超寬帶通信在電力系統中的應用

沈光劍

（貴州電網公司遵義供電局，貴州 遵義 563000）

0 引 言

在傳統的電力通信系統中，主要應用高壓輸電線路來作為高頻信號傳輸的主要通道，在傳輸過程中僅局限在話音傳輸和信號控制等工作方面，在應用范圍上相對比較狹窄，信號傳輸效率偏低，無法充分滿足帶寬化發展的工作目標。隨著我國科技技術的不斷向前發展，電力線通信正不斷朝著大容量和高傳輸速率的趨勢發展，并且在電力信號傳輸過程中，有效運用了低壓配網來進行通信。超寬帶通信技術的不斷向前發展，為我國電力線通信技術的發展提供出了全新的工作方向，并且對其中存在的各種問題進行了有效解決。相較于藍牙、Zig Bee以及WiFi等近距離通信技術，超寬帶通信技術具有更高的通信工作效率，同時具有較低的發射功率，整個系統構成比較簡單，可以有效抵御外部環境因素的影響。因此，超寬帶通信技術在我國電力系統當中應用程度越來越高，并且受到了行業內部工作人員的高度關注和重視。

1 超寬帶通信技術的工作原理與工作優勢

所謂超寬帶通信技術主要使用的是電磁能量脈沖，通過納秒或者皮秒間隔性發射，發射持續時間通常為幾納秒到十幾秒，因此超寬帶通信技術也被稱之為脈沖無線電技術。因為激勵脈沖不屬于調制波形，所以超寬帶通信技術也被稱之為無載波技術。此外，由于在射頻頻譜中并未存在明顯的載波頻率，因此與傳統的無線電通信頻率相比，超寬帶通信脈沖在沒有進行調制的狀態下，傳輸到正弦載波的頻率上的效果更加明顯，同時超寬帶不需要指定的工作頻率，也不需要使用特定的功率放大器。美國聯邦通信委員會將超寬帶通信信號定義為任何相對帶寬不超過20%，或者絕對帶寬不超過500 MHz，同時要滿足功率譜的限制信號。相比于傳統的調制通信，超寬帶通信工作不需要向其中加入載波調制，可以直接在時域中對其進行針對性處理。

1.1 信息傳輸速率較高，且空間容量較大

根據香農信道容量公式，可以看出在加性高斯白噪聲AWGN信道系統的無差錯傳輸速率的上限為C=B×log2（1+SNR）。其中，B為信號的帶寬，SNR為信噪比。在超寬帶通信系統中，信號帶寬B的頻率范圍是500 MHz～7.5 GHz。因此，即使信噪比SNR相對較低，超寬帶通信系統也可以在短時間范圍內實現短距離的高質量數據傳輸。例如，使用7 GHz帶寬，在信號傳輸工作中，如果將信噪比控制在-10 dB，則理論信息容量上也可以達到1 GB。通過超寬帶通信技術的有效應用，可以在非常寬的頻率帶寬條件下提高整個數據傳輸的頻率以及質量，同時不會單獨占有現有的信息通道資源。該技術屬于一種能和其他無線技術進行共享的頻帶技術[1]。

1.2 多徑分辨率高

因為超寬帶通信信號使用的是持續時間相對較短的窄脈沖，在信號傳輸過程中對時間空間的分辨能力相對較強。因此，超寬帶通信信號在信號傳輸過程中多徑分辨率相對較高。通過較高的分辨率可以有效提高超帶寬通信信號的效率以及精確度，同時還保證了高精度的測距以及定位功能的效果。對于通信系統，在工作過程中必須要做好超帶寬的信號分析工作，需要對信號的傳輸途徑進行有效判斷。無線信號傳輸通道在時間選擇和頻率的選擇是無線通信系統保證高頻率工作的關鍵性影響因素。在短帶系統工作過程中，不可以直接進行分辨的信號傳輸路徑將會直接被排除，而超帶寬通信信號可以將其合理分成多個并用的信號收集形式，并且將信號收集通道進行有效合并。此超寬帶通信系統在工作過程中具有非常強的信號抗干擾能力。雖然超寬帶通信信號在工作過程中具有多路徑分辨工作能力，但是這樣也會造成信號在傳輸過程中能量會出現一定的衰落。因此，需要對信號傳輸的頻率進行進一步調整，在接收端需要對信號傳輸過程中出現的衰落變化進行重新調整，以獲取更高能量的信號，保證信號傳輸的效率和準確性。

1.3 低功耗

傳統的超寬帶通信技術在使用過程中不需要正弦載波，數據調制工作可以在納秒級別或者亞納秒級別范圍內，在窄帶寬脈沖中進行高質量傳輸，接收機設備在工作過程中可以直接完成對應傳輸信號的檢測工作。超帶寬系統在信號傳輸過程中，可以通過間歇式的信號發射方法完成整個數據的快速傳輸。脈沖發射的持續時間相對較短，通常保持在0.2～1.5 ns。由于具有較高的占空因素，因此系統在工作過程中耗電量相對較低，在高速信息傳輸過程中，系統的整體耗電量僅為幾百微瓦到幾十毫瓦。

1.4 良好的共存性和保密性

因為超寬帶通信系統在工作過程中信號的輻射譜密度相對較小，通常保持在-41.3 dB/MHz以下，而對于傳統的窄帶信號傳輸工作來講，超帶寬通信信號的信號傳輸密度可以低置到噪聲電平以下范圍。超寬帶通信信號在經過載帶系統過程中會受到一定的外部環境干擾，此時可以將這種干擾直接作為帶寬白噪聲。因此，在超寬帶通信系統和傳輸系統的工作過程中，保證載帶系統具有良好的共存性工作效果，對提高無線通信信號頻譜資源的使用率有著至關重要的作用[2]。

2 基于空間數據挖掘理論的超寬帶通信電力系統安全態勢預測算法

現階段，隨著我國網絡技術的不斷發展，人們在日常的生活和信息交流過程中，對網絡技術的應用程度越來越高，但是隨之而來的是網絡安全事故頻發。為了最大限度地預防或者減少網絡安全事故的產生，減免不必要的經濟損失，必須要充分預防各種網絡空間存在的安全威脅，做好系統的安全防護控制工作。此外，還需要保證更加精確高效地感知整個網絡空間所帶來的實時性動態工作優勢，并且對未來的發展走勢進行有效預測，建立起更加科學和全面的安全網絡控制系統，保證在產生網絡安全問題時，可以快速響應出相應的解決策略，這也是相關工作單位和研究人員所關注的重點問題。盡管現階段針對網絡安全的控制和預測工作模型和方法相對較多，但是通常在整個模型的建立上具有較強的不適應性以及靈活度相對較差。有效考慮到安全態勢方面產生的影響因素會直接造成網絡安全預測和判斷工作存在誤差。在信號的傳輸工作中，必須要充分做好超寬帶通信電力系統的安全態勢預測和評估工作，同時要建立起更加科學合理的預測工作模型，充分分析整個網絡安全態勢。因此，本文基于空間數據挖掘理論的應用，介紹了超寬帶對通信系統的安全預測算法，具體的算法步驟如圖1所示。

在圖1中，從超寬帶通信電力系統中收集相應的網絡連接數據信息，并且對整個超寬帶網絡安全工作態勢進行全面評估和了解，以有效完成各項數據信息的預處理工作。網絡安全問題會受到外部環境的攻擊保護和網絡大環境等多方面因素的干擾，因此在具體的計算工作中所涉及到的內容也比較復雜。

圖1 算法實現流程圖

該算法主要是基于空間數據理論，全面分析信息傳輸過程中的安全態勢和據傳輸維度，確認整個數據傳輸網絡的安全態勢參數數值，有效結合網絡拓撲結構構成情況，探索超寬帶信息傳輸安全態勢要素相互之間存在的互通關系。該算法主要運用RBF神經網絡模型，全面分析和預測下一時刻電力通信網絡的安全態勢值，預測得到的數據參數具有唯一性特點，同時不存在BP算法中局部極小的相關問題，整個預測工作的精確度相對較高，并且整個數據傳輸工作效率更快[3]。

3 應用仿真與結果分析

為了充分驗證這一算法的實際性能，根據計算流程進行了實驗和分析。首先，收集了大量具有代表性的網絡安全態勢數值參數，并且對其中的相關概念定義和數據進行了信息提取和預處理工作。通過使用基于空間數據理論下的安全態勢和空間維度預算工作方法，通過定量分析的方式，有效結合綜合網絡安全評估，使用RBF神經網絡模型，有效完成整個數據傳輸頻率和網絡安全態勢數值的預測工作。所運用的數據集中包含了電力通信網絡所涉及到的100個時間點和對應的參數數據記錄。該數據記錄中涵蓋了網絡邊界和網絡內部資產的相關信息，同時有效給出了主機處理工作完成之后的各種警告信息[4]。通過拓補結構的應用可以借助自動化拓補結構，發現其中的相關數據收集工具，如object SNMP。通過計算步驟所形成的電力通信網絡安全態勢值，作為評價基礎數據和評價預測分析數據，將該序列數據進行重新取樣和分析，形成全新的取樣分析組別。例如，在選取參數數值過程中，每次移動一個時間間隔可以形成96組樣本值，通過選擇其中81組作為訓練集，另外15組則設定為測試和通過完整的預測計算工作任務，得到最終的分析控制結果，可以使用誤差的計算方法具有更高的代表性。電力通信網絡的安全態勢值如圖2所示。

通過圖2所使用的網絡安全態勢值計算模式，有效保證空間理論數據的真實性，對電力通信網絡安全參數等進行有效設定和收集，有效避免了網絡拓撲結構節點所產生的數據誤差影響。

圖2 電力通信網絡的安全態勢值

通過圖3圖像數據對比BP和RBF模型預測網絡的安全態勢數值，其中橫坐標選擇的是后15組測試組，通過測試分析可以看出在該算法當中所使用的RBF模型可以有效預測網絡安全態勢值，且所得到的數據更加精確。

圖3 本算法RBF和BP的預測結果對比

4 超寬帶通信在電力系統中應用展望

當前我國已經正式步入了信息化發展時代，各種先進的網絡通信技術應用程度越來越高，并且大量的信息化技術應用改變了人們的日常生活和工作方式，人們相互之間可以實現更加高效的信息通信活動。現階段，有線電視公司所提供的有線電視系統可以直接通過單一的寬帶網絡來提供出相應的電視服務，通過這些先進的服務模式，加大了對帶寬的需求程度。隨著數據傳輸規模和傳輸量的不斷上漲，更多的帶寬變得越來越重要。例如，在人們的日常生活過程中，可以實現家庭與辦公室之間的互動視頻、家庭電影點播以及辦公室的視頻電話會議等，在這些活動的開展過程中要求具有更高的數據傳輸效率來有效保證畫面呈現的清晰度。在未來的發展過程中，社會中其他行業也會對電力提供商和相關的數據供應商提出相應的帶寬要求。例如，在醫院單位內部將X光片與CAD掃描圖像直接通過遠程發送的方式輸送到遠程定位的醫生手中時，需要具有較大的帶寬才可以實現在短時間范圍內數據的快速傳輸。在具體的使用過程中，某些用戶發現互聯網的接入速率相對較慢，并且產生數據鏈路丟失等相關問題，這些問題都是因網絡數據傳輸過載所產生的外在表現形式，需要更多的帶寬來加以彌補[5]。

在電力通信領域工作中，超寬帶無線通信技術的應用需要實現電子計算機和外部數據設備之間的實時性數據傳輸和服務，讓整個數據傳輸工作變得更加安全高效和快捷。為了有效解決帶寬問題，滿足網絡傳輸速率較高的工作需求，超寬帶通信將在電力系統當中發揮出至關重要的作用。例如，在家庭內部或者辦公室，可以直接使用無線接口的方法實現超寬帶通信，不但可以對各種設備進行有效簡化，同時大大提高了信息傳輸工作的整體效率和質量[6]。

5 結 論

超寬帶通信技術在發展過程中慢慢得到了社會的廣泛認可，并且在中短距離的信息傳輸過程中表現出了傳輸效率更快和信息傳輸質量更高等多方面優勢。由此可以看出，超帶寬通信傳輸技術在未來的發展和使用過程中具有較高的發展潛力，為推動信息通信技術的快速發展打下了重要的基礎。