 Smart Grid 智能电网, 2013, 3, 147-152 http://dx.doi.org/10.12677/sg.2013.35027 Published Online October 2013 (http://www.hanspub.org/journal/sg.html) A Study on Channel Estimation in Impulsive NB-PLC Channels* Jing Wang1, Hui Z hao1, Yunbao Zeng2, We i Zhu2, Long Zhao1 1Key Laboratory of Universal Wireless Communication, Ministry of Education Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 2HiSilicon Technologies Co., Ltd., Beijing Email: wjwendy1989@gmail.com Received: Aug. 8th, 2013; revised: Sep. 2nd, 2013; accepted: Sep. 9th, 2013 Copyright © 2013 Jing Wang et al. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unre- stricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Abstract: The additive impulsive noise is one of the serious interferences in narrow band power line communication (NB-PLC). With the widely used OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) technology, the influence of the impulsive noise can spread to every subcarrier after DFT in the receiver, which degrades the communication per- formance seriously. Therefore, a simple and effective interference cancelation scheme is required, for example, blanking nonlinearity has been widely used to suppress the impulsive noise due to its convenient operation. However, the nonli- near operation introduces inter-carrier interference (ICI), resulting in degradation in both system performance and the precision of channel estimation. In this paper, a new channel estimation method for OFDM transmission is proposed to reduce the affection of impulsive noise in power line channel, where the ICI part in the estimated channel response function can be iteratively cancelled. The simulation results show that the proposed method can improve the precision of channel estimation and reduce the bit error ratio (BER) significantly at the same time. Keywords: NB-PLC; Impulsive Noise; Channel Estimation; Blanking Nonlinearity 窄带电力线通信中对抗突发脉冲的信道估计方法研究* 王 静1，赵 慧1，曾云宝 2，朱 伟2，赵 龙1 1北京邮电大学泛网无线通信教育部重点实验室，北京 2海思半导体有限公司，北京 Email: wjwendy1989@gmail.com 收稿日期：2013 年8月8日；修回日期：2013 年9月2日；录用日期：2013 年9月9日 摘 要：在窄带电力线通信系统中，时域突发脉冲是影响性能的最主要干扰之一。该系统中采用 OFDM 多载波 方式，接收机在频域进行处理时，时域突发脉冲在 FFT 之后会扩展到整个频段上，进而严重影响系统的性能。 因此，接收端需要采取有效的 干扰消 除机制 。置零 算法因 其操作 简单被 广泛应 用，然 而，这 种非线 性操作 会引 入载波间干扰(ICI)，导致系统信道估计准确性降低和 BER 性能变差。本文在此种条件下提出一种新的信道估计 方法，迭代消除信道估计中的 ICI 部分，来降低突发脉冲的影响。仿真结果表明本文提出的改进方案可以有效 提高信道估计的准确性，并使系统性能相应提升。 关键词：窄带电力线；突发脉冲；信道估计；置零算法 1. 引言 最近几年中，电力线通信的研究受到越来越多的 重视[1,2]。其中，窄带电力线通信(NB-PLC)工作在3~ 500 KHz频段内，主要用于通信、抄表、自动控制等 领域。由 ERDF 和Maxim 发起的 G3 标准和由PRIME *项目资助：窄带电力线通信研究。 Copyright © 2013 Hanspub 147  窄带电力线通信中对抗突发脉冲的信道估计方法研究 协会起草的 PRIME 协议是最先使用 OFDM 作为关键 技术的窄带电力线方案，相比之前单载波的传输技 术，能提供更高的比特速率、鲁棒性及灵活性。2010 年初，为使世界范围内的产品能够彼此通用，IEEE 标准协会和 ITU-T 开始了 NB-PLC 技术的国际标准化 进程。至今为止，IEEE 标准协会推行的 P1901.2 在本 文截稿之时刚提出 vD0.07.01 版本，而 ITU-T 已经于 2011年底完成了 G.9955(G.hnem物理层规范)和G.9956 (G.hnem 数据链路层协议)的制定工作[3]。本文的研究 是基于 G.9955 标准进行的。 电力线信道条件恶劣，包含各种干扰与噪声。根 据噪声特性，可以将其分为五 类[4,5]：1) 有色背景噪 声；2) 窄带干扰；3) 异步于工频的周期性脉冲噪声； 4) 同步于工频的周期性脉冲噪声；5) 非周期性突发 脉冲。总的来说，前三种噪声较稳定，可以整体归为 背景噪声，而后两种时变性较强，可归结为突发脉冲 噪声。本文主要针对突发脉冲对系统进行的影响进行 分析研究。 在OFDM 系统中，接收端经过 FFT 之后，突发 脉冲会扩展到 OFDM 符号的每个子载波上，如果不采 取措施，系统性能会受到严重影响。因此很多降低突 发脉冲影响的方法被提出，比如在时域对突发脉冲进 行“限幅”，“置零”，“限幅置零结合使用”等等[6-9]。 其中[8,9]提出了一种频域/时域结合操作的方案，依赖 于频域硬解调的结果反馈到时域判别特定采样点是 否存在突发脉冲，若存在，再对其进行限幅或者置零 处理，该方案用增加复杂度来提升性能。然而在实际 系统中，置零算法因其操作简单被广泛应用，本文也 基于该方法进行研究。接收端经过置零算法后的 OFDM 符号不再正交，引入的 ICI(载波间干扰)会破坏 系统性能。在之前研究对抗突发脉冲，提高解调性能 的大多数文章中[10,11]，接收端默认信道响应是已知的。 然而在实际系统中，要利用导频符号来估计信道响 应，可以采用LS(最小二乘)，MMSE(最小均方误差) 算法等[12]。然而在突发脉冲存在的情况下，导频符号 也会受到影响，信道估计的准确性会降低。考虑到置 零非线性操作引入的载波间干扰，本文提出一种基于 LS 和MMSE 改进的信道估计方法，利用帧结构中已 知的导频序列和信道估计符号，迭代消除载波间干扰 的部分，大幅度提升信道估计的准确性，有效降低了 系统的误码率。 2. 系统模型 根据 ITU-T G.9955中的描述[13]，物理层帧结构包 含前导序列(Preamble)，信道估计符号(CES)，物理帧 头(PFH)以及负载(Payload)。如 图1所示，帧结构包含 整数个 OFDM 符号。其中，前导序列包含 8个相同的 符号以及 1个，其中 是由随机序列生成器产生 的伪随机序列， 1 S2 S S 1 S 1 S 2 ，目的是使接收端检测帧的 到来、进行同步以及获取物理层参数，比如信道估计 和OFDM 符号的定位等。CES 由1个和 1个 构 成，用来进行信道估计。PFH 中包含的是编码调制参 数等信息，Payload 用来传输数据信息。 1 S2 S 接收端可以利用已知的Preamble 和CES共11 个 OFDM 符号进行信道估计，由于电力线多径信道是慢 变的，故可以使用估计出的信道响应对 PFH 和 Payload 进行均衡。 窄带电力线系统的传输模型如图2所示，在本文 中N代表子载波的数目，也是 FFT(快速傅里叶变换) 的大小。发送端经过IFFT 之后，一个 OFDM 符号周 期内的时域信号为 12 0 1e,0,1,, NjknN nk k xXn N 1N (1) 其中 k X 是第 k个子载波上经过调制的信号，其平均 功率表示为 。考虑到电力线信道中存在突发脉冲噪 声，接收端采样信号可以写成如下形式 S E nnnn rhxzI n (2) 其中， 是电力线信道冲击响应； 是背景噪声，此 处使用均值为 0，方差为 n hn z 2 z 的高斯白噪；n I 是服从伯 努利–高斯随机过程的突发脉冲： nnn I bg (3) n b服从伯努利随机过程，其概率密度函数为： if 1 1if n nn pb Pb pb 0 (4) n g 是均值为 0，方差为 2 g 的白复高斯噪声。在 系统模型中假设所有随机过程都是独立的，背景噪声 和突发脉冲总和可以表示成nnn zbg n ，则可得出 n 的概率密度函数为 Copyright © 2013 Hanspub 148  窄带电力线通信中对抗突发脉冲的信道估计方法研究 PayloadPFH CES preamble S1S2 8 sym b ols1 symbolNHS Figure 1. PHY frame structure 图1. 物理层帧结构 调制 IFFT h n z n I 置零 FFT 解调 数据 Figure 2. Block diagram of the transmission system 图2. 传输系统模型 222 22 222 1ee z g z nzzg pp f (5) 传输信道的信噪比(SNR)与信干比(SIR)可以分别 定义为 2 SNR, SIR S2 S z g EE (6) 本文采用置零算法来对抗突发脉冲噪声的影响， 即当接收端采样点幅度值大于门限值时，认为时突发 脉冲，将其设为零，反之则保留。设T是判决当前采 样点是否受到脉冲干扰的门限值，通过置零算法后的 输出表达式为 0 nn n n rrT yrT (7) 门限值的选取是影响系统性能的重要因素，当门 限值过小时，没有被突发脉冲干扰的信号也会被置 零；反之，门限值过大会使突发脉冲得不到处理，最 优门限值的分析详见[11]。 3. 迭代算法 在接收端，采样点经过置零操作后，会进行 FFT 变到频域，得到 12 0 11 ee N2 j kn Njkn N kn n nn Yy r NN (8) 其中是 FFT 大小，A包含当前OFDM符号中所有 没有被置零的采样点，将(1)(2)带入(8)，可以进一 写成： N k Y 步 2 122 0 12 0, 2 1e 1 ee 1e 1e jknN knnn n NjmknN j kn N mm n mn n NjmknN kk mm mmk n jknN n n Yhx N HX NN NHX HX NN N １ (9) 其中 N 是集合 A内的元素数目，上式中第三步得出 的依据是 2 eelse jmknN n Nmk mk (10) Preamble和CES 符号中的 k X 是已知的，LS 信道 估计与 MMSE 信道估计算法表达式分别为： 1 ˆls H XY (11) 1 1 2 ˆˆ H lmmseHH HHnls H RRXX H (12) 可见无论采用哪种估计方法，都需要先利用 LS 算法估计信道状态响应，MMSE 算法相当于在 LS 算 法基础上进行修正。 利用 LS 算法，第 k个子载波上的信道估计响应 为 12 0, 2 1 ˆe 1e N j mknN kmm kk mmk n kk jknN n nk YHX N HH XN NX X N (13) 当NN 时，意味着当前 OFDM 符号没有采样 点被置零，(13)中的信道估计情况也退化为： 12 0 1 ˆe N j kn N kn kn kk Y HH XX N (14) 从式(9)的前两项中可以看出置零算法是以降低 有用信号幅度和引入 ICI 为代价抑制突发脉冲的干 扰，从而会导致信道估计的准确性有所下降。如式(13) 所示，其中第三部分是由背景噪声引入的，会扩散到 每个子载波，是不可能被进一步去除的。为提高信道 估计的准确性，我们在此提出一种利用Preamble 和 CES 来进行的迭代干扰消除算法。该算法依次在每个 Copyright © 2013 Hanspub 149  窄带电力线通信中对抗突发脉冲的信道估计方法研究 Copyright © 2013 Hanspub 150 OFDM 符号上进行操作，以第 l个符号为例，信道估 计具体计步骤如下： 迫零均衡的算法降低多径的影响，频域信号均衡之后 表达式为： LS估计：如公式(13)所示，通过 LS 算法可以初 始估计出信道转移函数ˆ _ initial l k H 12 0, 2 1 ˆe ˆ 1e ˆ N j mknN k kkm mmk n k jknN n nk YN XXX NN H H N (17) 微调：由于估计出的信道转移函数幅度有所衰 减，所以我们对其微调进行弥补 12 0, 2 ˆˆ _ _initial 1e e ll kk N j mknN mm kmmk n k jknN n nk N Hm H N HX HNX N NX (15) 然后再进行解调判决。由式(17)可以看出，均衡 后的信息存在载波间的干扰，一定程度上会限制系统 的解调性能。而如何降低脉冲干扰对于解调性能的影 响，很多文献也进行了研究[8,9]，这些方法不是本文研 究的重点，为简单起见，本文直接使用(17)进行解调 判决。 ICI消除：信道估计中 ICI 的部分可以利用第 1l 个OFDM 符号估出的信道状态响应 1 进行消除 1 ˆ,0,1,, l k Hk N 4. 仿真结果分析 1 12 0, 1 12 0, 2 ˆ 1 ˆˆ_e ˆ 1e e l NjmknN ll mm kk mmk n k l Nmmm j mknN kmmk n k jknN n nk HX HHm NX HHX HNX N NX (16) 本章通过 Matlab仿真来评估所提出的信道估计 算法分别用于 LS 与MMSE 算法所带来的性能增益。 由于电力线信道的多径情况是慢变的，所以在本仿真 中我们将其设为固定的 4径，且 cp 的长度大于最大 时延。导频序列和信道估计符号用来进行信道估计， 仿真参数如表 1所示。 我们设定信道估计性能评估函数为 MSE(均方误 差)，其值的大小代表估计的信道与实际信道的差别。 MSE 表达式为 若采用 MMSE 算法则继续进行运算 1 1 2 ˆˆ H lmmseHH HHnls H RRXX H 。改进的信道 估计迭代算法具体操作过程如图3所示。 2 1 0 2 1 0 ˆ MSE N nn n N n n HH H (18) 从(16)可以看出， 越接近实 际信道情况， 1 ˆ,0,1,, l k Hk N 1 ˆl k H 估计越准确，随着 l的增长， ˆl k H 更 加接近于不存在突发脉冲情况下 LS算法估计出的信 道转移函数。而在ˆls H 估计准确的情况下，MMSE 算 法的也更加准确。本系统中利用 Preamble和 CES 估计出信道转移函数后 ˆlmmse H ˆk H ，该帧的 Payload 采取 图4展示了在 SNR30 dB,SIR15 dB T 的条件 下， MSE 与BER 随着门限值的变化情况。其中“LS” “LS/proposed”分别代表原始 LS 算法与经过改进的 LS 算法，“MMSE”“MMSE/proposed”分别代表原始 MMSE 算法和经过改进的 MMSE 算法。 图4左边是原始 LS/MMSE 算法和改进的算法估 Figure 3. The flow-process diagram of proposed channel estimation scheme 图3. 改进的信道估计流程图  窄带电力线通信中对抗突发脉冲的信道估计方法研究 Table 1. Simulation parameters 表1. 仿真参数 参数 值 FFT 大小 256 CP 长度 16 调制方式 QPSK 子载波间隔(kHz) 1.5625 带宽(kHz) 200 突发脉冲概率 p 0.05 1.6 1.82.0 2.22.4 2.6 1E-4 1E-3 0.01 0.1 SNR=30dB,SIR=-15dB MSE T LS LS/proposed MMSE MMSE/propose d 1.6 1.8 2.0 2.2 2.42.6 0.01 0.1 LS LS/proposed MMSE MMSE/propose d BER T SNR=30dB,SIR=-15dB Figure 4. MSE and BER performance with variable threshold when SNR30 dB,SIR15 dB R15 dB 图4. 时MSE，BER 随门限值的变化 曲线 SNR30 dB,SI 出的信道状态 MSE曲线。可以看出无论是 MMSE 算 法还是 LS 算法，经过改进后 MSE 均有大幅度下降， LS 算法性能比 MMSE 算法性能要差一些。当门限值 变化时，信道估计性能存在一个最优值，在 2,2.2T 之间取得。图 3右边是各种算法估计出的信道响应进 行均衡之后的解调性能，可见信道估计越准确，解调 性能越好；但是在本文研究范围内，PFH 和Payload 进行均衡之后直接解调判决，由于突发脉冲带来的载 波间干扰会给系统性能造成一个瓶颈，所以可以看出 MMSE 算法改进前后，解调性能差距不大，此时性能 提升的主要瓶颈在于如何去除突发脉冲的影响。 图5左边是SIR15 dB 固定， SNR10dB,40dB变化时，MSE 和BER随之相应 变化的情况。可以看出本文提出的改进的算法能有效 提升信道估计的准确性，使相应算法的MSE 降低。 在BER与SNR 的变化曲线中，使用改进的LS 算法 相对于原始 LS 算法性能有所提升，BER 大约能下降 0.02；而 原 始MMSE 和改进的 MMSE 在BER性能上 几乎无差别。 图6是SNR30 dB 固定时， SIR30 dB,0 dB 变化时，RMSE 与BER 随之变化的情况，可以看出 LS 和MMSE 两种算法的 MSE、BER 都是随着 SIR 的提升而上升，当 SIR 到0 dB以上时两个指标又快 速下降。当SIR 较低时，突发脉冲功率比较高，与底 噪的区分度好，置零算法的操作判别突发脉冲更准 确，在去除突发脉冲的同时也会减少一些高斯白噪， 所以信道估计和 BER 的性能都比较好，本文提出的 算法相比传统的 LS 和MMSE 算法也有效降低了 MSE，约降低为原来的十分之一。随着 SIR 的升高， 突发脉冲功率降低，逐渐接近于 AWGN底噪的功率， 与底噪的区分度越来越低，置零操作带来的性能改善 越来越有限，很大一部分突发脉冲会淹没在底噪中， 所以 SIR 较高，即突发脉冲不严重时，本文提出的算 法性能改善不是很明显，几种算法BER 性能都有变 差的趋势。而当 SIR 升高到0 dB以上时，脉冲干扰 功率已经低到可以忽略，即可以认为系统未受到干 扰，BER 也会快速下降。 5. 总结 窄带电力线通信中，信道中所存在的脉冲干扰会 造成系统性能的下降，置零算法以其操作的简便性得 到普遍适用。而此操作在 OFDM系统中会引入 ICI， 信道估计准确性也大幅度降低。本文提出一种利用导 频符号和信道估计符号进行的改进算法，可以适用于 LS 算法和 MMSE 算法，迭代消除其中的 ICI 部分。 经过仿真验证，该算法有效的提高了信道估计的准确 性，降低信道估计的 MSE，提升了系统性能。当突发 脉冲干扰严重时，如 SIR30 dB,15 dB ，改进的 Copyright © 2013 Hanspub 151  窄带电力线通信中对抗突发脉冲的信道估计方法研究 10 15 20 25 30 1E-4 1E-3 0.01 0.1 LS LS/proposed MMSE MMSE/proposed MSE SNR(dB) SIR=-15dB 10 15 20 25 30 0.01 0.1 SIR=-15dB LS LS /pr oposed MMSE MMSE/proposed BER SNR(dB) Figure 5. RMSE and BER performance with variable SNR when SIR15 dB 图5. 时RMSE，BER随SNR 的变化曲线 SIR15 dB -30 -25 -20 -15 -10-50 1E-5 1E-4 1E-3 0.01 0.1 SNR=30dB MSE SIR(dB) LS LS/proposed MMSE MMSE/proposed -30 -25 -20 -15 -10-50 0.01 0.1 SNR=30dB LS LS/proposed MMSE MMSE/proposed BER SIR(dB) Figure 6. RMSE and BER performance with variable SIR when SNR30 dB 图6. 时RMSE，BER 随SIR的变化曲线 SNR30 dB 信道估计算法效果提升更加明显。 参考文献 (References) [1] N-PE transmission system for narrow-band PLC and its chan- nel properties. Proceedings of International Symposium on Pow er Li ne Communications and Its Applications (ISPLC 2013) , Johannesburg, March 2013: 185-190. [2] T. Shonewe, A. J. H. Vink. Interleaving and nulling to combat narrow-band interference in PLC standard technologies PLC G3 and Prime. Proceedings of International Symposium on Power Line Communications and Its Applications (ISPLC 2013), Jo- hannesburg, March 2013: 258-262. [3] V. Oksman, J. Zhang. G.HNEM: The new ITU-T standard on narrowband PLC technology. 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