本發(fā)明屬于智能電表，具體而言，涉及一種電表載波通信模塊自適應(yīng)頻率調(diào)節(jié)方法、介質(zhì)及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
1、電力線載波通信利用電力線作為傳輸媒體,通過(guò)在功率頻率(50/60hz)上疊加高頻載波信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，常用于智能電表數(shù)據(jù)傳輸。然而,電力線載波通信系統(tǒng)面臨著嚴(yán)峻的噪聲干擾問(wèn)題。電力線上存在各種電噪聲源,如開(kāi)關(guān)電源、電機(jī)等,會(huì)產(chǎn)生寬帶白噪聲、窄帶諧波噪聲、短時(shí)沖擊噪聲等干擾信號(hào),嚴(yán)重影響通信質(zhì)量，導(dǎo)致時(shí)變的信道環(huán)境和非平穩(wěn)的噪聲特性,給通信系統(tǒng)性能帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。如何適應(yīng)復(fù)雜的電力線信道環(huán)境,提高通信的可靠性和穩(wěn)定性,是電力線載波通信領(lǐng)域亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、有鑒于此，本發(fā)明提供一種電表載波通信模塊自適應(yīng)頻率調(diào)節(jié)方法、介質(zhì)及系統(tǒng)，能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中電表的載波通信存在難以適應(yīng)復(fù)雜的電力線信道環(huán)境的技術(shù)問(wèn)題。
2、本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的：
3、本發(fā)明的第一方面提供一種電表載波通信模塊自適應(yīng)頻率調(diào)節(jié)方法，獲取電力線載波通信信號(hào)并采樣得到采樣數(shù)據(jù)序列；對(duì)采樣數(shù)據(jù)序列進(jìn)行時(shí)域分析，獲取時(shí)間分布特征；對(duì)采樣數(shù)據(jù)序列進(jìn)行頻域分析，獲取電力線噪聲頻譜特征；建立時(shí)頻特征關(guān)聯(lián)矩陣；根據(jù)時(shí)頻特征關(guān)聯(lián)矩陣，將每日24小時(shí)劃分為多個(gè)傳輸時(shí)間窗口；對(duì)每個(gè)傳輸時(shí)間窗口內(nèi)最優(yōu)頻率范圍進(jìn)行子頻帶劃分并進(jìn)行信道質(zhì)量評(píng)估；將信道質(zhì)量評(píng)估數(shù)據(jù)代入噪聲特征方程組求解，獲得信道傳輸特性曲線；根據(jù)信道傳輸特性曲線選取最優(yōu)傳輸子頻帶進(jìn)行載波通信，并在通信質(zhì)量參數(shù)低于預(yù)設(shè)閾值時(shí)重新進(jìn)行分析與選擇。
4、其中，所述時(shí)間分布特征包含通信密集時(shí)段、通信稀疏時(shí)段；所述電力線噪聲頻譜特征包含不同時(shí)段頻率干擾分布；所述時(shí)頻特征關(guān)聯(lián)矩陣包含時(shí)間分布特征與電力線噪聲頻譜特征對(duì)應(yīng)關(guān)系。
5、其中，每個(gè)所述傳輸時(shí)間窗口具有對(duì)應(yīng)最優(yōu)頻率范圍；所述信道質(zhì)量評(píng)估數(shù)據(jù)包含信噪比、誤碼率、信道衰減。
6、其中，所述噪聲特征方程組包含頻率響應(yīng)方程、信道衰減方程和信號(hào)完整性方程。
7、其中，所述頻率響應(yīng)方程表征不同頻段信號(hào)幅值變化特性。
8、其中，所述信道衰減方程描述信號(hào)在傳輸過(guò)程中能量損耗。
9、其中，所述信號(hào)完整性方程表示信號(hào)傳輸中波形失真程度。
10、其中，當(dāng)所述通信質(zhì)量參數(shù)低于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，返回執(zhí)行時(shí)域分析、頻域分析、建立時(shí)頻特征關(guān)聯(lián)矩陣、劃分傳輸時(shí)間窗口、進(jìn)行子頻帶劃分與信道質(zhì)量評(píng)估、求解特征方程組及選取最優(yōu)傳輸子頻帶步驟，重新進(jìn)行時(shí)頻特征分析與最優(yōu)子頻帶選擇。具體而言，包括以下步驟：
11、s10、獲取電力線載波通信信號(hào)，對(duì)所述電力線載波通信信號(hào)進(jìn)行采樣，得到采樣數(shù)據(jù)序列；具體是：利用采樣設(shè)備(如高速adc)對(duì)電力線載波通信信號(hào)進(jìn)行采樣；采樣率需要大于通信帶寬的2倍以上,以滿足奈奎斯特采樣定理；在采樣過(guò)程中,可以采用漢寧窗或海明窗等加窗技術(shù)來(lái)抑制頻譜泄露；獲得采樣數(shù)據(jù)序列x(n)后,即可進(jìn)行后續(xù)的時(shí)域分析；該步驟的主要目的是獲取待分析的原始電力線載波通信信號(hào)。
12、s20、對(duì)所述采樣數(shù)據(jù)序列進(jìn)行時(shí)域分析，獲取每日24小時(shí)內(nèi)電力線載波通信的時(shí)間分布特征，所述時(shí)間分布特征包含通信密集時(shí)段、通信稀疏時(shí)段；具體是：計(jì)算每個(gè)時(shí)間窗口(如300秒)內(nèi)的通信請(qǐng)求次數(shù)n(t)；記錄每類(lèi)業(yè)務(wù)的實(shí)際通信時(shí)長(zhǎng)li(t)；根據(jù)通信密集度計(jì)算公式計(jì)算每個(gè)時(shí)間窗口的通信密集度,其中t為統(tǒng)計(jì)時(shí)間窗口,α和β為權(quán)重系數(shù),n為業(yè)務(wù)類(lèi)型總數(shù),mi(t)為第i類(lèi)業(yè)務(wù)的最大允許通信時(shí)長(zhǎng)；根據(jù)通信密集度d(t)的變化趨勢(shì),將每日24小時(shí)劃分為通信密集時(shí)段和通信稀疏時(shí)段；該步驟的目的是獲取電力線載波通信的時(shí)間分布特征,為后續(xù)的頻域分析和時(shí)頻關(guān)聯(lián)提供基礎(chǔ)。
13、s30、對(duì)所述采樣數(shù)據(jù)序列進(jìn)行頻域分析，獲取電力線噪聲頻譜特征，所述電力線噪聲頻譜特征包含不同時(shí)段的頻率干擾分布；具體是：對(duì)采樣數(shù)據(jù)序列x(n)進(jìn)行fft變換,計(jì)算功率譜密度其中ξ為fft點(diǎn)數(shù)(默認(rèn)1024)；在通信空閑期采集100組噪聲數(shù)據(jù),對(duì)每組數(shù)據(jù)進(jìn)行fft分析并取平均值,得到背景噪聲功率譜pbg(f)；量測(cè)已知信號(hào)源的功率譜并與理論值進(jìn)行對(duì)比,計(jì)算修正系數(shù)γ＝pmeasured/ptheoretical；根據(jù)修正的功率譜密度公式計(jì)算最終的噪聲功率譜特征；該步驟的目的是獲取電力線噪聲的頻譜特征,為后續(xù)的時(shí)頻關(guān)聯(lián)分析提供依據(jù)。
14、s40、建立時(shí)頻特征關(guān)聯(lián)矩陣，所述時(shí)頻特征關(guān)聯(lián)矩陣包含所述時(shí)間分布特征與所述電力線噪聲頻譜特征的對(duì)應(yīng)關(guān)系；具體是：構(gòu)建二維時(shí)頻特征關(guān)聯(lián)矩陣m,行表示時(shí)間特征(時(shí)間窗口),列表示頻率特征(噪聲功率譜)；將步驟s20得到的時(shí)間分布特征d(t)映射到矩陣行,表示每個(gè)時(shí)間窗口的通信密集度；將步驟s30得到的噪聲功率譜p(f)映射到矩陣列,表示不同頻段的噪聲特征；矩陣元素mi,j表示時(shí)間窗口i和頻率段j之間的關(guān)聯(lián)度,可以采用相關(guān)系數(shù)、互信息等指標(biāo)進(jìn)行量化；該步驟的目的是建立時(shí)間和頻率兩個(gè)維度之間的關(guān)聯(lián)映射關(guān)系,為后續(xù)的自適應(yīng)調(diào)頻提供依據(jù)。
15、s50、根據(jù)所述時(shí)頻特征關(guān)聯(lián)矩陣，將每日24小時(shí)劃分為多個(gè)傳輸時(shí)間窗口，每個(gè)所述傳輸時(shí)間窗口具有對(duì)應(yīng)的最優(yōu)頻率范圍；具體是：對(duì)時(shí)頻特征關(guān)聯(lián)矩陣m進(jìn)行聚類(lèi)分析,將24小時(shí)劃分為k個(gè)傳輸時(shí)間窗口；對(duì)于每個(gè)時(shí)間窗口k,找出關(guān)聯(lián)度最高的頻率范圍[fk,min,fk,max]作為該窗口的最優(yōu)傳輸頻率；將每個(gè)時(shí)間窗口的最優(yōu)頻率范圍進(jìn)行合并優(yōu)化,盡量減少相鄰窗口的頻率重疊；該步驟的目的是根據(jù)時(shí)頻特征關(guān)聯(lián)關(guān)系,合理劃分傳輸時(shí)間窗口并為每個(gè)窗口確定最優(yōu)的頻率范圍,為后續(xù)的自適應(yīng)調(diào)頻提供依據(jù)。
16、s60、對(duì)每個(gè)所述傳輸時(shí)間窗口內(nèi)的最優(yōu)頻率范圍進(jìn)行子頻帶劃分，并進(jìn)行信道質(zhì)量評(píng)估數(shù)據(jù)，所述信道質(zhì)量評(píng)估數(shù)據(jù)包含信噪比、誤碼率、信道衰減；具體是：將每個(gè)傳輸時(shí)間窗口的最優(yōu)頻率范圍[fk,min,fk,max]等間隔劃分為m個(gè)子頻帶；針對(duì)每個(gè)子頻帶,采集信道質(zhì)量評(píng)估指標(biāo),包括信噪比snr、誤碼率ber和信道衰減per；將各子頻帶的信道質(zhì)量評(píng)估數(shù)據(jù)記錄在一個(gè)矩陣中,行表示時(shí)間窗口,列表示子頻帶；該步驟的目的是在每個(gè)傳輸時(shí)間窗口內(nèi),評(píng)估不同子頻帶的信道質(zhì)量狀況,為后續(xù)的自適應(yīng)調(diào)制選頻提供依據(jù)。
17、s70、將所述信道質(zhì)量評(píng)估數(shù)據(jù)結(jié)果代入預(yù)先擬合好的噪聲特征方程組進(jìn)行求解，獲得每個(gè)所述傳輸時(shí)間窗口的信道傳輸特性曲線；該步驟的目的是建立電力線載波通信信道的數(shù)學(xué)模型,描述頻率響應(yīng)、衰減特性和信號(hào)完整性等各方面的特征,為后續(xù)的自適應(yīng)調(diào)制選頻提供理論依據(jù)。
18、s80、根據(jù)所述信道傳輸特性曲線選取最優(yōu)傳輸子頻帶，在所述傳輸時(shí)間窗口內(nèi)進(jìn)行載波通信，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)通信質(zhì)量參數(shù)，當(dāng)所述通信質(zhì)量參數(shù)低于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，返回執(zhí)行步驟s20至步驟s80，重新進(jìn)行時(shí)頻特征分析與最優(yōu)子頻帶選擇。具體是：選取信道傳輸特性最優(yōu)的子頻帶進(jìn)行載波通信；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)通信質(zhì)量參數(shù),包括信噪比snr、誤碼率ber和丟包率per,計(jì)算通信質(zhì)量綜合評(píng)分q(t)＝w1snr(t)+w2ber(t)+w3per(t)；將歷史通信質(zhì)量評(píng)分qhist(i)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,確定預(yù)設(shè)閾值θth＝μ-kσ；當(dāng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的通信質(zhì)量評(píng)分q(t)<θth時(shí),表明當(dāng)前信道已不滿足要求,需要重新分析時(shí)頻特征并選擇最優(yōu)子頻帶,此時(shí)返回步驟s20繼續(xù)執(zhí)行；該步驟的目的是實(shí)現(xiàn)電力線載波通信的自適應(yīng)頻率調(diào)節(jié),根據(jù)實(shí)時(shí)的信道狀況動(dòng)態(tài)選擇最優(yōu)的傳輸子頻帶,以確保通信質(zhì)量滿足預(yù)期要求。
19、在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明的一種電表載波通信模塊自適應(yīng)頻率調(diào)節(jié)方法還可以做如下改進(jìn):
20、其中，所述噪聲特征方程組包含頻率響應(yīng)方程、信道衰減方程和信號(hào)完整性方程，其中：
21、所述頻率響應(yīng)方程表征不同頻段信號(hào)幅值變化特性，
22、所述信道衰減方程描述信號(hào)在傳輸過(guò)程中的能量損耗，
23、所述信號(hào)完整性方程表示信號(hào)傳輸中的波形失真程度。
24、進(jìn)一步的，通信密集時(shí)段和通信稀疏時(shí)段根據(jù)通信密集度進(jìn)行區(qū)分，通信密集度計(jì)算公式如下：
25、通信密集度計(jì)算公式如下：
26、
27、式中，d(t)為t時(shí)刻的通信密集度(范圍0-1)；n(t)為單位時(shí)間內(nèi)通信次數(shù)；t為統(tǒng)計(jì)時(shí)間窗口(默認(rèn)值300s)；li(t)為第i類(lèi)業(yè)務(wù)的實(shí)際通信時(shí)長(zhǎng)；mi(t)為第i類(lèi)業(yè)務(wù)的最大允許通信時(shí)長(zhǎng)；α,β為權(quán)重系數(shù)(默認(rèn)值分別為0.6,0.4)；n為業(yè)務(wù)類(lèi)型總數(shù)。業(yè)務(wù)指的是數(shù)據(jù)通信中傳輸和交換的各種數(shù)據(jù)流.
28、上述公式一般用法為：每300s統(tǒng)計(jì)一次通信請(qǐng)求總數(shù)n(t)；記錄每類(lèi)業(yè)務(wù)的通信時(shí)長(zhǎng)li(t)；根據(jù)公式計(jì)算得到d(t)值。
29、噪聲特征方程組中每個(gè)方程詳細(xì)描述如下：
30、1.頻率響應(yīng)方程：
31、
32、式中，h(f)為頻率響應(yīng)函數(shù)；a0為基準(zhǔn)增益(默認(rèn)值1)；α為頻率衰減系數(shù)(范圍0.001-0.1)；fk為第k個(gè)諧振頻率點(diǎn)；qk為品質(zhì)因數(shù)；δi(f)為第i個(gè)干擾分量；k為諧振點(diǎn)個(gè)數(shù)；m為干擾源數(shù)量。
33、2.信道衰減方程：
34、
35、式中，l(d,f)為距離d、頻率f處的路徑損耗(db)；l0為參考距離d0處的路徑損耗；η為路徑損耗指數(shù)(范圍2-4)；κ為頻率相關(guān)衰減系數(shù)；wi為第i種材料的衰減權(quán)重；μi為第i種材料的衰減系數(shù)；n為傳輸路徑上的材料類(lèi)型數(shù)。
36、3.信號(hào)完整性方程：
37、
38、式中，s(t,f)為信號(hào)完整性指標(biāo)；v(t)為時(shí)域電壓幅值；v0為標(biāo)稱(chēng)電壓值；p(f)為頻域功率；p0為標(biāo)稱(chēng)功率值；xn為實(shí)際采樣值；為理想采樣值；λ為頻域權(quán)重系數(shù)(范圍0.1-1)；ξ為失真權(quán)重系數(shù)(范圍0.1-1)；ψ為采樣點(diǎn)數(shù)。
39、參數(shù)獲取方法：
40、1.fk和qk的獲?。?/p>
41、步驟1：利用網(wǎng)絡(luò)分析儀掃頻(范圍1-500khz)測(cè)量系統(tǒng)頻率響應(yīng)；
42、步驟2：通過(guò)峰值檢測(cè)算法定位諧振點(diǎn)：
43、步驟3：計(jì)算3db帶寬確定品質(zhì)因數(shù)：
44、2.wi和μi的獲?。?/p>
45、步驟1：在已知材料類(lèi)型的線路上進(jìn)行衰減測(cè)試；
46、步驟2：利用最小二乘法擬合測(cè)試數(shù)據(jù)得到衰減系數(shù)；
47、步驟3：通過(guò)矩陣求解：
48、
49、所述預(yù)設(shè)閾值獲取的步驟具體包括：
50、1.歷史通信質(zhì)量參數(shù)收集：
51、qhist(i)＝w1snr(i)+w2ber(i)+w3per(i)；
52、式中，qhist(i)為第i個(gè)歷史樣本點(diǎn)的通信質(zhì)量綜合評(píng)分；snr(i)為信噪比(db)；ber(i)為誤碼率；per(i)為丟包率；w1,w2,w3為權(quán)重系數(shù)(默認(rèn)值分別為0.4,0.3,0.3)。
53、2.樣本統(tǒng)計(jì)分析：
54、
55、式中，θth為最終確定的預(yù)設(shè)閾值；μ為歷史樣本均值；σ為標(biāo)準(zhǔn)差；為置信度系數(shù)(默認(rèn)值3)；γ為歷史樣本數(shù)量。
56、其中，n(t)為通信次數(shù)，獲取方法：在通信模塊中設(shè)置計(jì)數(shù)器；檢測(cè)到通信請(qǐng)求時(shí)計(jì)數(shù)器加1；每個(gè)統(tǒng)計(jì)周期結(jié)束后重置計(jì)數(shù)器。
57、其中，t為統(tǒng)計(jì)時(shí)間窗口，系統(tǒng)預(yù)設(shè)參數(shù)：用于分析業(yè)務(wù)響應(yīng)時(shí)間要求；可以權(quán)衡設(shè)置合理的統(tǒng)計(jì)周期，默認(rèn)300s。
58、其中，li(t)為實(shí)際通信時(shí)長(zhǎng)，獲取方法：記錄每次通信開(kāi)始時(shí)間戳tstart；記錄通信結(jié)束時(shí)間戳tend；計(jì)算li(t)＝tend-tstart。
59、其中，pbg(f)為背景噪聲功率譜，獲取的步驟具體是：在通信空閑期采集100次噪聲數(shù)據(jù)；對(duì)每組數(shù)據(jù)進(jìn)行fft分析；取平均值作為背景噪聲譜。
60、其中，γ為修正系數(shù)，獲取方法是：量已知信號(hào)源的功率譜并與理論值進(jìn)行對(duì)比；計(jì)算修正系數(shù)γ＝pmeasured/ptheoretical。
61、其中，a0為基準(zhǔn)增益，獲取方法是：選擇參考頻點(diǎn)(通常為10khz)；量該頻點(diǎn)處的信號(hào)增益；歸一化處理得到a0。
62、其中，α為頻率衰減系數(shù)，獲取方法是：在不同頻率點(diǎn)測(cè)量信號(hào)衰減；使用最小二乘法擬合衰減曲線；提取指數(shù)衰減系數(shù)α。
63、其中，l0的獲取方法：在標(biāo)準(zhǔn)距離d0(通常為1m)處測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度；與發(fā)射功率比較計(jì)算損耗；重復(fù)測(cè)量取平均值。
64、其中，η的獲取方法：在不同距離點(diǎn)測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度；繪制距離-損耗對(duì)數(shù)關(guān)系圖；通過(guò)線性回歸得到斜率η。
65、其中，κ的獲取方法：固定距離，測(cè)量不同頻率的衰減；建立頻率-衰減二次關(guān)系模型；擬合得到系數(shù)κ。
66、進(jìn)一步的，所述預(yù)設(shè)閾值的默認(rèn)值為0.6。
67、本發(fā)明的第二方面提供一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其中，所述計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)中存儲(chǔ)有程序指令，所述程序指令在計(jì)算機(jī)中運(yùn)行時(shí)，用于執(zhí)行上述的一種電表載波通信模塊自適應(yīng)頻率調(diào)節(jié)方法。
68、本發(fā)明的第三方面提供一種電表載波通信模塊自適應(yīng)頻率調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其中，包含上述的計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)。
69、與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明提供的一種電表載波通信模塊自適應(yīng)頻率調(diào)節(jié)方法、介質(zhì)及系統(tǒng)的有益效果是：
70、1.全面挖掘電力線信道的時(shí)頻特征:本發(fā)明對(duì)電力線載波通信信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域雙重分析,提取了通信時(shí)間分布特征和噪聲頻譜特征,構(gòu)建了精準(zhǔn)的時(shí)頻關(guān)聯(lián)模型。這種時(shí)頻特征分析方法,較現(xiàn)有的單一維度自適應(yīng)方案更能反映電力線信道的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。
71、2.實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)頻的優(yōu)化策略:基于構(gòu)建的時(shí)頻關(guān)聯(lián)模型,本發(fā)明提出了自適應(yīng)調(diào)頻的優(yōu)化策略。在每個(gè)傳輸時(shí)間窗口內(nèi),動(dòng)態(tài)選擇最優(yōu)的傳輸頻帶,最大限度地規(guī)避噪聲干擾,大幅提高了通信的可靠性。這種自適應(yīng)調(diào)頻機(jī)制,較現(xiàn)有的單一固定頻帶方案更能適應(yīng)復(fù)雜多變的電力線信道環(huán)境。
72、3.針對(duì)小型嵌入式設(shè)備的低功耗設(shè)計(jì):本發(fā)明的算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程中,采用了噪聲特征方程組和矩陣計(jì)算等數(shù)學(xué)建模手段,可以在小型芯片(如單片機(jī))上高效運(yùn)行,具有低功耗、低成本的特點(diǎn)。這使得該方法特別適用于智能電表等小型嵌入式設(shè)備,滿足電網(wǎng)自動(dòng)化對(duì)通信系統(tǒng)的苛刻要求。
73、綜上所述,本發(fā)明提出的電表載波通信模塊自適應(yīng)頻率調(diào)節(jié)方法,通過(guò)時(shí)頻特征分析和自適應(yīng)調(diào)頻等關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新,實(shí)現(xiàn)了電力線載波通信系統(tǒng)性能的顯著提升。該方法充分利用了電力線信道的時(shí)頻特性,動(dòng)態(tài)調(diào)整傳輸頻帶以適應(yīng)復(fù)雜噪聲環(huán)境,大幅提高了通信可靠性和穩(wěn)定性。同時(shí),該方法通過(guò)數(shù)學(xué)模型和矩陣運(yùn)算進(jìn)行處理，沒(méi)有利用復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或深度學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)上采用了低功耗、低成本的設(shè)計(jì),非常適用于智能電表等小型嵌入式應(yīng)用場(chǎng)景，解決了現(xiàn)有技術(shù)中電表的載波通信存在難以適應(yīng)復(fù)雜的電力線信道環(huán)境的技術(shù)問(wèn)題。