CN106877907A - 一种电力线中的抗噪信道估计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于电力线载波(Power Line Carrier,PLC)通信网络中的干扰噪声消除方法，主要用于解决PLC网络中随机出现且能量很高的脉冲干扰噪声对整个通信系统带来的性能衰减。该方法主要由接收机端信号幅度预处理和稳健信道估计两部分组成，通过接收机端信号幅度预处理来根据接收信号统计特性进行对脉冲干扰噪声的初次筛选滤除，继而通过稳健的信道估计对残留噪声的影响进一步地削弱。与传统常见的其他电力线噪声消除算法相比，本发明提供的方法特征为：复杂度相对较低；对噪声变化不敏感。此发明方案，从实践可行性和有效性的角度出发来处理电力线噪声消除的问题，使得信号在电力线载波传输过程中误比特率降低，从而，系统可靠性得以提高。
Description
技术领域
本发明涉及电力线载波通信领域，具体涉及一种低压电力线通信数据采集系统中的噪声消除方法。
背景技术
在电力线载波通信网络中，由于传输媒介的设计初衷为传输电信号，因此在数据信号传输过程中存在着信道环境不理想的问题，具体主要表现为通信信道共享、传输速率低、干扰噪声突发且强、受环境因素影响大，随之带来通信失败或链路坏损。所以，在电力自动抄表(Automatic Meter Reading,AMR)系统中，找到一种能够自适应的噪声抑制算法，是解决制约电力线载波通信可靠性问题的有效手段。目前该方面的算法主要可以分为参数类和非参数类两种方法。
参数类消噪算法主要是设定信号服从某一特定模型，并对模型中的参数通过训练学习的过程进行估计。传统的参数类消噪算法主要有削峰、消隐等非线性幅度处理以及迭代信道估计等。这类算法可以获得较好性能，然而需要额外的训练开销，并且在电力线通信中由于噪声统计特性可能实时变化的场景下，易发生模型误匹配而带来急剧的性能恶化。
非参数类消噪算法则摆脱了信号模型匹配与否、参数估计正确与否带来的问题，它有效地利用了随机脉冲噪声的时域稀疏性。一种经典的应用为利用压缩感知来进行电力线噪声消除。压缩感知是一种对干扰信号的高度不完备线性测量的高精度重建，通过稀疏变换、正交观察和信号重建来估计空闲码域(既不携带信号也不携带导频信息)上的信号，即随机脉冲干扰信号。然而它的重建精度和FFT长度及空闲码占比息息相关，难以达到重建精度和资源利用效率的均衡，且运算复杂度极高，不易应用于工程实践。
发明内容
有鉴于此，本发明是为了解决现有AMR系统中缺乏有效并易实现的噪声影响消除手段，提供了一种电力线通信网中的抗噪信道估计方法。其具体实施步骤如下：
步骤一、接收机前端放置一个非线性处理器，按照一定规则设置其干扰噪声判定阈值。在接收到信号之后根据其信号幅度进行初步判断是否为有效信号并作出相应处理；
步骤二、对预处理之后的时域信号进行分析，根据对已知导频信号的分析估计信道冲激响应h；
步骤三、进行OFDM解调，主要由去除循环前缀、串并变换和傅里叶变换等组成；
步骤四、根据信道估计结果，对该频域信号进行信道均衡和相位修正处理，恢复出原始发送信号。
有益效果：本发明通过结合使用信号幅度非线性处理和稳健信道估计算法，对抗电力线载波通信信道中难以预测及消除的强脉冲干扰噪声的影响，从而降低信号传输过程中的误码率，提高系统性能。两者的有效结合使得系统克服了传统非线性处理对阈值设置的敏感性，也为信道估计提供了一个良好的初始环境，免去多次迭代的高运算复杂度，从而易用于工程实现，保障了方法的可行性和有效性。
附图说明
下面将通过参照附图详细描述本发明的示例性实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其它特征和优点，附图中：
图1是本发明所针对的电力线载波通信系统中的噪声组成成分分析。
图2是本发明一个实施例的非线性处理器示意图。
图3是本发明所针对的OFDM通信系统的系统框图。
图4是本发明一个实施例的抗噪信道估计方法实施过程示意图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例来详细说明本发明，以此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
图1为电力线通信系统中的噪声组成成分分析，其中的加性噪声主要分为五类，有色背景噪声、窄带噪声和工频异步周期脉冲噪声功率较小，随时间变化缓慢，对通信系统造成损害较小。而工频同步周期脉冲噪声和随机脉冲噪声是PLC通信系统中的主要噪声成分，随机脉冲噪声是本发明主要考虑的消除对象。
图2为本发明一个实施例的非线性处理器示意图。简单地非线性处理主要有削峰、消隐等，对信号幅度做非线性处理，保持相位不变。消隐处理的表达式如下所示：
其中，阈值T的设置可以通过基于接收信号的统计模型进行预估。如在假设接收信号服从折叠正态分布的前提下，根据其累积概率分布曲线，按照一定可接受的虚警概率程度设置阈值。
图3为本发明所针对的OFDM通信系统的系统框图，发送端主要进行数据流的串并转换、多路调制、插入导频、IFFT处理、插入循环前缀以防止符号间串扰组成，最后叠加得到OFDM符号。接收端则对各路信号做FFT处理、解调，并将其在T时间周期内积分，实现各个正交子信道的有效分离，最后通过并串变换得到串行数据流，即发送端想要发送的信息。
图4为本发明一个实施例的抗噪信道估计方法实施的通信系统过程示意图，主要包括以下步骤：
在步骤401中，发送机对发送比特流信号进行OFDM调制，如图3所示发送机部分流程所示进行处理。
在步骤402中，发送机将OFDM符号送入电力线介质以载波形式进行传播，不可避免地发生一定衰变。
在步骤403中，其中的加性噪声如图1所示。
在步骤404中，非线性处理器如图2所示。
在步骤405中，OFDM解调包括符号同步，去除循环前缀，IFFT，信道估计等。而信道估计方案不同于传统的信道估计，它在信道估计过程中将接收信号分为有效数据信号——可准确还原发送信号的成分、可利用数据信号——夹杂部分可接受范围内噪声影响的信号，和无效信号——脉冲干扰信号，并分别针对三类信号进行不同处理，降低干扰信号对信道估计准确率的影响。本方法主要在时域上对接收信号进行分析处理，经过OFDM调制之后的接收信号在时域上可表示为：
其中，Kp，Ks分别代表导频信号域和传输信号域，Np代表导频长度。Xp，Xs为导频符号和信息传输符号，zn指接收信号中除却导频信号之外的部分，主要由两部分组成：其他信号和噪声干扰。其中携带信息的未知符号也被认为是噪声信号，因为实际上在做信道估计时只有导频信号为有用信号。
z＝y-Bh,
0≤k≤Np-1,0≤m≤L-1,0≤n≤N-1
其中，N,L分别为OFDM系统N-IFFT/FFT变换数目和系统中信道多径数目。最后从信道估计误差最小化的目的出发，根据如下最小化代价函数进行求解信道时域冲激响应h。
当接收信号为有效数据信号时则仍旧按照最小二乘方法进行处理，当接收信号为可利用数据信号时，其可信度有所折扣，因此削弱其对信道估计的影响，而当接收信号为粗差时，则令其对应代价函数值为恒定值，即在随后的优化过程中对信道相应估计不起作用。
根据稳健误差最小化的优化目标，即使代价函数最小化，通过数学推导得到：
在步骤406中，由该估计时域冲激响应推得估计频域冲激响应，进行信道均衡和信号相位修正。
在步骤407中，最后接收机端经过判决和重生，恢复原始发送信号。
Claims (6)
1.一种适用于电力线载波通信系统中的抗噪信道估计方法，其特征在于：
首先本发明考虑的是低压电力线载波通信系统中的噪声消除。目前的低压电力线载波通信系统都是采用基于OFDM技术的通信协议，其次分析电力线上的噪声组成成分，并据此设计合理的信道估计方案来进行噪声抑制。鉴于此，其主要由以下步骤实现：
步骤一、接收机前端放置一个非线性处理器，在接收到信号之后根据其信号幅度进行初步判断是否为脉冲噪声干扰并作出相应处理；
步骤二、对预处理之后的时域信号进行分析，估计信道冲激响应h；
步骤三、进行OFDM解调，主要由去除循环前缀、串并变换和傅里叶变换等组成；
步骤四、根据信道估计结果，对该频域信号进行信道均衡和相位修正处理，恢复出原始发送信号。
2.根据权利要求1所述的电力线抗噪信道估计方法，其特征在于，该方法主要是针对电力线载波通信系统中的随机脉冲噪声。这类噪声一般表现为随机到达、短暂出现的高能量尖峰脉冲，其功率可高达系统中背景噪声的50dB以上，是宽带电力线通信系统中的主要噪声成分，一般可以通过建模为高斯混合模型：
3.根据权利要求1所述的电力线抗噪信道估计方法，其特征在于，步骤一中的非线性信号处理器阈值设置对系统性能影响相对较为不敏感。
4.根据权利要求1所述的电力线抗噪信道估计方法，其特征在于，步骤二中的信道估计方案不同于传统的信道估计，它将针对夹杂脉冲噪声的信号视作一种污染分布：
G＝(1-ε)Y+εU
其中，Y为主体，即有用信号的分布，U为干扰分布。针对于此，在信道估计过程中将接收信号分为有效数据信号——可准确还原发送信号的成分、可利用数据信号——夹杂部分可接受范围内噪声影响的信号，和无效信号——脉冲干扰信号，并分别针对三类信号进行不同处理，降低干扰信号对信道估计准确率的影响。
5.根据权利要求1所述的电力线抗噪信道估计方法，其特征在于，步骤二中的信道估计方案不同于传统的信道估计，是针对时域接收信号进行分析处理。经过OFDM调制之后的接收信号在时域上可表示为：
其中，Kp，Ks分别代表导频信号域和传输信号域，Np代表导频长度。Xp，Xs为导频符号和信息传输符号，zn指接收信号中除却导频信号之外的部分，主要由两部分组成：其他信号和噪声干扰。其中携带信息的未知符号也被认为是噪声信号，因为实际上在做信道估计时只有导频信号为有用信号。
z＝y-Bh,
0≤k≤Np-1,0≤m≤L-1,0≤n≤N-1
其中，N,L分别为OFDM系统N-IFFT/FFT变换数目和系统中信道多径数目。
最后从信道估计误差最小化的目的出发，根据如下最小化代价函数进行求解信道时域冲激响应h。
6.根据权利要求1所述的电力线抗噪信道估计方法，其特征在于，步骤四中，根据步骤二中得到的时域冲激响应推得频域冲激响应，进行信道均衡和信号相位修正。
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