ＭＩＭＯ技術在電力通信中的應用

王　偉　李　楠　榮　昕

[摘 要]MIMO系統可以大幅度提高無線信道的容量和信道的質量，由于電力線信道的特殊性，MIMO中的一些算法以及編碼技術都可以應用到電力線通信中，從而推動電力線通信的發展，提高信道質量。

[關鍵詞]MIMO 無線信道 電力線通信

一、前言

無線通信技術在不斷發展，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發展的兩大挑戰。MIMO技術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，這些無線領域的技術同樣適用于電力線通信。

二、MIMO研究現狀

多入多出(MIMO，Multiple Input Multip le Output)技術最早由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：在一個任意的無線系統中，鏈路的發端和收端都使用多天線，它也包括單入多出系統和多入單出系統。

（一）BLAST技術

為了更好的理解MIMO技術，作為比較，介紹一下BLAST(Bell Labs layered space time)多天線技術。BLAST是貝爾實驗室提出的一種多天線技術，是利用復用實現并行數據傳輸的結構。它采用多天線系統來利用多徑傳播效應以達到提高頻譜效率的目的，是MIMO系統中應用前景廣闊，研究比較熱門的技術之一。這項技術能夠提高無線鏈接的容量2O倍到3O倍。其應用包括：不必在臺式計算機、筆記本計算機和手持設備之間建立固定網絡；為遙遠的農村地區提供電話服務，通過無線方式把家用、商用電話與固定的有線電話網絡連接起來。這項技術使突破無線通信容量成為可能，雖然離應用這項發明還有很多的研究要做，但是人們對它在將來無線通信方面存在的巨大容量潛力感興趣。

仙農的容量公式解決點到點的通信，而BLAST的理論解決組到組的通信，它給仙農容量公式增加了一維，即空間。當噪聲和干擾比較嚴重的時候，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重危害，然而通過利用BLAST技術我們就有可能利用多徑， 即根據傳輸環境的散射性來把這些多徑當作分離的并行信道來提高信道的傳輸精度。與傳統思想不同，在接收端使用的BLAST信號處理函數是這項技術的核心。

需要注意的一點是，BLAST和MIMO是相輔相成的兩個技術，可以說BLAST的核心也是MIMO技術，但也有一定的區別，BLAST主要利用空間復用來提高系統容量，而MIMO是利用分集增益的提高來提高系統質量的。

（二）多天線選擇

如果通信系統采用多輸入多輸出系統，無論信道容量還是信道的可靠性都會得到大幅度的提高。使用多天線進行通信時，隨著天線數目越多，信道容量和信道可靠性增長越多，但天線數目增多必然帶來射頻鏈路數的增長，而射頻鏈路的成本是很高的，這無疑增加了系統的費用和制造的復雜度。相對來說，天線陣子的價格較低，可以通過進行天線選擇來降低成本，也就是選擇一定數目的天線，而不是使用所有的天線。當發送天線數目小于接受天線數目的時候，系統的容量會隨較小數目的天線數成線性增長。若以信噪比（SNR）為衡量系統可靠性的標準，天線數目越多，SNR越大。理論上天線數目越多，系統越好，但天線數目多到一定程度，系統就很難實現。所以要進行天線選擇，僅使用一定數目的天線來進行信號的傳輸。假設系統有M個發送天線，N個接受天線，使用其中LM個發送天線，RN個天線進行發送、接受信號，現在用于仿真實現的，M、N、L、R都為很小的數目?？梢灾贿M行發送天線選擇，也可以只進行接受天線選擇，也可以同時進行。

三、MIMO技術在電力線通信中的應用

電力線通信(PLC， Power Line Comm unication)是指利用電力線傳輸數據和話音信號的一種通信方式。電力線通信并不是新技術，已經有幾十年的發展歷史，在中高壓輸電網上通過電力載波機利用較低的頻率(9490 kHz)以較低速率傳送遠動數據或話音，是電力線通信技術應用的主要形式之一。它建立在電力配電網基礎上，實現了電力線通信網絡內部各節點之間以及與其他通信網絡之間的通信。近幾年，隨著數字通訊技術的發展，PLC因其分布廣、低成本、高速率、即插即用、可移動等優勢，而成為當前通信研究的一個熱點領域。

除了因線路衰減和多路傳輸所造成的信號失真外，噪聲是影響電力線數據可靠通信的關鍵因素。通過大量理論研究和實際測試表明，電力線信道中的噪聲分布和其它常見信道有很大的不同，其噪聲并不呈現白高斯噪聲(AWGN)特性，在頻率從幾百kHz到數十MHz之間，主要為窄帶干擾和脈沖噪聲。為了克服這些影響，必須考慮采用復雜的信道編碼技術。高效可靠的調制編碼技術是高速PLC的關鍵之一，在通信系統中所使用的空時編碼技術可以應用在電力線通信中。

現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濟，大部分國家還都在使用三相的電力線。利用三相電力線進行通信時，相當于利用三個天線進行通信，電力線信道與實際的無線信道衰落情形相似，天線選擇的思想也可以應用到電力線通信當中來。使用低壓電力線進行通信相當于多徑傳輸，因為高頻信號在低壓電力線上傳輸會產生大量的反射，信號除了直接到達接收機外，還會經過多次反射再到達接收機，這就形成了信號的多徑傳輸。在低壓配電線上產生多徑傳輸的主要原因有：(1)線路上存在大量的分支而造成信號反射；(2)與線路阻抗不匹配的負載造成反射；(3)線路的不連續性。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，連接有很多工業電器設備，這些設備會產生嚴重的工業干擾。為了提高抗干擾性能，克服傳統調幅電路的缺點，有的部門設計了一種電臺[2]，可以避免直接接觸電力線，依靠電磁場感應，發送載波信號。在調制方式上采取調頻方式，犧牲帶寬來換取信噪比，提高抗干擾性能。接收機部分采用混頻技術，中頻頻率為455kHZ。從外觀結構上可分為天線、無線信道機和供電三部分。天線是該無線通信電臺至關重要的部件，以這種方式電力線通信與無線通信更加具體的聯系在一起，天線選擇算法更加實用?，F在電力線通信還可以跟OFDM等技術相結合，以達到更高的系統容量和更強的信道可靠性。無線通信中的編碼技術以及多天線選擇算法研究的進展，對電力線通信的發展也是一種很大的推動。

四、結論

MIMO技術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定將在新一代移動通信中起到舉足輕重的作用。

參考文獻

[1]付景興，楊大成，MIMO無線高速數據傳輸的關鍵技術[J]通訊世界，2003，107：56-58

[2]王紀卿，電力線無線感應通信的實現[J]電力系統通信，2005