大規模天線系統在電網的應用研究

楊淼+喬涵+蘇國凱

【摘要】 通過對電網實際通信環境的勘察，發現電網跨度非常大，在山區、沙漠、戈壁等偏遠地區架設通信設備的成本很高。本文提出在這些復雜環境中應用大規模天線技術，該系統可以有效的降低成本，并且達到良好的通信目的。首先闡述了大規模天線信道傳輸模型，其次推導出了在大規模系統下的傳輸矩陣，最后得出了該系統在電網應用的模型并分析了未來大規模系統在電網中的應用。

【關鍵字】 大規模天線 電網

一、引言

隨著電網的規模逐步擴大，所承載的信息量以及覆蓋的范圍也逐步擴大，對于通信的及時性要求越來越高，尤其是偏遠地區。大規模天線技術是多天線技術[1][2]（MIMO）的演進，它是無線寬帶技術標準的一部分，是未來5G網絡主要的通信技術之一。大規模天線技術最大的特點是通過增加接收天線和發射天線的數目，在相同的時間和頻率資源建立多個傳輸通道，從而提升了整個系統的頻譜效率。裝備大規模天線后，能夠有效的降低了系統的發送功率和設備復雜度。大大增強了空間自由度，可以更好的降低用戶及小區間的干擾，提升頻譜利用率。大型天線系統滿足高速通信的需要，也對國家綠色通信的要求作出了回應。它是未來移動無線通信系統中不可缺少的關鍵技術。

二、大規模天線系統

2.1大規模天線系統的信道傳輸模型

和有線系統不同的是，無線信道通常是指在無線通信中接收天線到發射天線之間的電磁波通路，無線信道是動態的，無線信道因為具有更強的隨機性，通常更難于分析。無線信道的信道環境可以直接影響通信質量以及通信的服務質量。研究通信系統的模型可以有效的提高系統的性能。通信系統性能的降級是因為實際的無線信道在傳輸過程中會經歷各種干擾和衰落.。由于傳播環境的多變性和復雜性，所以在無線信道上進行通信非是非常具有挑戰性的。為了更好的服務客戶，得到更好的通信質量，通常在設計無線通信系統的時候，必須要考慮很多其他因素，大規模無線傳輸的信道模型，如圖1-1所示：

2.2信號的傳輸

如果系統采用的是TDD（時分雙工）的操作方式，那么前向鏈路傳輸矩陣的轉置是反向鏈路的傳輸矩陣，我們重點分析時分雙工的原因是，需要在一定的時間內在數目較小的接收天線和數目極大的發射天線之間獲得CSI（信道狀態信息）。已知，發射前向鏈路導頻信號需要的時間和發射天線的數目成正比，而發射反向鏈路導頻信號需要的時間和發射天線的數目無關。

反向鏈路的傳輸矩陣是 G ，由大小為K × M的矩陣H（小尺度衰落）與大小為K × K的對角矩陣Dβ1/2（β為大尺度衰落系數）的乘積得到：

大尺度衰落存在陰影衰落和路徑損耗。從這個角度看，H 矩陣的第 i 列向量說明了第 i 個終端和 M 根發射天線之間的小尺度衰落，對角矩陣Dβ1/2矩陣對角線上的第 k 個數就是大尺度衰落模型的衰落系數。為了便于分析，我們假設一個足夠密集的M根天線可以使所有的傳輸路徑的一個給定的終端受相同類型的大尺度衰落的影響。所以我們將大尺度衰落系數進行歸一化，于是小尺度衰落系數就限制在一以內。因此對于多用戶的大規模天線系統來說，終端的數目遠遠小于發射機的天線數目，如果在理想的傳播條件下，得到傳輸矩陣的列向量趨于正交：

2.3大規模天線系統在電網中應用的系統模型

電力信息時代數據的增長使得通信研究者必須研究出更先進的技術來滿足用戶的需求，由此，可以采用大規模技術。大規模天線系統在基站端和用戶端均配置了大量天線，使得系統容量達到最大化[3]。在大規模天線系統中基站側裝備了大數量級的天線，并且服務于多個單天線終端，系統基本結構如圖2所示。

大規模天 線系統的最大的優點是系統容量會隨著收發端天線數最小值的增大而增大。用數據來表示的話就是，系統

容量是多用戶多天線系統的十倍左右，而頻譜利用率更是達到百倍左右。空間復用技術支持多個子信道在同一個頻率帶傳輸，大大的提高了系統效率，而原理在于基站端和用戶端都配置了大數量的天線，就增加了信號在傳播過程中的多徑分量。大規模天線還增強了魯棒性。通過增加天線數來提高系統容量而不是擴頻技術，大量的空間自由度防止了一些來自專業或者是人為的干擾。系統性能的好壞絕大多數取決于信道，而信道有衰落，大規模系統利用波束成形技術和大數定律成功的躲開了衰落的最低點，從而減少了衰落時延。除此之外，大規模天線系統還簡化了多址接入層。

3 總結與展望

目前在電力通信系統中，還沒有應用大規模天線系統，未來的應用前景不可限量。隨著電力行業的蓬勃發展，對無線設備的應用會越來越多，大規模天線技術可以快速回傳邊遠地區的電力調度、自動化等電力數據，并且可以使電力保障巡檢人員及時與中心站取得聯系。最大化的提高了電力通信系統的可靠性以及及時性。大規模天線系統技術作為近幾年的研究熱點，經過不斷的優化，達到了通信各項指標的要求。在電力通信系統中采用大規模天線系統將會有效的增加減緩現有通信技術的壓力，并且解決偏遠地區可靠通信問題。

參 考 文 獻

[1]徐政. 基于大規模MIMO系統預編碼算法研究[D].西安郵電大學，2015.

[2]張友雷. 大規模MIMO系統預編碼算法研究[D].南京郵電大學，2014.