CN108964704B - 一种宽带电力线载波通信信道研究方法、装置及存储介质 - Google Patents

一种宽带电力线载波通信信道研究方法、装置及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种宽带电力线载波通信信道研究方法，首先获取宽带电力线载波通信信道中与各电力线对应的目标数据，并依据各目标数据构建与各电力线对应的传递函数模型；然后再依据各传递函数模型构建宽带电力线载波通信信道的理论模型；最后对理论模型进行修正得出宽带电力线载波通信信道的实际模型对宽带电力线载波通信信道进行研究。该方法，可以依据获取的目标数据构建传递函数模型，进而得出宽带电力线载波通信信道的实际模型，后期可以直接根据得出的实际模型对宽带电力线载波通信信道的环境以及衰减程度及时进行分析，提高了通信质量和通信效率。另外，本发明还公开了一种宽带电力线载波通信信道研究装置及存储介质，效果如上。

Description

一种宽带电力线载波通信信道研究方法、装置及存储介质
技术领域
本发明涉及电力线载波通信技术领域，特别涉及一种宽带电力线载波通信信道研究方法、装置及存储介质。
背景技术
宽带电力线载波通信是以电力线为信息传输媒介进行数据传输的一种通信方式。但是，由于宽带电力线载波通信的信道环境中存在高频噪声严重、负载种类繁多、网络结构复杂以及衰减程度较严重等问题，进而会对电力线在较宽频带内的通信质量产生影响，甚至会导致数据传输受阻，通信效率低。因此，对宽带电力线载波通信的信道特征进行研究显得尤为重要。
由此可见，如何实现对宽带电力线载波通信的信道特征进行研究的问题是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本申请实施例提供了一种宽带电力线载波通信信道研究方法、装置及存储介质，以解决现有技术中实现对宽带电力线载波通信的信道特征进行研究的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种宽带电力线载波通信信道研究方法，包括：
获取宽带电力线载波通信信道中与各电力线对应的目标数据，并依据各所述目标数据构建与各所述电力线对应的传递函数模型；
依据各所述传递函数模型构建所述宽带电力线载波通信信道的理论模型；
对所述理论模型进行修正得出所述宽带电力线载波通信信道的实际模型以对所述宽带电力线载波通信信道进行研究。
优选地，所述目标数据包括所述电力线的电阻、电感、电导、传输常数以及阻抗。
优选地，在所述依据各所述目标数据构建与各所述电力线对应的传递函数模型之后，还包括：
依据传输线理论以及导行波理论修正所述传递函数模型。
优选地，所述依据各所述传递函数模型构建所述宽带电力线载波通信信道的理论模型具体为：
将各所述传递函数模型进行相乘，并将相乘后所得的目标函数模型作为所述理论模型。
优选地，所述对所述理论模型进行修正具体为：
依据平均误差反馈算法对所述理论模型进行修正。
优选地，所述依据平均误差反馈算法对所述理论模型进行修正具体包括：
获取各所述电力线的长度之和、所述宽带电力线载波通信信道的总阻抗、噪声参数以及误差参数；
依据所述长度、所述阻抗、所述噪声参数以及所述误差参数对所述理论模型进行修正。
优选地，所述传递函数模型具体为二径衰减宽带电力线信道模型。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种与宽带电力线载波通信信道研究方法对应的装置，包括：
获取模块，用于获取宽带电力线载波通信信道中与各电力线对应的目标数据，并依据各所述目标数据构建与各所述电力线对应的传递函数模型；
构建模块，用于依据各所述传递函数模型构建所述宽带电力线载波通信信道的理论模型；
修正模块，用于对所述理论模型进行修正得出所述宽带电力线载波通信信道的实际模型以对所述宽带电力线载波通信信道进行研究。
为解决上述技术问题，本发明还提供了另一种与宽带电力线载波通信信道研究方法对应的装置，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序以实现上述任意一种所述的宽带电力线载波通信的信道研究方法的步骤。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种与宽带电力线载波通信的信道研究方法对应的一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行以实现上述任意一种所述的宽带电力线载波通信信道研究方法的步骤。
相比于现有技术，本发明所提供的一种宽带电力线载波通信信道研究方法，首先获取宽带电力线载波通信信道中与各电力线对应的目标数据，并依据各目标数据构建与各电力线对应的传递函数模型；然后再依据各传递函数模型构建宽带电力线载波通信信道的理论模型；最后对理论模型进行修正得出宽带电力线载波通信信道的实际模型以对宽带电力线载波通信信道进行研究。由此可见，该方法，可以依据获取的目标数据构建传递函数模型，最后再依据传递函数模型得出宽带电力线载波通信信道的实际模型，后期可以直接根据建立好的宽带电力线载波通信信道的实际模型对宽带电力线载波通信信道的环境以及衰减程度及时进行分析，进而可以防止数据传输受阻，提高了通信质量和通信效率。另外，本发明还提供了一种宽带电力线载波通信的信道研究装置及存储介质，效果如上。
附图说明
图1为本发明实施例所提供的一种宽带电力线载波通信的信道研究宽带电力线载波通信信道研究方法流程图；
图2为本发明实施例所提供的一种测量原理图；
图3为本发明实施例所提供的一种宽带电力线载波通信的信道研究宽带电力线载波通信信道研究装置组成示意图；
图4为本发明实施例所提供的另一种宽带电力线载波通信的信道研究宽带电力线载波通信信道研究装置组成示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的核心是提供一种宽带电力线载波通信的信道研究宽带电力线载波通信信道研究方法、装置及存储介质，可以解决现有技术中实现对宽带电力线载波通信的信道特征进行研究的问题。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1为本发明实施例所提供的一种宽带电力线载波通信的信道研究宽带电力线载波通信信道研究方法流程图，如图1所示，该方法包括：
S101：获取宽带电力线载波通信信道中与各电力线对应的目标数据，并依据各目标数据构建与各电力线对应的传递函数模型。
首先获取宽带电力线载波通信信道中的有关目标数据，并根据各目标数据构建与各电力线对应的传递函数，也就是说，宽带电力线载波通信信道中存在几条电力线，就构建几个传递函数，该步骤可利用MATLAB仿真软件完成。作为优选地实施方式，目标数据包括电力线的电阻、电感、电导、传输常数以及阻抗。作为优选地实施方式，传递函数模型具体可以为二径衰减宽带电力线信道模型，在实际应用中，传递函数模型还可以选用其它符合要求的模型，本发明在此不作限定。
为了提高宽带电力线载波通信的信道准确性，作为优选地实施方式，在依据各目标数据构建与各电力线对应的传递函数模型之后，还包括：
依据传输线理论以及导行波理论修正传递函数模型。
具体地，就是根据电路理论模拟各电力线上信号传输的基本场景，求解信号传输电报方程的正弦稳态解，得到传输线模型的副参数γ和ZC及传输线中电信号变化规律通解形式，具体计算公式为：
Figure BDA0001741061100000041
Figure BDA0001741061100000042
其中，R0为电力线的电阻，L0为电力线的电感，C0为电力线的电容，G0为电力线的电导，j为虚部单位，ω为角频率，α为衰减常数，β为相位常数。
因为高频信号会带来分布参数效应，首先需要对各分布参数进行计算，R、L、C、G分别表示单位长度电力线的电阻、电感、电容以及电导，对应的计算公式如下：
R＝XR·Rcu(Ω/m)
Figure BDA0001741061100000051
Figure BDA0001741061100000052
Figure BDA0001741061100000053
其中，Rcu为单芯电力线的电阻，XR是电力线为多芯材料时引入的修正系数，μ0为真空磁导率，ε为导线间电介质的介电常数，σ为电介质的电导率，a为电力线的截面半径，D为相邻电力线的间距。由于在实际宽带电力线载波通信信道环境中，以电信号分析为主的传输线理论不能直接解决宽带电力线载波通信信道的开路分支和未知参数分支的能量损耗问题，因此需要借助于微波理论中的导行波理论。采用电力线作为信号传输媒介时，由信号的高频特性带来的趋肤效应会使电力线中的电流分布发生改变，同时也会改变其分布电阻Rcu的值，δ为在频率f下的集肤深度，则集肤深度δ和分布电阻Rcu的具体计算公式如下：
Figure BDA0001741061100000054
Figure BDA0001741061100000055
Figure BDA0001741061100000056
其中，μc和σc分别为电力线导体的磁导率和电导率，rwire为多芯电力线中单根导线的半径。
根据双导线模型和分布参数，可由电路理论中的KVL方程和KCL方程推导出传输线的电报方程：
Figure BDA0001741061100000057
Figure BDA0001741061100000058
根据电报方程求解，得到信号在双导线模型上传输的通解形式：
Figure BDA0001741061100000059
其中，A1、A2为待定系数，自变量x为到坐标原点的距离。
宽带电力线载波通信信道中高频信号经过双导线传播时，高频电路与传输线，发送端与传输线，传输线与接收端会有阻抗不匹配的现象，阻抗不匹配时信号就会产生反射现象。因此各电力线中的任意一处的点电压可由正负两个方向流动的电压波在该点的幅值叠加得到，即
Figure BDA0001741061100000061
根据通解形式，定义距该点长x的电力线衰减系数为d(x)，电压波向量为
Figure BDA0001741061100000062
信号在电力线中传输时的衰减大小与传输方向无关，正负两个方向的衰减系数矩阵为D(x)＝[d(x),d-1(x)]T，则此时通解可表示为：
Figure BDA0001741061100000063
为了描述信号通过信道前后的变化特征，取接收端与发射端的信号电压幅值之比表示信号的衰减程度，根据通解的表达式，宽带电力线载波通信信道的衰减程度的传递函数可以由两点的点电压之比得到，具体的传递函数可表示为：
Figure BDA0001741061100000064
其中，x表示信号始端到负载阻抗不连续节点的距离，根据边界条件，在节点处负载阻抗符合
Figure BDA0001741061100000065
且入射电压波Vin和反射电压波Vreflection满足
Figure BDA0001741061100000066
根据传递函数以及边界条件，可以得到单回路模型的传递函数为：
Figure BDA0001741061100000067
单回路模型的输入阻抗为：
Figure BDA0001741061100000068
S102：依据各传递函数模型构建宽带电力线载波通信信道的理论模型。
当构建出宽带电力线载波通信信道中各电力线的传递函数模型之后，再依据各传递函数模型构建宽带电力线载波通信信道的理论模型。该步骤可利用矢量网络分析仪与耦合器完成。具体地就是根据实测电路模型等效为网络拓扑结构，获取拓扑结构参数包括线缆长度，负载阻抗。根据传递函数模型输入拓扑结构参数，得到宽带电力线载波通信信道的理论模型。在实际应用中，矢量网络分析仪可以选用扫描频带为3GHz的NA7300分析仪以及6630系列精密阻抗分析仪。
作为优选地实施方式，依据各传递函数模型构建宽带电力线载波通信信道的理论模型具体为：
将各传递函数模型进行相乘，并将相乘后所得的目标函数模型作为理论模型。
具体就是根据实验环境下构建出各电力线的传递函数模型，建立低压宽带电力线载波通信信道中的信号传输衰减实测模型。具体地，较理论模型相比，实际宽带电力线载波通信信道更加复杂且带有供电支路，故其电路结构更为复杂，根据实测网络最小模型得出宽带电力线载波通信信道中信号节点与信号源之间的电压传输特性：
H＝H(lr,ZS)·H(lp,Zb1)·H(lt,Zb2)
其实就是将步骤S101中得出的各传递函数模型进行相乘，将相乘后所得的目标函数模型作为理论模型；图2为本发明实施例所提供的一种测量原理图，如图2所示，其中lr、lp、lt分别为发射端、测量端和接收端的长度，Zb1、Zb2分别为测量段和发射段的等效阻抗，Zs为接收支路的终端阻抗(在本申请实施例中选用50Ω)。
S103：对理论模型进行修正得出宽带电力线载波通信信道的实际模型以对宽带电力线载波通信信道进行研究。
在得出宽带电力线载波通信信道的理论模型之后，需要对该理论模型进行修正，得出宽带电力线载波通信信道的实际模型，最后依据该实际模型对宽带电力线载波通信信道进行研究。该步骤可根据步骤S102得出的理论模型与MATLAB完成。
作为优选地实施方式，对理论模型进行修正具体为：
依据平均误差反馈算法对理论模型进行修正。
针对实测过程中供电端模型参数的无法测算问题，需要利用平均误差反馈算法修对该理论模型进行修正。
作为优选地实施方式，依据平均误差反馈算法对理论模型进行修正具体包括：
获取各电力线的长度之和、宽带电力线载波通信信道的总阻抗、噪声参数以及误差参数；
依据长度、阻抗、噪声参数以及误差参数对理论模型进行修正。
第一，具体地就是在信号传输之前对供电侧进行预测量。根据测量数据拟合得到最符合供电支路等效模型的线缆长度lp、终端阻抗Zp。预测出对应的传递函数HS为：
Figure BDA0001741061100000081
第二，在实际应用时，根据预测量数据以及预测量传递函数仿真结果，以差值最小二乘法(LS)为目标函数评价标准，表示测量数据与仿真数据之间的差异，其评价函数为：
Figure BDA0001741061100000082
由于宽带电力线载波通信信道噪声和实验误差等干扰因素的存在，直接根据目标函数最优值获得的参数存在偏差。在测量过程中，涉及到的线路接口较为复杂，会对测量结果造成误差，所以需要考虑宽带电力线载波通信信道的噪声参数和实验误差参数的存在，修改后的传递函数为：
V＝V0Hm(f)+N(f)
其中V0为实际的输入电压的幅值，V为实际的输出的电压幅值，N(f)主要包中包含开关、插座、电线分支等处的实验误差参数。Hm为实际测量得到的传递函数值。
第三，宽带电力线载波通信信道中的有色背景噪声、宽带噪声、同步于工频的周期脉冲噪声，异步于工频的周期脉冲噪声和随机噪声等噪声在未滤除的情况下也会在整个频带上产生小幅的波动影响。在实际应用中，还需加入反馈修正的原理公式：
Figure BDA0001741061100000083
其中i、j分别为测量频点和最大测量频点，n、k、p分别为总测量点数、误差反馈级数和反馈系数，Hm(i)为第i个频点上测量的信号衰减，e(i)为仿真与测量数据之间的误差，
Figure BDA0001741061100000084
为k阶修正后第i个频点上仿真得到的信号衰减。p∈[0,1]，大小随着误差中定向影响成分比例的增大而趋近于1，当需要较高的拟合精度的时候，可以增加反馈级数k并减小每阶的反馈系数p。
本发明所提供的一种宽带电力线载波通信信道研究方法，首先获取宽带电力线载波通信信道中与各电力线对应的目标数据，并依据各目标数据构建与各电力线对应的传递函数模型；然后在再依据各传递函数模型构建宽带电力线载波通信信道的理论模型；最后对理论模型进行修正得出宽带电力线载波通信信道的实际模型以对宽带电力线载波通信信道进行研究。由此可见，该方法，可以依据获取的目标数据构建传递函数模型，最后再依据传递函数模型得出宽带电力线载波通信信道的实际模型，后期可以直接根据建立好的宽带电力线载波通信信道的实际模型对宽带电力线载波通信信道的环境以及衰减程度及时进行分析，进而可以防止数据传输受阻，提高了通信质量和通信效率。
上文中对于一种宽带电力线载波通信信道研究宽带电力线载波通信信道研究方法的实施例进行了详细描述，基于上述实施例描述的宽带电力线载波通信信道研究宽带电力线载波通信信道研究方法，本发明实施例还提供了一种与该方法对应的宽带电力线载波通信信道研究宽带电力线载波通信信道研究装置。由于装置部分的实施例与方法部分的实施例相互对应，因此装置部分的实施例请参照方法部分的实施例描述，这里不再赘述。
图3为本发明实施例所提供的一种宽带电力线载波通信信道研究宽带电力线载波通信信道研究装置组成示意图，如图3所示，该装置包括获取模块301，构建模块302以及修正模块303。
获取模块301，用于获取宽带电力线载波通信信道中与各电力线对应的目标数据，并依据各目标数据构建与各电力线对应的传递函数模型；
构建模块302，用于依据各传递函数模型构建宽带电力线载波通信信道的理论模型；
修正模块303，用于对理论模型进行修正得出宽带电力线载波通信信道的实际模型以对宽带电力线载波通信信道进行研究。
本发明所提供的一种宽带电力线载波通信信道研究宽带电力线载波通信信道研究装置，首先获取宽带电力线载波通信信道中与各电力线对应的目标数据，并依据各目标数据构建与各电力线对应的传递函数模型；然后在再依据各传递函数模型构建宽带电力线载波通信信道的理论模型；最后对理论模型进行修正得出宽带电力线载波通信信道的实际模型以对宽带电力线载波通信信道进行研究。由此可见，该装置，可以依据获取的目标数据构建传递函数模型，最后再依据传递函数模型得出宽带电力线载波通信信道的实际模型，后期可以直接根据建立好的宽带电力线载波通信信道的实际模型对宽带电力线载波通信信道的环境以及衰减程度及时进行分析，进而可以防止数据传输受阻，提高了通信质量和通信效率。
在上述实施例的基础上，作为优选地实施方式，目标数据包括各电力线的电阻、电感、电导、传输常数以及阻抗。
上文中对于一种宽带电力线载波通信信道研究方法的实施例进行了详细描述，基于上述实施例描述的宽带电力线载波通信信道研究方法，本发明实施例还提供了另一种与该方法对应的宽带电力线载波通信信道研究装置。由于装置部分的实施例与方法部分的实施例相互对应，因此装置部分的实施例请参照方法部分的实施例描述，这里不再赘述。
图4为本发明实施例所提供的另一种宽带电力线载波通信信道研究装置组成示意图，如图4所示，该装置包括存储器401和处理器402。
存储器401，用于存储计算机程序；
处理器402，用于执行计算机程序以实现上述任意一个实施例所提供的宽带电力线载波通信信道研究方法的步骤。
本发明所提供的另一种宽带电力线载波通信信道研究装置，首先获取宽带电力线载波通信信道中与各电力线对应的目标数据，并依据各目标数据构建与各电力线对应的传递函数模型；然后在再依据各传递函数模型构建宽带电力线载波通信信道的理论模型；最后对理论模型进行修正以得出宽带电力线载波通信信道的实际模型。由此可见，该装置，可以依据获取的目标数据构建传递函数模型，最后再依据传递函数模型得出宽带电力线载波通信信道的实际模型，后期可以直接根据建立好的宽带电力线载波通信信道的实际模型对宽带电力线载波通信信道的环境以及衰减程度及时进行分析，进而可以防止数据传输受阻，提高了通信质量和通信效率。
上文中对于一种宽带电力线载波通信信道研究方法的实施例进行了详细描述，基于上述实施例描述的宽带电力线载波通信信道研究方法，本发明实施例还提供了一种与该方法对应的计算机可读存储介质。由于计算机可读存储介质部分的实施例与方法部分的实施例相互对应，因此计算机可读存储介质部分的实施例请参照方法部分的实施例描述，这里不再赘述。
一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行以实现上述任意一个实施例所提供的宽带电力线载波通信信道研究方法的步骤。
本发明所提供的一种计算机可读存储介质，处理器可以读取可读存储介质中存储的程序，即可以实现上述任意一个实施例所提供的宽带电力线载波通信信道研究方法，可以依据获取的目标数据构建传递函数模型，最后再依据传递函数模型得出宽带电力线载波通信信道的实际模型，后期可以直接根据建立好的宽带电力线载波通信信道的实际模型对宽带电力线载波通信信道的环境以及衰减程度及时进行分析，进而可以防止数据传输受阻，提高了通信质量和通信效率。
以上对本发明所提供的宽带电力线载波通信信道研究方法、装置及存储介质进行了详细介绍。本文中运用几个实例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明，只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，本领域技术人员，在没有创造性劳动的前提下，对本发明所做出的修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请中。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个操作与另一个操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或者操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”等类似词，使得包括一系列要素的单元、设备或系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种单元、设备或系统所固有的要素。

Claims (6)

1.一种宽带电力线载波通信的信道研究方法，其特征在于，包括：
获取宽带电力线载波通信信道中与各电力线对应的目标数据，并依据各所述目标数据构建与各所述电力线对应的传递函数模型；
依据传输线理论以及导行波理论修正所述传递函数模型；
依据各所述传递函数模型构建所述宽带电力线载波通信信道的理论模型，具体为：将各所述传递函数模型进行相乘，并将相乘后所得的目标函数模型作为所述理论模型；
对所述理论模型进行修正得出所述宽带电力线载波通信信道的实际模型以对所述宽带电力线载波通信信道进行研究，其中，所述对所述理论模型进行修正具体为：依据平均误差反馈算法对所述理论模型进行修正；
所述依据平均误差反馈算法对所述理论模型进行修正具体包括：获取各所述电力线的长度之和、所述宽带电力线载波通信信道的总阻抗、噪声参数以及误差参数；依据所述长度、所述阻抗、所述噪声参数以及所述误差参数对所述理论模型进行修正。
2.根据权利要求1所述的宽带电力线载波通信的信道研究方法，其特征在于，所述目标数据包括所述电力线的电阻、电感、电导、传输常数以及阻抗。
3.根据权利要求1所述的宽带电力线载波通信的信道研究方法，其特征在于，所述传递函数模型具体为二径衰减宽带电力线信道模型。
4.一种宽带电力线载波通信的信道研究装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取宽带电力线载波通信信道中与各电力线对应的目标数据，并依据各所述目标数据构建与各所述电力线对应的传递函数模型；
构建模块，用于依据各所述传递函数模型构建所述宽带电力线载波通信信道的理论模型，具体为：将各所述传递函数模型进行相乘，并将相乘后所得的目标函数模型作为所述理论模型；
修正模块，用于对所述理论模型进行修正得出所述宽带电力线载波通信信道的实际模型以对所述宽带电力线载波通信信道进行研究，其中，所述对所述理论模型进行修正具体为：依据平均误差反馈算法对所述理论模型进行修正；
所述修正模块，具体用于获取各所述电力线的长度之和、所述宽带电力线载波通信信道的总阻抗、噪声参数以及误差参数；依据所述长度、所述阻抗、所述噪声参数以及所述误差参数对所述理论模型进行修正；
所述修正模块，还用于依据传输线理论以及导行波理论修正所述传递函数模型。
5.一种宽带电力线载波通信的信道研究装置，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序以实现如权利要求1至3任意一项所述宽带电力线载波通信的信道研究方法的步骤。
6.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行以实现如权利要求1至3任意一项所述宽带电力线载波通信的信道研究方法的步骤。
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