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1、河北大学 硕士学位论文 基于分形的低压PLC信道特性研究 姓名：赵宇茜 申请学位级别：硕士 专业：通信与信息系统 指导教师：王振朝 20100501 摘 要 I 摘 要 低压电力线通信（L-PLC）信道是一个时变性强、干扰大、衰减剧烈的非线性传输 系统， 研究它的信道特性并建立适当的信道预测模型已成为电力线通信技术领域的重要 课题。本研究将分形理论引入L-PLC信道特性研究，主要可以分为信道分形特性的判别 和信道的分形预测两部分内容，具体工作及成果如下： 一、判定L-PLC信道的分形特性。通过计算和分析L-PLC信道实测信号电压幅值时 间序列的各种分形维数及其与低压配电网运行工况的关系， 完成
2、L-PLC信道分形特性的 判定和分形维数的筛选。 二、将多重分形谱的概念引入到L-PLC信道特性分析中，利用多重分形从多个侧面 多个尺度上描述L-PLC信道的动力特征。 三、在验证L-PLC信道分形特性的基础上，结合混沌理论的时间序列相空间重构原 理，提出了基于分形拼贴定理和分形插值迭代过程的时间序列改进预测算法，建立了基 于分形理论的信道预测模型。 关键词 低压电力线通信 分形 分形维数 多重分形 分形预测 Abstract II Abstract With its violent time-varying, strong interference and severe attenuatio
3、n, the analyses of this communication channel become a challenging but important basic subjects for the sustainable development of L-PLC (Low-Voltage Power Line Communication) technology. In this study, we point to bring fractal theory to the characterization and perdiction of L-PLC channel, this pa
4、pre can be divided into two main parts: the determination of fractal characteristics and the fractal prediction of this channel, detail works are as follows: 1. The time series measured from L-PLC network are analyzed by R/S method which provides us a quantitative analysis of long-term time-dependen
5、ce of the time series. The results has showed: Hurst index of measured time series are greater than 0.5, fractal dimension is greater than 1.0, L-PLC channel has obvious fractal and chaotic characteristics. 2. The changing curves of power spectrum and statistical moment of these time series are draw
6、n, for the analyzing of multi-fractal characteristics of this channel. The results has showed: statistical moment is a nonlinear function, and multi-fractal spectrum is strict symmetrical, the L-PLC channel has strong multi-fractal properties. 3. In the end, a new fractal prediction algorithm is pro
7、posed basing on the weak chaotic and statistical self-similarity of the L-PLC channel signal. In the algorithm, the fractal interpolation based on phase space reconstruction sample selection method and fractional collage theory is applied to construct an iterated function system, and then set up the
8、 fractal prediction model. The effectiveness of the algorithm is checked with actual noise signals. The results show that, the average prediction error is smaller than 6.0%, prediction accuracy is improved about 20% comparing with traditional algorithm. Key words lower voltage power line communicati
9、on (L-PLC) fractal fractal dimension multi-fractal fractal prediction 第 1 章 引言 1 第 1 章 引言 1.1 选题背景及其意义 低压电力线载波通信(Lower Voltage Power Line Communication，简称L-PLC)是一 种以电力线为传输媒质，利用载波方式实现数据通信、语音及其图像传输的智能化通信 技术1。由于利用电力线作为通信媒介不需要另外铺设线路，节省了线路基础建设的投 资和维护费用，因此电力线的便利性和经济性较高2，使得L-PLC技术在现代通信系统 中得到了广泛的关注。 目前，L-PL
10、C技术已从最初的工频负荷控制和低速率音频发展到宽带接口技术以及 自动载波抄表系统中。但是，与其他专用的通信媒介不同，低压电力线信道的通信环境 相对恶劣，其网络拓扑结构也很复杂并且不规则，存在的多种信道噪声、多径干扰和频 率选择性衰落都使低压电力线信道呈现出高度的时空波动性。这种恶劣的信道环境使 L-PLC技术在提高通信稳定性和安全性等方面都遇到了极大困难， 使得许多投入使用的 相关产品很难达到客户的需求3。 如何利用具有工作环境恶劣、信号衰减强、输入阻抗小、干扰强且时变性大这些特 点的低压电力线路发展电力线通信技术，特别是高速、可靠的数字载波通信技术，仍是 当前研究的重点4。迄今为止，差错控制
11、、调制解调、信号耦合及阻抗匹配等技术的研 究和发展，虽然可望使L-PLC技术有所改善，但是要从根本上克服L-PLC受制于电力 系统运行工况的缺陷，仍是困难重重5-7。 若要进一步提高通信环境恶劣的L-PLC的通信性能，依赖于对信道特性的准确把 握。无论是现有的调制解调、差错控制、阻抗匹配等相对成熟的技术，还是混沌调制、 中继选择、现场总线等新技术的应用，都应建立在明确的信道特性分析和有效的信道预 测模型研究之上， 所以信道特性分析和建立有效的信道预测模型是L-PLC技术领域的关 键性和基础性课题8-12。 从L-PLC信道作为通信介质总体特性而言，L-PLC具有高度复杂的时空动态特性 和通信频
12、带内广泛分布的各种干扰噪声13。这使得针对L-PLC信道特性研究及信道预 测建模具有空前的难度， 迄今为止对L-PLC信道的综合特性分析并没有取得突破性的进 河北大学工学硕士学位论文 2 展，因而限制了L-PLC技术的飞跃性发展14。 1.2 国内外研究现状及本文创新点 根据国内外公开发表的学术论文4-12，大体上可以将现有的针对L-PLC信道特性研 究分为两种类型： (1) 以现场实测各种实验数据为主，辅以定性分析的各种信道指标分类研究4-7。 在此类研究中，分别实现了对线路阻抗，频率特性，噪声特性，传输衰减等各种信 道特性参数的测量和评判，但并没有引入综合评价指标体系。而实际上，上述各主要
13、指 标是相互影响，有些甚至是存在因果关系的。对于共同影响信道通信质量的各类指标， 只有对进行综合分析，才能全面地描述系统性能。此外，由于L-PLC信道随时间空间呈 现很大的波动性，不同研究者给出的测试结果往往差别很大，甚至相互矛盾，不利于统 一指标的确立和对L-PLC信道特性的综合描述。 (2) 以建立非线性信道模型为主并对理论结果进行试验佐证的理论研究8-12。 理论分析大体上可分为多径模型和传输线模型两大方向。 此类研究的理论基础多为 线性系统理论，所构建的传输函数不能反映信道的非线性，时变性和随机性。在分析过 程中，又引入诸多假定条件，造成结果与实测数据的不一致。虽然研究结果均强调需要
14、根据实测结果对模型参数进行修正，但由于信道的分散性和时空波动性，实际上并没有 得到具有实用价值的模型。 综上所述：现有研究成果虽然为本研究提供了技术参考和有价值的基础数据，但与 此同时，现有研究又都存在着明显的局限性。以上两类研究类型均没有对信道本身的随 机变化特性进行系统研究。虽然对信道的研究基本上以外部加性噪声为主，但在测量中 没有把由信道的非线性变化诱发的内部噪声(乘性噪声)与信道外部噪声(加性噪声)加 以区分，也没有对外部噪声对信道特性的具体影响进行分析。 现有研究局限性的根本原因在于对L-PLC信道的综合特性把握不到位，L-PLC的 信道特性是外部噪声与由电力系统本身诱发干扰的综合效
15、应。 复杂多样的干扰源使信道 特性呈现出很强的类似随机性；而电力系统本身诱发的干扰（例如用电设备运行中产生 的各次谐波干扰等） 所具有的特定周期性和规律性又使得信道特性呈现出一定的似稳定 性。所以，L-PLC信道特性是确定性和随机性的统一，其实测时间序列显示出极为复杂 的不规则性、动态性和非线性。这些因素决定了我们既不能采用传统的随机分布模型对 第 1 章 引言 3 它进行描述，也不能采用线性理论对L-PLC信道进行研究。 由Mandelbrot于上世纪 70 年代提出的分形理论是非线性科学中的新兴学科 15，在 近一、二十年得到迅猛发展，已成为现代非线性科学中一个十分重要的研究领域。分形 理
16、论在自然科学和社会科学领域的应用中都取得了重大的成果 16-19。 自相似性和标度不变性是分形理论描述事物分形特性的重要依据 20，此类特征与 L-PLC传输环境中的非动力学因素不谋而合。现已有一些研究表明L-PLC信道具有混 沌分形特性，并且有些研究则指出，若信号是在分形介质中传播的，信道散射体表面的 分维特性将被携带到散射信号中去 21-22，这为我们在接收端进行信号的分形特征分析以 验证传输信道的分形特性提取提供了理论基础。 这一系列的研究成果为我们指明了一条 通过分形理论来研究L-PLC传输环境的新道路。 本研究利用分形及多重分形理论对L-PLC信道特性进行研究， 对实测电压幅值时间 序列进行分形特性分析， 从整体上揭示L-PLC信道的变化规律， 建立新的信道特性分析 方法； 其次在验证L-PLC信道分形特性的基础上， 结合混沌理论的时间序列相空间重构 原理， 提出了基于分形
