)，和與工頻信號(hào)同步和異步的信號(hào)，因?yàn)樗鼈兙哂兄芷谛浴＃?2） 對(duì)電力線信道的噪聲進(jìn)行檢測(cè)，采用能量檢測(cè)法進(jìn)行雙門(mén)限對(duì)信道中的信號(hào)進(jìn)行判決，判斷是否為噪聲及有用信號(hào)。對(duì)于雙門(mén)限之間采用循環(huán)特征檢測(cè)法可大大減小虛警概率。（ 3） 對(duì)于占用了的電力線信道中2-30Mhz 中的某些頻段的噪聲，應(yīng)用OF

31、DM 技術(shù)，采用改變調(diào)制頻率的方法，改變功率和載波函數(shù)的方法來(lái)傳遞信號(hào)。（ 4） 這樣就避開(kāi)了噪聲的干擾。6.3 測(cè)試方案做出來(lái)的東西，需要測(cè)試，檢驗(yàn)其誤碼率（1） 搭建點(diǎn)到點(diǎn)通信的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。（2） 在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通過(guò)兩個(gè)插頭之間的電力線進(jìn)行測(cè)試。七、參考文獻(xiàn)背景噪聲由窄帶干擾和有色噪聲構(gòu)成。窄帶干擾主要是由電力線信道內(nèi)的駐波和中短波廣播電臺(tái)引起的干擾。根據(jù)我國(guó)無(wú)線電頻帶的劃分，我國(guó)調(diào)幅廣播的頻率范圍為525KH z至ij 1.605MHz,大部分短波的頻率范圍是4.75MHz至ij 19.02MHz,因此窄帶干擾對(duì)信號(hào)的影響是不穩(wěn)定的，建模采用多個(gè)正弦波疊加的方式進(jìn)行模擬，其建模方程式如下：1齊

32、淑清.電力線通信(PLC)技術(shù)與應(yīng)用M.北京:中國(guó)電力出版社，2005.2Klaus Dostert. RF Models of the electrical power distribution grid C . ISPLC 1998: 105- 144.3Manfred Zimmermann , Klaus Dostert. A multipath model for the power line channel. IEEE Transactions oncommunications, 2002, 50(4): 553-559.4 Konate C, Machmoun M, Diouris

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