基于電力線通信的電力線網絡拓撲感知方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發明提供了一種基于電力線通信的電力線網絡拓撲感知方法，所述方法包括：S1.在主節點的協調下，電力線網絡的節點A向節點B發送信號幀m，所述節點B接收到信號幀m’；S2.通過信道估計得到所述節點A和所述節點B之間的信道頻率響應估計Hest；S3.計算所述信號幀m從所述節點A到所述節點B所用的到達時間的估計值t；S4.計算所述節點A和所述節點B之間的距離；S5.對所述電力線網絡中任意兩個節點均執行步驟S1至S4，得到任意兩節點之間的距離信息；S6.利用樹估計方法得到所述電力線網絡的拓撲結構。本發明所述的方法具有感知精度高和復雜度低的優點。
【專利說明】基于電力線通信的電力線網絡拓撲感知方法及裝置
【技術領域】
[0001] 本發明涉及通信【技術領域】，具體涉及一種基于電力線通信的電力線網絡拓撲感知 方法及裝置。
【背景技術】
[0002] 電力線通信（PowerLineCommunication,簡稱PLC)技術的全稱是電力線載波通 信技術，它以電力線為媒介對數據進行傳輸。PLC技術在發送端將信息轉化為高頻信號調制 在電力線中的電流上，在接收端通過解調將信號提取出來傳送至計算機上進行處理以此實 現信息的傳遞。
[0003] 近年來，隨著電子電信技術的興起和不斷發展，電力線通信技術在電網中的應用 也越來越廣泛，逐漸與電力網絡有機結合，成為電力網絡的關鍵技術，這極大促進了電力網 絡的自動化和信息化。一個新型的智能電網在這些技術的帶領下油然而生，智能電網通過 對電能和電源之間的傳輸、分配、控制和管理，不僅轉變了電力發展的方式，同時也提高了 電網的智能化水平，是融合電力流、信息流和業務流的重要選擇。
[0004] 在智能電網的發展之中，迫切需要知道電力線網絡拓撲模型：
[0005] 1、PLC的地理路由經常需要用到相關的位置信息，因此需要電力線網絡拓撲模型。
[0006] 2、獲得力線網絡拓撲結構后可以通過距離測量和鄰居推斷來進行在線的監控和 診斷從而對智能電網的運行提供支持。
[0007] 但是目前，對電力線網絡的拓撲結構認知非常不足，在低壓領域有些時候甚至電 力公司也不知曉，配電網中對電力線網絡拓撲信息非常缺乏，且現有的電力線網絡的拓撲 結構認知方法，不但感知精度低、而且復雜度高，不適合實際應用。
【發明內容】
[0008] 針對現有技術中的缺陷，本發明提供一種基于電力線通信的電力線網絡拓撲感知 方法，以解決目前對電力線網絡的拓撲結構認知不足或對電力線網絡的拓撲結構感知精度 低且復雜度高的問題。
[0009] 第一方面，本發明提供一種基于電力線通信的電力線網絡拓撲感知方法，所述方 法包括：
[0010]S1.在主節點的協調下，電力線網絡的節點A向節點B發送信號幀m，所述節點B 接收到信號幀m'；
[0011]S2.根據所述信號幀m和所述信號幀m'，通過信道估計得到所述節點A和所述節 點B之間的信道頻率響應估計Hest;
[0012]S3.根據所述節點A和所述節點B之間的信道頻率響應估計Hest，計算所述信號幀 m從所述節點A到所述節點B所用的到達時間的估計值t;
[0013]S4.根據所述信號幀m從所述節點A到所述節點B所用的到達時間的估計值t，計 算所述節點A和所述節點B之間的距離；
[0014] S5.對所述電力線網絡中任意兩個節點均執行步驟S1至S4,得到任意兩節點之間 的距離信息，將所述任意兩節點之間的距離信息發送給電力線網絡中的主節點；
[0015] S6.所述主節點根據所述任意兩節點之間的距離信息，利用樹估計方法得到所述 電力線網絡的拓撲結構。
[0016] 優選地，在步驟S1中，所述的主節點為負責協調節點之間通信，并統計任意兩個 節點之間的距離的中心節點。
[0017] 優選地，所述步驟S1中，所述信號幀m包括幀頭和幀體，所述幀頭包括兩段相同的 訓練序列，長度為2Nf ;所述幀體包括正交頻分復用0FDM數據塊，長度為N，所述訓練序列為 頻域偽隨機序列的離散傅里葉逆變換，其中Nf和N為正整數。
[0018] 優選地，所述步驟S2中根據所述信號幀m和所述信號幀m'，通過信道估計得到所 述節點A和所述節點B之間的信道頻率響應估計包括：
[0019] 若信號幀m的第二段訓練序列為丨么1，信號幀m'的第二段訓練序列為 {砸么'，
[0020] 所述C(1 (k)和Cl (k)具有如下關系：
[0021] C|(k)=c(.(k)?h(k)
[0022] 采用傅里葉變換域相除法得到所述節點A和所述節點B之間的信道頻率響應估計 Hest：
【權利要求】
1. 一種基于電力線通信的電力線網絡拓撲感知方法，其特征在于，所述方法包括：
51. 在主節點的協調下，電力線網絡的節點A向節點B發送信號幀m，所述節點B接收 到信號幀m' ；
52. 根據所述信號幀m和所述信號幀m'，通過信道估計得到所述節點A和所述節點B 之間的信道頻率響應估計Hest ;
53. 根據所述節點A和所述節點B之間的信道頻率響應估計Hest，計算所述信號幀m從 所述節點A到所述節點B所用的到達時間的估計值t;
54. 根據所述信號幀m從所述節點A到所述節點B所用的到達時間的估計值t，計算所 述節點A和所述節點B之間的距離；
55. 對所述電力線網絡中任意兩個節點均執行步驟S1至S4,得到任意兩節點之間的距 離信息，將所述任意兩節點之間的距離信息發送給電力線網絡中的主節點；
56. 所述主節點根據所述任意兩節點之間的距離信息，利用樹估計方法得到所述電力 線網絡的拓撲結構。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟S1中，所述的主節點為負責協調節 點之間通信，并統計任意兩個節點之間的距離的中心節點。
3. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S1中，所述信號幀m包括幀頭和 幀體，所述幀頭包括兩段相同的訓練序列，長度為2Nf ;所述幀體包括正交頻分復用OFDM數 據塊，長度為N，所述訓練序列為頻域偽隨機序列的離散傅里葉逆變換，其中Nf和N為正整 數。
4. 根據權利要求3所述的方法，其特征在于，所述步驟S2中根據所述信號幀m和所述 信號幀m'，通過信道估計得到所述節點A和所述節點B之間的信道頻率響應估計包括： 若信號幀m的第二段訓練序列為
，信號幀m'的第二段訓練序列為
所述C(l(k)和Cl(k)具有如下關系：
采用傅里葉變換域相除法得到所述節點A和所述節點B之間的信道頻率響應估計 Hest：
其中，h(k)是信道時域沖擊相應，Nf為第二段訓練序列的長度，k的取值為[0,Nf-1]。
5. 根據權利要求4所述的方法，其特征在于，所述步驟S3中根據所述節點A和所述節 點B之間的信道頻率響應估計Hest，計算所述信號幀m從所述節點A到所述節點B所用的到 達時間的估計值t包括：
，構造矩陣： X〇- [Xl-1，Xl-2,......，X0] Xi- [x1；x1_1,......jXj] 若％和％分別是\的左右奇異向量矩陣，A是\奇異值組成的對角陣，則通過式子
，計算％、％和A，其中Lf是％的轉置共軛矩陣；f1是A的逆矩陣； 根據所述矩陣VUQ和A，計算矩陣的特征值z〇s，s取值為1，2,…，ni，ni 的取值為矩陣Atf的特征值的個數； 根據zOs計算從所述節點A到所述節點B所用的到達時間的估計值t為：
其中，z〇i為矩陣Al/f冗的特征值z〇s中的第一個特征值，Af為幀體部分OFDM的 子載波間隔。
6. 根據權利要求4所述的方法，其特征在于，所述步驟S3中根據所述節點A和所述節 點B之間的信道頻率響應估計Hest，計算所述信號幀m從所述節點A到所述節點B所用的到 達時間的估計值t包括： 定義
構造矩陣： X〇- [xl-l，xl-2,......，X0] Xi- [x1；x1_1,......jXj] 根據矩陣\和Xi計算矩陣Xpc,的特征值zls，s取值為1，2,…，n2,n2的取值為矩陣 又^^的特征值的個數； 根據zls計算從所述節點A到所述節點B所用的到達時間的估計值t為：
其中，zh為矩陣的特征值Zls中的第一個特征值，Af為幀體部分OFDM的子載波 間隔。
7. 根據權利要求4所述的方法，其特征在于，所述步驟S3中根據所述節點A和所述節 點B之間的信道頻率響應估計Hest，計算所述信號幀m從所述節點A到所述節點B所用的到 達時間的估計值t包括： 利用節點A和所述節點B之間的信道頻率響應估計Hest生成一個MX(Nf-M)的矩陣H'，其中M〈Nf;
通過奇異值分解H' =USVH計算矩陣U，其中，U和V分別是H'的左右奇異向量矩陣，S是H'奇異值組成的對角陣的逆矩陣，VH為矩陣V的轉置共軛矩陣； 根據矩陣U計算矩陣f 的特征值z2s，S取值為1，2，…，n3,n3的取值為矩陣 f+Z77的特征值的個數； 其中，代表矩陣P的偽逆，是對矩陣U刪除前p行的操作，f是對矩陣U刪除 后P行的操作； 根據z2s計算從所述節點A到所述節點B所用的到達時間的估計值t為：
其中，P為正整數，z2i為矩陣Z= 0：+斤的特征值z2s中的第一個特征值，Af為幀體 部分OFDM的子載波間隔。
8.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S6中主節點根據所述任意兩節 點之間的距離信息，利用樹估計方法得到所述電力線網絡的拓撲結構包括： 主節點根據所述任意兩節點之間的距離信息，利用動態重建的樹估計方法得到所述電 力線網絡的拓撲結構： (1) 預先設定一個根節點、預先設定一個包含兩個葉子節點的葉子節點集合，所述葉子 節點集合中還存儲有葉子節點相對于所述根節點的距離； 預先設定一個輸出樹節點集合和輸出樹邊集合，將電力線網絡中除去所述根節點和兩 個所述葉子節點的其他節點組成一個待添加的節點集合； (2) 逐一將所述待添加的節點集合中的節點作為目標節點，并對所述目標節點進行如 下操作： a. 確定所述葉子節點集合中的葉子節點與所述目標節點向根節點延伸的交點； b. 比較所述交點與所述根節點的距離和所述葉子節點集合中的葉子節點相對于所述 根節點的距離，判斷所述目標節點的父節點是否是根節點或者葉子節點； c. 若確定所述目標節點的父節點是根節點或葉子節點，則將所述目標節點添加到所述 葉子節點集合中，同時更新輸出樹節點集合和輸出樹邊集合，即將目標節點添加到輸出樹 節點集合，將目標節點與目標節點的父節點組成的邊添加到輸出樹邊集合中； d. 若確定所述目標節點的父節點不是根節點或葉子節點，則判斷為以下三種情況之 dl.目標節點非葉子節點； d2.目標節點是葉子節點，且其父節點為非根節點的已知節點； d3.目標節點是葉子節點，且其父節點非已知節點。 e. 若所述交點與目標節點重合，則判斷目標節點非葉子節點，更新輸出樹節點集合和 輸出樹邊集合，即將目標節點添加到輸出樹節點集合；將目標節點與目標節點的父節點、目 標節點與目標節點的子節點組成的兩條邊添加到輸出樹邊集合，從輸出樹邊集合中刪除目 標節點父節點和目標節點的子節點組成的邊； f. 若所述交點為已知節點，則判斷目標節點是葉子節點，且其父節點為非根節點的已 知節點，將所述目標節點添加到葉子節點集合中，同時更新輸出樹節點集合和輸出樹邊集 合，即將目標節點添加到輸出樹節點集合，將目標節點及目標節點的父節點組成的邊添加 到輸出樹邊集合中； g.若所述交點為未知節點，則判斷目標節點是葉子節點，且其父節點非已知節點，將所 述目標節點添加到葉子節點集合中，同時更新輸出樹節點集合和輸出樹邊集合，即將目標 節點和所述交點添加到輸出樹節點集合，將所述交點和所述交點的父節點、所述交點的子 節點組成的邊添加到輸出樹邊集合，從輸出樹邊集合中刪除所述交點的父節點和所述交點 的子節點組成的邊； (3)執行完步驟（2)后得到重建的樹結構，即得到所述電力線網絡的拓撲結構。
9. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S6中主節點根據所述任意兩節 點之間的距離信息，利用樹估計方法得到所述電力線網絡的拓撲結構包括： 主節點根據所述任意兩節點之間的距離信息，利用根鄰接的樹估計方法得到所述電力 線網絡的拓撲結構： (1) 預先設定一個根節點、預先設定一個葉子節點集合，所述葉子節點集合中包括除所 述根節點以外的所有節點；預先設定一個輸出樹節點集合和輸出樹邊集合； (2) 按照下面的方式確定兩個葉子節點： 若根節點為r，任意兩個葉子節點i和j之間的距離為c^_，對于所述兩個葉子節點i和j，分別計算i和j與根節點r的距離qit^和q#，取使式子（qh+qfqij) /2取最大值的葉子節 點i和j; (3) 確定步驟⑵所述葉子節點i和j的父節點，更新輸出樹節點集合和輸出樹邊集 合，即將葉子節點i和j存儲在輸出樹節點集合中，將葉子節點i、j與所述葉子節點i和 j的父節點組成的邊存儲在輸出樹邊集合中，同時將所述父節點增加到所述葉子節點集合 中，刪除所述葉子節點集合中的葉子節點i和j; (4) 重復執行步驟（2)?（3)，直到所述葉子節點集合中只剩下一個葉子節點，從而得 到重建的樹結構，即得到所述電力線網絡的拓撲結構。
10. -種基于電力線通信的電力線網絡拓撲感知裝置，其特征在于，所述裝置包括： 信號發送模塊，用于在主節點的協調下，從電力線網絡的節點A向節點B發送信號幀 m； 信號接收模塊，用于從電力線網絡的節點B接收信號幀m' ； 信道頻率響應估計模塊，用于根據所述信號幀m和所述信號幀m'，通過信道估計得到 所述節點A和所述節點B之間的信道頻率響應估計H6St ; 節點間距離估計模塊，用于根據所述節點A和所述節點B之間的信道頻率響應估計Hest，計算所述信號幀m從所述節點A到所述節點B所用的到達時間的估計值t;根據所述信 號幀m從所述節點A到所述節點B所用的到達時間的估計值t，計算所述節點A和所述節點 B之間的距離； 拓撲結構估計模塊，用于根據所述節點間距離估計模塊發送的任意兩節點之間的距離 信息，利用樹估計方法得到所述電力線網絡的拓撲結構。
【文檔編號】H04L12/24GK104410508SQ201410432940
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年8月28日 優先權日:2014年8月28日
【發明者】楊昉, 馬旭, 彭克武, 宋健 申請人:清華大學