基于PLC技术的家居控制综合系统设计与分析.pdf

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）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tion，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服从对数正态分布，其中 PDF fhl（x）为：fhl（x）=12仔滓2x姨exp（-（lnx-滋）22滓2）（8）其中，lnx 是高斯随机变量，滋 和 滓2为 lnx 的均值和方差。定义 滋酌=2滋 和 滓酌=2滓。那么 PDF 可以定义为：fhl2（x）=12仔滓酌2x姨exp（-（lnx-滋酌）22滓酌2）（9）通过式（9），可以将接收 SNR 的 PDF 近似为：fl（x）抑a1a2x-（a2/姿+1）姿2仔姨exp-（a0-a1x-a2/姿）22蓸蔀（10）其中，a0、a1和 a2为常数。利用式（10），可以获得接收 SNR的 CDF：ft（x）抑椎（a0-a1x-a2/姿）2（11）上述公式给出了带存储器的 PLC 信道的遍历容量（以比特/秒/赫兹为单位）的闭合表达式。为了推导带存储器的可编程逻辑控制器信道的遍经容量，假设 TN（即 N 个输入和输出的持续时间）足够大，以确保能够经历所有系统状态。式（11）给定具有有限状态数的脉冲噪声下具有存储器的PLC信道，如果 CSI 和噪声状态对接收器开放，则遍历容量 Cmry为：Cmry=1NNn=1移lgM-1m=0移籽n2（m）滓n2灼n2（m）蓸蔀+1仔姨Jj=1移wjlga0-2姨qja1蓸蔀-姿/a2蓸蔀（12）停机概率定义为数据速率下降到可接受阈值 TR以下的概率，它可作为 PLC 系统服务质量的关键度量。具有存储器 Pmry的 PLC 通道的中断概率为：Pmry=P（Rmry约TD）=P lgM-1m=0移（1+酌m）籽n2（m）灼n2（m）蓸蔀蓸蔀约TD蓸蔀=PM-1m=0移（1+酌m）籽n2（m）灼n2（m）蓸蔀约2TD蓸蔀（13）其中 TD是带存储器的 PLC 通道的数据速率阈值。那么式（13）可以写成：Pmry抑P t约2TD/M-1m=0移籽n2（m）滓m2灼n2（m）蓸蔀=椎a0-a12TD/M-1m=0移籽n2（m）滓m2灼n2（m）蓸蔀-a2姿蓸蔀（14）3数值结果本文使用 MATLAB 获得数值结果，并与解析结果比较，以验证推导过程（表 1）。发射信噪比定义为 Ps/滓2=10lg（Ps/滓2）。为了模拟 PLC 通道，针对不同的槽位产生不同离子的脉冲噪声。为了便于比较，考虑了与不同平均离子相关的 3 种情况，分别为A=0.01、A=0.1 和 A=0.5。图 2 中，PLC 子通道 L 的数量为 10。此外，通过调整脉冲宽度将 祝 设置为 0.01、0.1、0.5 和10。PLC 通道衰落 a0、a1、a2的参数分别设置为 8.21、12.37、0.02。脉冲噪声和高斯噪声的功率分别设置为-15 dB 和 2.5 dB。为了建立仿真环境，使用一个具有 3 种噪声状态的 PLC 通图 2脉冲噪声的发生模式輨輳设备管理与维修2023 翼9（下）La0a2a3223.9124.670.004 30412.6914.510.009 95610.1312.810.014 0088.9412.380.017 20108.2112.370.02表 1近似参数值推导结果图 43 种测试环境中带存储器的 PLC 通道的遍历容量道。设定 ION 分别等于 2、6 和10。然后，将这 3 种脉冲噪声随机混合，构建轻、中、重 3 种脉冲噪声测试环境。在光脉冲噪声环境下，将 ION 为 2、6、10 的 3 种脉冲噪声的比例分别设为 94%、5%、1%。在中等脉冲噪声环境下，比例设置为 30%、50%、20%。在强脉冲噪声环境下，比例分别设置为 1%、5%、94%。最后，3 种环境中的 A 分别在 0.5、0.1 和 0.01 左右。作为基准，同时还考虑了无记忆 PLC 信道，其中脉冲噪声的发生遵循泊松分布。为了将所提出的带记忆的 PLC 通道与无记忆的 PLC 通道进行比较，在光脉冲噪声环境下，将无记忆的 PLC 通道的 ION、A、L 等参数设置为与带记忆的 PLC 通道相同。根据图 3，在给定的 3 种测试环境情况下构造一个三态马尔可夫系统，并根据式（6）计算转移概率矩阵。此外，分别推导了灼 和 籽 值。在有存储器的 PLC 通道的输入为高斯信号。然后，使用式（10）得到 3 种测试环境下带内存的 PLC 通道的可达率（图3）。在光脉冲噪声环境下，存储器 PLC 通道的最高可达率。可以观察到在光脉冲噪声环境下，无记忆的 PLC 信道的可达率要高于有记忆的 PLC 信道。其原因是无记忆 PLC 通道的输入输出信号之间的熵比有记忆的 PLC 通道的熵大。为了验证遍历容量，设置参数 棕i和 qi的值。此外，式（12）计算结果的准确性取决于 J。较大的 J 可以帮助获得更精确的近似，同时也会导致复杂性的显著增加。因此设定 J=10。图 4为 3 种测试环境中带存储器的 PLC 通道的遍历容量与发射信噪比的关系。由式（12）得到的分析结果与 Monte-Carlo的结果一致。A 的减小导致遍历容量曲线的差距增大，这是因为轻脉冲噪声状态发生概率的增加导致系统停留在光脉冲噪声状态的时间变长。同样，存在记忆的PLC通道的遍历容量要比无记忆的PLC通道大。图 4 为 PLC 通道的中断概率与发射信噪比的关系，可以看出分析结果与模拟结果是一致的。随着 A 或 祝 的增加，中断概率变得更低。但是，由于 祝 的增加可以显著降低接收信噪比，因此减小祝 时 PLC 系统的中断概率要高得多。同时，即使 A 和 祝 相同，无记忆 PLC通道的接收信噪比也要大于有记忆的 PLC 通道，因此无记忆 PLC 通道的中断概率要优于有记忆的 PLC通道，特别是当 祝 变得非常大（即 祝=10）时，中断概率迅速增加。这是因为较大的 祝 表示脉冲持续时间非常长，导致接收到的信噪比显著降低。4结论本文分析了 PLC 系统在脉冲噪声下的性能，将带存储器的PLC 通道建模为马尔可夫过程，通过计算条件状态概率和各状态的可达率，推导出其可达率。通过对对数正态和函数的精确逼近，可以得到接收信噪比的 CDF。在 CDF 的基础上，给出带存储器的 PLC 通道的遍历容量和中断概率的表达式，并用数值结果验证了分析的准确性和正确性。参考文献1冯玉爽，董磊，李丰振，等.基于 PLC 的塑料家居制品生产线控制系统设计 J.机械工程师，2021（9）：106-108.2赵东敏.探析现代电子技术与计算机的应用 J.计算机产品与流通，2020（11）：30，34.3古丽扎提 海拉提，胡志华.智能化窗与帘系统的节能自动控制设计 J.上海第二工业大学学报，2016，33（4）：308-313.4张正华，徐杨，刘平，等.基于 Wi-Fi 和电力载波的智能家居控制系统设计 J.无线电工程，2016，46（5）：9-11，44.5邹耀宗，曲卫平，马健，等.基于 PLC 通信的智能家居物联网系统设计 J.河北北方学院学报（自然科学版），2014，30（2）：13-16，21.6蔡文洋，曾文正，江沛荣，等.基于 MI201E 电力线载波通信的智能家居控制系统 J.现代电子技术，2014，37（5）：42-46.编辑吴建卿图 5具有不同参数的存储器的 PLC 通道的中断概率图 3带存储器的 PLC 通道的传输信噪比可达率輨輴