基于數(shù)據(jù)多重模糊過濾的電網(wǎng)信號弱區(qū)域通信系統(tǒng)設(shè)計

張萬杰，李宏梅，李艷，張磊，楊立超

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司德宏供電局，云南德宏 678400）

電網(wǎng)信號弱區(qū)域與正常區(qū)域相比，場強(qiáng)更低，通常隧道、坑道、礦區(qū)和地下停車場，這些區(qū)域的電磁波會受到外界干擾，或吸收、或阻擋、或反射，難以以正常的狀態(tài)運(yùn)行。為了保證弱區(qū)域的接收機(jī)能夠接收到足夠強(qiáng)的信號，需要改變該區(qū)域的門限，確保弱區(qū)域內(nèi)部的場強(qiáng)以合理的方式分布，防止同頻造成的干擾，從而使用戶能夠正常通信。

以往針對電網(wǎng)信號弱區(qū)域通信的研究多采用集成控制平臺，呂朋朋等人[1]設(shè)計了基于BIM 技術(shù)的弱電系統(tǒng)集成控制平臺，建立弱電系統(tǒng)電路阻抗參數(shù)模型，通過參數(shù)融合分析，搭建逆變器實(shí)驗(yàn)平臺，實(shí)現(xiàn)弱電系統(tǒng)集成，完成穩(wěn)定輸出，該系統(tǒng)具有很好的增益效果，能夠快速實(shí)現(xiàn)集成，但是通信能力較弱。鄭振峰[2]設(shè)計了基于窗函數(shù)的弱電信號智能感知系統(tǒng)，通過KE-INT 實(shí)時控制機(jī)箱和NH5486 模擬輸入模板完成信息控制和操作，該系統(tǒng)雖然具有較強(qiáng)的信息感知能力，但是并沒有針對通信系統(tǒng)進(jìn)行深入的研究。

數(shù)據(jù)多重模糊過濾能夠很好地減少不相關(guān)數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，利用仿真節(jié)點(diǎn)對不相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而降低成本開銷。因此該文數(shù)據(jù)多重模糊過濾設(shè)計了一種新的電網(wǎng)信號弱區(qū)域通信系統(tǒng)，從硬件、軟件出發(fā)進(jìn)行優(yōu)化處理，并利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

該文研究的通信系統(tǒng)能夠?qū)⒁纛l信號和視頻信號通過壓縮和編碼處理轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信息復(fù)用打包的傳輸碼流，壓縮過程符合MPEG 標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)內(nèi)部以激勵器為核心，利用信道編碼和調(diào)制完成信號模擬，通過變頻進(jìn)入所需頻道，利用射頻器放大信號[3]。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

觀察上圖可知，系統(tǒng)硬件主要包括COFDM 編碼單元、時鐘同步模塊、I/Q 調(diào)制器和UHF 變頻器。輸入信號在經(jīng)過激勵器時，以MPEG-TS 碼流的形式輸出，通過數(shù)字播控中心完成多次壓縮編碼，通過打包處理形成傳輸碼流，輸出信號通過編碼、調(diào)制和變頻處理形成模擬信號，再由激勵器實(shí)現(xiàn)信號的處理和調(diào)制，在確保增加信號的抗干擾能力后，對信息進(jìn)行正常接收，從而使信號能夠順利傳輸[4]。

1.1 COFDM編碼單元設(shè)計

在傳輸信號的過程中，多徑效應(yīng)會影響信息正常通信，因此需要利用COFDM 進(jìn)行正交頻分復(fù)用調(diào)節(jié)，通過調(diào)制不同的信號，將信號分解，并統(tǒng)一傳遞，統(tǒng)一發(fā)送，通過提高信號的傳播周期，增強(qiáng)信號的抗干擾能力[5-6]。COFDM 編碼器遵照ETSI 標(biāo)準(zhǔn)，能夠很好地處理信號的幀結(jié)構(gòu)，完成信息編碼和調(diào)制。COFDM 編碼器工作原理如圖2 所示。

圖2 COFDM編碼器工作原理

根據(jù)圖2 可知，在數(shù)據(jù)隨機(jī)處理過程中，信息過長可能會出現(xiàn)0 或1，因此需要隨機(jī)處理，電路進(jìn)行隨機(jī)轉(zhuǎn)化，在每組電路上安設(shè)移位寄存器，外碼采用截短碼的方式，這種模式采用R-S 編碼，提高信息的糾錯能力[7]。同時使用內(nèi)交織和外交織完成數(shù)據(jù)交織，信號在各個不同信道中傳輸，會出現(xiàn)各種不同的差錯，由于數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性，一旦錯誤發(fā)生就會導(dǎo)致連篇數(shù)據(jù)出錯，一旦錯誤集中，將很難處理，因此通過交織減少數(shù)據(jù)的集中程度[8]。編碼器的內(nèi)碼采用卷積碼進(jìn)行糾錯，糾錯性能很強(qiáng)，能夠減少內(nèi)部的誤碼[9-10]。

1.2 I/Q調(diào)制器設(shè)計

調(diào)制器內(nèi)部的信號為固定信號，因此需要通過變頻器轉(zhuǎn)移到RF 激勵器中，以此完成信息的調(diào)制。I/Q 調(diào)制器結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 I/Q調(diào)制器結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖3 可知，I/Q 信號通過校正完成數(shù)據(jù)模擬轉(zhuǎn)換，通過模擬映射完成數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換，利用信號模擬使通信信息能夠達(dá)到需要的頻率，再以RF 射頻模式輸出。I/Q 調(diào)制器具有很好的操作性能，能夠在短時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)控制操作，確保濾波器在工作過程中不會對外界造成破壞[11-12]。I/Q 調(diào)制器工作原理如圖4所示。

圖4 I/Q調(diào)制器工作原理

根據(jù)圖4 可知，I、Q 兩種信號通過校正實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)化，在信息轉(zhuǎn)換成模擬量后，通過調(diào)制得到射頻信號，信號在校正操作后經(jīng)過低通濾波器，從而完成信息輸出。

1.3 時鐘同步模塊

COFDM 調(diào)制器內(nèi)部的帶寬為8 MHz，在處理高精度信號時，頻率需要轉(zhuǎn)化為18.285 MHz，因此該文在硬件結(jié)構(gòu)中引入了時鐘同步模塊，利用時鐘頻率信號保證信號同步，即使在頻率精度非常高的情況下，也能很好地完成信息鎖定，確保傳輸過程信號的穩(wěn)定性。將電路產(chǎn)生的信號與電流配合，完成信號相鎖，從而抑制頻率漂移，確保激勵器內(nèi)部的時鐘參考信號以穩(wěn)定的狀態(tài)運(yùn)行[13]。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在完成通信系統(tǒng)硬件設(shè)計后，利用數(shù)據(jù)多重模糊過濾技術(shù)對通信系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計。確定信息的屬性值，同時進(jìn)行量化處理和歸一化處理，得到屬性集合。將信息存儲在屬性集U里，定義屬性集U的長度為N，信號的屬性集合A存儲在實(shí)體中，組成非空有限集合如式（1）所示：

設(shè)U能夠組成一個實(shí)值函數(shù)，記錄為：

通信信號的屬性位置(x,y)∈U。

根據(jù)通信信號的屬性位置可知，屬性過濾過程中會產(chǎn)生外延，由于貢獻(xiàn)程度難以確定，因此出現(xiàn)的外延是不明顯的，因此在確定電網(wǎng)通信信息時，需要進(jìn)行模糊分布，通信屬性的關(guān)聯(lián)度分布方式如圖5所示。

圖5 通信屬性關(guān)聯(lián)度分布方式

根據(jù)圖5 可知，在通信過程中，信號的關(guān)聯(lián)度對于過濾信息呈現(xiàn)連續(xù)性的變化，如果通信信息的位置距離接收機(jī)的距離超過10 000 m，則會被定義為干擾信息，系統(tǒng)自動過濾；如果距離小于10 000 m，則為正常通信信息，不會被過濾[14]。通信信息屬性的關(guān)聯(lián)度直接影響通信信息關(guān)聯(lián)度，如果屬性之間有很大的關(guān)聯(lián)度，則通信信息的關(guān)聯(lián)度較大，反之信息的關(guān)聯(lián)度過小，在通信過程中會被過濾掉。由于信息是否被過濾之間缺少模糊的定義，因此需要通過模糊測度判斷屬性關(guān)聯(lián)[15]。

利用F(U)定義模糊測度，信息在k維空間內(nèi)產(chǎn)生的模糊聯(lián)系，記為ζk。在確定模糊關(guān)聯(lián)空間之后，得到屬性集合：

通過數(shù)據(jù)過濾確定信息之間的關(guān)系，分析屬性之間的關(guān)聯(lián)程度，對式（1）中的信號A、通信信號與閾值λ進(jìn)行比較，如果信號A與通信信號超過λ，則代表信號為干擾信息，需要被過濾；如果信號A與通信信號小于λ，則代表信號能夠順利通信。通信過程建立仿真循環(huán)，在確定屬性關(guān)聯(lián)度后，可以得到通信信號關(guān)聯(lián)度，根據(jù)電網(wǎng)信號弱電區(qū)域性質(zhì)確定閾值λ，在得到關(guān)聯(lián)實(shí)體集后，與閾值進(jìn)行對比，分析是否需要模糊過濾，完成信息通信，通信過程可以同時從發(fā)射端和接收端兩個區(qū)域進(jìn)行[16]。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證該文設(shè)計的基于數(shù)據(jù)多重模糊過濾的電網(wǎng)信號弱區(qū)域通信系統(tǒng)的有效性，與傳統(tǒng)的基于BIM 技術(shù)的弱電系統(tǒng)集成控制平臺和基于窗函數(shù)的弱電信號智能感知系統(tǒng)進(jìn)行對比，分析通信過程對干擾信號和冗余信號的過濾效率，判定通信過程的穩(wěn)定性。

選用的實(shí)驗(yàn)區(qū)域?yàn)樗淼绤^(qū)域，該區(qū)域基本結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)區(qū)域基本結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖6 可知，隧道內(nèi)部設(shè)置了三個功率分配器，每一個分配器通過電力線連接一個中繼器。在信號未傳入時，所有中繼器都處于接收狀態(tài)，當(dāng)傳入信號后，所有的中繼器從接收狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)送狀態(tài)。

數(shù)據(jù)的過濾效率計算公式為：

其中，η表示過濾效率；ν表示過濾掉的冗余數(shù)據(jù)和干擾數(shù)據(jù)；z表示實(shí)際的干擾數(shù)據(jù)和冗余數(shù)據(jù)。得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示。

圖7 過濾效率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

觀察圖7 可知，在引入三種通信系統(tǒng)后，通信信號在隧道內(nèi)部的傳遞能力都得以加強(qiáng)，干擾信號和冗余信號都能夠得到過濾，但是三種系統(tǒng)的過濾效果不同，該文設(shè)計的基于數(shù)據(jù)多重模糊過濾的電網(wǎng)信號弱區(qū)域通信系統(tǒng)過濾能力最強(qiáng)，基于BIM 技術(shù)的弱電系統(tǒng)集成控制平臺雖然也能夠?qū)π畔⑦M(jìn)行過濾，但是在過濾過程中不能夠保證內(nèi)部所有通信信號都能夠被具象化處理，內(nèi)部冗余數(shù)據(jù)仍然摻雜在通信信號中，使過濾效率被大大降低。基于窗函數(shù)的弱電信號智能感知系統(tǒng)在過濾信號過程中，依賴窗函數(shù)對信號進(jìn)行感知，難以確定更新區(qū)域，對信號的屬性要求較高，如果屬性超過上限或者下限都很難被檢測出來。該文提出的系統(tǒng)利用路由空間概念，內(nèi)部設(shè)置了閾值λ，能夠確保每個數(shù)據(jù)信號都與閾值進(jìn)行對比，在計算過程中，實(shí)體通過屬性集的關(guān)聯(lián)度來判斷實(shí)體之間的聯(lián)系，這樣可以充分利用環(huán)境中的信息，提高過濾效率。

信息在傳遞過程中的波動情況如圖8 所示。

圖8 信息傳遞狀況的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)圖8 可知，傳統(tǒng)的兩種系統(tǒng)在對冗余數(shù)據(jù)和干擾信息進(jìn)行過濾時，沒有考慮信息的模糊性，因此在傳輸過程中，過濾位置會出現(xiàn)波動，發(fā)送狀態(tài)和接收信息容易受到外界干擾，出現(xiàn)多次波動。該文設(shè)計的系統(tǒng)由于將屬性之間的關(guān)聯(lián)度模糊，因此數(shù)據(jù)之間的屬性出現(xiàn)了細(xì)微的變化，信息在傳遞過程中敏感性降低，傳輸更加平穩(wěn)，波動性更好，通信過程更穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，人們越來越依靠網(wǎng)絡(luò)通信，如何在弱信號區(qū)域?qū)崿F(xiàn)有效通信是目前亟待解決的問題。該文利用數(shù)據(jù)多重模糊過濾設(shè)計了電網(wǎng)信號弱區(qū)域通信系統(tǒng)，硬件通過調(diào)制器為信號高性能通道提供了基礎(chǔ)，利用多重模糊過濾對信號進(jìn)行處理，提高信號的可靠性和信息流量。該文設(shè)計的系統(tǒng)能夠很好地解決單一通信所遇到的問題，在經(jīng)濟(jì)性和整體性能上都得到了提高，具有較強(qiáng)的應(yīng)用價值。未來需要進(jìn)一步深入研究信息流量問題，確保在多通道內(nèi)部信息也能夠順利傳輸。