CN102118183A - 电力载波通信方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种电力载波通信方法，包括如下步骤：信息采集步骤，物理层接收导频信号以获得信道状态信息；同步状态信息步骤，所述物理层和数据传输控制层同步所述信道状态信息；信息处理步骤，根据所述信道状态信息，得到需要并能够通信的数据包；通信步骤，轮流占用时间段传输所述需要并能够通信的数据包。实现了电力载波通信的跨层优化，有效促进了物理层与数据传输控制层之间的相互认知、相互协调和相互作用；达到了数据传输的高效性和可靠性；有利于在电网中传输高速数据、话音、图像等多媒体业务信号。

Description

电力载波通信方法及装置

【技术领域】

本发明涉及一种通信方法及装置，尤其涉及一种电力载波通信方法及装置。

【背景技术】

智能电网，对传统的电网进行智能化改造，它利用现代的通信技术、先进的传感和测量技术，基于博弈论的数学优化方法、实时对电网进行配电控制，调度管理和决策。

智能电网的发展中最为重要的一种通信技术是传统的电力载波通信系统。电力载波通信系统是利用配电网低压线路传输高速数据、话音、图像等多媒体业务的一种通信方式。然而，由于在低压配电网上存在着自身所固有的特点，使得在其上实现高效可靠的数据传输是非常困难的。

综上所述，利用电网中的电力线作为通信信道，会存在信号衰减、干扰杂多、传输环境差、阻抗变大、时变性大的缺陷，要实现高效可靠的数据传输非常困难。因此，有必要对现有的电力载波通信系统进行改进，以实现高效可靠的数据传输和通信资源的有效利用。

【发明内容】

基于此，有必要提供一种高效可靠的电力载波通信方法及装置。

一种电力载波通信方法，包括如下步骤：信息采集步骤，获取导频信号，并根据所述导频信号获得节点状态信息后发送所述节点状态信息；信息处理步骤，接收所述节点状态信息并处理所述节点状态信息，调整节点状态；通信步骤，根据调整后的节点状态进行通信。

优选的，所述节点状态信息包括节点的数据包传输需求信息、节点的信道状态信息、节点的信道状态的模量。

优选的，所述信息采集步骤与信息处理步骤能够实时共享所述节点状态信息。

优选的，所述信息处理步骤还包括：数据传输控制层把需要传输数据包的节点集合和能够通信的节点集合取节点的交集。

优选的，所述信息处理步骤还包括如下步骤：根据所述节点状态信息确定通信信道容量；根据数据包的传输级别赋以不同权值；根据所述信道容量和数据包的不同权值确定带宽的大小。

优选的，该通信步骤采用时分复用的方式，让节点轮流占用时间段进行通信。

此外，还有必要提供一种高效可靠的电力载波通信装置，至少包括：信息采集模块，用于接收导频信号获取节点状态信息，并发送所述节点状态信息；信息处理模块，与所述信息采集模块相连，用于接收所述节点状态信息并处理所述节点状态信息，调整节点状态；通信模块，与所述信息处理模块相连，用于根据调整后的节点状态进行通信。

优选的，所述节点状态信息包括节点的数据包传输需求信息、节点的信道状态信息、节点的信道状态的模量。

优选的，所述信息处理模块进一步用于把信道状态信息中为能够通信的节点集合和需要传输数据包的节点集合取交集。

优选的，所述信息处理模块进一步用于根据信道状态信息确定通信信道的容量并根据数据包的传输级别赋以不同的权值，根据所述信道容量和数据包的不同权值确定带宽的大小。

优选的，其特征在于，所述通信模块采用时分复用的方式，让节点轮流占用时间段进行通信。

优选的，所述信息采集模块与所述信息处理模块能够实时共享所述节点状态信息。

本发明接收导频信号，以获得信道状态信息，数据传输控制层实时接收由物理层发出的信道状态信息，根据所述信道状态信息得到需要并能够通信的数据包，并在信道中传输；物理层和数据传输控制层共享信道状态信息，实现了电力载波通信的跨层优化，有效促进了物理层与数据传输控制层之间的相互认知、相互协调和相互作用；达到了数据传输的高效性和可靠性；有利于在电网中传输高速数据、话音、图像等多媒体业务信号；

应用电网中现有的网络作为通信信道来进行数据的高效传输，不需要对电网进行大规模的改造，不需要进行大规模的通信建设即可进行有效的数据通信，节省了资金并保证数据传输的高效性，充分利用电力设施和发挥了电力资源的优势；

从信道状态信息中提取信道状态的模量，中心节点到节点的线路不同、负载不同和受干扰程度不同都会产生互不相同的信道状态模量，克服了电力载波线上不能识别负载、信号衰减和干扰对数据传输造成的影响，使中心节点准确识别信道状态，从而减少了数据包的传输速率，避免网络吞吐量减小而造成损失；

根据中心节点到节点的信道状态模量大小决定数据包传输中通信信道的容量，信道的容量大小决定了数据传输率的大小，根据数据包的重要性通过目标优化函数来确定传输数据包所需要的带宽，从而合理地优化带宽的分配，使传输数据包的带宽与数据传输率相一致，以最大限度的满足网络通信的需求，使电网通信网络带宽得到充分利用。

【附图说明】

图1是智能电网上的通信子网拓扑图；

图2是电力载波通信方法的流程图；

图3是电力载波通信装置的原理框图。

【具体实施方式】

图1示出了智能电网上的通信子网拓扑图，智能电网上的通信子网中包括中心节点和节点，中心节点向节点发送来自于智能电网上其它子网的数据包。当数据包到达中心节点时，首先进行排队，每一个独立的队列对应一个节点，中心节点的任务是通过电力线安排这些数据包及时到达指定的节点。

图2示出了一种电力载波通信方法的流程图，具体过程如下：

步骤S1，信息采集，获取导频信号并根据所述导频信号获得节点状态信息再发送所述节点状态信息，包括：

物理层接收来自于节点中的导频信号，搜集节点的状态信息。节点状态信息包括节点的数据包传输需求信息、节点的信道状态信息和节点的信道状态的模量。在信息采集的过程中，以接收到来自节点的导频信号来搜集从中心节点到每一节点的状态信息，并从节点状态信息中提取数据包传输需求信息、节点的信道状态信息和节点的信道状态的模量h。信道中，线路、负载和受干扰程度都各不相同，因此每一节点的信道状态的模量也互不相同。设置一门限值，若某个节点的信道状态的模量小于该门限值，那么中心节点到相应节点是不能通信的。在智能通信子网中，中心节点到节点有两个瞬时通道状态，从通至断。

信道状态的模量h也就是信道冲击响应，考虑基带信号的发送和接收，即不考虑上变频和下变频，如是发送一个导频信号x，经过信道之后，可得到如下表达式：

y＝h·x+n

其中，x为一复数，y是接收到的信号，h是信道冲击响应，n是加性高斯白噪声信号。

在此，如果接收方收到信号y，并且知道导频信号x，那么接收方可以得出复数h。

步骤S2，信息处理，接收所述节点状态信息并处理所述节点状态信息，调整节点状态，包括：

步骤S21，数据传输控制层把需要传输数据包的节点集合和能够通信的节点集合取节点的交集。

步骤S22，根据所述信道状态信息确定通信信道容量。通信信道的容量C由信道状态的模量的大小决定，信道的容量C减小，那么数据传输率也会相应地减小。而根据不同的数据传输率，物理层自适应的采用不同的信道编码来对相应数据包进行编解码。通信信道容量可通过如下表达式得到：

$C=W{\log }_2(1+\frac{E{\left|h\right|}^2}{\mathrm{WN}})$

其中，W是信道带宽，N是加性高斯白噪声信号n的功率，E是信号发射功率，h是信道冲击响应。

步骤S23，根据所述数据包的传输级别赋以不同权值。给需要传输到节点的数据包赋以权值α来表示数据包的重要性，可根据数据包的类型、数据包要求的时延或者数据包需要达到的服务质量(Quality of Service，简称QoS)赋予不同的权值。

步骤S24，根据所述信道容量和数据包的不同权值确定带宽。根据该数据包的重要性和通信信道的容量动态优化带宽的分配。如图1所示，智能电网的通信子网中，中心节点到三个节点的目标优化函数为

maxα₁C₁x₁+α₂C₂x₂+α₃C₃x₃

s.t.x₁+x₂+x₃＝1

其中x₁，x₂和x₃是需要传输到三个节点的数据包被分配的归一化了的带宽，如果一节点目前没有数据包需要传输或者中心控制节点到一节点的信道无法通信，那么相应分配的带宽则是0，即x_i＝0，i＝1，2，或3。目标优化函数可以有很多不同的选择，上述目标优化函数仅为众多目标优化函数中的一种，仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。

在步骤S1和步骤S2的过程中，信息采集步骤与信息处理步骤能够实时共享所述节点状态信息，即物理层和数据传输层同步节点状态信息。物理层实时提供节点状态信息给数据传输控制层。

步骤S3，通信步骤，根据调整后的节点状态进行通信。采用时分复用的方式，让节点轮流占用时间段进行通信。数据传输控制层根据目标优化函数中所得到的带宽大小在信道中高效传输，从而达到优化带宽分配的目的。

图3示出了一种电力载波通信装置。电力载波通信装置包括：信息采集模块100、信息处理模块120以及通信模块140；

信息采集模块100接收导频信号获取节点状态信息并发送所述节点状态信息。节点状态信息包括节点的数据包传输需求信息、节点的信道状态信息、节点的信道状态的模量。由于线路、负载和受干扰程度的不同，信道状态的模量也互不相同，设置一门限值，若某个节点的信道状态的模量小于该门限值，则中心节点与相应节点之间不能进行通信；

信道状态的模量也就是信道冲击响应，考虑基带信号的发送和接收，即不考虑上变频和下变频，如是发送一个导频信号x，经过信道之后，可得到如下表达式：

y＝h·x+n

其中，x为一复数，y是接收到的信号，h是信道冲击响应，n是加性高斯白噪声信号。

在此，如果接收方收到y，并且知道x，那么接收方可以估计出复数h。

信息处理模块120，与信息采集模块100相连，用于接收所述节点状态信息并处理所述节点状态信息，调整节点状态，把信道状态信息中为能够通信的节点集合和需要传输数据包的节点集合取交集，得到需要并且能够通信的节点集合，根据信道状态信息确定通信信道的容量C并根据数据包的传输级别赋以不同的权值α后，根据信道容量和数据包的不同权值确定带宽的大小，即目标优化函数利用通信信道的容量C和权值α来确定传输数据包所对应的带宽，从而达到动态优化带宽的目的。

通信信道容量可通过如下表达式得到：

$C=W{\log }_2(1+\frac{E{\left|h\right|}^2}{\mathrm{WN}})$

其中，W是信道带宽，N是加性高斯白噪声信号n的功率，E是信号发射功率，h是信道冲击响应。

权值α可根据数据包的类型、数据包要求的时延或者数据包需要达到的服务质量(Quality of Service，简称QoS)赋予不同的权值。

如图1所示，智能电网的通信子网中，中心节点到三个节点的目标优化函数为

maxα₁C₁x₁+α₂C₂x₂+α₃C₃x₃

s.t.x₁+x₂+x₃＝1

其中x₁，x₂和x₃是需要传输到三个节点的数据包被分配的归一化了的带宽，如果一节点目前没有数据包需要传输或者中心控制节点到一节点的信道无法通信，那么相应分配的带宽则是0，即x_i＝0，i＝1，2或3，目标优化函数可以有很多不同的选择，上述目标优化函数仅为众多目标优化函数中的一种，仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制；

信息采集模块100和信息处理模块120实时共享节点状态信息。节点状态信息从物理层传输到数据传输控制层，同步信道状态信息于物理层和数据传输控制层中，使物理层和数据传输控制层实时共享信道状态信息；

通信模块140，与信息处理模块相连，根据调整后的节点状态进行通信。通信模块140采用时分复用的方式，让节点轮流占用时间段进行通信，在目标优化函数所确定的带宽中传输。

本发明接收导频信号，以获得信道状态信息，数据传输控制层实时接收由物理层发出的信道状态信息，根据所述信道状态信息得到需要并能够通信的数据包，并在信道中传输；物理层和数据传输控制层共享信道状态信息，实现了电力载波通信的跨层优化，有效促进了物理层与数据传输控制层之间的相互认知、相互协调和相互作用；达到了数据传输的高效性和可靠性；有利于在电网中传输高速数据、话音、图像等多媒体业务信号；

应用电网中现有的网络作为通信信道来进行数据的高效传输，不需要对电网进行大规模的改造，不需要进行大规模的通信建设即可进行有效的数据通信，节省了资金并保证数据传输的高效性，充分利用电力设施和发挥了电力资源的优势；

从信道状态信息中提取信道状态的模量，中心节点到节点的线路不同、负载不同和受干扰程度不同都会产生互不相同的信道状态模量，克服了电力载波线上不能识别负载、信号衰减和干扰对数据传输造成的影响，使中心节点准确识别信道状态，从而减少了数据包的传输速率，避免网络吞吐量减小而造成损失；

根据中心节点到节点的信道状态模量大小决定数据包传输中通信信道的容量，信道的容量大小决定了数据传输率的大小，根据数据包的重要性通过目标优化函数来确定传输数据包所需要的带宽，从而合理地优化带宽的分配，使传输数据包的带宽与数据传输率相一致，以最大限度的满足网络通信的需求，电网通信网络带宽得到充分利用。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (12)

1.一种电力载波通信方法，包括如下步骤：

信息采集步骤，获取导频信号，并根据所述导频信号获得节点状态信息后发送所述节点状态信息；

信息处理步骤，接收所述节点状态信息并处理所述节点状态信息，调整节点状态；

通信步骤，根据调整后的节点状态进行通信。

2.根据权利要求1所述的电力载波通信方法，其特征在于，所述节点状态信息包括节点的数据包传输需求信息、节点的信道状态信息、节点的信道状态的模量。

3.根据权利要求1所述的电力载波通信方法，其特征在于，所述信息采集步骤与信息处理步骤能够实时共享所述节点状态信息。

4.根据权利要求2所述的电力载波通信方法，其特征在于，所述信息处理步骤还包括：

数据传输控制层把需要传输数据包的节点集合和能够通信的节点集合取节点的交集。

5.根据权利要求2或4所述的电力载波通信方法，其特征在于，所述信息处理步骤还包括如下步骤：

根据所述节点状态信息确定通信信道容量；

根据数据包的传输级别赋以不同权值；

根据所述信道容量和数据包的不同权值确定带宽的大小。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的电力载波通信方法，其特征在于，该通信步骤采用时分复用的方式，让节点轮流占用时间段进行通信。

7.一种电力载波通信装置，其特征在于，至少包括：

信息采集模块，用于接收导频信号获取节点状态信息，并发送所述节点状态信息；

信息处理模块，与所述信息采集模块相连，用于接收所述节点状态信息并处理所述节点状态信息，调整节点状态；

通信模块，与所述信息处理模块相连，用于根据调整后的节点状态进行通信。

8.根据权利要求7所述的电力载波通信装置，其特征在于，所述节点状态信息包括节点的数据包传输需求信息、节点的信道状态信息、节点的信道状态的模量。

9.根据权利要求7所述的电力载波通信装置，其特征在于，所述信息处理模块进一步用于把信道状态信息中为能够通信的节点集合和需要传输数据包的节点集合取交集。

10.根据权利要求7或9所述的电力载波通信装置，其特征在于，所述信息处理模块进一步用于根据信道状态信息确定通信信道的容量并根据数据包的传输级别赋以不同的权值，根据所述信道容量和数据包的不同权值确定带宽的大小。

11.根据权利要求7至10中任一项所述的电力载波通信装置，其特征在于，所述通信模块采用时分复用的方式，让节点轮流占用时间段进行通信。

12.根据权利要求7所述的电力载波通信装置，其特征在于，所述信息采集模块与所述信息处理模块能够实时共享所述节点状态信息。

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