變電站復(fù)雜電磁環(huán)境下2.4GHz無(wú)線通信仿真研究

1 引言

智能電網(wǎng)發(fā)展要求采用高效適用的信息通信技術(shù)對(duì)電網(wǎng)各環(huán)節(jié)的物理信息進(jìn)行廣泛采集，為電網(wǎng)廣域范圍的態(tài)勢(shì)感知提供信息。最近幾年，國(guó)家電網(wǎng)公司等大型電力公司開(kāi)展了電網(wǎng)各環(huán)節(jié)的智能化建設(shè)，包括輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、配電和用電智能化，這些工作均需要高可靠、短距離的無(wú)線通信技術(shù)。本文在基于實(shí)際變電站內(nèi)電磁環(huán)境數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)變電站內(nèi)2.4GHz無(wú)線信道的建模仿真，以此來(lái)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)工作產(chǎn)生指導(dǎo)性作用。

2 信道傳播模型

通過(guò)大量的測(cè)試和研究分析，目前通用的無(wú)線通信信道模型一般由陰影衰落、與傳播距離相關(guān)的路徑損耗以及小尺度衰落三部分組成。其中陰影衰落和路徑損耗均屬于大尺度衰落，在此基礎(chǔ)上建立的大尺度傳播模型可用于預(yù)測(cè)發(fā)射節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)之間相距較遠(yuǎn)時(shí)的平均信號(hào)強(qiáng)度，估計(jì)發(fā)射節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍等。小尺度傳播模型主要描述的是無(wú)線信號(hào)在短時(shí)間或距離上的幅度快速變化，常導(dǎo)致信號(hào)接收功率的劇烈變化。

通過(guò)大量的測(cè)試和研究分析，目前通用的無(wú)線通信信道模型一般由陰影衰落、與傳播距離相關(guān)的路徑損耗以及小尺度衰落三部分組成。其中陰影衰落和路徑損耗均屬于大尺度衰落，在此基礎(chǔ)上建立的大尺度傳播模型可用于預(yù)測(cè)發(fā)射節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)之間相距較遠(yuǎn)時(shí)的平均信號(hào)強(qiáng)度，估計(jì)發(fā)射節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍等。小尺度傳播模型主要描述的是無(wú)線信號(hào)在短時(shí)間或距離上的幅度快速變化，常導(dǎo)致信號(hào)接收功率的劇烈變化。

在仿真一般自由空間的無(wú)線通信時(shí)，由于小尺度衰落導(dǎo)致信號(hào)的幅度快速衰落，以致大尺度衰落可忽略不計(jì)。但是，由于變電站內(nèi)復(fù)雜的電磁環(huán)境，使得本次仿真時(shí)勢(shì)必得考慮干擾環(huán)境對(duì)通信的影響。另外，本次仿真結(jié)果作為一種參考，需要對(duì)變電站內(nèi)的無(wú)線通信設(shè)備的部署提供指導(dǎo)性意見(jiàn)，所以本次仿真除了需要考慮小尺度衰落還應(yīng)該考慮大尺度衰落帶來(lái)的影響。

2.1 路徑損耗

基于電波傳播模型，接收信號(hào)的功率隨距離的對(duì)數(shù)衰減，這種模型被稱為對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型，該損耗模型公式如下：

其中，n為路徑損耗指數(shù)，表明路徑損耗隨距離增長(zhǎng)的速率，它和周?chē)沫h(huán)境和建筑物類型有關(guān)；Xσ是零均值，標(biāo)準(zhǔn)差為σ的高斯隨機(jī)變量，用來(lái)修正估計(jì)值與測(cè)量值之間的誤差；PL（d）為發(fā)射到接收之間的路徑損耗，單位為dB；d是收發(fā)天線之間的距離；d0為發(fā)射天線距離參考點(diǎn)之間的距離；PL（d0）為參考點(diǎn)損耗值。

通過(guò)對(duì)實(shí)際測(cè)的數(shù)據(jù)的篩選，并通過(guò)匹配追蹤算法與最小均方差對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得出了處于2.4GHz頻段無(wú)線信號(hào)的衰減模型數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

3 仿真模型

仿真時(shí)使Matlab動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析組件Simulink對(duì)2.4GHz的ZigBee信號(hào)進(jìn)行了仿真。為了簡(jiǎn)單方便，簡(jiǎn)化了信號(hào)源，以隨機(jī)數(shù)方波信號(hào)代替了正弦波。仿真時(shí)，將多徑瑞利衰落信道與信道衰減模型進(jìn)行結(jié)合，得出結(jié)果。由于通過(guò)多徑瑞利衰落信道的信號(hào)失真非常嚴(yán)重，幾乎看不出原來(lái)的信號(hào)狀態(tài)。如果直接使用此類信號(hào)與原信號(hào)進(jìn)行誤碼分析判斷，其誤碼情況將非常嚴(yán)重，通信性能非常不理想。所以在信號(hào)送入到誤碼判決模塊前，必須對(duì)其進(jìn)行一定的處理。其實(shí)在實(shí)際的使用中，對(duì)于有多徑干擾的信號(hào)通常都要進(jìn)行一定的信道補(bǔ)償或估計(jì)，而在次本仿真中采用的是LMS濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償。

4 仿真結(jié)果

由衰減模型可知，信號(hào)隨著傳輸距離的增加其本身的能量越來(lái)越小。如果假設(shè)在空間中的背景噪聲功率不隨距離的變化而變化，此時(shí)信號(hào)的信噪比則將隨著傳輸距離的變化而變化，誤碼率等通信性能指標(biāo)也將隨之變化?；谏鲜隹紤]，據(jù)路徑損耗模型公式建立信號(hào)的平均功率與傳播距離的關(guān)系，進(jìn)而建立信噪比與傳輸距離的數(shù)學(xué)關(guān)系。仿真結(jié)果曲線不再是誤碼率隨信噪比的變化，而變成了誤碼率隨傳播距離的變化而變化。

仿真時(shí)，假定背景噪聲的平均功率為0dBm不變，分別對(duì)初始發(fā)射功率不同的情況下的信號(hào)，隨著傳播距離的變化其誤碼率變化的情況進(jìn)行了仿真。得到的仿真結(jié)果如圖1所示。

通過(guò)對(duì)比上述仿真結(jié)果圖可知，噪聲功率在一定范圍內(nèi)時(shí)，發(fā)射功率越大其信號(hào)能傳輸?shù)目煽烤嚯x越遠(yuǎn)。當(dāng)以誤碼率低于10-2作為可靠通信的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，瑞利衰落信道的通信范圍分布如圖所示。

5 結(jié)論

本文在基于變電站內(nèi)復(fù)雜電磁環(huán)境的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性的提出了大尺度衰落結(jié)合信道衰減模型的仿真方法，仿真了不同發(fā)射條件下整個(gè)通信系統(tǒng)的性能。對(duì)比仿真結(jié)果，不僅得出不同條件下的通信性能的差異，還得出通信系統(tǒng)可靠的覆蓋范圍，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)有一定的指導(dǎo)作用。

作者簡(jiǎn)介

羅佳祺（1990-），男，江西，北京郵電大學(xué)碩士，研究方向?yàn)闊o(wú)線通信。endprint