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基于自适应OFDM的电力线高速数据通信关键技术研究

2020-12-07阅读(218)

基于自适应OFDM的电力线高速数据通信关键技术研究

论文摘要

电力线作为一种分布广泛,不需布线,连接方便的通信媒介,在智能家庭网络和宽带接入领域具有得天独厚的优势和不可估量的市场潜力。正交频分复用(OFDM)技术具有抗多径时延、抗信道衰落、频谱利用率高、硬件实现简单等优点,近年来受到广泛关注。将自适应技术与OFDM技术相结合,将更有效的应对复杂恶劣的电力线通信环境,实现可靠高速的数据通信。自适应OFDM技术的关键问题是实时准确的信道估计和高效的OFDM自适应调制和功率分配。本文在研究信道模型的基础上,根据对各用户的子信道的瞬时特性估计的结果,采用动态分配数据速率和传输功率,有效地优化了系统性能,并利用构建的通用信道仿真平台对所设计的系统性能进行测试。主要工作如下:首先,通过对低压电网不同区域,不同时段的测试样本进行分析,在已有传输模型的基础上,提出将粒子群算法应用于电力线通信多径传输模型的参数辨识,缩短辨识时间,提高拟合精度,为低压载波通信调制技术的研究和设计打下良好的基础。其次,研究自适应OFDM通信系统的实现机理,讨论自适应调制OFDM系统结构、OFDM信号帧结构、载波控制方法,并对系统性能进行分析,建立适应低压电力线信道特性的参数选择方案。再次,针对标准卡尔曼滤波方程不适用于非线性电力线信道,扩展卡尔曼滤波算法计算量大、复杂度高的特点,本文提出了基于梳状导频的无先导卡尔曼滤波算法,采用加权采样点线性化方法代替泰勒公式线性截断的方法进行时域信道估计的同时,利用载波间的信道频域相关函数和卡尔曼滤波的估计误差的协方差矩阵,对滤波结果在频域进行最小均方误差(MMSE)意义下的估计,采用时频域联合估计算法使估计精度得到进一步提高。另外,针对多用户OFDM系统基于迭代的信道和比特功率分配算法实现复杂,而分组分配方法虽降低了运算复杂度,但却使系统性能下降的特性,本文从优化的角度出发,提出采用具有全局优化能力的粒子群算法,将信道分配和比特分配问题相结合,实现电力线信道下多用户自适应OFDM子载波比特、功率分配,节省运算时间,降低发射功率,提高频谱利用率。最后,针对低压电力线信道复杂多变,载波通信研究者缺少全面的试验环境来测试和评估设计方案,单纯依赖现场调试,影响开发速度的状况,本文建立了集软、硬件于一体的模块化、开放式的测试仿真平台,来模拟低压电力线载波通信信道特性,以无源阻容元件为核心构建阻性、感性、容性负载的基础模拟单元,以计算机控制继电器的方式实现不同拓扑结构,使用户可以根据具体需要获得不同情况的信道模拟环境,期望成为相关研究人员开发电力线载波通信设备的一种实用工具。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  • 1.1 研究背景及意义
  • 1.2 低压电力线高速数据通信研究现状
  • 1.3 自适应OFDM 技术现状
  • 1.3.1 比特功率分配算法
  • 1.3.2 信道估计
  • 1.4 课题来源及研究内容
  • 第2章 低压电力线信道特性与模型研究
  • 2.1 引言
  • 2.2 电力线信道特性测量与分析
  • 2.2.1 阻抗特性
  • 2.2.2 噪声特性
  • 2.2.3 传输衰减特性
  • 2.3 多径传输模型
  • 2.4 基于EPSO 算法的多径传输模型参数辨识
  • 2.4.1 改进粒子群算法
  • 2.4.2 适应度函数的选取
  • 2.4.3 初始值的确定
  • 2.4.4 EPSO 算法的寻优过程
  • 2.4.5 仿真与性能分析
  • 2.5 噪声模型的建立
  • 2.6 本章小结
  • 第3章 自适应OFDM 系统研究
  • 3.1 引言
  • 3.2 系统结构
  • 3.3 数学模型
  • 3.4 自适应OFDM 技术在PLC 中的应用
  • 3.4.1 信号帧结构设计
  • 3.4.2 调制模式门限的确定
  • 3.4.3 子载波信噪比估计算法
  • 3.4.4 子载波比特分配算法的实现
  • 3.4.5 仿真及性能分析
  • 3.5 本章小结
  • 第4章 基于自适应滤波的时频域联合信道估计
  • 4.1 引言
  • 4.2 导频辅助信道估计
  • 4.2.1 导频的选择与插入
  • 4.2.2 接收端获取导频位置信道信息的算法
  • 4.2.3 恢复信道信息的插值算法
  • 4.2.4 几种插值算法仿真与性能分析
  • 4.3 自适应滤波
  • 4.4 应用自适应滤波算法的信道估计
  • 4.4.1 经典卡尔曼滤波器
  • 4.4.2 扩展卡尔曼滤波器
  • 4.4.3 无先导卡尔曼滤波器
  • 4.4.4 基于无先导卡尔曼滤波的时域信道估计
  • 4.4.5 基于最小均方误差准则的频域估计
  • 4.5 仿真及性能分析
  • 4.6 本章小结
  • 第5章 多用户OFDM 自适应比特功率分配
  • 5.1 引言
  • 5.2 多用户OFDM 系统模型
  • 5.3 多用户OFDM 算法描述
  • 5.4 多用户OFDM 自适应比特功率分配的实现
  • 5.4.1 改进粒子群算法
  • 5.4.2 粒子的编码
  • 5.4.3 适应度函数的选取
  • 5.4.4 约束条件的处理
  • 5.4.5 基于 PSO 算法的比特功率分配过程
  • 5.5 仿真及性能分析
  • 5.6 本章小结
  • 第6章 电力线信道通用仿真平台的设计
  • 6.1 引言
  • 6.2 通用仿真平台的总体结构
  • 6.3 通用仿真平台的硬件设计
  • 6.3.1 总体设计
  • 6.3.2 基础模拟单元的建立
  • 6.3.3 电力线拓扑结构的模拟
  • 6.3.4 电源净化的实现
  • 6.3.5 噪声信号发生器的设计
  • 6.4 通用仿真平台的功能
  • 6.5 自适应OFDM 系统在信道仿真平台的性能测试
  • 6.6 本章小节
  • 结论
  • 参考文献
  • 攻读学位期间发表的学术论文
  • 攻读学位期间参加的科研项目
  • 致谢

    • 相关论文文献

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