基于集群OFDM的低功耗电力线通信收发端设计

There is a debate for the best choice of communication technique for smart grid. One of the promising techniques is power line communications (PLC) technique. However, the environment of the PLC is more complex. Especially, the impulsive noise seriously affects the reliability of data transmission.OFDMA technique can improve the system stability by combating the effect of noise.In a multiuser OFDMA system, one OFDM symbol covers all the bandwidth even though only part of the bandwidth is available to each user. Therefore the cost of the running an OFDMA-based transceiver is high for a subscriber.For this issue, this work proposes the low cost clustered-OFDM based transceivers for multiuser PLC system. Also the reduced-rank algorithm is applied to the receiver part to further reduce the complexity and bit error rate. The floating point and FPGA fixed-point simulations are used for evaluating the complexity and the feasibility of these proposed algorithms.

智能电网中最佳通信方式的选择问题是最近研究的热点。其中一个受广泛关注的通信技术就是电力线通信（Power Line Communications, PLC）技术。然而PLC的通信环境比较复杂，尤其是严重干扰数据传输的高脉冲噪声。正交频分多址（OFMDA）技术的使用被证实可明显提升系统的抗噪声能力，从而增强系统可靠性。但是在多用户OFDMA 系统中，一个OFDM 符号需要占用所有的频带，而每个用户可用的带宽只有其中一部分。这样，对每个用户而言OFDMA的收发器成本太高。针对这一问题，本课题拟将集群正交频分复用（Clustered-OFDM）技术引入到电力线通信的多用户数据传输中，提出基于Clustered-OFDM的低运算复杂性收发端，同时也把降秩算法引入到多用户接收端，进一步降低传输误码率和运算复杂度。并通过浮点运算和FPGA定点仿真共同评估不同算法的运算复杂性和实际可操作性。

智能电网中最佳通信方式的选择问题是最近研究的热点。 其中一个受广泛关注的通信技术就是电力线通信（Power Line Communications, PLC）技术。然而 PLC 的通信环境比较复杂，尤其是严重干扰数据传输的高脉冲噪声。正交频分多址（OFMDA）技术的使用被证实可明显提升系统的抗噪声能力，从而增强系统可靠性。但是在多用户 OFDMA 系统中，一个 OFDM 符号需要占用所有的频带，而每个用户可用的带宽只有其中一部分。这样，对每个用户而言OFDMA 的收发器成本太高。因此，本课题主要研究集群正交频分复 （Clustered-OFDM） 技术的多用户数据传输电力线通信系统的性能以及低复杂度高效算法二分坐标下降(Dichotomous Coordinate Descent，DCD)类算法设计与FPGA实施。研究结果主要集中在以下几个方面：第一，程序仿真了电力线通信环境的模型，并通过提取以郑州市作为测试点的室外电力线噪声进行数据分析，验证模型的有效性；第二，提出了基于 Clustered-OFDM的低运算收发端，并将其与OFDMA收发端进行了理论分析和仿真比较，数据表明在取得相同性能的情况下集群-OFDM收发端比OFDMA收/发端需要更低的运算量；第三，设计并提出了基于DCD约束和Tikhonov迭代的M-PSK 信号检测算法(DCD-BTN-M)，仿真结果表明，DCD-BTN-M算法与MMSE算法相比较可以提供更好的检测性能; 第四， 针对大规模用户传输系统，设计了基于DCD类定点型算法FPGA架构并完成了硬件实施，数据表明该定点型算法设计与其浮点型检测算法得到的结果一致。 以上研究结果为低功耗电力线通信收发端设计提供了更多更高效的应用方式。该项目属于基础研究，成果形式主要是论文发表，我们的主要工作发表在Radio Science和Circuits, Systems, and Signal Processing 等本学科领域国际权威学术刊物上，共发表论文5篇，其中SCI收录论文2篇, EI收录论文3篇。设计的算法获得国家发明专利授权一项。