一种基于测量干线网络传输特性的电力线信道的多路径模型

本发明涉及电力线通信，尤其是一种基于测量的干线网络传输特性电力线信道的多路径模型。

背景技术：

1、由于最近的发展，电力供应系统正准备从一个纯能源分配网络迁移到一个提供能源、语音和各种数据服务的多用途介质。特别是，互联网接入目前是各种研究活动的重点。

2、电力线网络在拓扑结构、构造和物理性质上与传统的媒体，如双绞线、同轴电缆或光纤电缆有很大的不同。因此，plc系统必须遇到相当敌对的特性。对于面向适当的系统设计的计算机模拟，主网络传输特性的模型是非常重要的。

3、现有模型，它们的实际价值通常非常有限，因为它们大多数代表了由大量分布式组件描述网络行为的自下而上的方法。通常，矩阵包含这些分量的性质，或基于散射参数或基于四极阻抗和导纳值。显然，需要详细掌握网络中所有组件包括电缆、接头、连接的设备等知识。在实践中，通常不可能以足够的精度确定必要的参数。现有模型存在的问题是，它被限制在150khz以下的频率范围内。

4、这项专利概述了一种自上而下的策略，将通信信道视为一个黑盒，并通过极少数相关参数在500khz到20mhz的频率范围内的频率响应来描述其传输特性。该模型的结构是基于基本的物理效应，并在大量的测量中进行了分析。然而，与以前的方法相比，相关参数不是来自组件属性，而是来自信道测量。

技术实现思路

1、发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种基于测量的干线网络传输特性电力线信道的多路径模型，仅使用少量参数描述典型电力线网络的复杂传输函数的解析模型。

2、技术方案：一种基于测量的干线网络传输特性电力线信道的多路径模型，包括如下步骤：

3、(1)分析物理信号传播效应

4、本节研究了影响通信信号对电力线网络传输的影响，并推导出了频率响应模型的基础知识。

5、①主网的拓扑结构

6、房屋服务电缆以一个房屋连接盒结束，然后是门内布线，这可以通过一个复杂的终端阻抗zh(f)从接入网的角度进行建模。

7、②多路径信号传播

8、信号的传播不仅发生在发射机和接收机之间的视线方向路径上，而且还必须考虑额外的路径。其结果是一个具有频率选择性衰落的多路径场景。如图1

9、

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11、电缆的损耗导致的衰减a(f，d)随长度和频率的增加而增加。单个路径的信号分量必须通过叠加来组合。因此，从a到c的频率响应可以表示为

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13、式中：路径的延迟τi

14、

15、其中εr为介电常数、c0为光速、di为电缆的长度。

16、③电缆损耗

17、传播信号受到衰减随长度和频率的增加而增加的影响，利用复传播常数

18、

19、可以表示匹配的传输线的频率响应h(f)

20、根据主电缆参数r′、g′、c′和l′以及距离x处的电压u(x)，如下所示：

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22、电缆参数c′和l′可以通过几何尺寸和一些材料性能粗略估计。考虑到兆赫范围内的频率，电阻的单位长度r′主要由趋肤效应决定，因此与成正比。单位长度的电导g′主要受介质材料耗散系数(通常为聚氯乙烯)的影响，因此和f成正比。具有典型的几何形状和材料性质，我们有r′＜＜ωl′和g′＜＜ωc′在感兴趣的频率范围内。因此，可以认为电缆是具有实值特征阻抗zl的弱有损电缆。复传播常数γ可以用简化的表达式来确定

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24、使用常数k1，k2，k3并汇总材料和几何参数。传播常数的实部，即衰减因子α，随频率的增加而增加。然而，一种特殊电缆之间的确切关系可以在α和f两者的混合成比例，这取决于k1和k2哪个占主导地位。

25、基于这些推导和对测量频率响应的广泛研究，得到了衰减因子α的近似公式

26、α(f)＝a0+a1·fk

27、它能够仅用三个参数来描述典型的电力线连杆的衰减，很容易从测量的传递函数中推导出来。电力线电缆的衰减可以表示成

28、

29、通常，参数a0，a1和k由测量的传递函数导出。

30、(2)建立信道模型

31、①传递函数的一种广义多路径信号传播模型

32、结合多路径传播和给出的频率和长度依赖的衰减，最终得到

33、

34、上式描述了信号通过延迟部分沿路径的传播和低通特性，即衰减随衰减部分增加。加权因子gi总结了沿着传播路径的反射和透射因子。由于反射点可能表现出复杂的和频率相关的值，gi通常是复杂的和频率相关的。n条路径的信号分量总是在接收点处加在一起。

35、②简化模型

36、从多路径的角度来看，gi简单地描述了路径i的权重。因此，利用(2)，给出了频率响应的最终版本，该结果在实践中得到了广泛的证明。表1解释了这些参数。

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38、这是一个参数模型，描述了典型电力线通道的复杂频率响应，涵盖了从500khz到20mhz的频率范围内传输特性的所有实质性影响，这些参数可以从测量的频率响应中得到。

39、表1传递函数模型的参数

40、 i 路径的个数，其中延迟最短的路径的索引为i，＝为1 <![cdata[a₀，a₁]]> 衰减参数 k 衰减因子的指数(典型值在0.5和1之间) <![cdata[g_i]]> 路径i的加权因子，一般为复杂，可以看作是所涉及的反射和传输因素的组合 <![cdata[d_i]]> 路径长度i <![cdata[τ_i]]> 路径i的延迟

41、(3)进行测量验证

42、验证是通过一个具有根据图1和众所周知的几何维度的测试网络来完成的。发射机位于a位置，而接收机位于c位置。a与c电缆的特性阻抗相匹配，使d点保持开放，使反射系数r＝1。第(1)段长30米，第(2)段长170米，第(3)段长12米。第(1)和(2)段由特性阻抗约为45ω的nayy150型的直线能量分配电缆组成，第(3)段是特性阻抗约为70ω的nayy35型的室内连接电缆。用数字存储示波器(dso)记录传输的和接收的信号，并在pc机上离线计算复杂的频率响应。由于信号的传播时间导致较大的整体相位值，通过减去线性相位部分可以产生更详细的图。由此产生的“相位细节”图提供了一个更好地洞察与相位畸变的频率范围。

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45、表二测试网络四径模型参数

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47、由于在a和c处的非理想匹配，在振幅响应中可以看到额外的小波纹。在脉冲响应中，可以看到多条传播路径。图2将测量结果与n＝4路径模型的仿真结果进行了比较。表二中列出的使用参数集来自频率响应测量。

48、(4)研究模型的应用

49、①衰减配置文件

50、电力线链路的衰减主要受电缆损耗和分支点反射引起的多径衰落的影响，因此每个链路都有自己的衰减轮廓。然而，对于长度相似、布局相似和电缆类型相似的链接，它们有显著的相似之处。

51、1)短距离链路：

52、只有少数分支(1到4)的短距离链路(100-200米)大多表现出典型的衰减值，从500khz时的几个分贝开始，到20mhz时的40-70db。图3显示了一个在150米的链路上测量的例子，一个22米的分支提供一个小公寓。振幅响应相当平滑，只有一些弱缺口，这意味着在房屋连接点没有明显的阻抗失配。

53、除了测量结果外，图3还显示了根据模型计算的振幅响应，其路径n＝1与加权因子g1＝1和衰减参数分别为k＝0.7，a0＝-2.03·10-3m-1和a1＝3.75·10-7s/n。该参数采用最小二乘拟合算法确定测量结果。很明显，该模型和测量值之间的差异很小。

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56、2)长距离链路：

57、具有pvc绝缘地下电缆的典型的300米长距离链路表现出更高的衰减，主要是由于长度和许多分支(最多15)造成的更高的损耗。此外，由多路径衰落引起的深陷波往往会增强衰减。衰减通常在500khz时的10-30db范围内开始，在5-8mhz时可能达到超过80db的值(这接近所用测量设备的本底噪声)。图4显示了一个城市住宅区的测量结果，12个分支主要供应小公寓。除了振幅响应外，还显示了链路的本底噪声。显然，衰减的信号在7mhz以上的频率处下降到噪声本底以下。此外，振幅响应显示出几个深凹口。

58、除图4中的测量数据外，还描述了根据(10)建立的衰减模型的仿真结果，其路径n＝1，参数分别为k＝1，a0＝6.5·10-3m-1和a1＝2.46·10-9s/m。在对测量数据进行预处理后，采用最小二乘拟合算法估计衰减参数，使其频率范围不受深陷波的影响。

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61、3)长度剖面：

62、由于凹槽的位置和深度不依赖于链路的长度，而只取决于分支的属性(长度和失配)，因此在指定只包括基本衰减特性的长度剖面时，不考虑凹槽的影响似乎是合理的。为了找到这样的长度分布，对德国低压配电网中使用nayy或nyy型pvc绝缘电缆的链路的约160个测量值进行了评估，并将其分为5个长度类别，即100米、150米、200米、300米和380米。从这些类别中，计算衰减对频率的中值，并确定了与5.1.1和5.1.2节中相似的衰减模型。结果如图5所示，相应的参数见表3。需要注意的是，我们现在有衰减的中值，因此如果特定链路包含凹口、其他类型的电缆或特殊拓扑，可能会有很大的不同。

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65、表三：长度分布对应的衰减参数

66、 距离[米] <![cdata[g₁]]> <![cdata[a0[m^-1]]]> <![cdata[a₁[s/m]]]> k 100 1 <![cdata[9.40·10^-3]]> <![cdata[4.20·10^-7]]> 0.7 150 1 <![cdata[1.09·10^-3]]> <![cdata[3.36·10^-7]]> 0.7 200 1 <![cdata[9.33·10^-3]]> <![cdata[3.24·10^-7]]> 0.7 300 1 <![cdata[8.40·10^-3]]> <![cdata[3.00·10^-9]]> 1 380 1 <![cdata[6.20·10^-3]]> <![cdata[4.00·10^-9]]> 1

67、①个别链接的详细模型

68、作为具有显著频率选择性衰落的频率响应的一个例子，图6所示为6个排屋记录的110米链接的测量结果，每个分支的长度约为15米。除了振幅响应，相位细节与频率相对应被绘制出来。非常深的凹槽是由近似相同长度的等距分支引起的多路径传播的结果。

69、为了证明该模型对覆盖多传播路径链路的复杂频率响应的能力，特别是在第一个缺口(4.5mhz)以下的频率范围内，该模型与测量结果非常吻合。在15mhz以内，模拟和测量之间只有微小的差异，即使在15mhz以上，仍然有公平的覆盖范围。为了得到精确的结果，有时可能需要许多具有单独加权因子gi和长度的路径di(在所提出的案例中为44条)。另一方面，只有一组衰减参数，即k＝1，a0＝0和a1＝2.5·10-9s/m，通常是足够的。

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72、②参考模型

73、对于plc系统的性能分析，将讨论这种只有少量路径的简化模型，。

74、图7绘制了110m链路的简化模型。这个模型已经被简化为n＝15，覆盖了脉冲响应的主要路径。由于路径数量的减少，模型和测量的频率响应在4mhz以上表现出一些差异，特别是在深槽的位置。然而，该模型仍然很好地覆盖了脉冲响应。15个路径模型的参数列于表4。

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77、表4 15个路径模型的参数

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