MIMO PLC sistemi için İkili Jacobian SVD ön kodlama yöntemi
0 Önsöz
Enerji hattı iletişimi, yüksek hızlı ağ hizmetleri sağlamak için mevcut güç altyapısını kullanmayı amaçlamaktadır.Son yıllarda düşük maliyeti, geniş kapsama alanı ve ek kablo kurulumuna gerek olmaması nedeniyle giderek daha fazla ilgi görmüştür. Araştırmalar, MIMO teknolojisinin, sistem bant genişliğini artırmadan PLC sisteminin fiziksel katman aktarım hızını yaklaşık 2 kat artırabileceğini gösteriyor. Bununla birlikte, üç fazlı hatlar arasındaki kısa mesafe nedeniyle, MIMO güç hattı iletişimi (Güç Hattı İletişimi, PLC) kanalları arasında belirli bir korelasyon vardır, bu da kanallar arasında karşılıklı parazite neden olarak kanal kapasitesini sınırlar. Bu nedenle, MIMO PLC kanalları arasındaki paraziti etkin bir şekilde ortadan kaldırmak ve alıcı ucun karmaşıklığını azaltmak, geniş bant MIMO güç hattı iletişiminde bir araştırma noktası haline gelmiştir.
Şu anda, ilgili belgelerin çoğu esas olarak MIMO PLC kanal modellemesi ve impuls gürültüsünün ortadan kaldırılmasına odaklanmaktadır. Ön kodlama teknolojisi açısından, literatür, iletilen sembolleri döndürerek iletilen semboller arasında ortogonalite sağlayan Ortogonal Uzamsal Çoklamaya (OSM) dayalı bir MIMO ön kodlama şeması önermektedir. Alıcı uç, tek sembollü kod çözme maksimum olasılık saptamasını gerçekleştirir. Bununla birlikte, maksimum olasılık tespitinin karmaşıklığı hala çok yüksektir ve bu, pratik uygulamalar için elverişli değildir. Geniş bantlı MIMO PLC sistemindeki ortak kanal girişim problemine göre, literatür bir blok diyagonal ön kodlama yöntemi önermektedir. Bununla birlikte, bu belge, sınırlı uygulanabilirliğe sahip olan sıfır girişimin kısıtlama koşulunu ortaya koymaktadır. Literatür, vektör nicemlemede Lloyd algoritmasına dayalı bir ön kodlama kod çizelgesi oluşturur, ancak algoritma birden çok yineleme gerektirir ve çok karmaşıktır.
MIMO PLC sisteminde alıcı ucun eşitlenmesiyle ilgili yüksek karmaşıklık ters çevirme hesaplaması sorununu hedefleyen bu makale, Jacobian dönüşümü yoluyla SVD'yi azaltan iki taraflı Jacobian Singular Value Discomposition'a (SVD) dayalı sınırlı bir geri bildirim ön kodlaması önermektedir. Hesaplamanın karmaşıklığı, sistemin bit hata oranı performansını etkili bir şekilde artırabilir.
Şu anda, çoğu PLC modem yalnızca P-N faz hatlarını, yani Tek Girişli Tek Çıkışlı (SISO) konfigürasyonunu kullanır. Avrupa, Çin ve dünyanın pek çok yerinde, ev iletim kablosunun Şekil 1'de gösterildiği gibi üç telli bir faz (P), nötr (N) ve koruyucu toprak (PE) konfigürasyonu vardır. Üç diferansiyel faz kablosu ve ortak mod yolları, çoklu gönderme ve alma portları ile bir MIMO PLC konfigürasyonu oluşturmak için kullanılabilir.
MIMO PLC'nin sistem modeli formül (1) 'de gösterilmiştir:
Bu makale literatürdeki MIMO PLC kanalını modellemek için kanal korelasyonunu dikkate alan hibrit kanal modelleme yöntemini kullanır ve nispeten büyük bir etkiye sahip olan dürtüsel gürültünün gürültüsünü modellemek için literatürdeki Middleton Sınıf A gürültü modelini kullanır.
2 İkili Jacobian ön kodlama
2.1 Kanal matrisinin temel dönüşümü
İki taraflı Jacobi (TSJ) algoritması genellikle yalnızca gerçek simetrik matrisler için geçerli olduğundan ve kanal matrisi karmaşık bir matris olduğundan, karmaşık kanal matrisini gerçek bir simetrik matrise dönüştürmek gerekir. Önce matris H'yi Hermite matrisi A'ya dönüştürün:
Bunların arasında = -. Yukarıdaki dönüşüm yoluyla, matris A gerçek bir simetrik matris C'ye dönüştürülür, böylece Jacobian algoritması matrisi SVD formuna ayırmak için kullanılabilir.
2.2 İkili Jacobian dönüşümü
MIMO sisteminin ön kodlama matrisini vericiye geri beslemesi gerekir, bu nedenle iletim parametrelerinin optimizasyonu, geri besleme ek yükünü azaltmanın anahtarıdır. Bu hedefe ulaşmak için, H'yi gerçek bir simetrik matris C'ye dönüştürün. TSJ algoritması, sürekli yineleme yoluyla matris C'nin köşegen dışı öğelerini en aza indirir.
C matrisinin yinelemeli ortogonal güncellemesi Jacobian dönüşümünü gerçekleştirir.
Matrisin köşegen dışı elemanları sıfıra çok yakın olduğunda, Jacobian işleminin sona erdiği belirlenebilir. Jacobian dönüşüm ön kodlama algoritmasının akış şeması Şekil 2'de gösterilmektedir. Algoritmanın ana adımları aşağıdaki gibidir:
(1) Sağ tekil matris V, dönüşüm matrisi ile çarpılan dönme matrisine eşittir ve i, i-inci yinelemede Jacobian matrisi Qi'nin dönme aşamasıdır.
3 Simülasyon performansı ve analizi
Literatüre dayalı olarak kanal korelasyonunu dikkate alan bir MIMO PLC hibrit kanal modeli oluşturulmuş ve simülasyon doğrulaması MATLAB 2013b platformunda gerçekleştirilmiştir.Simülasyon sayısı 1.000'dir. Simülasyon parametreleri Tablo 1'de gösterilmektedir.
İkili Jacobian dönüşüm algoritmasının performansını değerlendirmek için, Jacobian algoritması ile elde edilen tekil değer ile MATLAB'ın SVD fonksiyonunu çağırarak elde edilen tekil değer l arasındaki ortalama kare hatası, l anteni temsil eden denklem (22) 'de gösterildiği gibi hesaplanır. indeks. Her bir tekil değerin ortalama kare hatasının simülasyon sonuçları Şekil 3'te gösterilmektedir. İkisinin ortalama kare hatasının 10-30'dan daha az olduğu, dolayısıyla önerilen algoritmanın hesaplama doğruluğunun MATLAB'daki SVD fonksiyonu ile temelde tutarlı olduğu görülebilir.
Şekil 4'te gösterildiği gibi, kanal kazanç katsayısı h11 ile önerilen algoritma tarafından elde edilen gerçek kanal kazanç katsayısı hreal arasındaki ortalama kare hatasını hesaplayın, iki arasındaki ortalama kare hatasının büyüklüğü 10-29'a ulaşır. Diğer kanal kazanç katsayılarının sonuçları benzerdir ve bu, Jacobian algoritmasının enerji tasarrufu sağladığını gösterir. Analiz, kanal matrisine yapılan tüm dönüşümler üniter dönüşümler olduğu için sistem enerjisini etkilemediğini göstermektedir.
Şekil 5, iki MIMO iletim bağlantı noktasındaki her veri akışının bit hata oranı ile sinyal-gürültü oranı arasındaki ilişkiyi analiz eder. İki veri akışının hata oranı performansının temelde aynı olduğu ve teorik hata oranına çok yakın olduğu görülebilir. Bu, bu yazıda ön kodlama ve kod çözme işleminin ek gürültü getirmediğini gösterir.
Hata Vektörü Büyüklüğü (EVM), eşitlenmiş alınan takımyıldız diyagramı ile orijinal normalleştirilmiş standart takımyıldız diyagramı arasındaki hatayı yansıtabilir. Takımyıldız hata vektörü büyüklüğü kriteri, niceleme bit sayısının sistem performansı üzerindeki etkisini analiz etmek için kullanılır. Niceleme gürültüsünün etkisini analiz etmek için simülasyon şu anda başka ek gürültü getirmedi. Şekil 6'da gösterildiği gibi, niceleme bitlerinin sayısı arttıkça, EVM kademeli olarak yakınsar. Niceleme bitlerinin sayısı 16 olduğunda, EVM 10-3'ten düşüktür ve alınan takımyıldız, orijinal standart takımyıldıza çok yakındır.
4. Sonuç
PLC MIMO sistemindeki geleneksel sıfır zorlamalı ön kodlama algoritmasının yüksek karmaşıklığı sorununu hedefleyen bu makale, iki taraflı Jacobian dönüşümüne dayalı düşük karmaşıklıkta bir SVD ön kodlama algoritması önermektedir. Jacobian algoritması tarafından elde edilen tekil değer, MATLAB'de SVD işlevinin çağrılmasıyla elde edilen tekil değere eşittir ve bu algoritma tarafından oluşturulan SVD işlevinin geçerliliğini kanıtlar. Aynı zamanda, sistem hata oranı teorik hata oranına çok yakındır, bu da MIMO ön kodlama işleminin ek gürültü getirmediğini gösterir. Bu yazıda önerilen ön kodlama algoritması, ters çevirme işleminin karmaşıklığını azaltmak için pratik değeri olan bir simülasyon analiz yöntemi sağlar ve akıllı şebekelerde çok girişli çok çıkışlı geniş bant güç hattı taşıyıcı iletişim teknolojisinin araştırma, geliştirme ve mühendislik uygulamalarını teşvik etmek için büyük önem taşır. .
Referanslar
Qi Jiajin, Chen Xueping, Liu Xiaosheng Düşük voltajlı güç hattı taşıyıcı iletişim teknolojisinin araştırma ilerlemesi Güç Sistemi Teknolojisi, 2010 (5): 161-172.
STADELMEIER L, SCHILL D, SCHWAGER A, ve diğerleri Ev içi güç hattı iletişimi için MIMO. Kaynak ve Kanal Kodlaması Uluslararası ITG Konferansı (SCC), Ulm: VDE, 2008: 1-6.
BERGER L, SCHWAGER A, PAGANI P, ve diğerleri MIMO güç hattı iletişimi. IEEE Communications Surveys and Tutorials, 2015, 17 (1): 106-124.
TOMASONI A, RIVA R, BELLINI S. Ev içi MIMO güç hattı kanalları için mekansal korelasyon analizi ve modeli.IEEE Uluslararası Güç Hattı İletişimi ve ITS Uygulamaları Sempozyumu Pekin: IEEE Press, 2012: 286-291.
Cao Wangbin, Yin Chengqun, Xie Zhiyuan ve diğerleri.Çoklu girişli çoklu çıkışlı geniş bant güç hattı taşıyıcı iletişim kanalı modeli üzerine araştırma.Çin Elektrik Mühendisliği Derneği Bildirileri, 2017, 37 (4): 1136-1141.
Xie Zhiyuan, Wei Jiahong, Zhao Zilong. Impulse Noise Modeling'de Gizli Markov Zinciri Uygulaması Elektronik Teknolojinin Uygulanması, 2014, 40 (9): 98-100.
Ye Jun, Sun Hongliang, Wang Yi ve diğerleri.Alçak voltajlı güç hattı iletişim kanalları için uygun bir arka plan gürültü modelleme yöntemi. Journal of Chongqing University of Posts and Telecommunications (Natural Science Edition), 2015, 27 (6): 722-727.
HU X, CHEN Z, YIN F.MIMO güç hattı iletişimi için dürtüsel gürültü iptali Journal of Communications, 2014, 9 (3): 241-247.
Ev içi elektrik hattı iletişiminde iletim ve kaynak tahsisi için VO T N. MIMO teknikleri. Télécom Bretagne: Université de Bretagne Occidentale, 2015.
Wu Yunwen, Guo Jinsong, Wu Haidong ve diğerleri.Geniş bantlı güç hattı taşıyıcı MIMO sistemi için parazit giderme ön kodlama yöntemi.Güç sistemi koruma ve kontrolü, 2015 (3): 123-126.
WINGER L L. Azaltılmış kod kitabı vektör nicelemesi için doğrusal olarak kısıtlanmış genelleştirilmiş Lloyd algoritması IEEE İşlemleri Sinyal İşleme, 2001, 49 (7): 1501-1509.
ZHOU T, FANG S, YANG X ve diğerleri.Matris ters hesaplamalar için Jacobi tabanlı bir paralel algoritma.Uluslararası Kablosuz İletişim ve Sinyal İşleme Konferansı. IEEE, 2013: 1-5.
yazar bilgileri:
Lin Huan 1, Li Xiang 2
(1. İletişim ve Bilgi Mühendisliği Okulu, Chongqing Posta ve Telekomünikasyon Üniversitesi, Chongqing 400065; 2. Chongqing Posta ve Telekomünikasyon Üniversitesi Yeni Nesil Genişbant Mobil İletişim Anahtar Laboratuvarı, Chongqing 400065)
