低压电力线通信技术

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1、CLUSTER－OFDM结构及算法的建立

由于煤矿井下存在物理环境恶劣、通信设施布设空间有限、工作生产面需不断向前推进等问题，使得OFDM技术不能直接应用在煤矿井下通信信道中，故提出并建立了基于CLUSTER－OFDM技术的煤矿井下低压电力线通信技术(UndergroundCoalMine(UCM)PowerLineCommunications(PLCs))，示意图如图3。由图3可知，信号输出为:yl(n)=∑Lk－1k=0Hl(k)xl(n－k)+ηl(n)(1)式(1)中:所有参数都表示在离散时间情况下的，其中xl(n)=［x1(n)，x2(n)，…，xM］T，表示大小为M×1的传输信号向量;ηl(n)表示大小为Nl×1的附加噪声向量，该噪声是用户接收端接收到的第l个信道群的噪声;yl(n)大小为Nl×1的接收到的信号向量，其中l=1，2，…，M;Lk表示第k次采样点数;Hl(k)是信道脉冲响应函数的第k列数据［5］。对于CLUSTER－OFDM系统，第l个群的信道脉冲。

2、CLUSTER－OFDM的高速数据访问

CLUSTER－OFDM技术现已广泛应用于无线通信领域，具体实现步骤为:输入的数据流，首先处理成可以在接收端识别和实现自校正的代码;然后构造CLUSTER多载波信号，即把传输频带分成许多窄的子信道，各个子信道上的信号传输是并行的，每一个子信道以较低的频率调制，采用OFDM技术对编码信号进行调制;最后通过各个群路通过彼此分离的天线把调制信号发射出去。接收端通过天线接收信号，且每一个接收天线都可以解调接收到调制的基于宽带信道的CLUSTER－OFDM技术，图4为无线CLUSTER－OFDM频带分配机制［6］。一个宽带OFDM信号被分为多个彼此分离的频带群，各个用户使用不同的群。图4中，用户1使用第1、5、9、13个群，其它用户使用其他群。CLUSTER－OFDM除了具有传统OFDM的许多良好的共同属性外，还有一些优势，例如，抗多径衰落。煤矿井下通信环境与地面通信环境迥异，巷道走向错综复杂，分支较少，低压电力线的布置需按照巷道的结构随之变化。根据低压电力线的传输特性可知，信号在传输过程中会产生严重的多径反射，引起信号的频率性衰减和码间干扰，所以图4的频带分配机制不能直接应用在煤矿井下通信信道中，且该子群分配机制较为复杂，增加了系统的复杂度。为简化子群建立机制，建立如图5的基于低压电力线的煤矿井下CLUSTER－OFDM频带分配机制。

3、试验分析

对OFDM系统和CLUSTER－OFDM系统的信号传输参数分别进行了比较，具体传输参数见表1。对于CLUSTER－OFDM系统，用户所使用的各个频段见表2。针对OFDM系统和CLUSTER－OFDM系统，仿真测试了误码率与PSD之间的关系，仿真结果如图6，具体数据见表3和表4［7］。表3和表4的仿真结果标明在不同的功率密度下信号传送的误码率是不同的，信号的发送功率与接收端收到信号的误码率成反比，因此，在通信领域中经常为了降低误码率而加大信号的发送功率。但采用加大信号发送功率的方式必然会带来严重的PAPR问题。因此，一般希望在满足误码率要求的情况下，尽量的降低发送功率。从测试结果上可以看出OFDM性能远远低于CLUSTER－OFDM，这对于离发送基站远的用户表现更为明显。用户4距离发送基站最远，若采用OFDM技术，即使功率谱密度等于－50，误码率仍高达，随着功率谱密度的降低，误码率升高，满足不了通信的需要。而采用所提出的CLUSTER－OFDM技术，当功率谱密度不低于－75时，其误码率不高于，完全满足通信需要。

4、结语

由于煤矿井下低压电力线信道具有多径效应和强噪声干扰，提出将CLUSTER－OFDM技术应用在此信道上，它可以有效地改善系统的PAPR，降低系统的复杂度，提高系统的性能。仿真结果表明，CLUSTER－OFDM技术能够有效地克服标准OFDM技术在煤矿井下低压电力线通信上的缺点。与OFDM系统相比，CLUSTER－OFDM系统可以更好地减少电力线上的信号衰减，改善了峰均功率比，对提高用户接收信号的可靠性有一定的意义。

作者：魏绍亮 常颖 刘大海 单位：山东科技大学 机械电子工程学院