【摘要】：利用電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信由來已久。由于電力線分布廣泛,電力線通信有著顯著的成本優(yōu)勢(shì)。電力線信道是一種復(fù)雜的通信信道,它具有頻率選擇性衰落、帶寬受限、存在脈沖噪聲干擾等特性,并且由于電磁兼容問題,電力線通信信號(hào)的功率也受到嚴(yán)格的限制,這些因素給電力線通信帶來較大困難。近些年來,隨著電力線通信技術(shù)的發(fā)展和智能電網(wǎng)的普及,電力線通信越來越受到人們的重視,一些新技術(shù),如電力線MIMO、電力線物理層網(wǎng)絡(luò)編碼等,在電力線通信當(dāng)中得到了應(yīng)用,提高了電力線通信系統(tǒng)的性能。但電力線通信仍然存在傳輸距離短、易受外界干擾等問題,有待深入研究解決。本文針對(duì)電力線通信中帶寬受限、傳輸功率受限以及脈沖噪聲等問題,對(duì)MIMO電力線通信、物理層網(wǎng)絡(luò)編碼(PLNC)、電力線網(wǎng)絡(luò)路由算法等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究,主要?jiǎng)?chuàng)新工作如下。(1)空間復(fù)用技術(shù)是抑制同信道干擾(CCI)的一種有效手段,現(xiàn)有的電力線空間復(fù)用都是在不同信號(hào)回路中實(shí)現(xiàn)。為在電力線通信中采用空分復(fù)用來抑制CCI,本文首先利用多導(dǎo)體傳輸線理論,證明了電力線MIMO空間復(fù)用在相同信號(hào)回路中同樣可行。在此基礎(chǔ)上,提出了一種基于斜投影的電力線CCI抑制方法。該方法首先估計(jì)接收信號(hào)的二階統(tǒng)計(jì)量和信道沖擊響應(yīng),并計(jì)算接收信號(hào)沿干擾方向到信號(hào)空間的斜投影矩陣,然后用斜投影矩陣對(duì)來自不同空間復(fù)用信道的CCI進(jìn)行抑制。此外,為了抑制電力線信道脈沖噪聲,提出一種基于空時(shí)分組碼和正交頻分復(fù)用(OFDM)的脈沖噪聲迭代消除算法。該算法首先利用接收信號(hào)和空時(shí)解碼后的信息來估計(jì)信道噪聲,然后在空時(shí)域通過門限檢測(cè)對(duì)脈沖噪聲進(jìn)行估計(jì),并從接收信號(hào)中去除脈沖噪聲。該方法能有效地去除脈沖噪聲對(duì)電力線系統(tǒng)的影響。(2)電器終端的阻抗變化以及開關(guān)通斷會(huì)使得電力線信道抽頭數(shù)目的變化,導(dǎo)致信道跟蹤時(shí)信道抽頭難以進(jìn)行前后時(shí)刻數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián),造成有用信息損失。為此,本文提出一種基于隨機(jī)有限集的電力線信道跟蹤方法。該方法將電力線信道建模為隨機(jī)有限集,通過隨機(jī)有限集的概率密度完整保存信道抽頭狀態(tài)以及數(shù)目信息,以避免有用信息損失,并用壓縮感知技術(shù)來獲得隨機(jī)有限集的瞬時(shí)參數(shù)。然后,用高斯混合概率假設(shè)密度(GM-PHD)濾波器對(duì)電力線信道參數(shù)進(jìn)行估計(jì)和跟蹤。在此基礎(chǔ)上,對(duì)GM-PHD濾波算法進(jìn)行改進(jìn),在高斯分量的裁剪過程中,將可能是新生成信道抽頭的觀測(cè)值保留到下一次迭代,解決了新生成信道抽頭漏檢問題。(3)在電力線通信PLNC系統(tǒng)中,信道編碼中的冗余信息通常無法用于符號(hào)檢測(cè)。為此,本文提出一種基于置信傳播的電力線通信符號(hào)檢測(cè)、PLNC和信道解碼聯(lián)合算法。該算法首先將符號(hào)檢測(cè)、PLNC和信道解碼三者整合,形成聯(lián)合因子圖,通過改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)編碼的解調(diào)方式對(duì)聯(lián)合因子圖進(jìn)行優(yōu)化,以提高迭代過程中信息傳播的效率。然后,根據(jù)信道解碼的方式,設(shè)計(jì)聯(lián)合因子圖中各節(jié)點(diǎn)的信息更新算法。該算法能夠有效地提高電力線PLNC系統(tǒng)的誤碼率性能。為了降低其計(jì)算復(fù)雜度,本文用硬判決信息替換檢測(cè)中得到的概率信息,提出了基于大數(shù)表決的電力線通信符號(hào)檢測(cè)、PLNC和信道解碼聯(lián)合算法。該算法在誤碼率性能和計(jì)算復(fù)雜度之間進(jìn)行了平衡。(4)針對(duì)電力線通信PLNC異步問題,本文提出一種低復(fù)雜度的電力線單載波PLNC幀異步時(shí)延估計(jì)方法。該方法根據(jù)離散傅里葉變換的擴(kuò)展特性將導(dǎo)頻序列設(shè)計(jì)為在頻域正交,以便在頻域?qū)K端分別進(jìn)行信道估計(jì),并根據(jù)頻偏分量對(duì)導(dǎo)頻信號(hào)重新調(diào)制,以獲得中繼端載波間干擾(ICI)的估計(jì)。然后從接收信號(hào)中去除ICI,以提高信道估計(jì)的精度。最后,從信道估計(jì)中提取時(shí)延信息,以獲得相對(duì)時(shí)延估計(jì)。該算法估計(jì)精度接近現(xiàn)有算法,但具有更低的計(jì)算復(fù)雜度,并且能夠有效地抑制ICI對(duì)時(shí)延估計(jì)的影響。(5)在電力線網(wǎng)絡(luò)路由算法中,每次轉(zhuǎn)發(fā)通常會(huì)有多個(gè)候選中繼節(jié)點(diǎn),這容易造成信道沖突。為此,本文提出一種基于電力線網(wǎng)絡(luò)物理拓?fù)涞碾娏�通信路由算法。該算法將電力線網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)湫畔⒎植嫉卮鎯?chǔ)于各個(gè)節(jié)點(diǎn),以便在建立路由時(shí)能夠根據(jù)節(jié)點(diǎn)信息來確定信息傳輸物理路徑,減少候選中繼節(jié)點(diǎn)的數(shù)量,從而降低信道沖突發(fā)生的概率;然后,采用競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制對(duì)最優(yōu)物理路徑內(nèi)的多跳傳輸進(jìn)行管理,以適應(yīng)電力線網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性。該算法可以有效地降低電力線網(wǎng)絡(luò)路由多跳次數(shù),減少信道沖突發(fā)生的概率。
【圖文】：

邐（２．６）逡逑＼Ｇ，＋ｉｃｏＣ，逡逑其中，‘／／’表示并聯(lián)，Ｚ，、ＺｊＤＺ３是ＡＢ、ＢＣ和ＢＤ段電力線的特征阻抗，ｉ？，Ｇ，逡逑ｉ：，Ｃ見圖２．３。由以上參數(shù)，可以計(jì)算出各個(gè)路徑的復(fù)增益ｇ，和時(shí)延。例如，路徑ＡＢ逡逑ＣＢＤ的傳輸增益（系數(shù)）可以計(jì)算為ｐ１２ｒ２ｅｐ２３，時(shí)延為１＾１＋２名＋0，其中＼為電磁逡逑＾邋Ｐ逡逑波在電力線中的傳播速度。計(jì)算出各個(gè)路徑的復(fù)增益和時(shí)延后，由式（２．１）可以得到信道逡逑的傳輸函數(shù)。逡逑Ｚｉｍｍｅｒｍａｎｎ和Ｄｏｓｔｅｒｔ提出了一種基于信號(hào)流電力線信道模型＆７］，其傳遞函數(shù)為逡逑Ｎ，邋＿２ｉｒｄｉ＾７ｒ逡逑RG＝１＾邐？（２．７）逡逑／＝１逡逑其中ｇ，和４分別是多徑數(shù)目，路徑增益和路徑長(zhǎng)度；信道的衰減由參數(shù)ｔ邋和逡逑Ａ確定，可通過測(cè)量獲得；＾？是介電常數(shù)。對(duì)比式（２．１）可以發(fā)現(xiàn)，式（２．７）增加了對(duì)頻率逡逑衰減的建模。逡逑（２）基于傳輸線理論的電力線信道模型逡逑＼０－＿逡逑、一逡逑圖２．２三導(dǎo)體電力線橫截面逡逑Ｆｉｇ．邋２．２邋Ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎａｌ邋ｖｉｅｗ邋ｏｆ邋ｔｈｒｅｅ－ｗｉｒｅ邋ｍｕｌｔｉ－ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ邋ｐｏｗｅｒ邋ｌｉｎｅ逡逑當(dāng)用電力線來傳輸高頻通信信號(hào)時(shí)，它可以看做是傳輸橫向電磁波的傳輸線ｂ１］。圖逡逑２．２是典型的三導(dǎo)體電力線的截面圖

作為電力線通信的傳輸信道�？梢詫㈦娏�信道簡(jiǎn)化成雙導(dǎo)體傳輸線，這樣，電力線信逡逑道就可以看作是一個(gè)分布參數(shù)網(wǎng)絡(luò)，其電壓和電流沿著傳輸線變化，并可用電路參數(shù)對(duì)逡逑其進(jìn)行描述。雙導(dǎo)體電力線傳輸參數(shù)模型如圖２．３所示。逡逑／？邋Ｌ邐Ａ逡逑Ｋ邐ｉ（ｚ＋邋Ａｚ，邋ｔ）逡逑＋邋0邐Ｗｖ邐１邐１邐邐１邐Ｏ逡逑ｖ（ｚ，邋ｔ）邐＋Ｃ邐ｖ（ｚ＋Ａｚ，ｔ）逡逑＿邋邐邋邐邐邐——邐逡逑？邐卜逡逑Ａｚ逡逑圖２．３電力線雙導(dǎo)體集總參數(shù)模型逡逑Ｆｉｇ．邋２．３邋Ｐｏｗｅｒ邋ｌｉｎｅ邋ｔｗｏ邋ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ邋ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ邋ｌｕｍｐｅｄ－ｅｌｅｍｅｎｔ邋ｃｉｒｃｕｉｔ邋ｍｏｄｅｌ逡逑在圖２．３中，ｖ（ｚｊ）和ｖ（ｚ邋＋邋Ａｚ，0分別表示位置ｚ和ｚ邋＋邋Ａｚ的瞬時(shí)電壓。同樣，／（ｚ，／）和逡逑／（ｚ邋＋邋Ａｚ，，／）分別表示位置ｚ和；ｒ邋＋邋Ａｚ的瞬時(shí)電流；表示雙導(dǎo)體導(dǎo)體單位長(zhǎng)度的阻抗逡逑（Ｑ／ｍ）；邋Ｚ表示雙導(dǎo)體單位長(zhǎng)度電感（Ｈ／ｍ）；邋Ｇ表示雙導(dǎo)體單位長(zhǎng)度的電導(dǎo)（Ｓ／ｍ）；邋Ｃ逡逑表示雙導(dǎo)體單位長(zhǎng)度的電容（Ｆ／ｍ）。兩根導(dǎo)線的傳輸常數(shù)ｐ和特征阻抗＆可以表示為逡逑ｐ邋＝邋ａ＋ｊｊ３邋＝邋＾（Ｒ＋ｊｃＤＬＸＧ＋］ｃｏＱ邐（２．８）逡逑７邋＼Ｒ邋＋邋］（0Ｌ邐…、逡逑ｚ0＝ｉ0７Ｊ＾邐（２．９）逡逑其中，《和Ｐ分別是衰減常數(shù)和相位常數(shù)，ｐ和＾都是傳輸線的固有特性，與傳輸線逡逑的長(zhǎng)度無關(guān)。為了確定參數(shù)；0和ＺＱ，需要先確定，Ｉ，Ｇ和Ｃ這四個(gè)基本參數(shù)。下面逡逑將介紹這四種參數(shù)的計(jì)算方式。逡逑１）阻抗計(jì)算逡逑當(dāng)交流電信號(hào)通過導(dǎo)體時(shí)
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN913.6

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2661983