CN114362791A - 基于最佳跳频图的ofdm电力线通信方法 - Google Patents
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Abstract
基于最佳跳频图的OFDM电力线通信方法，在基于Welch Costas序列的具有理想自相关和互相关特性的最佳跳频图的概念的基础上，构造出的利用二维循环移位得到具有理想互相关特性的最佳跳频图具有理想的自相关和理想的互相关特性，可有效地解决电力线通信系统中因多径传播和频率偏移造成的OFDM中子载波干扰问题，从而提高频谱利用率。
Description
技术领域
本发明涉及电力通信领域，具体涉及基于最佳跳频图的OFDM电力线通信方法。
背景技术
正交频分复用技术(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)是一种正交多载波调制技术，由于具有抗干扰和抗衰落能力强、频谱利用率高、实现简单等优点，得到广泛应用。电力线通信网络具有组网成本低廉、无需重新布线和接入方式便捷等特点。正交频分复用技术(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)也是电力线通信系统的研究热点之一。
但是正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)存在对频率偏移敏感的缺点，会因为信号频率偏移导致子载波间正交性遭受破坏，同时由于多径传播产生的多径时延，使得子信道间的信号干扰加剧。
发明内容
本发明针对上述背景技术中存在的问题，提出基于最佳跳频图的OFDM电力线通信方法。
基于最佳跳频图的OFDM电力线通信方法，包括如下步骤：
步骤1，根据Welch Costas序列二维循环移位构造的二维序列，获得相关特性的跳频图样，并得到最佳跳频图；
步骤2，将同一个族的跳频图分配给同一个小区中的用户，小区按照频率偏移的大小进行划分得到，在某个频率偏移值内的用户分为一个小区；
步骤3，基于步骤2划分的小区，则一个小区内的最大频率偏移是已知的，这样就确定族内跳频图间的最小多普勒距离，令其大于小区内的最大频率偏移，则族内跳频图之间具有理想的互相关特性，即消除由于频偏带来的干扰。
进一步地，步骤1中，根据电力线通信系统的最大多径时延来设计最佳跳频图族，同一个族里的各跳频图间的时延距离为零，同时使各族间的最小时延距离大于系统的最大时延，则最佳跳频图族具有理想的互相关特性。
进一步地，步骤1中，最佳跳频图样的计算步骤如下：
(1)根据划分的小区数s以及系统中的最大多径时延τ，|τ|≤w-1使得满足:
ws≤p-1
其中w是最佳跳频图族间的最小时延距离，p是每个小区内所能容纳的最大用户数；
(2)构造Welch Costas序列c1，在水平方向上做w列、2w列……(s-1)w列的水平循环位的到c2……cs的最佳跳频图的族首；
(3)将小区Ci(i＝1、2、…、s)的最佳跳频图族首在垂直方向上做含有一间隙行的循环移位，循环移位的行数为最小的多普勒距离，得到小区Ci(i＝1、2、…、s)内每个用户的最佳跳频图样。
进一步地，步骤2中，在分配跳频图时，若小区的用户数大于族内跳频图数，则进行如下操作：增加所构造的Costas序列的阶数，增加族内跳频图的数目；将其它族的跳频图分配给小区内剩下的用户，由于利用最大频率偏移等分若干个小区，所以其它族内的跳频图之间的最小多普勒距离也大于第一个小区的最大频偏，因此这些跳频图之间是相互正交的，因而利用其它族的跳频图进行分配，但需保证最佳跳频图族数大于小区数目，才能进行分配。
本发明达到的有益效果为：在基于Welch Costas序列的具有理想自相关和互相关特性的最佳跳频图的概念的基础上，构造出的利用二维循环移位得到具有理想互相关特性的最佳跳频图具有理想的自相关和理想的互相关特性，可有效地解决电力线通信系统中因多径传播和频率偏移造成的OFDM中子载波干扰问题，从而提高频谱利用率。
附图说明
图1为本发明实施例中的A小区中的两个用户的最佳跳频图。
图2为本发明实施例中的B小区中的两个用户的最佳跳频图。
图3为本发明实施例中的C小区中的两个用户的最佳跳频图。
图4为本发明实施例中的仿真时延结果的A小区最佳跳频图首的自相关函数图。
图5为本发明实施例中的仿真时延结果的B小区最佳跳频图首的自相关函数图。
图6为本发明实施例中的仿真时延结果的C小区最佳跳频图首的自相关函数图。
图7为本发明实施例中的A和B小区最佳跳频图互相关函数图。
图8为本发明实施例中的B和C小区最佳跳频图互相关函数图。
图9为本发明实施例中的A和C小区最佳跳频图互相关函数图。
图10为本发明实施例中的A小区用户1和用户2的最佳跳频图的互相关函数图。
图11为本发明实施例中的基于最佳跳频图的跳频通信发射和接收系统框图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
设有限域设有限域GF(p)，p是素数，α和η是有限域GF(p)的本原元和非零元，序列C是p-1阶置换矩阵，那么序列C为Welch Costas序列的充要条件是序列C的放置函数为：
y(k)≡ηαk(mod p),1≤k≤p-1 (1)
根据WelchCostas的循环移位特性，可以将已知的Costas序列在水平方向和垂直方向上进行循环移位得到新的序列。例如，放置函数坐标矩阵y1＝[5,4,6,2,3,1]，向左水平移1列得到y2＝[4,6,2,3,1,5]，在垂直方向做含有一个间隙行的循环移位，则得到一个含有间隙行的p×(p-1)序列。
现有技术中对于Welch Costas序列的二维循环移位进行了研究，得到如下结论。
结论1：通过将Welch Costas序列在垂直方向上含有一个间隙行的循环移位得到的具有一间隙行的p×(p-1)序列的自相关旁瓣的最大值为1。
结论2：对于水平方向上循环移位得到的p-1阶Welch Costas序列y(k)＝ηαk，其自相关函数的旁瓣最大值为1。
结论3：当时延τ满足|τ|≤w-1时，w为正整数，s个含有一个间隙行的p×(p-1)序列族，y1(k)＝ηαk-λ1，y2(k)＝ηαw·αk-λ2，…ys(k)＝ηα(s-1)w·αk-λs(λi∈Z,|λi|≤p-1,i＝1，2…,s)中任意两个序列族的互相关函数最大值为1。
其中，正整数w称为任意两个序列之间的最小时延距离。如果将这些序列同时逆时针(或顺时针)旋转90°，仍以水平方向表示时间，垂直方向表示频率，则当多普勒频率d满足|d|≤w-1时，任意两个序列的互相关函数的最大值为1，此时w变为任何两个序列之间的最小多普勒距离。
在OFDM电力线通信系统中，存在多径时延和频率偏移破坏了OFDM系统的子载波的正交性，产生干扰。
对于多径时延和频率偏移引起的子载波之间的干扰，我们均可以采用跳频的方法来解决。虽然电力线信道噪声种类繁多，但是由于跳频通信的载波频率是不断跳变的，这就使得OFDM电力线通信系统的抗干扰能力大大增强，这样跳频通信利用不同跳频图样，从而提高了频谱利用率。
最佳跳频图是利用Welch Costas序列二维循环移位构造的二维序列。这种具有理想的相关特性的跳频图样，满足(2)：
RC1,C2(τ,d)表示2个n阶Costas序列C1和C2的互相关函数，τ为时延，d为多勒普频移，τmax为最大时延。
用二维循环移位法构造的最佳跳频图具有这样的特点：如果两个跳频图样之间的多普勒距离大于最大频偏，则无论多径时延有多大，两个跳频图样都具有理想的互相关；如果跳频图样之间的时延距离大于最大多径时延，则无论频偏有多大，这两个跳频图样都具有理想的互相关。基于此，针对OFDM电力线通信系统的架构，可以设计最佳跳频图以克服OFDM电力线通信系统中由于多径传播和频率偏移产生的OFDM子载波之间的干扰。
在电力线通信系统中，根据系统中的最大多径时延来设计最佳跳频图族(同一个族里的各跳频图间的时延距离为零)，使各族间的最小时延距离大于系统的最大时延，则最佳跳频图族具有理想的互相关特性。将同一个族的跳频图分配给同一个“小区”中的用户，这里的“小区”是按照频率偏移的大小进行划分的，在某个频率偏移值内的用户分为一个“小区”，则一个“小区”内的最大频率偏移是已知的，即为所截取的频偏，这样就可以确定族内跳频图间的最小多普勒距离，令其大于“小区”内的最大频率偏移，那么族内跳频图之间具有理想的互相关特性，即可以消除由于频偏带来的干扰。
若某个“小区”的“用户”数为500，所得族内跳频图数为400，不足以分配给一个小区内全部的用户，那么有两种解决办法：一是增加所构造的Costas序列的阶数，增加族内跳频图的数目，二是将其它族的跳频图分配给剩下的“用户”，由于上文中已利用最大频率偏移等分若干个小区，所以其它族内的跳频图之间的最小多普勒距离也大于第一个“小区”的最大频偏，因此这些跳频图之间是相互正交的，因而可以利用其它族的跳频图进行分配，但需要保证最佳跳频图族数大于小区数目，才能进行分配。
设有一个基于最大用户数p建立的p阶(p是素数)的Welch Costas序列，当在水平方向上以每w列循环移位时，会发现有一个w的正整数取值使下面方程成立：
ws≤p-1 (3)
在(3)式中w为任意两个族之间的最小时延距离，s是“小区”的个数，p是“小区”中的最大用户数，假设α是GF(p)的本原元，存在序列C1:y1(k)＝αk，C2:y2(k)＝αw·αk，…和Cs:ys(k)＝α(s-1)w·αk，序列C2、C3，…,和Cs是Costas序列C1在水平方向上循环左移w列、2w列，…，(s-1)w列之后得到的序列。由结论3可知，当系统中最大多径时延τ满足|τ|≤w-1时，任意两个最佳跳频图族的互相关函数值不大于1。
在OFDM电力线系统中，最大多径时延是可知的，可以确定Welch Costas序列在水平方向上循环移位的时隙数，让跳频图族间的最小时延距离w大于OFDM电力线通信系统中最大多径时延，保证所构造的跳频图族之间不受多径时延的干扰。
同一个族内的最佳跳频图可以由最佳跳频图族首在垂直方向作含有一间隙行的循环移位，移位行数由“小区”的最大频偏确定。当各族族首Ci(i＝1,2,...,s)在垂直方向上作含有一间隙行的循环移位时，其放置函数为：
式(4)中，j＝1,2,…,s；mj＝0,1,…,s1-1。
w为任意两个族之间的最小时延距离，s是“小区”的个数，w1称为每个族中的各跳频图之间的最小多普勒距离，每个族中跳频图的数量为s1。
w1和s1满足下式
w1·s1≤p (5)
式(5)中，p为素数，p与Welch Costas序列的阶数n的关系为：n＝p-1。
基于Welch Costas序列的OFDM电力线通信系统的最佳跳频图设计步骤如下：
(1)根据划分的小区数s以及系统中的最大多径时延τ，|τ|≤w-1使得满足:
ws≤p-1
其中w是最佳跳频图族间的最小时延距离，p是每个小区内所能容纳的最大用户数。
(2)构造Welch Costas序列c1，在水平方向上做w列、2w列……(s-1)w列的水平循环位的到c2……cs的最佳跳频图的族首。
(3)将小区Ci(i＝1、2、…、s)的最佳跳频图族首在垂直方向上做含有一间隙行的循环移位，循环移位的行数为最小的多普勒距离，得到小区Ci(i＝1、2、…、s)内每个用户的跳频图样，下面举例说明：
设p＝11，α＝2是有限域GF(11)的本原元，取s＝3，w＝3，满足(6)，s表示有3个“小区”，w表示最小时延距离。
三个小区的跳频图样分别由y1(k)≡2k(mod11)，y2(k)≡23·2k(mod11)和y3(k)≡26·2k(mod11)得到对应的是三个小区的跳频图的族首图，对应的数组[11]为:
y1＝[2,4,8,5,10,9,7,3,6,1]
y2＝[5,10,9,7,3,6,1，2,4,8]
y3＝[7,3,6,1，2,4,8,5,10,9]
得到最佳跳频图族首后，设计小区内每个用户的跳频图样，使族内的跳频图间的最小多普勒距离大于小区的最大频偏，即|d|＜w1-1，已知当|d|＜w1-1时，由结论3可知，将最佳跳频图首在垂直方向上进行含有一间隙行的循环移位，所得的跳频图之间具有理想的互相关特性，那么同一个小区内的用户不会产生干扰。
由上文给出的示例，根据频偏数值大小排列截取频偏，分为3个“小区”，设电力线通信系统中的最大多径时延为2，每个小区内的最大频率偏移为2，确定最佳跳频图族的最小时延距离为3，每个族中跳频图的最小多普勒距离为3。可以确定“小区”A、B、C的最佳跳频图首，如图1-3所示。
仿真时延结果如图4-6所示。
通过观察A、B、C小区的最佳跳频图，可知，其自相关函数副旁瓣最大值为1，再次验证Costas序列具有理想的自相关特性。
下面对A、B、C小区最佳跳频图首的互相关函数进行计算，如图7-9所示。
观察如图10的族首的互相关函数，可知最大时延距离2以内的互相关最大值为1，说明A、B、C的跳频图样具有理想的互相关性能。说明在不同“小区”中的用户之间的跳频图相互正交，解决了电力线通信系统中因为多径传播造成的多径时延对系统正交性的破坏。
在频率偏移为2以内的用户最佳跳频图的互相关函数最大值为1。验证了设计出的在同一“小区”中的最佳跳频图，当最小多普勒距离大于用户之间最大频偏时，同一“小区”内的不同用户所使用的跳频图也是相互正交的。
在OFDM电力线通信系统中，存在多径时延和频率偏移破坏了OFDM系统的子载波的正交性，产生干扰。对于多径时延和频率偏移引起的子载波之间的干扰，均可以采用跳频的方法来解决。虽然电力线信道噪声种类繁多，但是由于跳频通信的载波频率是不断跳变的，这就使得OFDM电力线通信系统的抗干扰能力大大增强，这样跳频通信利用不同跳频图样，从而提高了频谱利用率。系统中的用户按预先设计的互相正交的跳频图进行跳频通信，就能克服多径传播和多普勒频移产生的干扰。基于最佳跳频图的跳频通信发射和接收系统框图如图3所示。其中，发射系统中，输入基带信号以及副载波输入到数字调制器中，再通过混频器、滤波器和功率放大器传输到天线，此外最佳跳频图发生器(即实现本发明实施例上述方法流程的硬件设备)通过频率合成器与混频器连接。接收系统中，天线连接输入网络，接着依次连接混频器、滤波器和数字解调器以输出基带信号，此外副载波输入至数字解调器中，最佳跳频图发生器(即实现本发明实施例上述方法流程的硬件设备)通过频率合成器与混频器连接。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。
Claims (4)
1.基于最佳跳频图的OFDM电力线通信方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
步骤1，根据Welch Costas序列二维循环移位构造的二维序列，获得相关特性的跳频图样，并得到最佳跳频图；
步骤2，将同一个族的跳频图分配给同一个小区中的用户，小区按照频率偏移的大小进行划分得到，在某个频率偏移值内的用户分为一个小区；
步骤3，基于步骤2划分的小区，则一个小区内的最大频率偏移是已知的，确定族内跳频图间的最小多普勒距离，令其大于小区内的最大频率偏移，则族内跳频图之间具有理想的互相关特性，即消除由于频偏带来的干扰。
2.根据权利要求1所述的基于最佳跳频图的OFDM电力线通信方法，其特征在于：步骤1中，根据电力线通信系统的最大多径时延来设计最佳跳频图族，同一个族里的各跳频图间的时延距离为零，同时使各族间的最小时延距离大于系统的最大时延，则最佳跳频图族具有理想的互相关特性。
3.根据权利要求2所述的基于最佳跳频图的OFDM电力线通信方法，其特征在于：步骤1中，最佳跳频图样的计算步骤如下：
(1)根据划分的小区数s以及系统中的最大多径时延τ，|τ|≤w-1使得满足:
ws≤p-1
其中w是最佳跳频图族间的最小时延距离，p是每个小区内所能容纳的最大用户数；
(2)构造Welch Costas序列c1，在水平方向上做w列、2w列……(s-1)w列的水平循环位的到c2……cs的最佳跳频图的族首；
(3)将小区Ci(i＝1、2、…、s)的最佳跳频图族首在垂直方向上做含有一间隙行的循环移位，循环移位的行数为最小的多普勒距离，得到小区Ci(i＝1、2、…、s)内每个用户的最佳跳频图样。
4.根据权利要求1所述的基于最佳跳频图的OFDM电力线通信方法，其特征在于：步骤2中，在分配跳频图时，若小区的用户数大于族内跳频图数，则进行如下操作：增加所构造的Costas序列的阶数，增加族内跳频图的数目；将其它族的跳频图分配给小区内剩下的用户，由于利用最大频率偏移等分若干个小区，所以其它族内的跳频图之间的最小多普勒距离也大于第一个小区的最大频偏，因此这些跳频图之间是相互正交的，因而利用其它族的跳频图进行分配，但需保证最佳跳频图族数大于小区数目，才能进行分配。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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