ＭＩＭＯ技術(shù)在電力通信中的應(yīng)用

王　偉　李　楠　榮　昕

[摘 要]MIMO系統(tǒng)可以大幅度提高無線信道的容量和信道的質(zhì)量，由于電力線信道的特殊性，MIMO中的一些算法以及編碼技術(shù)都可以應(yīng)用到電力線通信中，從而推動(dòng)電力線通信的發(fā)展，提高信道質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞]MIMO 無線信道 電力線通信

一、前言

無線通信技術(shù)在不斷發(fā)展，如何用較少的頻率資源來傳輸更多的信息以及抑制無線電干擾成為無線通信技術(shù)發(fā)展的兩大挑戰(zhàn)。MIMO技術(shù)以及天線選擇算法可以很好的解決無線資源緊張的問題，能夠利用有限的無線空間資源解決更多的通信問題，提高通信質(zhì)量。由于電力線通信的信道特征接近于無線信道衰落特性，這些無線領(lǐng)域的技術(shù)同樣適用于電力線通信。

二、MIMO研究現(xiàn)狀

多入多出(MIMO，Multiple Input Multip le Output)技術(shù)最早由Marconi于1908年提出[1]，它利用多天線抵御信道衰落。MIMO可以簡單定義為：在一個(gè)任意的無線系統(tǒng)中，鏈路的發(fā)端和收端都使用多天線，它也包括單入多出系統(tǒng)和多入單出系統(tǒng)。

（一）BLAST技術(shù)

為了更好的理解MIMO技術(shù)，作為比較，介紹一下BLAST(Bell Labs layered space time)多天線技術(shù)。BLAST是貝爾實(shí)驗(yàn)室提出的一種多天線技術(shù)，是利用復(fù)用實(shí)現(xiàn)并行數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)。它采用多天線系統(tǒng)來利用多徑傳播效應(yīng)以達(dá)到提高頻譜效率的目的，是MIMO系統(tǒng)中應(yīng)用前景廣闊，研究比較熱門的技術(shù)之一。這項(xiàng)技術(shù)能夠提高無線鏈接的容量2O倍到3O倍。其應(yīng)用包括：不必在臺(tái)式計(jì)算機(jī)、筆記本計(jì)算機(jī)和手持設(shè)備之間建立固定網(wǎng)絡(luò)；為遙遠(yuǎn)的農(nóng)村地區(qū)提供電話服務(wù)，通過無線方式把家用、商用電話與固定的有線電話網(wǎng)絡(luò)連接起來。這項(xiàng)技術(shù)使突破無線通信容量成為可能，雖然離應(yīng)用這項(xiàng)發(fā)明還有很多的研究要做，但是人們對(duì)它在將來無線通信方面存在的巨大容量潛力感興趣。

仙農(nóng)的容量公式解決點(diǎn)到點(diǎn)的通信，而BLAST的理論解決組到組的通信，它給仙農(nóng)容量公式增加了一維，即空間。當(dāng)噪聲和干擾比較嚴(yán)重的時(shí)候，可以利用空間來消除這些干擾和噪聲。多徑傳輸是通信的一大嚴(yán)重危害，然而通過利用BLAST技術(shù)我們就有可能利用多徑， 即根據(jù)傳輸環(huán)境的散射性來把這些多徑當(dāng)作分離的并行信道來提高信道的傳輸精度。與傳統(tǒng)思想不同，在接收端使用的BLAST信號(hào)處理函數(shù)是這項(xiàng)技術(shù)的核心。

需要注意的一點(diǎn)是，BLAST和MIMO是相輔相成的兩個(gè)技術(shù)，可以說BLAST的核心也是MIMO技術(shù)，但也有一定的區(qū)別，BLAST主要利用空間復(fù)用來提高系統(tǒng)容量，而MIMO是利用分集增益的提高來提高系統(tǒng)質(zhì)量的。

（二）多天線選擇

如果通信系統(tǒng)采用多輸入多輸出系統(tǒng)，無論信道容量還是信道的可靠性都會(huì)得到大幅度的提高。使用多天線進(jìn)行通信時(shí)，隨著天線數(shù)目越多，信道容量和信道可靠性增長越多，但天線數(shù)目增多必然帶來射頻鏈路數(shù)的增長，而射頻鏈路的成本是很高的，這無疑增加了系統(tǒng)的費(fèi)用和制造的復(fù)雜度。相對(duì)來說，天線陣子的價(jià)格較低，可以通過進(jìn)行天線選擇來降低成本，也就是選擇一定數(shù)目的天線，而不是使用所有的天線。當(dāng)發(fā)送天線數(shù)目小于接受天線數(shù)目的時(shí)候，系統(tǒng)的容量會(huì)隨較小數(shù)目的天線數(shù)成線性增長。若以信噪比（SNR）為衡量系統(tǒng)可靠性的標(biāo)準(zhǔn)，天線數(shù)目越多，SNR越大。理論上天線數(shù)目越多，系統(tǒng)越好，但天線數(shù)目多到一定程度，系統(tǒng)就很難實(shí)現(xiàn)。所以要進(jìn)行天線選擇，僅使用一定數(shù)目的天線來進(jìn)行信號(hào)的傳輸。假設(shè)系統(tǒng)有M個(gè)發(fā)送天線，N個(gè)接受天線，使用其中LM個(gè)發(fā)送天線，RN個(gè)天線進(jìn)行發(fā)送、接受信號(hào)，現(xiàn)在用于仿真實(shí)現(xiàn)的，M、N、L、R都為很小的數(shù)目?？梢灾贿M(jìn)行發(fā)送天線選擇，也可以只進(jìn)行接受天線選擇，也可以同時(shí)進(jìn)行。

三、MIMO技術(shù)在電力線通信中的應(yīng)用

電力線通信(PLC， Power Line Comm unication)是指利用電力線傳輸數(shù)據(jù)和話音信號(hào)的一種通信方式。電力線通信并不是新技術(shù)，已經(jīng)有幾十年的發(fā)展歷史，在中高壓輸電網(wǎng)上通過電力載波機(jī)利用較低的頻率(9490 kHz)以較低速率傳送遠(yuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)或話音，是電力線通信技術(shù)應(yīng)用的主要形式之一。它建立在電力配電網(wǎng)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了電力線通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)之間以及與其他通信網(wǎng)絡(luò)之間的通信。近幾年，隨著數(shù)字通訊技術(shù)的發(fā)展，PLC因其分布廣、低成本、高速率、即插即用、可移動(dòng)等優(yōu)勢(shì)，而成為當(dāng)前通信研究的一個(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)域。

除了因線路衰減和多路傳輸所造成的信號(hào)失真外，噪聲是影響電力線數(shù)據(jù)可靠通信的關(guān)鍵因素。通過大量理論研究和實(shí)際測(cè)試表明，電力線信道中的噪聲分布和其它常見信道有很大的不同，其噪聲并不呈現(xiàn)白高斯噪聲(AWGN)特性，在頻率從幾百kHz到數(shù)十MHz之間，主要為窄帶干擾和脈沖噪聲。為了克服這些影響，必須考慮采用復(fù)雜的信道編碼技術(shù)。高效可靠的調(diào)制編碼技術(shù)是高速PLC的關(guān)鍵之一，在通信系統(tǒng)中所使用的空時(shí)編碼技術(shù)可以應(yīng)用在電力線通信中。

現(xiàn)在用的電力線都是三相的，國外可以做到多相的，但由于三相電力線比較經(jīng)濟(jì)，大部分國家還都在使用三相的電力線。利用三相電力線進(jìn)行通信時(shí)，相當(dāng)于利用三個(gè)天線進(jìn)行通信，電力線信道與實(shí)際的無線信道衰落情形相似，天線選擇的思想也可以應(yīng)用到電力線通信當(dāng)中來。使用低壓電力線進(jìn)行通信相當(dāng)于多徑傳輸，因?yàn)楦哳l信號(hào)在低壓電力線上傳輸會(huì)產(chǎn)生大量的反射，信號(hào)除了直接到達(dá)接收機(jī)外，還會(huì)經(jīng)過多次反射再到達(dá)接收機(jī)，這就形成了信號(hào)的多徑傳輸。在低壓配電線上產(chǎn)生多徑傳輸?shù)闹饕蛴校?1)線路上存在大量的分支而造成信號(hào)反射；(2)與線路阻抗不匹配的負(fù)載造成反射；(3)線路的不連續(xù)性。這種相似的信道使天線選擇算法成為可能，而且在電力傳輸線上，連接有很多工業(yè)電器設(shè)備，這些設(shè)備會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的工業(yè)干擾。為了提高抗干擾性能，克服傳統(tǒng)調(diào)幅電路的缺點(diǎn)，有的部門設(shè)計(jì)了一種電臺(tái)[2]，可以避免直接接觸電力線，依靠電磁場(chǎng)感應(yīng)，發(fā)送載波信號(hào)。在調(diào)制方式上采取調(diào)頻方式，犧牲帶寬來換取信噪比，提高抗干擾性能。接收機(jī)部分采用混頻技術(shù)，中頻頻率為455kHZ。從外觀結(jié)構(gòu)上可分為天線、無線信道機(jī)和供電三部分。天線是該無線通信電臺(tái)至關(guān)重要的部件，以這種方式電力線通信與無線通信更加具體的聯(lián)系在一起，天線選擇算法更加實(shí)用?，F(xiàn)在電力線通信還可以跟OFDM等技術(shù)相結(jié)合，以達(dá)到更高的系統(tǒng)容量和更強(qiáng)的信道可靠性。無線通信中的編碼技術(shù)以及多天線選擇算法研究的進(jìn)展，對(duì)電力線通信的發(fā)展也是一種很大的推動(dòng)。

四、結(jié)論

MIMO技術(shù)是利用無線信道普遍存在的衰落和散射來增加信道容量和提高信道質(zhì)量的，即利用空間冗余。隨著頻譜資源的日益緊張，MIMO定將在新一代移動(dòng)通信中起到舉足輕重的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]付景興，楊大成，MIMO無線高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)[J]通訊世界，2003，107：56-58

[2]王紀(jì)卿，電力線無線感應(yīng)通信的實(shí)現(xiàn)[J]電力系統(tǒng)通信，2005