一种配电网多用户通信方法.pdf

本发明涉及一种配电网多用户通信方法，属于电气工程技术领域。首先实时检测配电网中多用户矢量信道占用状态；将配电网中的三相电路描述为多用户矢量信道；将上述矢量信道分解为标量信道；对标量信道根据实时检测的信道占用状态进行实时比特分配。本发明方法，将多用户的配电网网络通信问题等效为多用户通信矢量信道，对矢量信道作标量化分解得到等效的点对点信道模型，应用该模型实现动态比特分配实现多用户高效率通信。本发明方法对充分利用配电网信道资源，实现配电网多用户网络通信具有重要的理论和实际意义。在互联网接入、电力系统通信、配电自动化、表计(电表、水表、气表)的自动抄收、楼宇自动化、家庭自动化等领域具有广阔的应用前景。

1、  一种配电网多用户通信方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)实时检测配电网中多用户矢量信道占用状态；
(2)将配电网中的三相电路描述为多用户矢量信道；
(3)将上述矢量信道分解为标量信道；
(4)对上述标量信道根据实时检测的信道占用状态进行实时比特分配。

2、  如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的实时检测多用户矢量信道占用状态的方法，包括以下步骤：
(1)配电网中的用户通过对电能信号的实时采样，获得该用户所在的物理相位信息；
(2)上述用户检测是否有同相用户占用信道，若无同相用户占用信道，则上述用户占用此信道，若有同相用户占用信道，则随机避退，并检测其他信道占用情况，直至占用空闲信道；
(3)上述用户在所占用的信道上向其他用户发送含有上述物理相位信息的数据包。

3、  如权利要求1所述的方法，其特征在于其中将三相电路描述为多用户矢量信道的方法为：把三相配电网信道描述为具有3个输入和3个输出的矢量有扰信道，每一输入和输出点均可为矢量，矢量信道的传输矩阵H为U×U。

4、  如权利要求1所述的方法，其特征在于将矢量信道分解为标量信道的方法，包括如下步骤：
(1)对U×U的矢量信道的传输矩阵H作奇异值分解H＝FΛM^*；
(2)在矢量信道的发送端，对输入矢量x作预编码x＝MX；
(3)在矢量信道的接收端，作匹配滤波接收Y＝F^*y，则矢量信道x→y变为X→Y：Y＝ΛX+N，变换后的信道即为标量信道Y_i＝λ_iX_i+N_i，其中Λ为对角阵。

5、  如权利要求1所述的方法，其特征在于其中对标量信道根据实时检测的信道占用状态进行实时比特分配的方法，包括如下步骤：
(1)将每一信道划分为N个子载波信道，其中第u个信道的第n个载波处的单位输入功率下的信噪比增益为： g u , n = s 2 u , n σ equ , n 2 , ]]>其中s_u，n²为第u个信道奇异值在第n个载波处的样值，σ_eq u，n²为第u个信道在第n个载波处的等效噪声功率；
(2)根据上述信噪比增益，计算第u个信道传输每个符号时的平均比特数为：
b ‾ ( u ) = 1 2 N Σ n = 1 N log 2 ( 1 + ϵ u , n · g u , n Γ ) ]]>
上式中Γ为理论极限速率和实际调制可达速率的间隙系数，对QAM调制，错误概率为P_e＝10^-6时，Γ＝8.8dB。
(3)计算所有信道的上述平均比特数之和，调整上述平均比特数计算公式中的输入功率ε_n，u，限定总的输入功率，使平均比特数之和为最大。

一种配电网多用户通信方法
技术领域
本发明涉及一种配电网多用户通信方法，属于电气工程技术领域。
背景技术
以电力线作为信号传输媒介实现通信是各国电力、通信、网络等研究与产业部门一直致力研究开发的技术。电力线通信通常以电力网络的电压等级划分，可以分为高压电力线通信(100KV以上)、中压电力线通信(1KV~100KV)和低压电力线通信(1kV以下，380V/220V)。就电力线通信信道特性而言，高压电力线通信环境最好，其次是中压电力线环境，最差的是低压电力线通信环境。低压电力线通信又称作低压配电网通信。
在配电网上实现通信所面临的主要问题是(1)信道的变化衰减：不同接入点、不同时间变化范围大，并且与网络上的负载投切关联性较大，经常有传输零点；(2)随机干扰与噪声：来自各种用户的谐波污染、背景噪声等使线路上的干扰与噪声的峰-峰值可达20V上下。
最近几年的研究表明采用正交频分多址技术OFDM可以依据信道的衰减与噪声情况调整传输数据的维数(比特数)，使配电网信道的单位带宽数据传输速率得到提高，是配电网通信技术非常有发展前景的方向。
配电网通信，特别是低压配电网通信，归根结底是一个多用户网络通信问题。实现配电网的网络通信，国际上现有的作法是把计算机网络中的多用户通信接入方法(如载波侦听多用户接入CSMA)和点对点的正交频分多址技术OFDM结合。
但是这种结合虽然表面解决了配电网多用户接入问题，但是它是以牺牲配电网信道的信道容量为代价的。计算机网络通信中的各个终端用户信道是相互独立的，而配电网的各个终端用户信道是相互影响的，配电网的拓扑结构和负载特性决定了一定范围内的终端用户之间存在相互耦合。这种影响或耦合使CSMA和点对点OFDM通信结合方式在同一时刻内只能有一对用户进行通信。
换一个角度说，配电网自身是一个“巨大”的通信网，现有的配电网网络通信方法还没有真正利用配电网的网络资源实现配电网的多用户通信。
发明内容
本发明的目的是提出一种配电网多用户通信方法，从多用户通信的角度结合配电网信道的自身特性，实现多用户通信的动态频谱管理，进一步实现配电网的多用户高效率通信。
本发明提出的配电网多用户通信方法，包括以下步骤：
(1)实时检测配电网中多用户矢量信道占用状态；
(2)将配电网中的三相电路描述为多用户矢量信道；
(3)将上述矢量信道分解为标量信道；
(4)对上述标量信道根据实时检测的信道占用状态进行实时比特分配。
上述方法中，实时检测多用户矢量信道占用状态的方法，包括以下步骤：
(1)配电网中的用户通过对电能信号的实时采样，获得该用户所在的物理相位信息；
(2)上述用户检测是否有同相用户占用信道，若无同相用户占用信道，则上述用户占用此信道，若有同相用户占用信道，则随机避退，并检测其他信道占用情况，直至占用空闲信道；
(3)上述用户在所占用的信道上向其他用户发送含有上述物理相位信息的数据包。
上述方法中，将三相电路描述为多用户矢量信道的方法为：把三相配电网信道描述为具有3个输入和3个输出的矢量有扰信道，每一输入和输出点均可为矢量，矢量信道的传输矩阵H为U×U。
上述方法中，将矢量信道分解为标量信道的方法，包括如下步骤：
(1)对U×U的矢量信道的传输矩阵H作奇异值分解H＝FΛM^*；
(2)在矢量信道的发送端，对输入矢量x作预编码x＝MX；
(3)在矢量信道的接收端，作匹配滤波接收Y＝F^*y，则矢量信道x→y变换为X→Y：Y＝ΛX+N，变换后的信道即为标量信道Y_i＝λ_iX_i+N_i，其中Λ为对角阵。
上述方法中，对标量信道根据实时检测的信道占用状态进行实时比特分配的方法，包括如下步骤：
(1)将每一信道划分为N个子载波信道，其中第u个信道的第n个载波处的单位输入功率下的信噪比增益为： g u , n = s 2 u , n σ eq u , n 2 , ]]>其中s_u，n²为第u个信道奇异值在第n个载波处的样值，σ_eq u，n²为第u个信道在第n个载波处的等效噪声功率；
(2)根据上述信噪比增益，计算第u个信道传输每个符号时的平均比特数为：
b ‾ ( u ) = 1 2 N Σ n = 1 N log 2 ( 1 + ϵ u , n . g u , n Γ ) ]]>
上式中Γ为理论极限速率和实际调制可达速率的间隙系数。对QAM调制，错误概率为P_e＝10^-6时，Γ＝8.8dB。
(3)计算所有信道的上述平均比特数之和，调整上述平均比特数计算公式中的输入功率ε_n，u，限定总的输入功率，使平均比特数之和为最大。
本发明提出的配电网多用户通信方法，结合配电网三相电路结构特点，将多用户的配电网网络通信问题等效为多用户通信矢量信道，对矢量信道作标量化分解得到等效的点对点信道模型，进一步应用该模型实现动态比特分配实现多用户高效率通信。本发明的方法对充分利用配电网信道资源，实现配电网多用户网络通信具有重要的理论和实际意义。在互联网接入、电力系统通信、配电自动化、表计(电表、水表、气表)的自动抄收、楼宇自动化、家庭自动化等领域具有广阔的应用前景，对电力工业和通信、网络产业的发展具有重要的实际意义。
附图说明
图1是本发明方法的三相配电网矢量信道模型图。
图2是配电网矢量信道同相传输特性图。
图3是配电网矢量信道异相传输特性图。
图4是配电网矢量信道噪声特性图。
具体实施方式
本发明提出地配电网多用户通信方法，首先实时检测配电网中多用户矢量信道占用状态；将配电网中的三相电路描述为多用户矢量信道；将矢量信道分解为标量信道；对标量信道根据实时检测的信道占用状态进行实时比特分配。
上述方法中，实时检测多用户矢量信道占用状态的方法，包括以下步骤：
(1)配电网中的用户通过对电能信号的实时采样，获得该用户所在的物理相位信息；
(2)上述用户检测是否有同相用户占用信道，若无同相用户占用信道，则上述用户占用此信道，若有同相用户占用信道，则随机避退，并检测其他信道占用情况，直至占用空闲信道；
(3)上述用户在所占用的信道上向其他用户发送含有上述物理相位信息的数据包。
上述方法中，将三相电路描述为多用户矢量信道的方法为：把三相配电网信道描述为具有3个输入和3个输出的矢量有扰信道，如图1所示，每一输入和输出点均可为矢量，矢量信道的传输矩阵H为U×U。
上述方法中，将矢量信道分解为标量信道的方法，包括如下步骤：
(1)对U×U的矢量信道的传输矩阵H作奇异值分解H＝FΛM^*，其中M^*为M的共轭Λ为奇异值矩阵；
(2)在矢量信道的发送端，对输入矢量x作预编码x＝MX；
(3)在矢量信道的接收端，作匹配滤波接收Y＝F^*y，则矢量信道x→y变换为X→Y：Y＝ΛX+N，变换后的信道即为标量信道Y_i＝λ_iX_i+N_i，其中Λ为对角阵。
上述方法中对标量信道根据实时检测的信道占用状态进行实时比特分配的方法，包括如下步骤：
(1)将每一信道划分为N个子载波信道，其中第u个信道的第n个载波处的单位输入功率下的信噪比增益为： g u , n = s 2 u , n σ eq u , n 2 , ]]>其中s^u，n2为第u个信道奇异值在第n个载波处的样值，σ_eq u，n²为第u个信道在第n个载波处的等效噪声功率；
(2)根据上述信噪比增益，计算第u个信道传输每个符号时的平均比特数为：
b ‾ ( u ) = 1 2 N Σ n = 1 N log 2 ( 1+ ϵ u , n . g u , n Γ ) ]]>
上式中Γ为理论极限速率和实际调制可达速率的间隙系数。对QAM调制，错误概率为P_e＝10^-6时，Γ＝8.8dB。
(3)计算所有信道的上述平均比特数之和，调整上述平均比特数计算公式中的输入功率ε_n，u，限定总的输入功率，使平均比特数之和为最大。循环计算使单个信道平均比特数达到最大时的单位功率信噪比增益g_u，n，其稳态解g^*_u，n满足b＝max。
下面是本发明的一个计算实例：
三相配电网矢量信道模型如图1所示。设该模型中同相传输特性H_in(f)如图2，异相传输特性H_cr(f)如图3，噪声功率如图4所示。使用单相、2相、3相进行通信时矢量信道的传输矩阵分别为H₁(f)＝H_in(f)，
H 2 ( f ) = H in ( f ) H cr ( f ) H cr ( f ) H in ( f ) , ]]>
H 3 ( f ) = H in ( f ) H cr ( f ) H cr ( f ) H cr ( f ) H in ( f ) H cr ( f ) H cr ( f ) H cr ( f ) H in ( f ) . ]]>
采用本发明方法进行通信时，采用不同信道的比特数之和分别为2.3414bit/dimension、3.4296bit/dimension、4.0651bit/dimension，由此可见采用矢量信道进行多用户通信可以明显地提高系统的传输效率，在本计算实例中，与单相传输比较，双相传输效率提高46.5％，三相传输效率提高73.6％。