宽带电力线通信信道非线性动力学行为及其应用研究

宽带电力线通信信道是遭受严重噪声干扰的多径衰落信道。本项目以探讨多径衰落信道的非线性动力学性质为锲入点和支撑点，研究信道特性和信道建模方法，并籍此非线性动力学特性为理论基础研究相关的物理层技术：基于混沌和分形理论分析多径衰落信道的非线性动力学行为，并以此构建信道的多重分形模型，以描述信道的时变特性；基于多导体传输线理论分析高频信号强度的分布规律，并以此构建信道的信号传输模型，以刻画信号的平均功率；基于马尔可夫理论分析噪声特性，并以此构建信道的噪声模型。此信道非线性动力学行为基础上，研究基于分形的信道估计算法和分形调制算法，并分析相关算法在上述三个模型下的性能。项目涉及非线性动力学系统、随机过程理论以及信息论等多个学科，项目的开展一方面会加深对电力线通信系统的认识，同时也将在电力线通信系统的研究方面开拓新的方向、思路和空间，为构建崭新的通信系统构架及其相关物理层技术的研究奠定坚实的基础。

宽带电力线通信系统是一个非常复杂的非线性时变系统，信号在传输过程中受到来自信道内部和电网外部的诸多因素影响，呈现出明显的非平稳、非线性特性，项目分析了宽带电力线通信信号的非线性特性和分布特征，在此基础上利用分形理论对其时间序列进行研究，以取代传统的线性模型和统计学参数研究方法。在BB-PLC信号非线性特性研究中，着重分析了造成BB-PLC信号非线性特性的原因，并对实测信号时间序列进行传统统计学参数和正态分布性检验来证实它们都不能很好地描述信号的非线性特性；在BB-PLC信号单分形分析研究中，对实测BB-PLC信号进行分地点、分频率、分时段的单分形分析，验证了该时间序列属于分形，利用求得的自相似Hurst参数和分形维数对BB-PLC信号的非线性动力学特性进行描述；在BB-PLC信号多重分形分析中，引入多重分形消除趋势波动分析法(MFDFA)对BB-PLC信号进行多重分形特性检验，并针对传统MF-DFA法的不足，结合非线性信号处理小波理论，提出一种改进的算法对BB-PLC多重分形特性进行判定，在验证其具有明显多重分形特性的基础上，对其进行多重分形谱分析和相关函数检验，利用多重分形理论的描述方法对BB-PLC信号的非线性动力学特征进行更深入的研究。所得结果对宽带电力线信道建模、信号预测、中继选择等技术都有积极地指导意义。.低压电力线通信信道具有异常丰富的噪声，尤其是脉冲噪声，对电力线通信系统性能影响很大。项目实际测试了各类电器的开关动作所产生的脉冲噪声以及电力线通信信道中存在的脉冲噪声，详细研究了脉冲噪声的时域特性，并利用Middleton模型对电力线通信系统中的脉冲噪声建模，同时利用EM算法估计了有关参数。电力线通信系统中脉冲噪声的存在，会使电力线通信信道呈现出有限记忆性，即马尔可夫性。根据电力线通信信道的特点，提出了利用马尔可夫模型对低压电力线通信信道建模。并进行了参数估计和计算机仿真，结果表明所提出的算法是合适和有效的。为验证所提出的马尔可夫模型对实际通信信道的建模能力，还对电力线通信系统的两种典型应用环境实测了四种典型调制方式下信道的无误串分布，分析了4种典型调制方式下低压电力线通信信道的特性，所得到的结论与其他研究者的结论相一致，佐证了本文所提出的观点以及方法理论是切实可行并且是符合实际低压电力线通信信道情况的。