基于OFDM技術電力通信系統的仿真研究

鄧杰，張學毅，周美琴，楊丹青，谷聚輝

(湖南工業(yè)大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007)

基于OFDM技術電力通信系統的仿真研究

鄧杰，張學毅，周美琴，楊丹青，谷聚輝

(湖南工業(yè)大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007)

正交頻分復用（OFDM）技術是常用的電力通信調制技術。本文在深入研究OFDM基本原理和電力線信道特性的基礎上，建立電力通信系統模型，對該模型采用4QAM﹑16QAM﹑BPSK三種調制方式以及DTF﹑LS﹑MMSE三種信道估計算法進行了MATLAB性能仿真，得出結論在一定條件下運用QAM調制方式及LS算法更能體現了OFDM技術應用于電力線通信的優(yōu)越性。同時，也為我們在不同環(huán)境下為提高通信系統整體性能，信道估計算法的選擇提供了有力依據。

正交頻分復用；電力線通信系統；信道估計；MATLAB性能仿真

0 引言

電力線載波通信(power line communication, PLC)是利用電力線作為信息傳輸介質，是將模擬或數字信號通過載波方式進行數據傳輸的一種特殊通信方式，具有傳輸距離遠﹑通道可靠性高﹑電網建設同步等優(yōu)點[1]。但由于通信信道不是專用信道，故其信道特性比較惡劣，具體表現為：噪聲干擾電平高﹑阻抗匹配變化大﹑多徑延遲效應等[2-3]。

正交頻分復用(OFDM)技術最早是應用于無線通信，其具有良好的抗多徑效應和抗干擾能力且傳輸速率高等優(yōu)點，是電力線通信常用的調制技術之一。目前OFDM技術已在水聲通信﹑無線通信﹑電力線通信等領域廣泛應用，其性能研究的方法和結論對未來通信系統的研究和實現具有重要的參考價值。

本文先簡要介紹OFDM的基本原理，建立了系統仿真模型[4]。然后采用4QAM﹑16QAM﹑QPSK調制方式和LS﹑LMMSE﹑DFT信道估計方法，仿真分析了OFDM在低壓電力線載波信中整體性能[5-10]，最后得出仿真曲線并做分析。

1 OFDM技術

OFDM是一種多載波調制技術，其原理是用N個子載波把整個信道分割成N個子信道，即將頻率上等間隔的N個子載波信號調制并相加后同時發(fā)送，實現N個子信道并行傳輸信息，這樣每個符號的頻譜只占用信道帶寬的1/N，且使各個子載波在OFDM符號周期T內保持頻譜的正交性。

OFDM系統把數據流串/并變換為N路速率較低的子數據流，然后用它們分別去調制N路子載波后再并行傳輸，也就相當于把一個寬帶頻率選擇性信道劃分成了N窄帶平坦衰落信道。這樣子載波傳輸速率就降低為原來的1/N，符號周期也擴大為原來的N倍，遠大于信道的最大延遲擴展。

信號經過調制和串/并轉換后﹑經信道傳送至接收端，接收端對信號進行解調，解調后的信號表達式為：

圖1 OFDM系統仿真鏈路圖Fig.1 OFDM system simulation link plan

2 電力線通信信道建模

由于電力線低壓配電網絡結構復雜﹑電力線通信環(huán)境惡劣，通信系統的性能受到制約。信道具有噪聲干擾強，信號衰減嚴重，阻抗不匹配引起的多徑效應等特點[2-3]。本文中為了體現信道選擇性衰落和頻率衰減特性，故采用M.Zimmermann和K.Dostert自上而下建模思路的電力線多徑模型[4]，其頻率響應公式為：

圖2 電力線信道模型Fig.2 Power Line Channel Model

其仿真部分參數設置如表1。

表1 多徑信道模型部分仿真參數Table.1 part multipath channel model simulation parameters

從圖3看出信道路徑數越多其傳輸環(huán)境越惡劣，信號衰減越大。觀察信道的幅頻特性曲線，可以看出由于電力線上負載的隨機接入使得信號衰減也隨機地發(fā)生變化。從總體上看信號的衰減隨頻率增加而增加，在特定頻段衰減會迅速增加，符合實際的低壓電力線信道特性。通過對比四條信道幅頻特性曲線，增減信道路徑的數量可以控制電力線信道模型的精度。本文采用4徑道。

圖3 不同路徑信道衰減特性曲線Fig.3 different paths channel attenuation characteristic curve

3 信道估計

OFDM系統的信道估計算法主要可分為以下幾種，按照估計的準則來分，可分為最小二乘估計（LS）[7]和最小均方誤差估計（LMMSE）[8]；按照是否插入導頻可分為盲信道估計和導頻輔助信道估計[9]；盲或半盲的信道估計算法利用傳輸符號的字符特性或統計特性進行信道估計。對電力線載波通信信道的估計，常采用插入訓練序列或導頻的方法，通過在發(fā)送的數據塊中插入一定的已知符號，接收端通過已知符號的大小和位置對信道狀態(tài)進行估計。

3.1 最小均方誤差估計算法

最小均方誤差估計（MMSE）是以最小均方誤差為準則的信道估計算法，對子載波間的干擾和噪聲有好的抑制作用，其信噪比要優(yōu)于LS算法10dB～15dB左右，但算法的復雜度隨著抽樣點指數增長，需要知道或假設信道的統計信息。

在基于LS信道估計算法的基礎上，得出MMSE信道估計表達式為：

3.2 DFT算法

DFT算法復雜度低于MMSE，性能優(yōu)于LS，具有實用價值，可以去除循環(huán)前綴以外的噪聲，但只是消除了循環(huán)前綴以外的噪聲而對循環(huán)前綴以內的噪聲沒有任何抑制，所以需要設置合適的門限改進性能。

DFT信道估計算法是先進行最小二乘估計，然后經過反離散傅里葉變換到時域，在時域內進行線性變換，在經過離散傅里葉變換進入頻域。

設發(fā)送信號為xi(i=0,1,2…N)，H(·)為一個OFDM符號在電力線信道內的沖激響應，由式，可知，

進一步可得：

則信道沖激響應自相關矩陣可表示為：

3.3 基于訓練序列的最小二乘估計算法

LS算法簡單，執(zhí)行效率高，在高信噪比時，性能逼近MMSE,但是忽略噪聲的影響一起的估計誤差比較大，尤其是低噪聲比情況下。

式中：h為發(fā)送子載波信號沖擊響應hi(i=0,1,…L)的矩陣集合。

OFDM系統將信道分為多路載波信號，對每一路載波信號進行DFT變換后，可得系統接收信號Rs數學表達式為：

式中：F為DFT變換矩陣，其表示式為：

對發(fā)送的每一個數據包中插入一個m訓練序列，其表達式為：

式中：p為參考長度仿真時取16；L為保護長度；m為雙極性元素

4 仿真結果及分析

本節(jié)依據表2等設定的系統參數進行仿真研究，仿真都采用未編碼的OFDM系統方式，仿真結果如圖4﹑如圖5﹑圖6和圖7所示。

表2 OFDM系統仿真部分參數設置Table 2 OFDM system simulation section parameters

圖4 加入高斯白噪聲前后信號的功率頻譜曲線Fig.4 is added before the power spectrum curveGaussian white noise signal

圖5 多徑情況下3種不同調制方式誤碼率曲線Fig.5 multipath conditions under three different modulation error rate curve

從圖4可以看出，信號經過電力線載波通信信道后出現了一定程度的衰減，一方面信號在信道中發(fā)生了折反射，即多徑效應，進而導致接收信號功率出現了衰減；另一方面，由于電力線信道存在噪聲干擾和頻率選擇性衰落。

由圖5可知，在3種調制方式都隨著信噪比的增加而減小，其中采用BPSK系統誤碼率最低，其次4QAM跟16QAM。且BPSK隨著信噪比的增加下降速率最快，在SNR=12時誤碼率幾乎為0，而4QAM與16QAM誤碼率下降速率接近。

從圖6中可以看出，無信道估計的系統誤碼率最高，而且隨著信噪比的增加保持不變，加入多徑信道估計較無多徑信道估計下的系統誤碼率變小，因為前者考慮到了電力線信道特點，跟蹤信道狀態(tài)變化，減小了信號間的干擾。

從圖7可以看出，有信道估計比無信道估計誤碼率低，說明信道估計能改善系統性能；在SNR=0時，信道估計對系統的誤碼率改善約為0.05，在SNR=35時，信道估計的誤碼率改善約為0.18，性能提升三倍多，說明信噪比越高，信道估計對整個系統的性能改善越明顯。圖7中LS算法較MMSE誤碼率高，說明MMSE性能優(yōu)于LS，但LS算法復雜度低，結構簡單，獲取信道狀態(tài)信息容易，而且對設備要求較低，因此在滿足誤碼率的情況下一般選取LS算法。DFT算法雖然表現出較好的性能，但信道為非整數采樣時，信道功率仍然是集中的，衰落出現在所有子載波上，會導致信道惡化。

圖6 多徑信道估計前后的誤碼率曲線Fig.6 error rate curves of the multipath channel estimation

圖7 3種算法誤碼率比較Fig.7 3 Comparison of algorithms BER

5 結論

本文運用MATLAB語言編寫出完整的OFDM系統并其進行了仿真研究。詳細分析了多徑情況下OFDM系統性能，采用了三種不同的子載波調制方式以及三種不同的信道估計算法對OFDM系統進行了仿真研究，并比較其性能，得到以下結論：

（1）OFDM系統具有有效對抗多徑效應的能力，但并不能完全消除其對OFDM系統的影響，另外，噪聲干擾與頻率選擇性衰落對OFDM系統性能也有很大影響。

（2）OFDM系統采用不同的調制方式其系統的性能也不同，其中多徑情況下采用QPSK的誤碼率最低，其次是4QAM與16QAM。但由于QAM調制方式的頻譜利用率一般要比QPSK好，且調制的制數較高時，其信號的星座圖分布更為合理，故在滿足誤碼率要求時，可考慮QAM調制方式。

（3）OFDM系統中加入信道估計可以明顯提高系統性能，且隨著信噪比的增大，信道估計對系統性能的改善越為明顯；LS與LMMSE為兩種常用的信道估計算法，仿真結果表明LMMSE的性能優(yōu)于LS，但考慮到實際可行性，一般情況下，仍優(yōu)先考慮LS算法；DFT算法因其會惡化信道而很少被采用。

[1] 任志勝, 林平分.電力線載波通信系統的物理層仿真方法的研究[J].科技信息, 2013, 8(7):565-569.Z H Ren, P F Lin.Physical layer simulation of power line carrier communication system [J].scientific and technological information, 2013, 8 (7):565-569.

[2] 張理華, 康桂華.多徑衰落信道OFDM系統的仿真性能分析團[J].計算機仿真, 2007, 24(7):130-133.L H Zhang, G H Kang.Simulation of OFDM system of multipath fading channel[J].computer simulation, 2007, 24(7):130-133.

[3] 田玉敏, 呂愛琴, 主明華.基于MATLAB的OFDM系統仿真及性能分析[J].計算機仿真, 2005, 22(10):160-168.Y M Tian , A Q Lv, M H Zhu.OFDM system simulation and performance analysis of [J].computer simulation, 2005, 22(10):160-168.

[4] 郭昊坤, 吳軍基, 衡思坤, 等.低壓電力線通信信道噪聲建模及仿真[J].電力系統保護與控制, 2012, 40(10):61-66.H K Guo, J J Wu, S K Heng.Low voltage power line communication channel noise modeling and simulation [J].power system protection and control, 2012, 40(10):61-66.

[5] 王謙, 岳殿武, 劉重明.低信噪比下衰落信道協作頻譜感知性能[J].新型工業(yè)化, 2011, 1(4):106-116.Q Wang, D W Yue, Z M Liu.Cooperative spectrum sensing performance of fading channel with low SNR [J].new industrialization under low SNR, 2011, 1(4):106-116.

[6] 曹永盛, 吳亞楠, 趙安臻.16QAM/ASK 正交調制光標記交換系統的設計與性能仿真[J].新型工業(yè)化, 2014, 4(2):45-50.Y S Cao, Y N Wu, A Z Zhao.Design and performance simulation of the.16QAM/ASK quadrature modulation cursor exchange system for [J].new type industrialization, 4, 2014 (2):45-50.

[7] 柴守亮, 帥興洲, 樊同亮.基于正則總體最小二乘準則的OFDM系統信道估計算法[J].電腦與信息技術, 2012, 20(5):26-29.S L Chai, X Z Shuai, T L Fan.Based on the regularized total least squares criterion of OFDM system channel estimation algorithm[J].computer and information technology, 2012, 20(5):26-29.

[8] 張建康, 穆曉敏, 陳恩慶.OFDM系統基于導頻的信道估算法分析[J].通信技術, 2009, 42(08):91-98.J J Zhang, X M Mu, E Q Chen.Channel estimation of OFDM system based on [J].communication technology, 42, 2009(08):91-98.

[9] 曾玖貞, 黃洪全.OFDM系統導頻信道估計算法的性能研究[J].通信技術, 2010, 43(10):54-56.Z J Ceng, H Q Huang.The performance of pilot channel estimation for OFDM systems[J].communication technology, 2010, 43(10):54-56.

[10] Anatory J, Kissaka M M, Mvung N H.Channel Model for Broadband Power-Line Communication[J].IEEE Transactions on Power Delivery, 2007, 22(1):135-141.

Simulation of OFDM Communication System Based Power

DENG Jie, ZHANG Xueyi, ZHOU Meiqin, YANG Danqing, Gu JuHui
(Electrical and Information Engineering, Hunan University of Technology, Zhuzhou, 412007, China)

Orthogonal frequency division multiplexing technology is a common power communication modulation technology.This paper points in the study of orthogonal frequency multiplexing principle and the basis of power line channel characteristics to establish the communication model of power system, the model have 4QAM, 16QAM, BPSK three types of modulations, as well as DTF, LS, MMSE, three kinds of channel estimation algorithm MATLAB simulation is the conclusion.Under certain conditions, the use of QAM modulation mode and LS algorithm can reflect the superiority of OFDM technology in power line communication.At the same time, it also provides a strong basis for the selection of the channel estimation algorithm for improving the overall performance of the communication system under different conditions.

orthogonal frequency division multiplexing; power line communication systems; channel estimation; MATLAB Simulation

鄧杰，張學毅，周美琴，等．基于OFDM技術電力通信系統的仿真研究[J]．新型工業(yè)化，2015，5(5)：33-39

10.3969/j.issn.2095-6649.2015.05.05

:DENG Jie, ZHANG Xueyi, ZHOU Meiqin,et al.Simulation of OFDM Communication System Based Power [J].The Journal of New Industrialization, 2015, 5(5)∶ 33?39.

國家自然科學基金項目（61203019）

鄧杰（1987-），廣西桂林人，碩士研究生，主要研究方向：現代電力電子技術；張學毅（1966-），湖南益陽人，教授，主要研究方向：電工理論與新技術。