用電采集系統(tǒng)微功率無線通信信道建模研究綜述

羅 玄 ，補黔江 ，曾慶波 ，張秋雁 ，劉 文

（1.貴州電網(wǎng)有限責任公司凱里供電局貴州凱里556000；2.貴州電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院貴州貴陽550007；3.湖南大學電氣與信息工程學院，湖南長沙410082）

在能源日趨緊張、用電需求迅速增長的形勢下，智能電網(wǎng)也隨之快速發(fā)展。而用電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的建設又成為了智能電網(wǎng)發(fā)展的重要支撐。國網(wǎng)和南網(wǎng)近年已經(jīng)建成了采用RS-485總線、電力線載波、微功率無線3種通訊方式的用電信息采集系統(tǒng)[1]。RS-485總線通信方式具有安裝調試復雜、節(jié)點數(shù)受限、并且需要額外布線等缺陷而難以用于大規(guī)模的通信網(wǎng)絡中[2]。電力線主要用作傳輸電能而造成通信線路具有阻抗的高時變性、信道的高噪聲、高衰減性等缺點，以現(xiàn)有的電力線載波通信技術很難滿足智能電網(wǎng)對通信速度的要求[11]。而微功率無線抄表技術則克服了這些缺點，并且具有不需要額外布線、安裝調試靈活的優(yōu)點而得到了廣泛的關注和研究[1-2]。但是，現(xiàn)階段微功率無線產(chǎn)品還不夠完善，其技術也不夠成熟。不同的地理環(huán)境，氣候環(huán)境，復雜的電磁環(huán)境和現(xiàn)場裝配環(huán)境下的信道特性對微功率無線通信質量影響較大[12]。對信道特性研究的重點是建立與現(xiàn)場環(huán)境相適應的信道模型[2]。然而無線通信信道建模因為面臨一系列理論和實際難題而不夠成熟，并導致計量自動化通信終端經(jīng)常掉線[20]。因為存在的這些問題影響了微功率無線通信的發(fā)展。因此本文具有針對性的先簡要介紹微功率無線通信的傳播模型，然后對國內外近年來的微功率無線信道建模的最新成果及其相應優(yōu)缺點和適用范圍進行了綜述。以便學者們進行有針對性的研究。

1 微功率無線信道傳播模型

無線信道是微功率無線通信的媒介。微功率無線通信信道因通訊模塊經(jīng)常裝配在地下室、配電房等位置較差的環(huán)境而復雜多變。因此對通信環(huán)境的信道建模成為研究微功率無線通信系統(tǒng)的重中之重。圖1為無線信號從集中器（或電表）發(fā)射的信源經(jīng)過信號編碼、調制、傳輸，然后經(jīng)過電表（集中器）解調、譯碼最后變成信宿的過程[14]。由于信號在發(fā)射之前和接收之后所受影響較小而在本文中不予研究，本文主要對微功率無線傳輸信道特性及其建模進行分類與總結。

圖1 無線信號傳播過程

無線信道的電波傳播模型主要分為兩類：大尺度衰落模型、小尺度衰落模型[19]。大尺度衰落模型主要表現(xiàn)為信號長距離傳播的路徑損耗和由于障礙物阻擋造成的陰影衰落兩種形式，描述的是發(fā)射端與接收端之間的信號平均功率隨距離的衰減特性[2]。小尺度衰落模型是描述短距離（或時間）內接收信號電平（或功率）的快速變化，一般通過多徑效應和多普勒效應產(chǎn)生[3]。

圖2 信道傳播模型分類

由于智能電表中微功率無線產(chǎn)品的集中器和電表不存在相對移動，因此在建模的過程中無須考慮小尺度衰落中的多普勒效應而只需要考慮多徑傳播[13]。

1.1 大尺度衰落模型

在自由空間中，接收端接收信號的功率大小與信號傳輸距離的平方成反比，但是在實際傳輸環(huán)境中，由于其它電磁干擾以及天氣因素的干擾造成接

其中Xσ為0均值的高斯分布隨機變量，其標準偏差為σ，代表的是信道傳播環(huán)境的不同而產(chǎn)生差異性的陰影效應。

1.2 小尺度衰落模型

小尺度衰落模型一般用來描述快速變化的傳輸信號，由于多普勒效應和多徑效應使得其信號強度短時間相差巨大，因此大尺度傳播所造成的功率損耗在這種快速變化場強的情況下可以忽略。

在建筑物和遮擋物較多的市區(qū)復雜微功率無線信道環(huán)境中，從發(fā)射端到達接收端的多徑信號通常被認為不存在視距傳輸，對實測數(shù)據(jù)進行分析認為多徑傳播幅度服從瑞利分布[15]。信號的幅度、時延和相位會受傳播路徑的影響，因此，接收端的信號是多徑信號的疊加，合成后的信號相位幅度較原始信號相比變化尺度較大[3]。如果存在視距傳輸路徑，則多徑幅度服從萊斯分布。

多徑傳輸?shù)拇嬖谑沟媒邮斩说男盘栍啥鄠€不同時延的脈沖組成。一般通過平均附加時延、時延擴展均方根兩個參數(shù)來描述時延，并且可以通過通信中的功率延遲譜（PDP）求得。公式（2）即為PDP的定義式：

式（2）中的h（s）為信道的沖激響應，根據(jù)實測擬合結果得出，功率延遲分布（PDP）在大多數(shù)環(huán)境下服從指數(shù)分布。信號傳播路徑的長度會導致信號相位變化，當信號在實際環(huán)境中傳播一個波長的距離時，信號相位變化可以達到2π[16]。收端接收信號的功率損耗會大很多，因此自由空間的信道模型不適用于實際微功率無線傳輸模型[21]。在實際的接收環(huán)境中，接收端的平均接收功率隨距離d呈對數(shù)方式衰減，因此一般使用帶有隨機變量的正態(tài)分布函數(shù)擬合信道的大尺度衰減特性。如公式（1）所示：

選擇鮑建生教授建立的綜合難度模型為研究工具之一，結合有理數(shù)例題的特點對其進行選擇和調整，將鮑教授對背景因素的水平劃分改為無背景、學科相關聯(lián)背景、日常生活背景和無實際意義背景4類進行比較研究．

2 常用經(jīng)驗模型總結

針對于以上的兩種衰落特性，許多的學者通過大量的實測數(shù)據(jù)對經(jīng)典模型進行了改造和修正，提出了包括對數(shù)距離路徑損耗參考模型、Longley-Rice模型、Okunura-Hata模型、Suzuki信道模型、以及其他經(jīng)驗模型。

2.1 對數(shù)距離路徑損耗模型

大量的實驗數(shù)據(jù)仿真和理論分析表明，接收端信號的平均功率會隨著接收端與發(fā)射端的距離的增加而呈現(xiàn)指數(shù)的衰減[17]。在實際的應用環(huán)境中，微功率無線信道平均路徑損耗一般由發(fā)射端和接收端之間的距離d以及其他的環(huán)境因素共同決定[18]，其函數(shù)模型如公式（3）所示：

其中，d為選定的近參考點與發(fā)射端的距離，n為路徑損耗指數(shù)，用來描述路徑損耗的快慢。表1比較了在不同實測環(huán)境中的路徑損耗指數(shù)。

2.2 Longley-Rice模型

Longley-Rice模型是依托電波傳播理論并通過實際測量數(shù)據(jù)進行糾正后得到數(shù)學統(tǒng)計的半經(jīng)驗半理論模型。

由于該模型結合了電磁波傳播理論的有效性和大量實測數(shù)據(jù)的糾正后的適應性，因此具有較好的可靠性而得到了廣泛的認可和應用。由于其可以預測因地形分布造成的中值傳播衰落特性，也被稱為不規(guī)則地面模型[4]。Longley-Rice模型在已知電磁波傳播的路徑后已經(jīng)可實現(xiàn)計算機仿真并可以根據(jù)傳播的路徑長度、電波頻率和極化方向、等參數(shù)來計算無線電波傳播損耗。

Longley-Rice模型根據(jù)傳播路徑的長度將傳播損耗分為視距傳播區(qū)域損耗、繞射區(qū)域損耗和散射傳播區(qū)域損耗3種情況。并且3個區(qū)域的衰減因子可用公式（4）進行計算：

又因為在自由空間的電磁波傳播的損耗為公式（5）所示：

其中，d為傳播距離，單位是km，f為工作頻率，單位是MHz。因此，整個路徑下傳播損耗為自由空間損耗與傳播損耗之和，如公式（6）所示：

Longley-Rice模型通過引入了介電常數(shù)和電導率兩個參數(shù)將環(huán)境因素考慮到了損耗模型中，使得計算結果比其他模型更加準確[5]。

該模型適合頻率范圍為20 M到40 GHz，路徑長度為0～2 000 km，表面折射率為250到400 Ns的點對點的通信系統(tǒng)。但其因為沒有考慮環(huán)境因素和多徑效應而限制了其應用范圍。

2.3 Okunura-Hata模型

Okumura-Hata傳播模型是Masaharu Hata根據(jù)Okumura的基本中值場強曲線進行一系列理論研究并通過實測數(shù)據(jù)對理論模型修正后提出的傳播損耗經(jīng)驗公式[6]。此模型適用的電波頻率范圍為150～1 900 MHz，距離為100 km的廣域通信，接收天線的高度不高于9 m，發(fā)射天線高度的有效范圍為35到1 000 m。

Okumura-Hata模型用于計算市區(qū)環(huán)境的信道路徑損耗中值的公式如式（7）所示[6]：

其中：

在公式（7）中，LP是路徑損耗中值；f是工作頻率；d是水平距離；hb是發(fā)射天線的高度；hm是接收天線的高度m；a(hm)是接收天線的修正因子，該值和周圍環(huán)境有關，可利用公式（8）計算：

Okumura-Hata模型用于計算市郊環(huán)境的信道路徑損耗中值的公式如式（9）所示：

Okumura-Hata模型用于計算無阻擋環(huán)境的信道路徑損耗中值的公式如式（10）所示：

2.4 Suzuki信道模型原理

Suzuki信道模型糅合了大尺度衰落和小尺度衰落的傳播特性[7]。由于發(fā)射機發(fā)出的電波經(jīng)過障礙物的阻擋而產(chǎn)生多次反射和折射，造成信號服從對數(shù)正太分布。并且產(chǎn)生的多徑效應每條子徑有大體相同的幅度和隨機均勻分布的相位以及時延參數(shù)。由于這些信號包絡之和服從瑞利分布，而瑞利分布的參數(shù)服從對數(shù)分布，最終形成一個混合的Suzuki衰落分布，其包絡的概率分布如式子（11）所示[7]：

式（11）中，σ表示高斯分量的標準差；us是對數(shù)正太分布的均值，σs為標準差。

在微功率無線通信中，由于接收機相對集中器無明顯位移且瑞利過程功率有明顯變化，在這種情況下Suzuki比Clarke模型更為準確。

3 其他經(jīng)驗模型

除了常見的對數(shù)距離路徑損耗模型、Longley-Rice模型、Okunura-Hata模型外，還有許多經(jīng)過反復實地測量的數(shù)學統(tǒng)計組合得出的經(jīng)驗公式，比如Durkin模型、Okumura模型以及Egli傳播模型等[8]。本文在閱讀的文獻基礎上總結了各種經(jīng)驗衰落模型及其適用條件和優(yōu)缺點，如表2所示。

表2 常見的經(jīng)驗模型

4 結 論

本文首先簡要介紹微功率無線的傳播模型，然后對國內外近年來的微功率無線信道建模的最新成果進行了總結，闡述了用電采集系統(tǒng)微功率無線信道的發(fā)展現(xiàn)狀及應用前景，并比較分析了各種建模

方法的優(yōu)劣以及適應范圍。要求針對不同環(huán)境選擇有效的方法。用電采集系統(tǒng)的微功率無線模塊在市區(qū)由于繞射物多，一般采用Suzuki信道模型，而在一些山區(qū)地區(qū)，由于地形不規(guī)則，一般采取Longley-Rice模型，針對其他的復雜應用場景可以結合其特定的環(huán)境進行信號采集建立特有的經(jīng)驗模型，以適應復雜多變卻無法使用統(tǒng)一模型的環(huán)境，但是隨著大數(shù)據(jù)與人工智能的興起，微功率無線信道模型也可以隨之改善與完善，在不久的將來隨著廣大科研人員對大數(shù)據(jù)研究的進一步深入，必定會出現(xiàn)更為有效和普適的動態(tài)建模方法，其可以針對不同的現(xiàn)場環(huán)境，利用動態(tài)采集的實時海量數(shù)據(jù)進行動態(tài)分析與特征提取以建立模型，此模型具有低復雜性和高精度的優(yōu)勢，從而推動微功率無線通信系統(tǒng)的快速發(fā)展。