CN112491448A - 一种基于d4小波的电力线载波通信频段选择方法及装置 - Google Patents

一种基于d4小波的电力线载波通信频段选择方法及装置 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种基于D4小波的电力线载波通信频段选择方法及装置，方法步骤包括：(1)利用D4小波对来自电力线的OFDM信号进行小波塔式分解得到若干个长度相等的第一分解子序列，对所述第一分解子序列均等分段获得若干个第一序列段；(2)计算所述第一序列段的能量值及能量分布比例，根据所述能量分布比例计算判决变量；(3)统计所述判决变量大于第一阈值的个数，当所述个数的占比大于第二阈值时选择第一频段作为通信频段。利用小波在信号分析处理上的优势，从时频两个维度上更好地分析信道中的噪声信号特征及其余通信信号特征，对信道通信质量评估，从而尽可能避免与其他子网的频率碰撞，且选择通信质量较好的频段进行通信。

Description

一种基于D4小波的电力线载波通信频段选择方法及装置
技术领域
本发明属于电力系统通信领域，具体涉及一种基于D4小波的电力线载波通信频段选择方法及装置。
背景技术
泛在电力互联网与电力线有着天然联系，利用电力线进行信号传输的载波通信技术是目前该网络使用最多的通信技术。根据南方电网制定的宽带载波通信标准，载波网络的主节点在网络初始建立阶段和运行阶段可根据实际情况灵活进行频段的选择和切换，但是通信标准没有明确网络进行频段选择和切换的具体条件。传统的无线通信在通信频段的选择上是事先设定一定数量的带宽相同但中心频点不同的信道，由决策节点轮流扫描选择干扰最小的信道进行网络通信。而南方电网使用的宽带载波通信协议中，可选择的多个工作频段带宽不同，且频段之间还存在交集，而电力线的载波通信信道中还存在大量的突发信道噪声，传统的无线通信信道扫描技术并不适用于电力载波通信。
发明内容
基于此，本发明旨在提供一种基于D4小波的电力线载波通信频段选择方法及装置，利用小波信号在信号处理上的优势，帮助载波网络的主节点更好分析电力线信道情况，为通信频段选择提供更精准的参考依据。
第一方面，本发明提供一种基于D4小波的电力线载波通信频段选择方法，包括：
利用D4小波对来自电力线的OFDM信号进行小波塔式分解得到若干个长度相等的第一分解子序列，对第一分解子序列均等分段获得若干个第一序列段；
计算第一序列段的能量值及能量分布比例，根据能量分布比例计算判决变量；
统计判决变量大于第一阈值的个数，当该个数占比大于第二阈值时选择第一频段作为通信频段。
优选地，个数占比小于第二阈值时，利用D4小波对第一分解子序列进行小波塔式分解得到第二分解子序列，对第二分解子序列均等分段获得若干个第二序列段；
计算第二分解子序列的能量值差序列，统计能量值差序列中数值大于0的元素数，元素数大于第三阈值时选择第二频段作为通信频段，否则选择第三频段。
优选地，第一序列段包含128个信号值。
优选地，序列段的能量分布比例计算为
Figure BDA0002790681020000021
表示第i个第一分解子序列中第k个第一序列段的能量值，k＝1,2,…K1，K1表示第一分解子序列中第一序列段个数，n表示第一分解子序列个数。
优选地，第二序列段包含64个信号值。
优选地，第一阈值为0.8。
优选地，第二阈值为0.98。
优选地，第三阈值为K2/2，K2表示第二分解子序列中第二序列段的个数。
第二方面，本发明提供一种基于D4小波的电力线载波通信频段选择装置，包括：
小波分析模块，用于利用D4小波对信号进行小波塔式分解得到长度相等的分解子序列，并对分解子序列均等分段获得序列段；
信号能量计算模块，用于计算序列段的能量值及能量分布比例；
判决变量计算模块，用于根据能量分布比例计算序列段的判决变量；
频段选择模块，用于选择主节点的通信频段。
优选地，上述装置的小波分析模块包括第一分析单元和第二分析单元；
第一分析单元用于利用D4小波对来自电力线的OFDM信号进行小波塔式分解得到若干个长度相等的第一分解子序列，对第一分解子序列均等分段获得若干个第一序列段；
第二分析单元用于利用D4小波对第一分解子序列进行小波塔式分解得到第二分解子序列，对第二分解子序列均等分段获得若干个第二序列段。
优选地，信号能量计算模块还包括能量值差计算单元，用于计算序列段的能量值差序列。
第三方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，包括存储器和处理器；
存储器存储有执行程序，当执行程序被处理器执行时用于实现第一方面提供的基于D4小波的电力线载波通信频段选择方法。
从以上技术方案可以看出，本发明具有如下有益效果：
本发明提供一种基于D4小波的电力线载波通信频段选择方法及装置，利用小波在信号分析处理上的优势，对主节点接收的信号进行小波塔式分解并比较信号序列段的能量大小及分布，从时频两个维度上更好地分析信道中的噪声信号特征及其余通信信号特征，对信道通信质量评估，从而尽可能避免与其他子网的频率碰撞，且选择通信质量较好的频段进行通信。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1本发明一种实施例提供的基于D4小波的电力线载波通信频段选择方法实施流程图
图2本发明一种实施例中接收信号判决变量数值大小示意图
图3本发明另一实施例提供的基于D4小波的电力线载波通信频段选择装置
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅图1，本实施例提供一种基于D4小波的电力线载波通信频段选择方法，以南方电网的宽带载波通信系统为例进行说明。
在南方电网制定的宽带载波通信标准中，为更好应对一个台区内多个载波网络共存问题，允许载波网络的主节点(CCO)在网络初始建立阶段和网络运行阶段，根据实际情况来灵活进行频段的选择和切换，其中允许使用的频段资源如下表所示，
频段编号 频段范围(MHz) 载波起始编号 载波截止编号
0 1.953-11.96 80 490
1 2.441-5.615 100 230
2 0.781-2.930 32 120
3-4 保留 --- ---
由于主节点是载波通信网络的管理节点，也是通信工作频段的决策者，其在选择通信频段时需要根据可接收的参考信息进行选择。
本实施例中南方电网的宽带载波通信系统的物理层采用OFDM体制，在频域上的发送信号表示为X＝(X1,X2,...,XN)T，频域信号经过逆傅里叶变换成为时域OFDM信号，记为x＝F*X＝(x1,x2,...,xN)，其中F表示归一化后的离散傅里叶变化矩阵，F*表示矩阵F的共轭转置。
时域信号x插入一段长度为M的循环前缀后记为
Figure BDA0002790681020000041
将信号
Figure BDA0002790681020000042
送入信道，则主节点接收到的时域信号表示为
Figure BDA0002790681020000043
其中H表示信道矩阵，w表示满足高斯分布的噪声。
对载波网络的主节点而言，从理论上说，没有其它子网使用且背景噪声水平最低的频段是最优的，因此主节点在进行频段选择时，即需要检测其它子网的存在性，又进行背景噪声的特征评估。
因此在进行频段选择时，本实施方法具体为：
记时域的采样数字信号序列为x＝[x1,x2,...,xNT]，N表示接收端的信号采样率，T表示频段选择的决策时长。由于载波信号的工作频率很低，基带信号即是通信信号，没有传统无线信号的高频调制过程，也没有实部信号和虚部信号的混合，因此采样信号就是单路的实信号。
利用D4小波对信号x进行经典小波塔式分解得到若干个长度相等的第一分解子序列，这里分解为2个长度都为NT/2的分解子序列，分别记为c＝[c1,c2,...,cNT/2]和d＝[d1,d2,...,dNT/2]，对分解子序列c和d分别进行分段，每段含128个数值，则子序列c和d的第一序列段数均为K1＝NT/256。其中T可灵活设置，保证K1为整数。
依次计算分解子序列c的K1个第一序列段的能量值，记为
Figure BDA0002790681020000051
依次计算分解子序列d的K1个第一序列段的能量值，记为
Figure BDA0002790681020000052
序列段的能量分布比例计算为
Figure BDA0002790681020000053
表示第i个第一分解子序列中第k个第一序列段的能量值，k＝1,2,…K1，K1表示第一分解子序列中第一序列段个数，n表示第一分解子序列个数；
则分解子序列c的K1个第一序列段的能量分布比例计算为
Figure BDA0002790681020000054
分解子序列d的K1个第一序列段的能量分布比例计算为
Figure BDA0002790681020000055
利用下式根据能量分布比例计算K1个判决变量
Figure BDA0002790681020000056
计算上述K1个判决变量数值小于第一阈值0.8的个数记为K10，当K10/K1＞0.98时，认为整个频段中基本不含有其他通信信号，选择上表中编号0，范围为1.953-11.96MHz的频段作为主节点所在子网的通信频段。
电力线信道存在诸多干扰源且产生诸多类型的干扰信号，但一般而言其在时域上的占比比较低。如果接收信号中不含有通信信号的成分，排除时域占比较低的干扰信号后，其余时间段的采样信号则为满足高斯分布的背景白噪声的信号，而仿真结果表明，如果接收信号为白噪声信号，则决大部分的判决变量数值都是小于0.8的，如图2所示，1000个白噪声信号中只有2个信号的判决变量大于0.8，所以当超过第二阈值98％的判决变量都小于0.8，则可以认为接收信号中没有其它通信信号的存在,，因此主节点选择最大带宽，编号为0的全频段来作为工作频段。
K10/K1≤0.98时认为存在通信信号，不宜考虑全频段通信，此时利用D4小波对分解子序列c＝[c1,c2,...,cNT/2]进行经典小波塔式分解得到长度相等的第二分解子序列cc＝[cc1,cc2,...,ccNT/4]和cd＝[cd1,cd2,...,cdNT/4]，对分解子序列cc和cd分别进行分段，每段含64个数值，则子序列cc和cd的第二序列段数均为K2＝NT/256。
依次计算分解子序列cc的K2个第二序列段的能量值，记为
Figure BDA0002790681020000061
依次计算分解子序列cd的K2个第二序列段的能量值，记为
Figure BDA0002790681020000062
计算第二分解子序列的能量值差序列，统计能量值差序列中数值大于0的元素数，元素数大于第三阈值时选择第二频段作为通信频段，否则选择第三频段。
则子序列cc和cd的能量值差序列计算为Δ＝Pcc-Pcd＝[Δ1,Δ2,...,ΔK]，计算序列Δ中数值大于0的元素数，记为X，对于主节点而言，如果X＞K2/2，选择上表中编号为1，范围为2.441-5.615MHz的频段作为主节点所在子网的通信频段，否则选择编号为2，范围为0.781-2.930MHz的频段作为主节点所在子网的通信频段。
参阅图3，本实施例提供一种基于D4小波的电力线载波通信频段选择装置，用于实现前述实施例的基于D4小波的电力线载波通信频段选择方法，包括：
小波分析模块，用于利用D4小波对信号进行小波塔式分解得到长度相等的分解子序列，并对分解子序列均等分段获得序列段；
信号能量计算模块，用于计算序列段的能量值及能量分布比例；
判决变量计算模块，用于根据能量分布比例计算序列段的判决变量；
频段选择模块，用于选择主节点的通信频段。
上述装置的小波分析模块包括第一分析单元和第二分析单元；
第一分析单元用于利用D4小波对来自电力线的OFDM信号进行小波塔式分解得到若干个长度相等的第一分解子序列，对第一分解子序列均等分段获得若干个第一序列段；
第二分析单元用于利用D4小波对第一分解子序列进行小波塔式分解得到第二分解子序列，对第二分解子序列均等分段获得若干个第二序列段。
信号能量计算模块还包括能量值差计算单元，用于计算序列段的能量值差序列。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，包括存储器和处理器；
存储器存储有执行程序，当执行程序被处理器执行时用于实现第一方面提供的基于D4小波的电力线载波通信频段选择方法。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于D4小波的电力线载波通信频段选择方法，其特征在于，包括：
利用D4小波对来自电力线的OFDM信号进行小波塔式分解得到若干个长度相等的第一分解子序列，对所述第一分解子序列均等分段获得若干个第一序列段；
计算所述第一序列段的能量值及能量分布比例，根据所述能量分布比例计算判决变量；
统计所述判决变量大于第一阈值的个数，当所述个数的占比大于第二阈值时选择第一频段作为通信频段。
2.根据权利要求1所述的基于D4小波的电力线载波通信频段选择方法，其特征在于，所述个数的占比小于所述第二阈值时，利用D4小波对所述第一分解子序列进行小波塔式分解得到第二分解子序列，对所述第二分解子序列均等分段获得若干个第二序列段；
计算所述第二分解子序列的能量值差序列，统计所述能量值差序列中数值大于0的元素数，所述元素数大于第三阈值时选择第二频段作为通信频段，否则选择第三频段。
3.根据权利要求1所述的基于D4小波的电力线载波通信频段选择方法，其特征在于，所述能量分布比例计算为
Figure FDA0002790681010000011
表示第i个第一分解子序列中第k个第一序列段的能量值，k＝1,2,…K1，K1表示第一分解子序列中第一序列段个数，n表示第一分解子序列个数。
4.根据权利要求1所述的基于D4小波的电力线载波通信频段选择方法，其特征在于，所述第一序列段包含128个信号值。
5.根据权利要求2所述的基于D4小波的电力线载波通信频段选择方法，其特征在于，所述第二序列段包含64个信号值。
6.根据权利要求2所述的基于D4小波的电力线载波通信频段选择方法，其特征在于，所述第三阈值为K2/2，K2表示所述第二分解子序列中第二序列段的个数。
7.一种基于D4小波的电力线载波通信频段选择装置，其特征在于，包括：
小波分析模块，用于利用D4小波对信号进行小波塔式分解得到长度相等的分解子序列，并对分解子序列均等分段获得序列段；
信号能量计算模块，用于计算所述序列段的能量值及能量分布比例；
判决变量计算模块，用于根据所述能量分布比例计算序列段的判决变量；
频段选择模块，用于选择主节点的通信频段。
8.根据权利要求7所述的基于D4小波的电力线载波通信频段选择装置，其特征在于，所述小波分析模块包括第一分析单元和第二分析单元；
所述第一分析单元用于利用D4小波对来自电力线的OFDM信号进行小波塔式分解得到若干个长度相等的第一分解子序列，对所述第一分解子序列均等分段获得若干个第一序列段；
所述第二分析单元用于利用D4小波对所述第一分解子序列进行小波塔式分解得到第二分解子序列，对所述第二分解子序列均等分段获得若干个第二序列段。
9.根据权利要求7所述的基于D4小波的电力线载波通信频段选择装置，其特征在于，所述信号能量计算模块还包括能量值差计算单元，用于计算所述序列段的能量值差序列。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括存储器和处理器，
所述存储器存储有执行程序，当所述执行程序被所述处理器执行时用于实现权利要求1-6任一项所述的基于D4小波的电力线载波通信频段选择方法。
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