一种信道冲击响应与脉冲噪声联合估计方法、系统及设备技术方案

本发明专利技术公开了一种信道冲击响应与脉冲噪声联合估计方法、系统及设备，本发明专利技术通过建立MIMO‑PLC信道模型以及噪声模型分别求解出MIMO‑PLC信道每个接收端的信道频率响应以及噪声，并在此基础上计算MIMO‑PLC信道接收信号；通过利用信道的相关性以及信道冲击响应与脉冲噪声的稀疏特性，基于快速块稀疏贝叶斯学习(BSBL‑FM)法，利用块稀疏能够有效挖掘物理信号的结构和空间分布信息，从而显著的改善稀疏重构算法的性能，稀疏贝叶斯学习法能够充分挖掘和利用数据的先验信息，假设先验信息的概率分布情况，对要解决的问题进行数学建模，对信道冲击响应与脉冲噪声进行联合估计，有效提高了MIMO‑PLC系统的抗噪性能以及对信道冲击响应以及脉冲噪声进行估计的准确性。

【技术实现步骤摘要】
一种信道冲击响应与脉冲噪声联合估计方法、系统及设备
本专利技术涉及通信领域，尤其涉及一种信道冲击响应与脉冲噪声联合估计方法、系统及设备。
技术介绍
电力线通信(powerlinecommunication，PLC)是一项使用电力线传输数据信号的技术。因为电力线系统具有线路分布广泛、安装成本低廉等优势，在智能电网、家庭自动化、办公自动化等领域中PLC被广泛认为是一种重要的通信方式。一般地，按照电力线所传输的电压等级，可将PLC分为三类：低压电力线通信(通常指220V/380V电压等级)；中压电力线通信(通常指10kV电压等级)；高压电力线通信(通常指35kV及以上电压等级)。随着智能电网、智能家居建设通信需求的增长，高速、宽带PLC成为目前发展的主要趋势。为了加速PLC的发展，将多输入多输出(multiple-inputmultiple-output，MIMO)技术引入低压PLC中可以有效实现系统性能的进一步提升。MIMO-PLC系统利用多个传输信道，可以提供更大的信道容量与更高的数据速率。信道状态信息(channelstateinformation，CSI)的准确性将直接影响MIMO-PLC系统的整体性能，因此精确的信道估计技术是保证通信质量的关键。噪声亦是影响通信质量的主要因素之一，低压PLC网络作为供电专用网其最典型的特征是其终端接有大量的电气设备，这些电气设备运转产生的干扰直接作用于PLC信道，是PLC通信系统中的主要噪声源之一。PLC信道噪声整体呈现出非高斯、非平稳的特性，用以表征通信系统噪声的经典加性高斯白噪声(additivewhitegaussiannoise，AWGN)模型不再适用于PLC信道噪声。根据噪声自身特性将电力线信道噪声分为背景噪声和脉冲噪声(impulsenoise，IN)，背景噪声通常由普通家用电器和众多频段的无线电广播产生，而IN主要由用电设备突然切入或切出等一系列突发情况产生。相比之下，背景噪声平均功率较小，频谱很宽，类似于AWGN；IN时变性强且功率大，对信号传输影响更大。IN的存在使传统信道估计技术的性能降低，因此，在具有IN的情况下对MIMO-PLC系统进行精确的信道估计是至关重要的。对于信道估计技术，可以分为非盲信道估计、盲信道估计和半盲信道估计。(1)非盲信道估计的基本实现原理为在待发送数据的适当位置处插入一些已知的信号，即导频，在接收端收到信号后，首先提取这些导频位置的信号，根据这些信号通过信道估计算法就可以对该处的CSI进行估计。在基于导频的信道估计算法中，应用范围最广的两种信道估计算法即：最小平方(LeastSquare，LS)算法、最小均方误差(MinimumMeanSquareError，MMSE)算法，由这两种经典的信道估计算法还研究出了许多其它的算法。非盲信道估计还可以利用压缩感知(compressedsensing，CS)理论可以利用信道稀疏特性将信道估计转换为稀疏信号(即非零元素个数远小于元素总数)的重建问题，可有效减少导频数量。(2)盲信道估计算法不需要在待发送的有用数据之中插入导频，这就使得盲信道估计可以获得很高的频带利用率，但是相应地也会大大增加信道估计的算法复杂度，最终降低整个系统的通信速率。(3)半盲信道估计算法对以上的两种算法进行了综合。相比于盲信道估计算法，该类算法拥有更快的收敛速度。其基本原理为：待发送的有用数据之中插入了少量的导频，在接收端利用这些导频与发送信号的统计特性进行信道估计。但该类算法更适用于时不变信道，在PLC信道中性能较差。综合上述比较，在PLC系统中信道估计算法研究主要集中在LS算法、MMSE算法、CS算法及其改进算法，但是基于LS算法、MMSE算法的传统的信道估计方法未能充分利用PLC信道的稀疏特性，需要大量的导频信息，从而导致其导频开销大，频谱利用率低。对于IN抑制技术，目前研究主要集中在时域非线性脉冲干扰消除方法，即“限幅”、“置零”以及它们的组合，通过设置门限阈值或自适应阈值来抑制IN噪声。在MIMO-PLC系统中，现有技术方案大多将信道估计与IN分开考虑，在信号接收端先添加IN抑制模块，降低IN的影响后再进行信道估计。然而，在具有IN的情况下对MIMO-PLC系统进行精确的信道估计是至关重要，所以单独考虑IN抑制或信道估计在实际应用中不能达到理想性能。综上所述，现有技术中对信道进行估计时将信道估计与脉冲噪声分开考虑，存在着信道估计结果的准确性比较差的技术问题。
技术实现思路
本专利技术提供了一种信道冲击响应与脉冲噪声联合估计方法、系统及设备，用于解决现有技术中对信道进行估计时将信道估计与脉冲噪声分开考虑，存在着信道估计结果的准确性比较差的技术问题。本专利技术提供的一种信道冲击响应与脉冲噪声联合估计方法，包括以下步骤：S1：建立MIMO-PLC信道模型，根据MIMO-PLC信道模型计算MIMO-PLC信道每个接收端的信道频率响应；S2：基于背景噪声以及脉冲噪声建立噪声模型，根据建立的噪声模型计算MIMO-PLC信道每个接收端的噪声；S3：根据MIMO-PLC信道每个接收端的信道频率响应以及MIMO-PLC信道每个接收端的噪声计算得到MIMO-PLC信道接收信号；S4：将MIMO-PLC信道接收信号转化成矩阵形式，得到包含有信道冲击响应矩阵的MIMO-PLC信道接收信号矩阵；S5：在MIMO-PLC信道接收信号矩阵中标注出导频插入的位置，根据信道的相关性、信道冲击响应的稀疏特性以及脉冲噪声的稀疏特性，在标注出导频插入位置的MIMO-PLC信道接收信号矩阵的基础上，构建测量矩阵、观测矩阵以及稀疏目标信号；S6：基于测量矩阵、观测矩阵以及稀疏目标信号，采用快速块稀疏贝叶斯学习法对信道的脉冲噪声以及信道冲击响应进行联合估计，得到信道的脉冲噪声估计值以及信道冲击响应的估计值。优选的，建立的MIMO-PLC信道模型为2×2的MIMO-PLC信道模型。优选的，根据MIMO-PLC信道模型计算MIMO-PLC信道每个接收端的信道频率响应的具体过程为；计算MIMO-PLC信道模型中单输入单输出信道的信道频率响应；对单输入单输出信道的信道频率响应进行组合，得到MIMO-PLC信道模型每个接收端的信道频率响应。优选的，在噪声模型中，采用高斯白噪声来描述背景声，采用伯努利-高斯模型来描述脉冲噪声。优选的，步骤S4的具体过程为：将MIMO-PLC信道接收信号转化成矩阵形式，得到包含有信道频率响应矩阵的MIMO-PLC信道接收信号矩阵；将MIMO-PLC信道接收信号矩阵中的信道频率响应矩阵替换成信道冲击响应矩阵，得到包含有信道冲击响应矩阵的MIMO-PLC信道接收信号矩阵。优选的，步骤S6的具体过程为：S601：初始化测量矩阵YB、观测矩阵以及稀疏目标信号Z，令OFDM符号长度为N，分块总数为g，每个子块长度为di，令相关性向量的元素均为零；S602：若MIMO-PLC信道接收信号的信噪比小于本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种信道冲击响应与脉冲噪声联合估计方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1：建立MIMO-PLC信道模型，根据MIMO-PLC信道模型计算MIMO-PLC信道每个接收端的信道频率响应；/nS2：基于背景噪声以及脉冲噪声建立噪声模型，根据建立的噪声模型计算MIMO-PLC信道每个接收端的噪声；/nS3：根据MIMO-PLC信道每个接收端的信道频率响应以及MIMO-PLC信道每个接收端的噪声计算得到MIMO-PLC信道接收信号；/nS4：将MIMO-PLC信道接收信号转化成矩阵形式，得到包含有信道冲击响应矩阵的MIMO-PLC信道接收信号矩阵；/nS5：在MIMO-PLC信道接收信号矩阵中标注出导频插入的位置，根据信道的相关性、信道冲击响应的稀疏特性以及脉冲噪声的稀疏特性，在标注出导频插入位置的MIMO-PLC信道接收信号矩阵的基础上，构建测量矩阵、观测矩阵以及稀疏目标信号；/nS6：基于测量矩阵、观测矩阵以及稀疏目标信号，采用快速块稀疏贝叶斯学习法对信道的脉冲噪声以及信道冲击响应进行联合估计，得到信道的脉冲噪声估计值以及信道冲击响应的估计值。/n

【技术特征摘要】
1.一种信道冲击响应与脉冲噪声联合估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：建立MIMO-PLC信道模型，根据MIMO-PLC信道模型计算MIMO-PLC信道每个接收端的信道频率响应；
S2：基于背景噪声以及脉冲噪声建立噪声模型，根据建立的噪声模型计算MIMO-PLC信道每个接收端的噪声；
S3：根据MIMO-PLC信道每个接收端的信道频率响应以及MIMO-PLC信道每个接收端的噪声计算得到MIMO-PLC信道接收信号；
S4：将MIMO-PLC信道接收信号转化成矩阵形式，得到包含有信道冲击响应矩阵的MIMO-PLC信道接收信号矩阵；
S5：在MIMO-PLC信道接收信号矩阵中标注出导频插入的位置，根据信道的相关性、信道冲击响应的稀疏特性以及脉冲噪声的稀疏特性，在标注出导频插入位置的MIMO-PLC信道接收信号矩阵的基础上，构建测量矩阵、观测矩阵以及稀疏目标信号；
S6：基于测量矩阵、观测矩阵以及稀疏目标信号，采用快速块稀疏贝叶斯学习法对信道的脉冲噪声以及信道冲击响应进行联合估计，得到信道的脉冲噪声估计值以及信道冲击响应的估计值。


2.根据权利要求1所述的一种信道冲击响应与脉冲噪声联合估计方法，其特征在于，建立的MIMO-PLC信道模型为2×2的MIMO-PLC信道模型。


3.根据权利要求1所述的一种信道冲击响应与脉冲噪声联合估计方法，其特征在于，根据MIMO-PLC信道模型计算MIMO-PLC信道每个接收端的信道频率响应的具体过程为；
计算MIMO-PLC信道模型中单输入单输出信道的信道频率响应；
对单输入单输出信道的信道频率响应进行组合，得到MIMO-PLC信道模型每个接收端的信道频率响应。


4.根据权利要求1所述的一种信道冲击响应与脉冲噪声联合估计方法，其特征在于，在噪声模型中，采用高斯白噪声来描述背景声，采用伯努利-高斯模型来描述脉冲噪声。


5.根据权利要求1所述的一种信道冲击响应与脉冲噪声联合估计方法，其特征在于，步骤S4的具体过程为：
将MIMO-PLC信道接收信号转化成矩阵形式，得到包含有信道频率响应矩阵的MIMO-PLC信道接收信号矩阵；
将MIMO-PLC信道接收信号矩阵中的信道频率响应矩阵替换成信道冲击响应矩阵，得到包含有信道冲击响应矩阵的MIMO-PLC信道接收信号矩阵。


6.根据权利要求5所述的一种信道冲击响应与脉冲噪声联合估计方法，其特征在于，步骤S6的具体过程为：
S601：初始化测量矩阵YB、观测矩阵以及稀疏目标信号Z，令OFDM符号长度为N，分块总数为g，每个子块长度为di，令相关性向量的元素均为零；
S602：若MIMO-PLC信道接收信号的信噪比小于20dB，则令β-1＝0.1||YB||2，若MIMO-PLC信道接收信号的信噪比大于20dB，则令β-1＝0.0...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵闻，张捷，黄友朋，
申请(专利权)人：广东电网有限责任公司计量中心，
类型：发明
国别省市：广东;44