大規(guī)模天線系統(tǒng)在電網(wǎng)的應(yīng)用研究

楊淼+喬涵+蘇國(guó)凱

【摘要】 通過(guò)對(duì)電網(wǎng)實(shí)際通信環(huán)境的勘察，發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)跨度非常大，在山區(qū)、沙漠、戈壁等偏遠(yuǎn)地區(qū)架設(shè)通信設(shè)備的成本很高。本文提出在這些復(fù)雜環(huán)境中應(yīng)用大規(guī)模天線技術(shù)，該系統(tǒng)可以有效的降低成本，并且達(dá)到良好的通信目的。首先闡述了大規(guī)模天線信道傳輸模型，其次推導(dǎo)出了在大規(guī)模系統(tǒng)下的傳輸矩陣，最后得出了該系統(tǒng)在電網(wǎng)應(yīng)用的模型并分析了未來(lái)大規(guī)模系統(tǒng)在電網(wǎng)中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵字】 大規(guī)模天線 電網(wǎng)

一、引言

隨著電網(wǎng)的規(guī)模逐步擴(kuò)大，所承載的信息量以及覆蓋的范圍也逐步擴(kuò)大，對(duì)于通信的及時(shí)性要求越來(lái)越高，尤其是偏遠(yuǎn)地區(qū)。大規(guī)模天線技術(shù)是多天線技術(shù)[1][2]（MIMO）的演進(jìn)，它是無(wú)線寬帶技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的一部分，是未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)主要的通信技術(shù)之一。大規(guī)模天線技術(shù)最大的特點(diǎn)是通過(guò)增加接收天線和發(fā)射天線的數(shù)目，在相同的時(shí)間和頻率資源建立多個(gè)傳輸通道，從而提升了整個(gè)系統(tǒng)的頻譜效率。裝備大規(guī)模天線后，能夠有效的降低了系統(tǒng)的發(fā)送功率和設(shè)備復(fù)雜度。大大增強(qiáng)了空間自由度，可以更好的降低用戶及小區(qū)間的干擾，提升頻譜利用率。大型天線系統(tǒng)滿足高速通信的需要，也對(duì)國(guó)家綠色通信的要求作出了回應(yīng)。它是未來(lái)移動(dòng)無(wú)線通信系統(tǒng)中不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)。

二、大規(guī)模天線系統(tǒng)

2.1大規(guī)模天線系統(tǒng)的信道傳輸模型

和有線系統(tǒng)不同的是，無(wú)線信道通常是指在無(wú)線通信中接收天線到發(fā)射天線之間的電磁波通路，無(wú)線信道是動(dòng)態(tài)的，無(wú)線信道因?yàn)榫哂懈鼜?qiáng)的隨機(jī)性，通常更難于分析。無(wú)線信道的信道環(huán)境可以直接影響通信質(zhì)量以及通信的服務(wù)質(zhì)量。研究通信系統(tǒng)的模型可以有效的提高系統(tǒng)的性能。通信系統(tǒng)性能的降級(jí)是因?yàn)閷?shí)際的無(wú)線信道在傳輸過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷各種干擾和衰落.。由于傳播環(huán)境的多變性和復(fù)雜性，所以在無(wú)線信道上進(jìn)行通信非是非常具有挑戰(zhàn)性的。為了更好的服務(wù)客戶，得到更好的通信質(zhì)量，通常在設(shè)計(jì)無(wú)線通信系統(tǒng)的時(shí)候，必須要考慮很多其他因素，大規(guī)模無(wú)線傳輸?shù)男诺滥Ｐ停鐖D1-1所示：

2.2信號(hào)的傳輸

如果系統(tǒng)采用的是TDD（時(shí)分雙工）的操作方式，那么前向鏈路傳輸矩陣的轉(zhuǎn)置是反向鏈路的傳輸矩陣，我們重點(diǎn)分析時(shí)分雙工的原因是，需要在一定的時(shí)間內(nèi)在數(shù)目較小的接收天線和數(shù)目極大的發(fā)射天線之間獲得CSI（信道狀態(tài)信息）。已知，發(fā)射前向鏈路導(dǎo)頻信號(hào)需要的時(shí)間和發(fā)射天線的數(shù)目成正比，而發(fā)射反向鏈路導(dǎo)頻信號(hào)需要的時(shí)間和發(fā)射天線的數(shù)目無(wú)關(guān)。

反向鏈路的傳輸矩陣是 G ，由大小為K × M的矩陣H（小尺度衰落）與大小為K × K的對(duì)角矩陣Dβ1/2（β為大尺度衰落系數(shù)）的乘積得到：

大尺度衰落存在陰影衰落和路徑損耗。從這個(gè)角度看，H 矩陣的第 i 列向量說(shuō)明了第 i 個(gè)終端和 M 根發(fā)射天線之間的小尺度衰落，對(duì)角矩陣Dβ1/2矩陣對(duì)角線上的第 k 個(gè)數(shù)就是大尺度衰落模型的衰落系數(shù)。為了便于分析，我們假設(shè)一個(gè)足夠密集的M根天線可以使所有的傳輸路徑的一個(gè)給定的終端受相同類型的大尺度衰落的影響。所以我們將大尺度衰落系數(shù)進(jìn)行歸一化，于是小尺度衰落系數(shù)就限制在一以內(nèi)。因此對(duì)于多用戶的大規(guī)模天線系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，終端的數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于發(fā)射機(jī)的天線數(shù)目，如果在理想的傳播條件下，得到傳輸矩陣的列向量趨于正交：

2.3大規(guī)模天線系統(tǒng)在電網(wǎng)中應(yīng)用的系統(tǒng)模型

電力信息時(shí)代數(shù)據(jù)的增長(zhǎng)使得通信研究者必須研究出更先進(jìn)的技術(shù)來(lái)滿足用戶的需求，由此，可以采用大規(guī)模技術(shù)。大規(guī)模天線系統(tǒng)在基站端和用戶端均配置了大量天線，使得系統(tǒng)容量達(dá)到最大化[3]。在大規(guī)模天線系統(tǒng)中基站側(cè)裝備了大數(shù)量級(jí)的天線，并且服務(wù)于多個(gè)單天線終端，系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

大規(guī)模天 線系統(tǒng)的最大的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)容量會(huì)隨著收發(fā)端天線數(shù)最小值的增大而增大。用數(shù)據(jù)來(lái)表示的話就是，系統(tǒng)

容量是多用戶多天線系統(tǒng)的十倍左右，而頻譜利用率更是達(dá)到百倍左右?？臻g復(fù)用技術(shù)支持多個(gè)子信道在同一個(gè)頻率帶傳輸，大大的提高了系統(tǒng)效率，而原理在于基站端和用戶端都配置了大數(shù)量的天線，就增加了信號(hào)在傳播過(guò)程中的多徑分量。大規(guī)模天線還增強(qiáng)了魯棒性。通過(guò)增加天線數(shù)來(lái)提高系統(tǒng)容量而不是擴(kuò)頻技術(shù)，大量的空間自由度防止了一些來(lái)自專業(yè)或者是人為的干擾。系統(tǒng)性能的好壞絕大多數(shù)取決于信道，而信道有衰落，大規(guī)模系統(tǒng)利用波束成形技術(shù)和大數(shù)定律成功的躲開了衰落的最低點(diǎn)，從而減少了衰落時(shí)延。除此之外，大規(guī)模天線系統(tǒng)還簡(jiǎn)化了多址接入層。

3 總結(jié)與展望

目前在電力通信系統(tǒng)中，還沒有應(yīng)用大規(guī)模天線系統(tǒng)，未來(lái)的應(yīng)用前景不可限量。隨著電力行業(yè)的蓬勃發(fā)展，對(duì)無(wú)線設(shè)備的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越多，大規(guī)模天線技術(shù)可以快速回傳邊遠(yuǎn)地區(qū)的電力調(diào)度、自動(dòng)化等電力數(shù)據(jù)，并且可以使電力保障巡檢人員及時(shí)與中心站取得聯(lián)系。最大化的提高了電力通信系統(tǒng)的可靠性以及及時(shí)性。大規(guī)模天線系統(tǒng)技術(shù)作為近幾年的研究熱點(diǎn)，經(jīng)過(guò)不斷的優(yōu)化，達(dá)到了通信各項(xiàng)指標(biāo)的要求。在電力通信系統(tǒng)中采用大規(guī)模天線系統(tǒng)將會(huì)有效的增加減緩現(xiàn)有通信技術(shù)的壓力，并且解決偏遠(yuǎn)地區(qū)可靠通信問(wèn)題。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]徐政. 基于大規(guī)模MIMO系統(tǒng)預(yù)編碼算法研究[D].西安郵電大學(xué)，2015.

[2]張友雷. 大規(guī)模MIMO系統(tǒng)預(yù)編碼算法研究[D].南京郵電大學(xué)，2014.