淺談無線通信傳輸的抗干擾在電力系統應用

摘 要：由各類電子設備構架成為的電力系統，其內部大電流、高電壓輸變電設施之間的電磁干擾和相互作用，使得電力系統成為一個強、弱電設備密集分布的強電磁環(huán)境。因此下文談論加強無線通信傳輸抗干擾在電力系統的應用十分重要。

關鍵詞：無線通信；傳輸；抗干擾；電力

前言

無線通信技術較其他通信技術有較強的通信穩(wěn)定性和適用性。因為無線通信技術使用的是擴頻技術，基于各種元器件的運作易于控制等優(yōu)點。然而，由于輸變電的功率不斷擴大，電壓電平的逐漸增量，使電力系統的電磁環(huán)境和電磁干擾通信越來越受到了業(yè)內人士的關注。

1 電網無線傳感網構造

在電源系統中及監(jiān)控和檢測下的各種電氣量、開關量、模擬量等組成的無線傳感器網絡。其無線傳感器網絡是一種基于web類型的應用程序。根據不同的監(jiān)測對象和不同的電源系統，在設備上安裝和配置傳感器節(jié)點，以便對不同對象的信息和數據資料全過程進行測量。圖1為基于無線傳感網絡的電力系統結構圖。

圖1 電力無線傳感網

通過使用無線傳感器網絡， 管理員可以監(jiān)控和控制電力系統各關鍵部門的實時通信傳輸硬件和軟件狀態(tài)， 并進行監(jiān)控和分析， 從而有效地控制監(jiān)控數據的終端設備的運行。由于無線傳感器網絡具有通信、網絡、管理、分發(fā)等關鍵技術， 服務質量被描述為不同的應用目標。，它們是建造高效率、情報、數字式、自動化和交互式的重要節(jié)點，系統將此應用于無線傳感器網絡中。

2 擴展頻譜通信技術

2.1 擴頻通信原理

傳播光譜通信，也指擴展頻譜通信，是一種信息傳輸方法。信號占用量大的帶寬大于傳送的信息需要的最小帶寬； 頻帶擴展是通過一個獨立代碼序列 （一般是隨機代碼）。由編碼或模塊化組成，使用在同一個代碼的接收器為相關的同步接收、解擴，從而恢復出信號原始的采集信息[1]。

采用擴頻通信技術，一般具有3個顯著的特征，首先信號是寬帶信號且是由系統的隨機序列所產生的，其次為了減少信號干擾，傳輸信號的帶寬大于信號自身帶寬。最終，為了通過恢復探向信號在接收端的還原，同一個隨機代碼為despreading使用在接收端和發(fā)送端。基于上述擴展頻譜技術的好處，本文針對擴展頻譜技術于無線傳感器網絡為反電磁式干涉和反多重通道造成的衰減。

2.2 信干比的估算

受到干擾的中繼轉發(fā)節(jié)點除了收到正常通信信號外，還可能收到地面、空中的電磁干擾，在收端，有用信號功率可表示為：

S=Pst+Gst+Gr-Lsp-Ls （1）

（1）式中：Pst為傳輸信號功率；Gst為傳輸節(jié)點的天線增益；Gr為轉發(fā)節(jié)點的天線增益；Lsp為信號空間傳輸損耗；Ls為節(jié)點間天線間的系統及插入損耗。轉發(fā)節(jié)點的干擾信號功率可表示為：

I=Pit+Git+Gr-Lip-Ls-FDR（Δf） （2）

（2）式中：Pit為干擾信號發(fā)射功率；Git為干擾天線發(fā)射增益；Lip為干擾信號空間傳輸損耗。視距條件下，空間傳輸損耗為：

Lp=32.4+20lgr+20lgf （3）

（3）式中：Δf=fi+fr，fi和fr分別為干擾信號頻率和轉發(fā)節(jié)點調諧帶寬，同頻干擾時可取為：

OFR（Δf）=0 （4）

從而可得轉發(fā)節(jié)點的信干比為：

RSI=S-I （5）

（4）式中：S為有用信號功率；I為轉發(fā)節(jié)點干擾信號功率。

2.3 誤碼率的估算

根據柯捷爾尼可夫所提出理論，信號與噪聲關系為

（6）

（5）式中：Pe表示信號誤碼率；E表示信號能量；N0表示噪聲功率譜密度。信號功率可用信號能量與信號持續(xù)的時間T的比值表示為

噪聲的功率可用信號的帶寬W和功率譜密度的乘積表示為N=WN0。將上述各參數代入 （10） 式中可得

（7）

（6）式表明信噪比和帶寬可以互換。對于一定帶寬信號而言，若采用寬帶信號來傳遞信息可在強干擾環(huán)境下保證信號安全傳輸。

2.4 自適應遞歸濾波器抑制電磁干擾

自適應遞歸濾波器是一種空間域數字濾波器，可以執(zhí)行數字信號處理根據輸入信號的自動調節(jié)性能。 它只處理了點，需要過濾的一次通過迭代遞歸，不處理未過濾的點。 使其對該地區(qū)的失真降至最低。中繼轉發(fā)節(jié)點通過（1）-（3）式估算出信噪比后，采用自適應遞歸濾波器進行濾除干擾信號，在擴頻通信系統中應用時，可在中繼轉發(fā)節(jié)點基帶部分或中頻部分加入自適應干擾抑制濾波器，此時自適應遞歸濾波器就與未知系統具有相似的特征，可用來提供一個在某種意義上能夠最好擬合未知裝置的線性模型。因為擴頻信號有很寬的頻帶，且強電磁干擾是容易識別和估計的，所以電磁干擾和其他單頻干擾所引起的系統性能下降可以由自適應濾波法來改善。輸入的干擾信號經過調制被搬移到頻率較低處。這樣一來可以獲取同干擾信號一致的信號，再對輸入信號和干擾信號進行差分運算，便可獲得原始信號，最終實現干擾抑制。假設x（k）為原始輸入信號樣本序列，且滿足x（k）=s（k）+I（k）+n（k），其中，s（k）為僅包含元素±1的偽隨機序列；I（k）為樣本信號干擾序列；n（k）為高斯白噪聲序列。干擾預測估計值序列為

原始信號經過外差濾波器后輸出信號為 將該

輸出擴大一倍后與輸入信號進行差分運算，不考慮高斯白噪聲情況下最終輸出信號為 從而得到了干擾抑制后的有用信號。為了求解該自適應濾波器系統的傳輸函數，可將上式轉換到頻域進行處理。經過頻率轉換可得到

至此可得到所求的傳輸函數為

3 抗電磁干擾信號的仿真

本文采用matlab針對其抗干擾技術進行分析，對不同通過設置閾值選擇合適的能量消耗水平，傳輸能量水平取值為67.2 nJ/bit～253.8 nJ/bit，共被分為27個能量消耗等級。假設節(jié)點工作于2.4 GHz頻段，數據傳輸速率為250 Kbit/s。為了節(jié)省節(jié)點能量耗散速率，假定數據傳遞速率越高，節(jié)點處于激活狀態(tài)時間越短。節(jié)點傳遞數據包大小為30 bits，節(jié)點緩存區(qū)最多可容納64個數據包。本文選擇誤碼率Pe作為系統性能度量標準，其收到的正確數據比特數在總傳輸數據比特數中的比重。

仿真結果表明，初始階段隨著數據包中填充碼數量逐步增長，系統誤碼率Pe變化速率較快，此后，填充碼數量在整個擴頻序列中比重繼續(xù)擴大，誤碼率Pe不會產生太大變化。這說明在研究DSSS抑制WSN架構下電力系統中電磁干擾問題的過程中可以對DSSS機制中填充碼位數進行優(yōu)化，從而使系統獲得更優(yōu)異的性能。

4 總結

綜上所述，本文提出了基于DSSS的抗電磁干擾機制，通過系列的演算，再根據受到電磁干擾的強度采用自適應的濾波器對電磁噪聲信號進行濾波，從而提高了節(jié)點的投遞率，減少網絡數據重發(fā)，也減少了網絡節(jié)點的能量開銷，優(yōu)化了網絡性能。

參考文獻：

[1]丁玉波.關于電力通信信號系統安全的具體分析[J].民營科技，2012（02）.

作者簡介：

張超（1971-），女，四川內江，本科，工程師，通信運行檢修專業(yè).