CN106603176A - 一种结合两种电力线信道模型的电力线信道建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力线信道建模领域，尤其涉及一种结合两种电力线信道模型的电力线信道建模方法,该方法包括：采集多个影响电力线信道的参数；根据所述多个影响电力线信道的参数分别建立基于参数匹配的电力线信道模型和基于传输线理论的电力线信道模型，比较不同环境下所述两种信道模型建模方法的复杂度、模型运行时间和建模精度，选择适合特定环境下的电力线信道建模方法。本发明的技术方案有利于分析电力线信道传输特性，提高电力线载波通信质量，对于不断变化的电力线信道环境具有较强的适应性。

Description

一种结合两种电力线信道模型的电力线信道建模方法

技术领域

本发明属于电力线信道建模领域，尤其涉及一种结合两种电力线信道模型的电力线信道建模方法。

背景技术

电力线载波通信(power line communication，PLC)利用现有的低压配电网线路作为通信信道的传输介质，有效减少了通信线路初期的架设成本和后期维护费用，降低了设备安装和调试的难度。但由于配电网络并不是为通信而架设的专用线路，其开放的线路环境、复杂网络结构和多变的负载特性，使得电力线通信信道环境具有高噪声、高衰减和阻抗不匹配等缺陷。建立合适的电力线信道模型，对于提高电力线载波通信质量，分析电力线信道特性都具有重要意义。

现有技术中，基于参数匹配的电力线信道模型虽然计算简单，但是需要在已知信道传输函数下，通过参数拟合的方法求得信道模型，该方法无法预测未知的信道衰减，而且精确度需要依靠测量数据实现。基于传输线理论的信道模型能够描述信道拓扑结构和信道传输函数之间的关系，能够预测线路发生突发状况时，电力线拓扑结构改变引起的传输函数的改变。但是该模型在线路很复杂的情况下预测信道传输函数的计算量较大。

现有技术中的电力线信道建模方法没有综合考虑不同电力线长度、电力线分支数、分支长度、负载阻抗特性、电力线类型、电力线噪声等多种因素的影响，电力线载波通信质量较差，不利于分析电力线信道特性，对于不断变化的电力线信道环境适应性较差。

发明内容

针对上述问题，本发明构建了一种能够针对不同的电力线长度、电力线分支数、分支长度、负载阻抗特性、电力线类型、电力线噪声等多种影响因素进行电力线信道建模的方法，具体提出了一种结合两种电力线信道模型的电力线信道建模方法，该方法包括：

采集多个影响电力线信道的参数，所述多个影响电力线信道的参数包括电力线长度、电力线分支数、分支长度、负载阻抗特性、电力线类型、电力线噪声强度；根据所述多个影响电力线信道的参数分别建立两种信道模型，所述两种信道模型为基于参数匹配的电力线信道模型和基于传输线理论的电力线信道模型，比较不同环境下所述两种信道模型建模方法的复杂度、模型运行时间和建模精度，选择适合特定环境下的电力线信道建模方法。

进一步地，所述基于参数匹配的电力线信道模型是自顶向下的信道模型，其用于根据信道传输函数，通过参数拟合获得信道模型，其中电力线载波通信的衰减与频率大小和传输距离相关。所述频率越大、所述传输距离越长，则所述电力线载波通信的衰减越强。

进一步地，所述基于传输线理论的电力线信道模型是自底向上的信道模型，其用于根据已知的网络拓扑结构，采用传输矩阵或散射矩阵描述信道模型。

本发明的技术方案通过分析两种不同的电力线信道模型，比较不同环境下两种信道模型建模方法的建模精度、复杂度以及模型运行时间，选择适合特定环境下的电力线信道建模方法，有利于分析电力线信道传输特性，提高电力线载波通信质量，对于不断变化的电力线信道环境具有较强的适应性。

附图说明

图1是电力线通信基本模型

图2是谐振阻抗曲线

图3是传输矩阵的二端口网络

图4是散射矩阵的二端口网络

图5是本发明中结合两种电力线信道模型的电力线信道建模方法流程图

具体实施方式

下面结合附图，对实施例作详细说明。

本发明对电力线信道建模方法的选择方法如下，如图5所示，首先，采集多个影响电力线信道的参数，所述多个影响电力线信道的参数包括电力线长度、电力线分支数、分支长度、负载阻抗特性、电力线类型、电力线噪声强度等，根据所述多个影响电力线信道的参数分别建立不同的电力线信道参数的两种信道模型，通过分析两种建模方法的复杂度、运行时间和建模精度来决定特定环境下使用哪种信道模型。

1、基于参数匹配的电力线信道模型

自顶向下的PLC信道建模方法就是将一些参数与测量的数据进行匹配，最后得到一个包含信号传输和电线损耗的多径信道模型。该模型计算量小，实施简单，但是它充分依靠测量数据的准确性，而且不能对信道模型提前预测。

通过分析电力线信道的特性，可得出电力线载波通信的衰减与频率大小和传输距离长短有关，频率越大传输距离越长衰减就越强。根据传输线理论得出单支电力线的通用模型，如图1所示。

图1中，H(f)为信道传输函数：

函数A(f，d)来表示线路对电力线载波信号的影响，与频率f和传输距离d有关。因为电力线载波通信中存在多径效应，所以可得电力线通信系统的传输函数基本模型为：

在(3)式中，N为路径总数；i为路径标号；g_i为路径i的加权系数；a₀、a₁为衰减系数；k(0.5<k<1)为衰减指数；d_i为路径i的长度；τ_i为路径i的时延。路径时延与传播距离和传播速度有关，关系表达式为：

式(4)中v_p为信号在线路的传播速度；ε_r为介电常数；c₀为光速。

模型中的参数根据传输线理论通过对测量数据进行曲线拟合获得，传输电缆的特性和传播常数均为近似值。模型未考虑随机负载接入网络时对传输信道的实时影响。多数电器在接入端都含等效的谐振电路，处于谐振频率时电路的阻抗值最大，使得该频率的信号被吸收从而造成信号的衰减，其谐振阻抗曲线如图2所示。

通过参数匹配算法，基于测量数据，对每条路径的各个参数进行匹配预测。路径数理论上应该是越大越好，但是一些路径由于衰减和一些干扰对整个的信道贡献很小就可以省去，因此路径数的取值可以根据测量数据进行选择。

2、基于传输线理论的电力线信道模型

自底向上信道模型是利用传输线理论，需要已经知道的网络拓扑结构，用ABCD转换矩阵或散射参数矩阵描述信道模型，该模型计算复杂，但是可以清晰地描述网络行为和模型参数之间的关系，此外，该模型更通用、更灵活，很容易预测信道响应随着系统的变化的改变情况。传输矩阵和散射矩阵的二端口网络分别如图3和图4所示。

散射矩阵给出的是入射波和散射波之间的关系，而传输矩阵给出的是电压之比(包括入射波和反射波)，而电力线信道只对前向方向的传输函数感兴趣，是由接收端的入射功率与发送端的注入功率之比，也就是散射矩阵中的S21。

在传输矩阵中，其二端口传输矩阵为Z₀为负载阻抗，则输入阻抗可以表示为：

电力线传输函数为：

传输矩阵为：

式(7)中Z为电力线信道特性阻抗，γ为电力线传播系数，l是长度。

电力线传输矩阵模型一般可以用N个二端口级联来表示，假设每个二端口的传输矩阵为T_i，N个二端口级联后的传输矩阵为：

在散射矩阵中，由传输T矩阵的转换关系得出：

T₀是电源处的传输矩阵：

电力线每一部分的传输矩阵T_i是：

其中T_p是最后一部分的转换函数。T_di为节点i处分支的等价转换函数：

这里N是节点数，

其中，Z_brij是在节点i处分支为j的终端负载，Z_dcij是节点i处分支为j的特征阻抗。

散射矩阵和传输矩阵之间的关系为：

上述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种结合两种电力线信道模型的电力线信道建模方法，其特征在于，所述方法包括：

采集多个影响电力线信道的参数，所述多个影响电力线信道的参数包括电力线长度、电力线分支数、分支长度、负载阻抗特性、电力线类型、电力线噪声强度；

根据所述多个影响电力线信道的参数分别建立两种信道模型，所述两种信道模型为基于参数匹配的电力线信道模型和基于传输线理论的电力线信道模型，比较不同环境下所述两种信道模型建模方法的复杂度、模型运行时间和建模精度，选择适合特定环境下的电力线信道建模方法。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于参数匹配的电力线信道模型是自顶向下的信道模型，其用于根据信道传输函数，通过参数拟合获得信道模型，其中电力线载波通信的衰减与频率大小和传输距离相关。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述频率越大、所述传输距离越长，则所述电力线载波通信的衰减越强。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述信道传输函数为：

$H\left(f\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{g}_i{e}^{-(a_0+a_1{f}^k)d_i}{e}^{-2{\mathrm{\&pi;f\&tau;}}_i}$

其中，N为路径总数；i为路径标号；g_i为路径i的加权系数；a₀、a₁为衰减系数；k为衰减指数，0.5<k<1；d_i为路径i的长度；τ_i为路径i的时延，f为频率。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于传输线理论的电力线信道模型是自底向上的信道模型，其用于根据已知的网络拓扑结构，采用传输矩阵或散射矩阵描述信道模型。