配用電泛在業(yè)務(wù)盲區(qū)通信子載波干擾抑制方法*

馮奕軍， 冼慶祺

(1. 武漢大學 電氣與自動化學院， 武漢 430072； 2. 廣東電網(wǎng)有限責任公司 東莞供電局， 廣東 東莞 523000)

隨著我國工業(yè)化與城市化進程的推進，電力需求量快速增長，業(yè)務(wù)范圍逐漸擴大，對電網(wǎng)穩(wěn)定性的要求不斷提高，構(gòu)建可靠的配用電網(wǎng)已經(jīng)成為電網(wǎng)智能化建設(shè)的首要目標.但現(xiàn)階段配電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)備薄弱，大多數(shù)地區(qū)尚未形成自動化管控，配電終端通信故障率較高，這些故障區(qū)形成了電網(wǎng)泛在業(yè)務(wù)盲區(qū).配電網(wǎng)通信是確保電網(wǎng)穩(wěn)定運行、業(yè)務(wù)及時處理、故障迅速響應(yīng)的信息通道.在多種通信技術(shù)中，電力線載波通信是常用的通信手段，其具有操作簡便、通用性強、數(shù)據(jù)丟包率小等優(yōu)勢，但通信子載波的干擾會造成信號弱化，導(dǎo)致一些配用電業(yè)務(wù)無法及時得到反饋，如何有效解決電力載波通信過程中的子載波干擾引起了相關(guān)學者的廣泛關(guān)注.

楊蓉等[1]提出基于自適應(yīng)遺傳算法的子載波分配方案，利用遺傳算法良好的全局搜索性能，將其與注水方法相結(jié)合，對子載波做自適應(yīng)分配處理；張婷等[2]在博弈策略的基礎(chǔ)上研究了子載波分配方法，以電力系統(tǒng)耗能、子載波功耗以及延時作為約束條件，設(shè)計子載波信道能效目標函數(shù)，引入演化博弈策略獲取最優(yōu)分配方法.上述兩種方法都是從子載波分配角度達到干擾抑制目的，雖然能夠一定程度上控制噪聲，減少干擾，但解碼成功率較低，即使通信過程受干擾小，數(shù)據(jù)傳輸效率依舊不高.

針對上述問題，本文使用正交頻分復(fù)用方法(OFDM)對配用電泛在業(yè)務(wù)盲區(qū)通信子載波進行干擾抑制.該方法能夠有效減少多徑衰弱現(xiàn)象，利用具有正交關(guān)系的子載波降低信道衰落導(dǎo)致的干擾，此外，其保護方式利用循環(huán)前綴形式，進一步避免多徑衰落問題，去除碼間串擾[3].研究方法中包括集中式與分布式兩種信道組合方式，前者先對所有子信道進行子載波分配，再對不同時域調(diào)度重新分配，從中選擇最佳傳輸子信道；后者則是將每個用戶的子載波分布在頻帶整體中，且不同子載波依次排序，依次獲取分集增益.OFDM系統(tǒng)結(jié)合信道的頻率分析衰減特征，按照頻帶不同，分配不同編碼形式，使其實現(xiàn)自適應(yīng)編碼與調(diào)制.

1 配用電泛在業(yè)務(wù)與信道模型構(gòu)建

1.1 泛在業(yè)務(wù)類型

配電網(wǎng)業(yè)務(wù)特征主要表現(xiàn)為：業(yè)務(wù)節(jié)點眾多，覆蓋范圍大，運行環(huán)境較差；容易受到擴容與城市建設(shè)影響；通信距離遠，業(yè)務(wù)類型多樣化，信息量大但每個節(jié)點容量??；維護工作復(fù)雜，涉及的管理問題多等方面.傳統(tǒng)的配用電網(wǎng)一般利用專線業(yè)務(wù)傳輸方式[4]，而智能配用電網(wǎng)承擔著更多傳輸任務(wù)，必須具備融合業(yè)務(wù)的能力，且還要確保服務(wù)質(zhì)量，本文總結(jié)的泛在業(yè)務(wù)類型如表1所示.

表1 配用電業(yè)務(wù)類型Tab.1 Power distribution service types

根據(jù)表1的業(yè)務(wù)類型，為滿足配電網(wǎng)實時性傳輸?shù)纫?，?gòu)建高級配用電業(yè)務(wù)模型是實現(xiàn)自動化業(yè)務(wù)的主要方法.

1.2 信道特征模型構(gòu)建

1.2.1 通信信道特征分析

1) 阻抗匹配.電力線的分布情況、電力用戶與電纜之間的連接并非是均勻的.配用電過程中，在載波信號通過轉(zhuǎn)換連接點時，生成特征阻抗[5]，因此會存在阻抗不匹配的問題.

2) 頻率衰落.阻抗的不匹配生成各類反射信號，此種反射信號會造成信道多徑性，進而導(dǎo)致信道頻率衰落.

3) 干擾性.電力線之間會生成電磁輻射，而寬帶電力線的頻率與輻射頻率相等，因此二者之間產(chǎn)生相互干擾.

4) 噪聲多樣性.配用電網(wǎng)絡(luò)非常復(fù)雜，接入的負載較多，傳輸信號會受到一定影響，系統(tǒng)噪聲類型呈現(xiàn)出多樣性特征，脈沖干擾[6]也比較嚴重.

1.2.2 通信信道模型

結(jié)合信道特征可知，信道會使信號傳輸發(fā)生衰減，影響接收端接收水平.導(dǎo)致信號衰減的主要原因是多徑傳播與多普勒效應(yīng)，為此本文構(gòu)建了信道特征模型.假設(shè)在信道中上述兩種影響因素均出現(xiàn)，則模型可以表示為

(1)

式中：L為路徑數(shù)量；ai(t)為t時第i條路徑的衰落因子；fi(t)為多普勒頻率；φi(t)為附加相位；δ(·)為采樣函數(shù)；τi(t)為路徑延時.如果信道具有時不變特征[7]，此時信道可表示為

(2)

為便于特征分析，將式(2)變換為

(3)

式中，hi=aiejφi為第i條路徑的復(fù)數(shù)衰落函數(shù).

如果信道中某設(shè)備的移動速度較低，可以不考慮速度影響，則可將式(3)改寫成

(4)

上述構(gòu)建了在不同信道條件下的信道特征模型，結(jié)合信道特征，利用FOMD方法對泛在業(yè)務(wù)盲區(qū)進行估計.

2 通信子載波干擾抑制算法

2.1 基于子空間算法的信道“盲區(qū)”估計

根據(jù)上述構(gòu)建的信道特征模型，基于子空間算法界定子載波通信信道盲區(qū)，設(shè)子載波傳輸信號為N×1維的矢量XN，造成信道干擾的噪聲信號為l×1維的矢量ul，構(gòu)建通信子載波信道矩陣為1×N維的矢量H1×N，由此得到通信終端接收信號為

rl=H1×NXN+ul

(5)

利用子空間方法對信道盲區(qū)進行估計的過程如下：

2) 針對Rr做奇異值分解處理，其處理表達式為

(6)

式中：US與UN分別為信號與噪聲子空間；∑S為傳輸信號總和；VS為信號傳輸速度；VN為噪聲子空間傳輸速度.

3) 如果矩陣秩數(shù)表示為d，Rr經(jīng)過特征分解后對秩λk做重新排序可得

(7)

通過式(7)特征矢量值，能夠獲得新的信號與噪聲子空間分別為S=[s0，s1，…，sd-1]，G=[G0，G1，…，Gl-d+1]，結(jié)合子空間分解相關(guān)理論，確定S和G具有正交關(guān)系.

2.2 通信子載波抗干擾實現(xiàn)

單載波調(diào)制方法中每個子載波均不會發(fā)生重合，且會存在較大間隔.但OFMD方法中子載波正交，存在重合頻段，因此提高了頻譜使用效率.在該算法中，子載波個數(shù)影響著信號寬度，不斷調(diào)整子載波即可使信號帶寬發(fā)生變化.與單載波系統(tǒng)相比，OFDM的帶寬擴展性更為突出.

正是因為OFDM具備多種優(yōu)勢，本文利用該方法實現(xiàn)通信子載波干擾抑制.假設(shè)信號源經(jīng)過一系列處理后獲得發(fā)送信號ck，在通過信道中引入脈沖干擾ik與高斯白噪聲wk，獲取接收信號為rk.通過混合高斯模型描述脈沖干擾，即

ik=bpvk

(8)

式中：bp為概率為p的伯努利序列；vk為均值等于0的高斯序列.脈沖干擾ik的概率密度函數(shù)表達式為

(9)

rk=ck?h(τ)+f(ik)

(10)

如果OFDM的符號數(shù)達到一定量時，通信信號能夠通過高斯分布代表.但脈沖噪聲幅值通常較大，在對脈沖干擾抑制過程中，需設(shè)置門限值γ進行噪聲去除，經(jīng)過處理的信號表示為

(11)

結(jié)合最大似然準則[10-11]，確定γ計算表達式為

(12)

式中，Gch為噪聲子空間高斯分布序列.因OFDM通信具備循環(huán)平穩(wěn)特征[12-13]，經(jīng)研究傳輸信號、脈沖干擾與噪聲的周期相關(guān)函數(shù)能夠得出：在通信接收端獲取合理的子載波序數(shù)k和子載波循環(huán)前綴長度值，能提取出通信信號，得出信號功率P，預(yù)測出噪聲與干擾功率的和.

信號功率值可表示為

(13)

式中，a、b為載波傳輸系數(shù).

結(jié)合估計得出的P值，能夠獲取噪聲功率值為

(14)

式中，μ為采樣頻偏.通過獲取的Qwk值可以計算出門限值，將該值用于脈沖干擾處理，即可達到抑制載波干擾的目的[14-15].

3 仿真實驗分析與研究

為證明所提抗干擾算法性能，根據(jù)某地市供電公司配用電通信終端管理平臺提供的數(shù)據(jù)，采用Matlab平臺對OFDM的配用電泛在業(yè)務(wù)通信系統(tǒng)進行仿真.該系統(tǒng)硬件采用5412-pxi發(fā)生器與5015-pxi采樣器，具體仿真參數(shù)如表2所示.

表2 通信系統(tǒng)仿真參數(shù)Tab.2 Simulation parameters for communication systems

根據(jù)表2的仿真參數(shù)搭建如圖1所示的配用電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)，主干線包括三個分支，總長度為31.2 m，三個分支長度分別是2.6、11.4及4.8 m.設(shè)圖1中的拓撲結(jié)構(gòu)輸入信號的聚焦參數(shù)為0.18；信號采樣的時域長度為1 024；干擾強度為-10 dB，時延參數(shù)為0.3 s；數(shù)據(jù)采樣頻帶帶寬為3.5 MHz.

一般情況下，通信系統(tǒng)中產(chǎn)生的子載波干擾主要來自背景噪聲與脈沖噪聲.為驗證方法的有效性，在圖1的拓撲結(jié)構(gòu)中，仿真時間設(shè)置為1 200 s，總的發(fā)射脈沖數(shù)目設(shè)置為循環(huán)前綴長與子載波數(shù)量的乘積.首先用randn函數(shù)生成一個噪聲序列，進而生成如圖2所示的配用電網(wǎng)的泛在業(yè)務(wù)盲區(qū)采集的實際噪聲波形圖，該通信系統(tǒng)中噪聲含量較為豐富.經(jīng)過本文方法、文獻[1]方法與文獻[2]方法處理后，獲得的信號波形圖分別如圖3～5所示.去噪效果數(shù)據(jù)對比如表3所示，其中，去噪效果數(shù)據(jù)為單位時間內(nèi)去除噪聲與實際噪聲的比值.

圖1 配用電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Topology structure of power distribution grid

圖2 通信信號初始波形圖Fig.2 Initial waveform of communication signals

圖3 文獻[1]方法處理后通信信號波形圖Fig.3 Communication signal waveform processed by reference [1] method

圖4 文獻[2]方法處理后通信信號波形圖Fig.4 Communication signal waveform processed by reference [2] method

圖5 本文方法處理后通信信號波形圖Fig.5 Communication signal waveform processed by as-proposed method

表3 去噪效果數(shù)據(jù)對比結(jié)果Tab.3 Comparison results of denoising effect data

根據(jù)表3的統(tǒng)計結(jié)果可知，本文方法能夠去除96%以上的噪聲，文獻[1]方法經(jīng)過去噪處理后依舊存在大面積噪聲，文獻[2]方法雖然噪聲面積小，但噪聲存在區(qū)域較多，本文方法只有在峰值處才會出現(xiàn)一些細小噪聲.這是因為本文構(gòu)建的子載波干擾分布模型綜合考慮了脈沖干擾幅值影響，通過設(shè)置合理門限值，提高去噪效果，抑制干擾.

通信的最終目的是確保接收端準確接收到業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，故本文在三種不同干擾抑制算法下，對比了接收端星座圖.理想情況下星座圖中的每一個信號均為一個圓點，但由于在實際通信過程中會受到噪聲、脈沖信號等干擾因素的影響，導(dǎo)致星座圖中的每個信號成煙花式散射分布，設(shè)發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)的信噪比為23 dB，OFDM子載波數(shù)為64.圖6～8分別為三種算法通信接收端星座圖數(shù)據(jù).

圖6 文獻[1]方法通信接收端星座圖Fig.6 Communication receiver constellation of reference [1]

由圖6～8可以看出，本文方法通信接收端的星座圖區(qū)域劃分更加明顯，表明該方法業(yè)務(wù)接收成功率較高.這是因為該方法的干擾抑制效果較好，提高了通信性能，確保接收端能夠獲取更多業(yè)務(wù)數(shù)據(jù).

要想恢復(fù)配用電網(wǎng)泛在業(yè)務(wù)盲區(qū)的通信能力，必須對信號功率大小進行測試.子載波數(shù)量和循環(huán)

圖7 文獻[2]方法通信接收端星座圖Fig.7 Communication receiver constellation of reference [2]

圖8 本文方法通信接收端星座圖Fig.8 Communication receiver constellation of as-proposed method

前綴長參數(shù)設(shè)置同表2，信號調(diào)制分別采用對比的三種方法，在不同誤比特率(BER)情況下，得到三種方法的通信信號功率對比情況如圖9所示.

圖9 不同方法信號功率對比Fig.9 Comparison of signal power using different methods

在誤比特率低于10-4時，三種方法的信號功率基本一致.整體而言，三種方法的信號功率與誤比特率成反比，但是本文方法的信號功率下降趨勢相較于對比方法更緩，表明該方法在BER水平較低情況下，信號傳輸功率差異較小，能夠獲得更大增益，提高業(yè)務(wù)傳輸效率.

4 結(jié) 論

加強配用電網(wǎng)通信能力建設(shè)，對經(jīng)濟與社會發(fā)展均產(chǎn)生重要影響.因此，本文利用OFMD方法對配用電業(yè)務(wù)泛在盲區(qū)的通信子載波干擾抑制方法進行研究.仿真實驗表明，該方法可有效減少信道噪聲，提高接收端接收業(yè)務(wù)的成功率，改善業(yè)務(wù)通信能力.除本文提出的方法外，還要從全局出發(fā)，從不同方面優(yōu)化電網(wǎng)通信性能，提高通信質(zhì)量，確保配用電穩(wěn)定，提高用戶滿意度.同時在OFDM系統(tǒng)中可嘗試其他類型的編碼方式，進一步改善算法性能.