CN109639319A - 一种基于复杂电力线拓扑环境下的多源端噪声建模方法 - Google Patents

一种基于复杂电力线拓扑环境下的多源端噪声建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于复杂电力线拓扑环境下的多源端噪声建模方法，它包括：S1：分析电力线网络拓扑的信号源端噪声数量及装置；S2：根据步骤S1中的噪声数量及装置得到源端噪声模型和传输函数；S3：对源端噪声模型和传输函数进行分析、叠加，在接收端得到基于多源端电力线信道噪声。本发明提出了一种基于实际应用环境下，针对复杂电力线网络拓扑结构下对接收端噪声建模的方法，针对接收端噪声波形过于复杂，参数难以提取的情况，采用从单一源端噪声建模出发，结合多节点信道响应建模方法对整个电力线网络拓扑结构进行分析，计算出各源端与接收端之间的信道传输特性，最后在接收端进行综合建模的方法。

Description

一种基于复杂电力线拓扑环境下的多源端噪声建模方法
技术领域
本发明涉及电力线信道技术领域，特别是一种基于复杂电力线拓扑环境下的多源端噪声建模方法。
背景技术
PLC通信由于其不占频谱资源，成本低廉、范围广泛、实时在线、移动方便以及通信速率快等诸多优点，成为一种越来越受到研究人员广泛关注的通信技术，而近年来在能源信息化的大背景下，智能电网、物联网、能源互联网等一系列概念的相继提出，PLC通信技术在能源计量和控制方面的优势十分明显，成为一种适应时代潮流的新兴技术，具有极其广大的发展前景。现如今，自动抄表(Automated Meter Reading,AMR)和自动化仪表管理(Automated Meter Management,AMM)等技术已经在部分地区得到推广。
宽带电力线通信中的噪声远比其他专用通信线路中的噪声复杂，是研究电力线通信的难点。电力线开放式信道环境下的宽带电力线噪声骚扰是影响其性能的最重要因素。目前电力线噪声主要研究理论建模，缺乏噪声硬件实现方法的研究。
较其他传统通信信道不同，电力线通信信道的噪声干扰十分复杂，大致可以分为背景噪声和脉冲噪声两类，主要影响通信质量的是信道中的脉冲噪声，因此噪声建模大多集中在对脉冲噪声特性的分析与建模上。
低压电力线噪声对电力线通信性能有很大的影响，尤其是脉冲噪声，严重时甚至会阻隔整个通信系统的正常通信。因此，为保证电力线通信系统正常工作，对电力线噪声的建模势在必行。目前的建模大多是针对接收端测量得到的噪声进行建模，主要采用的建模方法有Markov建模法和Markov-Middleton建模法。但在实际建模过程中，由于电力线网络的复杂拓扑结构，各个不同位置噪声源产生的脉冲噪声互相混叠，造成接收端噪声难以建模的问题。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的就是提供一种基于复杂电力线拓扑环境下的多源端噪声建模方法，提出了一种从多个噪声源端出发，通过多节点宽带低压电力线信道响应建模方法，将接收端噪声转换为通过多源噪声叠加的方式建模得到的噪声。
本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，一种基于复杂电力线拓扑环境下的多源端噪声建模方法，它包括有：
S1：分析电力线网络拓扑的信号源端噪声数量及装置；
S2：根据步骤S1中的噪声数量及装置得到源端噪声模型和传输函数；
S3：对源端噪声模型和传输函数进行分析、叠加，在接收端得到基于多源端电力线信道噪声。
进一步，所述步骤S2中的源端噪声模型具体如下：
源端噪声模型的概率密度函数为：其中，p′m表示从瞬时转移状态到m状态的转移概率，
pm表示m状态发生概率，
表示特定状态的噪声方差，
P表示的是一个Markov状态转移矩阵
参数nk是脉冲噪声样本；m表示每个时间样值的随机噪声状态，m∈(m＝0,1,2,3,...)；A是冲击指数，等于单位时间内接收的平均脉冲数与脉冲持续时间的乘积；Γ是高斯噪声分量的平均功率与冲击噪声分量的平均功率比率，x为状态转移概率。
进一步，状态转移概率x可以通过实测噪声样本的平均脉冲宽度得到，
进一步，得到基于多源端电力线信道噪声的具体过程还包括有：
计算第ni个子网络参量矩阵有
通过对子网络参量矩阵的累乘得到完整网络的参量矩阵Ts,t，有
根据以上的矩阵即可得到式(4)所示的s与t见得信号响应Hs,t，有
其中，s为信号节点，t为接收节点；
P为收发节点主干节点集，且n∈{P|s→t}；
ni为节点集P的第i个节点；
为节点ni的等效阻抗；
为分支线路参量矩阵；
为节点ni的子网络参量矩阵；
Ts,t为对子网络参量矩阵的累乘得到完整网络的参量矩阵；
N为节点集P内的节点总个数；
为源节点s至第一个中间节点m0的级联参量矩阵；
为最后一个中间节点mN至端节点t的级联参量矩阵；
Hs,t为信号节点s与接收节点t的信号响应；
Zs为发送端源端阻抗；
Zt为接收端负载阻抗。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：本发明提出了一种基于实际应用环境下，针对复杂电力线网络拓扑结构下对接收端噪声建模的方法，针对接收端噪声波形过于复杂，参数难以提取的情况，采用从单一源端噪声建模出发，结合多节点信道响应建模方法对整个电力线网络拓扑结构进行分析，计算出各源端与接收端之间的信道传输特性，最后在接收端进行综合建模的方法。本发明能够有效的针对复杂的接收端噪声进行建模，并且建模效果相对准确。
本发明采用的多节点信道响应建模方法以收发节点主干节点集合中的节点为中心，与相邻主干节点的电力线缆中点为虚拟中间节点，进而构建以虚拟中间节点为边界、以主干节点为中心的子网络，通过对子网络的累乘过程计算收发节点之间的信道传输函数。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。
附图说明
本发明的附图说明如下：
图1为基于复杂电力线拓扑环境下的多源端噪声建模方法的逻辑框图。
图2为树状低压配电网拓扑结构。
图3为多源端噪声建模方法的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例，如图1至图3所示；一种基于复杂电力线拓扑环境下的多源端噪声建模方法，它包括有：
S1：分析电力线网络拓扑的信号源端噪声数量及装置；
S2：根据步骤S1中的噪声数量及装置得到源端噪声模型和传输函数；
S3：对源端噪声模型和传输函数进行分析、叠加，在接收端得到基于多源端电力线信道噪声。
步骤S2中的源端噪声模型具体如下：
源端噪声模型的概率密度函数为：
其中，p′m表示从瞬时转移状态到m状态的转移概率，
pm表示m状态发生概率，
表示特定状态的噪声方差，
P表示的是一个Markov状态转移矩阵，
参数nk是脉冲噪声样本；m表示每个时间样值的随机噪声状态，m∈(m＝0,1,2,3,...)；A是冲击指数，等于单位时间内接收的平均脉冲数与脉冲持续时间的乘积。
该Markov-Middleton模型可以由条件高斯分布噪声序列表示。噪声样本是一个具有Markov性质的脉冲序列，每个时间样值是用随机噪声状态m表示。该噪声状态是从集合m∈(m＝0,1,2,3,...)中选择，且其服从Markov分布，如式(5)所示。依据式(2)每个噪声样本都呈高斯分布，它的方差是由噪声状态m决定。
Γ是高斯噪声分量的平均功率与冲击噪声分量的平均功率比率，x为状态转移概率。状态转移概率x可以通过实测噪声样本的平均脉冲宽度得到，
本发明直接使用Markov-Middleton脉冲噪声模型建模源端脉冲噪声。该模型可以很好地应用于源端单一脉冲噪声的建模，在PDF等统计特性上以及脉冲时间相关性上都表现良好。然而在实际场景下，针对接收端噪声建模，由于复杂的拓扑环境以及多个源端噪声的共同影响，导致接收端噪声具有相当复杂的特性，难以直接提取出关键参数进行建模，因此直接采用Markov-Middleton脉冲噪声模型建模接收端脉冲噪声并不实用。本发明提出了基于复杂拓扑环境下的多源端噪声建模方法，其核心在于利用多节点宽带低压电力线信道响应建模方法计算出各源端与接收端之间的H(f)。
传统信道建模方法大多基于点对点信道，而电力线网络本质是一个多路由多节点的通信网络，因此传统的信道建模方法在表现实际电力线网络通信信道特性上的局限性很大。基于这样一个问题，发明提出了一种基于多节点电力线信道建模方法，以分支节点为子网络中心对网络进行拆分，最后实现对整个多节点复杂拓扑网络的信道建模。
根据二端口模型理论，能够在任意信号的发送端s和接收端t之间通过图论的方式分析沿途各节点的并联分支线路状况以计算该拓扑下节点间信道频率响应。发明以收发节点主干接点集合中的节点为中心，进而构建以虚拟中间节点为边界、以主干节点为中心的子网络，将求解过程简化为子网络的累乘过程，无须区分电力传输线、分支线路或并联负载的情况。
得到基于多源端电力线信道噪声的具体过程还包括有：
计算第ni个子网络参量矩阵有
通过对子网络参量矩阵的累乘得到完整网络的参量矩阵Ts,t，有
根据以上的矩阵即可得到式(4)所示的s与t见得信号响应Hs,t，有
其中，s为信号节点，t为接收节点；
P为收发节点主干节点集，且n∈{P|s→t}；
ni为节点集P的第i个节点；
为节点ni的等效阻抗；
为分支线路参量矩阵；
为节点ni的子网络参量矩阵；
Ts,t为对子网络参量矩阵的累乘得到完整网络的参量矩阵；
N为节点集P内的节点总个数；
为源节点s至第一个中间节点m0的级联参量矩阵；
为最后一个中间节点mN至端节点t的级联参量矩阵；
Hs,t为信号节点s与接收节点t的信号响应；
Zs为发送端源端阻抗；
Zt为接收端负载阻抗。
根据以上步骤方法即可得到在整个复杂电力线拓扑结构环境下，各个不同节点位置源端噪声到接收端的传输函数等等，结合前面的源端噪声的时域建模，即可完成整个基于多源端噪声的建模。
图2所示的是典型的树状低压配电网拓扑结构，图中的每一个节点都有可能是噪声源端节点，并且噪声源端节点数量不唯一，从图2可以看出电力线网络的拓扑结构是十分复杂的，其分支数量巨大，且分支上也会有分支，这就噪声了电力线网络中的传输函数计算十分困难，因此寻找一个精确的H(f)建模方法十分有必要。本发明采用的多节点信道响应建模方法以收发节点主干节点集合中的节点为中心，与相邻主干节点的电力线缆中点为虚拟中间节点，进而构建以虚拟中间节点为边界、以主干节点为中心的子网络，通过对子网络的累乘过程计算收发节点之间的信道传输函数。
本发明的有益效果在于，本发明提出从各个源端噪声的时域建模方法出发，采用经典的Markov-Middleton模型对单一源端噪声进行建模，重现其时域特性，然后通过对各源端与接收端之间的拓扑结构进行计算得到不同的传输函数最后综合源端噪声的时域模型与传输函数后得到各个源端噪声在接收端的实际波形，再通过噪声叠加的方式实现对复杂接收端噪声的时域建模。
提供从多源端出发的基于电力线信道接收端的噪声建模方法，这一方法有效规避了接收端噪声参数难以提取的问题，并且考虑到了现实场景中电力线网络复杂拓扑结构特性以及多源端噪声共同作用的特性。本发明提供的接收端脉冲噪声建模方法准确，能够很好的满足实验室模拟现实场景电力线中接收端脉冲噪声的要求。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于复杂电力线拓扑环境下的多源端噪声建模方法，其特征在于，所述方法步骤如下：
S1：分析电力线网络拓扑的信号源端噪声数量及装置；
S2：根据步骤S1中的噪声数量及装置得到源端噪声模型和传输函数；
S3：对源端噪声模型和传输函数进行分析、叠加，在接收端得到基于多源端电力线信道噪声。
2.如权利要求1所述的基于复杂电力线拓扑环境下的多源端噪声建模方法，其特征在于，所述步骤S2中的源端噪声模型具体如下：
源端噪声模型的概率密度函数为：
其中，p′m表示从瞬时转移状态到m状态的转移概率，
pm表示m状态发生概率，
表示特定状态的噪声方差，
P表示的是一个Markov状态转移矩阵
参数nk是脉冲噪声样本；m表示每个时间样值的随机噪声状态，m∈(m＝0,1,2,3,...)；A是冲击指数，等于单位时间内接收的平均脉冲数与脉冲持续时间的乘积；Γ是高斯噪声分量的平均功率与冲击噪声分量的平均功率比率，x为状态转移概率。
3.如权利要求2所述的基于复杂电力线拓扑环境下的多源端噪声建模方法，其特征在于，状态转移概率x可以通过实测噪声样本的平均脉冲宽度得到，
4.如权利要求1所述的基于复杂电力线拓扑环境下的多源端噪声建模方法，其特征在于，得到基于多源端电力线信道噪声的具体过程还包括有：
计算第ni个子网络参量矩阵有
通过对子网络参量矩阵的累乘得到完整网络的参量矩阵Ts,t，有
根据以上的矩阵即可得到式(4)所示的s与t见得信号响应Hs,t，有
其中，s为信号节点，t为接收节点；
P为收发节点主干节点集，且n∈{P|s→t}；
ni为节点集P的第i个节点；
为节点ni的等效阻抗；
为分支线路参量矩阵；
为节点ni的子网络参量矩阵；
Ts,t为对子网络参量矩阵的累乘得到完整网络的参量矩阵；N为节点集P内的节点总个数；
为源节点s至第一个中间节点m0的级联参量矩阵；
为最后一个中间节点mN至端节点t的级联参量矩阵；
Hs,t为信号节点s与接收节点t的信号响应；
Zs为发送端源端阻抗；
Zt为接收端负载阻抗。
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