基于5G+PLC技術(shù)的電力線載波信號(hào)脈沖干擾抑制方法

張明棟， 王 蔚， 李明洋， 謝偉棟， 高超超

(國(guó)網(wǎng)慶陽(yáng)供電公司， 甘肅 慶陽(yáng) 745000)

0 引 言

將電力線作為傳輸介質(zhì)完成數(shù)據(jù)的傳輸， 在現(xiàn)代通訊中發(fā)揮了良好的作用. 但電力線載波信號(hào)傳播過程中， 總是會(huì)出現(xiàn)噪聲大的問題， 使得最終誤碼率較高. 因此， 對(duì)噪聲進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)抑制是當(dāng)前亟待解決的問題.

文獻(xiàn)[1]通過最佳旋轉(zhuǎn)階次分析接收信號(hào)， 并在坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)后， 獲取時(shí)頻面的二維分布信息. 利用自適應(yīng)時(shí)變?yōu)V波器， 剔除信號(hào)中的干擾信息； 文獻(xiàn)[2]以認(rèn)知引擎驅(qū)動(dòng)為基礎(chǔ)， 構(gòu)建智能系統(tǒng)， 從而識(shí)別未知干擾信息， 實(shí)現(xiàn)抗干擾性能的提升； 文獻(xiàn)[3]通過PTS(Predetermined Time System， 預(yù)定時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng))技術(shù)， 降低信號(hào)峰均比， 從而加強(qiáng)噪聲和信號(hào)的區(qū)分. 將置0和限幅技術(shù)相結(jié)合， 抑制脈沖噪聲.

基于上述研究成果， 本文融合了5G技術(shù)和PLC技術(shù)， 構(gòu)建電力線載波信號(hào)脈沖干擾抑制方法， 去除電力線載波信號(hào)脈沖干擾， 降低電力線載波信號(hào)傳輸誤碼率.

1 電力線載波信號(hào)脈沖干擾抑制方法設(shè)計(jì)

1.1 構(gòu)建5G+PLC網(wǎng)絡(luò)通信模型

在地下停車場(chǎng)、 密閉空間等區(qū)域， 網(wǎng)絡(luò)穿透能力較弱， 5G信號(hào)無(wú)法覆蓋全空間， 造成網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量較低[4]. 為了解決這一問題， 提出了5G+PLC技術(shù). PLC技術(shù)使數(shù)據(jù)利用電力線載波信號(hào)傳輸， 極大提升了5G+PLC網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)[5].

5G+PLC網(wǎng)絡(luò)通信模型主要包含5G信號(hào)接收器、 5G信號(hào)轉(zhuǎn)換器、 網(wǎng)絡(luò)發(fā)射器3個(gè)部分， 具體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示.

圖 1 網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)圖

如圖 1 所示， 網(wǎng)絡(luò)通信信號(hào)傳輸過程中需要經(jīng)過多個(gè)環(huán)節(jié). 原始網(wǎng)絡(luò)通信信號(hào)通過接口被5G信號(hào)接收器接收， 通過5G信號(hào)轉(zhuǎn)換器， 再通過電力線分散到電力載波器中轉(zhuǎn)換， 轉(zhuǎn)化完成后通過發(fā)射器發(fā)射信號(hào). 通信信息在每個(gè)傳輸環(huán)節(jié)都被脈沖噪聲干擾， 傳輸線路越長(zhǎng)， 傳輸環(huán)節(jié)越多， 噪聲干擾越大， 因此， 在5G通信環(huán)境下， 脈沖噪聲對(duì)信息傳輸?shù)挠绊懼饾u擴(kuò)大. 由于信道傳輸是以模擬信號(hào)進(jìn)行傳遞， 在脈沖噪聲的干擾下， 模擬信號(hào)的波形發(fā)生了改變. 改變后的模擬信號(hào)在到達(dá)接收端后， 會(huì)產(chǎn)生傳遞信號(hào)錯(cuò)誤的情況.

1.2 識(shí)別脈沖干擾信息

在電力線載波過程中， 低壓電力線信道上噪聲的波動(dòng)較大， 形成脈沖干擾， 導(dǎo)致電力線載波信號(hào)出現(xiàn)錯(cuò)誤. 將網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)中包含的脈沖信號(hào)采集匯總至中頻， 完成處理工作， 接收信號(hào)的模型表示為[6]

x(t)=s(t)fc+J(t)+N(t),

(1)

式中：s(t)和J(t)分別表示調(diào)制前信號(hào)和信號(hào)中的脈沖干擾信息；fc表示信號(hào)的載波頻率； 高斯白噪聲用N(t)表示.

由于脈沖噪聲是干擾5G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸?shù)闹饕蛩兀?因此只研究電力線載波信號(hào)脈沖干擾信息的抑制方法. 脈沖噪聲是一種復(fù)雜的噪聲， 為了保證脈沖干擾抑制效果良好， 需要建立噪聲分析模型.

采用加性循環(huán)平穩(wěn)噪聲模型描述復(fù)雜的脈沖干擾噪聲. 將白噪聲設(shè)置為零. 在這個(gè)假設(shè)下， 脈沖噪聲概率密度函數(shù)(PDF)可以表示為

(2)

式中:p為噪音出現(xiàn)概率；T為噪聲的采樣時(shí)間間隔；i與θ分別表示時(shí)刻和方差. 從式(2)中可以看出， 這個(gè)噪聲方差是一個(gè)時(shí)變方差. 該時(shí)變方差可以由一個(gè)迭代周期函數(shù)得到

(3)

式中:A,C為脈沖噪音種類， 而l表示迭代周期.

PLC噪聲信道是一個(gè)頻率選擇性衰落信道， 而以上時(shí)變方差產(chǎn)生的噪聲序列無(wú)法準(zhǔn)確將噪聲的頻域特性顯示出來(lái)， 因此， 利用頻響濾波器對(duì)噪聲序列進(jìn)行操作， 通過觀測(cè)PLC噪聲的功率譜， 形成頻響函數(shù). 根據(jù)脈沖干擾信號(hào)頻響函數(shù)計(jì)算結(jié)果， 發(fā)現(xiàn)信號(hào)具有拖尾現(xiàn)象.

研究脈沖信號(hào)波形， 可以認(rèn)識(shí)單個(gè)脈沖， 并記錄其相位、 峰值， 匯總形成脈沖信息統(tǒng)計(jì)表[7].

在識(shí)別脈沖干擾信息過程中， 需要利用3個(gè)閾值進(jìn)行計(jì)算. 針對(duì)實(shí)際情況合理設(shè)定閾值數(shù)據(jù)， 如果其他參數(shù)不出現(xiàn)變化， 閾值數(shù)據(jù)保持不變[8]. 采用最長(zhǎng)距離法聚類處理脈沖， 并且分析每一類別的脈沖信息， 得出脈沖干擾識(shí)別結(jié)果.

1.3 計(jì)算脈沖噪聲值

針對(duì)電力線載波信號(hào)脈沖干擾信息， 計(jì)算脈沖噪聲， 具體的計(jì)算流程如圖 2 所示.

圖 2 算法流程

脈沖噪聲具有稀疏性的特點(diǎn)， 因此可以表示為

ip=argimin‖i‖0s.t. ‖i-θi‖2≤ε.

(4)

脈沖噪聲和脈沖噪聲估計(jì)值分別使用i和ip表示， 使用θ表示空子載波矩陣.ε代表一個(gè)正數(shù)， 并且與噪聲方差有所關(guān)聯(lián).

通過正則化方法， 將脈沖噪聲計(jì)算過程轉(zhuǎn)換為

(5)

式中：λ表示正則化參數(shù).

通過最小化優(yōu)化函數(shù)迭代算法， 對(duì)式(5)進(jìn)行求解， 需要將問題轉(zhuǎn)化為包含兩步迭代結(jié)果的公式

(6)

式中:ij和ij+1分別表示脈沖噪聲當(dāng)前和下一次的迭代求解值.

采用閾值函數(shù)H( )判斷脈沖噪聲幅度B(i).函數(shù)H(B(i))的表達(dá)公式為

(7)

式中： 函數(shù)的門限值表示為λ0.5， 其具體取值與正則化參數(shù)λ有所關(guān)聯(lián).利用交叉驗(yàn)證的方法， 可以獲取正則化參數(shù)λ的值， 并結(jié)合已知問題稀疏度， 參數(shù)

(8)

式中：s表示問題稀疏度用；s+1表示元素降序排序后的順序.

根據(jù)以上公式， 可以得出脈沖噪聲估計(jì)的迭代求解公式

ij+1=H(B(ij)),

(9)

式中：ij+1,ij分別表示脈沖噪聲的估計(jì)值求解次數(shù). 計(jì)算殘差滿足預(yù)先設(shè)定的閾值后， 便可以輸出脈沖噪聲的估計(jì)值.

1.4 實(shí)現(xiàn)信號(hào)脈沖干擾抑制

電力線載波信號(hào)通信時(shí)， 脈沖干擾信息具有長(zhǎng)時(shí)延性的特點(diǎn). 采用動(dòng)態(tài)調(diào)整CCA(Clear Channel Access， 信道評(píng)估)門限的機(jī)制， 抑制信號(hào)脈沖干擾， 去除干擾信息， 識(shí)別干擾強(qiáng)度[9]. 具體的CCA門限值需要從仿真實(shí)驗(yàn)中獲取， 通過信噪比的改變， 獲取不同門限值下的信號(hào)傳輸質(zhì)量. 門限值過高或過低都會(huì)使干擾信息的漏檢概率、 虛警概率大幅提升， 因此可以通過選取最優(yōu)門限值， 使誤碼率達(dá)到最低[10].

在網(wǎng)絡(luò)通信過程中， 通常會(huì)在一些因素的影響下產(chǎn)生比特?cái)?shù)據(jù)， 從而造成信息傳輸誤差. 這種情況下， 需要采用一些方法， 將連續(xù)比特分散開來(lái)， 使得一幀中的數(shù)據(jù)向其他幀分散. 保證即使網(wǎng)絡(luò)通信過程中比特差錯(cuò)出現(xiàn)， 也可以將其分解為長(zhǎng)度很短的差錯(cuò)， 由融合信道編碼進(jìn)行糾正， 使得數(shù)據(jù)最大限度恢復(fù). 這一計(jì)算過程通常采用交織技術(shù)， 在不改變數(shù)據(jù)內(nèi)容的前提下， 將集中錯(cuò)誤分散化處理. PLC傳輸過程中交織算法的應(yīng)用， 需要將脈沖噪聲進(jìn)行白化處理， 倘若將子載波個(gè)數(shù)用m表示， 并用n表示一個(gè)超幀中的數(shù)量， 從而構(gòu)成nm的交織矩陣， 如圖 3 所示.

將交織之前的數(shù)據(jù)下標(biāo)分別用i,j表示， 交織之后的數(shù)據(jù)下標(biāo)則表示為I,J， 可以得出交織公式

(10)

公式中mod表示為取模操作，n中大于2的第1個(gè)和第2個(gè)質(zhì)數(shù)分別表示為nj、ni，m中第1個(gè)和第2個(gè)質(zhì)數(shù)分別表示為mi、mj， 具體的交織過程如圖 4 所示.

圖 3 交織矩陣圖

圖 4 交織示意圖

交織算法的求解公式為

(11)

式中：a，b分別表示i，j的最小非零整數(shù). 交織算法能充分白化脈沖噪聲， 從而抑制信號(hào)脈沖干擾.

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

通過實(shí)驗(yàn)， 測(cè)試文中設(shè)計(jì)的干擾抑制方法的應(yīng)用性能. 在實(shí)際低壓電網(wǎng)中， 建立PLC+5G技術(shù)集成的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng). 通信系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)如表 1 所示.

依據(jù)表 1 所示的參數(shù)， 完成實(shí)驗(yàn)環(huán)境的設(shè)置. 并在該實(shí)驗(yàn)環(huán)境中設(shè)計(jì)低壓電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu). 將網(wǎng)絡(luò)主干線長(zhǎng)度設(shè)置為20.5 m， 包含兩個(gè)分別為18.1 m， 2.8 m的分支. 一般情況下， 電力線載波信號(hào)脈沖干擾為脈沖噪聲. 針對(duì)噪聲時(shí)域波形進(jìn)行實(shí)際測(cè)量， 并將其表示為圖 5.

表 1 通信系統(tǒng)參數(shù)

圖 5 網(wǎng)絡(luò)中實(shí)際采集噪聲

分析圖 5 可知， 倘若不進(jìn)行干擾抑制處理， 最終的輸出結(jié)果會(huì)出現(xiàn)很多錯(cuò)誤. 為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有說(shuō)服力， 分別選擇文獻(xiàn)[1]方法、 文獻(xiàn)[2] 方法、 文獻(xiàn)[3]方法與本文方法處理噪聲.

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

脈沖噪聲處理結(jié)果如圖 6 所示.

分析圖 6 的噪音處理結(jié)果可知， 應(yīng)用本文設(shè)計(jì)方法， 噪音變化幅度極大降低， 噪音得到了良好地去除， 處理效果明顯優(yōu)于其他3種方法.

圖 6 3種方法的噪音處理結(jié)果對(duì)比

脈沖干擾抑制方法的應(yīng)用效果， 需要針對(duì)不同方法應(yīng)用后的信噪比變化進(jìn)行分析. 隨著空子載波個(gè)數(shù)的增長(zhǎng)， 信噪比變化情況如表 2 所示.

表 2 不同空子載波個(gè)數(shù)下的估計(jì)信噪比

4種方法的信噪比全都隨著空子載波個(gè)數(shù)的增加而增長(zhǎng)， 本文設(shè)計(jì)方法的估計(jì)信噪比明顯更高， 可以發(fā)揮良好的性能.

除此之外， 將數(shù)據(jù)傳輸誤碼率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)， 分析4種干擾抑制方法應(yīng)用后， 電力線載波信號(hào)變化情況， 不同方法的誤碼率變化如圖 7 所示.

圖 7 不同方法應(yīng)用后誤碼率變化對(duì)比

如圖 7 所示， 應(yīng)用本文設(shè)計(jì)方法， 誤碼率明顯更低. 通過計(jì)算可知， 本文方法的誤碼率與其他3種方法相比， 分別降低了30.24%, 61.35%, 72.15%. 由此可知， 本文設(shè)計(jì)的脈沖干擾抑制方法具有更好的應(yīng)用效果.

3 結(jié) 語(yǔ)

為抑制電力線載波信號(hào)傳播過程中的噪音， 提出基于5G+PLC技術(shù)的電力線載波信號(hào)脈沖干擾抑制方法. 針對(duì)5G+PLC技術(shù)建立的電力線載波， 設(shè)計(jì)智能通信模型， 并計(jì)算脈沖信號(hào)噪聲值， 有效抑制了信號(hào)傳輸過程中的干擾信息. 實(shí)驗(yàn)表明， 應(yīng)用本文設(shè)計(jì)方法， 噪音變化幅度極大降低， 噪音得到了良好地去除， 誤碼率亦有所降低， 達(dá)到了預(yù)期效果， 有助于電力線載波信號(hào)更順暢地傳播， 提高通訊質(zhì)量.