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1、(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201410816083.1(22)申请日 2014.12.23H04L 25/02(2006.01)H04L 27/26(2006.01)H04B 3/54(2006.01)(71)申请人 大连理工大学地址 116024 辽宁省大连市高新园区凌工路2号(72)发明人 陈喆 殷福亮 代益群 赵亮(74)专利代理机构 大连东方专利代理有限责任公司 21212代理人 李洪福(54) 发明名称一种电力线通信信道估计方法(57) 摘要本发明公开了一种电力线通信信道估计方法，包括以下步骤 ：接收信号变换 ；导频选择 ；利用压缩感知信号恢复算法估计。。
2、本发明针对传统的基于最小二乘法和最小均方误差估计算法信道估计性能随导频数减少，估计准确度降低，以及计算复杂度大等缺点，利用电力线信道具有稀疏性的特点，采用压缩感知方法进行电力线信道估计，通过已知的导频信息，利用匹配跟踪算法得到信道的单位冲激响应，减少导频数量，降低计算复杂度，提高传输效率和通信质量。本发明采用非规则的导频分布，根据信道和噪声条件来设计导频分布，典型的策略是在信道衰落小或者信噪比较大的频点处插入导频参考信息，以此提高信道估计的准确性。(51)Int.Cl.(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书2页 说明书7页 附图6页(10)申请公布号 CN 1045。
3、06465 A(43)申请公布日 2015.04.08CN 104506465 A1/2 页21.一种电力线通信信道估计方法，其特征在于 ：包括以下步骤 ：A、接收信号变换 ；接收端接收信号 y(n) 写成如下形式 ：其中， 表示卷积运算，h(n) 表示电力线信道单位冲激响应，w(n) b(n)+i(n) 表示有色背景噪声和突发脉冲噪声的叠加，b(n) 表示有色背景噪声，i(n) 表示突发脉冲噪声 ；设去除突发脉冲噪声后的接收信号 y (n) 表示为 ：已知在正交频分复用OFDM系统传输过程中，接收端是以OFDM符号为单位进行处理，因此，这里也针对一个 OFDM 符号来进行分析 ；假设，一个 。
4、OFDM 符号为 N 点长，信道长为 L 点，则式 (2) 写成如下矩阵形式 ：分别令 ：则式 (2) 表示为 ：然后将式 (4) 两边进行快速傅立叶变换，得 ：其中， diag() 为对角矩阵 ；B、导频选择 ；假设导频参考信息为 S sf1,sf2,sf3,sfq，其中 S 为 1q 向量，sfi表示插入导频的频率点，i 1、2、3、q ；权 利 要 求 书CN 104506465 A2/2 页3B1、构造导频选择矩阵首先构造一个NN维的单位阵E，然后根据导频参考信息中的导频序号，选择单位阵E中的 q 行组成导频选择矩阵B2、选择导频插入点处信息 ；在式 (4) 两边分别乘导频选择矩阵 得。
5、：定义测量向量 感知矩阵 感知噪声 则有 ：C、利用压缩感知信号恢复算法估计 ；根据式 (6) 采用匹配追踪算法对信号 进行估计 ；C1、输入感知矩阵 测量向量 以及稀疏度 K ；C2、初始化 ：令余量 重建信号 索引集 0，迭代次数n0；C3、进行以下迭代操作 ：C31、计算余量和感知矩阵 中的每一列的内积C32、找出 gn中最大的元素，C33、更新索引集 nn-1 k 及原子集合C34、利用最小二乘法求得近似解，C35、更新余量，C36、当|rn|时，停止迭代，此时的 即为估计的信道时域单位冲激响应，的取值为 10-1210-10；否则，跳转到步骤 C31 继续迭代。权 利 要 求 书CN。
6、 104506465 A1/7 页4一种电力线通信信道估计方法技术领域0001 本发明涉及一种电力线通信技术，特别是一种电力线通信信道估计方法。背景技术0002 低压电力线通信 (Power Line Communication,PLC) 是指以低压电力配电线为介质，利用电力网络进行通信。基于 OFDM 调制技术的电力线通信系统的框图如图 1 所示。低压配电网主要用于工频交流电传输，网络设计时没考虑用它传输数据，因此低压电力线信道特性对电力线通信的可靠传输影响很大。0003 实际上，低压电力线信道特性十分复杂，主要包括 ：0004 1、每个室内用户的配电网络拓扑分布不同 ；0005 2、从变压。
7、器到用户的传输环境不同，会造成信号衰减不断变化，使得通信终端需要对信号提供不同的放大倍数 ；0006 3、在每个时间段，接入到环路中的电气设备不同，每个网络节点的电气特性随着时间变化 ；0007 4、在低压电力线信道中，衰减系数、信道噪声、信道阻抗都随频率而变化 ；0008 5、低压配电网络负载的随机启动或停止，会产生脉冲干扰，这对低压电力线上的载波信号会产生严重影响。因此，为了进行低压电力线通信，必须应用信道估计技术，估计出通信信道特性，并用适当的均衡技术来抑制信道对通信性能的影响。0009 低压电力线信道估计技术主要分为两类，即盲 / 半盲信道估计方法和基于导频参考信息的信道估计方法 ( 。
8、详见 Yeo E,et al.High throughput low density parity check decoder architectures.IEEE Global Telecommunications Conference.San Antonio,USA,2001:3019-3024.)。盲 / 半盲信道估计是指在接收端不使用任何参考信息，或仅使用较少的参考信息，就进行信道估计的方法。由于无参考信息或仅使用较少参考信息，这类方法具有较高的传输效率，但信道估计的准确度低，且计算复杂度也较高。0010 基于导频参考信息的信道估计是在发送端，在时域或频域插入某些特定的本地前导信息来进。
9、行信道估计的方法。该类方法在接收端先估计出特定频点处的信道信息，然后用某种插值算法将其余频点的信道信息计算出来。这类方法计算量小，信道估计准确，适用范围广，但引入导频时会降低传输效率。0011 为了保证低压电力线通信的可靠性，现有的低压电力线信道估计通常采用基于导频参考信息的信道估计方法，该类方法主要包括基于最小二乘的信道估计方法和最小均方误差的信道估计方法。参考信息的分布常用导频图来表示，通常导频分布有三种方式，分别为块状导频、梳状导频和离散导频，如图 2、3、4 所示。0012 尽管基于参考信息的信道估计方法具有估计性能较好的优点，但是该方法具有信道利用率不高等问题。0013 徐以涛，王金。
10、龙等.在2010年公开号为201010548305.8的中国专利“基于最大时延实时估计的MMSE信道估计方法”中提出了一种基于最小均方误差(Minimum Mean Square 说 明 书CN 104506465 A2/7 页5Error，MMSE)的电力线信道估计方法。该方法采用梳状导频，针对最小二乘LS信道估计值，首先通过 IDFT 变换进入时域，然后对时域估计值进行能量平均，得到近似的信道功率延迟分布，再利用该分布估计信道的最大多径时延，随后将信道最大多径时延的估计值代入公式，得到与实际信道最大多径时延相匹配的相关函数，以此进行 MMSE 信道估计。0014 步骤 1 ：基于最小二乘 。
11、LS 的信道估计 ；0015 设 x(n) 为发送信号，h(n) 为信道时域单位冲激响应，w(n) 为信道噪声，则接收信号 y(n) 表示为0016 0017 其中 表示卷积运算。0018 对上式进行傅立叶变换，则有0019 0020 其中，X(k)、H(k) 和 W(k) 分别为输入信号、信道时域单位冲激响应和信道噪声的傅立叶变换，F 为傅立叶变换阵，其表达式如下 ：0021 0022 0023 构造代价函数 JLS为0024 0025 根据最小二乘准则，令代价函数 JLS最小，求出信道频率响应 为0026 0027 其中，()H表示共轭转置，p 表示插入导频的间隔。此时的 为所估计出的导频。
12、点处的信道信息。0028 步骤 2 ：基于最小均方误差 MMSE 的信道估计0029 构造代价函数 JMMSR为0030 0031 令其代价函数最小，得到 MMSE 信道估计为0032 说 明 书CN 104506465 A3/7 页60033 其中，RHH为 的自相关阵， I 为单位阵。0034 该方法的主要缺点是 ：0035 1、需要计算自相关阵 RHH和求逆运算，因此计算复杂度较大 ；0036 2、信道估计性能与导频数有关，导频数越少，导频间隔越大，准确度越低。0037 本发明用到的主要简称含义如下 ：0038 PLC ：Power Line Communication，电力线通信 ；0。
13、039 LS ：Least Square，最小二乘 ；0040 MSE ：Mean Squared Error，均方误差 ；0041 MMSE ：Minimum Mean Square Error，最小均方误差 ；0042 CS ：Compressed sensing，压缩感知 ；0043 MP:Matching Pursuit，匹配追踪 ；0044 ZFE ：Zero Forcing Equalization，迫零均衡。发明内容0045 为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种估计误差小、计算复杂度小、估计准确度高的电力线通信信道估计方法。0046 为了实现上述目的，本发明的技术方案如。
14、下 ：一种电力线通信信道估计方法，包括以下步骤 ：0047 A、接收信号变换 ；0048 接收端接收信号 y(n) 写成如下形式 ：0049 0050 其中， 表示卷积运算，h(n)表示电力线信道单位冲激响应，w(n)b(n)+i(n) 表示有色背景噪声和突发脉冲噪声的叠加，b(n) 表示有色背景噪声，i(n) 表示突发脉冲噪声。0051 设去除突发脉冲噪声后的接收信号 y (n) 表示为 ：0052 0053 已知在正交频分复用 OFDM 系统传输过程中，接收端是以 OFDM 符号为单位进行处理，因此，这里也针对一个 OFDM 符号来进行分析。假设，一个 OFDM 符号为 N 点长，信道长为。
15、L 点，则式 (2) 写成如下矩阵形式 ：0054 0055 分别令 ：说 明 书CN 104506465 A4/7 页70056 0057 0058 0059 0060 则式 (2) 表示为 ：0061 0062 然后将式 (4) 两边进行快速傅立叶变换，得 ：0063 0064 其中， diag() 为对角矩阵。0065 B、导频选择 ；0066 假设导频参考信息为 S sf1,sf2,sf3,sfq，其中 S 为 1q 向量，sfi表示插入导频的频率点，i 1、2、3、q。0067 B1、构造导频选择矩阵0068 首先构造一个 NN 维的单位阵 E，然后根据导频参考信息中的导频序号，选择。
16、单位阵 E 中的 q 行组成导频选择矩阵0069 B2、选择导频插入点处信息0070 在式 (4) 两边分别乘导频选择矩阵 得：0071 0072 定义测量向量 感知矩阵 感知噪声 则有 ：0073 0074 C、利用压缩感知信号恢复算法估计 ；0075 根据式 (6) 采用匹配追踪算法对信号 进行估计 ；0076 C1、输入感知矩阵 测量向量 以及稀疏度 K。0077 C2、初始化 ：令余量 重建信号 索引集 0 ，迭代次数 n 0。0078 C3、进行以下迭代操作 ：0079 C31、计算余量和感知矩阵 中的每一列的内积说 明 书CN 104506465 A5/7 页80080 C32、找。
17、出 gn中最大的元素，0081 C33、更新索引集 nn-1 k 及原子集合0082 C34、利用最小二乘法求得近似解，0083 C35、更新余量，0084 C36、当 |rn| 时，停止迭代，此时的 即为估计的信道时域单位冲激响应， 的取值为 10-1210-10；否则，跳转到步骤 C31 继续迭代。0085 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果 ：0086 1、本发明针对传统的基于最小二乘法和最小均方误差估计算法信道估计性能随导频数减少，估计准确度降低，以及计算复杂度大等缺点，利用电力线信道具有稀疏性的特点，采用压缩感知方法进行电力线信道估计，通过已知的导频信息，利用匹配跟踪算法得到信道。
18、的单位冲激响应，减少导频数量，降低计算复杂度，提高传输效率和通信质量。0087 2、本发明采用非规则的导频分布，根据信道和噪声条件来设计导频分布，典型的策略是在信道衰落小或者信噪比较大的频点处插入导频参考信息，以此提高信道估计的准确性。附图说明0088 本发明共有附图 13 张，其中 ：0089 图 1 是基于 OFDM 调制技术的电力线通信系统框图。0090 图 2 是块状导频示意图。0091 图 3 是梳状导频示意图。0092 图 4 是离散导频示意图。0093 图 5 是基于压缩感知信道估计的电力线通信框图。0094 图 6 是基于压缩感知信道估计流程图。0095 图 7 是基于 LS、。
19、MMSE 和 CS 信道估计算法性能对比图。0096 图 8 是非规则导频示意图。0097 图 9 是导频间隔为 8 与非等间隔导频性能对比示意图。0098 图 10 是导频间隔为 16 与非等间隔导频性能对比示意图。0099 图 11 是导频间隔为 32 与非等间隔导频性能对比示意图。0100 图 12 是导频间隔为 64 与非等间隔导频性能对比示意图。0101 图 13 是不同导频间隔信道估计性能对比示意图。具体实施方式0102 下面结合附图对本发明进行进一步地描述。0103 基于OFDM调制技术的电力线通信系统如图1所示，通过电力线信道传输经过OFDM调制的数据，但低压配电网主要用于工频。
20、交流电传输，网络设计时没考虑用它传输数据，因此低压电力线信道特性对电力线通信的可靠传输影响很大，为保证传输质量，必须应用信道估计技术，估计出通信信道特性，并用适当的均衡技术来抑制信道对通信性能的影响。说 明 书CN 104506465 A6/7 页90104 现有的低压电力线信道估计通常采用基于导频参考信息的信道估计技术，该类方法主要由基于最小二乘的信道估计方法和最小均方误差的信道估计方法。参考信息的分布常用导频图来表示，通常导频分布有三种方式，分别为块状导频、梳状导频和离散导频，如图 2、34 所示。本发明利用电力线信道的稀疏特性，使用基于压缩感知的电力线信道估计方法，以减小导频数量，提高传。
21、输效率和通信质量。0105 发送信号 x(n) 经过电力线信道并在接收端去掉循环前缀后得到信号 y(n)。如图5 所示，首先对接收信号 y(n) 进行抑制突发脉冲噪声操作得到消噪信号 y (n)，然后将y(n)进行快速傅立叶变换操作从而得到y(n)的频域信号Y(n)。之后利用压缩感知技术对受信道影响的接收信号Y(n)进行信道估计，预测出信道时域单位冲激响应最后将 进行Fourier变换得到 并利用 和Y(n)进行频域均衡进而得到信号X(n) 的估计值0106 去噪后的接收信号为 ：0107 0108 其中， 为接收信号矢量， 为发送信号矩阵， 为信道矢量， 为背景噪声矢量。0109 对去噪后的。
22、接收信号进行快速傅立叶变换，得到其频域信号 ：0110 0111 其中， diag() 为对角矩阵。0112 假设导频参考信息为 S sf1,sf2,sf3,sfq，其中 S 为 1q 向量，sfi表示插入导频的频率点，i 1、2、3、q。0113 首先构造一个 NN 维的单位阵 E，然后根据导频参考信息中的导频序号，选择单位阵 E 中的 q 行组成导频选择矩阵0114 在接收的频域信号表达式两边分别乘导频选择矩阵 得：0115 0116 定义测量向量 感知矩阵 感知噪声 则有 ：0117 0118 然后利用压缩感知中信号恢复算法，估计出电力线信道时域单位冲激响应具体流程如图 6 所示。011。
23、9 再将估计值 进行快速傅立叶变换得到频域信号 最后，对接收信号进行均衡，从而估计出原发送信号0120 说 明 书CN 104506465 A7/7 页100121 为了验证本发明技术方案的有效性，进行了若干仿真实验。0122 (1)图7所示为基于LS、MMSE和CS信道估计算法性能比较，仿真信噪比范围是220dB，采用相同的导频分布和信噪比。由图 7 可见，当采用相同的导频分布和信噪比时，采用本发明的压缩感知估计信道比传统的方法具有更低的误码率。0123 (2) 传统的基于导频信息的信道估计法所需要的导频分布不论是块状、梳状还是离散状都是等间隔分布的，而压缩感知进行信道估计是利用了信道稀疏的。
24、特点，通过已知的导频信息，采用最优化求解法得到信道的单位冲激响应。所以即使在发送端非等间隔地插入导频信息，如图 8 所示的一个例子，也能较好的估计出信道信息。这样就能利用对信道和噪声特点的估计实时地改变导频分布，典型策略是在信道衰落小的频点处，或者在信噪比较大的频点处插入导频参考信息，以此提高信道估计的准确性。0124 图 9-12 是等间隔与非规则导频性能对比。其中，图 9 为导频等间隔为 8 时与非规则导频的性能比较，从图 9 可以看出，特别是在信噪比较小的时候，非规则导频的误码率性能优于等间隔导频。图 10 为导频等间隔为 16 时与非规则导频的性能比较，从图 10 可以看出非规则导频的。
25、误码率性能依然优于等间隔导频。图 11 为导频等间隔为 32 时与非规则导频的性能比较，从图 11 可以看出，相较于图 9 和图 10，非规则导频的误码率性能更加优越，这是因为随着等间隔导频间隔的增大，误码率性能下降，图 12 也表现出相同的结论。图 12为导频等间隔为 64 时与非规则导频的性能比较，从图 12 可以看出，在信噪比较大的情况下，非规则导频的误码率性能优于等间隔导频。由此可见，本发明采用的非规则导频具有很大的优越性。0125 (3)不同导频间隔的信道估计性能与基于MMSE信道估计性能的对比如图13所示。由图 13 可见，当导频间隔同为 8 时，基于 CS 信道估计的性能优于基于 LS 和 MMSE 的信道估计算法 ；当基于 CS 信道估计算法导频间隔大于基于 LS 和 MMSE 信道估计算法时，采用压缩感知依然表现出更好的估计性能。由此可见，本发明所提基于CS信道估计算法能比基于LS和 MMSE 算法用更少的导频来准确的恢复出信道的单位冲激响应，提高了 PLC 的传输效率。说 明 书CN 104506465 A。