基于PLC技术的家居控制综合系统设计与分析.pdf
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1、设备管理与维修2023 翼9(下)0引言PLC(Power Line Communication,电力线通信)能够为各种电气设备提供互联网接入1,近年来引起了人们的广泛关注,并在智能电网中得到了广泛的应用。随着电力中压通信接入网的飞速发展,宽带 PLC 应运而生,现在宽带 PLC 的数据速率可以达到约 2 Gbps。同时,窄带 PLC 被认为是一种很有前途的通信技术的智能家居应用,如电力抄表、电气设备的自动控制以及消费类电器的网络化2。然而,与传统的有线和无线通信相比,由于严重的信号衰落和脉冲噪声,PLC 遇到了更恶劣的环境。通常 PLC 信道中的脉冲噪声是随机发生的,持续时间短,功率谱密度高
2、3。因此,在脉冲噪声的存在下,PLC 通道的信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)急剧下降。此外,多径效应是导致频率选择性衰落的严重问题,而且 PLC 网络是基于分支的拓扑结构4。因此,传输的信号在连接的点、电容器组和变压器处反射,从而导致快衰落。在这种情况下对 PLC 通道的性能评估,尤其是容量分析,就成为一个至关重要的课题。本文采用米德尔顿 a 类模型对脉冲噪声进行建模,并将PLC 信道建模为记忆信道,利用马尔可夫过程描述带存储器的PLC 通道,推导出可达率、遍历容量和中断概率。1PLC 通道及系统模型1.1系统通道本智能家居 PLC 基础设施由几个子电路组成,采用单
3、相变压器隔离子电路,具有成本低、体积小的特点,适合智能家居用户使用5。这种结构可以为智能家居用户带来安全的用电和方便的维护。系统中有多条平行的电源线用于不同的子电路,因此使用这些电力线同时传输信号,以提高数据速率。此外,由于与变压器的隔离,在不同子电路的电力线上传输的信号不会互相干扰6。所以,信号可以通过多个子电路独立地从发射机发送到接收机。本研究设计多样性 PLC 子通道对 PLC 通道进行建模,发射机和接收机分别使用一个缓冲器来收集发射数据(图 1)。此外,采用二进制相移键控(BPSK)来调制通过 L 个 PLC子信道传输的符号。接收机可以通过从频率、时间和空间组合这些子信道来接收符号。因
4、此,L 个子信道可以被视为一个 PLC信道。在 PLC 系统中,输入信号通过 L 个子信道从发射机传输到接收机。第 lth(1臆l臆L)子信道 yi为:yl=hlxl+zl(1)其中,xl为通过 LTH 子信道传输的信号,zl为子信道的接收噪声,hl为子信道的信道增益。使用最大比率组合(Maximum Ratio Combining,MRC)将 L个子通道组合为一个 PLC 通道。从而得到 PLC 信道的最优接收信噪比为:酌=Ps滓2伊Ll=1移wl伊hl蓸蔀2Ll=1移wl2(2)其中,酌 为接收信噪比,wl为第 l 个子信道的权值,Ps为发射功率,滓2为信道噪声方差。设 wl与第 l 个子
5、信道的增益成正比,则接收到的信噪比为:酌=酌P伊Ll=1移hl2(3)根据上述方程,组合 PLC 信道中的噪声被认为是高斯噪声zg和 zw脉冲噪声的组合,即:z=zg+zw(4)摘要:PLC 是为智能家居提供信息传输服务的一种有效的方法,目前 PLC 网络存在严重的信道衰落和脉冲噪声。根据脉冲方式和脉冲发生情况,可将 PLC 通道建模为有记忆通道。根据不同时隙中脉冲发生数之间的相关性,采用具有有限数量状态的马尔可夫过程计算可达率,利用 PLC 信道的统计特性推导接收信噪比的累积分布函数。这有助于获得 PLC 通道的遍历容量和中断概率,并给出仿真结果来验证分析结果,可为家居控制综合系统的设计与分
6、析提供参考依据。关键词:PLC;家居;控制系统;设计与分析中图分类号:TP273+.5文献标识码:BDOI:10.16621/ki.issn1001-0599.2023.09D.21基于 PLC 技术的家居控制综合系统设计与分析罗燕杰,柳新枝(阿克苏地区中等职业技术学校,新疆阿克苏843000)图 1具有 L 个分集子信道的 PLC 信道模型輨輲设备管理与维修2023 翼9(下)1.2系统模型PLC 系统目前已广泛应用于建筑物、家庭和企业。在这些地方,电气设备经常打开/关闭,这会产生大量脉冲。此外,变频设备如空调,在转换工作频率时也会产生脉冲。实际上在 PLC 系统中,ION(通电延时定时器)
7、与先前时隙的 ION 不独立。以具有恒定数量开关的建筑物为例,当不同数量的这些开关被动态地接通/断开时,会产生不同数量的脉冲。根据先前时隙中打开/关闭的开关数量,可以预测时隙中开启/关闭的交换机数量。因此,当前时隙的 ION 与先前的相关。以图 2 中的两个噪声状态作为示例,其中 ION 是三次和四次脉冲发生、m 为等于时隙 ION 的状态指数。在该系统中,具有非独立离子的脉冲噪声下的 PLC 信道可以被视为具有存储器的信道,并且具有有限数量的状态。由于 PLC 通道可以被认为是准平稳(或准循环平稳)的,终端节点可以通过使用反馈通道获得 CSI(Channel State Informa原ti
8、on,通道状态信息)。如果一个时隙中的 ION 为 m(0臆m臆m-1),则使用 m 个不同的高斯噪声来近似脉冲噪声。同时将带存储器的 PLC 通道建模为具有有限数量状态的非冗余周期性稳定马尔可夫过程(图 3)。使用系统状态 m 来表示时隙中的 ION。在马尔可夫过程中,状态集被定义为:U=s0,sm,sM-1祝(5)其中,sm表示处于第 m 状态的系统,祝 是换位算子。在系统中,马尔可夫链是正递归和遍历的。设 Un为时隙 n处的系统状态,P为转移概率矩阵。则:Pi,j=Pr(Un+1=sj渣Un=si)(6)其中,si和 sj分别为 U 和 Pi,j中的状态;0臆i,j臆M-1,表示系统从时
9、隙 n 处的第 i 状态转移到时隙 n+1 处的第 j 状态的状态转移概率。将 茁m定义为第 m 状态的发生概率。用 M 状态马尔可夫过程建模的具有存储器的 PLC 信道中脉冲噪声的 PDF(ProbabilityDensity Function,概率密度函数)可以给出为:fz(z)=M-1m=0移茁m2仔滓m2姨exp(-x22仔滓m2)(7)其中 滓2是第 m 状态下噪声的方差。2遍历容量和中断概率为了分析 PLC 通道的遍历容量,假定信道增益随所传输符号的不同而不同,并且假定通信时间的持续时间足够长,使信道能够经历所有状态。根据式(3)和式(4),图 2 中 PLC 子通道的增益 hl服
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