無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于DSSS抗電力系統(tǒng)強(qiáng)電磁干擾技術(shù)研究

李錫忠，孫 超，鄭 薇，謝 暉，王 崢

(1.國(guó)網(wǎng)營(yíng)口供電公司，遼寧 營(yíng)口 115000；2.北京智芯微電子科技有限公司，北京 100192)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于DSSS抗電力系統(tǒng)強(qiáng)電磁干擾技術(shù)研究

李錫忠1，孫 超1，鄭 薇1，謝 暉1，王 崢2

(1.國(guó)網(wǎng)營(yíng)口供電公司，遼寧 營(yíng)口 115000；2.北京智芯微電子科技有限公司，北京 100192)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)因具備部署便利、組網(wǎng)靈活、運(yùn)行可靠等特性得到了廣泛應(yīng)用。針對(duì)電力系統(tǒng)中強(qiáng)電磁環(huán)境對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)數(shù)據(jù)正常傳輸造成了嚴(yán)重干擾的問(wèn)題，探討了電力系統(tǒng)強(qiáng)電磁環(huán)境的特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上對(duì)基于擴(kuò)頻技術(shù)的直接序列擴(kuò)頻(direct sequence spread spectrum, DSSS)進(jìn)行了詳細(xì)分析。首先節(jié)點(diǎn)檢測(cè)是否受到了電磁信號(hào)的干擾，其次，中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)估算信干比，根據(jù)信干比的大小采用自適應(yīng)濾波器來(lái)抑制電磁干擾，從而有效地提高了傳感器節(jié)點(diǎn)的抗電磁干擾能力。采用matlab仿真，結(jié)果表明與其他抗干擾算法相比，在強(qiáng)電磁環(huán)境下采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)可以有效地降低接收端的誤碼率并提高節(jié)點(diǎn)投遞率，進(jìn)而改善網(wǎng)絡(luò)性能。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；電力系統(tǒng)；強(qiáng)電磁干擾；DSSS

0 引 言

電力系統(tǒng)通信是電力系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分，是電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)調(diào)度自動(dòng)化、電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)市場(chǎng)化和電網(wǎng)管理信息化的基礎(chǔ)，是確保電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)調(diào)度的重要技術(shù)手段[1]。為了保證在電力系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的可靠性和實(shí)時(shí)性傳輸，要求對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、診斷和保護(hù)，以防止電力系統(tǒng)擾動(dòng)甚至于長(zhǎng)時(shí)間的電力中斷[2]。對(duì)傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和診斷大多使用有線部署方式，但使用這種方式存在很多的缺點(diǎn)和不足，例如在鋪設(shè)傳輸線的同時(shí)線路還常年暴露于大氣中，這很容易導(dǎo)致故障發(fā)生，且不易檢修和維護(hù)等問(wèn)題。而以IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor network, WSN)是一種運(yùn)行可靠、安裝靈活、成本低廉的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，節(jié)點(diǎn)可作用于條件苛刻的環(huán)境中，且能夠長(zhǎng)期有效地采集電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，非常適合用于電網(wǎng)無(wú)線監(jiān)測(cè)和診斷系統(tǒng)。此外，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠滿足用戶對(duì)電能質(zhì)量、供電安全、電能利用效率及個(gè)性化的供電服務(wù)等方面的要求。因此，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在電力系統(tǒng)中有廣闊的應(yīng)用前景[3]。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)今國(guó)際上備受矚目的前沿研究焦點(diǎn)，它融合了傳感技術(shù)、嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)和分布式智能信息處理技術(shù)，能夠以協(xié)作的方式實(shí)時(shí)感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，從而提高在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性[4]。因此，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將廣泛應(yīng)用在多目標(biāo)、短距離通信中，也將在電力系統(tǒng)通信領(lǐng)域中發(fā)揮非常重要的作用。

然而，目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用發(fā)展較為緩慢，主要原因在于強(qiáng)電磁干擾的情況下傳感器網(wǎng)絡(luò)的鏈路會(huì)受到極大的影響，目前針對(duì)此領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外研究極少，其所關(guān)注的重點(diǎn)主要放在配電網(wǎng)自動(dòng)化以及溫度、電能在線監(jiān)測(cè)方面。因此，針對(duì)該研究現(xiàn)狀，本文首先研究了電力系統(tǒng)中的強(qiáng)電磁環(huán)境干擾。

現(xiàn)有的擴(kuò)頻技術(shù)包括跳頻擴(kuò)頻技術(shù)(frequency hopping spread sprectrum， FHSS)和直接序列擴(kuò)頻(direct sequence spread spectrum, DSSS),其中,直接序列擴(kuò)頻是目前使用最為廣泛的擴(kuò)頻方式，直接序列擴(kuò)頻一般可用來(lái)防止惡意攻擊、干擾攻擊[5]。直接序列擴(kuò)頻要求發(fā)送端和接收端要共享一個(gè)偽隨機(jī)碼，發(fā)送端使用此偽隨機(jī)碼對(duì)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)制，由于干擾信號(hào)處于另外一段頻段，故與偽隨機(jī)碼是不相關(guān)的。所以，發(fā)射端使用偽隨機(jī)碼對(duì)信號(hào)擴(kuò)展后，將干擾信號(hào)的功率也進(jìn)行了擴(kuò)展，信號(hào)通頻帶內(nèi)的干擾信號(hào)功率得到了大幅度降低，故此，直接序列擴(kuò)頻的這一優(yōu)良性能是其他窄帶通信都難以替代的。本文將其應(yīng)用在電力系統(tǒng)抗電磁干擾的環(huán)境中，提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量及投遞率，進(jìn)而提升網(wǎng)絡(luò)性能。

1 相關(guān)工作

1.1 電力系統(tǒng)強(qiáng)電磁干擾

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各種通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、測(cè)控設(shè)備的種類和數(shù)量迅速增加，電力系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備的要求越來(lái)越高。由各類電力設(shè)備構(gòu)成電力系統(tǒng)，由于內(nèi)部大電流、高電壓輸變電設(shè)施之間的電磁干擾和相互作用，使得電力系統(tǒng)成為一個(gè)強(qiáng)、弱電設(shè)備密集分布的強(qiáng)電磁環(huán)境。

由于電網(wǎng)的不斷擴(kuò)大、電壓等級(jí)的逐漸提高，使得電力系統(tǒng)的電磁環(huán)境和電磁干擾問(wèn)題越來(lái)越受到關(guān)注。主要體現(xiàn)在以下6個(gè)方面：①大型變電站接地網(wǎng)安全性設(shè)計(jì)問(wèn)題；②大型變電站保護(hù)下的電磁兼容問(wèn)題；③氣體絕緣變電站的瞬態(tài)電磁場(chǎng)問(wèn)題；④超高壓輸電線路及其鐵塔的三維電磁場(chǎng)問(wèn)題；⑤城市電網(wǎng)改造中的電磁環(huán)境問(wèn)題；⑥電網(wǎng)建設(shè)中的電磁干擾問(wèn)題。

電磁干擾是人們最早發(fā)現(xiàn)的電磁現(xiàn)象，通常由電磁輻射發(fā)生源如機(jī)械、電工、電子設(shè)備產(chǎn)生，可能引起電子裝置、設(shè)備或系統(tǒng)性能下降甚至失效，或者對(duì)生命或無(wú)生命組織造成損害[6]。電磁干擾的產(chǎn)生必須具備3個(gè)要素：發(fā)出電磁噪聲的干擾源、電磁干擾的耦合通路和對(duì)電磁干擾敏感的電子設(shè)備。電磁干擾的分類如表1所示。

表1 干擾分類

本文主要對(duì)電力系統(tǒng)中電力設(shè)備產(chǎn)生的電磁噪聲導(dǎo)致其他電子系統(tǒng)如無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能降低的情況進(jìn)行討論。由于電力系統(tǒng)中使用了重要的強(qiáng)電設(shè)備，電力系統(tǒng)的電磁場(chǎng)強(qiáng)度值非常大，是強(qiáng)電磁干擾源，因此，它在運(yùn)行時(shí)會(huì)對(duì)周圍環(huán)境和弱電設(shè)備產(chǎn)生各種電磁干擾，其影響是不可忽視的。電力系統(tǒng)中電磁環(huán)境復(fù)雜且強(qiáng)大，主要有2類電磁干擾：0～300 MHz低頻部分和2.4～2.5 GHz同頻帶寬。

1.2 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的電力系統(tǒng)

由于有線網(wǎng)絡(luò)在實(shí)施布線及改線時(shí)，其工程量大，設(shè)備容易受損且不可移動(dòng)，同時(shí)應(yīng)用于復(fù)雜、工作地點(diǎn)不確定、原備用端口不夠用、突發(fā)性事故等場(chǎng)合中有一定的局限性。而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能夠部署在各種條件苛刻環(huán)境險(xiǎn)惡的區(qū)域中，電力系統(tǒng)通過(guò)傳感器節(jié)點(diǎn)將各種電力設(shè)備有機(jī)地結(jié)合在一起，形成了一個(gè)電力用戶與各種服務(wù)及其設(shè)備相結(jié)合的大型網(wǎng)絡(luò)，從而可以有效地采集數(shù)據(jù)信息并進(jìn)行分析處理。

在電力系統(tǒng)中，各種電氣量、開(kāi)關(guān)量、模擬量等的監(jiān)控和檢測(cè)主要通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)完成。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種應(yīng)用型網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)監(jiān)測(cè)對(duì)象的不同，傳感器節(jié)點(diǎn)安裝配置在不同的電力系統(tǒng)設(shè)備上，用來(lái)測(cè)量不同的對(duì)象信息，并對(duì)得到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理。圖1為基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 電力無(wú)線傳感網(wǎng)Fig.1 Wireless sensor network for power system

通過(guò)利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，使得管理員能夠全面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制電力系統(tǒng)的各關(guān)鍵部門以及電力運(yùn)作過(guò)程的硬軟件狀態(tài)，并將設(shè)備的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整理分析和反饋，從而有效控制終端設(shè)備。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具備通信、組網(wǎng)、管理、分布式信息處理、針對(duì)不同應(yīng)用目標(biāo)的服務(wù)質(zhì)量描述、網(wǎng)絡(luò)安全等的關(guān)鍵技術(shù)，因此，為了構(gòu)建高效、信息化、數(shù)字化、自動(dòng)化和互動(dòng)化的電力系統(tǒng)，將會(huì)把無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于其中。

2 擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)

2.1 擴(kuò)頻通信原理

擴(kuò)展頻譜通信，簡(jiǎn)稱擴(kuò)頻通信，是一種信息傳輸方式，其信號(hào)所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所傳信息必需的最小帶寬；頻帶的擴(kuò)展是通過(guò)一個(gè)獨(dú)立的碼序列(一般是偽隨機(jī)碼)來(lái)完成，一般通過(guò)編碼或者調(diào)制的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)；在接收端使用用同樣的碼來(lái)進(jìn)行相關(guān)同步接收、解擴(kuò)，從而恢復(fù)出信號(hào)原始的采集信息[7]。

采用擴(kuò)頻通信技術(shù)，一般具有3個(gè)顯著的特征，首先信號(hào)是寬帶信號(hào)且是由系統(tǒng)的偽隨機(jī)序列所產(chǎn)生的，其次為了減少信號(hào)干擾，傳輸信號(hào)的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號(hào)本身的帶寬，最后為了能在接收端正常地恢復(fù)出感知信號(hào)，在接收端和發(fā)送端使用相同的偽隨機(jī)碼進(jìn)行解擴(kuò)?；谝陨蠑U(kuò)頻技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，本文將擴(kuò)頻技術(shù)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，用于抗電磁干擾、抗多徑衰落。

2.2 DSSS技術(shù)及其結(jié)構(gòu)框架

2.2.1 DSSS原理

直接序列調(diào)制擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)就是用高速率的擴(kuò)頻序列將要發(fā)送的感知信號(hào)在發(fā)送端擴(kuò)展信號(hào)的頻譜，收端再用與發(fā)端擴(kuò)展相同的偽隨機(jī)序列對(duì)接收到的擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)地解擴(kuò)，把展開(kāi)的擴(kuò)頻信號(hào)還原成原來(lái)的信號(hào)[8-9]，直接序列擴(kuò)頻方式是直接用偽噪聲序列對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，要傳送的數(shù)據(jù)信息需要經(jīng)過(guò)信道編碼后，與偽噪聲序列進(jìn)行模2和生成復(fù)合碼去調(diào)制載波。

2.2.2 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與系統(tǒng)模型

網(wǎng)絡(luò)中部分節(jié)點(diǎn)會(huì)受到電磁的干擾，網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景如圖2所示，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布在M×M的矩形區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)初始能量相同，傳輸功率隨著距離的增大而增大。節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的速率相同，且感知數(shù)據(jù)時(shí)能量的消耗相等。在矩形區(qū)域的中間存在干擾源，源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)會(huì)帶來(lái)很長(zhǎng)的傳輸時(shí)延，且中繼節(jié)點(diǎn)會(huì)因能量開(kāi)銷過(guò)大而過(guò)早死亡；而在鏈路受到干擾時(shí)，沒(méi)有考慮根據(jù)受干擾的程度去調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)帶來(lái)了額外的能量消耗，甚至導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的分割，從而使得網(wǎng)絡(luò)無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

針對(duì)以上傳感器節(jié)點(diǎn)運(yùn)用在電子系統(tǒng)所存在的問(wèn)題，網(wǎng)絡(luò)中繼節(jié)點(diǎn)檢測(cè)干擾攻擊，可以通過(guò)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)投遞率(packet delivery ratio, PRD)的方式來(lái)評(píng)估是否存在干擾攻擊，然而，網(wǎng)絡(luò)投遞率減小并不一定是干擾攻擊所致，也可能是其他多種原因所導(dǎo)致的，極有可能是傳感器節(jié)點(diǎn)本身的一些原因，為了能夠正確檢測(cè)干擾攻擊，防止誤報(bào)，閾值的合理性極其重要，且需要與信號(hào)強(qiáng)度合理搭配。閾值可以通過(guò)先驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練得到，仿真模擬網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，模擬網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)擁塞嚴(yán)重的情況，計(jì)算出PDR，本方案將此投遞率置為閾值。若數(shù)據(jù)包的投遞率低于此閾值，再進(jìn)一步檢查，一般情況下，信號(hào)的強(qiáng)度和投遞率是相對(duì)應(yīng)的，即高信號(hào)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)高投遞率。當(dāng)?shù)屯哆f率對(duì)應(yīng)于低信號(hào)強(qiáng)度時(shí)，此情況出現(xiàn)可能是由于發(fā)送節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器超出了一定的通信范圍，而當(dāng)?shù)屯哆f率對(duì)應(yīng)高信號(hào)強(qiáng)度時(shí)，則說(shuō)明其遇到了干擾攻擊。網(wǎng)絡(luò)干擾的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，是通過(guò)信號(hào)強(qiáng)度與投遞率的對(duì)應(yīng)關(guān)系判斷網(wǎng)絡(luò)是否受到了干擾。

圖2 網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景Fig.2 Network scenario

中繼節(jié)點(diǎn)根據(jù)丟包率和時(shí)延的關(guān)系檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)中是否受到了電磁干擾，若隨著時(shí)延的增加丟包率也在增加則說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)中受到了電磁干擾，節(jié)點(diǎn)需要運(yùn)行基于直接序列擴(kuò)頻的抗干擾機(jī)制。本文節(jié)點(diǎn)在使用直接序列技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻時(shí)偽隨機(jī)碼采用的是m序列，對(duì)信道調(diào)制采用的是QPSK的方式。下一跳接受節(jié)點(diǎn)時(shí)，首先通過(guò)相應(yīng)的調(diào)制方法將接收到的信號(hào)變頻至中頻信號(hào)，再用QPSK進(jìn)行調(diào)制，在接收端采用與發(fā)射端相同的偽隨機(jī)碼與接受到的調(diào)制信號(hào)進(jìn)行模2操作進(jìn)行解擴(kuò)從而恢復(fù)出原始信號(hào)。直擴(kuò)系統(tǒng)發(fā)射端和接受端[10]框圖如圖3和圖4所示。

圖3 發(fā)送端Fig.3 Transmitting terminal

圖4 接收端Fig.4 Receiving terminal

只有當(dāng)發(fā)送端和接收端偽隨機(jī)碼保持一致同步的情況下才能很好地恢復(fù)出原始信號(hào)。因此在使用擴(kuò)頻通信技術(shù)時(shí)，保持發(fā)送和接收端的同步是非常重要的。

2.2.3 信干比的估算

受到干擾的中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)除了收到正常通信信號(hào)外，還可能收到地面、空中的電磁干擾，在收端，有用信號(hào)功率可表示為

S=Pst+Gst+Gr-Lsp-Ls

(1)

(1)式中：Pst為傳輸信號(hào)功率；Gst為傳輸節(jié)點(diǎn)的天線增益；Gr為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的天線增益；Lsp為信號(hào)空間傳輸損耗；Ls為節(jié)點(diǎn)間天線間的系統(tǒng)及插入損耗。轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的干擾信號(hào)功率可表示為

I=Pit+Git+Gr-Lip-Ls-FDR(Δf)

(2)

(2)式中：Pit為干擾信號(hào)發(fā)射功率；Git為干擾天線發(fā)射增益；Lip為干擾信號(hào)空間傳輸損耗。視距條件下，空間傳輸損耗為

Lp=32.4+20lgr+20lgf

(3)

(3)式中：r為節(jié)點(diǎn)間的相對(duì)距離(單位為km)；f為信號(hào)頻率(單位為MHz)。FDR(Δf)為頻率帶寬因子，它由調(diào)諧抑制OTR和頻偏抑制度OFR(Δf)兩部分組成[10]。

FDR(Δf)=OTR+OFR(Δf)

(4)

OTR是系統(tǒng)工作時(shí)的帶寬因子，可以表示為

(5)

OTR也稱校準(zhǔn)因子，多數(shù)情況下可表示為

(6)

(5)式中：P(f)為干擾信號(hào)功率譜密度；H(f)為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的頻率響應(yīng)。(6)式中，BR為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)3 dB帶寬；BT為傳輸節(jié)點(diǎn)的3 dB帶寬。

OFR(Δf)為干擾傳輸節(jié)點(diǎn)帶寬與轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)帶寬相重疊的帶寬因子，且

(7)

(7)式中：Δf=fi+fr，fi和fr分別為干擾信號(hào)頻率和轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)調(diào)諧帶寬，同頻干擾時(shí)可取為

OFR(Δf)=0

(8)

從而可得轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的信干比為

RSI=S-I

(9)

(9)式中：S為有用信號(hào)功率；I為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)干擾信號(hào)功率。

2.2.4 誤碼率的估算

根據(jù)柯捷爾尼可夫所提出理論，信號(hào)與噪聲關(guān)系為

(10)

(11)

(11)式表明信噪比和帶寬可以互換。對(duì)于一定帶寬信號(hào)而言，若采用寬帶信號(hào)來(lái)傳遞信息可在強(qiáng)干擾環(huán)境下保證信號(hào)安全傳輸。

2.2.5 自適應(yīng)遞歸濾波器抑制電磁干擾

自適應(yīng)遞歸濾波器是一個(gè)空間域的數(shù)字濾波器，能夠根據(jù)輸入信號(hào)自動(dòng)調(diào)整性能進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的處理，它通過(guò)迭代遞歸每次只處理需要濾波的點(diǎn)，對(duì)不需濾波的點(diǎn)不予以處理最終使得其對(duì)區(qū)域的畸變降到最小。

中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)通過(guò) (1)-(3)式估算出信噪比后，采用自適應(yīng)遞歸濾波器進(jìn)行濾除干擾信號(hào)，在擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)，可在中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)基帶部分或中頻部分加入自適應(yīng)干擾抑制濾波器，此時(shí)自適應(yīng)遞歸濾波器就與未知系統(tǒng)具有相似的特征，可用來(lái)提供一個(gè)在某種意義上能夠最好擬合未知裝置的線性模型。因?yàn)閿U(kuò)頻信號(hào)有很寬的頻帶，且強(qiáng)電磁干擾是容易識(shí)別和估計(jì)的，所以電磁干擾和其他單頻干擾所引起的系統(tǒng)性能下降可以由自適應(yīng)濾波法來(lái)改善。通常情況下自適應(yīng)遞歸濾波器包括2個(gè)步驟，預(yù)測(cè)和干擾消除，自適應(yīng)濾波器的作用是對(duì)隨機(jī)信號(hào)的當(dāng)前值提供某種意義上的最好預(yù)測(cè)，信號(hào)的當(dāng)前值用作自適應(yīng)濾波器的期望響應(yīng)，信號(hào)的過(guò)去值加到濾波器的輸入端。在本文中，自適應(yīng)濾波器的輸出可作為系統(tǒng)的輸入，從而系統(tǒng)可作為一個(gè)預(yù)測(cè)器；自適應(yīng)遞歸濾波器以某種最優(yōu)化方法可成功消除包含在基帶信號(hào)中的未知干擾，基帶信號(hào)可充當(dāng)自適應(yīng)遞歸濾波器期望響應(yīng)，參考信號(hào)充當(dāng)濾波器輸入信號(hào)。

3 抗電磁干擾信號(hào)的仿真

本文采用matlab針對(duì)DSSS技術(shù)對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的電力系統(tǒng)干擾抑制進(jìn)行分析。模擬電力線場(chǎng)景是在一個(gè)600×600 m的矩形區(qū)域，匯聚節(jié)點(diǎn)處于矩形區(qū)域中心位置，共分布500個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)初始能量為2 J。本文根據(jù)距離的不同通過(guò)設(shè)置閾值選擇合適的能量消耗水平，傳輸能量水平取值為67.2 nJ/bit～253.8 nJ/bit，共被分為27個(gè)能量消耗等級(jí)[11]。假設(shè)節(jié)點(diǎn)工作于2.4 GHz頻段，數(shù)據(jù)傳輸速率為250 Kbit/s。為了節(jié)省節(jié)點(diǎn)能量耗散速率，假定數(shù)據(jù)傳遞速率越高，節(jié)點(diǎn)處于激活狀態(tài)時(shí)間越短。節(jié)點(diǎn)傳遞數(shù)據(jù)包大小為30 bits，節(jié)點(diǎn)緩存區(qū)最多可容納64個(gè)數(shù)據(jù)包。本文選擇誤碼率Pe作為系統(tǒng)性能度量標(biāo)準(zhǔn)。Pe指代系統(tǒng)通信過(guò)程中目的節(jié)點(diǎn)接收到的正確數(shù)據(jù)比特?cái)?shù)在總傳輸數(shù)據(jù)比特?cái)?shù)中的比重。

3.1 抗干擾性能分析

該部分研究電磁干擾對(duì)系統(tǒng)性能的影響。加入電磁干擾后，取碼片數(shù)為10，振幅值分別取值為4，5，8，其數(shù)值選取采用逐漸增加的方式進(jìn)行，模擬真實(shí)場(chǎng)景下電力系統(tǒng)中存在的干擾大小。共進(jìn)行多次仿真運(yùn)算之后取平均值，所得曲線如圖5所示。圖5中顯示了干擾強(qiáng)度不同情況下Pe變化情況。從圖5中觀察不難發(fā)現(xiàn)干擾會(huì)損壞傳感網(wǎng)架構(gòu)下電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳遞。并且，隨著干擾程度加劇Pe惡化程度也會(huì)隨之加劇。

圖5 信噪比與誤碼率關(guān)系Fig.5 Relationship between SNR and bit error rate

3.2 填充碼比率對(duì)性能影響分析

η為擴(kuò)頻序列填充比特?cái)?shù)在數(shù)據(jù)總比特?cái)?shù)中所占比重。初始消息長(zhǎng)度為128 bits，η取值為[0.1,1]。為了研究擴(kuò)頻序列中所需填充序列長(zhǎng)度與系統(tǒng)性能間關(guān)系，該部分對(duì)η，Pe間關(guān)系進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果如圖6所示。

圖6 填充碼占比與誤碼率關(guān)系Fig.6 Relationship between SNR and filling element

仿真結(jié)果表明，初始階段隨著數(shù)據(jù)包中填充碼數(shù)量逐步增長(zhǎng)，系統(tǒng)誤碼率Pe變化速率較快，此后，填充碼數(shù)量在整個(gè)擴(kuò)頻序列中比重繼續(xù)擴(kuò)大，誤碼率Pe不會(huì)產(chǎn)生太大變化。這說(shuō)明在研究DSSS抑制WSN架構(gòu)下電力系統(tǒng)中電磁干擾問(wèn)題的過(guò)程中可以對(duì)DSSS機(jī)制中填充碼位數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而使系統(tǒng)獲得更優(yōu)異的性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)對(duì)電力需求的增加，人們對(duì)電力系統(tǒng)的要求也在不斷地提高，同時(shí)，隨著無(wú)線技術(shù)的不斷提升，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)日益突出，因此科研單位和企業(yè)不約而同地將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于電力系統(tǒng)中。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有安裝便利、成本低廉的特點(diǎn)，所以能夠有效地解決有線通信中布線困難、成本較高、不易維護(hù)和升級(jí)等問(wèn)題，從而提高網(wǎng)絡(luò)在強(qiáng)電磁環(huán)境下的組網(wǎng)靈活性和傳輸可靠性，使得無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠廣泛地應(yīng)用于電力系統(tǒng)領(lǐng)域中。但是，電力系統(tǒng)的電磁環(huán)境日益復(fù)雜，而且電磁環(huán)境處于不斷運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，必將造成強(qiáng)烈的電磁干擾。強(qiáng)電磁干擾對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能的影響也越來(lái)越突出，輕則影響數(shù)據(jù)的采集和傳輸，重則損壞電子設(shè)備。因此，本文提出了基于DSSS的抗電磁干擾機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過(guò)檢測(cè)投遞率的大小與預(yù)先設(shè)定投遞率閾值來(lái)決定是否受到了干擾，再通過(guò)估計(jì)電磁干擾的功率和有用信號(hào)的功率來(lái)估計(jì)信干比，根據(jù)受到電磁干擾的強(qiáng)度采用自適應(yīng)的濾波器對(duì)電磁噪聲信號(hào)進(jìn)行濾波，從而提高了節(jié)點(diǎn)的投遞率，減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)重發(fā)，也減少了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量開(kāi)銷，優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)性能。

[1] 趙國(guó)輝. 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在電力系統(tǒng)通信中的應(yīng)用[J]. 農(nóng)業(yè)科技與裝備, 2012(8): 60-62. ZHAO Guohui. The application of wireless sensor network in power system communication[J]. Agricultural Science & Technology and Equipment, 2012(8): 60-62.

[2] 劉瑋,黃曙,馬凱,等.視頻監(jiān)控技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].廣東電力,2014,27(4): 57-60. LIU Wei, HUANG Shu, MA Kai, et al. Application of Video Monitoring System in power System[J]. GuangDong Electric Power, 2014, 27(4): 57-60.

[3] AL-ANBAGI I，EROL-KANTARCI M，MOUFTAH H T. An adaptive QoS scheme for WSN-based smart grid monitoring[C]//2013 IEEE International Conference on Communications Workshops (ICC). Budapest, Hungary: IEEE Press, 2013: 1046-1051.

[4] ROSSI M, HOOSHMAND M, ZORDAN D, et al. Evaluating the gap between compressive sensing and distributed source coding in WSN[C]//2015 IEEE International Conference on Computing, Networking and Communications (ICNC).Garden Grove,CA:IEEE Press,2015:911-917.

[5] POPPER C, STRASSER M, CAPKUN S. Anti-jamming broadcast communication using uncoordinated spread spectrum techniques[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2010, 28(5): 703-715.

[6] 丁敏.電磁干擾及其抑制措施的分析[J].科技傳播,2014(15): 119. DING Min. The analysis of electromagnetic interference and its inhibition measures[J]. Theoretical Research, 2014(15): 67-68.

[7] 曾興雯,劉乃安,孫獻(xiàn)璞.擴(kuò)展頻譜通信及其多址技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社， 2004. ZENG Xingwen, LIU Naian, SUN Xianpu. Spread spectrum communication and its multiple access technology[M]. Xi’an: Xi’an University of Electronic Science and Technology Press, 2004.

[8] PETERSON R L, ZIEMER R E, BORTH D E. Introduction to spread-spectrum communications[M]. New Jersey: Prentice Hall, 1995.

[9] 光明,熊賢祚.擴(kuò)頻通信[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，1999.

GUANG Ming, XIONG Xianzuo. Spectrum Communication[M]. Xi’an: Xi’an University of Electronic Science and Technology Press, 2004.

[10] KARAKUS C, GURBUZ A C, TAVLI B. Analysis of Energy Efficiency of Compressive Sensing in Wireless Sensor Networks[J]. IEEE Sensors Journal, 2013, 13(5): 1999-2008.

[11] 馮小平,羅明,鐘征斌,等.FSK信號(hào)數(shù)字化實(shí)時(shí)解調(diào)方法[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2001, 28(3): 401-404. FENG Xiaoping, LOU Ming, ZHONG Zhengbin, et al. Research on the method of real time digital demodulation for the FSK signal[J]. Journal of XIDIAN University, 2001, 28(3): 401-404.

李錫忠(1969-)，男，遼寧營(yíng)口人，高級(jí)工程師，國(guó)網(wǎng)營(yíng)口供電公司運(yùn)檢部主任，碩士研究生，主要從事電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)維管理工作。E-mail：56409195@qq.com

(編輯：魏琴芳)

Research on strong resistance to electromagnetic interference technology of power system in wireless sensor network

LI Xizhong1，SUN Chao1， ZHENG Wei1, XIE Hui1，WANG Zheng2

(1. State Grid Yingkou Electric Power Supply Company，Yingkou 115000，P.R.China； 2. Beijing Smartchip Microelectronics Technology Co., Ltd.，Beijing 100192，P.R.China)

Due to convenient deployment, flexible networking, reliable operation and other characteristics, the wireless sensor network has been widely used. However, strong electromagnetic environment of power system has interfered seriously with normal data transmission of wireless sensor network. As to this issue, this paper has explored the characteristics of strong electromagnetic occasion within the power system, from which spread spectrum technology based direct sequence spread spectrum technology is analyzed in detail. To begin with, detection is carried out to ensure whether the node is disturbed by the electromagnetic signal. What’s more, the relaying node estimates relay-to-interference ratio and the electromagnetic interference is restrained by adopting the adaptive filter in accordance with the signal-to-interference ratio. Hence, the ability of resistant to electric-magnetic interference is improved. Simulation results from Matlab show that in comparison with other anti-interference algorithms, under strong electromagnetic environment direct sequence spread spectrum technique based method is able to reduce the bit error rate (BER) at the receiver side and improve the node delivery rate. Eventually, the network performance will be promoted.

wireless sensor network； power systems； strong electromagnetic interference； spread spectrum technology； topology control

10.3979/j.issn.1673-825X.2016.06.011

2016-06-17

2016-11-16

李錫忠 56409195@qq.com

TN919

A

1673-825X(2016)06-0815-07