張明棟， 王 蔚， 李明洋， 謝偉棟， 高超超

(國網(wǎng)慶陽供電公司， 甘肅 慶陽 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. 但電力線載波信號傳播過程中， 總是會出現(xiàn)噪聲大的問題， 使得最終誤碼率較高. 因此， 對噪聲進行相應(yīng)的技術(shù)抑制是當前亟待解決的問題.

文獻[1]通過最佳旋轉(zhuǎn)階次分析接收信號， 并在坐標旋轉(zhuǎn)后， 獲取時頻面的二維分布信息. 利用自適應(yīng)時變?yōu)V波器， 剔除信號中的干擾信息； 文獻[2]以認知引擎驅(qū)動為基礎(chǔ)， 構(gòu)建智能系統(tǒng)， 從而識別未知干擾信息， 實現(xiàn)抗干擾性能的提升； 文獻[3]通過PTS(Predetermined Time System， 預(yù)定時間標準系統(tǒng))技術(shù)， 降低信號峰均比， 從而加強噪聲和信號的區(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)建電力線載波信號脈沖干擾抑制方法， 去除電力線載波信號脈沖干擾， 降低電力線載波信號傳輸誤碼率.

1 電力線載波信號脈沖干擾抑制方法設(shè)計

1.1 構(gòu)建5G+PLC網(wǎng)絡(luò)通信模型

在地下停車場、 密閉空間等區(qū)域， 網(wǎng)絡(luò)穿透能力較弱， 5G信號無法覆蓋全空間， 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[5].

5G+PLC網(wǎng)絡(luò)通信模型主要包含5G信號接收器、 5G信號轉(zhuǎn)換器、 網(wǎng)絡(luò)發(fā)射器3個部分， 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)通信信號傳輸過程中需要經(jīng)過多個環(huán)節(jié). 原始網(wǎng)絡(luò)通信信號通過接口被5G信號接收器接收， 通過5G信號轉(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. 通信信息在每個傳輸環(huán)節(jié)都被脈沖噪聲干擾， 傳輸線路越長， 傳輸環(huán)節(jié)越多， 噪聲干擾越大， 因此， 在5G通信環(huán)境下， 脈沖噪聲對信息傳輸?shù)挠绊懼饾u擴大. 由于信道傳輸是以模擬信號進行傳遞， 在脈沖噪聲的干擾下， 模擬信號的波形發(fā)生了改變. 改變后的模擬信號在到達接收端后， 會產(chǎn)生傳遞信號錯誤的情況.

1.2 識別脈沖干擾信息

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

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

(1)

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

由于脈沖噪聲是干擾5G網(wǎng)絡(luò)信號傳輸?shù)闹饕蛩兀?因此只研究電力線載波信號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為噪聲的采樣時間間隔；i與θ分別表示時刻和方差. 從式(2)中可以看出， 這個噪聲方差是一個時變方差. 該時變方差可以由一個迭代周期函數(shù)得到

(3)

式中:A,C為脈沖噪音種類， 而l表示迭代周期.

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

研究脈沖信號波形， 可以認識單個脈沖， 并記錄其相位、 峰值， 匯總形成脈沖信息統(tǒng)計表[7].

在識別脈沖干擾信息過程中， 需要利用3個閾值進行計算. 針對實際情況合理設(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， 得出脈沖干擾識別結(jié)果.

1.3 計算脈沖噪聲值

針對電力線載波信號脈沖干擾信息， 計算脈沖噪聲， 具體的計算流程如圖 2 所示.

圖 2 算法流程

脈沖噪聲具有稀疏性的特點， 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， 對式(5)進行求解， 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值求解次數(shù). 計算殘差滿足預(yù)先設(shè)定的閾值后， 便可以輸出脈沖噪聲的估計值.

1.4 實現(xiàn)信號脈沖干擾抑制

電力線載波信號通信時， 脈沖干擾信息具有長時延性的特點. 采用動態(tài)調(diào)整CCA(Clear Channel Access， 信道評估)門限的機制， 抑制信號脈沖干擾， 去除干擾信息， 識別干擾強度[9]. 具體的CCA門限值需要從仿真實驗中獲取， 通過信噪比的改變， 獲取不同門限值下的信號傳輸質(zhì)量. 門限值過高或過低都會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， 使誤碼率達到最低[10].

在網(wǎng)絡(luò)通信過程中， 通常會在一些因素的影響下產(chǎn)生比特數(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， 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出現(xiàn)， 也可以將其分解為長度很短的差錯， 由融合信道編碼進行糾正， 使得數(shù)據(jù)最大限度恢復(fù). 這一計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， 需要將脈沖噪聲進行白化處理， 倘若將子載波個數(shù)用m表示， 并用n表示一個超幀中的數(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)下標分別用i,j表示， 交織之后的數(shù)據(jù)下標則表示為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個和第2個質(zhì)數(shù)分別表示為nj、ni，m中第1個和第2個質(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， 從而抑制信號脈沖干擾.

2 實 驗

2.1 實驗準備

通過實驗， 測試文中設(shè)計的干擾抑制方法的應(yīng)用性能. 在實際低壓電網(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)， 完成實驗環(huán)境的設(shè)置. 并在該實驗環(huán)境中設(shè)計低壓電網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu). 將網(wǎng)絡(luò)主干線長度設(shè)置為20.5 m， 包含兩個分別為18.1 m， 2.8 m的分支. 一般情況下， 電力線載波信號脈沖干擾為脈沖噪聲. 針對噪聲時域波形進行實際測量， 并將其表示為圖 5.

表 1 通信系統(tǒng)參數(shù)

圖 5 網(wǎng)絡(luò)中實際采集噪聲

分析圖 5 可知， 倘若不進行干擾抑制處理， 最終的輸出結(jié)果會出現(xiàn)很多錯誤. 為了保證實驗結(jié)果具有說服力， 分別選擇文獻[1]方法、 文獻[2] 方法、 文獻[3]方法與本文方法處理噪聲.

2.2 實驗結(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)果對比

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

表 2 不同空子載波個數(shù)下的估計信噪比

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

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

圖 7 不同方法應(yīng)用后誤碼率變化對比

如圖 7 所示， 應(yīng)用本文設(shè)計方法， 誤碼率明顯更低. 通過計算可知， 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)計的脈沖干擾抑制方法具有更好的應(yīng)用效果.

3 結(jié) 語

為抑制電力線載波信號傳播過程中的噪音， 提出基于5G+PLC技術(shù)的電力線載波信號脈沖干擾抑制方法. 針對5G+PLC技術(shù)建立的電力線載波， 設(shè)計智能通信模型， 并計算脈沖信號噪聲值， 有效抑制了信號傳輸過程中的干擾信息. 實驗表明， 應(yīng)用本文設(shè)計方法， 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， 達到了預(yù)期效果， 有助于電力線載波信號更順暢地傳播， 提高通訊質(zhì)量.