CN102158332A - 一种微电网中的正交频分复用通信方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种微电网中的正交频分复用通信方法及装置，该装置的通信模块与核心嵌入式单片机的I/O口相连，同时通过天线接收与发送信息。天线发出信息是通过在通信模块利用正交频分复用技术调制后的N路子载波流，其接收的信息需经通信模块解调后转换为串行载波，送入核心嵌入式单片机。通过键4向核心嵌入式单片机输入信息，有关设备的测量数据通过微电网信息采集模块前端接口输入核心嵌入式单片机。有关数据可以通过液晶显示器显示出来，微电网信息寄存器与核心单片机的I/O口相连，用于存储所采集的数据。本发明的优点是：利用这种方法进行数据通信时，能避免由于干扰大、速率高而降低整个系统的性能，提高运行效率及准确性，满足微电网实时性要求。

Description

一种微电网中的正交频分复用通信方法及装置

技术领域

本发明涉及一种微电网的正交频分复用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing;）通信、数据传输方法及其装置，能够有效的解决微电网高速数据流传输方法的实时性及抗冲击噪声问题。

背景技术

微电网是规模较小的分散的独立系统，它采用大量的现代电力技术，将燃气轮机、燃料电池、储能设备等连在一起，直接接在用户侧。对于大电网来说，微电网可被视为电网中的一个可控单元，它可以在数秒钟内动作以满足外部输配电网络的需求；对用户来说，微电网可以满足他们特定的需求，如增加本地可靠性、降低馈线损耗、保持本地电压稳定、通过利用余热提高能量利用的效率及提供不间断电源等。微电网和大电网通过进行能量交换，双方互为备用，从而提高了供电的可靠性。微电网和上级电网是互为备用、相互支持的一个有机整体。加强微电网和主网之间以及微电网之间的协调控制，以提高微电网对上级电网的支撑能力对于电网的稳定具有重要意义。微电网的发展在我国尚处于起始阶段，但微电网的特点适应我国电力发展的需求和方向，并且有着广阔的发展前景。

正交频分复用是一种多载波调制技术，其最大的特点是传输速率高，对码间干扰和信道衰落具有很强的抵御能力，其基本思想是把高速率的信源信息变成低速率的N路并行数据流，然后用N个相互正交的载波进行调制，将N路调制信号相加即得发射信号，而且每一路可以采用不同的调制方式，包括扩频、FSK、PSK等；接收端经过解耦、接收滤波器转换后，利用载波之间的正交特性，采用相应的解调方式解调出低速数据，然后经并/串转换合成原始数据流。

微电网和主网之间信息通道具有工作环境复杂，线路阻抗小，信号衰减强，干扰大并且时变性大等特点。信号衰减是与所传输信号的频率及其物理位置相关联的。从总体上讲信号传输的距离越远，则信号衰减越严重。

对高频信号而言，非均匀分布的传输线上各种不同性质的负载在这根线的任意位置随机地连结和断开，因此，高频信号的传输必然存在可变的信号衰减，这种衰减与通信距离、信号的频率等都密切相关。

进行跨相传输时，衰减一般比同相要大10dB以上，但是有时也有例外。随着工频交流电的变化，信号衰减也会出现周期性的变化。在不同的时间段和不同的地点，衰减幅度也不同，有时会出现很大的变化。此外，衰减随工频电源的相位而变化。接收设备所处的位置不同，信号衰减也可能不同。

微电网和主网之间信息网络中的噪声主要可分为背景噪声和干扰噪声。背景噪声是典型的离散高斯型噪声。 由于配电线路阻抗变化较大使得干扰噪声成为其中难以解决的难题。

码元之间的串扰会严重影响通信质量。以单载波FSK为例，由文献可知当数据传输速率为R=0.5Mbps时,在一些频率点上信号发生严重畸变；当R=1.2Mbps时,几乎在整个频谱范围内都无法进行通信。

微电网和主网之间信息网络噪音干扰的来源主要有以下几个方面：

1）窄带噪声

窄带噪声来源于电网中的谐振现象，大多数为带调制幅度的正弦干扰信号，主要是由引入电力线的广播频带信号引起。

2）与系统频率无关的单事件脉冲噪声

由于电磁环境较为恶劣，电网中存在着各种形式的干扰，特别是脉冲干扰，有时能达几千伏。脉冲噪声主要是由电网中各种各样的开关操作引起。

脉冲噪音是电力线通信中存在的最大障碍。由于脉冲噪音具有瞬间、高能和覆盖频率范围广特点，因而对于载波信号传输的影响很大，不仅会造成信号的误码率高，使得接收装置无法对信号进行正确的纠错，它还使接收设备内部产生自扰，严重影响整个系统的工作。所以对这种干扰的抵御就显得尤其重要。

3）高斯噪声

可认为是电网的背景噪声，主要由配电变压器的高压边耦合所致。

微电网供电具有非集中化和本地化特点，能提高系统的稳定性，满足智能电网的要求。微电网控制系统各元件在运行中接受能量管理系统调度，同时上传自身的各种状态信息，通信方式的选择须适应微电网分布、复杂、灵活的特性。信道干扰和速率过低是实现数据实时性传输的主要障碍, 正交频分复用(OFDM)是一种目前被通信行业普遍看好的高效、多载波宽带数字调制技术。在目前高速数据通信中，传统的通信调制技术只能传输低速数据，OFDM技术是满足微电网高速数据传输的最有效手段之一。

发明内容

本发明所解决的技术问题是：提供一种微电网中的信息传输方法及装置，利用这种方法进行数据通信时，能避免由于干扰大、速率高而降低整个系统的性能，提高运行效率及准确性，满足微电网实时性要求。

本发明的技术方案是：一种微电网中的正交频分复用通信方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：将待传递的信息首先送入校验模块，在所述信息中增加校验码；

步骤2：所述信号送入扩频模块，用宽带的伪随机序列对信号进行调制,扩展频带、提高抗噪声干扰能力；

步骤3：将扩频后的信号进行快速反傅里叶变换，生成多个正交频分复用符号；

步骤4：对所述正交频分复用符号经滤波电路进行滤波，经过耦合电路耦合到载波上送入信道中。

本发明还提供一种微电网中的正交频分复用通信方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：将从信道接收的多个信号,实现同步；

步骤2：将接收到的信号与发送端所用的伪随机序列相乘进行解扩；

步骤3：解扩后的信号滤波电路进行滤波，经过耦合电路提取信号；

步骤4：将经过处理后的信号为多个正交频分复用符号利用快速傅里叶变换进行解调，恢复成为串行原始信号。

该方法还包括验证步骤：接收到信号（同上述问题）之后，包括首先检测接收到的OFDM信号中是否有差错；在接收到的OFDM信号中有差错的情况下，将重发请求信号重叠在预先指定的载波上来生成重发请求用OFDM信号。

本发明还提供一种微电网中的正交频分复用通信装置，其特征在于；

校验模块，用于在发送信息中增加校验码并对接收信息进行校验；

扩频模块，用宽带的伪随机序列对窄带的信号进行调制；

反傅里叶变换器，执行快速反傅里叶变换，产生多个正交频分复用符号；

滤波电路，用于对正交频分复用符号进行滤波；

耦合电路，用于将待传输的信息耦合到载波上；

发送装置，用于将信号发送到信道中。

本发明还提供一种微电网中的正交频分复用通信装置，其特征在于，

接收装置，用于从信道接收多个信号；

反扩频装置，将接受到信号与发送端所用的伪随机序列相乘,实现解扩；

滤波电路，用于对解扩后正交频分复用信号进行滤波；

耦合电路，用于提取信号。

傅里叶变换器，执行快速傅里叶变换，转换成串行信号；

进一步，该装置还包括校验模块，用于检测接收到的OFDM信号。

进一步，所述发送装置或接受装置为天线。

本发明在微电网与大电网及微电网之间信息的传输规约、信息传输方法、信道编码方式、检错与纠错方案，令牌总线式网络结构，提供一种微电网与大电网及微电网之间的通信装置，要求在干扰大，传输速率高的情况下，仍能满足系统要求。

为解决微电网与大电网及微电网之间抗衰减与噪声干扰问题提供一种解决方式。自适应均衡是解决信道衰落的有效手段，但是当系统传输速率很高时,尤其是在微电网这种复杂环境下，实现快速均衡其复杂性和成本都难以接受，微电网信息传输结构复杂，如图1为输电线树形网络结构。采用使每个子信道的速率降低以实现均衡较为简单。多载波通信技术之一的OFDM通过打开和关闭某些子信道的方式防止信道衰落和抗干扰，系统在最初工作时所有子信道上都发送数据，工作一段时间后如果通过检测反馈脉冲得知某个频段上的信号衰落和信噪比严重超过门限，发送端会自动关闭该段的子载波，避免引发误码。

为微电网与大电网及微电网之间的信息传输提供一种装置，基于OFDM技术的对多路低速载波进行调制，可以实现灵活的信道自适应，然后通过发送模块中的的滤波和耦合电路把经扩频的信息送入信道，在信道中利用扩频技术和关闭与开启不同频段的子载波抵抗干扰对信号的影响。在接收端，通过相反的处理过程恢复数据信息。输入的并行数据通过滤波器和耦合电路然后通过快速反傅里叶变换被解调，转换成频域子载波分量进而通过子载波解调映射将数据符号恢复出来，成为串行原始信号。

微电网与大电网及微电网之间信息的传输采用异步通信方式。微网发送端向多个终端发送信号，接受端接收到信号后首先检测接收到的OFDM信号中是否有差错；在接收到的OFDM信号中有差错的情况下，将重发请求信号重叠在预先指定的负载波上来生成重发请求用OFDM信号。解调部件重发请求用扩频码对接收到的重发请求用OFDM信号进行解扩来生成各组的解调信号。

所述以OFDM作为调制方式，采用问答式传输规约。作为发送端装置的单位微网向多个接收端装置发送特定的以脉冲为单位的信号，具体地说，发送端装置向接收同一组播用脉冲的接收端装置的集合（简称为组），一次发送固有的组播用脉冲，

所述组播用脉冲的解调信号中发生差错的情况下，所用的接收端装置向发送端装置同时发送包含重发请求信号的以脉冲为单位的重发请求用脉冲，具体地说各接收端装置向发送端装置同时在所用的接收端装置中公用的时间内发送将重发请求信号重叠在请求重发的组播用固有的副载波上所得的重发请求用脉冲。

通过延长前缀与增加载波数量方法，提高传输速率，降低干扰对传输性能的影响。微电网与大电网的高数据速率与子载波的数量有关，增加子载波数目，能够提高数据的传送速率。OFDM每个频带的调制方法可以不同，这增加了系统的灵活性。OFDM适用于多用户的高灵活度、高利用率的通信系统。接收端装置通过上述以脉冲为单位的信号的接收信号进行快速傅里叶变换处理，来提出重叠在各副载波上的信号。

  所述调制技术对于微电网和主网之间信息通道系统而言，采用离散多音频调制技术，把高速率的信源信息变成低速率的N路并行数据流，它与其它多载波调制技术不同点在于载波是相互正交的，在调制端串行码元序列经基带调制和串/并转换分别被调制在N个子载波上。

所述发送端高速串行数据经串/并转换转变为多路低速载波，由于是并行传输，每个子信道上进行窄带调制和传输，这样减少了子信道之间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的频率选择性衰落是平坦的，大大消除了符号间干扰，解决高速传输问题。

本发明于正交频分复用技术的信道编码方式，采用系统循环编码（n,k）码。式中参数n为信道中传输的码元个数，k为信息码个数，校验码个数为(n-k),遵守循环编码规则，帧格式采用可变帧长帧格式。信号可以通过傅立叶（反）变换产生，在频域把数据符号映射到子载波上，然后通过傅立叶（反）变换产生时域信号，称为一个子载波符号。在数据符号到子载波的映射过程中，不同的子载波可以采用不同的映射方式。例如，有的子载波可以采用BPSK（Binary Phase Shift Keying，二相相移键控），其他子载波如果具有较好的信道响应特性则可以采用效率更高的QPSK（Quadrature PhaseShift Keying，正交相移键控）。在子载波中分配多个固有的副载波，具体地说假设所有副载波数为k，对于子载波组1，分配副载波1和副载波k/2+1这两个副载波。而对于子载波组k/2，分配副载波k/2和副载波k这两个副载波。

在信道中受到突发干扰后错误图样多项式可记为E(x)=xiB(x)，要求发送码元个数的生成多项式g(x)为一项以上，且除不尽xi。由（n-k）次生成多项式g(x)形成的循环码要求（n-k）＞b，b为突发干扰长度。一旦某信道传输载波长度（n-k）≤b，则关闭该子信道。

利用伴随式计算及纠错，检测范围为突发干扰长度为（n-k）或小于（n-k）的突发错误。电力系统中由窄带噪声、单事件脉冲噪声引起的突发干扰强度大、危害程度最大。任意一种突发干扰错误图样可记为E(x)=xiB(x)，公式中B(x)为(b-1)次多项式，b为突发干扰长度，由于生成多项式g(x)除不尽B(x)，因此可检测出所有突发干扰长度为（n-k）或小于（n-k）的突发错误。

根据副载波的位置，各微网终端对产生了差错的固有脉冲中的副载波重新向主站发请求信号，生成重发请求用脉冲，各接收端装置在接收多个组脉冲的情况下，对产生误差的脉冲的副载波重发请求信号，生成重发请求用脉冲。

在多路径环境中，在对分配给各组脉冲的信号的一个副载波使用重叠了重发请求信号的重发请求用脉冲时，有该副载波传输的信号的接收电平极大的衰落的情况。在这种情况下，无论由哪一个接收端产生有关规定的组播用脉冲的重发请求，仍存在发送端装置错误识别为从那一个接收端装置中没有产生有关上述规定的组播用脉冲的重发请求的可能性。这时，可以将OFDM技术和扩频技术结合起来，兼具两者的优点，对多径效应引起的符号间干扰（ISI）也有很强的抵抗力。在信号发出端到数据接收终端之间信号的传输我们可以采用扩频调制解调方式，扩频通信用伪随机码，把基带信号的频谱进行扩展，形成相当带宽的低功率谱密度信号发射。接收端使用相关处理方法把信号恢复成原信号，经扩频处理的信号在传输过程中不易受干扰的影响，能克服信道噪声与干扰。

每一个微网单元作为一个终端，终端之间可以同时接收和发送信息，即每一个微网单元内都有接收模块和发送模块。图2为信息传输结构。

所述结构要求主网站点拥有更强的控制能力，规定只有主网站点有权产生令牌.并负责对令牌传递进行监控.正常运行时。先由主站点产生令牌.启动网络通信.令牌按站点号逻辑顺序传递。只有持有令牌的站点才能经总线发送信息。令牌持有者持有令牌的时间是有限制的，持有令牌的站点应在规定的时间内完成信息发送或者向后继站点传递令牌。若持牌站点没有信息需要发送，或者持有令牌的时间己到.就直接向后继站点传递令牌。当收到后继站点的应答信息时完成次令牌传递。没有得到令牌的站点不能主动向总线上发送信息，只能侦听、接收总线上的信急或响应询问。若侦听到其前趋站点传给本站点的令牌，应立即作出应答，从而成为令牌持有者。若侦听到的是呼叫本站点的其他信息,则先做应答然后进行相应的处理。

该发明具有如下优点： 1 、通过转换模块将实时到来的微电网数据分割成N个数据子流，进行并行处理，在信道中采用并行传输的方式，提高了数据流传输的效率，可有效满足微电网中数据流传输的实时性要求，提高了信息传输速率。

2、通过有线或无线方式实现数据采集、工业控制、状态查询等功能；

3、采用扩频技术，用伪随机码把基带信号的频谱进行扩展，形成相当带宽的低功率谱密度信号发射，能克服信道噪声与干扰。

4、利用伴随式计算及纠错，检测范围为突发干扰长度为（n-k）或小于（n-k）的突发错误。

5、微电网的分布式特性、海量的控制数据以及灵活多变的控制方式使得采用以往由调度中心统一判断、调度的集中式控制方式难以实现灵活、有效的调度。通过将控制权分散到各微电网元件,灵活处理由于干扰所产生的误码。

附图说明

图 1为输电线树形网络结构示意图。

图 2 信息传输结构示意图。

图3为系统信息发送部分的原理图。

图4为系统信息接受部分的原理图。

图5是为本发明的总体结构框图。

图中：

1、通信模块、2、微电网信息采集模块、3、微电网信息寄存器、

4、键盘、5、液晶显示、6、控制模块、7、核心单片机、8、天线

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步说明。

如图 1、图 2所示，输电线树形网络结构，电能沿输电线传输；信息传输结构，要求微电网之间可以进行信息交流，同时微电网与主网之间也可以进行信息传输；微电网采用基于多载波的正交频分复用技术，子载波采用问答式远程传输规约。微网发送端向多个终端发送信号，微电网与大电网及微电网之间信息的传输采用异步通信方式。

如图3所示为系统信息发送部分的原理图；

当微电网与大电网及微电网之间进行信息传输时，所传递的信息首先送入校验模块，在所传递的信息中增加校验码；接着送入扩频模块，用宽带的伪随机序列对窄带的信号进行调制,以达到扩展频带、提高抗噪声干扰能力目地；带有信息的码组进入变换模块后，信号进行IFFT（快速反傅立叶变换），基于OFDM技术的对多路低速载波进行调制，可以实现灵活的信道自适应，然后通过发送模块中的滤波和耦合电路把经扩频的信息送入信道，在信道中利用扩频技术和关闭与开启不同频段的子载波抵抗干扰对信号的影响。

如图4所示为系统信息接受部分的原理图；

在接收端，数据信息经天线，输入的并行数据通过滤波器和耦合电路然后通过快傅里叶变换被解调，转换成频域子载波分量进而通过子载波解调映射将数据符号恢复出来，成为串行原始信号。校验模块内，接收到信号后首先检测接收到的OFDM信号中是否有差错；在接收到的OFDM信号中有差错的情况下，将重发请求信号重叠在预先指定的负载波上来生成重发请求用OFDM信号。

检测范围为突发干扰长度为（n-k）或小于（n-k）的突发错误。式中参数n为信道中传输的码元个数，k为信息码个数，校验码个数为(n-k)。电力系统中由窄带噪声、单事件脉冲噪声引起的突发干扰强度大、危害程度最大。任意一种突发干扰错误图样可记为E(x)=xiB(x)，公式中B(x)为(b-1)次多项式，b为突发干扰长度，由于生成多项式g(x)除不尽B(x)，因此可检测出所有突发干扰长度为（n-k）或小于（n-k）的突发错误。

利用伴随式计算及纠错，根据副载波的位置，各微网终端对产生了差错的固有脉冲中的副载波重新向主站发请求信号，生成重发请求用脉冲，各接收端装置在接收多个组脉冲的情况下，对产生误差的脉冲的副载波重发请求信号，生成重发请求用脉冲。

如图5所示为本发明的总体结构框图；通信模块1与核心嵌入式单片机7的I/O口相连，同时通过天线8接收与发送信息。可以通过键盘4向核心嵌入式单片机7输入信息，有关设备的测量数据通过微电网信息采集模块前端接口2输入核心嵌入式单片机7。有关数据可以通过液晶显示器5显示出来，微电网信息寄存器与核心单片机7的I/O口相连，用于存储所采集的数据。

Claims (6)

1.一种微电网中的正交频分复用通信方法，其特征在于，该方法发送部分包括以下步骤：

步骤1：将待传递的信息首先送入校验模块，在所述信息中增加校验码；

步骤2：所述信号送入扩频模块，用宽带的伪随机序列对信号进行调制,扩展频带、提高抗噪声干扰能力；

步骤3：将扩频后的信号进行快速反傅里叶变换，生成多个正交频分复用符号；

步骤4：对所述正交频分复用符号经滤波电路进行滤波，经过耦合电路耦合到载波上送入信道中。

2.一种微电网中的正交频分复用通信方法，其特征在于，该方法接收部分包括以下步骤：

步骤1：将从信道接收的多个信号,实现同步；

步骤2：将接收到的信号与发送端所用的伪随机序列相乘进行解扩；

步骤3：解扩后的信号滤波电路进行滤波，经过耦合电路提取信号；

步骤4：将经过处理后的信号为多个正交频分复用符号利用快速傅里叶变换进行解调，恢复成为串行原始信号。

3.根据权利要求2所述的通信方法，其特征在于，该方法还包括验证步骤：接收到信号之后，包括首先检测接收到的OFDM信号中是否有差错；在接收到的OFDM信号中有差错的情况下，将重发请求信号重叠在预先指定的载波上来生成重发请求用OFDM信号。

4.一种微电网中的正交频分复用通信装置，其特征在于；

校验模块，用于在发送信息中增加校验码并对接收信息进行校验；

扩频模块，用宽带的伪随机序列对窄带的信号进行调制；

反傅里叶变换器，执行快速反傅里叶变换，产生多个正交频分复用符号；

滤波电路，用于对正交频分复用符号进行滤波；

耦合电路，用于将待传输的信息耦合到载波上；

发送装置，用于将信号发送到信道中。

5.一种微电网中的正交频分复用通信装置，其特征在于，

接收装置，用于从信道接收多个信号；

反扩频装置，将接受到信号与发送端所用的伪随机序列相乘,实现解扩； 

滤波电路，用于对解扩后正交频分复用信号进行滤波；

耦合电路，用于提取信号；

傅里叶变换器，执行快速傅里叶变换，转换成串行信号。

6.根据权利要求5所述的通信装置，其特征在于，该装置还包括校验模块，用于检测接收到的OFDM信号。

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