本發(fā)明涉及智能變電站，尤其涉及一種基于隨機幾何的變電站室內(nèi)無線通信信道傳輸方法。

背景技術：

1、智能變電站是傳統(tǒng)電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的關鍵一環(huán)。智能變電站的功能強大，比如可以智能在線檢測設備運行情況、智能機器人巡檢、遇險報警、信息數(shù)字化等，不僅提高了變電站運行的安全性和能源的利用率，還降低了人力的成本。電力系統(tǒng)多場景、多業(yè)務、多指標的通信需求對變電站中的通信質(zhì)量和效率有著更高的要求，所以吸引了社會各界專家學者的關注和研究。變電站室內(nèi)是變電站內(nèi)帶有低電壓或高電壓負荷的室內(nèi)配電場所，主要負責為用戶輸送電能。保障變電站室內(nèi)正常運轉(zhuǎn)對維護智能變電站可靠運行十分重要，將無線通信技術應用到維護變電站室內(nèi)日常工作中，是保障變電站室內(nèi)正常運轉(zhuǎn)的重要舉措。

2、全面準確認知變電站室內(nèi)的無線通信信道特性，對保障變電站正常運轉(zhuǎn)至關重要，所以需要對變電站室內(nèi)進行信道建模以了解其信道特性。變電站室內(nèi)場景通常為矩形體的室內(nèi)場所，變電站室內(nèi)主要有進線柜、計量柜、pt柜、出線柜、聯(lián)絡柜、隔離柜等配電儀器，儀器數(shù)量多，都緊貼與矩形體的室內(nèi)墻面上，較為平整。但由于變電站室內(nèi)墻面較多，信號在室內(nèi)墻面的各種反射較為復雜，接收端接收到的多徑信號來源復雜；又由于變電站室內(nèi)沒有分布大型設備而造成遮擋，從而造成的大尺度衰落不明顯，接收端能接收到較多的los分量。以上對分析雖然能描述部分變電站室內(nèi)無線信道性能，但要全面完整、形象的描述變電站室內(nèi)無線信道性能，就需要對變電站室內(nèi)場景進行信道建模。

3、通信信道建模的方法有射線追蹤法、統(tǒng)計法和隨機幾何法。有方案研究了射線和光線追蹤的建模方法。此方法以麥克斯韋公式為核心推導基于實際通信環(huán)境的信號增益表達式，可以提供準確的、高精度的路徑損耗預測值、到達/離開角、延遲剖面及帶寬。采用機器學習和大數(shù)據(jù)推理與射線追蹤法結(jié)合的系統(tǒng)，可以使信道模型可以快速準確的識別山丘、洼地等自然環(huán)境，極大提高建模的實時性、空間感知能力及性能。有方案將3d射線追蹤技術與信道測量結(jié)合起來，模擬了在傳統(tǒng)的室內(nèi)環(huán)境中，信道參數(shù)如何選擇的問題，其中路徑損耗和時延是影響研究結(jié)果的重要因素。有方案將一種混合成像技術應用于3d射線追蹤模型中，通過同時生成并結(jié)合垂直和水平的2d圖像，從而生成3d路徑，并通過將圖像分成視距區(qū)(line?of?sight，los))、非視距區(qū)(nlos)和深陰影區(qū)，對三種不同分區(qū)的信道測量進行了對比，得出了模擬信道模型和真實信道模型的誤差較小的結(jié)論。有方案為了在地下的礦房進行可靠的無線通信，提出了首先使用射線追蹤的方法，先在礦房和礦井建立二維的信道傳播路徑，再通過推導障礙物與礦井內(nèi)部結(jié)構(gòu)的障礙物交叉點的方法，將二維傳播路徑轉(zhuǎn)換為三維，最后比較將實驗模擬結(jié)果與在礦井中的實際測量結(jié)果進行對比，表現(xiàn)了三維射線追蹤的準確性。統(tǒng)計法是采用最小二乘法對實測的數(shù)據(jù)進行推導以擬合出信號增益來進行信道建模的。有方案提出了另一種air-to-ground(a2g)信道建模方法，構(gòu)建了一種基于物理統(tǒng)計射線的無人機對地通信模型。該方法主要是對輸入的數(shù)據(jù)的處理包括各種障礙物的高度、平均值和方差等，預先對程序進行計算并結(jié)合模型基于光線追蹤的物理部分可適用于非常廣泛的環(huán)境且具有較快的計算速度。有方案通過uav(unmanned?aerialvehicle，無人駕駛空中飛行器)信道測量提取cir(channel?impulse?response，信道沖激響應)構(gòu)建了a2g參數(shù)信道模型，然后采用聚類和參數(shù)估計算法重構(gòu)更簡化的、實用的uav空對地通信模型，并對其信道特性進行測量和分析。變電站室內(nèi)墻面較多，信號在多個墻面相互反射的路徑復雜，接收端接收到的多徑信號來源復雜，然而，目前現(xiàn)有技術中的關于變電站內(nèi)無線信道建模的研究主要考慮單一墻面對信號傳輸?shù)挠绊?，無法準確描述變電站室內(nèi)的無線信道。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的實施例提供了一種基于隨機幾何的變電站室內(nèi)無線通信信道傳輸方法，以實現(xiàn)有效地提高變電站室內(nèi)無線通信的傳輸效率。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了如下技術方案。

3、一種基于隨機幾何的變電站室內(nèi)無線通信信道傳輸方法，包括：

4、設置變電站室內(nèi)的配電儀器平整、平行地布設在墻面上，將變電站室內(nèi)的配電儀器作為散射體，采用均勻分布描述變電站室內(nèi)散射體的分布情況，將變電站室內(nèi)結(jié)構(gòu)建模為三面矩形體的隨機幾何模型，設置變電站室內(nèi)平行對立的墻面上散射體的分布情況相同，在所述隨機幾何模型考慮頂面、后側(cè)面和右側(cè)面上的散射體的散射情況，基于所述隨機幾何模型獲取變電站室內(nèi)的無線信號傳播方法。

5、優(yōu)選地，設置變電站室內(nèi)無窮多個散射體分別分布在頂面a面、后側(cè)面b面和右側(cè)面c面上，三維立體坐標系的零點位于b面墻底邊的中點，變電站室內(nèi)長l，寬m，高h，基站tx直立于零點上，高h，在tx上設置的均勻線性發(fā)射天線陣列無水平偏移，發(fā)射天線陣列垂直印射在y軸上，仰角為天線數(shù)量為p，間隔為δt，x軸將xoy分為對稱的兩部分，移動接收端rx從原點出發(fā)在x軸上以速率為v朝x軸正方向做勻速直線運動，在rx上設置均勻線性天線陣列，無仰角，其平行于xoy，水平方位角為天線數(shù)量為l：

6、表一?系統(tǒng)參數(shù)表

7、

8、設置變電站室內(nèi)無線通信信道包括los徑信道和nlos徑信道，los徑信道的萊斯分布信道增益的計算公式為：

9、

10、其中，λ為波長、k為萊斯因子，ωlp是信道p-l的總功率，參數(shù)表示天線l2和天線p2之間的距離，可以用公式(2)表示：

11、

12、flos是因接收端移動產(chǎn)生的直射徑的多普勒頻移，其表達式如公式(3)所示：

13、

14、設置nlos分量包括a面散射分量、b面散射分量和c面散射分量的和，為a面單次反射增益，為b面單次反射增益，為c面單次反射增益，nlos徑信道的萊斯分布信道增益的計算公式為：

15、

16、公式(5)-(7)中：n1、n2、n3是散射點的數(shù)目，趨于無窮，ηsba、ηsbb、ηsbc分別表示a、b、c面單詞反射的功率在散射總功率中的占比，ηsba+ηsbb+ηsbb＝1，假設為區(qū)間[-π，π]上均勻分布的相位獨立隨機變量。分別表示散射體與接收天線l2之間的距離，分別表示發(fā)射天線p2與散射體之間的距離。fsba、fsbb、fsbc分別為因接收端移動產(chǎn)生的a、b、c面單次反射徑的多普勒頻移，fsba、fsbb、fsbc的計算公式為：

17、

18、以上公式中六個a、b、c面的到達角是六個連續(xù)隨機變量，單次反射路徑的發(fā)射角和到達角相關，六個發(fā)射角通過與上述到達角的幾何關系推算獲得，轉(zhuǎn)換公式如下：

19、

20、變電站室內(nèi)無線通信信道總增益為los路徑和nlos路徑信道增益復合：

21、

22、優(yōu)選地，所述三面矩形體的隨機幾何模型的時間自相關性與萊斯因子k相關，且萊斯因子的值越大，隨機幾何的時間自相關性越大。

23、優(yōu)選地，所示的方法還包括：

24、設置所述隨機幾何模型的統(tǒng)計特性包括：

25、空間-時間相關函數(shù)st-ct：

26、

27、所述隨機幾何模型的空時相關函數(shù)由los路徑的空時相關函數(shù)以及a、b、c三面的單次反射路徑的空時相關函數(shù)復合組成，它們的具體表達式如下：

28、

29、

30、公式中，表示發(fā)射天線單元p1到接收天線單元l1的直射路徑長度,計算公式如下：

31、

32、分別表示a面上散射點的方位角、仰角的概率密度分布函數(shù)，分別表示b面上散射點的方位角、仰角的概率密度分布函數(shù)，分別表示c面上散射點的方位角、仰角的概率密度分布函數(shù)。分別表示天線l1、l2與a面的散射體sa之間的距離，分別表示天線p1、p2與a面的散射體sa之間的距離；分別表示天線l1、l2與b面的散射體sb之間的距離,分別表示天線p1、p2與b面的散射體sb之間的距離；分別表示天線l1、l2與c面散射體sc之間的距離,分別表示天線p1、p2與c面散射體sc之間的距離，這些距離參數(shù)的表達式分別如下：

33、

34、

35、令上文st-ct函數(shù)中的δ＝0，得到時間自相關函數(shù)(auto?correlation?function，acf)函數(shù)，acf表示同一天線接收到信號的相關性，令st-ct函數(shù)中的τ＝0，得到空間互相關函數(shù)(cross?correlation?function，ccf)函數(shù)，ccf是衡量不同天線接收信號的相關性的物理量。

36、由上述本發(fā)明的實施例提供的技術方案可以看出，本發(fā)明方法可以有效地描述變電站室內(nèi)的散射環(huán)境，進而研究變電站室內(nèi)無線通信信道性能。

37、本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，這些將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。