一种基于网络参数的电力线信道特性分析方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于网络参数的电力线信道特性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：A.通过将电力线信道的传输矩阵H(f)进行傅里叶反变换得出对应的时域响应h(t)；B.利用已知电力线的网络拓扑结构建立信道模型；C.研究电力线各种网络拓扑结构和系统网络参数对电力线信道产生的影响，计算信道的衰减特性A(f，d)。
【专利说明】
一种基于网络参数的电力线信道特性分析方法
技术领域
[0001] 本发明属于电力线信道通信技术领域，具体涉及一种基于网络参数的电力线信道 特性分析方法。
【背景技术】
[0002] 利用电力线进行数据的传输通信方式被称作电力线载波通信PLC(P〇wer Line Communications)。电力线本身的设计目的并非是用作通信传输，虽然伴随通信编码技术和 芯片技术的发展使得电力线载波通信成为可能，但通信的速度与稳定性仍受到电力线拓扑 结构的很大影响。
[0003] 电力线载波通信根据电压不同分为三个等级：高压电力线通信、中压电力线通信 以及低压电力线载波通信。其中高压电力线通信和中压电力线通信，因需适应智能电网通 信等的改革，故对这两种等级的通信研究的起步时间较早，国内外对此研究时间较长，技术 也相对成熟。相比而言，对低压电力线载波通信的研究起步就要晚的多。由于低压电力线具 有网络覆盖面广，利用现有的电力线就可以进行信息的传递。此外它还具有投入成本、运营 和维护费用低等优势。近些年来，该技术已经在信息家电、楼宇智能化、远程抄表、宽带入网 等诸多领域中受到了极大的关注。然而，电力线系统不是专门用来传输信号的，信道复杂多 变，这就要求对电力线信道特性有全面深入的了解。电力线信道受到多方面的影响，比如网 络阻抗不匹配、噪声以及信道多径时延等都会严重影响接收机的性能从而导致通信质量降 低。电力线信道的频率选择性衰落严重影响其信息的传输，导致频率选择性衰落的原因是 阻抗失配以及电力线上分布的多分支等，使电力线信道频率响应在特定的频率上出现陷波 频点，因此研究电力线长度、分支和负载阻抗对电力线信道的影响至关重要。为了实现电力 线可靠通信，需要准确了解其信道特性，建立相应的信道模型。现已存在的信道模型可分为 两类，一种是自顶向下模型，即基于参数匹配的建模方法，一种是自底向上模型，即基于传 输线理论的建模方法。基于参数匹配的电力线信道模型就是不管信道里面的物理因素，如 网络结构、负载阻抗等一些因素，而把信道当作一个黑盒子，通过已经实际测量的信道通信 数据来确定模型的参数。该方式计算较复杂，受测量准确度影响较大，而且不能提前预测信 道模型。基于传输线理论的电力线信道模型是从网络的拓扑结构，各段电缆的特性与长度， 负载的阻抗等基本物理参数出发从理论中计算信道的衰减特性。尽管它相对于自顶向下方 法需要更多的计算，但它清楚地描述了基本参数和信道特性之间的关系，并且由于参数用 公式表示，可以预测网络中某个参数的改变导致的衰减特性的改变。
【发明内容】
[0004] 本发明选用基于传输线理论的建模方法仿真信道频率响应，分析电力线网络参数 对信道的影响。
[0005] 本发明的目的是提供一种基于网络参数的电力线信道特性分析方法。为了实现上 述目的，本发明采用以下的技术方案。
[0006] -种基于网络参数的电力线信道特性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0007] A.通过将电力线信道的传输矩阵H(f)进行傅里叶反变换得出对应的时域响应h (t)；
[0008] B.利用已知电力线的网络拓扑结构建立信道模型；
[0009] C.研究电力线各种网络拓扑结构和系统网络参数对电力线信道产生的影响，计算 信道的衰减特性A(f，d)。
[00?0]进一步，步骤C所述衰减特性A(f，d)的表达式如式（1)
[0011]
[0012] 其中f表示频率，d表示距离。
[0013]进一步，步骤B所述信道模型，即信道传输函数如式(3)
[0014]
[0015] 式中，N为传输路径总数，i为路径标号，gl为第i条路径的加权系数，为衰减系 数;k(0.5〈k〈l)为衰减指数;cU为路径i的长度;τι为路径i的时延;所述路径时延与传播距离 和传播速度有关，关系表达式如式(4)，
[0016]
[0017]式⑷中Vp为信号在电力线中的传播速度;er为介电常数；1?为光速。
[0018] 进一步，步骤C所述网络参数包括电力线长度、分支长度、单节点上的分支数、分布 式分支数和负载阻抗。
[0019] 进一步，步骤A所述传输矩阵H(f)如式（14)，
[0020]
[0021]其中，，1'11，1'12，了21，了22是式(9)中传输矩阵中的元素，25是电源处的阻抗，21^是 负载处的阻抗，电力线信道的时域响应h(t)如式(15)
[0022] h(t) = ifft(H(f)) (15)
[0023] 其中，ifft表示傅里叶反变换。
[0024] 本发明的优点:利用基于传输线理论的建模方法，分析了电力线的长度(从发送端 到接收端）、分支长度、单节点上的分支数、分布式分支数和负载阻抗对电力线信道频率响 应和时域响应的影响，全面研究了电力线各种网络拓扑结构和系统网络参数对电力线信道 产生的影响，对电力线系统的设计和通信质量的改善有很大的意义。
【附图说明】
[0025]图1为单分支节点的电力线示意图。
【具体实施方式】
[0026] 下面结合附图对本发明做进一步说明。
[0027] -种基于网络参数的电力线信道特性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0028] A.通过将电力线信道的传输矩阵H(f)进行傅里叶反变换得出对应的时域响应h (t)；
[0029] B.利用已知电力线的网络拓扑结构建立信道模型；
[0030] C.研究电力线各种网络拓扑结构和系统网络参数对电力线信道产生的影响，计算 信道的衰减特性A(f，d)。
[0031 ]其中，步骤C所述衰减特性A(f，d)的表达式如式(1)
[0032]
[0033] 其中f表示频率，d表示距离。
[0034] 其中，步骤B所述信道模型，即信道传输函数如式(3)
[0035]
[0036] 式中，N为传输路径总数，i为路径标号，gl为第i条路径的加权系数，为衰减系 数;k(0.5〈k〈l)为衰减指数;cU为路径i的长度;τι为路径i的时延;所述路径时延与传播距离 和传播速度有关，关系表达式如式(4)，
[0037]
[0038]式(4)中vP为信号在电力线中的传播速度;er为介电常数;CQ为光速。
[0039] 其中，步骤C所述网络参数包括电力线长度、分支长度、单节点上的分支数、分布式 分支数和负载阻抗。
[0040] 其中，步骤A所述传输矩阵H(f)如式(14)，
[0041；
[0042]其中，，1'11，1'12，了21，了22是式(9)中传输矩阵中的元素，25是电源处的阻抗，21^是 负载处的阻抗，电力线信道的时域响应h(t)如式(15)
[0043] h(t) = ifft(H(f)) (15)
[0044] 其中，ifft表示傅里叶反变换。
[0045] 以下对本发明的方法进行详细说明。
[0046] 基于参数匹配的电力线信道模型是将一些信道参数与预先测量的信道频率响应 数据进行拟合匹配，最后得到一个包含信号传输和电线损耗的多径信道模型。该多径信道 模型最初是由Zimmermann · Μ提出来的。通过分析电力线信道的特性，可得出电力线载波通 信的衰减与频率大小和传输距离长短有关，频率越大传输距离越长衰减就越强。该模型充 分体现出电力线信道的多径传播。图1是只有一个分支的电力线，包括线段（1)、（2)和(3)， 在这个电力线上可以有无数条传输路径，由于多径反射，传输路径可以是直接传输的最短 路径A-B-C，也可以是经过Β点的一次或多次反射路径，A-B-D-B-C，A-B-D-B-D- B-C等，体现了信号的多径传输。每条路径的传输因子是反射系数和传输系数的乘积，它的 值小于等于1。信道的衰减A(f，d)随着频率和传输距离的增加而增加。表达式如式(1)。
[0047]
[0048] 其中f表示频率，d表示距离。
[0049] 根据传输线理论得出单支电力线的通用模型即信道传输函数如式(2)
[0050] 帥'（2、
[0051]因为电力线载波通信中存在多径效应，因此可得电力线通信系统的传输函数基本 模型为：
[0052]
[0053]式中，N为传输路径总数，i为路径标号，gl为第i条路径的加权系数，为衰减系 数;k(0.5〈k〈l)为衰减指数;cU为路径i的长度;τι为路径i的时延。所述路径时延与传播距离 和传播速度有关，关系表达式如式(4)。
[0054]
[0055] 式(4)中vP为信号在电力线中的传播速度；er为介电常数;co为光速。模型中的参数 根据传输线理论通过对测量数据进行曲线拟合获得，传输电缆的特性和传播常数均为近似 值。
[0056]基于传输线理论的信道模型利用已知电力线的网络拓扑结构，可以清晰地描述网 络变化和模型参数之间的关系，预测信道传输函数的变化。这个电力线传输网络可以看作 是传输矩阵或散射矩阵。传输矩阵与二端口网络中发送端口和接收端口的电压和电流相 关，而散射矩阵则是入射波与反射波之间的关系，这里我们使用传输矩阵获得在1-30MHZ下 低压配电网的电力线信道传输函数。
[0057] 通过电力线传输矩阵的转换函数，即二端口网络输出电压与输入电压之比Vs/Vi， 得到ABCD矩阵，就可以求得电力线信道的传输函数：
[0058]
[0059] 根据集总参数电路的知识可以得到传输线的两个线参数，传播常数γ和特征阻抗 Ζο可以表达为
[0060]
[0061]
[0062]式中ω是角频率，α和β是传播常量的实部和虚部，分别是电力线的衰减常数和相 位常数。传播常数γ和特征阻抗ζ〇是电力线的特性，它不随电力线的长度而变化。在特定频 率下，传输线的线参数由它的四个分布参数R、L、G和C确定，这四个分布参数分别指单位长 度的电阻（Ω/m)、单位长度的电感(μΗ/m)、单位长度的电导（S/m)和单位长度的电容(pF/ m)。发送端的电压和电流(VjPh)与接收端的电压和电流(V2和12)之间的关系，使用ABCD矩 阵计算如式(8)。
[0063]
[0064]式中1是电力线的长度，由于电力线网络通常不会那么简单，实际的电力线会有很 多节点，每个节点上可能又会有很多不同长度的分支，这样形成了由几部分组成的电力线 网络。那么整个电力线的传输矩阵就是每一部分网络的传输矩阵的乘积。通常设电力线是 由P段组成的电力线网络，其中有Μ个节点，每个节点又有N个分支。这个电路可以分成2P个 二端口子电路的级联。每一个子电路都可以计算出一个仏3 1、(：1和01系数。
[0065]整个电路的传输矩阵为
[0066]
[0067] Τ0是电压源端的传输矩阵
[0068]
[0069] Ti是第i段的的传输矩阵
[0070]
Λ·
[0071] :^和心是第i段电力线的特征阻抗和传输常量，h是第i段电力线的长度。（9)式中 的^是最后一段电力线的传输矩阵，%是连接到节点i的分支的等价传输矩阵
[0072]
[0073] N是在节点i上的分支数，在第i个节点上第j个分支的等价阻抗为
领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的【具体实施方式】进行修改或者对部分技术特 征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术 方案范围当中。
【主权项】
1. 一种基于网络参数的电力线信道特性分析方法，其特征在于，包括以下步骤： A. 通过将电力线信道的传输矩阵H(f)进行傅里叶反变换得出对应的时域响应h(t); B. 利用已知电力线的网络拓扑结构建立信道模型； C. 研究电力线各种网络拓扑结构和系统网络参数对电力线信道产生的影响，计算信道 的衰减特性A(f，d)。2. 根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤C所述衰减特性A(f，d)的表达式如式（1)其中f表示频率，d表示距离。3. 根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤B所述信道模型，即信道传输函数如式 (3)式中，N为传输路径总数，i为路径标号，gl为第i条路径的加权系数，aom为衰减系数;k (0.5〈k〈l)为衰减指数;cU为路径i的长度;^为路径i的时 延;所述路径时延与传播距离和传播速度有关，关系表达式如式(4)，式(4)中Vp为信号在电力线中的传播速度;ετ为介电常数;Co为光速。4. 根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤C所述网络参数包括电力线长度、分支长 度、单节点上的分支数、分布式分支数和负载阻抗。5. 根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤A所述传输矩阵H(f)如式(14)，其中，，Tll，T12，T21，T22是式(9)中传输矩阵中的元素，ZS是电源处的阻抗，ZL是负载 处的阻抗，电力线信道的时域响应Mt)如式(15) h(t) = ifft(H(f)) (15) 其中，ifft表示傅里叶反变换。
【文档编号】H04B3/54GK105933035SQ201610521918
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年7月5日
【发明人】李燕, 张慧, 黄晓明
【申请人】重庆电力高等专科学校, 国家电网公司, 华北电力大学