CN111384998B - 一种基于相同ofdm系统的宽带电力线载波和宽带无线双模通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于相同OFDM系统的宽带电力线载波和宽带无线双模通信系统。充分利用OFDM技术抗多径衰落和抗干扰能力强的优点，并结合高效的编码调制技术、鲁棒灵活的帧结构设计、信号处理技术、自适应技术和组网技术，充分发挥电力线载波通信和微功率无线通信信道的优点，弥补单纯电力线载波通信或微功率无线通信的不足，将单一OFDM系统融合到宽带电力线载波和宽带无线通信系统中，将宽带电力线载波及宽带无线的物理层进行深度算法融合，降低双模产品的复杂度和成本，实现了高性能、低功耗和低成本的实现架构。利用电力线载波通信和无线通信的干扰源完全不同，形成分集接收效应，高效地解决了盲点问题，形成了完整、健壮而稳定的通信网络覆盖。

Description

一种基于相同OFDM系统的宽带电力线载波和宽带无线双模通 信系统

技术领域

本发明涉及数字和模拟信息传输技术领域，特别涉及OFDM电力线载波通信和微功率无线的一种数据传输系统。

背景技术

电力线通信（Power Line Communication，PLC）是指利用电力线作为媒体实现数据传输的一种通信技术。由于电力线是最普及、覆盖范围最为广阔的一种物理媒体，利用电力线等媒体传输数据信息，不需要布线，同时能够穿墙越壁，不受阻挡，可以有效降低运营成本、减少构建新的通信网络的支出，因此电力线通信技术正成为信息技术发展的热点。

然而，由于低压电力网结构的复杂性、线路高频信号衰减严重，特别是电网各种干扰的随机性和无规律性，加上电力网络的分布电容、分布电感、负载性质、负载阻抗值、噪声等都是动态的而不是恒定的，电力载波技术具有一定的局限性。若电网上存在较大的噪声和干扰，其通信性能也会受到影响。

微功率无线通信技术是采用频率调制方式把信息加载在高频电磁波上，利用空间传播来进行数据通信的方法。微功率无线通信通过射频电磁波进行通信和数据传输，优点是不受电网上负载、噪声和干扰的影响；缺点是受传输距离、建筑物阻挡、金属屏蔽、天气环境以及易受天线位置等影响，通信成功率不稳定。

而且目前比较常用的微功率无线通信技术诸如《电力用户用电信息采集系统通信协议:微功率无线通信标准》、《电、水、气、热能源计量管理系统 第4-2部分：低功耗微功率无线通信协议》和《IEEE Std 802.15.4g: 低速率无线个域网物理层和介质访问控制层规范》均采用GFSK、FSK的调制方式，一方面带宽比较窄，频谱利用率低，另一方面抗多径干扰能力差，不适合复杂的楼宇间传输。同时，纠错能力也比较弱，通常采用简单的汉明码等，无法保证可靠的通信质量和QoS的要求。为了进一步提高微功率无线通信系统的性能和频带利用率，需要采用基于OFDM的微功率无线通信系统。

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，其主要思想是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。这样，尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此就可以大大消除信号波形间的干扰。由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。

OFDM技术优点主要有：

1)采用多路子载波调制技术，使系统具有较强的抗窄带干扰能力；

2)采用信道估计和信道均衡技术，使系统具有较强的抗多径衰落能力；

3)采用相互正交的子载波作为子信道，允许子信道的频谱重叠，频谱利用率高，采用更高阶的星座调制方式（如QPSK、16QAM），使系统具有较高的传输速率；

4)对时变性、频率选择性衰落有较强的抵抗能力；

5)可通过动态分配子信道抑制阻抗衰减与噪声干扰；

6）便于与各种高效的FEC纠错码（诸如LDPC码、Turbo编码）结合。

可见，OFDM技术的显著优势是能够有效的对抗频率选择性衰落，且与传统并行数据传输相比频谱利用率高。而高速无线通信面临着多径频率选择性衰落及时变性信道的严重影响。因此，OFDM技术已经成功应用在无线通信领域，且取得了良好的效果。例如数字音频广播（DAB）、数字视频广播（DVB）、无线本地局域网（WLAN）都应用了OFDM技术。

和宽带无线通信一样，宽带电力线载波通信也面临着多径频率选择性衰落及时变性信道的严重影响。电力线信道布线复杂，分叉多，是具有严重的频率选择性衰落的多径信道，传输信号会由于信道的选择性衰落而发生失真和畸变。而OFDM系统天然就有较好的抵抗频率选择特性和多径效应的能力，因而采用 OFDM 系统作为电力线通信的解决方案是理想的选择。

目前国际上的电力线宽带载波通信技术标准主要有IEEE 1901（兼容Homeplug）宽带载波通信标准，以及G.hn宽带载波通信标准。而在国内确定了标准Q/GDW11612-2016《低压电力线宽带载波通信互联互通技术规范》。

Q/GDW11612-2016《低压电力线宽带载波通信互联互通技术规范》针对我国的电力线信道特点，采用了诸多先进的而有效的技术来保证信号传输的高效鲁棒性，包括正交频分复用(OFDM)技术、高效的编码调制技术、鲁棒灵活的帧结构设计、信号处理技术、自适应技术、组网和路由技术等。因此，本发明的宽带电力线载波通信子系统采用这一成熟和被广泛应用的技术。

随着信息技术快速发展以及智能电网、物联网等智慧物联应用的蓬勃发展，智慧物联产业应用呈现多样化，也推动着各种网络通信技术的发展与整合。网络通信技术是当前智慧物联的核心和关键之一。全覆盖、无盲点、稳定可靠的局域网络连接又一直是智慧物联的一大挑战。然而，由于智能设备的多样化以及应用场景的复杂化，现有的任何单一模式有线 (电力线)或射频无线技术在实际应用中都有这样或那样的局限性，多技术混合网络是满足多样化智能设备和应用场景的必然选择。

宽带电力线载波通信和高速无线通信本身都是智慧物联领域重要的通信技术。宽带电力线载波通信作为利用低压电力线传输载波宽带信号（>1MHz）的技术，具有较宽的可用带宽，可实现较高的数据速率，利用现有电力线组建宽带网络，实现宽带数据和多媒体信号传输，能够提供1Mbit/s以上的数据传输速率。而高速无线通信则是满足日益增长的各种对通信实时性和通信速率较高的智慧物联通信业务的需求。因此，融合上述两种技术的互补优势，通过动态混合组网，为智慧物联提供鲁棒的网络覆盖和通信连接，将极大地推动智慧物联产业的进一步发展。

发明内容

本发明的目的是为了解决任何单一模式有线 (电力线)或射频无线技术在实际应用中的局限性：即电力线信道传输环境非常恶劣，存在多种复杂噪声干扰、与其他业务频段信号的耦合、恶劣的频率选择性和快速时变性，严重影响电力线载波通信的可靠性；而通常的微功率无线带宽比较窄，频谱利用率低，抗多径干扰能力差，易受传输距离、建筑物阻挡、金属屏蔽、天气环境以及易受天线位置等影响，通信成功率不稳定。应对全覆盖、无盲点、稳定可靠的局域网络连接的挑战的问题，提出一种基于相同OFDM系统的宽带电力线载波和宽带无线双模通信系统。

为解决上述技术问题，本发明提出本发明提出了基于相同OFDM系统的宽带电力线载波和宽带无线双模通信系统包括控制系统、宽带电力线载波通信子系统和宽带无线通信子系统三部分组成双模收发系统，其中控制系统基于通信状况或业务需求实现两种模式的选择或切换，并实现收发通道的控制、信标周期时隙的规划、组网控制、网络维护管理功能。

在一些实施例中，还包括如下技术特征：

所述宽带电力线载波通信子系统和宽带无线通信子系统共用相同的OFDM调制方法:包括扰码、Turbo编码、信道交织、分级拷贝、星座映射以及IFFT调制等处理。同时，所述宽带电力线载波通信子系统和宽带无线通信子系统共用基本相同的物理帧结构；其中，为了满足采样偏差和频率偏差的设计需求，在宽带电力线载波通信帧结构基础上，宽带无线通信帧结构增加了一段无线前导。

还包括：控制系统根据传输业务的需求以及通信路由的状况，自适应地选择电力线载波通信子系统或者宽带无线通信子系统作为通信通道，实现数据的收发处理；通信通道的选择可以综合考虑传输路由、信道干扰状况、信道噪声状况以及通信成功率情况等因素加以确定。同时，控制系统也可以根据设计要求和设计需求，统一规划时隙的分配以及时隙的使用方法，将各个时隙分配给相应的两个物理通道；所设计系统支持TDMA和CSMA两种信道接入方式，在时隙安排上，可以将两种信道进行统一时隙管理，也可以将两种信道分别单独进行时隙管理。时隙的分配以及时隙的使用方法，需要根据网络规模、网络层级、邻居节点数量、信号帧长以及应用场景等因素来加以确定。

所述系统基于单一OFDM协议，将宽带电力线载波和宽带无线的物理层进行深度算法融合，实现了高性能、低功耗和低成本的实现架构，极大地降低双模系统的复杂度和成本；另外，所述系统还支持灵活可变的信号带宽，最大带宽可支持12.5MHz。系统可以根据信道状况以及不同国家和地区对频段的要求，自适应的选择合适的信号带宽，开展相应的数据传输工作。其中，所述系统还支持无线传输的各个频段，尤其是230MHz电力系统专业频段和470MHz民用计量设备频段。系统可以不同国家和地区对频段的要求，自适应的选择合适的信号频段，开展相应的数据传输工作。

与现有技术相比，本发明的有益效果有：

本发明一方面充分利用OFDM技术抗多径衰落和抗干扰能力强的优点，并结合高效的编码调制技术、鲁棒灵活的帧结构设计、信号处理技术、自适应技术和组网技术，另一方面既充分发挥电力线载波通信和微功率无线通信信道的优点，又弥补单纯电力线载波通信或微功率无线通信的不足，提出将单一OFDM系统融合到宽带电力线载波和宽带无线通信系统中，将宽带电力线载波及宽带无线的物理层进行深度算法融合，降低双模产品的复杂度和成本，实现了高性能、低功耗和低成本的实现架构。本发明所设计的双模通信技术，利用了电力线载波通信和无线通信的干扰源完全不同，形成了分集接收效应，即在同一设备节点很难同时形成两种信号盲点，从而优势互补，高效地解决了盲点问题，形成了完整、健壮而稳定的通信网络覆盖。

附图说明

图1是本发明一种具体实施例的基于相同OFDM系统的宽带电力线载波和宽带无线双模通信系统的示意图；

图2是本发明具体实施例中OFDM符号时序示意图；

图3是本发明具体实施例中宽带电力线载波物理层信号帧结构示意图；

图4是本发明具体实施例中宽带无线物理层信号帧结构示意图；

图5是本发明具体实施例中一种信标周期时隙划分示意图。

具体实施方式

具体实施方式 1

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

如图1所示，本发明具体实施方式所提供的一种基于相同OFDM系统的宽带电力线载波和宽带无线双模通信系统，具体如下：

本优选实施案例中，宽带电力线载波和宽带无线双模通信系统的物理层的OFDM符号，时域上是基于25MHz的时钟采样率。数据经过1024点IFFT后取实数部分，加入循环前缀，形成OFDM符号，循环前缀由滚降间隔和保护间隔组成。OFDM符号时序如图2所示，采用的OFDM系统参数定义如下表所示：

表1 宽带电力线载波和宽带无线双模通信系统OFDM符号特性

符号参数	时域点数	时间（us）
			前导IFFT长度	1024	40.96
帧控制/载荷数据IFFT长度	1024	40.96
			滚降间隔	124	4.96
帧控制的保护间隔	458	18.32
			载荷数据第1个和第2个符号的保护间隔	458	18.32
载荷数据第3个符号之后的保护间隔	264	10.56

在本优选实施例中，正如表1所示，所设计的OFDM符号周期T和循环前缀CP分别为40.96us和10.56us，其参数设计充分考虑到实际效率、实际电力线多径环境以及无线多径环境，通常最长的通信距离在2-3km以内，多径长度不大于10us的因素。

另外，本优选实施案例中，宽带电力线载波的物理层数据单元帧结构如图3所示。

物理层发送的PPDU信号帧结构如图3所示。PPDU由前导、帧控制和载荷数据组成。前导为一个周期性序列，每个符号的帧控制和载荷数据的子载波个数为512个。其中，符号的保护间隔的类型包括帧控制的保护间隔、载荷数据第1个和第2个符号的保护间隔，载荷数据第3个符号及以后的保护间隔。

本优选实施案例中，所述系统由控制系统、宽带电力线载波通信子系统和宽带无线通信子系统三部分组成。控制系统主要完成收发通道的控制、信标周期时隙的规划、组网控制、网络维护管理等功能。宽带电力线载波通信子系统完成OFDM的调制以及电力线载波信道的数据收发工作。宽带无线通信子系统完成OFDM的调制以及无线信道的数据收发工作。

其中，所述系统中的宽带电力线载波通信子系统和宽带无线通信子系统共用相同的OFDM调制方法；共同的OFDM调制方法均包括扰码、Turbo编码、信道交织、分级拷贝、星座映射以及IFFT调制等模块。OFDM调制的相关参数如上图1所示。基于所述的OFDM调制方法，支持PB72、PB136、PB264和PB520共四种不同的PB块长度，同时还支持BPSK、QPSK以及16QAM等三种调制方式。

本优选实施案例中，所述系统中的宽带电力线载波通信子系统和宽带无线通信子系统共用基本相同的物理帧结构；宽带电力线载波的物理层帧结构如图3所示。由于宽带电力线载波系统的实现是基带传输，不存在频偏的影响。因此，与无线系统有所不同。为了解决频偏对宽带无线系统的影响，满足采样偏差和频率偏差的设计需求，在宽带电力线载波通信帧结构基础上，宽带无线通信系统的帧结构增加了一段无线前导，正如图4所示，该无线前导主要承担频偏估计和采样偏差估计的功能，同时也完成了相应的符号检测、AGC以及定时同步的任务。

本优选实施案例中，所述系统中还包括：系统根据传输业务的需求以及通信路由的状况，自适应地选择宽带电力线载波通信子系统或者宽带无线通信子系统作为通信通道，实现数据的收发处理；通信通道的选择可以综合考虑传输路由、信道干扰状况、信道噪声状况以及通信成功率情况等因素加以确定。本地通信的路由可以在宽带微功率无线路由和宽带电力线载波路由之间动态切换，优选最佳路由。而信道干扰状况以及信道噪声，则必须结合系统对各个信道的干扰检测以及相应的信噪比评估来实现。另外，需要特别注意的是，对于宽带电力线载波通信子系统，由于低压电力网可能呈现一种时变的、非对称的传输特性，因此，在统计通信成功率的时候，需要分别统计上行通信成功率和下行通信成功率。

本优选实施案例中，所述系统中还包括：系统也可以根据设计要求和设计需求，统一规划时隙的分配以及时隙的使用方法，将各个时隙分配给相应的两个物理通道；所设计系统支持TDMA和CSMA两种信道接入方式，在时隙安排上，可以将两种信道进行统一时隙管理，也可以将两种信道分别单独进行时隙管理。

时隙的分配以及时隙的使用方法，需要根据网络规模、网络层级、邻居节点数量、信号帧长以及应用场景等因素来加以确定。

图5是本优选实施案例中针对时隙划分的一种设计方案，该时隙规划通过时分复用的方式将电力线三相和无线信道综合规划为4个时隙。主节点将信道时间划分为信标周期，每一个信标周期由包含信标时隙的信标时段（TDMA）和包含业务时隙的业务时段（CSMA）组成。信标时隙明确分配给主节点和具体从节点使用，用于发送信标帧，为非竞争时隙（TDMA时隙）；业务时隙未指明使用者，从节点采用CSMA/CA机制竞争使用，称为竞争时隙（CSMA时隙）。在TDMA时段和CSMA时段，均按照一定的规则，划分为A相时隙、B相时隙、C相时隙和无线信道时隙，便于主节点统一规划和管理。另外，一个信标周期中，信标时隙分为中央信标时隙、代理信标时隙和发现信标时隙。

本优选实施案例中，基于单一OFDM通信协议，将宽带电力线载波和宽带无线的物理层进行深度算法融合，实现了高性能、低功耗和低成本的实现架构，极大地降低双模系统的复杂度和成本。由于宽带电力线载波和宽带无线均采用相同的OFDM调制方式，各个主要物理层模块都是完全一致的，可以最大程度地实现资源复用和资源共享，有效降低系统的复杂度和实现成本。

本发明所提供的系统可以根据信道状况以及不同国家和地区对频段的要求，自适应地选择合适的信号带宽，开展相应的数据传输工作。本优选实施案例中，所述系统支持灵活可变的信号带宽，最大带宽可支持12.5MHz。

其中，所述系统还支持无线传输的各个频段，尤其是230MHz电力系统专业频段和470MHz民用计量设备频段。

本优选实施案例中，系统可以不同国家和地区对频段的要求，自适应地选择合适的信号频段，开展相应的数据传输工作。

本发明所提供的基于相同OFDM系统的宽带电力线载波和宽带无线双模通信系统，充分利用了OFDM调制的技术特点和技术优势，并结合电力线通信穿墙越壁、不受阻挡的独特优势及微功率无线网络覆盖的优势于一体，而且通过动态自适应混合路由技术，为多领域各种应用提供优化的通信方式，比现有任何一项单模技术更具优势，有效地解决当前很多应用场景中局域网覆盖盲点多、通信不稳定的瓶颈问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于相同OFDM系统的宽带电力线载波和宽带无线双模通信系统，其特征在于，包括：控制系统、宽带电力线载波通信子系统和宽带无线通信子系统,三部分组成双模收发系统，其中控制系统基于通信状况或业务需求实现两种模式的选择或切换，并实现收发通道的控制、信标周期时隙的规划、组网控制、网络维护管理功能；其中，所述宽带电力线载波通信子系统和宽带无线通信子系统共用相同的OFDM调制方法，包括扰码、Turbo编码、信道交织、分级拷贝、星座映射以及IFFT调制处理，宽带电力线载波的物理层发送的PPDU信号帧结构由前导、帧控制和载荷数据组成，前导为一个周期性序列，每个符号的帧控制和载荷数据的子载波个数为512个，其中，符号的保护间隔的类型包括帧控制的保护间隔、载荷数据第1个和第2个符号的保护间隔，载荷数据第3个符号及以后的保护间隔；宽带无线通信系统的帧结构在宽带电力线载波通信帧结构基础上增加了一段无线前导，该无线前导承担频偏估计和采样偏差估计的功能，同时也完成相应的符号检测、AGC以及定时同步的任务。

2.根据权利要求1所述的一种基于相同OFDM系统的宽带电力线载波和宽带无线双模通信系统，其特征在于，控制系统根据传输业务的需求以及通信路由的状况，自适应地选择电力线载波通信子系统或者宽带无线通信子系统作为通信通道，实现数据的收发处理。

3.根据权利要求1所述的一种基于相同OFDM系统的宽带电力线载波和宽带无线双模通信系统，其特征在于，所述控制系统根据设计要求和设计需求，统一规划时隙的分配以及时隙的使用方法，将各个时隙分配给宽带电力线载波和宽带无线双模通信系统相应的物理通道；系统支持TDMA和CSMA两种信道接入方式，在时隙安排上，将两种信道进行统一时隙管理，或将两种信道分别单独进行时隙管理。

4.根据权利要求1所述的一种基于相同OFDM系统的宽带电力线载波和宽带无线双模通信系统，其特征在于，所述的基于相同OFDM系统的宽带电力线载波和宽带无线双模通信系统，支持灵活可变的信号带宽，最大带宽可支持12.5MHz。

5.根据权利要求1所述的一种基于相同OFDM系统的宽带电力线载波和宽带无线双模通信系统，其特征在于，所述系统还支持无线传输的各个频段，包括230MHz电力系统专业频段和470MHz民用计量设备频段。

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