CN104917713B - 基于ofdm调制的窄带电力线通信工频零点传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于OFDM调制的窄带电力线通信工频零点传输方法，其包括以下步骤：确认物理层需要处理及发送的原始报文；形成帧报文；判断是否按照工频零点传输模式发送帧报文；配置帧报文格式；定时发送配置好的帧报文；按照原G3‑PLC标准中的连续传输模式发送帧报文；定时发送配置好的帧报文；判断是否按照工频零点传输模式接收帧报文；按照G3‑PLC标准中的OFDM解调及FEC解码方式解调接收数据；按照G3‑PLC标准中的OFDM解调及FEC解码方式解调接收数据；获得接收端解调报文，完成物理层接收及处理。本发明在兼容国际标准的同时，保证了较高的通信速率。
Description
技术领域
本发明涉及一种传输方法，特别是涉及一种基于OFDM调制的窄带电力线通信工频零点传输方法。
背景技术
电力线载波通信技术是利用电力线作为媒介进行数据传输的一种通信方式，具有天然的优势。随着国家智能电网的逐步建立，低压电力线载波通信技术在电能及各种能源计量领域得到了深入应用，并且电力线载波通信在家用电器自动化控制等领域的应用范围和前景将会十分广泛，因此，电力线载波通信具有巨大的经济效益和显著的社会效益。
正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，缩写为OFDM)是一种特殊的多载波信号调制方法，与原来的FSK、PSK等单载波调制方式相比，提高了通信速率，并且能够有效对抗频率选择性衰落，具有更高的抗噪声性能，更适用于电力线信道环境。目前国际上针对低压窄带电力线通信制定了一系列标准，如ITU-T G.990x系列标准、IEEE Std 1901.2标准、G3-PLC标准、PRIME标准等，均采用了OFDM调制技术，且ITU-TG.9903和IEEE Std 1901.2标准均基于G3-PLC标准制定，是对该标准技术的肯定。不过，由于中国电网分布范围广泛、使用人口众多，且很多地区存在线路不规整，用电环境噪声大，供电范围大，电压不稳定，不合格漏电保护器容易跳闸等问题，这些与国外，尤其是欧美电力线通信发展较快地区的电网环境完全不同，因此需要根据中国电网环境对G3-PLC标准进行改进，从而发挥更好的通信性能。
由于在工频交流过零点附近，各种干扰与噪声相对比较小，信道环境更干净，更适合数据传输，而目前国际相关标准均未考虑工频零点传输模式，因此，本发明在G3-PLC标准的基础上增加工频零点传输技术，只在工频过零点附近传输信号，其他时段不传输。工频零点传输对发送节点的电源功率输出要求较低，可降低电源器件的成本，同时，间歇性发送的载波信号可有效避免漏电保护开关误跳闸。并且，本发明可兼容G3-PLC标准中原有的连续传输模式。
专利申请号201410011148.5的中国发明专利公开了一种适应于电力线通信过零点传输的OFDM帧设计，该设计也是采用OFDM的方式在电力线上交流过零点区域进行数据的猝发通信，但是该发明无法兼容国际相关的通信标准，且其FFT点数为1024点，采样频率为2MHz，与G3-PLC标准相比实现更为复杂，且无法保证其硬件电路通信性能。
同时，专利申请号20120378047.2的中国发明专利公开了一种适用于低压电力线的高速载波通信技术，基于交流市电工频同步技术，但其系统基于FSK扩频载波通信技术，与OFDM调制技术相比，速率较低，无法满足智能电网及家庭智能控制大数据量、高速率的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于OFDM调制的窄带电力线通信工频零点传输方法，其在兼容国际标准的同时，使通信系统更适用于中国电网环境，提高了系统的抗噪声性能，同时保证了较高的通信速率。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种基于OFDM调制的窄带电力线通信工频零点传输方法，其特征在于，其包括以下步骤：
步骤一：确认物理层需要处理及发送的原始报文；
步骤二：按照G3-PLC标准对原始报文进行FEC编码及OFDM调制，形成帧报文；
步骤三：根据系统需求，判断是否按照工频零点传输模式发送帧报文；
步骤四：如果需要按照工频零点传输模式发送帧报文，则首先配置帧报文格式；
步骤五：按照工频零点传输模式，定时发送配置好的帧报文；
步骤六：如果不需要按照工频零点传输模式发送帧报文，即按照原G3-PLC标准中的连续传输模式发送帧报文，配置帧报文格式；
步骤七：按照连续传输模式，定时发送配置好的帧报文；
步骤八：接收端自适应接收帧报文，通过判断前导符结束位置与工频零点的关系，判断是否按照工频零点传输模式接收帧报文；
步骤九：按照工频零点传输模式，根据帧报文格式配置情况，按照G3-PLC标准中的OFDM解调及FEC解码方式解调接收数据；
步骤十：按照连续传输模式，根据帧报文格式配置情况，按照G3-PLC标准中的OFDM解调及FEC解码方式解调接收数据；
步骤十一：获得接收端解调报文，完成物理层接收及处理。
优选地，所述步骤四的帧报文格式和步骤六的帧报文格式都包括前导符、同步头及数据的配置。
优选地，所述步骤五的发送端在发送信号时控制三相中某相位工频零点位置，恰好位于前导符的中间位置。
优选地，所述步骤七的发送端在发送信号时控制前导符结束位置，恰好位于本相位的工频零点位置。
优选地，所述步骤八若满足±△＝3.33×N+1.44±0.2(ms)，则认为是工频零点传输模式；若满足△＝3.33×N±0.2(ms)，则认为是连续传输模式。
本发明的积极进步效果在于：本发明在兼容国际标准的同时，使通信系统更适用于中国电网环境，提高了系统的抗噪声性能，同时保证了较高的通信速率，另外可以兼容青岛东软载波科技股份有限公司原基于OFDM调制的高速低压窄带电力线载波通信系统。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的工频零点传输模式示意图。
图2为本发明的基于OFDM调制的窄带电力线通信方法的流程示意图。
图3为数据帧结构示意图。
图4为本发明的工频零点传输模式中同步头和数据的配置示意图。
图5为本发明的工频零点传输模式定时发送前导符位置示意图。
图6为本发明的连续传输模式定时发送前导符位置示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
如图1所示，由于中国电网工频为50Hz，对应周期为20ms，在工频零点传输模式下，本发明以工频半周期10ms为单位，将电力线信道划分为多个与工频同步的时段，每个时段以工频过零点为中心，在不超过工频半周期三分之一的时间段(约为3.33ms)内传输信号。物理层帧的前导符、同步头及数据的持续时间均限制在上述时间段内，但可以拆分为多个时间段进行传输。工频零点传输模式需要芯片外部过零电路加芯片内部过零计时器共同完成，过零计时器在每次检测到零点信号后，对计数器值清零并重新统计，以便于计算工频零点位置关系。
如图2所示，本实施例提供一种基于OFDM调制的窄带电力线通信工频零点传输方法，包括如下步骤：
步骤1：确认物理层需要处理及发送的原始报文。
步骤2：按照G3-PLC标准对原始报文进行FEC编码及OFDM调制，形成帧报文。
帧报文指G3-PLC标准物理层支持的两种帧类型：数据帧和应答帧。数据帧是物理层数据传输的基本单元，它由前导符(Preamble)、同步头(FCH)和数据(Payload)构成，如图3所示。应答帧则只包含前导信号和帧同步头。
一般情况下，数据帧的前导符由9.5个OFDM符号构成，具体为8个完全相同的SYNCP符号和1.5个完全相同的SYNCM符号组成，其中每个符号持续时间为640us，前导符持续总时间为6.08ms；同步头由13个OFDM符号构成；数据符号长度根据实际情况长度可变，其中同步头和数据每个符号持续时间为695us。
前导符主要用于AGC适应调整、符号同步、信道估计和初始相位参考估计等，每个SYNCP符号和SYNCM符号均为256个采样点，SYNCM符号和SYNCP符号完全相同，只是所有子载波都进行π移相，即SYNCP仅表示符号乘以+1，SYNCM表示符号乘以-1。
步骤3：根据系统需求，判断是否按照工频零点传输模式发送帧报文。
步骤4：如果需要按照工频零点传输模式发送帧报文，则首先配置帧报文格式，帧报文格式包括前导符、同步头及数据的配置。
其中前导符可配置为4.5×M个OFDM符号，每个工频零点时隙传输前导符的持续时间为：4.5×640us＝2.88ms，M表示前导符传输所需工频零点个数，既可以取1，也可以取其他整数，目的是提高同步可靠性并用于AGC锁定、SNR估计等，若M＞1，则前M-1个工频零点时隙发送4.5或4个SYNCP符号，最后一个工频零点时隙，发送3个SYNCP符号及1.5个SYNCM符号，共计4.5个符号。
其中同步头及数据的配置如图4所示，每个工频零点时隙传输1个SYNCP符号和3个同步头或数据符号，持续时间为1×640us+3×695us＝2.725ms，工频零点恰好位于这4个符号的中间位置。在该传输模式下，同步头及数据的同步由两部分组成：
(1)前导符结束后通过10ms定时延时；
(2)每个工频零点的SYNCP用于同步，同时给同步头或数据符号提供参考相位，用于差分解调。
步骤5：按照工频零点传输模式，定时发送配置好的帧报文，如图5所示，发送端在发送信号时控制三相中某相位工频零点位置，恰好位于前导符的中间位置。此时无需本相零点传输，也可配置选择，从而兼顾接收端的低信噪比情况。
步骤6：如果不需要按照工频零点传输模式发送帧报文，即按照原G3-PLC标准中的连续传输模式发送帧报文，配置帧报文格式，包括前导符、同步头及数据的配置。
其中前导符个数可配置为4.5～12.5个OFDM符号，即支持3～11个SYNCP符号和1.5个SYNCM符号，默认为G3-PLC标准中的参数。在信道环境较好，信噪比较高，或通信系统稳定情况下，接收端使用4.5个前导符符号即可完成同步及AGC调整，节省信号持续时间。
连续传输模式下的同步头及数据仍按照G3-PLC标准模式配置，无特殊要求。
步骤7：按照连续传输模式，定时发送配置好的帧报文，如图6所示，发送端在发送信号时控制前导符结束位置，恰好位于本相位的工频零点位置，且一般尽早发送，以提高系统传输效率。
步骤8：接收端自适应接收帧报文，通过判断前导符结束位置与工频零点的关系，判断是否按照工频零点传输模式接收帧报文。
若满足±△＝3.33×N+1.44±0.2(ms)，则认为是工频零点传输模式；若满足△＝3.33×N±0.2(ms)，则认为是连续传输模式。其中△为前导符接收结束后，零点计数器统计时间；3.33ms为三相零点间隔，0.2ms为过零检测及同步采样误差，1.44ms为本相零点传输时，前导符结束点与工频零点距离，N一般取0，亦可等于1或2。
步骤9：按照工频零点传输模式，根据帧报文格式配置情况，按照G3-PLC标准中的OFDM解调及FEC解码方式解调接收数据。
步骤10：按照连续传输模式，根据帧报文格式配置情况，按照G3-PLC标准中的OFDM解调及FEC解码方式解调接收数据。
步骤11：获得接收端解调报文，完成物理层接收及处理。
本发明经过理论分析、算法仿真、FPGA测试和芯片测试，系统通信性能优于其他现有的技术，且通信速率高于其他现有单载波通信技术，完全可以满足智能电网及家庭智能控制的需求。
以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于OFDM调制的窄带电力线通信工频零点传输方法，其特征在于，其包括以下步骤：
步骤一：确认物理层需要处理及发送的原始报文；
步骤二：按照G3-PLC标准对原始报文进行FEC编码及OFDM调制，形成帧报文；
步骤三：根据系统需求，判断是否按照工频零点传输模式发送帧报文，若是，执行步骤四；若否，执行步骤六；
步骤四：如果需要按照工频零点传输模式发送帧报文，则首先配置帧报文格式，其中，所述工频零点传输模式的报文格式为：物理层帧的前导符、同步头及数据的持续时间均限制3.33ms内，但可拆分为多个时间段进行传输；
步骤五：按照工频零点传输模式，定时发送配置好的帧报文；
步骤六：如果不需要按照工频零点传输模式发送帧报文，即按照原G3-PLC标准中的连续传输模式发送帧报文，配置帧报文格式，其中，所述G3-PLC标准中的连续传输模式的报文格式包括前导符、同步头和数据，所述数据帧的前导符由9.5个OFDM符号构成，具体为8个完全相同的SYNCP符号和1.5个完全相同的SYNCM符号组成，其中每个符号持续时间为640us，前导符持续总时间为6.08ms；同步头由13个OFDM符号构成；数据符号长度根据实际情况长度可变，其中同步头和数据每个符号持续时间为695us；
步骤七：按照连续传输模式，定时发送配置好的帧报文；
步骤八：接收端自适应接收帧报文，通过判断前导符结束位置与工频零点的关系，判断是否按照工频零点传输模式接收帧报文；
步骤九：若按照工频零点传输模式，根据帧报文格式配置情况，按照G3-PLC标准中的OFDM解调及FEC解码方式解调接收数据；
步骤十：若按照连续传输模式，根据帧报文格式配置情况，按照G3-PLC标准中的OFDM解调及FEC解码方式解调接收数据；
步骤十一：获得接收端解调报文，完成物理层接收及处理。
2.如权利要求1所述的基于OFDM调制的窄带电力线通信工频零点传输方法，其特征在于，所述步骤四的帧报文格式和步骤六的帧报文格式都包括前导符、同步头及数据的配置。
3.如权利要求1所述的基于OFDM调制的窄带电力线通信工频零点传输方法，其特征在于，所述步骤五的发送端在发送信号时控制三相中某相位工频零点位置，恰好位于前导符的中间位置。
4.如权利要求1所述的基于OFDM调制的窄带电力线通信工频零点传输方法，其特征在于，所述步骤七的发送端在发送信号时控制前导符结束位置，恰好位于本相位的工频零点位置。
5.如权利要求1所述的基于OFDM调制的窄带电力线通信工频零点传输方法，其特征在于，所述步骤八若满足±△＝3.33×N+1.44±0.2(ms)，则认为是工频零点传输模式；若满足△＝3.33×N±0.2(ms)，则认为是连续传输模式；其中，△：前导符接收结束后，零点计数器统计时间，ms；N一般取0、1、2中的任意值。
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