تحقیق در مورد استراتژی موثر برای کانال های کابل برق با سروصدای محدود

بخشی از مقاله

استراتژی موثر برای کانال های کابل برق با سروصدای محدود

چکیده :

مدولاسیون پارامتر EVGOTIC نابسامان (ECPM) اخیراً به عنوان تکنیک مرولاسیون عملی برای ارتباطات کابل برق (PLC) مطرح شده که به علت قدرتمندی اش برای شرایط چند مسیری و پیچیدگی کمتر طراحی گیرنده است. در حالی که اجرای ECPM معلوم شده که در شرایط سروصدای محدود رضایت بخش است، موضوعات اجرای چالش های خصمانه دیگر در محیط کابل برق مثل سروصدای ضربه ای و نوار باریک، برای این تکنیک به طور گسترده بررسی نشده است.

مطالعات متعدد در مدولاسیون طیف گسترده توالی مستقیم (DSSS) در کانال بی سیم انجام شده است. معلوم شده که این تکنیک برای محیط سیار به علت مقاومتش به قابلیت محوسازی چند مسیر و سرکوب اختلال ذاتی نوار باریک بسیار سازگار است. برای این بررسی عملکرد PLC برای هر دو DSSS و گیرنده و EPCM برای PLC بررسی شده است. تحلیل نسبت سیگنال به سروصدا (SNR) ارائه می شود که ویژگی های محدود کنندگی سروصدای کانال برقی را مورد تعمق قرار می دهد. این کار دیدگاهی دقیق برای عملکرد سیستم برقراری ارتباط در محیط کابل برق ارائه می دهد که شامل حضور نوار باریک قابل توجه و

سروصدای ضربه ای است. نتیجه گیری می کند که در حالی که DSSS به طور قابل توجهای ECPM را از لحاظ درصد خطای bit بری کانال محدودکننده سروصدای سفید رنگ Guassian اجرا می کند، عملکرد و تکنیک برای ارتباط SNP پایین تحت تسلط نوار باریک یا سروصدای ضربه ای مشابه اند. در حالی که انجام DSSS پیچیده تر است، ECPM معلوم شده که برای اختلال فرکانس کم کمتر قدرتمند است.

 1 ) مقدمه :

 هرچند در کابل برق همه جا حاضر ارتباطات با میزان داده های کم به مدت سالهای بسیار وجود داشته است، پیشرفت های اخیر در تکنیک های ارتباط ستهمن تر توجه به ارتباطات باند پهن در این محیط را برانگیخته است. تکنولوژی PLC اخیراً بر تحویل خدمات نوار پهن برای محیط های خانگی، اداری و صنعتی متمرکز است و پیشرفتهایی کلیدی نظیر زیربنای از پیش نصب شده تضمین شده، را ارائه می دهد و همین طور سهولت دسترسی را PLC مطالعه شده در اینجا به انتقال داده ها بر سیستم الکتریکی خانگی از پیش نصب شده کم ولتاژ محدود میشود. این شالوده کابل برق داخلی لایه فیزیکی متناوبی ارائه می دهد که قادر به تأمین خدمات چندرسانه ای خانگی وتجاری بدون هزینه های بالا سری اضافی لازم در راه حل های بی سیم و سیمی متعارف است.

 علاوه بر تحویل خدمات باند وسیع، مبنای نصب وسیع کابل های برق هم فرصت های مهم برای دیگر خدمات بدیع، نظیر قابلیت اتصال دستگاه هوشمند، سنجش گری هوشمند، و شبکه سازی PC را از طریق گره های وسیعاً در دسترس تسهیل می کند (مثلاً خروجی های برق).

 کابل برق مدت ها به عنوان کانال ارتباطی زیست پذیر شناخته شده است ولی معلوم شده که خصوصیات نامطلوب بسیاری را در این منظر داراست. این ها شامل ضعیف کردن وابستگی به فرکانس، انحراف چند مسیری، سروصدای نوار باریک و ضربه ای و پس زمینه ای می باشند. توجه جدی به این رسانه فیزیکی زمانی تا حدودی محدود می شود که با خط تلفن و مس تابیده و بی سیم به عنوان لایه های فیزیکی مقایسه شود. به کار گیریهای جدید مودم های کابل برق بر مبنای تکنولوژی نوار باریک ساده ای استوار است که از بسامد و مدولاسیون فرکانس بهره می گیرد. به واسطه مشکلات اجرایی در محیط کانال

غیرایستگاهی، این نوع مودم ها به کالیبراسیون دائمی نیاز دارند که آنهم به خاطر تغییرات در پاسخ کانال و به راحتی تحت تاثیر پارازیت نوار باریک است. سیستم های نوار وسیع مبتنی بر تکنولوژیهای طیف گسترده اثبات شده که به علت متهمن و قدرتمند بودن ذاتی شان به تکثیر چند مسیری و توانایی مدیریت شرایط دشوار سروصدای موجود در کانال مخالف نسبت به سیستم های نوار باریک مزین هایی داشته باشند. این تحقیق بر دو نوع تکنولوژی PLC معطوف است. اولین نوع طیف گسترده توالی مستقیم توالی با سروصدای کاذب PN چند برابرشود توالی ای که میزان تراشه اش حاصل ضربی از میزان نماد اولیه است.

 جدا کردن وابستگی نماد انتقال یافته به راحتی انجام می شود مشروط بر آن که گیرنده توالی منحصر به فرد PN را بشناسد. تعدادی از اصطلاحات DSSS نسبت به سیستم های ارتباطی نوار باریک شامل مقاومت به تأثیرات چند مسیری، قابلیت دستیابی متعدد و چندگانه، خروجی کم برق، ارتباطات ایمن و تعدادی قابلیت سرکوب پارازیت ذاتی نوار باریک است. بااین قوت های منحصر به فرد، تکنولوژی DSSS به توسعه سیستم های متعدد بی سیم تجاری منتهی شده است. با فرض شباهت های پاسخ کانال میان کابل برق و رسانه سیار بی سیم، پیشنهاد استفاده از تکنولوژی DSSS برای PLC پیشنهادی منطقی است.

 دومین تکنولوژی ارتباط که در این مقاله مدنظر است مدولاسیون پارامتر نابسامان ergotic است یا همان (ECPM). این تکنیک اخیراً مطرح شده PLC از ویژگی ارگوتیک سیگنال نابسامان جهت پوشش مجدد سیگنال آنالوگی استفاده می کند که شامل اطلاعات منتقل شده مطلوب می باشد. به عنوان گزینه ی دیگر DSSS و ECPM نشان داده که به وسیله ملزومات همزمان سازی آرام یافته به واسطه نمودار ردیابی غیرمنسجم پیچیدگی کاسته شده ای ارائه می دهد. همتای دیجیتالی ECPM آنالوگ به راحتی با محدود کردن سطوح آنالوگ به تعداد محدودی از سطوح مجزا برداشت می شود. هرچند اجرای دیجیتالی سطح پیچیدگی مودم ECPM را زیاد می کند، مزیت های ارتباطات دیجیتال در کانالهای پرسروصدا به خوبی اثبات می شود.

 سروصدای نوار باریک و ضربه ای در کانال PLC غالب و رایج است. پدیده سروصدای نوار باریک ناشی از حق ورود فرکانس رادیویی (RF) ازترانس مترهای برون مرزی است که در فرکانس های بالاتر ازچندصد کیلومتر عمل می کنند. دامنه بزرگی این نوع سروصدا با جفت شدن با خطوط توزیع برق خارج ساختمانی افزایش می یابد. برای سطوح پایین توانی نوار باریک و سروصدای ضربه ای، ماهیت پراکندگی سیستم ارتباطی طیف گسترده باید برای منتقل کردن تاثیرات این نوع سروصدا کافی باشد تا قابل اغماض باشد. با توجه به PLC ، اثر سطوح قابل ملاحظه سروصدای نوار باریک و ضربه ای بر روی DSSS و سیستم ECPM کاملاً بررسی نشده است.

 تمرکز این کار ارزیابی تنزل اجرای DSSS و ECPM در حضور سطوح متوسط تا زیاد و سروصدای باند وسیع، سروصدای نوار باریک وضربه ای است و دوماً افزایش شناخت از عملکرد محدود کننده سروصدا بر مبنای تحلیل SNR است. نتایج دیدگاهی در مورد قابلیت های رد طبیعی این نوع سروصدا برای سیستم های DSSS و ECPM  PLC ارائه می کنند. اثبات می شود که برای سروصدای سفید، DSSS   ECPM در امتداد دامنه ای از SNR هاست که به علت سروصدای ذاتی ناشی از استراتژی اخیر می باشد.

 برای کانال تحت تسلط سروصدای نوار باریک یاضربه ای، ظاهر سازی ها نشان می دهند که اجرای این دو استراتژی در نظام اندک SNR قابل مقایسه هستند در حالی که DSSS در SNR های متعادل تر به عملکرد بالاتری دست می یابند و همچنین به پارازیت کم فرکانس قوی تر می شود.

 این مقاله بدین ترتیب سازمان می یابد. اصول مدل کانال کابل برق در بخش II عرضه می شود. قسمت III استراتژی های ECPM و DSSS مورد استفاده دراین مطالعه را ارئه می کند و قسمت IV ردیاب SNR بنیادین شان را ارئه می دهد و در مورد ارتباط میان این نسبت و درصد خطای بیست (DER) در سیستم ارتباط دیجیتال بحث می کند. سرانجام، در قسمت V ، نتایج عملکرد ECPM و DSSS تحت سطوح مختلف سروصدا عرضه می شود.

 II ) مدل کانال کابل یا خط نیرو :

 در کل، کانال نیرو را می توان به عنوان کانال محو کننده تغییر کننده با زمان و گزینش فرکانسی با سروصدای اضافی توصیف کرد. ساده تر، تابع انتقال خط نیرو را می توان این گونه نوشت :

 1 )           

 که (L) تعداد کمی مسیرهای انعکاس، gl فاکتورهای پیچیده تپ برای هر مسیر را توضیح می دهد،  و  فاکتورهای تضعیف هستند، k تصاعد فاکتور تضعیف است، d_n طول مسیر و v_p سرعت تکثیر است.

 پروفایل توانی واکنش کانال به تعداد فاکتورها، شامل فاصله، معیار سیم، تعداد خروجی های هر انشعاب، و تعداد مدارهای انشعاب بستگی دارد. همچنین، مطالعات قبلی آمارهای تپ، مثل دامنه میانگین، پراکندگی تأخیری، و حداکثر تأخیر، را برای نصب کانال برق داخل ساختمان ارزیابی کرده اند.

 تأثیرات چند مسیری در هر دو DSSS و ECPM جبران می شود، باند فرکانس در عمل طوری انتخاب می شود که واکنش تضعیف قدرت امواج کانال به طور منطقی مسطح باشد. در این بررسی، کابل برق را به عنوان کانال ارتباطی با محدودیت سروصدا تصور کردیم که در آن تضعیف وابسته به فرکانس و تأثیرات چند مسیری در مقایسه با سروصدا به محض تنزل منبع غالب سیگنال، قابل اغماض است. به تاثیرات این سروصدا امکان می دهد که بدون ابهام از پارامترهای دیگر کانال کشف شوند.

 A ) سروصدای پس زمینه :

 سروصدای پس زمینه ای، n_b ناشی از تجهیزات الکترونیکی معمول ساختمانی و منزل مسکونی است و معلوم شده که حجم طیفی نیرویی (PSD) وارد که با [7] تخمین زده می شود.

 2 )             

 PSD فرمول (2) سطح زیادی از سروصدایی را ارائه می دهد که به صورت تصاعدی نقصان می یابد تا به صورت طیفی سروصدای سفید Gaussian را در حدود MHZ 3 هموار کند. در محدوده فرکانس زیاد، می توان فرض کرد که سروصدا به صورت طیفی مسطح باشد. علی رغم دامنه اندکش، سروصدای باند وسیع با این وجود به PLC وابسته است که آنهم به خاطر تضعیف قابل ملاحظه سیگنال است که در کانال تجربه می شود.

 B ) سروصدای نوار باریک :

 در فضای نمونه گیری جدا از هم، سروصدای نوار باریک به عنوان خروجی فیلتر نوار گذر مدل سازی می شود که به وسیله سروصدای Guassian سفید پیش می رود. آن را به عنوان سینوس مروله شده فرکانس کم توصیف می کند.

 3 )            

 که fc فرکانس حامل پارازیت است. تحقیقات قبل معلوم کرده n_nb به سطوح ترانس Db 30 بیشتراز سروصدای پس زمینه در فرکانس های بالاتر از MHZ 1 می رسد.

 C ) سروصدای ضربه ای :

 سروصدای غیرایستگاهی به وسیله وقایع سروصدای ضربه ای در فرم واحد یا انفجاری ارائه می شود. سروصدای ضربه ای فرم مشابه با (3) داردولی w(k) اش به عنوان پوشش تصاعدی روبه زوال w(k) = A exp(BK) است. در حالی که فرکانس fc بین وقایع ضربه ای متغیر است، سروصدای ضربه ای درمقیاس نماد منتقل شده نوار باریک باقی می ماند؛ وقایع ضربه ای با زمان بندی ها و دامنه های رندوم و دامنه های رندوم ولی در فرکانس واحد، بدون افت تعمیم در اینجا مورد بررسی قرار می گیرد. احتمال وقوع واقعه ضربه ای در نمونه فرضی در اینجا با درصد تکرار k مدل سازی می شود. دامنه ضربه های رویت شده توسط گیرنده، به وسیله متغیر رندوم Gaussion مدل سازی می شود.

 III ) مقایسه دو متدشناسی PLC :

 در گستره زمانی، سیگنال دریافت شده کانال خط نیرو به وسیله عمل پیچیدگی سیگنال ارسال شده ارائه می گردد و واکنش ضربه کانال به علاوه دوره های اضافی سروصدا در کانال خط نیرو وجود دارد. در فرم گسسته، با نادیده گرفتن تأثیرات چند مسیری، سیگنال دریافتی :

 4 )              

 که r(n) سیگنال دریافتی، s(k) سیگنال طیف گسترده و d تأخیر کانال است. تابع h(k) به صورت بالقوه حاصل متغیر زمانی کانال است.

 A ) طیف گسترده توالی مستقیم :

 برای ارتباطات DSSS ، توالی PN جهت گسترش طیف سیگنال کاربر در روی پهنای باند عریض تر استفاده می شود. هر نماد طیف گسترده این گونه بیان می شود :

 5 )             

 که b(n) تمام اطلاعاتی است که می خواهیم منتقل شوند و p_n(k) توالی PN است که هر دوی شان به زیر گروه بایزی {1 – و 1} تعلق دارند. توالی PN فرض می شود اصل راست گوشه ای ذیل را دارا باشد :

 6 )           

 توالی PN با استفاده از تراشه های تداوم کوتاهتر T_chip در مقایسه با T_symbol تداوم نماد فرموله می شود، و حصول پراکندگی سیستم DSSS به عنوان نسبت ذیل تعریف می شود :

 7 )             

 که K همان ارزش فاکتور پراکندگی برای سیستم ECPM است. توپولوژیهای فراوان دیجیتال وجود دارد تا توالی PN را به وجود آورند و این مطلب با کدهای Walsh برای دستیابی به سیستم چندکاربری بیشتر مورد بحث قرار می گیرد. حصول های بیشتر پراکندگی قدرتمندی بیشتری را درحضور سروصدای باند باریک و چندمسیری میسر می کند ولی بامبادله ملزومات باند پهن کانال بزرگتر. عمل بنیادین گیرنده DSSS بر مبنای بازده کارلیتور PN ای استوار است که از ویژگی های همبستگی مجزای توالی PN استفاده می کند. بازده کارلیتور بر مبنای نماد عبارت است از :

 8 )            

 که، با استفاده از (4) و فرض همزمان سازی کامل، تبدیل می شود به :

 9 )        

 عبارت یا جمله اول (9) بازده همبستگی دلخواه است که  باشد و ارزش نماد اصلی ای است که با حصول پراکندگی K مقیاس می شود. مابقی جملات همبستگی انحرافی را نشان می دهند که بر عملکرد سیستم DSSS بسته به توان های نسبی هر جزء سروصدا می تواند موثر باشد. هرچند، به علت مشخصه شبه روندومی توالی PN ، تاثیر این جملات حداقل است مشروط بر آن که توان سروصدا نسبت به سیگنال دلخواه طیف گسترده اندک باشد. این مشخصه یکی از مزایای سیستم DSSS را زمانی نشان می دهد که با کانال معیوب شده توسط سروصدای متغیر با زمان ارائه شود.

 برای عملکرد بهینه، گیرنده DSSS باید دائماً با پارامترهای تأخیر زمانی کانال کابل برق تنظیم شود تا همزمان سازی نماد دقیق را میسر کند. این منجر به طراحی پیچیده تر گیرنده می گردد چون دریافت کننده DSSS به برآوردی از تعداد اجزای تأخیر (تأخیر مسیر و دامنه نسبی) نیاز دارد و ردیابی نماد منتقل شده با استفاده از کارلیتورهای چندگانه اجرا می شود. این مبنای گیرنده Rake است. ارزیابی مسیر برای گیرنده ریک معمولاً با استفاده از سیگنال های لیدر در فواصل زمانی خاص بسته به آمار کانال انجام می شود. گرچه، برای عملکرد کمتر از حد بهینه، کارلیتور ساده لغزشی بااستفاده از ردیابی ارزش حداکثر (MVD) می تواند در پیچیدگی تقلیلی یافته به طور رضایت آمیز عمل کند چون از همزمان سازی نماد اجتناب می شود. برای MVD ، تأخیر مسیراصلی فرض می شود کمتر از T_symbol تداوم نماد سیگنال DSSS باشد. این فرضیه ای منطقی است اگر درصدهای معمول انتقال kb/s 100 و فاصله 100 متر برای ساختمان های تجاری و مسکونی رعایت شود.

 B ) مرولاسیون پارامتر نابسامان خط مسیر نیرو :

 سیستم ECPM بر مبنای مشخصات خط مسیر نیرویی سیگنال های نابسامان و بی نظم استوار است. کارقبلی مزیت های بسیاری درمورد ECPM برای PLC ، شامل ملزومات ردیابی غیرمنسجم و سخت افزار کم بها، را اثبات کرده است. در واقع، مزیت اصلی سیستم ECPM این است که از کالیبراسیون دائمی موردنیاز برای DSSS به وسیله بهره گیری از ماهیت همزمان سیگنال های بی نظم، جلوگیری می کند.

 پارامتر انشعاب  دینامیک سیستم نابسامان را تعیین می کند. Leung و دیگران از مشاهده ای در مورد سیستم های نابسامان ویژه، میانگین مجموعه های زمانی نابسامان تابعی یکنواخت از  است، شمای کدگذاری ای را پیشنهاد دادند که از این ویژگی برای احیاء کردن این پارامتر از توالی نابسامان منتقل شده استفاده می کند. برای نقشه tent که کاربردی رایج دارد، مجموعه زمانی نابسامان با (10) توصیف می شود :

 10 )                  

 پس، ارزش فعلی به ارزش قبلی و پارامتر انشعاب وابسته است. در حالی که توالی های حاصل از نقشه تنت ظاهری رندوم دارند و شدیداً وابسته به شرایط آغازین  هستند، میانگین  تابعی یکنواخت از  نسبت به فاصله است که در شکل (a) 1 دیده می شود.

 پیکربندی اساسی فرستنده / گیرنده برای ECPM سیگنال ورودی b(n) به پارامتر انشعابی  سیستم نابسامان را به صورت نقشه در می آورد. ساده تر :

 11 )         

 که  پارامتر نابسامانی سیستم ECPM هستند. این ارزشها طوری انتخاب می شوند که ارزش متوسط سیگنال نابسامان بر روی فاصله  یکنواخت باشد. برای نقشه تنت مورد استفاده در اینجا، این به ما می دهد :

 12 )            

 برای اجرای ECPM ، سیگنال ورودی b(n) به سادگی به دو ارزش با نیری مثل {1 و 0} محدودمی شودو به  نقشه برداری می شود. ورودی به نقاط نمونه K گسترده می شود با استفاده از نقشه تنت :

 13 )          

 که  و حالت آغازین حالت نهایی نماد قبلاً فرستاده شده، می باشد.

 دستگاه demodulator خط سیر نیرویی بر مبنای محاسبه سیگنال نرمال دریافتی ECPM روی مبنای نماد به نماد استوار است.

 14 )            

 که r(k) سیگنال دریافت شده طبق فرمول (4) است و h(k)  حصول کانال کابل برق است. برآورد این ارزش حصول باید با استفاده از کالیبراسیون متناوب کانال کابل برق اجرا شود که سیکل اش به آمارهای کانال کابل برق بستگی دارد. با جایگزین کردن 4 در (14) می رسیم به :

 15 )            

 که (k) _{ضربه ای}  (k) + n  _{نوار باریک} n + _{پس زمینه} n = _کل n است. برای سروصدای میانگین صفر، واضح است که  . چون  تابعی یکنواخت از  است، پارامتر انشعاب نوبه ای را می توان از تابع شکل (a) 1 به صورت  نشان داد.