变电站复杂电磁环境下2.4GHz无线通信仿真研究

1 引言

智能电网发展要求采用高效适用的信息通信技术对电网各环节的物理信息进行广泛采集，为电网广域范围的态势感知提供信息。最近几年，国家电网公司等大型电力公司开展了电网各环节的智能化建设，包括输变电设备状态监测系统、配电和用电智能化，这些工作均需要高可靠、短距离的无线通信技术。本文在基于实际变电站内电磁环境数据的基础上，对变电站内2.4GHz无线信道的建模仿真，以此来对实际生产工作产生指导性作用。

2 信道传播模型

通过大量的测试和研究分析，目前通用的无线通信信道模型一般由阴影衰落、与传播距离相关的路径损耗以及小尺度衰落三部分组成。其中阴影衰落和路径损耗均属于大尺度衰落，在此基础上建立的大尺度传播模型可用于预测发射节点和接收节点之间相距较远时的平均信号强度，估计发射节点的覆盖范围等。小尺度传播模型主要描述的是无线信号在短时间或距离上的幅度快速变化，常导致信号接收功率的剧烈变化。

通过大量的测试和研究分析，目前通用的无线通信信道模型一般由阴影衰落、与传播距离相关的路径损耗以及小尺度衰落三部分组成。其中阴影衰落和路径损耗均属于大尺度衰落，在此基础上建立的大尺度传播模型可用于预测发射节点和接收节点之间相距较远时的平均信号强度，估计发射节点的覆盖范围等。小尺度传播模型主要描述的是无线信号在短时间或距离上的幅度快速变化，常导致信号接收功率的剧烈变化。

在仿真一般自由空间的无线通信时，由于小尺度衰落导致信号的幅度快速衰落，以致大尺度衰落可忽略不计。但是，由于变电站内复杂的电磁环境，使得本次仿真时势必得考虑干扰环境对通信的影响。另外，本次仿真结果作为一种参考，需要对变电站内的无线通信设备的部署提供指导性意見，所以本次仿真除了需要考虑小尺度衰落还应该考虑大尺度衰落带来的影响。

2.1 路径损耗

基于电波传播模型，接收信号的功率随距离的对数衰减，这种模型被称为对数距离路径损耗模型，该损耗模型公式如下：

其中，n为路径损耗指数，表明路径损耗随距离增长的速率，它和周围的环境和建筑物类型有关；Xσ是零均值，标准差为σ的高斯随机变量，用来修正估计值与测量值之间的误差；PL（d）为发射到接收之间的路径损耗，单位为dB；d是收发天线之间的距离；d0为发射天线距离参考点之间的距离；PL（d0）为参考点损耗值。

通过对实际测的数据的筛选，并通过匹配追踪算法与最小均方差对数据进行处理得出了处于2.4GHz频段无线信号的衰减模型数学表达式为：

3 仿真模型

仿真时使Matlab动态系统建模、仿真和综合分析组件Simulink对2.4GHz的ZigBee信号进行了仿真。为了简单方便，简化了信号源，以随机数方波信号代替了正弦波。仿真时，将多径瑞利衰落信道与信道衰减模型进行结合，得出结果。由于通过多径瑞利衰落信道的信号失真非常严重，几乎看不出原来的信号状态。如果直接使用此类信号与原信号进行误码分析判断，其误码情况将非常严重，通信性能非常不理想。所以在信号送入到误码判决模块前，必须对其进行一定的处理。其实在实际的使用中，对于有多径干扰的信号通常都要进行一定的信道补偿或估计，而在次本仿真中采用的是LMS滤波器对信号进行补偿。

4 仿真结果

由衰减模型可知，信号随着传输距离的增加其本身的能量越来越小。如果假设在空间中的背景噪声功率不随距离的变化而变化，此时信号的信噪比则将随着传输距离的变化而变化，误码率等通信性能指标也将随之变化。基于上述考虑，据路径损耗模型公式建立信号的平均功率与传播距离的关系，进而建立信噪比与传输距离的数学关系。仿真结果曲线不再是误码率随信噪比的变化，而变成了误码率随传播距离的变化而变化。

仿真时，假定背景噪声的平均功率为0dBm不变，分别对初始发射功率不同的情况下的信号，随着传播距离的变化其误码率变化的情况进行了仿真。得到的仿真结果如图1所示。

通过对比上述仿真结果图可知，噪声功率在一定范围内时，发射功率越大其信号能传输的可靠距离越远。当以误码率低于10-2作为可靠通信的标准时，瑞利衰落信道的通信范围分布如图所示。

5 结论

本文在基于变电站内复杂电磁环境的基础上，创新性的提出了大尺度衰落结合信道衰减模型的仿真方法，仿真了不同发射条件下整个通信系统的性能。对比仿真结果，不仅得出不同条件下的通信性能的差异，还得出通信系统可靠的覆盖范围，对实际生产有一定的指导作用。

作者简介

罗佳祺（1990-），男，江西，北京邮电大学硕士，研究方向为无线通信。endprint