基于电力线通信的电力线网络拓扑感知方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于电力线通信的电力线网络拓扑感知方法，所述方法包括：S1.在主节点的协调下，电力线网络的节点A向节点B发送信号帧m，所述节点B接收到信号帧m’；S2.通过信道估计得到所述节点A和所述节点B之间的信道频率响应估计Hest；S3.计算所述信号帧m从所述节点A到所述节点B所用的到达时间的估计值t；S4.计算所述节点A和所述节点B之间的距离；S5.对所述电力线网络中任意两个节点均执行步骤S1至S4，得到任意两节点之间的距离信息；S6.利用树估计方法得到所述电力线网络的拓扑结构。本发明所述的方法具有感知精度高和复杂度低的优点。
【专利说明】基于电力线通信的电力线网络拓扑感知方法及装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及通信【技术领域】，具体涉及一种基于电力线通信的电力线网络拓扑感知 方法及装置。
【背景技术】
[0002] 电力线通信（PowerLineCommunication,简称PLC)技术的全称是电力线载波通 信技术，它以电力线为媒介对数据进行传输。PLC技术在发送端将信息转化为高频信号调制 在电力线中的电流上，在接收端通过解调将信号提取出来传送至计算机上进行处理以此实 现信息的传递。
[0003] 近年来，随着电子电信技术的兴起和不断发展，电力线通信技术在电网中的应用 也越来越广泛，逐渐与电力网络有机结合，成为电力网络的关键技术，这极大促进了电力网 络的自动化和信息化。一个新型的智能电网在这些技术的带领下油然而生，智能电网通过 对电能和电源之间的传输、分配、控制和管理，不仅转变了电力发展的方式，同时也提高了 电网的智能化水平，是融合电力流、信息流和业务流的重要选择。
[0004] 在智能电网的发展之中，迫切需要知道电力线网络拓扑模型：
[0005] 1、PLC的地理路由经常需要用到相关的位置信息，因此需要电力线网络拓扑模型。
[0006] 2、获得力线网络拓扑结构后可以通过距离测量和邻居推断来进行在线的监控和 诊断从而对智能电网的运行提供支持。
[0007] 但是目前，对电力线网络的拓扑结构认知非常不足，在低压领域有些时候甚至电 力公司也不知晓，配电网中对电力线网络拓扑信息非常缺乏，且现有的电力线网络的拓扑 结构认知方法，不但感知精度低、而且复杂度高，不适合实际应用。
【发明内容】
[0008] 针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于电力线通信的电力线网络拓扑感知 方法，以解决目前对电力线网络的拓扑结构认知不足或对电力线网络的拓扑结构感知精度 低且复杂度高的问题。
[0009] 第一方面，本发明提供一种基于电力线通信的电力线网络拓扑感知方法，所述方 法包括：
[0010]S1.在主节点的协调下，电力线网络的节点A向节点B发送信号帧m，所述节点B 接收到信号帧m'；
[0011]S2.根据所述信号帧m和所述信号帧m'，通过信道估计得到所述节点A和所述节 点B之间的信道频率响应估计Hest;
[0012]S3.根据所述节点A和所述节点B之间的信道频率响应估计Hest，计算所述信号帧 m从所述节点A到所述节点B所用的到达时间的估计值t;
[0013]S4.根据所述信号帧m从所述节点A到所述节点B所用的到达时间的估计值t，计 算所述节点A和所述节点B之间的距离；
[0014] S5.对所述电力线网络中任意两个节点均执行步骤S1至S4,得到任意两节点之间 的距离信息，将所述任意两节点之间的距离信息发送给电力线网络中的主节点；
[0015] S6.所述主节点根据所述任意两节点之间的距离信息，利用树估计方法得到所述 电力线网络的拓扑结构。
[0016] 优选地，在步骤S1中，所述的主节点为负责协调节点之间通信，并统计任意两个 节点之间的距离的中心节点。
[0017] 优选地，所述步骤S1中，所述信号帧m包括帧头和帧体，所述帧头包括两段相同的 训练序列，长度为2Nf ;所述帧体包括正交频分复用0FDM数据块，长度为N，所述训练序列为 频域伪随机序列的离散傅里叶逆变换，其中Nf和N为正整数。
[0018] 优选地，所述步骤S2中根据所述信号帧m和所述信号帧m'，通过信道估计得到所 述节点A和所述节点B之间的信道频率响应估计包括：
[0019] 若信号帧m的第二段训练序列为丨么1，信号帧m'的第二段训练序列为 {砸么'，
[0020] 所述C(1 (k)和Cl (k)具有如下关系：
[0021] C|(k)=c(.(k)?h(k)
[0022] 采用傅里叶变换域相除法得到所述节点A和所述节点B之间的信道频率响应估计 Hest：
【权利要求】
1. 一种基于电力线通信的电力线网络拓扑感知方法，其特征在于，所述方法包括：
51. 在主节点的协调下，电力线网络的节点A向节点B发送信号帧m，所述节点B接收 到信号帧m' ；
52. 根据所述信号帧m和所述信号帧m'，通过信道估计得到所述节点A和所述节点B 之间的信道频率响应估计Hest ;
53. 根据所述节点A和所述节点B之间的信道频率响应估计Hest，计算所述信号帧m从 所述节点A到所述节点B所用的到达时间的估计值t;
54. 根据所述信号帧m从所述节点A到所述节点B所用的到达时间的估计值t，计算所 述节点A和所述节点B之间的距离；
55. 对所述电力线网络中任意两个节点均执行步骤S1至S4,得到任意两节点之间的距 离信息，将所述任意两节点之间的距离信息发送给电力线网络中的主节点；
56. 所述主节点根据所述任意两节点之间的距离信息，利用树估计方法得到所述电力 线网络的拓扑结构。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S1中，所述的主节点为负责协调节 点之间通信，并统计任意两个节点之间的距离的中心节点。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述信号帧m包括帧头和 帧体，所述帧头包括两段相同的训练序列，长度为2Nf ;所述帧体包括正交频分复用OFDM数 据块，长度为N，所述训练序列为频域伪随机序列的离散傅里叶逆变换，其中Nf和N为正整 数。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中根据所述信号帧m和所述 信号帧m'，通过信道估计得到所述节点A和所述节点B之间的信道频率响应估计包括： 若信号帧m的第二段训练序列为
，信号帧m'的第二段训练序列为
所述C(l(k)和Cl(k)具有如下关系：
采用傅里叶变换域相除法得到所述节点A和所述节点B之间的信道频率响应估计 Hest：
其中，h(k)是信道时域冲击相应，Nf为第二段训练序列的长度，k的取值为[0,Nf-1]。
5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中根据所述节点A和所述节 点B之间的信道频率响应估计Hest，计算所述信号帧m从所述节点A到所述节点B所用的到 达时间的估计值t包括：
，构造矩阵： X〇- [Xl-1，Xl-2,......，X0] Xi- [x1；x1_1,......jXj] 若％和％分别是\的左右奇异向量矩阵，A是\奇异值组成的对角阵，则通过式子
，计算％、％和A，其中Lf是％的转置共轭矩阵；f1是A的逆矩阵； 根据所述矩阵VUQ和A，计算矩阵的特征值z〇s，s取值为1，2,…，ni，ni 的取值为矩阵Atf的特征值的个数； 根据zOs计算从所述节点A到所述节点B所用的到达时间的估计值t为：
其中，z〇i为矩阵Al/f冗的特征值z〇s中的第一个特征值，Af为帧体部分OFDM的 子载波间隔。
6. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中根据所述节点A和所述节 点B之间的信道频率响应估计Hest，计算所述信号帧m从所述节点A到所述节点B所用的到 达时间的估计值t包括： 定义
构造矩阵： X〇- [xl-l，xl-2,......，X0] Xi- [x1；x1_1,......jXj] 根据矩阵\和Xi计算矩阵Xpc,的特征值zls，s取值为1，2,…，n2,n2的取值为矩阵 又^^的特征值的个数； 根据zls计算从所述节点A到所述节点B所用的到达时间的估计值t为：
其中，zh为矩阵的特征值Zls中的第一个特征值，Af为帧体部分OFDM的子载波 间隔。
7. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中根据所述节点A和所述节 点B之间的信道频率响应估计Hest，计算所述信号帧m从所述节点A到所述节点B所用的到 达时间的估计值t包括： 利用节点A和所述节点B之间的信道频率响应估计Hest生成一个MX(Nf-M)的矩阵H'，其中M〈Nf;
通过奇异值分解H' =USVH计算矩阵U，其中，U和V分别是H'的左右奇异向量矩阵，S是H'奇异值组成的对角阵的逆矩阵，VH为矩阵V的转置共轭矩阵； 根据矩阵U计算矩阵f 的特征值z2s，S取值为1，2，…，n3,n3的取值为矩阵 f+Z77的特征值的个数； 其中，代表矩阵P的伪逆，是对矩阵U删除前p行的操作，f是对矩阵U删除 后P行的操作； 根据z2s计算从所述节点A到所述节点B所用的到达时间的估计值t为：
其中，P为正整数，z2i为矩阵Z= 0：+斤的特征值z2s中的第一个特征值，Af为帧体 部分OFDM的子载波间隔。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S6中主节点根据所述任意两节 点之间的距离信息，利用树估计方法得到所述电力线网络的拓扑结构包括： 主节点根据所述任意两节点之间的距离信息，利用动态重建的树估计方法得到所述电 力线网络的拓扑结构： (1) 预先设定一个根节点、预先设定一个包含两个叶子节点的叶子节点集合，所述叶子 节点集合中还存储有叶子节点相对于所述根节点的距离； 预先设定一个输出树节点集合和输出树边集合，将电力线网络中除去所述根节点和两 个所述叶子节点的其他节点组成一个待添加的节点集合； (2) 逐一将所述待添加的节点集合中的节点作为目标节点，并对所述目标节点进行如 下操作： a. 确定所述叶子节点集合中的叶子节点与所述目标节点向根节点延伸的交点； b. 比较所述交点与所述根节点的距离和所述叶子节点集合中的叶子节点相对于所述 根节点的距离，判断所述目标节点的父节点是否是根节点或者叶子节点； c. 若确定所述目标节点的父节点是根节点或叶子节点，则将所述目标节点添加到所述 叶子节点集合中，同时更新输出树节点集合和输出树边集合，即将目标节点添加到输出树 节点集合，将目标节点与目标节点的父节点组成的边添加到输出树边集合中； d. 若确定所述目标节点的父节点不是根节点或叶子节点，则判断为以下三种情况之 dl.目标节点非叶子节点； d2.目标节点是叶子节点，且其父节点为非根节点的已知节点； d3.目标节点是叶子节点，且其父节点非已知节点。 e. 若所述交点与目标节点重合，则判断目标节点非叶子节点，更新输出树节点集合和 输出树边集合，即将目标节点添加到输出树节点集合；将目标节点与目标节点的父节点、目 标节点与目标节点的子节点组成的两条边添加到输出树边集合，从输出树边集合中删除目 标节点父节点和目标节点的子节点组成的边； f. 若所述交点为已知节点，则判断目标节点是叶子节点，且其父节点为非根节点的已 知节点，将所述目标节点添加到叶子节点集合中，同时更新输出树节点集合和输出树边集 合，即将目标节点添加到输出树节点集合，将目标节点及目标节点的父节点组成的边添加 到输出树边集合中； g.若所述交点为未知节点，则判断目标节点是叶子节点，且其父节点非已知节点，将所 述目标节点添加到叶子节点集合中，同时更新输出树节点集合和输出树边集合，即将目标 节点和所述交点添加到输出树节点集合，将所述交点和所述交点的父节点、所述交点的子 节点组成的边添加到输出树边集合，从输出树边集合中删除所述交点的父节点和所述交点 的子节点组成的边； (3)执行完步骤（2)后得到重建的树结构，即得到所述电力线网络的拓扑结构。
9. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S6中主节点根据所述任意两节 点之间的距离信息，利用树估计方法得到所述电力线网络的拓扑结构包括： 主节点根据所述任意两节点之间的距离信息，利用根邻接的树估计方法得到所述电力 线网络的拓扑结构： (1) 预先设定一个根节点、预先设定一个叶子节点集合，所述叶子节点集合中包括除所 述根节点以外的所有节点；预先设定一个输出树节点集合和输出树边集合； (2) 按照下面的方式确定两个叶子节点： 若根节点为r，任意两个叶子节点i和j之间的距离为c^_，对于所述两个叶子节点i和j，分别计算i和j与根节点r的距离qit^和q#，取使式子（qh+qfqij) /2取最大值的叶子节 点i和j; (3) 确定步骤⑵所述叶子节点i和j的父节点，更新输出树节点集合和输出树边集 合，即将叶子节点i和j存储在输出树节点集合中，将叶子节点i、j与所述叶子节点i和 j的父节点组成的边存储在输出树边集合中，同时将所述父节点增加到所述叶子节点集合 中，删除所述叶子节点集合中的叶子节点i和j; (4) 重复执行步骤（2)?（3)，直到所述叶子节点集合中只剩下一个叶子节点，从而得 到重建的树结构，即得到所述电力线网络的拓扑结构。
10. -种基于电力线通信的电力线网络拓扑感知装置，其特征在于，所述装置包括： 信号发送模块，用于在主节点的协调下，从电力线网络的节点A向节点B发送信号帧 m； 信号接收模块，用于从电力线网络的节点B接收信号帧m' ； 信道频率响应估计模块，用于根据所述信号帧m和所述信号帧m'，通过信道估计得到 所述节点A和所述节点B之间的信道频率响应估计H6St ; 节点间距离估计模块，用于根据所述节点A和所述节点B之间的信道频率响应估计Hest，计算所述信号帧m从所述节点A到所述节点B所用的到达时间的估计值t;根据所述信 号帧m从所述节点A到所述节点B所用的到达时间的估计值t，计算所述节点A和所述节点 B之间的距离； 拓扑结构估计模块，用于根据所述节点间距离估计模块发送的任意两节点之间的距离 信息，利用树估计方法得到所述电力线网络的拓扑结构。
【文档编号】H04L12/24GK104410508SQ201410432940
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年8月28日 优先权日:2014年8月28日
【发明者】杨昉, 马旭, 彭克武, 宋健 申请人:清华大学