CN112787790B - 电力通信系统的跳频多载波通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力通信系统的跳频多载波通信方法，包括获取电力系统需要发送的串行数据流；将串行数据流进行串/并转换并送入子信道；子信道进行PSK映射和跳频处理；将数据叠加后耦合送入PLC信道；PLC节点用户数据复用；接收端对接收到的复用数据解跳，送入接收端处理子信道进行相关接收、采样、并/串转换和判决，得到最终的发送数据。本发明构造出了科学合理的跳频序列集合，同时采用非均匀跳频序列的跳频多载波通信方法，能够有效避免PLC通信中的多种干扰信号，提高系统的传输性能，而且本发明方法能够有效降低PLC用户互干扰，而且带宽利用率高、抗干扰能力强。

Description

电力通信系统的跳频多载波通信方法

技术领域

本发明属于电力通信领域，具体涉及一种电力通信系统的跳频多载波通信方法。

背景技术

随着经济技术的发展和人们生活水平的提高，电能已经成为了人们生产和生活中必不可少的二次能源，给人们的生产和生活带来了无尽的便利。因此，电力系统的稳定可靠运行，就成为了电力系统最重要的任务之一。

电力通信系统是电力系统的重要组成部分。电力线通信具有较严重的干扰。这些干扰包括：电力线上电器设备启停产生脉冲干扰，电力上的加性干扰和信道频率选择性衰落等。电力线通信信道的衰落特性如下：随着频率增加，衰减越大；另外，信道衰减还具有频率选择性特点。PLC信道的频率特性如图1所示。图1是4路径下的PLC衰落信道特性。噪声干扰一般建模为Middleton A-类模型，其密度分布函数如图2所示。

为了提高PLC信道传输速率，降低PLC的频率选择性衰落，PLC一般都采用多载波(OFDM)调制方式。多载波OFDM将高速的串行数据变成低速的并行数据，从而降低信号带宽，减小PLC的频率选择性衰落的影响。由图1看出，PLC的信号的工作频段[0.3MHz，20MHz]中，不同频段的衰减幅度不尽相同。若采用传统的OFDM调制方式，每个子信道的使用概率都基本相同。也就是说，信道质量差的信道频段的使用概率，与信道质量好的信道的使用概率是相同的。这种传统的OFDM传输方式，不能区别利用信道质量来传输信息。在信道传递函数H(f)小对应的频率上传输信息的质量较差，例如|H(f)|<-20dB的频带(频点)有4MHZ附近，10MHZ～12MHZ，和15MHz～20MHz。但如果直接将这些质量差的频带剔除不用，则可用带宽又较少，这是不可取。

因此，目前的电力通信中，并没有一种能够全面利用[0.3MHz，20MHz]中的可用带宽，又能够有效避开深度衰落的频点，保证较低的PLC用户互干扰的通信方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够有效降低PLC用户互干扰，而且带宽利用率高、抗干扰能力强的电力通信系统的跳频多载波通信方法。

本发明提供的这种电力通信系统的跳频多载波通信方法，包括如下步骤：

S1.获取电力系统需要发送的串行数据流；

S2.将步骤S1获取的串行数据流进行串/并转换，并送入对应的子信道；

S3.每个子信道对接收到的数据进行PSK映射和跳频处理；

S4.将步骤S3得到的各个子信道的数据叠加后得到跳频多载波信号，并耦合送入PLC信道；

S5.在PLC信号中，若干个PLC节点用户数据进行复用；

S6.接收端对接收到的若干个PLC用户的复用数据进行解跳，并送入接收端处理子信道；

S7.每个接收端处理子信道进行相关接收、采样、并/串转换和判决，从而得到最终的发送数据。

步骤S3所述的每个子信道对接收到的数据进行PSK映射和跳频处理，具体为采用如下步骤进行处理：

A.每个子信道上的数据符号的带宽为f_d，OFDM具有N_a个子信道，此时一个OFDM符号占据的带宽为f_d·N_a；

B.将频段[0.3MHz,20MHz]等分为q＝W/(f_dN_a)个子频段，从而形成子频段集合{f_h|h＝1,2,...,q}；

C.OFDM符号中心频率依据构造得到的跳频序列

在子频段集合{f_h|h＝1,2,...,q}中跳变；跳变满足：

|f_h-f_j|≥f_dN_a

式中h≠j；f_j为子频段的另一个频点{f_j|j＝1,2,...,q}。

D.针对不同用户k，使用的跳频序列不同。

步骤C所述的构造得到的跳频序列

具体为采用如下步骤构造得到跳频序列

a.选取q为素数次幂，同时规定trⁿ(x)为有限域GF(qⁿ)到GF(q)上的迹函数；α为GF(qⁿ)的一个生成元；l为一个整数，且满足l|qⁿ-1和

gcd(aa,bb)为aa和bb的最大公因子；β＝α^l为

次本原单位根；

b.采用如下算式生成序列R⁰：

式中

trⁿ(x)为迹函数，即

c.设定m₁,m₂,m₃,...为各不相同的正整数，且满足

和

j取值为j＝1,2,3,...；从而得到

次本原单位根

d.采用如下算式构造序列：

……

式中

j＝1,2,3,...；

e.通过选取所有的m₁,m₂,m₃,...的值，构造得到序列集

步骤S4所述的将步骤S3得到的各个子信道的数据叠加后得到跳频多载波信号，具体为将步骤S3得到的N_a个子信道的数据叠加后得到跳频多载波信号S^(k)(t)：

式中P^(k)为发送功率；

为串行数据流中的第l个数据；T为一个跳频符号宽度；t为时间变量，且nT≤t＜(n+1)T；

为构造得到的跳频序列；f_d为每个子信道上的数据符号的带宽；N_a为OFDM具有的子信道的个数；n为跳频符号的标号。

步骤S5所述的若干个PLC节点用户数据进行复用，具体为采用如下算式表示复用后的信号r(t)：

式中

为在PLC信道频点

上的衰减程度；S^(k)(t)为步骤S4得到的跳频多载波信号；η(t)为加性噪声干扰；τ_k为用户k的接入时延。

本发明提供的这种电力通信系统的跳频多载波通信方法，构造出了科学合理的跳频序列集合，同时采用非均匀跳频序列的跳频多载波通信方法，能够有效避免PLC通信中的多种干扰信号，提高系统的传输性能，而且本发明方法能够有效降低PLC用户互干扰，而且带宽利用率高、抗干扰能力强。

附图说明

图1为现有的PLC信道的频率选择性衰减特性示意图。

图2为现有的PLC信道的加性噪声概率密度函数示意图。

图3为本发明方法的方法流程示意图。

图4为本发明方法的系统流程示意图。

图5为本发明方法的跳频多载波通信中频点跳变情况示意图。

具体实施方式

如图3所示为本发明方法的方法流程示意图，图4则为本发明方法的系统流程示意图：本发明提供的这种电力通信系统的跳频多载波通信方法，包括如下步骤：

本发明在PLC通信的多载波OFDM调制方案上，在每个OFDM子信道上加入跳频模块，形成跳频OFDM系统，如图4所示；跳频模块中的跳频序列c_n ^(k)的结构是决定跳频多载波系统抵抗干扰和多址接入能力的关键部分；本发明进而设计了一类具有非均匀分布的跳频序列集合；这类跳频的各频点出现次数与信道衰减质量密切相关，也就是说，信道传递函数|H(f)|大时，多使用该对应的频点传输信息；|H(f)|小时，尽量少使用该频点；除此之外，该类跳频序列集合的序列汉明互相关和自相关尽可能低，这样才能有效消除PLC通信中的多径干扰和多用户干扰；

S1.获取电力系统需要发送的串行数据流；

S2.将步骤S1获取的串行数据流进行串/并转换，并送入对应的子信道；

具体地，将串行数据流

通过串/并转换，将串行数据流中的数据

对应送入子信道l；

S3.每个子信道对接收到的数据进行PSK映射和跳频处理；具体为采用如下步骤进行处理：

A.每个子信道上的数据符号的带宽为f_d，OFDM具有N_a个子信道，此时一个OFDM符号占据的带宽为f_d·N_a；

B.将频段[0.3MHz,20MHz]等分为q＝W/(f_dN_a)个子频段，从而形成子频段集合{f_h|h＝1,2,...,q}；

C.OFDM符号中心频率依据构造得到的跳频序列

在子频段集合{f_h|h＝1,2,...,q}中跳变；跳变满足：

|f_h-f_j|≥f_dN_a

式中h≠j；f_j为子频段的另一个频点{f_j|j＝1,2,...,q}。

设计的跳频多载波通信方案如图5所示；

具体实施时，采用如下步骤构造得到跳频序列

a.选取q为素数次幂，同时规定trⁿ(x)为有限域GF(qⁿ)到GF(q)上的迹函数；α为GF(qⁿ)的一个生成元；l为一个整数，且满足l|qⁿ-1和

gcd(aa,bb)为aa和bb的最大公因子；β＝α^l为

次本原单位根；

b.采用如下算式生成序列R⁰：

式中

trⁿ(x)为迹函数，即

c.设定m₁,m₂,m₃,...为各不相同的正整数，且满足

和

j取值为j＝1,2,3,...；从而得到

次本原单位根

d.采用如下算式构造序列：

……

式中

j＝1,2,3,...；

e.通过选取所有的m₁,m₂,m₃,...的值，构造得到序列集

D.针对不同用户k，使用的跳频序列不同；

S4.将步骤S3得到的各个子信道的数据叠加后得到跳频多载波信号，并耦合送入PLC信道；具体为将步骤S3得到的N_a个子信道的数据叠加后得到跳频多载波信号S^(k)(t)：

式中P^(k)为发送功率；

为串行数据流中的第l个数据；T为一个跳频符号宽度；t为时间变量，且nT≤t＜(n+1)T；

为构造得到的跳频序列；f_d为每个子信道上的数据符号的带宽；N_a为OFDM具有的子信道的个数；n为跳频符号的标号。

S5.在PLC信号中，若干个PLC节点用户数据进行复用；具体为采用如下算式表示复用后的信号r(t)：

式中

为在PLC信道频点

上的衰减程度；S^(k)(t)为步骤S4得到的跳频多载波信号；η(t)为加性噪声干扰；τ_k为用户k的接入时延；

S6.接收端对接收到的若干个PLC用户的复用数据进行解跳，并送入接收端处理子信道；

S7.每个接收端处理子信道进行相关接收、采样(在(n+1)T时刻进行采样得到采样值)、并/串转换和判决，从而得到最终的发送数据。

针对本发明方法中所构造的跳频序列

进行如下说明：

定义：设F＝{f₁,f₂,...,f_q}为大小为q的频隙集，令S＝{S¹,S²,...,S^M}为频隙集F上序列数目和长度分别为M和L的序列集，其中

定义h(a,b)＝1当且仅当a＝b，否则h(a,b)＝0，这样汉明相关函数定义为

式中，Sⁱ,S^j∈S，

为相对时延，且符号下标是在模L下运算的；

对于序列集S，其最大汉明自相关、最大汉明互相关和最大汉明相关定义为

H_a＝{H(Sⁱ,Sⁱ；T)|Sⁱ∈S,0＜T≤L-1}

H_c＝{H(Sⁱ,S^j；T)|Sⁱ,S^j∈S,i≠j,0≤T≤L-1}

H_m＝max{H_a,H_c}

同时对于定理：

序列集S包含

个序列，φ为欧拉函数，且最大汉明自相关为

最大汉明互相关不超过q+1；不同频点在同一序列中出现次数具有不均匀特性(设w₁,w₂,…,w_q为分别为GF(q)中q个元素在一条序列中出现的次数)，即w₁,w₂,…,w_q不全等。

证明过程如下：

由于

且

所以序列个数为

令m₀＝1，对于序列Rⁱ和R^j，0≤i,j

两者在相对时延为T，

下的汉明相关值为

如果i＝j，则上式变为

显然，当

时，根据迹函数性质，且β为

次本原单位根，上式的解的个数为

所以，最大汉明自相关为

对于i≠j，首先要求

的根，则考虑如下两个等式

要求H(Rⁱ,R^j；T)式的根的个数，则只需求出上述两式关于x的根的个数之和除以2即可得到。显然，

和

是GF(q)上的二次型。根据其性质，H(Rⁱ,R^j；T)式最多有

个根。所以当0

最大汉明互相关不超过q+1。

由于

均为

次本原单位根，即

时，

遍历的频点次数一致，所以每一个频点在各个序列的次数一致。

设w₁,w₂,…,w_q分别为GF(q)中q个元素在同一序列中出现的次数，则根据最大汉明自相关为

可以得到该条序列的汉明总自相关(包括时延T＝0)为

根据Cauchy不等式

又因为

所以上式变为

而上式取等号的充要条件为w₁＝w₂＝…＝w_q，又由于

说明

等式没有取得最小值，所以w₁,w₂,…,w_q不全相等。

证明完毕。

以下，再结合一个例子，进行比较：

本发明提出的非均匀跳频序列

当q＝7，l＝3，n＝2，则可以得到序列集S＝{R⁰,R¹}，其中

R⁰＝(2,3,4,1,0,1,3,3,5,4,3,6,0,6,4,4)

R¹＝(2,1,3,4,0,4,4,1,5,6,4,3,0,3,3,6)

容易验证，序列集S的最大汉明自相关值为2，最大汉明互相关值为6。在R⁰和R¹中，频点2和5均出现1次，频点0,1,6均出现2次，频点3和4均出现4次。这样，信道质量最差的频点为2和5，次优信道质量的频点为0,1,6，频点3和4对应质量最好的信道。

传统伪随机跳频序列

采用[3,4]构造一类伪随机跳频序列，如下：

R⁰＝(0，2，4，6，1，3，5，0，5，3，1，6，4，2)

R¹＝(0，3，6，2，5，1，4，0，4，1，5，2，6，3)

容易验证，序列集S的最大汉明自相关值为2，最大汉明互相关值为4。在R⁰和R¹中，每个频点出现的次数均为2次。也就是说，不管信道质量好坏，各跳频频点的使用次数均相同。

最后，本发明方法构造出的跳频序列集，跳频序列足够多，可同时容纳

个用户接入PLC信道；跳频序列集合具有较低的汉明自相关值

最大汉明互相关也不超过q+1，这保证了多用户接入PLC信道较低的MAI；在同一序列中，频点集合F＝{f₁,f₂,...,f_q}的q个频点出现的次数分别对应为w₁,w₂,…,w_q，这些次数不全等，根据PLC信道的衰落特性，可以择优使用衰落少的频点(增加其使用次数)，衰落大的频点适当减少使用次数，从而既保证了全频段使用，同时有效避免了PLC衰落对系统性能的影响；采用非均匀跳频序列的跳频多载波系统，能有效避免PLC通信中的多种干扰信号，提高系统的传输性能。

Claims (3)

1.一种电力通信系统的跳频多载波通信方法，包括如下步骤：

S1.获取电力系统需要发送的串行数据流；

S2.将步骤S1获取的串行数据流进行串/并转换，并送入对应的子信道；

S3.每个子信道对接收到的数据进行PSK映射和跳频处理；具体为采用如下步骤进行处理：

A.每个子信道上的数据符号的带宽为f_d，OFDM具有N_a个子信道，此时一个OFDM符号占据的带宽为f_d·N_a；

B.将频段[0.3MHz,20MHz]等分为q＝W/(f_dN_a)个子频段，从而形成子频段集合{f_h|h＝1,2,...,q}；

C.OFDM符号中心频率依据构造得到的跳频序列

在子频段集合{f_h|h＝1,2,...,q}中跳变；跳变满足：

式中h≠j₁；

为子频段的另一个频点

所述的构造得到的跳频序列

具体为采用如下步骤构造得到跳频序列

a.选取q为素数次幂，同时规定trⁿ(x)为有限域GF(qⁿ)到GF(q)上的迹函数；α为GF(qⁿ)的一个生成元；l为一个整数，且满足l|qⁿ-1和

gcd(aa,bb)为aa和bb的最大公因子；β＝α^l为

次本原单位根；

b.采用如下算式生成序列R⁰：

式中r_i ⁰＝trⁿ(βⁱ)，

trⁿ(x)为迹函数，且

c.设定m₁,m₂,m₃,...为各不相同的正整数，且满足

和

j取值为j＝1,2,3,...；从而得到

次本原单位根

d.采用如下算式构造序列：

……

式中

e.通过选取所有的m₁,m₂,m₃,...的值，构造得到序列集

D.针对不同用户k，使用的跳频序列不同；

S4.将步骤S3得到的各个子信道的数据叠加后得到跳频多载波信号，并耦合送入PLC信道；

S5.在PLC信号中，若干个PLC节点用户数据进行复用；

S6.接收端对接收到的若干个PLC用户的复用数据进行解跳，并送入接收端处理子信道；

S7.每个接收端处理子信道进行相关接收、采样、并/串转换和判决，从而得到最终的发送数据。

2.根据权利要求1所述的电力通信系统的跳频多载波通信方法，其特征在于步骤S4所述的将步骤S3得到的各个子信道的数据叠加后得到跳频多载波信号，具体为将步骤S3得到的N_a个子信道的数据叠加后得到跳频多载波信号S^(k)(t)：

式中P^(k)为发送功率；

为串行数据流中的第l₁个数据；T为一个跳频符号宽度；t为时间变量，且nT≤t＜(n+1)T；

为构造得到的跳频序列；f_d为每个子信道上的数据符号的带宽；N_a为OFDM具有的子信道的个数；n为跳频符号的标号。

3.根据权利要求2所述的电力通信系统的跳频多载波通信方法，其特征在于步骤S5所述的若干个PLC节点用户数据进行复用，具体为采用如下算式表示复用后的信号r(t)：

式中

为在PLC信道频点

上的衰减程度；S^(k)(t)为步骤S4得到的跳频多载波信号；η(t)为加性噪声干扰；τ_k为用户k的接入时延。

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