电力线载波通信的自适应防火墙系统

1.本发明属于电力载波通信技术领域。


背景技术：

2.如今，电力线载波通信已成为电力系统应用最为广泛的通信手段，为自动抄表、智能交互、自动查询等多种服务技术中提供了强有力的支撑。电力线载波通信技术通过电力线作为信息传输的媒介，通过调制解调技术实现信号传输的目的。它组网简单便捷、成本低，应用范围广，具有极高的应用价值。但电力线载波通信也存在不少缺点：
3.①
电力线载波通信过程中的噪声成分较为复杂，电力网络中各种用电设备的断开或连接以及各种长短波信号串扰等等都会产生噪声，这会严重影响电力线通信质量。
4.②
低压电力线载波通信的物理层为现有的220v电力线，一般情况下较为固定，这使得电力线底层的安全机制灵活性下降，不利于进行保密通信。
5.③
在实际应用中，电力线载波通信的高层协议不宜设置得过于复杂。因此很容易实现在电力网络上窃听得到当前传输的数据。
6.④
在信号解调时，若采用电容或电感等储能元件容易引起谐振等问题，且只能固定的筛选特定频率的信号，无法实现信号调理的自适应。


技术实现要素：

7.本发明目的是为了解决现有电力线载波通信存在保密性差,信号解调过程中无防护措施，容易被窃听的问题，提出了一种电力线载波通信的自适应防火墙系统。
8.本发明所述的电力线载波通信的自适应防火墙系统，包括支路调节结构、模糊控制器和智能控制器；
9.所述支路调节结构包括多根分支导线，所述多根分支导线的一端分别通过继电器连接电力线缆，另一端悬空，所述多根分支导线临近电力线缆信号接收端设置；
10.模糊控制器通过接收端调制解调器获取当前信道的通信频带f
s
和定点消除频带f
m
，计算信道奖励偏差及其变化率，根据奖励偏差及其变化率建立论域，获得自适应调整率；
11.智能控制器利用所述自适应调整率和当前信道通信频带f
s
和定点消除频带f
m
，自适应调整用于控制支路调节结构的分支控制开关函数q，控制支路调节结构中继电器的断开或闭合，对电力线信道加入馅波，实现电力线载波通信的信号自适应调整，完成电力线信道的防护。
12.进一步地，本发明中，模糊控制器还用于计算|h(f
s
)
‑
h(f
m
)|作为奖励偏差，根据奖励偏差及其变化率建立论域，通过隶属度函数运算，获得奖励偏差及其变化率的模糊语言，在模糊控制规则的条件语句中搜索奖励偏差及其变化率对应的自适应调整率控制量的模糊语言，最后对控制量模糊语言进行清晰化，获得自适应调整率。
13.进一步地，本发明中，对电力线载波通信的信号自适应调整的过程为：
14.步骤一、初始化分支控制开关函数q＝[q1,q2,
…
q
n
]；
[0015]
步骤二、获取当前信道通信频带f
s
和定点消除频带f
m
；
[0016]
步骤三、根据当前分支控制开关函数q＝[q1,q2,
…
q
n
]，获得信号在靠近接收端的路径网络拓扑图；
[0017]
步骤四、利用信号在靠近接收端的路径网络拓扑图，结合信号在电力线分支点处的反射和折射，获得信号在电力线中传播的多径轨迹的路径总数；
[0018]
步骤五、根据多径轨迹的路径总数，计算定点消除频带的幅频特性和当前通信频带的幅频特性，进而获得当前信道的奖励偏差；
[0019]
步骤六、判断当前信道的奖励偏差是否达到最大值，若是，则完成一次电力线载波通信的信号自适应调整，否则，调整分支控制开关函数q＝[q1,q2,
…
q
n
]，并根据所述分支控制开关函数q＝[q1,q2,
…
q
n
]调整接入电力线缆的分支导线的个数，返回执行步骤二，其中，n为最大分支数。
[0020]
进一步地，本发明中，步骤一中，分支控制开关函数q＝[q1,q2,
…
q
n
]中，
[0021][0022]
进一步地，本发明中，当q＝[0,0,
…
,0]时，表示当前电力线信道无分支导线接入，而当q＝[1,1,
…
,1]时，表示当前电力线信道上接入了支路调节结构的所有分支。
[0023]
进一步地，本发明中，步骤二中，信道每条路径的权重因子|g
i
|≤1。
[0024]
进一步地，本发明中，步骤四中，获得信号在电力线中传播的多径轨迹的具体获得方法为：
[0025]
设分支导线连接点数量为n
point
：
[0026]
n
point
＝∑q
[0027]
所述n
point
个分支导线连接点将主路径分为n
point
+1段，信号的传播方向定义为一维向量x＝[x0,x1,
…
,x
max
]，其中，x
i
为{
‑
1,1}中的一个值，i为0到max，max＝3*n
point
‑
1，x
i
为
‑
1时，表示信号向发送端后退一步，x
i
为1时，表示信号向接收端前进一步；
[0028]
根据分支导线连接点数量，获得所有x的取值矩阵x；
[0029]
根据矩阵x获得信号反射传播图和折射传播图；
[0030]
利用所述信号反射传播图和折射传播图，获得信号在电力线中传播的多径轨迹的路径总数。
[0031]
进一步地，本发明中，步骤五中，根据多径轨迹的路径总数，计算定点消除频带的幅频特性和当前通信频带的幅频特性的具体方法为：
[0032]
通过公式：
[0033][0034]
计算获得定点消除频带的幅频特性h(f
s
)和当前通信频带的幅频特性h(f
m
)，
[0035]
其中，f为当前信道通信频带f
s
或定点消除频带f
m
；g
i
为第i条分支的加权系数，τ
i
为分支i的时延，n为多径轨迹的路径总数，d
i
为路径的长度，v
p
信号在电力线中传播速度，k为衰减指数，a0、a1均为电力线缆中信号的衰减系数，为正常数。
[0036]
进一步地，本发明中，分支i的时延τ
i
的获取方法为：
[0037]
通过公式：
[0038][0039]
计算信号在支路调节结构中每条分支的延迟
τi
，其中：d
i
为路径长度，ε
r
为电力线的介电常数，c0为光速，v
p
为信号在电力线中传播速度。
[0040]
进一步地，本发明中，步骤五中，获得当前信道的奖励偏差的具体方法为：
[0041]
将前通信频带的幅频特性h(f
m
)和定点消除频带的幅频特性h(f
s
)的差的绝对值作为当前信道的奖励偏差|h(f
s
)
‑
h(f
m
)|。
[0042]
本发明所述防火墙装置和方法在基于电力线载波通信的自适应信号防火墙装置中人为设定消除频点，对特定频段的噪声产生抑制，提高通信质量，充分利用电力线的物理特性，通过频率选择特性，实现保密性更高的通信，有效的提高了信号传输的安全性，无需额外通过通信协议实现安全连接，降低了电力线网络资源开销，有利于在低压电力线载波系统中的使用和推广，该装置可自动适应通信系统的变化，灵活的改变网络拓扑来保障通信系统安全性。
附图说明
[0043]
图1是本发明所述基于电力线载波通信的自适应防火墙系统的示意图；
[0044]
图2是防火墙装置系统自适应控制流程图；
[0045]
图3是开关函数为q＝[1,1,1,1]时，信号反射可能形成的路径示意图；
[0046]
图4是n
point
＝4时，对应的信号折射传播图；
[0047]
图5是开关函数为q＝[1,1,1,1]时，经过防火墙装置后的信号幅频响应。
具体实施方式
[0048]
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作出创造性劳动的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。
[0049]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0050]
具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种基于电力线载波通信的自适应防火墙系统，包括支路调节结构1、模糊控制器4和智能控制器3；
[0051]
所述支路调节结构1包括多根分支导线，所述多根分支导线的一端分别通过继电器连接电力线缆2，另一端悬空，所述多根分支导线临近电力线缆2信号接收端设置；
[0052]
模糊控制器4通过接收端调制解调器3获取当前信道的通信频带f
s
和定点消除频带f
m
，计算信道奖励偏差及其变化率，根据奖励偏差及其变化率建立论域，获得自适应调整率；
[0053]
智能控制器3利用所述自适应调整率和当前信道通信频带f
s
和定点消除频带f
m
，自适应调整用于控制支路调节结构1的分支控制开关函数q，控制支路调节结构1中继电器的
断开或闭合，对电力线信道加入馅波，实现电力线载波通信的信号自适应调整，完成电力线信道的防护。
[0054]
进一步地，本实施方式中，模糊控制器4还用于计算|h(f
s
)
‑
h(f
m
)|作为奖励偏差，根据奖励偏差及其变化率建立论域，通过隶属度函数运算，获得奖励偏差及其变化率的模糊语言，在模糊控制规则的条件语句中搜索奖励偏差及其变化率对应的自适应调整率控制量的模糊语言，最后对控制量模糊语言进行清晰化，获得自适应调整率。
[0055]
本发明中，支路调节结构1安装在通信接收端前，其核心为电力线信道的频率选择性，信号在电力线上传播时，若经过阻抗失配的节点，会导致信号可能产生反射，理论上由于这种多径反射，电力线信道存在无穷多条传播路径，这使得电力线的信道频率响应会在特定的频率上出现陷波频点。本发明通过自动增减电力线网络的分支数，并对其进行建模，利用图论的思想模拟出信号真实的传播路径，得到信号幅频特性。基于此，再引入奖惩信息，使网络拓扑自适应变化，以达到载波频率幅值最优，而噪声、窃听波形最恶劣的效果，形成电力线防火墙。
[0056]
具体实施方式二、结合图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述电力线载波通信的自适应防火墙系统的进一步限定,对电力线载波通信的信号自适应调整的过程为：
[0057]
步骤一、初始化分支控制开关函数q＝[q1,q2,
…
q
n
]；
[0058]
步骤二、获取当前信道通信频带f
s
和定点消除频带f
m
；
[0059]
步骤三、根据当前分支控制开关函数q＝[q1,q2,
…
q
n
]，获得信号在靠近接收端的路径网络拓扑图；
[0060]
步骤四、利用信号在靠近接收端的路径网络拓扑图，结合信号在电力线分支点处的反射和折射，获得信号在电力线中传播的多径轨迹的路径总数；
[0061]
步骤五、根据多径轨迹的路径总数，计算定点消除频带的幅频特性和当前通信频带的幅频特性，进而获得当前信道的奖励偏差；
[0062]
步骤六、判断当前信道的奖励偏差是否达到最大值，若是，则完成一次电力线载波通信的信号自适应调整，否则，调整分支控制开关函数q＝[q1,q2,
…
q
n
]，并根据所述分支控制开关函数q＝[q1,q2,
…
q
n
]调整接入电力线缆2的分支导线的个数，返回执行步骤二，其中，n为最大分支数。
[0063]
本发明利用电力线信道的衰减特性，对某些特定频率噪声进行衰减，能够保证通信质量。安装于电力线接收端，改变电力线物理层拓扑，更好的利用了电力线信道的频率选择特性，具有保密性高，可靠性好的优点，可满足军工、航天等领域的高机密需求。不需要改动通信高层协议，在安全通信的基础上还可减轻通信网络的负担。引入奖惩信息使网络拓扑自适应变化，以此来实现频率选择，构建更为智能的通信网络。
[0064]
本发明中,根据当前分支控制开关函数q＝[q1,q2,
…
q
n
]得到信号在靠近接收端的路径网络拓扑图，考虑到信号在电力线分支点处的反射、折射现象，可由路径网络拓扑图得到信号在电力线中的多条传播路径；
[0065]
多条传播路径包含：
[0066]
(1)由于反射现象，信号在分支点处可能往发送端传播，信号可能在任一个分支点(除第一个与最后一个)处往回传播，并且只考虑信号往回传播一次的情况(因为多次传播
后信号衰减太大，可忽略不计)。
[0067]
设分支点数量为n
point
：
[0068]
n
point
＝∑q
[0069]
这n
point
个分支点将主路径分为n
point
+1段，信号的传播方向定义为一维向量x＝[x0,x1，
…
,x
max
]，其中x
i
表示为{
‑
1,1}中的值,max＝3*n
point
‑
1，分别表示向发送端(后退)和接收端(前进)迈进一步。通过matlab编程列出所有x可能的值并连接成矩阵x。例如n
point
＝4时，x为：
[0070][0071]
对应的信号反射传播图如图3所示。
[0072]
(2)由于折射现象，信号在分支点处可能向当前分支传播，只考虑信号向任一分支传播一次的情况(因为多次折射后信号衰减太大，可忽略不计)。例如n
point
＝4时，对应的信号折射传播图如图4所示。
[0073]
进一步地，本实施方式中，步骤一中，分支控制开关函数q＝[q1,q2,
…
q
n
]中，
[0074][0075]
n为最大分支数。
[0076]
进一步地，本实施方式中，当q＝[0,0,
…
,0]时，表示当前电力线信道无分支导线接入，而当q＝[1,1,
…
,1]时，表示当前电力线信道上接入了支路调节结构1的所有分支。
[0077]
目前，基于图论的信道建模中，大部分是利用求解前k条最短路径的方法找出几条主要路径再求和，用其来近似真实的信道传输函数。本发明综合考虑信号的在分支点由于反射形成回波、由于折射形成弹跳两种情况，提出更贴合实际的建模算法。例如当q＝[1,1,1,1]时，信号在防火墙装置中的反射情况如图3。
[0078]
在不同回波情况下再考虑信号在分支点的弹跳问题，即考虑信号在哪个分支点处发生弹跳，由于信号折射发生概率与防火墙装置中采用的线缆固有参数有关，因此可以简化为权值改变的简单随机过程。通过这种建模算法，可以得到信号在该装置中的幅频特性，如图5所示。由图3至图5可知，信号的幅频特性显示出一定的陷波，本装置正是利用陷波来实现电力线信道防护的功能。首先设当前通信频带为f
s
，定点消除频带为f
m
，本装置的目标便是使h(f
s
)最大而h(f
m
)最小。
[0079]
进一步地，本发明中，步骤二中，信道每条路径的权重因子|g
i
|≤1。
[0080]
本发明中，由于信号在电力线中传播不仅发生在发射和接收之间的直接路径上，而且还必须考虑在分支点的反射与折射，具有多径特性。首先对单条路径进行建模，定义每条路径的权重因子g
i
为该条路径上所有反射系数与传导系数的乘积，由于电力线上的所有反射系数与传导系数基本上都小于或等于1。因此，权重因子g
i
也小于等于1，并且经过的路径越长越复杂，g
i
越小。
[0081]
进一步地，本实施方式中，步骤四中，获得信号在电力线中传播的多径轨迹具体的方法为：
[0082]
设分支导线连接点数量为n
point
：
[0083]
n
point
＝∑q
[0084]
所述n
point
个分支导线连接点将主路径分为n
point
+1段，信号的传播方向定义为一维向量x＝[x0,x1,
…
,x
max
]，其中，x
i
为{
‑
1,1}中的一个值，i为0到max，max＝3*n
point
‑
1，x
i
为
‑
1时，表示信号向发送端后退一步，x
i
为1时，表示信号向接收端前进一步；
[0085]
根据分支导线连接点数量，通过matlab变成获得所有x的取值矩阵x；
[0086]
根据矩阵x获得信号反射传播图和折射传播图；
[0087]
利用所述信号反射传播图和折射传播图，获得信号在电力线中传播的多径轨迹的路径总数。
[0088]
进一步地，本实施方式中，步骤五中，根据多径轨迹的路径总数，计算定点消除频带的幅频特性和当前通信频带的幅频特性的具体方法为：
[0089]
通过公式：
[0090][0091]
计算获得定点消除频带的幅频特性h(f
s
)和当前通信频带的幅频特性h(f
m
)，
[0092]
其中，f为当前信道通信频带f
s
或定点消除频带f
m
；g
i
为第i条分支的加权系数，τ
i
为分支i的时延，n为多径轨迹的路径总数，d
i
为路径的长度，v
p
信号在电力线中传播速度，k为衰减指数，a0、a1均为电力线缆2中信号的衰减系数，为正常数，j为虚数单位。
[0093]
电缆中信号的衰减系数采用公式：
[0094]
α(f)＝a0+a1·
f
k
[0095]
计算实现，其中，k为衰减指数，a0、a1均为电力线缆2中信号的衰减系数，为正常数，f是当前电力线缆2信道的传输频率。
[0096]
本实施方式中，用延迟部分描述了信号沿路径的传播，用衰减部分描述了低通特性，即衰减随长度和频率增加。权重因子g
i
概括了沿传播路径的反射系数和传输系数。由于反射点可能表现出复杂的和频率相关的值，所以通常是复杂的和频率相关的。
[0097]
进一步地，本实施方式中，分支i的时延τ
i
的获取方法为：
[0098]
通过公式：
[0099][0100]
计算信号在支路调节结构1中每条分支的延迟τ
i
其中：d
i
为路径长度，ε
r
为电力线的介电常数，c0为光速，v
p
为信号在电力线中传播速度。
[0101]
进一步地，本实施方式中，步骤五中，获得当前信道的奖励偏差的具体方法为：
[0102]
将前通信频带的幅频特性h(f
m
)和定点消除频带的幅频特性h(f
s
)的差的绝对值作为当前信道的奖励偏差|h(f
s
)
‑
h(f
m
)|。
[0103]
本发明中，不同的开关函数q会引起信道拓扑的变化，例如当q＝[0,0,
…
,0]时，表示当前电力线信道无分支导线接入，而当q＝[1,1,
…
,1]时，表示当前所有分支导线都接入
在主电力线信道上。计算时，不同的q会使d
i
、n、f、τ
i
等参数变化，从而h(f)也变化。
[0104]
所以从原理上来说，q改变
→
h(f
s
)h(f
m
)改变，|h(f
s
)
‑
h(f
m
)|作为奖励偏差自然也会变化。
[0105]
具体算法：首先初始化开关函数，初始开关函数设为q0，设定一个固定的迭代次数n，输入当前信道通信频带f
s
和定点消除频带f
m
，用初始开关函数q0计算幅频特性h(f
s
)和h(f
m
)，记录奖励偏差，根据自适应算法使开关函数从q0变到q1，再次计算幅频特性h(f
s
)和h(f
m
)，然后记录奖励偏差，再根据自适应算法使开关函数从q1变到q2，
…
不断重复更新，直到达到迭代次数n。然后比较前面每一步记录下来的奖励偏差，找出最大的，并输出其所对应的开关函数。
[0106]
本发明中，自适应算法中开关函数的变化过程：若总的支路数较小，可直接遍历。若总的支路数较大，利用的是迁移学习算法，在历史数据中找到与当前的q结果比较相似的情况来变化。
[0107]
通过下面方法可实现电力线载波通信的自适应防火墙系统。
[0108]
当该装置上电后先从接收端调制解调器3处获得当前通信频带f
s
，初始化分支控制开关函数q＝[q1,q2,
…
q
n
]，初始化定点消除频带f
m
，调用基于图论的信道建模算法计算h(f)，并将|h(f
s
)
‑
h(f
m
)|作为奖惩信息传递给模糊控制器4，自适应调整算法学习率(自适应调整率)，智能控制器3根据调整后的学习率改变开关函数q＝[q1,q2,
…
q
n
]。当电力线网络中传输的载波信息发送变化时，当前的q＝[q1,q2,
…
q
n
]可能并不是最优拓扑，|h(f
s
)
‑
h(f
m
)|比较大，奖惩信息中惩罚系数大于奖励系数，模糊控制器4输出学习率加大，q随之改变，直到|h(f
s
)
‑
h(f
m
)|变小，奖惩信息中奖励系数大于奖励系数，模糊控制器4输出学习率减小，q变动减小，此时，定点消除频率f
m
衰减剧烈，而控制通信频带f
s
维持在一个比较低的衰减范围，达到最优控制目标。
[0109]
本发明首先初始化分支控制开关函数，设定初始值为q0，设定一个固定的迭代次数n，输入当前信道通信频带f
s
和定点消除频带f
m
，用初始化的q0计算h，记录奖励偏差，根据自适应算法使分支控制开关函数从q0变到q1，再次计算h，然后记录奖励偏差，再根据自适应算法使分支控制开关函数从q1变到q2，
…
不断重复，直到达到迭代次数n。然后比较前面每一步记录下来的奖励偏差，找出最大的，并输出其所对应的q。
[0110]
本发明中，自适应算法中分支控制开关函数q的变化过程：若总的支路数较小，可直接遍历。若总的支路数较大，利用的是迁移学习算法，在历史数据中找到与当前的分支控制开关函数结果比较相似的情况来变化。
[0111]
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。