一种电力线采样同步效率优化算法

摘 要： 研究电力线通信过程中采样同步效率的优化问题，提出一种计算同步位置的优化策略。首先根据直接同步方法设计先片后位算法，利用片内采样过程完成电力线信号采样，创新地利用片内高低电位的最大差异计算片内位移个数，主要采用高低电位相差数量的最大情况为理想片内同步结果。试验结果表明该算法可以提高40%的时间效率。

关键词： 电力线通信； 扩频； 同步算法； 片同步

中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 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

电力线通信是广泛应用于自动化抄表领域的技术方案。扩频通信技术的使用可以用来保证通信的可靠性，但是扩频通信同时产生的一个问题就是降低了实际通信速率，这在一定程度上限制了扩频通信的广泛应用。信号的采样和捕捉由于电力线的复杂环境对同步头捕捉的算法提出了更高的要求。

一种常用的扩频方法是借助于扩频函数来实现，扩频函数主要使用伪随机序列码，实用的伪随机码必须是具有随机性，有自相关特性，要有较多的序列数，易于实现等特点。文献[1]介绍了M序列和Gold序列伪随机码，这两者满足上述条件，是应用广泛的扩频函数，以其多种优越的性能在通信、导航、测量等领域迅速发展起来。文献[2]提出了AWGN信道和多径瑞利衰落信道扩频技术，具有与直接序列码分多路存取几乎相同的性能，但有更易于实现的代码设计和多用户接收机建设的优点。霍晓磊等将一种新的扩频信号形式——序列偶引入到扩频通信系统中，提出了基于序列偶扩频技术的构思，依据扩频通信系统对扩频序列的技术要求，用遗传算法搜索出40～50长的次优二元序列偶，其性能优于Gold序列的序列偶[3]。

同步过程优化的可以通过在扩频通信之后对采集到的数据计算进行优化来实现，即在最短的时间内捕捉到数据的起始和结束。在2002年的HotNets上，JElson等首次提出并阐述了无线传感器网络时间同步技术的课题。电力线环境近似于无线环境，可以借用这种思路。他提出许多种不同的实现算法及改进算法，典型的有RBS[4]算法、TPSN[5]算法、还有TDP[6]同步算法等。文献[7]提出了用于实际低压电力线通信系统的延迟和相关算法以及双滑动窗口功率比算法，设计一个简单的匹配滤波器接收机，使用一个比特输入样本帧计算同步和信道估计。由于电力线通信环境的限制，国内各大电力线抄表的芯片存储容量有限，无法进行更大规模的计算和调度，部分无线通信环境的应用无法实现，必须在小型PIC下实现算法优化，对算法的精简提出了较高的要求。综上所述，研究电力线通信中在有限时间和复杂干扰下捕捉同步起始位置，是解决同步过程的主要问题。本文提出一种基于电力线通信的同步计算优化算法，同时权衡了扩频通信和同步算法的时间效率。为了节省时间必须在扩频的基础上优化展频码，将码元的偏移量选取最大的差异。同时优化同步算法，在PIC有限的环境内简化算法流程，压缩需要的内存空间，在数据头到来前有效地计算时间偏差，降低丢失数据而使数据重传的几率，从而减少电力线上信号的负载，节省抄表过程中的电力损耗，创造社会价值。

1 相关工作

1.1 问题的提出

通信载波信号在电力线路上会有衰减。虽然电力线本身阻抗很小，但是由于电力线上有大量的用电负载和电力设备，它们的状态对信号的衰减影响很严重，并且这种影响是不稳定的。实验表明[8]，信号的衰减是距离的函数，一般情况下，每1 km衰减达到40～100 dB。从地域分布来看，信号在农村的衰减最大，1 km就能达到50 dB；在城市，每250 m信号大约衰减20 dB；而在郊区，每250 m也能达到25 dB；但在工业区衰减较小，每750 m长的线路上信号衰减为30 dB。为了使传输中发生差错后只重发出错的有限数据，数据链路层将比特流组合成以帧为单位传送。帧的组织结构必须设计成使接收方能够明确地从物理层收到的比特流中对其进行识别，这就是帧同步要解决的问题。

由于网络传输中很难保证计时的正确和一致，所以不能采用依靠时间间隔关系来确定帧的起始与终止的方法。同步头捕捉计算依靠传统的算法思路需要的时间复杂度比较高，在计算过程中由于同步过程时间限制，在超过一定范围后数据位开始传输造成无法及时更正采样过程以至数据包丢失，由于国家电网的规范不能在电力线传输大量的信号，从而造成过大的信号负载，因此优化同步捕捉算法对于提高电力线通信的传输效率有很大的经济价值和社会价值。

本文在数据链路层的环节将时间复杂度进行了改进，提出了先片后位算法，思想将问题分解为二个子问题，类似于算法思想中的动态规划问题，解决子问题的过程中实现了扩频码循环左移的简化，将主循环分解为多个小问题，实现对时间效率的优化。

1.2 研究环境

基于电力线载波通信技术的自动抄表系统是一个三级系统[9]，即主站、集中器、电能表，其结构如图1所示，其中：

（1）主站

主站是一个管理系统，每个电力公司设置一个主站系统，管理电力公司所有的集中器和电能表。它负责与集中器进行通信，读取集中器中的数据完成抄表，此外还要对集中器的各种参数进行设置和维护。

（2）集中器

每个配电台区（一台配电变压器供电的区域）内安装一只，用于管理所在台区的电能表。集中器与主站之间通过公共网络（GPRS，PSTN，GSM等）进行通信。集中器具备自适应网络拓扑结构变化的能力，当台区中某电能表与集中器之间的某一条通信路径发生异常时，集中器会寻找其他路径完成该次通信过程。

图1 基于电力线载波通信技术的自动抄表系统的

网络结构图

（3）电能表

每个居民用户一只，由电表MCU和载波通信芯片组成，负责计量用户的用电并完成数据通信功能。其中大多数电能表为载波电能表，独立安装于用户端，进行自动抄表。电能表的载波通信模块完成数据的接收和发送。

集中器和电能表都具备电力线载波通信能力，它们之间通过220 V电力线交换数据。电力线载波通信范围限于配电台区内，从而使一个台区中的集中器和电能表作为通信节点互连成一个通信网络。

2 基于电力线通信的同步计算优化算法

由于试验现场采用PIC系列芯片[10]，这种芯片存储容量有限，在计算同步起始位置的时候需要在较短的时间内完成，因此如果采用1010…无法有效缩短时间。在同步码元序列完全通过是，无法计算偏移程度，因此选取循环移位后与标准码片偏差程度最大的序列码片是提高同步过程的有效途径。

在计算过程中，由于电力线通信标准的要求，对电力线上的信号负载有严格限制要求，标准算法准确率高，但由于时间复杂度高，在同步循环结束时，可能无法对采样后的数据及时处理，造成在规定的是时间内无法计算出偏移量，以至于丢失对后续数据区的采样过程。

2.1 同步过程介绍

发送方连续传送54 chips 即 （00011）9 ，连续发送9遍000011.发送时，码元时长72 μs。耗时52×54 = 3 888 μs = 3.888 μs，码速≈14.889 kHz。同步位的目的在于接收方与发送方同步。接受方具备的调整能力为±216 μs，这就要求，借助于零点信号，同步之前的接收方和发送方对时间得认识误差不得大于±216 μs。

约定发送方重循环复发送位扩频码为，其中每个码元pi的持续时间为t。约定接收方以 （即每个码元时间内采集个样本）的恒定速率采样，共计采集约为 个样本。如果满足以下两条理想条件：一是接收方恰好在发送方发送码元时开始采样；二是信道上不存在干扰，则接收方采集的样本序列如式（1）所示：

（1）

其中满足等式（2）：

（2）

通常，两个理想条件都不成立。接受方实际采样形成的序列：

（3）

并不满足等式（2）同步问题是求和，当循环左移实际样本序列位从而使Pi，j处于首位时，串与理想样本序列式（1）的相似度达到最大。

这里提出的先片后位算法将对片内同步实现后，在对整体偏移进行计量。

2.2 先片后位算法

片同步：求，，当实际采样序列于循环左移位后，得样本序列：

使得 达到最大，即循环左移j位后产生的新序列侧的每个样本组中的1的样本与0的样本的数目之差的和达到最大。

位同步 ： 求，，使得，当样本序列循环左移位后得到的样本序列：

Where 与理想样本序列最相似。

由于片同步能在线统计片内数据位的差异量，在计算同步的过程中减少了时间，相比于直接同步算法有效地改善了时间效率。

3 算法分析

单片机的采样分析和时间统计，直接同步算法的时间复杂度为，先片后位算法的时间复杂度仅为，实验环境选择在学校和办公楼之间进行数据分析，如表1所示。

表1 数据分析

采样误码率的提高随着距离的增加而变大，这与信号衰减有关，在误码率提高的环境下，采样分析后得到的数据与直接同步算法得到的标准数据的差异度成递增的关系。

在指令的执行时间上保持不变，这与嵌入式开发的汇编指令条数有关，未有明显变化。算法的时间效率通过嵌入式芯片观察指令运行条数得出是直接同步算法的60%。随着误码率的提高，在计算片内同步的过程中由于误差的积累，使得在位同步过程中误码率成指数型提高造成在位同步的计算有很大偏移。

4 结 语

先片后位算法的时间效率节约50%的时间消耗，但随着电力线信号的干扰提高，数据通信的准确率产生了很大的偏差。这种算法在片内同步的过程中产生偏差，从而导致对后续数据计算过程中误差放大。提高采样的频率是减少误差的途径之一，但由于采样频率的提高需要的功率不利于电力线的优化降噪，因此片同步的数据匹配是下一步提高通信算法准确率的重要保证。

参考文献

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