CN102984754A - 一种基于ofdm的电力无线传输的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于OFDM的电力无线传输的方法，结构上，依据节省网络节点、降低数据传输时延的思路，采用扁平化的网络部署方式，划分为“终端—接入设备—核心网设备—电网主站”四层，网络设备IP化，在电网主站可通过IP地址唯一识别；无线通道上，“物理层—数据链路层—无线资源控制层”三层通信协议体系，每一层采用一定的技术方案，完成数据的上传下达，最终在核心网设备中汇总整合，通过有线通信的方式与电网主站数据交互，实现电力数据传输。本发明将符合4G国际主流移动通信技术的发展趋势的OFDM等关键技术与电力行业授权频点结合，指导先进的无线通信技术在电力业务数据传输中的应用，搭建合理的有竞争力的无线传输通道。

Description

一种基于OFDM的电力无线传输的方法

技术领域

本发明属于电力系统通信领域，具体涉及一种基于OFDM的电力无线传输的方法。

背景技术

上世纪90年代起，230MHz数传电台在电力行业中得到广泛应用。数传电台以其设备简单、性能可靠等特点，促进电力负控业务的规模化应用。230MHz数传电台覆盖采用大区制、单点轮询的通信方式，在常规的超短波调频电台内部植入一个调制解调器（MODEM），发送数据时通过该MODEM的调制器把脉冲信号（即数据信号）转换成模拟信号，接收时则正好经历一个相反的过程，通过MODEM的解调器把接收到的模拟信号还原成脉冲信号。

在组网结构上，无线数传电台常用的组网方式有：

1.点对点：最基本的通讯方式；

2.点对多点：最常用的组网方式；若是数据采集系统多采用轮循（Polling）方式；若是报警系统多采用主动上报（Report）方式，亦可采用轮循和主动上报相结合的方式；

3.有中转（一级或多级）：当地形环境较差或通讯距离要求较远时，选用中转是解决问题的唯一办法；

4.多基站：城市面积大、建筑多的大城市中，将整个服务区域划分为若干个小型区域，在小区内由电台组成点到多点的网络，小区与小区间再通过无线链路进行连接；

5.线条形：对于通信地域非常狭长而中心控制室又在狭长地形的端点，这个情况下多采用线条形的组网形式；在线形的网络中每一个分站的数据均需要上一级分站进行差转。

但是，上述技术不足之处包括：

230数传电台覆盖采用大区制、单点轮询的通信方式，频谱利用率低，传输速度慢。实际应用中单基站轮循往往需要数个小时，个别繁忙地区甚至24小时内都无法完成轮询。

230MHz数传电台数据速率低（19.2kbps），无法满足多媒体业务的需求；只能实现点对点的传输，网络管理功能弱，不具备大规模组网的能力；相应的数传模块价格高。

电力行业基于当时的230MHz

数传电台应用特点、技术条件申请了40个25kHz的频谱资源（15对双工频点、10个单工频点）。模拟数传电台频谱规划中，无线信道分配的带宽通常比较窄，而且相邻信道之间还要保留一定的间隔。与大带宽连续频谱分配相比，这种离散的窄带频谱很难进行高速率的数据传输。

由上述分析可见，面对日益增长的电力无线数据传输的高速高效通信的需求，必须对这种频谱进行整合，从而提高传输速率。在现阶段，模拟电台大量存在的情况下，很难对已分配的频谱资源进行重新划分，只能考虑通过某种处理方法来实现频谱合并，或是通过频点置换、频点拓展等方式，获得连续频谱，在连续频谱上采用先进的无线通信技术，实现电力数据高速高效的无线传输。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种基于OFDM的电力无线传输的方法，方法基于在电力行业230MHz既有授权频点的基础上，引进符合4G国际主流移动通信技术的发展趋势的OFDM等关键技术，构造一种七层信息传输协议架构，在不同层采用不同协议传输数据，最终实现电力信息流的宽带传输；发明基于“终端—接入设备—核心网设备—电网主站”的硬件设备分层扁平化全IP化的组网结构，通过OFDM等技术的选用，建立一种各设备之间数据传输的七层协议架构，数据依据各层所采用的技术特性的原理及通信协议在不同架构层、不同设备之间有效传输，最终实现电力数据高速高效的无线传输。

本发明提供的一种基于OFDM的电力无线传输的方法，其改进之处在于，将网络进行分层，每层架构采用相应的技术控制，通过无线/有线通信方式实现电力数据传输。

其中，将网络进行分层是指在组网架构上，依据节省网络节点、降低数据传输时延的设计，采用扁平化的网络部署方式，将组网划分为“终端-接入设备-核心网设备-电网主站”四层组网，网络设备IP化，在电网主站通过IP地址唯一识别；

在数据传输的无线通道上，设置“物理层-数据链路层-无线资源控制层”三层通信协议体系。

其中，在接入设备与核心网设备之间，数据传输分为控制面和用户面，其中：

控制面接口用于传送无线接入承载建立相关的控制信令；

用户面接口用于提供路径和用户面隧道管理的信令信息，以及用户数据的传输。

其中，所述接入设备与核心网设备之间控制面的数据分层采用的控制技术包括：

PHY层：采用OFDM的调制和多址方式，TDD的双工模式，复合使用MIMO技术，向高层提供上下行时隙配比可调的数据并行传输服务；同时依靠信道编译码、AMC以及HARQ技术提高信号传输质量；若是所用频率为离散窄带，则通过载波聚合技术实现离散窄带的宽带传输；

MAC层：信道编译码与AMC相结合，完成从物理信道到逻辑信道的映射；动态调度，用于实现上下行物理资源的动态分配；通过DRX降低终端功耗，传输中通过频谱感知和干扰协调技术减少干扰；

RLC层：利用HARQ技术进行差错控制，同时对数据进行分组发送和重组接收，在确认模式下提供ARQ的功能；

PDCP层：对上层递交的IP数据包利用空口PDCP头压缩技术进行报头压缩；对用户面数据安全加密，对控制面数据进行完整性保护和验证；

其中MAC、RLC和PDCP一起构成数据链路层，负责无线链路的建立、维护、释放、以及链路之间数据的可靠传输。

其中，对于230MHz频段电力行业的既有授权频点，在PHY层采用载波聚合技术，实现离散窄带频点的宽带传输。

其中，当终端使用无线网络时，在终端和接入网设备之间，空中接口的控制面还包括无线资源控制（RRC）层，为不同的业务和控制数据建立各自的承载，承载在数据链路层和物理层中，由指定的信道进行传输。

其中，所述接入设备与核心网设备之间控制面的数据分层采用的控制技术包括：

IP层：在电网主站中，通过网管系统经由唯一的IP地址登记，通过IP地址唯一识别；

TCP层：设备之间进行TCP/IP协议传输数据，无论下面几层中传递上来的数据是什么样的格式，在TCP层统一封装再上传；

SCTP层：传输层协议，用于传送接入网与核心网间的S1-AP消息；

APP层：核心网设备与电网业务平台之间，通过电力业务相关协议，将汇总的电力数据上报到业务平台，同时将业务平台的一些控制信息下发。

其中IP层、TCP层、SCTP层和APP层为有线通信方式。

其中，所述接入设备与核心网设备之间用户面的数据分层采用的控制技术包括：

UDP层：与TCP相对应，面向非连接，不与对方建立连接，而是直接发送数据包；将网络数据流量压缩成数据包的形式；

GTP-U层：在接入网与核心网之间进行消息的隧道传输。用户面消息包括用户数据、路径和用户面隧道管理等的信令消息；

其中，所述核心网设备与所述电网主站之间采用SGi接口，为终端IP地址在电网主站的呈现点，完成IP数据的传输。

与现有技术比，本发明的有益效果为：

本发明将符合4G国际主流移动通信技术的发展趋势的OFDM等关键技术与电力行业授权频点结合，充分考虑授权频点的应用现状及未来频谱发展的可能性，结合电力通信网的布网策略及电力业务对于数据传输通道的需求，无论是在230MHz频段的既有授权频点还是其它可行的连续频段，指导先进的无线通信技术在电力业务数据传输中的应用，搭建合理的有竞争力的无线传输通道。

本发明的实施过程中采用TDD的双工方式，能更有效的支持非对称频谱，更加灵活的使用频率，提高频谱利用率；上下行资源配比可调，适用于不对称的上下行数据传输速率，特别适用于IP型的数据业务；4G国际主流移动通信发展趋势的技术特性的选用，在一定时间周期内（比如5～10年）保证系统的技术领先优势。

借鉴OSI七层模型框架性的设计方法，结合电力通信的需求，本发明设计一种适合于电力行业的七层协议架构，无线通道与有线通信相结合，实现电力数据的传输，其中无线通道方面，即七层协议架构的低层四层，每层采用一定的技术体制，实现相应的功能，便于理解以及故障的查找和纠错。

附图说明

附图1为本发明提供的一种基于OFDM的电力无线传输的方法的组网结构示意图；

附图2为本发明提供的一种基于OFDM的电力无线传输的方法的控制面数据传输的网络协议分层示意框图；

附图3为本发明提供的一种基于OFDM的电力无线传输的方法的用户面数据传输的网络协议分层示意框图；

附图4为本发明提供的一种基于OFDM的电力无线传输的方法的核心网与电网主站间的网络协议分层示意框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

坚强智能电网的建设涵盖“发、输、变、配、用、调”六个环节，数据在各个环节传输，形成“电力流、业务流、信息流”的有效传递；在数据传输通道上，前期物理电网的架设中，已形成以特高压为骨干网架，光纤、微波、卫星多种传输方式共存，光纤、电力线载波、光电复合缆、移动通信网、短距离微功率无线等多种通信方式复合的组网模式。尤其是在智能电网配用电环节的通信方式中，光纤通信为主，无线宽带传输为辅，作为光纤通信的有力备份和补充的模式，已逐渐成为电力行业的共识。频率资源作为无线宽带传输的一个重要影响因子，在部署行业无线网时便成为优先考虑因素。通过230数传电台的前期实施，电力行业在230MHz频段已获得40个离散的授权频点，鉴于有效、高效利用既有无线频谱资源争取拓宽获取连续授权频谱的行业频谱政策，本发明以电力行业既有授权频点为契机，引进OFDM等4G国际移动通信技术演进的关键技术，与电力行业的无线频谱资源分布及应用相结合，提出一种基于OFDM的电力无线传输的方法。

基于上述分析，本发明所提供的一种基于OFDM的电力无线传输的方法，在组网结构上，其示意图如图1所示，依据节省网络节点、降低数据传输时延的思路，采用扁平化的网络部署方式，划分为“终端—接入设备—核心网设备—电网主站”四层，网络设备IP化，在电网主站可通过IP地址唯一识别；在数据传输的无线通道上，“物理层—数据链路层—无线资源控制层”三层通信协议体系，每一层依据数据传输的特点及技术方案，完成数据的上传下达，并最终在核心网设备中汇总整合，通过光纤或网线等有线通信的方式与电网主站数据交互，完成电力无线数据的传输。

依据本发明提供的一种基于OFDM的电力无线传输的方法，数据在各层设备之间依据一定的传输协议，根据相应的传输通道模型，准确传递电力数据。下面将结合附图2～图4来说明本发明的网络协议分层示意框图：

本实施例提供的一种基于OFDM的电力无线传输的方法的网络协议分层数据传输，在接入设备与核心网设备之间，数据传输分为控制面和用户面，其中：

控制面接口主要用于传送无线接入承载建立相关的控制信令；

用户面接口主要用于提供路径和用户面隧道管理的信令信息，以及用户数据的传输。

附图2为接入设备与核心网设备之间控制面的数据分层传输示意框图：

PHY层：采用OFDM的调制和多址方式，以及TDD的双工模式，向高层提供上下行时隙配比可调的数据并行传输服务；通过信道编译码、自适应调制与编码技术，以及针对数据传输中可能存在差错而选用的HARQ技术，在实现高速数据传输的同时，提高信号的传输质量，保证信息可靠性；对于电力230MHz的既有授权频点，可在物理层采用载波聚合技术，以实现离散窄带频点的宽带传输；若是后续能够申请或是拓展到连续频段，则载波聚合为一可选技术。

在系统无线环境及天线配置等客观条件许可的情况下，PHY层还可采用MIMO技术，增加系统容量；MIMO技术与OFDM技术复合使用，可提供更好的数据传输速率。

PHY层还可实现的功能包括：物理信道的功率控制；小区搜索和频率和时间同步；随机接入和小区信号测量等，主要向上层提供物理信道资源。

MAC层：根据信道条件变化，信道编译码与AMC结合，完成从物理信道到逻辑信道的映射；动态调度，实现上下行物理资源的动态分配；

根据230MHz频段电力行业既有授权频点的分布特点，信息的无线传输系统采用同频组网的方式来提高频谱利用率，此时不可避免的会产生同频干扰问题，可通过干扰协调技术，利用频带规划、用户分组、下行功率分配等手段有效降低小区间的干扰水平；若是受到来自230数传电台的系统间干扰，可利用频谱感知技术，动态调度系统工作频点，在230数传电台工作时冲突避让，提高系统的适用性。

同时MAC层还完成随机接入的控制，上报PHY层的测量等功能；利用DRX技术，降低终端功耗，绿色节能。

RLC层：利用HARQ技术进行差错控制，保证信息传输的可靠性；同时对数据进行分组发送和重组接收，在确认模式下提供ARQ的功能；

PDCP层：对上层递交过来的IP数据包利用空口PDCP头压缩技术，对IP/UDP/RTP报头进行有效压缩，有效提高信道效率和分组数据的有效性，保证在有限的频带资源内传输更多的有效数据内容；

采用安全加密技术，对于空口数据，信息传输的密钥协商和双向鉴权，以及网络透传的端到端加密等多种安全机制的共同实施，对用户面数据进行加密和解密，保证通信的安全；同时对控制面数据进行完整性保护和验证；MAC层、RLC层和PDCP层一起构成数据链路层，负责无线链路的建立、维护、释放、以及链路之间数据的可靠传输；

在终端和无线网络之间，空中接口还包括无线资源控制（Radio Resource Control，RRC）层，为不同的业务和控制数据建立各自的承载，承载在数据链路层和物理层中，由指定的信道进行传输。

RRC协议负责管理无线资源控制；

RRC功能包括：系统信息的广播；基站和UE间的连接控制；承载建立、释放和配置；小区测量，小区选择和重选。

RRC还参与控制数据加密解密，数据完整性保护的工作。

本实施例为7层的架构，除上述说的PHY层、MAC层、RLC层和PDCP层主无线通道部分外，还有四层，其通信方式为有线通信，可作为对前四层无线通道传输的进一步架构上的补充：

IP层：所有接入设备和核心网设备，在电网主站中，通过网管系统经由唯一的IP地址登记在案，可通过IP地址唯一识别；IP层通过数据包包头的解析、封装等处理，识别源/目标IP地址，并通过路由选择、流量控制和拥塞控制等技术，将数据发往适当的目标节点。

TCP层：设备之间走TCP/IP协议传输数据，无论下面几层中传递上来的数据是什么样的格式，在TCP层统一封装再上传；将数据包进行排序，利用校验和函数及超时重传技术进行错误检查。

SCTP层：传送接入网与核心网间的S1-AP消息；

APP层：核心网设备与电网业务平台之间，通过电力业务相关协议，将汇总的电力数据上报到业务平台，同时将业务平台的一些控制信息下发。

其中，IP层、TCP层、SCTP层和APP层这四层采用光纤/网线的有线通信方式。从图中可以看到，SCTP和TCP水平在同一个层级上，但是分属于不同的设备。网络的分层，可能某层根据硬件结构的不同，虽然功能大致相同，但是说法和叫法不一样，例如终端的TCP层和接入设备的SCTP层。

附图3为接入设备与核心网设备之间用户面的数据分层传输示意框图，其所应用的协议多数与附图2所列的控制面的数据分层传输类似，其中：

UDP层：与TCP相对应，面向非连接，不与对方建立连接，而是直接发送数据包；将网络数据流量压缩成数据包的形式；

GTP-U层：在接入网与核心网之间进行消息的隧道传输。用户面消息包括用户数据、路径和用户面隧道管理等的信令消息；

附图4为核心网与电网主站间的网络协议分层示意框图，采用SGi接口，为终端IP地址在电网主站的呈现点，最终完成IP数据的传输。

本发明的缩略语、英文和关键术语定义列表

1、OFDM：Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用；

2、TDD：Time Division Duplexing，时分双工；

3、PHY：Physical Layer，物理层；

4、MAC：Media Access Control，媒质接入控制；

5、RLC：Radio Link Control，无线链路控制；

6、PDCP：Packet Data Convergence Protocol，分组数据汇聚协议；

7、IP：Internet Protocol，网络之间互连的协议；

8、TCP：Transmission Control Protocol，传输控制协议；

9、APP：Application Layer，应用层；

10、S1-AP：S1Application Protocol，S1应用协议；

11、SCTP：Stream Control Transmission Protocol，流控制传输协议；

12、UDP：User Datagram Protocol，用户数据包协议；

13、GTP-U：GPRS Tunneling Protocol for the user plane，用户面GPRS隧道协议；

14、DTX/DRX：Discontinuous Transmission/Discontinuous Reception，不连续发送/接收；

15、RRC：Radio Resource Control，无线资源控制；

16、AMC：Adaptive Modulation and Coding，自适应调制与编码；

17、OSI：Open System Interconnection，开放系统互连。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种基于OFDM的电力无线传输的方法，其特征在于，将网络进行分层，每层架构采用相应的技术控制，通过无线/有线通信方式实现电力数据传输。

2.如权利要求1所述的电力无线传输的方法，其特征在于，将网络进行分层是指在组网架构上，依据节省网络节点、降低数据传输时延的设计，采用扁平化的网络部署方式，将组网划分为“终端—接入设备—核心网设备—电网主站”四层组网，网络设备IP化，在电网主站通过IP地址唯一识别；

在数据传输的无线通道上，设置“物理层—数据链路层—无线资源控制层”三层通信协议体系。

3.如权利要求2所述的电力无线传输的方法，其特征在于，在接入设备与核心网设备之间，数据传输分为控制面和用户面，其中：

控制面接口用于传送无线接入承载建立相关的控制信令；

用户面接口用于提供路径和用户面隧道管理的信令信息，以及用户数据的传输。

4.如权利要求2所述的电力无线传输的方法，其特征在于，所述接入设备与核心网设备之间控制面的数据分层采用的控制技术包括：

PHY层：采用OFDM的调制和多址方式，TDD的双工模式，复合使用MIMO技术，向高层提供上下行时隙配比可调的数据并行传输服务；同时依靠信道编译码、AMC以及HARQ技术提高信号传输质量；若是所用频率为离散窄带，则通过载波聚合技术实现离散窄带的宽带传输；

MAC层：信道编译码与AMC相结合，完成从物理信道到逻辑信道的映射；动态调度，用于实现上下行物理资源的动态分配；通过DRX降低终端功耗，传输中通过频谱感知和干扰协调技术减少干扰；

RLC层：利用HARQ技术进行差错控制，同时对数据进行分组发送和重组接收，在确认模式下提供ARQ的功能；

PDCP层：对上层递交的IP数据包利用空口PDCP头压缩技术进行报头压缩；对用户面数据安全加密，对控制面数据进行完整性保护和验证；

其中MAC、RLC和PDCP一起构成数据链路层，负责无线链路的建立、维护、释放、以及链路之间数据的可靠传输。

5.如权利要求4所述的电力无线传输的方法，其特征在于，对于230MHz频段电力行业的既有授权频点，在PHY层采用载波聚合技术，实现离散窄带频点的宽带传输。

6.如权利要求2所述的电力无线传输的方法，其特征在于，当终端使用无线网络 时，在终端和接入网设备之间，空中接口的控制面还包括无线资源控制层，为不同的业务和控制数据建立各自的承载，承载在数据链路层和物理层中，由指定的信道进行传输。

7.如权利要求4所述的电力无线传输的方法，其特征在于，所述接入设备与核心网设备之间控制面的数据分层采用的控制技术包括：

IP层：在电网主站中，通过网管系统经由唯一的IP地址登记，通过IP地址唯一识别；

TCP层：设备之间进行TCP/IP协议传输数据，在TCP层统一封装再上传；

SCTP层：传输层协议，用于传送接入网与核心网间的S1-AP消息；

APP层：核心网设备与电网业务平台之间，通过电力相关业务通信协议，将汇总的电力数据上报到业务平台，同时将业务平台的一些控制信息下发。

8.如权利要求1所述的电力无线传输的方法，其特征在于，所述接入设备与核心网设备之间用户面的数据分层采用的控制技术包括：

UDP层：与TCP相对应，面向非连接，不与对方建立连接，而是直接发送数据包；将网络数据流量压缩成数据包的形式；

GTP-U层：在接入网与核心网之间进行消息的隧道传输。用户面消息包括用户数据、路径和用户面隧道管理等的信令消息。

9.如权利要求1所述的电力无线传输的方法，其特征在于，所述核心网设备与所述电网主站之间采用SGi接口，为终端IP地址在电网主站的呈现点，完成IP数据的传输。 

Images