Uno studio comparativo sulla previsione della disponibilità dei nodi di comunicazione della linea elettrica utilizzando l'apprendimento automatico

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12658 (2023) Citare questo articolo

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La tecnologia Power Line Communication utilizza cavi di alimentazione per trasmettere dati. Sapere in anticipo se un nodo funziona senza test fa risparmiare tempo e risorse, portando al modello proposto. Il modello è stato addestrato su tre caratteristiche dominanti, ovvero SNR (rapporto segnale-rumore), RSSI (indicatore di potenza del segnale ricevuto) e CINR (rapporto portante-interferenza più rumore). Il set di dati consisteva in 1000 letture, di cui il 90% nel set di addestramento e il 10% nel set di test. Inoltre, il 50% del set di dati è per la classe 1, che indica se le letture dei nodi sono ottimali. Il modello è addestrato con percezione multistrato, K-Nearest Neighbours, Support Vector Machine con kernel lineari e non lineari, Random Forest e algoritmi di potenziamento adattivo (ADA) per confrontare tra algoritmi statistici, basati su vettori, di regressione, decisionali e algoritmi predittivi. ADA boost ha raggiunto i migliori livelli di accuratezza, punteggio F, precisione e richiamo, che sono rispettivamente dell'87%, 0,86613, 0,9 e 0,8646.

Power Line Communication (PLC) è una tecnologia di comunicazione che utilizza i cavi di alimentazione esistenti per la trasmissione dei dati. Pertanto, il PLC è un metodo interessante ed economico per trasmettere dati da tutti i dispositivi collegati alle prese di corrente, come sensori e attuatori. Pertanto, utilizzando il PLC come tecnologia di comunicazione si evita di aggiungere un'altra infrastruttura per lo scambio di dati utilizzando la linea elettrica1,2,3. La comunicazione su linea elettrica è divisa in due categorie in base alla velocità dei dati; comunicazioni su linee elettriche a banda stretta e su linee elettriche a banda larga4,5. Il PLC a banda stretta è molto utilizzato nella rete intelligente, dalle società elettriche e nelle reti domestiche per applicazioni domestiche intelligenti. Inoltre, il PLC viene utilizzato nei sistemi di bordo e da veicolo a infrastruttura e nei sistemi di gestione delle batterie di prossima generazione6,7. D'altra parte, la comunicazione su linea elettrica a banda larga viene utilizzata nelle comunicazioni multimediali. Tali applicazioni sono spesso caratterizzate da numerosi nodi connessi, che stanno aumentando con l’espansione dell’Internet of Things (IoT).

La natura dell'ambiente condiviso del PLC solleva molte sfide per il processo di comunicazione, come le caratteristiche variabili dei media. Un problema riguarda l'adattamento dell'impedenza sia sul trasmettitore (TX) che sul ricevitore (RX) per il front-end del PLC. L'adattamento influisce sull'auto-interferenza e sul rapporto segnale-auto-interferenza-più-rumore (SSINR). I tipici modem PLC utilizzano un percorso Tx a bassa impedenza e un percorso Rx a impedenza più elevata nel front-end analogico per un funzionamento efficiente della distorsione armonica5,7,8,9. Sono stati fatti molti sforzi per l'adattamento dell'impedenza per il PLC10. Tuttavia, vi sono ancora delle sfide nell'adattamento dell'impedenza della linea elettrica a causa della sua natura di carico variabile.

Le prestazioni della rete PLC contemporanea peggiorano con l'aumento dei nodi connessi. Allo stesso modo, la coesistenza con reti DSL vicine degrada la qualità del collegamento. Pertanto, l'Istituto europeo per le norme di telecomunicazione (ETSI) raccomanda di utilizzare un approccio di adattamento spettrale dinamico11. I modem PLC a banda larga stimano l'interferenza del canale DSL-PLC e adattano di conseguenza la densità spettrale della potenza di trasmissione del PLC. Inoltre, è stato fatto uno sforzo considerevole nei PLC focalizzati sul livello fisico per affrontare questioni come il comportamento variabile nel tempo dei carichi nei sistemi di energia elettrica. Pertanto, esistono dinamiche e diversità di carichi che determinano un comportamento variabile nel tempo-frequenza e un'attenuazione del segnale quando la frequenza e/o la distanza aumentano. Diverse tecniche di adattamento dell'impedenza sono state illustrate in 10. Inoltre, il rumore impulsivo ad alta potenza, il disadattamento di impedenza, l'uso diffuso di cavi di alimentazione non schermati e le perdite di accoppiamento influiscono sulla qualità del collegamento1,4,6,11,12. Inoltre, i rumori impulsivi ad alta potenza prodotti dal collegamento e dallo scollegamento di carichi, apparecchiature, convertitori di corrente alternata/corrente continua (CA/CC) e le interferenze elettromagnetiche dovute a linee elettriche non schermate e problemi di accoppiamento influiscono dinamicamente sulle prestazioni dei mezzi di comunicazione nel tempo.