一种考虑信道相关性的电力线信道通信特性影响因素分析方法与流程

1.本发明涉及电力线通信技术领域，尤其涉及一种考虑信道相关性的电力线信道通信特性影响因素分析方法。


背景技术：

2.电力线通信技术(power line communication,plc)以电力线为媒介，将通信信号耦合到电力线路上进行数据传递，相比较于其它的通信方式，plc因不需要额外的铺设线路且后期运营费用较少而被广泛应用于用电信息采集、远程抄表、智能家居等系统中。随着智能电网以及电力物联网的推进，电力线通信技术无疑会得到越来越多的关注。然而，电力线被设计的初衷是为了电能的输送，它的信道特性受时间和频率的影响严重，此外配电网拓扑结构复杂多变，负载的随机切入切出、开关器件动作等都会影响电力线通信的载波性能，总的来说，电力线通信信道具有干扰严重、时变性大、工作环境恶劣等特点，因此对电力线信道通信特性的研究是尤为重要的。
3.目前电力线信道所面临的主要障碍是信号的频率选择性衰落问题，导致这一现象的主要原因是网络中交叉节点处的阻抗失配以及线路上携带的分支结构等，而阻抗的失配往往又是由于系统拓扑结构的改变而引起的，因此研究线路的长度、沿线分支以及沿线负荷的变化对信道通信特性的影响尤为关键。
4.建立精确的信道模型，是展开对电力线信道通信特性研究的前提，按模型参数的获取方法，电力线信道的建模方法可分为自上而下法和自下而上法。自上而下法的主要思想是将电力线信道看作为“黑盒”，不考虑网络的内部结构特性，利用多径模型拟合一个确定的参数函数来模拟载波信道的频率响应，其理论基础是信号传输的多径效应，但此信道模型为非线性模型且模型参数的获取较为困难。自下而上法结合传输线理论，从各段电力线的特性与长度、负载的阻抗等基本物理参数出发，利用传输线相关理论计算信道频率响应的表达式，此种建模方法虽然计算量较大，但便于分析网络中能够影响信道通信特性的各种参数以及影响的规律。
5.目前有关配网拓扑及网络参数对电力线信道通信特性的影响规律研究较少，多径效应以及信道频率选择性衰落的现象难以从现有的模型中得到合理的解释。此外，信道之间并不是孤立存在的，不同的信道之间电磁耦合和串扰问题严重，因此电力线通信技术链路级与系统级性能的测试需要构建多个节点之间的信道衰减模型，而目前的点对点测试理论依据并不是很准确。


技术实现要素：

6.针对背景技术里目前点对点信道建模测试理论依据的不足以及完善网络拓扑结构及相关网络参数对电力线信道通信特性的影响结果，本发明提供了一种考虑信道相关性的电力线信道通信特性分析方法。
7.一种考虑信道相关性的电力线信道通信特性影响因素分析方法，所述方法包括：
8.步骤一：建立网络的传输矩阵，传输矩阵参数t为：
[0009][0010]
其中，
[0011][0012][0013][0014]
其中，ts为电源端的传输矩阵；t
p
为第p段电力线的传输矩阵，p＝1,2,
…
,p， z
cp
和γ
cp
分别为第p段电力线的特征阻抗和传播常数，l
p
为第p段电力线的长度， t
bm
为连接到节点m的所有分支线路的等价传输矩阵；n为节点m上的总分支数目，在第m个节点上的第n个分支线路的等效阻抗为：
[0015][0016]
其中，z
cbmn
和γ
bmn
分别为节点m上的第n条分支线路的特征阻抗和传播常数，d
mn
为节点m上第n条分支线路的长度；
[0017]
步骤二：获取给定的网络拓扑结构及相关网络参数，计算主信道及各关联子信道的信道电压传输特性，计算信道输入阻抗特性；
[0018][0019][0020]
其中：z
l
为线路末端负载阻抗，zs为信号源内阻抗，t
11
、t
12
、t
21
、t
22
为网络的传输矩阵参数；
[0021]
步骤三：计算子信道与主信道之间的信道相关系数ρ；
[0022][0023]
其中：ρ为相关系数，《
·
》表示信号传输函数的频域平均，
*
表示复共轭运算；
[0024]
步骤四：基于信道之间相关系数，计算整个网络的信道电压传输特性和网络的输入阻抗特性；
[0025][0026][0027]
其中：n为子信道的个数，h
s,t
(f)为主信道的电压传输特性，ρ
i,(s,t)
为第i个子信道与主信道之间的信道相关系数，hi(f)为第i个子信道电压传输特性，z
in(s,t)
(f) 为主信道的输入阻抗特性表达式，z
in(i)
(f)为第i个子信道的输入阻抗特性表达式；
[0028]
步骤五：
[0029]
将网络拓扑结构及相关网络参数和因素输入仿真软件，将信道电压传输特性和输入阻抗特性的数学表达式编写进仿真软件进行，利用改变网络拓扑结构及相关网络参数和因素，得到信道电压传输特性和输入阻抗特性的模型；
[0030]
步骤六：分析信道电压传输特性和输入阻抗特性的模型，得到网络拓扑结构及相关网络参数和因素的改变对电力线信道电压传输特性以及网络输入阻抗特性的影响结果。
[0031]
上述方案的进一步改进在于：所述网络拓扑结构及相关网络参数包括信号收发节点、信号源电压、信号源内阻、电力线路长度、分支网络类型、分支线路长度、分支线路负载阻抗以及线路末端阻抗。
[0032]
上述方案的进一步改进在于：所述主信道为信号源从源端节点s直接到达收端节点t的路径，子信道为与源端节点s和末端节点t相关的其他路径。
[0033]
上述方案的进一步改进在于：所述因素包括主干线路长度、分支线路长度、沿线分支负载阻抗以及阻抗类型、单节点连接的分支线路数以及多节点连接的分支线路数。
[0034]
本发明的有益效果是：本发明能够建立精确的信道模型，得到有关配网拓扑及网络参数对电力线信道通信特性的影响规律，多径效应以及信道频率选择性衰落的现象在本模型中得到合理的解释。
附图说明
[0035]
图1为本发明的实施例的流程图；
[0036]
图2为本发明的实施例的多节点电力线网络拓扑模型；
[0037]
图3为本发明的实施例的简单网路拓扑；
[0038]
图4为本发明的实施例的主干线路长度对电压幅频特性的影响的函数图；
[0039]
图5为本发明的实施例的主干线路长度对网络输入阻抗的影响的函数图；
[0040]
图6为本发明的实施例的沿线支路长度对电压幅频特性的影响的函数图；
[0041]
图7为本发明的实施例的沿线支路长度对网络输入阻抗的影响的函数图。
具体实施方式
[0042]
实施例1
[0043]
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
[0044]
本发明提供了一种考虑信道相关性的电力线信道通信特性影响因素分析方法，具体流程见图1，所述方法包括以下步骤：
[0045]
步骤1：获取给定的网络拓扑结构及相关网络参数，计算主信道及各关联子信道的
信道电压传输特性及信道输入阻抗特性的数学表达式；
[0046]
步骤2：计算子信道与主信道之间的信道相关系数ρ；
[0047]
步骤3：基于信道之间相关系数，表征整个网络的信道电压传输特性以及输入阻抗特性；
[0048]
步骤4：改变网络拓扑结构以及相关网络参数，利用matlab分析各种因素的改变对电力线信道电压传输特性以及网络输入阻抗特性的影响规律。
[0049]
由基于传输线理论的信道模型可知，可以将电力线传输网络看作为传输矩阵或散射矩阵，进而对其电力线信道特性进行预测，其中，传输矩阵与二端口网络中发送端与接收端的电压和电流有关，而散射矩阵则是描述入射波与反射波之间的关系。以图2所示的多节点电力线网络拓扑模型为例，则选用传输矩阵对该网络进行描述可得到表达式：
[0050][0051]
其中，l是电力线的长度，u1和i1为发送端的电压和电流，u2和i2为接收端的电压和电流，γ和zc分别为线路的传播常数和特征阻抗。其中，
[0052][0053][0054]
其中，ω为角频率，r、l、g、c分别为传输线的单位长度电阻、电感、电容和电导值。
[0055]
实际的电力线路会有很多节点，并且每个节点上也可能会伴有不同长度的分支，这样则形成了由及部分网络级联组成的传输网络，而此时的网络传输矩阵为每一部分网络的传输矩阵的乘积。以图2所示的由p段电力线组成的传输网络为例，其中有m个节点，m＝p-1，每个节点处伴有n个分支，z
bmn
为节点m (m＝1,2,...m)上第n条分支n(n＝1,2,
…
n)上的负载阻抗，zs和z
l
分别为发送端和接收端的负载阻抗。则，整个网络的传输矩阵为：
[0056][0057]
其中
[0058][0059][0060][0061]
其中，ts为电源端的传输矩阵；t
p
为第p段电力线的传输矩阵，p＝1,2,
…
,p， z
cp
和γ
cp
分别为第p段电力线的特征阻抗和传播常数，l
p
为第p段电力线的长度， t
bm
为连接到节
点m的所有分支线路的等价传输矩阵；n为节点m上的总分支数目，在第m个节点上的第n个分支线路的等效阻抗为：
[0062][0063]
其中，z
cbmn
和γ
bmn
分别为节点m上的第n条分支线路的特征阻抗和传播常数，d
mn
为节点m上第n条分支线路的长度。
[0064]
利用以上的网络传输矩阵计算方法，无论网络多么复杂，都可以通过计算各单节点网络的传输矩阵的级联从而得到整个网络的信道电压传输特性以及输入阻抗特性表达式：
[0065][0066][0067]
其中，zs为发送端负载阻抗，z
l
为接收端处负载阻抗。
[0068]
针对传统的点对点信道模型，基于如上所述的建模方法，即可建立电力线信道的数学模型，然而，信道之间并不是孤立存在的，不同的信道之间电磁耦合和串扰问题严重，因此电力线通信技术链路级与系统级性能的测试需要构建多个节点之间的信道衰减模型，以图3所示的简单网络拓扑为例，信号由源段节点s发出，在到达收端节点t的过程中，信号传播路径有多条。比如，s
→
t,s
→a→
t,s
ꢀ→c→
t,s
→a→c→
t，s
→c→a→c→
t等。其中，s
→
t为主路径，在系统拓扑结构及网络参数给定的情况下，其信道电压传输特性及输入阻抗特性的表达式可以求得。其中：
[0069][0070][0071]
其中，z
l
为线路末端负载阻抗，zs为信号源内阻抗，t
11
、t
12
、t
21
、t
22
为式(4)所求得的的矩阵元素。
[0072]
考虑信号经过网络节点反射而形成的子信道，比如子信道s
→
a,此时，可以将节点a看作为信号的接收节点，将节点b以及节点t看作为线路的分支节点，运用式(1)至式(10)的方法即可求得该子信道的电压传输特性h
s,a
(f)以及 z
ins,a
(f)的方程式。
[0073]
电力线不同信道间存在着电磁耦合和串扰的问题，但是不同信道间的关联作用的强弱是不同的，信道与信道间的相关特性可以通过两个复随机变量在数学意义上的相关系数ρ进行表征。其中：
[0074][0075]
其中，《
·
》表示信号传输函数的频域平均，
*
表示复共轭运算。
[0076]
ρ表征了两信道之间关联作用的强弱，即两信道相互影响程度的大小，因此考虑了信道之间的影响作用之后，信号从源端节点s到达收端节点t的信道特性频率响应为：
[0077]
h(f)＝h
s,t
ρ
(s,a),(s,t)
·hs,a
ρ
(a,t),(s,t)
·ha,t
ρ
(s,b),(s,t)
·hs,b
ρ
(b,t),(s,t)
·hb,t
(14)
[0078]zin
(f)＝z
s,t
ρ
(s,a),(s,t)
·zs,a
ρ
(a,t),(s,t)
·za,t
ρ
(s,b),(s,t)
·zs,b
ρ
(b,t),(s,t)
·zb,t (15)
[0079]
利用上述所述的考虑信道之间相关性的电力线信道通信特性分析方法，分别改变主干线路长度、沿线支路长度、沿线支路负载阻抗及负载类型、单节点连接的多条分支数目以及多节点来凝结的多条分支数目，本实施例的仿真软件即可利用matlab仿真分析得到信号源频率在2～30mhz范围内不同因素对电力线信道通信特性的影响的规律。
[0080]
matlab程序的使用步骤为：
[0081]
清除matlab内存空间；
[0082]
给定电力线分布参数的值以及主线路长度、线路末端阻抗、分支线路长度、分支线路负载阻抗的值，设置仿真信号频率范围为f＝2:100:30000000，和宽带频率范围2～30mhz；
[0083]
建立并输入信道电压传输特性和输入阻抗特性的数学表达式；
[0084]
保持其他参数不变，依次改变主线路长度的值，运行程序；
[0085]
画出图形，得到主线路长度的变化对信道电压传输特性和输入阻抗特性的影响的图形；
[0086]
重复以上步骤；
[0087]
保持其他参数不变，依次改变分支线路的长度，运行程序；
[0088]
画出图形，得到分支线路长度的改变对信道电压传输特性和输入阻抗特性的影响的图形，得到图4至图7。
[0089]
其中，图4和图5为主线路长度的改变对电力线信道通信特性的影响结果。由图4可以看出，主线路长度的递增，信号衰减所对应的衰减峰和衰减谷的位置是不改变的，同时，在峰谷处的幅值受主线路长度的影响较小。由图5可以看到，随主线路长度的逐渐增加，网络的输入阻抗特性变化规律较为复杂，但对比图4 和图5可以发现，在对应电压幅频特性的衰减峰频率处，网络输入阻抗的值不发生改变。
[0090]
图6和图7为沿线支路长度的改变对电力线信道通信特性的影响结果。由图 6可以看出，沿线支路长度的变化基本不会影响电压幅频特性的峰谷值，但同一信号源频段内衰减峰谷的个数会随着支路长度的增长而增多，这说明分支线路长度的增加会加重信号的频率选择性衰落。同时对比图6和图7可以发现，在对应信道电压幅频特性的衰减峰频率处，网络输入阻抗的值也保持不变。
[0091]
实施例2
[0092]
本实施例的仿真软件可利用c 仿真分析得到信号源频率在2～30mhz范围内不同因素对电力线信道通信特性的影响的规律。
[0093]
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的使用范围，本发明使用的仿真软件为拥有数学建模的过程和能编程，类似的仿真软件均可以使用，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。