大规模天线系统在电网的应用研究

杨淼+乔涵+苏国凯

【摘要】 通过对电网实际通信环境的勘察，发现电网跨度非常大，在山区、沙漠、戈壁等偏远地区架设通信设备的成本很高。本文提出在这些复杂环境中应用大规模天线技术，该系统可以有效的降低成本，并且达到良好的通信目的。首先阐述了大规模天线信道传输模型，其次推导出了在大规模系统下的传输矩阵，最后得出了该系统在电网应用的模型并分析了未来大规模系统在电网中的应用。

【关键字】 大规模天线 电网

一、引言

随着电网的规模逐步扩大，所承载的信息量以及覆盖的范围也逐步扩大，对于通信的及时性要求越来越高，尤其是偏远地区。大规模天线技术是多天线技术[1][2]（MIMO）的演进，它是無线宽带技术标准的一部分，是未来5G网络主要的通信技术之一。大规模天线技术最大的特点是通过增加接收天线和发射天线的数目，在相同的时间和频率资源建立多个传输通道，从而提升了整个系统的频谱效率。装备大规模天线后，能够有效的降低了系统的发送功率和设备复杂度。大大增强了空间自由度，可以更好的降低用户及小区间的干扰，提升频谱利用率。大型天线系统满足高速通信的需要，也对国家绿色通信的要求作出了回应。它是未来移动无线通信系统中不可缺少的关键技术。

二、大规模天线系统

2.1大规模天线系统的信道传输模型

和有线系统不同的是，无线信道通常是指在无线通信中接收天线到发射天线之间的电磁波通路，无线信道是动态的，无线信道因为具有更强的随机性，通常更难于分析。无线信道的信道环境可以直接影响通信质量以及通信的服务质量。研究通信系统的模型可以有效的提高系统的性能。通信系统性能的降级是因为实际的无线信道在传输过程中会经历各种干扰和衰落.。由于传播环境的多变性和复杂性，所以在无线信道上进行通信非是非常具有挑战性的。为了更好的服务客户，得到更好的通信质量，通常在设计无线通信系统的时候，必须要考虑很多其他因素，大规模无线传输的信道模型，如图1-1所示：

2.2信号的传输

如果系统采用的是TDD（时分双工）的操作方式，那么前向链路传输矩阵的转置是反向链路的传输矩阵，我们重点分析时分双工的原因是，需要在一定的时间内在数目较小的接收天线和数目极大的发射天线之间获得CSI（信道状态信息）。已知，发射前向链路导频信号需要的时间和发射天线的数目成正比，而发射反向链路导频信号需要的时间和发射天线的数目无关。

反向链路的传输矩阵是 G ，由大小为K × M的矩阵H（小尺度衰落）与大小为K × K的对角矩阵Dβ1/2（β为大尺度衰落系数）的乘积得到：

大尺度衰落存在阴影衰落和路径损耗。从这个角度看，H 矩阵的第 i 列向量说明了第 i 个终端和 M 根发射天线之间的小尺度衰落，对角矩阵Dβ1/2矩阵对角线上的第 k 个数就是大尺度衰落模型的衰落系数。为了便于分析，我们假设一个足够密集的M根天线可以使所有的传输路径的一个给定的终端受相同类型的大尺度衰落的影响。所以我们将大尺度衰落系数进行归一化，于是小尺度衰落系数就限制在一以内。因此对于多用户的大规模天线系统来说，终端的数目远远小于发射机的天线数目，如果在理想的传播条件下，得到传输矩阵的列向量趋于正交：

2.3大规模天线系统在电网中应用的系统模型

电力信息时代数据的增长使得通信研究者必须研究出更先进的技术来满足用户的需求，由此，可以采用大规模技术。大规模天线系统在基站端和用户端均配置了大量天线，使得系统容量达到最大化[3]。在大规模天线系统中基站侧装备了大数量级的天线，并且服务于多个单天线终端，系统基本结构如图2所示。

大规模天 线系统的最大的优点是系统容量会随着收发端天线数最小值的增大而增大。用数据来表示的话就是，系统

容量是多用户多天线系统的十倍左右，而频谱利用率更是达到百倍左右。空间复用技术支持多个子信道在同一个频率带传输，大大的提高了系统效率，而原理在于基站端和用户端都配置了大数量的天线，就增加了信号在传播过程中的多径分量。大规模天线还增强了鲁棒性。通过增加天线数来提高系统容量而不是扩频技术，大量的空间自由度防止了一些来自专业或者是人为的干扰。系统性能的好坏绝大多数取决于信道，而信道有衰落，大规模系统利用波束成形技术和大数定律成功的躲开了衰落的最低点，从而减少了衰落时延。除此之外，大规模天线系统还简化了多址接入层。

3 总结与展望

目前在电力通信系统中，还没有应用大规模天线系统，未来的应用前景不可限量。随着电力行业的蓬勃发展，对无线设备的应用会越来越多，大规模天线技术可以快速回传边远地区的电力调度、自动化等电力数据，并且可以使电力保障巡检人员及时与中心站取得联系。最大化的提高了电力通信系统的可靠性以及及时性。大规模天线系统技术作为近几年的研究热点，经过不断的优化，达到了通信各项指标的要求。在电力通信系统中采用大规模天线系统将会有效的增加减缓现有通信技术的压力，并且解决偏远地区可靠通信问题。

参 考 文 献

[1]徐政. 基于大规模MIMO系统预编码算法研究[D].西安邮电大学，2015.

[2]张友雷. 大规模MIMO系统预编码算法研究[D].南京邮电大学，2014.