低压电力线通信系统中的脉冲噪声抑制及资源分配问题研究

Power line communications has become one of the hottest research fields due to its wide application prospect, but various impulse noise interference and electromagnetic compatibility are the main factors affecting the transmission rate and quality of the power line communication system. This project will focus on the detection and mitigation of impulse noise using statistical signal processing, time-frequency analysis and compressed sensing theory. Considering residual errors from the impulse noise suppression, we will propose effective spectrum resource optimization method based on probability statistical distribution of residual error analysis. The main contents include: Investigate the statistical characteristics of transmission signal and impulse noise; Design effective impulse noise detection and suppression methods, and derive the theoretical analysis results by using the signal statistical and modulation prior information in low signal to noise ratio; Study the statistical distribution of the residual errors after impulse noise suppression, establish resource allocation mathematical models for OFDM based low-voltage power-line communication networks under incomplete state information, develop their communication theory and capacity; Design frequency resource allocation algorithm and implementation method with low complexity and stable performance using convex optimization and variable relaxation theories. This research work has important significance for improving the transmission rate and performance of power line communication system and accelerating its applications.

电力线通信由于具有广泛的应用前景而成为研究热点，然而各种脉冲噪声的干扰和电磁兼容性是影响电力线通信系统传输速率和质量的主要因素。本课题拟采用统计信号处理、时频分析和压缩感知理论设计脉冲噪声的检测和抑制方法。考虑到抑制脉冲噪声存在残余误差，拟从分析残余误差的概率统计分布规律出发，提出有效利用频谱资源的优化方法。具体内容包括：研究电力线通信系统中有用信号和脉冲噪声的统计数字特征和统计分布差异，依据统计信号和信号调制先验信息，设计低信噪比下有效的脉冲噪声检测和抑制方法，从理论上分析检测和抑制方法的统计性能；研究脉冲噪声抑制后残余误差的统计分布规律，建立不完备状态信息下OFDM 低压电力线通信系统资源分配优化模型，研究相应的通信理论并进行容量分析；采用凸优化及变量松弛方法，设计复杂度低、性能稳健的资源分配算法和实现方法。开展此项研究对提高电力线通信系统的传输速率和性能，加快应用有重要意义。

随着智能电网的发展和通信技术的进步，电力线通信开始向高速化、双向化和网络化发展。但由于电力线最初并不是专为通信而设计的，来源众多不可预知的脉冲噪声干扰、多路径时延传播问题，极大地限制了它的发展和广泛应用。因此开展电力线通信系统中的脉冲噪声检测与抑制算法及相关问题的研究，既是该领域目前研究的热点方向，也是本课题研究重点。.主要研究内容和结果如下三个方面： .（1）基于稀疏理论的脉冲干扰抑制及相关问题研究：针对现有脉冲噪声抑制方法没有考虑脉冲噪声估计与信道估计之间的联系这个不足，基于信道脉冲响应和时域脉冲噪声的稀疏性特征，提出了一类信道与脉冲噪声联合估计方法；采用动态压缩感知理论和稀疏贝叶斯学习框架，基于卡尔曼滤波及平滑设计了基于多个OFDM符号的信道与脉冲噪声估计算法；为了评价所提算法的性能，推导了所提方法的克拉美-罗界和系统容量的闭式表达式。仿真结果表明，新算法能有效提升信道估计性能和误比特率性能。.（2）电力线通信中信道编码技术研究：针对电力线通信系统的脉冲干扰问题，提出将极化码用于电力线通信系统的信道编码以降低系统的误比特率，设计了基于极化码的电力线通信系统的系统框架和编译码算法；提出一种基于喷泉码协作中继协议的电力线通信系统并分 析其系统容量。理论分析该系统的容量上界，得到系统容量的闭式表达式，并通过仿真与其它中继协议系统容量进行对比；讨论在不同的电磁兼容规定下的容量增益情况以及不同的中继位置对基于喷泉码转发协议的电力线协作中继系统容量的影响。.（3）脉冲干扰下的电力线通信系统资源分配研究：利用信息融合估计的思想提出一种信号干扰噪声比（SINR）估计方法，将每次电力线信道估计看作是一个虚拟传感器感应，通过多次信道估计并进行传感器数据融合，以提高信道估计准确率; 在脉冲噪声环境下，提出基于不完备CSI的改进MC-CDMA资源分配方案，并且与OFDMA方案进行了性能对比。. 在本课题资助下，发表期刊论文16篇，IEEE期刊论文12篇，授权发明专利6项，一项专利获成功转让。