變電站復雜電磁環境下2.4GHz無線通信仿真研究

1 引言

智能電網發展要求采用高效適用的信息通信技術對電網各環節的物理信息進行廣泛采集，為電網廣域范圍的態勢感知提供信息。最近幾年，國家電網公司等大型電力公司開展了電網各環節的智能化建設，包括輸變電設備狀態監測系統、配電和用電智能化，這些工作均需要高可靠、短距離的無線通信技術。本文在基于實際變電站內電磁環境數據的基礎上，對變電站內2.4GHz無線信道的建模仿真，以此來對實際生產工作產生指導性作用。

2 信道傳播模型

通過大量的測試和研究分析，目前通用的無線通信信道模型一般由陰影衰落、與傳播距離相關的路徑損耗以及小尺度衰落三部分組成。其中陰影衰落和路徑損耗均屬于大尺度衰落，在此基礎上建立的大尺度傳播模型可用于預測發射節點和接收節點之間相距較遠時的平均信號強度，估計發射節點的覆蓋范圍等。小尺度傳播模型主要描述的是無線信號在短時間或距離上的幅度快速變化，常導致信號接收功率的劇烈變化。

通過大量的測試和研究分析，目前通用的無線通信信道模型一般由陰影衰落、與傳播距離相關的路徑損耗以及小尺度衰落三部分組成。其中陰影衰落和路徑損耗均屬于大尺度衰落，在此基礎上建立的大尺度傳播模型可用于預測發射節點和接收節點之間相距較遠時的平均信號強度，估計發射節點的覆蓋范圍等。小尺度傳播模型主要描述的是無線信號在短時間或距離上的幅度快速變化，常導致信號接收功率的劇烈變化。

在仿真一般自由空間的無線通信時，由于小尺度衰落導致信號的幅度快速衰落，以致大尺度衰落可忽略不計。但是，由于變電站內復雜的電磁環境，使得本次仿真時勢必得考慮干擾環境對通信的影響。另外，本次仿真結果作為一種參考，需要對變電站內的無線通信設備的部署提供指導性意見，所以本次仿真除了需要考慮小尺度衰落還應該考慮大尺度衰落帶來的影響。

2.1 路徑損耗

基于電波傳播模型，接收信號的功率隨距離的對數衰減，這種模型被稱為對數距離路徑損耗模型，該損耗模型公式如下：

其中，n為路徑損耗指數，表明路徑損耗隨距離增長的速率，它和周圍的環境和建筑物類型有關；Xσ是零均值，標準差為σ的高斯隨機變量，用來修正估計值與測量值之間的誤差；PL（d）為發射到接收之間的路徑損耗，單位為dB；d是收發天線之間的距離；d0為發射天線距離參考點之間的距離；PL（d0）為參考點損耗值。

通過對實際測的數據的篩選，并通過匹配追蹤算法與最小均方差對數據進行處理得出了處于2.4GHz頻段無線信號的衰減模型數學表達式為：

3 仿真模型

仿真時使Matlab動態系統建模、仿真和綜合分析組件Simulink對2.4GHz的ZigBee信號進行了仿真。為了簡單方便，簡化了信號源，以隨機數方波信號代替了正弦波。仿真時，將多徑瑞利衰落信道與信道衰減模型進行結合，得出結果。由于通過多徑瑞利衰落信道的信號失真非常嚴重，幾乎看不出原來的信號狀態。如果直接使用此類信號與原信號進行誤碼分析判斷，其誤碼情況將非常嚴重，通信性能非常不理想。所以在信號送入到誤碼判決模塊前，必須對其進行一定的處理。其實在實際的使用中，對于有多徑干擾的信號通常都要進行一定的信道補償或估計，而在次本仿真中采用的是LMS濾波器對信號進行補償。

4 仿真結果

由衰減模型可知，信號隨著傳輸距離的增加其本身的能量越來越小。如果假設在空間中的背景噪聲功率不隨距離的變化而變化，此時信號的信噪比則將隨著傳輸距離的變化而變化，誤碼率等通信性能指標也將隨之變化。基于上述考慮，據路徑損耗模型公式建立信號的平均功率與傳播距離的關系，進而建立信噪比與傳輸距離的數學關系。仿真結果曲線不再是誤碼率隨信噪比的變化，而變成了誤碼率隨傳播距離的變化而變化。

仿真時，假定背景噪聲的平均功率為0dBm不變，分別對初始發射功率不同的情況下的信號，隨著傳播距離的變化其誤碼率變化的情況進行了仿真。得到的仿真結果如圖1所示。

通過對比上述仿真結果圖可知，噪聲功率在一定范圍內時，發射功率越大其信號能傳輸的可靠距離越遠。當以誤碼率低于10-2作為可靠通信的標準時，瑞利衰落信道的通信范圍分布如圖所示。

5 結論

本文在基于變電站內復雜電磁環境的基礎上，創新性的提出了大尺度衰落結合信道衰減模型的仿真方法，仿真了不同發射條件下整個通信系統的性能。對比仿真結果，不僅得出不同條件下的通信性能的差異，還得出通信系統可靠的覆蓋范圍，對實際生產有一定的指導作用。

作者簡介

羅佳祺（1990-），男，江西，北京郵電大學碩士，研究方向為無線通信。endprint