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智能电网双层无线接入架构及信道仿真研究

发布时间:2019-07-03 02:15:00 文章来源:工具之家    

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郭起霖+张斌

摘 要: dian力tongxinwang络de架gou及wuxianxin道特xingshi决定wang络xingnengdeguan键因素首先研究jiyunanfangdianwangdian力无xian宽daizhuanwangde双ceng无xian接rujiagou该jiagouzhonghong蜂窝与hui聚网guanzhijiandeMIMO信道de性能将zhijieying响到dian网de稳定heyun营水ping因此duiMIMO信道性能de研究就youweizhongyaozhu要对MIMO信道de两个典xingmoxingWINNERmoxingheKroneckermo型分别cong信道kongjianxiang关性信daorong量shiyu衰落三fangmianjinxing理论fenxi与对bifang真youfang真结果de到tianxianshu量信噪比、天xianzhen列等因素对信道ronglianghe天线xiang关xingdeyingxiang。fang真结果说mingMIMOji术能够zaidian网多业务承载环境下满zuxitonggaosulv、大rong量的要求。通过比较WINNERⅡmo型与真实传播环境匹配度高可在双层无线接入架gou中de到进yi步的应yong。

关键词: zhinengdian网; 双层无线接入架构; MIMO信道; WINNERⅡ模型; Kronecker模型; 仿真与分析

中图分类号: TN921?34 wen献标识码: A wen章编号: 104?373X(201801?0017?06

Abstract: The architecture of the electric power communication network and characteristics of the wireless channel are the key factors to determine the network performance. The double?layer wireless access architecture of the electric power wireless broadband private network of Southern Power Grid is studied in which the MIMO channel performance of macrocell and convergence gateway directly affects the stability and operational level of the power grid. Therefore it is particularly importance to research on the performance of MIMO channel. The typical WINNERⅡ model and Kronecker model of MIMO channel are performed with theoretical analysis and contrast simulation in the aspects of channel space correlation, channel capacity and time?domain fading. The influences of antennas quantity, signal?to?noise ratio and antennas array on channel capacity and antennas correlation are obtained with simulation results. The simulation results show that the MIMO technology can satisfy the requirement of the system for high speed and large capacity. In comparison with the Kronecker model, the WINNERⅡ model has higher matching degree with the real propagation environment, and can be further applied in the double?layer wireless access architecture.

Keywords: smart grid; double?layer wireless access architecture; MIMO channel; WINNERⅡ model; Kronecker model; simulation and analysis

0 引 言

zhi能dianwang[1]作wei先进通信ji术和高级物理电网you机融合的新技术,可yi保证电网安全、可靠、经济、高效、低碳运行,极大ditisheng了电网的智能化水平,shi电网发展的趋shi。

智能电网的实xian需要高速、实时、双向的电力通信xitong作为支撑。电力zhuanwang是yongyu电力通信、电力监kong系统及shu据网络的zhuan有通信网络。xiang对于无线公网,电力无线zhuan网ju有通信质量高、安全性高、网络资源自主分配、应急通信的适应性强及she备抗毁性强等优点,为实xian配用电网络全覆盖、全采集提供了极大的便li,成為构jian可靠、灵活的电力配电通信网的重要手段[2?3]。2015年7月6日,国家发展改革委颁布了《关于促进智能电网发展的指导yi见》,提出鼓励多种先jinxin息通信技术在电力系统的应用支撑,jian立开放、泛在、智能、互动、可信的电力信息通信网络。电网无线专网作为智能电网ge系tongxin息交换的基础载体和ke户交互的基本传输媒介,是电力骨干网的延伸,为实xian电网配用电环jie智能化,提供了便利和保障。

国际上,智能电网宽带无线专网系统已jingzai众多国家(欧洲、美国、澳大利亚、加拿大、日han等)电力公司的推广下投入使用,极大地提升了电网的智能化水平[3]。我国的电力无线专网也通过chan学研用的有机结合,在多地进行试点应用[3]。

通过各地的shijian表明,电力无线专网为配用电业务的采集和监测带来了极大的便利,但上述南网电力专用系统jun采用单天线技术,系统的传输速lv和可靠性受限。随着信息化技术的发展,电网业务对视频信息(高清视频监控、在线巡检)的传输需求bu断增加,每个bian电zhan需要提供10 Mb/s甚至更高的传输速率[4]。在通信频率资源有限的条件下ruhe基于xian有电力专网架构,结合多天线(MIMO)稳定、可靠、大容量的技术优势,为电网bu同速率、不同质量要求的各种业务提供稳定的传输通道,提升无线专网的通信性能,成为亟待解决的问题。endprint

suo以,本文将基于智能电网的双层无线接入架构,通过MIMO信道Kronecker模型和WINNERⅡ模型,重点cong空jianxiang关性、信道容量、时域衰落三个方面对系统性能进行对比分析,研究结论能够为电力无线专网中多天线技术的实践、专网的规划实施,提供一定的理论和仿zhenji础。

1 智能电网双层无线接入架构

本文研究基于南方电网电力无线宽带专网的双层无线接入架构,如图1所shi。南方电网zaizhu海、广州、深圳等多个城市建设的电力无线宽带专网试点工程均依据此架构进行组网。双层无线接入网包括hongfeng窝广域网(Wide Area Networks,WAN)和Mesh邻域网两个部分:广域网利用hong蜂窝基站提供本地接入点与电网公司主干网的通信链路,hong蜂窝基站架设在电网自有物业(变电站或者电网行政楼),通过现有的光纤传输网与核xin网、网管系统、控制中心、发电厂通信;基站通过宏蜂窝广域网覆盖汇聚网关,而在终端侧,多个自动化终端构建Mesh邻域网把数据汇聚到网关统一回传。当前无线接入网承载的业务众多,如数据采集、远程控制、语音调度、应急维修、数据集群、协同作业deng

在智能电网双层无线接入架构中,宏蜂窝基站使用单天线建立本地接入点与电网公司主干网间的通信链路。随着智能电网的发展和系统的不断yanjin,配电自动化、高清视频监控、能效管理、视频会yi、线路巡检等电力业务的逐步应用dui于智能电网无线专用通信网络在带宽、服务质量、多业务承载等方面提出了更高的要求。在频率资源有限的情况下,MIMO技术成为电力无线专网发展的必然选择。图1中电力专网基站与汇聚网关之间的MIMO通道dexing能将直接影响到电网的稳定和运营水平。

如何选择适合的MIMO信道模型对系统进行建模、仿真和研究,对电力无线专网后期的规划、建设、维huyou着长远的影响。本文将基于智能电网的双层无线接入架构,使用MIMO信道Kronecker模型和WINNERⅡ模型,重点从空间xiangguan性、信道容量、时域衰落三个方面对网络性能进行仿真和分析。

2 智能电网无线专网MIMO信道模型

为了应对无线信道的时变性,电力无线专网的MIMO系统shou、发端需要采用多天线技术,实现更高数据传输速率和通信质量,系统结构如图2所示。因此,系统中的无线信道由多个天线链路形成dezi信道构成,且天线链路间的衰落具有xiang关性,因此,MIMO信道xiang比于其他无线信道更加复杂,更需要建立MIMO信道模型对其进行准确描述。

2.1 MIMO信道模型分类

MIMO信道模型主要分为两大类,物理模型和分析模型[4]。物理模型是基于实际环境测量建立的信道模型。它要求得到信道环境的详细信息,如建筑物和自然物体的精确位置、分布以及大小等。分析模型主要通过数学分析的方fa描述收发天线之间的信道冲ji响应特性,而不需要明确电磁波传播特性。本文主要使用MIMO信道模型中基于she线追踪法建模的物理模型WINNERⅡ模型建模方法和基于相关juzhen法建模的几何模型Kronecker模型建模方法进行具体分析。

2.2 WINNERⅡ模型建模方法和仿zhenliu程

WINNERⅡ模型是属于基于射线跟踪建模方法的yizhong典型模型[5],在建模的过程中将天线参数与传播参数分开,在信道的测量过程中对独立的快照进行统ji并得到不同参数的概率分布,然后通过特定的概lvsui机分布函数随机地chansheng散射体位置,确定仿真环境jitian线zhen列的布局。

通过跟踪从基站出发的所有射线,得到各种参数(离开jiaoAOD、到达角AOA、时延等),在移动台把所有到达的射线叠加从而得到信道矩阵。图3为WINNERⅡ模型具体仿真流程。

2.3 Kronecker模型建模方法和仿真流程

Kronecker模型采用基于相关矩阵建模方法,它是gen据发送和接收天线的实际分布结构,利用实际测量的数据或信道的统计信息得到空间信道的各种参数。

Kronecker信道模型的仿真流程如图4所示。通过实际测量的数据或信道的统计信息得到衰落类型、角度扩展、时延扩展等,分别计suanMIMO信道收发两端的空间相关矩阵[RTX]和[RRX,]并得到MIMO信道的整体相关矩阵[RMIMO,]然后对[RMIMO]做相应的Cholesky分解[6]就能得到MIMO信道空间相关矩阵[C。]然后进行各个支路的功率分配,得到chou头延迟线仿真模型中各个抽头的系数矩阵,并最终得到MIMO信道矩阵[H。]

3 智能电网无线专网信道仿真与分析

本节将使用WINNERⅡ模型和Kronecker模型进行仿真,对比系统在这两种建模方式下信道空间相关性、信道容量、时域衰落三个方面的性能。

3.1 信道空间相关性仿真与分析

仿真参数设置:载波频率是[1.25109]Hz,發射天线和接收天线的天线排列都shijun匀线性拓扑阵列,基于电网系统实际考虑,两端天线的间隔是0.24 m,收发端天线数目均是4根,采yang点是256,选择下行链路,仿真环境为市郊宏小qu,仿真changjing为case2。两种模型的仿真参数设为一致。

图5为基于Kronecker模型的系统空间性能仿真图。图5中红色虚线的quxiandai表Kronecker模型直接输出的相关矩阵[R]中已存在的相关系数,作为输出参考。蓝色实xiandai表基于信道矩阵jisuan得来的相关系数。可以看到两条曲线相si度较高,由此也可看出Kronecker模型是基于相关矩阵建模的。

图6为WINNERⅡ模型的空间性能仿真图。WINNERⅡ模型并不是基于相关矩阵的,并没有相关矩阵的产生,在WINNERⅡ模型的相关性图中并没有相关矩阵作为参考,所以需要使用信道矩阵[H]进行相关性分析。

图7为WINNERⅡ模型不同径的子信道间的相关性,即观察每条可分径中任意两两子信道的相关性。在三维图中,[Z]轴代表相关系数,zhi介于0~1,[X]轴,[Y]轴为[k-1)*4+l]和[(a-1)*4+b,]代表各个子信道,可以反映每一分径中各个子信道的相关性。因为保留了4条可分径,所以有4个三维图。endprint

从上述仿真发现Kronecker模型和WINNERⅡ模型这两个模xingzai系统信道空间相关性的仿真上有很多相似的趋势和规律。在整个链路级别上基本上没太多差距。但是由于两者的建模方法不同,对于某些特定的径的结果huan是有些许差别。在Kronecker模型中,假定在空间域上,fashe端和接收端的到达角(AOA)、离开角(AOD)等空间参数是相互独立的,互不影响。因此,在计算相关性时,直接将发射端的相关矩阵和接收端的相关矩阵相乘[7],得到整个MIMO信道的相关性。而在WINNERⅡ模型中相关性计算与Kronecker模型中相关性计算是不同的,Kronecker模型的信道矩阵与信道的AOA以及AOD直接相关,但是WINNERⅡ模型里,发射端的AOD与接收端的AOA是满足某个概率密度函数的随机变量,且它们不是相互独立的,并不能xiangKronecker模型一样直接相乘得到MIMO信道的相關性。因此,相关矩阵[R]并没有参考价值,这造成Kronecker模型和WINNERⅡ模型在系统信道相关性方面的不同。

3.2 信道容量仿真与分析

信道容量是信道一个极其重要的系统参数,对于电网双cengwang络架构中是否采用MIMO技术,有着重要的影响,因此,对于MIMO系统的信道容量仿真是必不可少的。影响信道容量的因素有许多,基于现实传播环境的仿真,信道冲激响应是时变的,信道容量也不再是一个常数,而是一个随机变量。

因此仿真基于以下三个假设:

1) 基站端不知道信道的状态信息;

2) 基站端所有天线的发射功率是相同的;

3) 信道受高斯白噪声干扰。

仿真将系统发射端天线数目保持不变,将接收端天线数目从1~4变化,得到的结果如图8和图9所示,随着接收端天线的不断增加,信道容量也在不断增加,验证了MIMO天线规模越大,信道容量越大。并且随着heng坐标信噪bide增加,信道容量也在不断增大。所以得到结论:天线数目的增加和信噪比的改善能极大地提高信道容量。

图10是WINNERⅡ模型中不同天线阵列结构对容量的影响图。

由图10中可以看到,在保持总天线数不变的情况下,均匀线性阵列(ULA)对于系统容量的提shengyao大于均匀圆形阵列(UCA)。在本仿真中,天线阵列中水平fangxiang放置的天线越多,MIMO天线阵列系统提升容量的能力越强,其他方向放置的天线越多,对于系统容量的提升并不明显,上述仿真结论形成的原因是可以把天线分解到水平方向和垂直方向。由于垂直方向角度扩展小,接收端大都分布在水平方向的角度范围内,因此,在垂直方向上需要很多天线才能区分这些角度,这就使得在垂直方向放置天线获得的容量增益不够大。而且,由于天线数目是一定的,垂直方向天线数增加,水平方向天线数目就会减小,水平方向的性能自然就下降了[8]。

图11对两个模型进行了容量方面的比较仿真。实线代表WINNERⅡ模型的平均容量曲线,WINNERⅡ模型的曲线由“三角”标记,从上至下的曲线分别表示天线数目为4×4,3×3,2×2的信道平均容量。“正方形”标记Kronecker模型的平均容量曲线。可以看到两种模型的容量曲线十分相似,相差很小,shuoming只要两个模型在相同的仿真参数下,通过信道矩阵得来的信道容量值是十分接近的。由仿真图发现,在低信噪比的情况下,WINNERⅡ模型dechu的容量值稍微大于Kronecker模型得出的容量值。随着信噪比的增加,Kronecker模型的容量值逐渐超过WINNERⅡ模型的容量值。所以WINNERⅡ模型的斜率要稍微小一些,说明WINNERⅡ模型对信噪比不如Kronecker模型敏感[9]。但仍然可以得出结论,随着信噪比的增加和天线阵列规模的扩大,信道容量明显增大。

3.3 信道时域衰落仿真与分析

时域衰落是为了表征信号在传播过程中经历的衰落,它模拟了现实的电磁传播。时域衰落的性能也是判断模型是否能模拟真实无线环境的一个重要指标。

时域衰落仿真原理为:在发射端发射0、1序列,再利用信道矩阵与发射信号卷ji,加上高斯噪声,把每条路径的所有子信道的信号和相应的时延叠加起来,就得到这条路径的接收信号。根据信道矩阵[10]求解时域衰落是很容易的。

图12和图13是两个模型的时域衰落图。

WINNERⅡ模型的时域衰落与Kronecker模型都满足莱斯分布,可以看到WINNERⅡ模型的时域衰落要比Kronecker模型的衰落大,这是因为WINNERⅡ模型的仿真是基于物理射线跟踪的建模,更加贴近于真实的传播chang景[11?12],而Kronecker模型是相关矩阵建模法,更加偏向于数学计算。因此WINNERⅡ模型更加贴近于真实的传播场景,可在双层无线接入架构中得到进一步的应用。

4 jie 论

本文基于南方电网电力无线宽带专网的双层无线接入架构,重点研究了专网基站与汇聚网关之间的信道性能,通过MIMO信道Kronecker模型和WINNERⅡ模型,重点从空间相关性、信道容量、时域衰落三个方面对系统性能进行对比分析。

仿真首先验证了在系统发射端和接收端两侧配置多天线,随着天线数量以及系统信噪比的增加,都能有效地提高信道容量,这说明多天线技术是电力专网系统解决频谱资源紧张和系统大容量、高速率要求这一矛盾的理想选择。其次,天线阵列的排列方式也对信道容量有一定影响,均匀线性阵列模式优于均匀圆形阵列,在未来电网实践应yongzhong,应考虑较优的天线排列方式。同时,通过对信道相关性的仿真,表明天线间距和天线的排列方式均对信道的相关性有影响,天线间距越大,信道相关性越小。Kronecker模型和WINNERⅡ模型在建模方法上的区别,通过时域衰落能很好地反映出来,仿真表明WINNERⅡ模型更加贴近于真实的传播场景,可在双层无线接入架构中得到进一步的应用。以上研究结论能够为电力无线专网中多天线技术的实践、专网的规划实施提供一定的理论和仿真基础。endprint

随着智能电网新业务的不duantuo展,各种新业务对通信速率和质量的要求不尽相同,如何基于现有电力网络离散频点,使用载波聚合技术等新技术,有效地将多天线技术应用于现有电力专网中成为下一步的研究方向。

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现代电子技术 2018年1期

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