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MIMO技术在电力通信中的应用

MIMO系统可以大幅度提高无线信道的容量和信道的质量,由于电力线信道的特殊性,MIMO中的一些算法以及编码技术都可以应用到电力线通信中,从而推动电力线通信的发展,提高信道质量。..

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MIMO技术在电力通信中的应用

发布时间:2011-12-20 热度:


MIMO技术在电力通信中的应用
王伟  李楠  荣昕   武警石家庄指挥学院
[摘要]MIMO系统可以大幅度提高无线信道的容量和信道的质量,由于电力线信道的特殊性,MIMO中的一些算法以及编码技术都可以应用到电力线通信中,从而推动电力线通信的发展,提高信道质量。
[关键词]MIMO    无线信道    电力线通信
一、前言
无线通信技术在不断发展,如何用较少的频率资源来传输更多的信息以及抑制无线电干扰成为无线通信技术发展的两大挑战。MIMO技术以及天线选择算法可以很好的解决无线资源紧张的问题,能够利用有限的无线空间资源解决更多的通信问题,提高通信质量。由于电力线通信的信道特征接近于无线信道衰落特性,这些无线领域的技术同样适用于电力线通信。
二、MIMO研究现状
多入多出(MIMO,Multiple Input Multiple Output)技术最早由Marconi于1908年提出[1],它利用多天线抵御信道衰落。MIMO可以简单定义为:在一个任意的无线系统中,链路的发端和收端都使用多天线,它也包括单入多出系统和多入单出系统。
(一)BLAST技术
为了更好的理解MIMO技术,作为比较,介绍一下BLAST(Bell Labs layered space time)多天线技术。BLAST是贝尔实验室提出的一种多天线技术,是利用复用实现并行数据传输的结构。它采用多天线系统来利用多径传播效应以达到提高频谱效率的目的,是MIMO系统中应用前景广阔,研究比较热门的技术之一。这项技术能够提高无线链接的容量2O倍到3O倍。其应用包括:不必在台式计算机、笔记本计算机和手持设备之间建立固定网络;为遥远的农村地区提供电话服务,通过无线方式把家用、商用电话与固定的有线电话网络连接起来。这项技术使突破无线通信容量成为可能,虽然离应用这项发明还有很多的研究要做,但是人们对它在将来无线通信方面存在的巨大容量潜力感兴趣。
仙农的容量公式解决点到点的通信,而BLAST的理论解决组到组的通信,它给仙农容量公式增加了一维,即空间。当噪声和干扰比较严重的时候,可以利用空间来消除这些干扰和噪声。多径传输是通信的一大严重危害,然而通过利用BLAST技术我们就有可能利用多径, 即根据传输环境的散射性来把这些多径当作分离的并行信道来提高信道的传输精度。与传统思想不同,在接收端使用的BLAST信号处理函数是这项技术的核心。
需要注意的一点是,BLAST和MIMO是相辅相成的两个技术,可以说BLAST的核心也是MIMO技术,但也有一定的区别,BLAST主要利用空间复用来提高系统容量,而MIMO是利用分集增益的提高来提高系统质量的。
(二)多天线选择
如果通信系统采用多输入多输出系统,无论信道容量还是信道的可靠性都会得到大幅度的提高。使用多天线进行通信时,随着天线数目越多,信道容量和信道可靠性增长越多,但天线数目增多必然带来射频链路数的增长,而射频链路的成本是很高的,这无疑增加了系统的费用和制造的复杂度。相对来说,天线阵子的价格较低,可以通过进行天线选择来降低成本,也就是选择一定数目的天线,而不是使用所有的天线。当发送天线数目小于接受天线数目的时候,系统的容量会随较小数目的天线数成线性增长。若以信噪比(SNR)为衡量系统可靠性的标准,天线数目越多,SNR越大。理论上天线数目越多,系统越好,但天线数目多到一定程度,系统就很难实现。所以要进行天线选择,仅使用一定数目的天线来进行信号的传输。假设系统有M个发送天线,N个接受天线,使用其中LM个发送天线,RN个天线进行发送、接受信号,现在用于仿真实现的,M、N、L、R都为很小的数目。可以只进行发送天线选择,也可以只进行接受天线选择,也可以同时进行。
三、MIMO技术在电力线通信中的应用
电力线通信(PLC, Power Line Communication)是指利用电力线传输数据和话音信号的一种通信方式。电力线通信并不是新技术,已经有几十年的发展历史,在中高压输电网上通过电力载波机利用较低的频率(9—490 kHz)以较低速率传送远动数据或话音,是电力线通信技术应用的主要形式之一。它建立在电力配电网基础上,实现了电力线通信网络内部各节点之间以及与其他通信网络之间的通信。近几年,随着数字通讯技术的发展,PLC因其分布广、低成本、高速率、即插即用、可移动等优势,而成为当前通信研究的一个热点领域。
除了因线路衰减和多路传输所造成的信号失真外,噪声是影响电力线数据可靠通信的关键因素。通过大量理论研究和实际测试表明,电力线信道中的噪声分布和其它常见信道有很大的不同,其噪声并不呈现白高斯噪声(AWGN)特性,在频率从几百kHz到数十MHz之间,主要为窄带干扰和脉冲噪声。为了克服这些影响,必须考虑采用复杂的信道编码技术。高效可靠的调制编码技术是高速PLC的关键之一,在通信系统中所使用的空时编码技术可以应用在电力线通信中。
现在用的电力线都是三相的,国外可以做到多相的,但由于三相电力线比较经济,大部分国家还都在使用三相的电力线。利用三相电力线进行通信时,相当于利用三个天线进行通信,电力线信道与实际的无线信道衰落情形相似,天线选择的思想也可以应用到电力线通信当中来。使用低压电力线进行通信相当于多径传输,因为高频信号在低压电力线上传输会产生大量的反射,信号除了直接到达接收机外,还会经过多次反射再到达接收机,这就形成了信号的多径传输。在低压配电线上产生多径传输的主要原因有:(1)线路上存在大量的分支而造成信号反射;(2)与线路阻抗不匹配的负载造成反射;(3)线路的不连续性。这种相似的信道使天线选择算法成为可能,而且在电力传输线上,连接有很多工业电器设备,这些设备会产生严重的工业干扰。为了提高抗干扰性能,克服传统调幅电路的缺点,有的部门设计了一种电台[2],可以避免直接接触电力线,依靠电磁场感应,发送载波信号。在调制方式上采取调频方式,牺牲带宽来换取信噪比,提高抗干扰性能。接收机部分采用混频技术,中频频率为455kHZ。从外观结构上可分为天线、无线信道机和供电三部分。天线是该无线通信电台至关重要的部件,以这种方式电力线通信与无线通信更加具体的联系在一起,天线选择算法更加实用。现在电力线通信还可以跟OFDM等技术相结合,以达到更高的系统容量和更强的信道可靠性。无线通信中的编码技术以及多天线选择算法研究的进展,对电力线通信的发展也是一种很大的推动。


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