电力线通信若干关键技术研究

发布时间：2020-05-13 12:49

【摘要】：利用电力线进行数据通信由来已久。由于电力线分布广泛,电力线通信有着显著的成本优势。电力线信道是一种复杂的通信信道,它具有频率选择性衰落、带宽受限、存在脉冲噪声干扰等特性,并且由于电磁兼容问题,电力线通信信号的功率也受到严格的限制,这些因素给电力线通信带来较大困难。近些年来,随着电力线通信技术的发展和智能电网的普及,电力线通信越来越受到人们的重视,一些新技术,如电力线MIMO、电力线物理层网络编码等,在电力线通信当中得到了应用,提高了电力线通信系统的性能。但电力线通信仍然存在传输距离短、易受外界干扰等问题,有待深入研究解决。本文针对电力线通信中带宽受限、传输功率受限以及脉冲噪声等问题,对MIMO电力线通信、物理层网络编码(PLNC)、电力线网络路由算法等关键技术进行了深入研究,主要创新工作如下。(1)空间复用技术是抑制同信道干扰(CCI)的一种有效手段,现有的电力线空间复用都是在不同信号回路中实现。为在电力线通信中采用空分复用来抑制CCI,本文首先利用多导体传输线理论,证明了电力线MIMO空间复用在相同信号回路中同样可行。在此基础上,提出了一种基于斜投影的电力线CCI抑制方法。该方法首先估计接收信号的二阶统计量和信道冲击响应,并计算接收信号沿干扰方向到信号空间的斜投影矩阵,然后用斜投影矩阵对来自不同空间复用信道的CCI进行抑制。此外,为了抑制电力线信道脉冲噪声,提出一种基于空时分组码和正交频分复用(OFDM)的脉冲噪声迭代消除算法。该算法首先利用接收信号和空时解码后的信息来估计信道噪声,然后在空时域通过门限检测对脉冲噪声进行估计,并从接收信号中去除脉冲噪声。该方法能有效地去除脉冲噪声对电力线系统的影响。(2)电器终端的阻抗变化以及开关通断会使得电力线信道抽头数目的变化,导致信道跟踪时信道抽头难以进行前后时刻数据关联,造成有用信息损失。为此,本文提出一种基于随机有限集的电力线信道跟踪方法。该方法将电力线信道建模为随机有限集,通过随机有限集的概率密度完整保存信道抽头状态以及数目信息,以避免有用信息损失,并用压缩感知技术来获得随机有限集的瞬时参数。然后,用高斯混合概率假设密度(GM-PHD)滤波器对电力线信道参数进行估计和跟踪。在此基础上,对GM-PHD滤波算法进行改进,在高斯分量的裁剪过程中,将可能是新生成信道抽头的观测值保留到下一次迭代,解决了新生成信道抽头漏检问题。(3)在电力线通信PLNC系统中,信道编码中的冗余信息通常无法用于符号检测。为此,本文提出一种基于置信传播的电力线通信符号检测、PLNC和信道解码联合算法。该算法首先将符号检测、PLNC和信道解码三者整合,形成联合因子图,通过改进网络编码的解调方式对联合因子图进行优化,以提高迭代过程中信息传播的效率。然后,根据信道解码的方式,设计联合因子图中各节点的信息更新算法。该算法能够有效地提高电力线PLNC系统的误码率性能。为了降低其计算复杂度,本文用硬判决信息替换检测中得到的概率信息,提出了基于大数表决的电力线通信符号检测、PLNC和信道解码联合算法。该算法在误码率性能和计算复杂度之间进行了平衡。(4)针对电力线通信PLNC异步问题,本文提出一种低复杂度的电力线单载波PLNC帧异步时延估计方法。该方法根据离散傅里叶变换的扩展特性将导频序列设计为在频域正交,以便在频域对终端分别进行信道估计,并根据频偏分量对导频信号重新调制,以获得中继端载波间干扰(ICI)的估计。然后从接收信号中去除ICI,以提高信道估计的精度。最后,从信道估计中提取时延信息,以获得相对时延估计。该算法估计精度接近现有算法,但具有更低的计算复杂度,并且能够有效地抑制ICI对时延估计的影响。(5)在电力线网络路由算法中,每次转发通常会有多个候选中继节点,这容易造成信道冲突。为此,本文提出一种基于电力线网络物理拓扑的电力线通信路由算法。该算法将电力线网络的物理拓扑信息分布地存储于各个节点,以便在建立路由时能够根据节点信息来确定信息传输物理路径,减少候选中继节点的数量,从而降低信道冲突发生的概率;然后,采用竞争机制对最优物理路径内的多跳传输进行管理,以适应电力线网络的动态性。该算法可以有效地降低电力线网络路由多跳次数,减少信道冲突发生的概率。
【图文】：

截面图,三导,电力线,横截面

逦（２．６）逡逑＼Ｇ，＋ｉｃｏＣ，逡逑其中，‘／／’表示并联，Ｚ，、ＺｊＤＺ３是ＡＢ、ＢＣ和ＢＤ段电力线的特征阻抗，ｉ？，Ｇ，逡逑ｉ：，Ｃ见图２．３。由以上参数，可以计算出各个路径的复增益ｇ，和时延。例如，路径ＡＢ逡逑ＣＢＤ的传输增益（系数）可以计算为ｐ１２ｒ２ｅｐ２３，时延为１＾１＋２名＋0，其中＼为电磁逡逑＾邋Ｐ逡逑波在电力线中的传播速度。计算出各个路径的复增益和时延后，由式（２．１）可以得到信道逡逑的传输函数。逡逑Ｚｉｍｍｅｒｍａｎｎ和Ｄｏｓｔｅｒｔ提出了一种基于信号流电力线信道模型＆７］，其传递函数为逡逑Ｎ，邋＿２ｉｒｄｉ＾７ｒ逡逑RG＝１＾逦？（２．７）逡逑／＝１逡逑其中ｇ，和４分别是多径数目，路径增益和路径长度；信道的衰减由参数ｔ邋和逡逑Ａ确定，可通过测量获得；＾？是介电常数。对比式（２．１）可以发现，式（２．７）增加了对频率逡逑衰减的建模。逡逑（２）基于传输线理论的电力线信道模型逡逑＼０－＿逡逑、一逡逑图２．２三导体电力线横截面逡逑Ｆｉｇ．邋２．２邋Ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎａｌ邋ｖｉｅｗ邋ｏｆ邋ｔｈｒｅｅ－ｗｉｒｅ邋ｍｕｌｔｉ－ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ邋ｐｏｗｅｒ邋ｌｉｎｅ逡逑当用电力线来传输高频通信信号时，它可以看做是传输横向电磁波的传输线ｂ１］。图逡逑２．２是典型的三导体电力线的截面图

集总参数模型,电力线,单位长度,传输线

作为电力线通信的传输信道。可以将电力线信道简化成双导体传输线，这样，电力线信逡逑道就可以看作是一个分布参数网络，其电压和电流沿着传输线变化，并可用电路参数对逡逑其进行描述。双导体电力线传输参数模型如图２．３所示。逡逑／？邋Ｌ逦Ａ逡逑Ｋ逦ｉ（ｚ＋邋Ａｚ，邋ｔ）逡逑＋邋0逦Ｗｖ逦１逦１逦逦１逦Ｏ逡逑ｖ（ｚ，邋ｔ）逦＋Ｃ逦ｖ（ｚ＋Ａｚ，ｔ）逡逑＿邋逦邋逦逦逦——逦逡逑？逦卜逡逑Ａｚ逡逑图２．３电力线双导体集总参数模型逡逑Ｆｉｇ．邋２．３邋Ｐｏｗｅｒ邋ｌｉｎｅ邋ｔｗｏ邋ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ邋ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ邋ｌｕｍｐｅｄ－ｅｌｅｍｅｎｔ邋ｃｉｒｃｕｉｔ邋ｍｏｄｅｌ逡逑在图２．３中，ｖ（ｚｊ）和ｖ（ｚ邋＋邋Ａｚ，0分别表示位置ｚ和ｚ邋＋邋Ａｚ的瞬时电压。同样，／（ｚ，／）和逡逑／（ｚ邋＋邋Ａｚ，，／）分别表示位置ｚ和；ｒ邋＋邋Ａｚ的瞬时电流；表示双导体导体单位长度的阻抗逡逑（Ｑ／ｍ）；邋Ｚ表示双导体单位长度电感（Ｈ／ｍ）；邋Ｇ表示双导体单位长度的电导（Ｓ／ｍ）；邋Ｃ逡逑表示双导体单位长度的电容（Ｆ／ｍ）。两根导线的传输常数ｐ和特征阻抗＆可以表示为逡逑ｐ邋＝邋ａ＋ｊｊ３邋＝邋＾（Ｒ＋ｊｃＤＬＸＧ＋］ｃｏＱ逦（２．８）逡逑７邋＼Ｒ邋＋邋］（0Ｌ逦…、逡逑ｚ0＝ｉ0７Ｊ＾逦（２．９）逡逑其中，《和Ｐ分别是衰减常数和相位常数，ｐ和＾都是传输线的固有特性，与传输线逡逑的长度无关。为了确定参数；0和ＺＱ，需要先确定，Ｉ，Ｇ和Ｃ这四个基本参数。下面逡逑将介绍这四种参数的计算方式。逡逑１）阻抗计算逡逑当交流电信号通过导体时
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN913.6

【参考文献】