一種電力線采樣同步效率優化算法

摘 要： 研究電力線通信過程中采樣同步效率的優化問題，提出一種計算同步位置的優化策略。首先根據直接同步方法設計先片后位算法，利用片內采樣過程完成電力線信號采樣，創新地利用片內高低電位的最大差異計算片內位移個數，主要采用高低電位相差數量的最大情況為理想片內同步結果。試驗結果表明該算法可以提高40%的時間效率。

關鍵詞： 電力線通信； 擴頻； 同步算法； 片同步

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）14?0024?03

Optimization algorithm of sampling synchronization efficiency in power line communication

WANG Ying?jie， WANG Rui

（Information College， Ocean University of China， Qingdao 266100， China）

Abstract： The optimization problem of sampling synchronization efficiency in the process of power line communication is studied in this paper. An optimization strategy of calculating the synchronous position is proposed. A bit algorithm after the first piece is designed in accordance with the direct synchronization algorithm. The power line sampling is fulfilled in the process of on?chip sampling. The innovation of this paper is to use the biggest difference between high and low potentials in chip to calculate the displacement number in the on?chip. The sliding window was designed to calculate the on?line maximum offset. The test results show that the algorithm can increase the time efficiency by a factor of 40%.

Keywords： power line communication； spread spectrum； synchronization algorithm； chip synchronization

0 引 言

電力線通信是廣泛應用于自動化抄表領域的技術方案。擴頻通信技術的使用可以用來保證通信的可靠性，但是擴頻通信同時產生的一個問題就是降低了實際通信速率，這在一定程度上限制了擴頻通信的廣泛應用。信號的采樣和捕捉由于電力線的復雜環境對同步頭捕捉的算法提出了更高的要求。

一種常用的擴頻方法是借助于擴頻函數來實現，擴頻函數主要使用偽隨機序列碼，實用的偽隨機碼必須是具有隨機性，有自相關特性，要有較多的序列數，易于實現等特點。文獻[1]介紹了M序列和Gold序列偽隨機碼，這兩者滿足上述條件，是應用廣泛的擴頻函數，以其多種優越的性能在通信、導航、測量等領域迅速發展起來。文獻[2]提出了AWGN信道和多徑瑞利衰落信道擴頻技術，具有與直接序列碼分多路存取幾乎相同的性能，但有更易于實現的代碼設計和多用戶接收機建設的優點。霍曉磊等將一種新的擴頻信號形式——序列偶引入到擴頻通信系統中，提出了基于序列偶擴頻技術的構思，依據擴頻通信系統對擴頻序列的技術要求，用遺傳算法搜索出40～50長的次優二元序列偶，其性能優于Gold序列的序列偶[3]。

同步過程優化的可以通過在擴頻通信之后對采集到的數據計算進行優化來實現，即在最短的時間內捕捉到數據的起始和結束。在2002年的HotNets上，JElson等首次提出并闡述了無線傳感器網絡時間同步技術的課題。電力線環境近似于無線環境，可以借用這種思路。他提出許多種不同的實現算法及改進算法，典型的有RBS[4]算法、TPSN[5]算法、還有TDP[6]同步算法等。文獻[7]提出了用于實際低壓電力線通信系統的延遲和相關算法以及雙滑動窗口功率比算法，設計一個簡單的匹配濾波器接收機，使用一個比特輸入樣本幀計算同步和信道估計。由于電力線通信環境的限制，國內各大電力線抄表的芯片存儲容量有限，無法進行更大規模的計算和調度，部分無線通信環境的應用無法實現，必須在小型PIC下實現算法優化，對算法的精簡提出了較高的要求。綜上所述，研究電力線通信中在有限時間和復雜干擾下捕捉同步起始位置，是解決同步過程的主要問題。本文提出一種基于電力線通信的同步計算優化算法，同時權衡了擴頻通信和同步算法的時間效率。為了節省時間必須在擴頻的基礎上優化展頻碼，將碼元的偏移量選取最大的差異。同時優化同步算法，在PIC有限的環境內簡化算法流程，壓縮需要的內存空間，在數據頭到來前有效地計算時間偏差，降低丟失數據而使數據重傳的幾率，從而減少電力線上信號的負載，節省抄表過程中的電力損耗，創造社會價值。

1 相關工作

1.1 問題的提出

通信載波信號在電力線路上會有衰減。雖然電力線本身阻抗很小，但是由于電力線上有大量的用電負載和電力設備，它們的狀態對信號的衰減影響很嚴重，并且這種影響是不穩定的。實驗表明[8]，信號的衰減是距離的函數，一般情況下，每1 km衰減達到40～100 dB。從地域分布來看，信號在農村的衰減最大，1 km就能達到50 dB；在城市，每250 m信號大約衰減20 dB；而在郊區，每250 m也能達到25 dB；但在工業區衰減較小，每750 m長的線路上信號衰減為30 dB。為了使傳輸中發生差錯后只重發出錯的有限數據，數據鏈路層將比特流組合成以幀為單位傳送。幀的組織結構必須設計成使接收方能夠明確地從物理層收到的比特流中對其進行識別，這就是幀同步要解決的問題。

由于網絡傳輸中很難保證計時的正確和一致，所以不能采用依靠時間間隔關系來確定幀的起始與終止的方法。同步頭捕捉計算依靠傳統的算法思路需要的時間復雜度比較高，在計算過程中由于同步過程時間限制，在超過一定范圍后數據位開始傳輸造成無法及時更正采樣過程以至數據包丟失，由于國家電網的規范不能在電力線傳輸大量的信號，從而造成過大的信號負載，因此優化同步捕捉算法對于提高電力線通信的傳輸效率有很大的經濟價值和社會價值。

本文在數據鏈路層的環節將時間復雜度進行了改進，提出了先片后位算法，思想將問題分解為二個子問題，類似于算法思想中的動態規劃問題，解決子問題的過程中實現了擴頻碼循環左移的簡化，將主循環分解為多個小問題，實現對時間效率的優化。

1.2 研究環境

基于電力線載波通信技術的自動抄表系統是一個三級系統[9]，即主站、集中器、電能表，其結構如圖1所示，其中：

（1）主站

主站是一個管理系統，每個電力公司設置一個主站系統，管理電力公司所有的集中器和電能表。它負責與集中器進行通信，讀取集中器中的數據完成抄表，此外還要對集中器的各種參數進行設置和維護。

（2）集中器

每個配電臺區（一臺配電變壓器供電的區域）內安裝一只，用于管理所在臺區的電能表。集中器與主站之間通過公共網絡（GPRS，PSTN，GSM等）進行通信。集中器具備自適應網絡拓撲結構變化的能力，當臺區中某電能表與集中器之間的某一條通信路徑發生異常時，集中器會尋找其他路徑完成該次通信過程。

圖1 基于電力線載波通信技術的自動抄表系統的

網絡結構圖

（3）電能表

每個居民用戶一只，由電表MCU和載波通信芯片組成，負責計量用戶的用電并完成數據通信功能。其中大多數電能表為載波電能表，獨立安裝于用戶端，進行自動抄表。電能表的載波通信模塊完成數據的接收和發送。

集中器和電能表都具備電力線載波通信能力，它們之間通過220 V電力線交換數據。電力線載波通信范圍限于配電臺區內，從而使一個臺區中的集中器和電能表作為通信節點互連成一個通信網絡。

2 基于電力線通信的同步計算優化算法

由于試驗現場采用PIC系列芯片[10]，這種芯片存儲容量有限，在計算同步起始位置的時候需要在較短的時間內完成，因此如果采用1010…無法有效縮短時間。在同步碼元序列完全通過是，無法計算偏移程度，因此選取循環移位后與標準碼片偏差程度最大的序列碼片是提高同步過程的有效途徑。

在計算過程中，由于電力線通信標準的要求，對電力線上的信號負載有嚴格限制要求，標準算法準確率高，但由于時間復雜度高，在同步循環結束時，可能無法對采樣后的數據及時處理，造成在規定的是時間內無法計算出偏移量，以至于丟失對后續數據區的采樣過程。

2.1 同步過程介紹

發送方連續傳送54 chips 即 （00011）9 ，連續發送9遍000011.發送時，碼元時長72 μs。耗時52×54 = 3 888 μs = 3.888 μs，碼速≈14.889 kHz。同步位的目的在于接收方與發送方同步。接受方具備的調整能力為±216 μs，這就要求，借助于零點信號，同步之前的接收方和發送方對時間得認識誤差不得大于±216 μs。

約定發送方重循環復發送位擴頻碼為，其中每個碼元pi的持續時間為t。約定接收方以 （即每個碼元時間內采集個樣本）的恒定速率采樣，共計采集約為 個樣本。如果滿足以下兩條理想條件：一是接收方恰好在發送方發送碼元時開始采樣；二是信道上不存在干擾，則接收方采集的樣本序列如式（1）所示：

（1）

其中滿足等式（2）：

（2）

通常，兩個理想條件都不成立。接受方實際采樣形成的序列：

（3）

并不滿足等式（2）同步問題是求和，當循環左移實際樣本序列位從而使Pi，j處于首位時，串與理想樣本序列式（1）的相似度達到最大。

這里提出的先片后位算法將對片內同步實現后，在對整體偏移進行計量。

2.2 先片后位算法

片同步：求，，當實際采樣序列于循環左移位后，得樣本序列：

使得 達到最大，即循環左移j位后產生的新序列側的每個樣本組中的1的樣本與0的樣本的數目之差的和達到最大。

位同步 ： 求，，使得，當樣本序列循環左移位后得到的樣本序列：

Where 與理想樣本序列最相似。

由于片同步能在線統計片內數據位的差異量，在計算同步的過程中減少了時間，相比于直接同步算法有效地改善了時間效率。

3 算法分析

單片機的采樣分析和時間統計，直接同步算法的時間復雜度為，先片后位算法的時間復雜度僅為，實驗環境選擇在學校和辦公樓之間進行數據分析，如表1所示。

表1 數據分析

采樣誤碼率的提高隨著距離的增加而變大，這與信號衰減有關，在誤碼率提高的環境下，采樣分析后得到的數據與直接同步算法得到的標準數據的差異度成遞增的關系。

在指令的執行時間上保持不變，這與嵌入式開發的匯編指令條數有關，未有明顯變化。算法的時間效率通過嵌入式芯片觀察指令運行條數得出是直接同步算法的60%。隨著誤碼率的提高，在計算片內同步的過程中由于誤差的積累，使得在位同步過程中誤碼率成指數型提高造成在位同步的計算有很大偏移。

4 結 語

先片后位算法的時間效率節約50%的時間消耗，但隨著電力線信號的干擾提高，數據通信的準確率產生了很大的偏差。這種算法在片內同步的過程中產生偏差，從而導致對后續數據計算過程中誤差放大。提高采樣的頻率是減少誤差的途徑之一，但由于采樣頻率的提高需要的功率不利于電力線的優化降噪，因此片同步的數據匹配是下一步提高通信算法準確率的重要保證。

參考文獻

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