CN103001665A - 电力线通信系统中网络负载匹配平衡的调节方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力线系统中网络负载匹配平衡的调节方法及其装置，其方法包括以下步骤：S1、主节点将训练序列和网络调度指令进行组帧，并通过耦合器将信号传输至电力线；S2、各从节点通过耦合器接收发送信号，利用训练序列解调接收信号，提取网络调度指令，并根据调度指令调整从节点端的网络负载；S3、主节点获得主节点到各从节点间或各从节点到主节点间的信道冲激响应信息；S4、主节点根据所述信道冲激响应参数获得网络负载匹配程度，并计算各从节点可变负载值，产生网络调度指令；S5、若满足预设条件，主节点停止调度，否则主节点返回步骤S1进行再次调度。本发明有效利用了电力线路本身的网络资源，具有实时性强、效率高、成本低等优点。

Description

电力线通信系统中网络负载匹配平衡的调节方法及其装置

技术领域

本发明涉及电力线系统调节网路负载匹配技术领域，特别涉及一种电力线通信系统中网络负载匹配平衡的调节方法及其装置。

背景技术

电力传输系统中，对于中压和低压网络，由于终端较多、接入负载变化频繁以及由于线路老化、短路或者断路造成的线路失衡，导致负载的情况不稳定，因此，输电网络往往长期处于负载不匹配的状态。输电网络的负载不匹配会导致电力线的功率品质降低，也就意味着电力线的传输效能降低，产生较多的能量耗散，导致电网供电不稳定，甚至可能会产生安全隐患。因此，为了提高电力网络品质，对于电力线网络的负载匹配调节在电力传输系统中是十分重要的。

目前对电力线负载匹配的调节方法仅仅局限在对单一时间对单个终端测量后进行调节匹配，但是在正常情况下，电力线网络由于负载很多以及自身拓扑结构原因会非常复杂，不可能仅由单一时间的单端阻抗测量和调节就达到较好的匹配，因此实际的应用情况并不好；而利用人工对于网络负载进行调节的方法则工作量太大，还需要额外的测量仪器，非常不方便，效率很低，灵活性也不够。

由于负载网络的阻抗不匹配造成了电力线网络对电磁波的信号反射，形成了多径干扰，这会对利用电力网络进行通信产生一定影响；但反过来，亦可以通过电力线通信系统中获得信道冲激响应评估电力线网络的负载匹配程度。一般我们认为，当整个负载网络完全匹配或匹配较好的时候，传输网络信道的多径会完全消失或降低至很小范围，因此我们调节负载网络至匹配的过程可以用多径效应是否减小来指示。在一定的误差容忍度下，当降低信道冲激响应中的从径到合理水平以下时，就可以认为电力线网络达到了负载阻抗匹配。

随着世界范围内能源消耗快速增长，以及由于过度使用和浪费导致的传统能源的逐渐枯竭，如何更好地、高效地利用现有能源、如何提高电力传输线的功率品质成为当前的主要难题。基于电力线通信的电力网络负载匹配调节方案，相比于其他各种电力网络匹配调节的方法，具有实时性强、成本低、效率高等众多优点，有利于电力能源的合理高效利用。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种电力线通信系统中网络负载匹配平衡的调节方法及其装置，利用输电线电路收集、分析电力线网络的负载情况，并做出负载调节调度。

（二）技术方案

本发明提供一种电力线系统中网络负载匹配平衡的调节方法，包括以下步骤：

S1、主节点将训练序列和网络调度指令进行组帧，并通过耦合器将信号传输至电力线；

S2、各从节点通过耦合器接收发送信号，利用训练序列解调接收信号，提取网络调度指令，并根据调度指令调整从节点端的网络负载；

S3、主节点获得主节点到各从节点间或各从节点到主节点间的信道冲激响应信息；

S4、主节点根据所述信道冲激响应参数获得网络负载匹配程度，并计算各从节点可变负载值，产生网络调度指令；

S5、若满足预设条件，主节点停止调度；否则主节点返回步骤S1进行再次调度。

其中，在步骤S1中，所述训练序列包括：时域训练序列和频域训练序列；所述网络调度指令进行组帧采用OFDM方式组帧，所述OFDM方式组帧包括：TDS-OFDM、CP-OFDM或ZP-OFDM。

其中，在步骤S2中，所述调节从节点端的网络负载方式为：在从节点端并联定量的负载，负载可以是感性的、容性的、阻性的或者是这三种的任意的组合

其中，本方法提供“主发从收”和“从发主收”两种工作模式，若采用“主发从收”模式，步骤S3具体包括：S301、各从节点利用已知训练序列计算主节点到从节点间的传输信道冲激响应；S302、各从节点将已知训练序列和所获得的信道冲激响应信息及其他待传输信息进行组帧，并依次通过耦合器将信号送入电力线回传到主节点；S303、主节点通过耦合器接收从节点反馈的信号，并解调获得主节点到从节点间的传输信道冲激响应信息；

若采用“从发主收”模式，步骤S3具体包括：S311、各从节点将已知训练序列和待传输信息进行组帧，并依次通过耦合器将组帧信号送入电力线回传到主节点；S312、主节点通过耦合器接收从节点反馈的信号，利用从节点发射的训练序列计算得到从节点到主节点间的传输信道冲激响应信息；

其中，在步骤S4中，所述信道冲激响应参数包括：从径的总能量相对于主径的能量大小，各从径相对于主径的幅度大小，各从径之间的相对幅度大小，从径相对于主径的时延以及从径之间的时延。

其中，在步骤S5中，所述预设条件包括：从径的总能量最小或小于预设值，从径的数量最少或少于预设值，从径的幅度最小或小于预设值，从径幅度之和最小或小于预设值。

优选地，所述的训练序列相比于待传输信号，功率加倍或者长度加长，用于获得更精确信道冲激响应估计，训练序列的初始归一化功率为1，功率可以增加到2倍、3倍或4倍，训练序列的长度不超过OFDM长度的一半。

其中，在步骤S301和步骤S312之前，进行高倍过采样，用于获得更精确的信道冲激响应估计，所述高倍采样包括2倍、3倍、4倍、6倍或8倍。

本发明还提供一种电力线通信系统中网络负载匹配平衡的调节装置，该装置包括：

主节点包括:

信号调制单元，用于根据系统的需求将产生的网络调度指令数据进行OFDM调制，并将已知的训练序列与OFDM符号进行组合、组帧，输出到耦合器单元；

耦合器单元，用于将信号调制单元输出的信号耦合到电力线上进行传输，或用于将电力线上的信号耦合接收下来并传输给信号解调单元进行处理；

信号解调单元，用于将从耦合单元上接收到的信号通过训练序列进行同步、信道冲激响应估计、对传输数据进行纠错译码后解调出网络调度指令数据；

信道冲激响应计算单元，用于节点利用接收到的序列和已知的训练序列进行信道冲击响应的估计；

网络负载匹配程度计算单元，用于主节点根据传输信道冲击响应参数计算网络负载匹配程度；

网络调度指令产生单元，用于主节点根据网络负载匹配程度产生待传输的网络调度指令数据。

从节点包括：

耦合器单元，用于将信号调制单元输出的信号耦合到电力线上进行传输，或用于将电力线上的信号耦合接收下来并传输给信号解调单元进行处理；

信号调制单元，用于根据系统的需求将产生的数据进行OFDM调制，并将已知的训练序列与OFDM符号进行组合、组帧，输出到耦合器单元；

信号解调单元，用于将从耦合单元上接收到的信号通过训练序列进行同步、信道冲激响应估计、对传输数据进行纠错译码后解调出网络调度指令数据；

信道冲激响应计算单元，用于节点利用接收到的序列和已知的训练序列进行信道冲击响应的估计；

数据产生单元，用于节点产生所需的待传输的数据。

（三）有益效果

本发明提供的电力线通信系统中网络负载匹配平衡的调节方法及其装置，利用输电线电路收集、分析电力线网络的负载情况，并作出负载调节调度，对于网络整体实时调节电力线网络负载匹配，无需外加测量仪器或者进行人工调节，有效利用了电力线路本身的网络资源，符合创建节约型社会的要求，具有实时性强、效率高、成本低等优点。

附图说明

图1为本发明电力线系统中网络负载匹配平衡的调节方法步骤流程图；

图2为本发明电力线通信系统中网络负载匹配平衡调节方法节点拓扑结构图；

图3为本发明实施例1电力线通信系统中网络负载匹配平衡的调节方法流程图；

图4为本发明实施例1电力线通信系统中网络负载匹配平衡的调节方法节点接收和发送框图；

图5为本发明实施例1电力线通信系统中网络负载匹配平衡的调节方法的帧结构示意图；

图6为本发明实施例2电力线通信系统中网络负载匹配平衡的调节方法流程图；

图7为本发明实施例2电力线通信系统中网络负载匹配平衡的调节方法节点接收和发送框图；

图8为本发明实施例2电力线通信系统中网络负载匹配平衡的调节方法的帧结构示意图；

图9为本发明实施例3电力线通信系统中网络负载匹配平衡的调节方法节点接收和发送框图；

图10为本发明实施例4电力线通信系统中网络负载匹配平衡的调节方法节点接收和发送框图；

图11为本发明实施例1中电力线通信系统中网络负载匹配平衡的调节方法对应的装置工作原理图；

图12为本发明实施例2中电力线通信系统中网络负载匹配平衡的调节方法对应的装置工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本发明提供一种电力线系统中网络负载匹配平衡的调节方法，包括以下步骤：

S1、主节点将训练序列和网络调度指令进行组帧，并通过耦合器将信号传输至电力线；

S2、各从节点通过耦合器接收发送信号，利用训练序列解调接收信号，提取网络调度指令，并根据调度指令调整从节点端的网络负载；

S3、主节点获得主节点到各从节点间或各从节点到主节点间的信道冲激响应信息；

S4、主节点根据所述信道冲激响应参数获得网络负载匹配程度，并计算各从节点可变负载值，产生网络调度指令；

S5、若满足预设条件，主节点停止调度；否则主节点返回步骤S1进行再次调度。

在步骤S1中，所述训练序列包括：时域训练序列和频域训练序列；所述网络调度指令进行组帧采用OFDM方式组帧，所述OFDM方式组帧包括：TDS-OFDM、CP-OFDM或ZP-OFDM。

在步骤S2中，所述调节从节点端的网络负载方式为：在从节点端并联定量的负载，负载可以是感性的、容性的、阻性的或者是这三种的任意的组合。

采用“主发从收”工作模式，步骤S3具体包括：

S301、各从节点利用已知训练序列计算主节点到从节点间的传输信道冲激响应；

S302、各从节点将已知训练序列和所获得的信道冲激响应信息及其他待传输信息进行组帧，并依次通过耦合器将信号送入电力线回传到主节点；

S303、主节点通过耦合器接收从节点反馈的信号，并解调获得主节点到从节点间的传输信道冲激响应信息；

采用“从发主收”工作模式，步骤S3具体包括：

S311、各从节点将已知训练序列和待传输信息进行组帧，并依次通过耦合器将组帧信号送入电力线回传到主节点；

S312、主节点通过耦合器接收从节点反馈的信号，利用从节点发射的训练序列计算得到从节点到主节点间的传输信道冲激响应信息；

在步骤S4中，所述信道冲激响应参数包括：从径的总能量相对于主径的能量大小，各从径相对于主径的幅度大小，各从径之间的相对幅度大小，从径相对于主径的时延以及从径之间的时延。

在步骤S5中，所述预设条件包括：从径的总能量最小或小于预设值，从径的数量最少或少于预设值，从径的幅度最小或小于预设值，从径幅度之和最小或小于预设值。

所述的训练序列相比于待传输信号，功率加倍或者长度加长，用于获得更精确信道冲激响应估计，训练序列的初始归一化功率为1，功率可以增加到2倍、3倍或4倍，训练序列的长度不超过OFDM长度的一半。

在步骤S301和步骤S312之前，进行高倍过采样，用于获得更精确的信道冲激响应估计，所述高倍采样包括2倍、3倍、4倍、6倍或8倍。

实施例1

实施例1给出了本发明提出的方案用于电力线系统中基于TDS-OFDM技术的网络负载匹配平衡调节的一种具体实施方式。

本实施方式针对PLC系统的一种典型的多载波工作模式，具体参数如下：载波模式Z=3780，发射端星座图映射方式为16QAM，帧头模式PN420，FEC码率为0.4。

如图3和图4所示，依照本发明实施方案调节本实施例所述的网络负载匹配平衡的方法，并参考图2节点的拓扑结构图所示，本实施例的调节方法采用“主发从收”工作模式（主发从收的意思是指：主节点发送信道估计序列，从节点接收，在从节点处进行信道的冲激响应估计），其具体步骤如下：

S1、主节点将训练序列和网络调度指令进行组帧，并通过耦合器将信号传输至电力线；在步骤S1中，所述训练序列包括：时域训练序列和频域训练序列；所述网络调度指令进行组帧采用OFDM方式组帧，所述OFDM方式组帧包括：TDS-OFDM、CP-OFDM或ZP-OFDM。

本实施例中，在主节点中，待发送数据首先经过FEC编码，然后进行16QAM星座映射获得频域的符号X_k，每3780个频域符号X_k构成一个OFDM符号，经过长度为3780的IDFT（IFFT）变换将每一个频域符号X_k对应到相应的子载波上；在时域，符号长度为420的PN序列被置于OFDM符号的前端作为帧头进行组帧，发送的PN序列的功率为0dBm，帧结构如图4所示，然后利用均方根升余弦脉冲进行时域成型滤波，对处理过的信号进行上变频和功率放大后耦合进入电力线进行信号的传输。

S2、各从节点通过耦合器接收发送信号，利用训练序列解调接收信号，提取网络调度指令，并根据调度指令调整从节点端的网络负载；所述调节从节点端的网络负载方式为：在从节点端并联定量的负载，负载可以是感性的、容性的、阻性的或者是这三种的任意的组合。

本实施例中，各从节点通过耦合器从电力线中接收信号，接收到的信号被下变频，经过均方根升余弦脉冲滤波和采样；采样后的数据相应进行同步、信道计算和FFT。从传输的数据中提取出网络调度指令，根据指令调整从节点端的网络负载，对本节点的负载阻抗进行调节。

S3、主节点获得主节点到各从节点间或各从节点到主节点间的信道冲激响应信息。

采用“主发从收”模式，具体包括：

S301、各从节点利用已知训练序列计算主节点到从节点间的传输信道冲激响应；

本实施例中，在进行信号同步之后，就可以进行信道频率响应计算了。由于一段具有良好自相关性的已知PN序列（时域训练序列）作为帧头在步骤S1中被插入，我们利用PN序列作为信道冲激响应估计信号。对于每一个信号帧，将接收到的PN序列和本地的PN序列进行相关就可以获得信道的冲激响应h(t)。

具体的原理如下：

电力线信道可以用一个多径函数来建模，冲激响应如下：

$h\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{g}_i\·\mathrm{\δ}(t-{\mathrm{\τ}}_i)---\left(1\right)$

其中，g_i是每一径的衰减参数，其表达式和涵义将在下文从传输线理论予以解释。

假设待传输的原始信号时s(n)，加性的噪声为n(n),那么接收信号的采样可以表达为：

$y\left(n\right)=s\left(n\right)\⊗h\left(n\right)+n\left(n\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{g}_{i}s(n-{\mathrm{\τ}}_i)+n\left(n\right)---\left(2\right)$

由于PN序列具有良好的自相关性，信道的冲激响应计算可以表示为接收信号与已知PN序列的相关：

h(n)＝R_py(n)       （3）

其中R_py(n)表示接收信号与已知PN序列的相关。

S302、各从节点将已知训练序列和所获得的信道冲激响应信息及其他待传输信息进行组帧，并依次通过耦合器将信号送入电力线回传到主节点；

本实施例中，训练序列和信道冲激响应信息组帧的具体实施方式与本实施例的步骤S1相同，在此不再赘述。

S303、主节点通过耦合器接收从节点反馈的信号，并解调获得主节点到从节点间的传输信道冲激响应信息；

本实施例中，主节点通过耦合器从电力线中接收信号，接收到的信号被下变频，经过均方根升余弦脉冲滤波和采样；采样后的数据相应进行同步、信道计算和FFT。之后就可以获得传输数据中的主节点到从节点间的信道冲激响应信息。

S4、主节点根据主节点到从节点的信道冲激响应参数获得网络负载匹配程度，并计算各从节点可变负载值，产生网络调度指令；在步骤S4中，所述信道冲激响应参数包括：从径的总能量相对于主径的能量大小，各从径相对于主径的幅度大小，各从径之间的相对幅度大小，从径相对于主径的时延以及从径之间的时延。

本实施例中，采用的是“主发从收”的工作模式，因此把主节点到从节点的信道冲激响应作为分析的对象，我们选取冲激响应中从径的总能量与主径的能量之比作为主要参数用作调度分析。

根据前文的分析，在电力线信道中，信道是天然的多径信道，因此在负载阻抗不匹配的情况下，主节点到任意一个从节点的信道的冲激响应会有多径出现：其中幅度较大、延时最短的是从主节点到从节点的直通路径；其余的从径则是由于阻抗失配导致的反射造成的，幅度较小、延时较长。

我们根据主节点到不同从节点的信道参数，计算每一个从节点所需调节的可变负载值，形成整体网络的调度指令。

S5、若满足预设条件，主节点停止调度；否则主节点产生网络调度指令，返回步骤S1进行再次调度；在步骤S5中，所述预设条件包括：从径的总能量最小或小于预设值，从径的数量最少或少于预设值，从径的幅度最小或小于预设值，从径幅度之和最小或小于预设值。

根据前文分析，当负载阻抗匹配时，多径会消失，电力传输达到最大的效率；但是一般情况下，由于所需调节的电力负载网络十分复杂，几乎不可能通过有限次的精确调节将网络的所有负载阻抗调节匹配。因此，我们需要在时间和效果之间进行折中选择。

本实施例中，我们选取的预设条件是从径的总能量最小或小于预设值，每次记录的从径总能量与主径能量的比值，并与上次记录比值比较，确认每次的负载调节可以使从径的总能量逐渐降低。具体的判断标准是，某一次调节后的从径总能量比前一次值变化小于0.5%，或者从径的总能量占与主径的能量比小于5%，就可以认定该次的调节达到了最优，整个网络的负载匹配得到了最优化；如果不满足，就需要产生网络调度指令，返回步骤S1再次调度。

实施例2

实施例2给出了本发明提出的方案用于电力线系统中基于TDS-OFDM技术的网络负载匹配平衡调节的一种具体实施方式。

本实施方式针对PLC系统的一种典型的多载波工作模式，具体参数如下：载波模式Z=3780，发射端星座图映射方式为QPSK，帧头长度加倍采用模式PN945，FEC码率为0.6。

如图6和图7所示，依照本发明实施方案调节本实施例所述的网络负载匹配平衡的方法，并参考图2节点的拓扑结构图所示，本实施例采用“从发主收”的工作模式（从发主收的意思是指：从节点发送信道估计序列，主节点接收，在主节点处进行信道的冲激响应估计），其具体步骤如下：

S1、主节点将训练序列和网络调度指令进行组帧，并通过耦合器将信号传输至电力线；在步骤S1中，所述训练序列包括：时域训练序列和频域训练序列；所述网络调度指令进行组帧采用OFDM方式组帧，所述OFDM方式组帧包括：TDS-OFDM、CP-OFDM或ZP-OFDM。

本实施例中，在主节点中，待发送数据首先经过FEC编码，然后进行QPSK星座映射获得频域的符号X_k，每3780个频域符号X_k构成一个OFDM符号，经过长度为3780的IDFT（IFFT）将每一个频域符号X_k变换到时域一个相应的子载波上；在时域，为了提高信道冲激响应估计的精度，将训练序列的长度加长，采用长度为925的PN序列作为训练序列，置于OFDM符号的前端作为帧头进行组帧，同时将训练序列的功率增加为原来的2倍，功率为3dBm，帧结构如图9所示然后利用均方根升余弦脉冲进行时域成型滤波将信号的带宽进行限制，对处理过的信号进行上变频和功率放大后耦合进入电力线进行信号的传输。

S2、各从节点通过耦合器接收发送信号，利用训练序列解调接收信号，提取网络调度指令，并根据调度指令调整从节点端的网络负载；在步骤S2中，所述调节从节点端的网络负载方式为：在从节点端并联定量的负载，负载可以是感性的、容性的、阻性的或者是这三种的任意的组合。

本实施例中，各从节点通过耦合器从电力线中接收信号，接收到的信号被下变频，经过均方根升余弦脉冲滤波和采样；采样后的数据相应进行同步、信道计算和FFT。从传输的数据中提取出网络调度指令，根据指令调整从节点可变负载，对本节点的负载阻抗进行调节。

S3、主节点获得主节点到各从节点间或各从节点到主节点间的信道冲激响应信息。

采用“从发主收”模式，具体包括：

S311、各从节点将已知训练序列和待传输信息进行组帧，并依次通过耦合器将组帧信号送入电力线回传到主节点；

本实施例中，训练序列组帧的具体实施方式与本实施例的步骤S1相同，在此不再赘述。

S312、主节点通过耦合器接收从节点反馈的信号，利用从节点发射的训练序列计算得到从节点到主节点间的传输信道冲激响应信息；

本实施例中，主节点通过耦合器从电力线中接收信号，接收到的信号被下变频，经过均方根升余弦脉冲滤波和采样；采样后的数据相应进行同步、信道计算和FFT。

本实施例中，采用的是“从发主收”的工作模式。为了防止信道冲激响应没有落到采样点上而造成的估计不准，对接收到的信号进行4倍过采样，从而获得更精确的信道冲激响应估计。在进行信号同步之后，就可以进行信道频率响应计算了。由于一段具有良好自相关性的已知PN序列（时域训练序列）作为帧头在步骤S1中被插入，我们利用PN序列作为信道监测信号。对于每一个信号帧，将接收到的PN序列和本地的PN序列进行相关就可以获得信道的冲激响应h(t)。

S4、主节点根据从节点到主节点的信道冲激响应中多径的幅度、位置参数获得网络负载匹配程度，并计算各从节点可变负载值，产生网络调度指令；在步骤S4中，所述信道冲激响应参数包括：从径的总能量相对于主径的能量大小，各从径相对于主径的幅度大小，各从径之间的相对幅度大小，从径相对于主径的时延以及从径之间的时延。

本实施例中，由于采用的是“从发主收”的工作模式，因此把从节点到主节点的信道冲激响应作为分析的对象，我们选取冲激响应中从径和主径之间的延时大小和从径的数量作为主要参数用作调度分析。

根据前文的分析，在电力线信道中，信道是天然的多径信道，因此在负载阻抗不匹配的情况下，主节点到任意一个从节点的信道的冲激响应会有多径出现：其中幅度较大、延时最短的是从主节点到从节点的直通路径；其余的从径则是由于阻抗失配导致的反射造成的，幅度较小、延时较长。

我们根据不同从节点到主节点的信道参数，计算每一个从节点所需调节的可变负载值，形成整体网络的调度指令。

S5、若满足预设条件，主节点停止调度；否则主节点产生网络调度指令，返回步骤S1进行再次调度；在步骤S5中，所述预设条件包括：从径的总能量最小或小于预设值，从径的数量最少或少于预设值，从径的幅度最小或小于预设值、从径幅度之和最小或小于预设值。

根据前文分析，当负载阻抗匹配时，多径会消失，电力传输达到最大的效率；但是一般情况下，由于所需调节的电力负载网络十分复杂，几乎不可能通过有限次的精确调节将网络的所有负载阻抗调节匹配。因此，我们需要在时间和效果之间进行折中选择。

本实施例中，我们选取的预设条件是从径和主径之间的延时最小或小于预设值且从径的数量最少或少于预设值，每次记录一下上一次的数值，已确认每次的负载调节可以使从径和主径之间的延时减少，同时多次的调节可以使从径数数量减少。具体的判断标准是，某一次调节后的从径和主径之间的延时比前后两次调节的都小以及从径的数量最小，或者从径完全消失，就可以认定该次的调节达到了最优，整个网络的负载匹配得到了最优化；如果不满足，就需要产生网络调度指令，返回步骤S1再次调度。

实施例3

实施例3给出了本发明提出的方案用于电力线系统中基于ZP-OFDM技术的网络负载匹配平衡调节的一种具体实施方式。

本实施例与实施例1中的电力线通信系统中网络负载匹配平衡的调节方法一致，采用“主发从收”的工作模式，其区别为：本实施方式针对PLC系统的一种典型的多载波工作模式，具体参数如下：载波模式Z=3780，发射端星座图映射方式为64QAM，FEC码率为0.6。

如图3和图9所示，依照本发明实施方案调节本实施例所述的网络负载匹配平衡的方法，并参考图2节点的拓扑结构图所示，其具体步骤如下：

S1、主节点将训练序列和网络调度指令进行组帧，并通过耦合器将信号传输至电力线；

本实施例中，在主节点中，待发送数据首先经过FEC编码，然后进行64QAM星座映射获得频域的符号X_k，将特定的频域训练序列插入到原始的频域符号X_k中作为信道计算的手段，其中插入的位置是经过精心设计并固定的，为了提高后续步骤信道估计的精度，可以将将训练序列的功率增加为原来的3倍，功率为4.77dBm。。

其中频域导频序列的插入方式常见的有块（Block）导频和梳妆（Comb）导频两种，其中Block方式是周期地将OFDM符号中的所有子载波用来传输导频，而Comb方式是使用子杂波的一个子集来传输导频。

本实施例中，我们采用Block方式传输导频。

然后每3780个频域符号X_k构成一个OFDM符号，经过长度为3780的IDFT（IFFT）将每一个频域符号X_k变换到相应的子载波上；在时域，将420个0序列置于OFDM符号的前端构成前缀（ZP）作为帧头进行组帧，然后利用均方根升余弦脉冲进行时域成型滤波将信号的带宽进行限制，对处理过的信号进行上变频和功率放大后耦合进入电力线进行信号的传输。

S2、各从节点通过耦合器接收发送信号，利用训练序列解调接收信号，提取网络调度指令，并根据调度指令调整从节点端的网络负载；在步骤S2中，所述调节从节点端的网络负载方式为：在从节点端并联定量的负载，负载可以是感性的、容性的、阻性的或者是这三种的任意的组合。

本实施例中，各从节点通过耦合器从电力线中接收信号，接收到的信号被下变频，经过均方根升余弦脉冲滤波和采样；采样后的数据相应进行同步、信道计算和FFT。从传输的数据中提取出网络调度指令，根据指令调整从节点可变负载，对本节点的负载阻抗进行调节。

S3、主节点获得主节点到各从节点间或各从节点到主节点间的信道冲激响应信息。

采用“主发从收”模式，具体包括：

S301、各从节点利用已知训练序列计算主节点到从节点间的传输信道冲激响应；

本实施例中，为了防止信道冲激响应没有落到采样点上而造成的估计不准，对接收到的信号进行6倍过采样，从而获得更精确的信道冲激响应估计。在进行信号同步之后，就可以进行信道频率响应计算了。OFDM系统接收端经过A/D和低通滤波器，去掉帧头，对接收信号进行DFT，如果不存在ISI，则

Y(k)＝X(k)H(k)+I(k)+W(k)       （4）

本实例对准静态的确定性信道建模，旨在一个OFDM信息符号期间对OFDM系统的信道计算进行讨论，所以上式中省去OFDM信息符号序列n的下标索引。式中，Y(k)表示接收端第k个子载波处的接收信号值，H(k)表示第k个子载波处的信道频率特性值，W(k)表示频域嘉兴高斯白噪声，I(k)表示OFDM系统第k个载波处参与的ICI分量。接收端对接收信号进行FFT处理后，系统利用频域插入的导频进行信道计算。

LS准则下信道计算结果：

$H_{\mathrm{LS}}=X_p^{-1}{Y}_p---\left(5\right)$

根据导频子载波计算值进行内插，就可以获得所有子载波出的信道计算值。常见的内插方法有二维MMSE内插、分段线性内插、分段多项式拟合、基于DFT的内插和低通内插等。然后对信道的频率响应做IDFT就可以获得信道的冲激响应。

S302、各从节点将已知训练序列和所获得的信道冲激响应信息及其他待传输信息进行组帧，并依次通过耦合器将信号送入电力线回传到主节点；

本实施例中，本实施例中，训练序列和信道冲激响应信息组帧的具体实施方式与本实施例的步骤S1相同，在此不再赘述。

S303、主节点通过耦合器接收从节点反馈的信号，并解调获得主节点到从节点间的传输信道冲激响应信息；

本实施例中，主节点通过耦合器从电力线中接收信号，接收到的信号被下变频，经过均方根升余弦脉冲滤波和采样；采样后的数据相应进行同步、信道计算和FFT。

本实施例中，由于本实施例采用的是“主发从收”的工作模式，在此步骤就不需要再进行冲激响应计算了。

S4、主节点根据主节点到从节点的信道冲激响应参数获得网络负载匹配程度，并计算各从节点可变负载值，产生网络调度指令。在步骤S4中，所述信道冲激响应参数包括：从径的总能量相对于主径的能量大小，各从径相对于主径的幅度大小，各从径之间的相对幅度大小，从径相对于主径的时延以及从径之间的时延。

本实施例中，采用的是“主发从收”的工作模式，因此把主节点到从节点的信道冲激响应作为分析的对象，我们选取冲激响应中从径与主径的幅度之比作为主要参数用作调度分析。

根据前文的分析，在电力线信道中，信道是天然的多径信道，因此在负载阻抗不匹配的情况下，主节点到任意一个从节点的信道的冲激响应会有多径出现：其中幅度较大、延时最短的是从主节点到从节点的直通路径；其余的从径则是由于阻抗失配导致的反射造成的，幅度较小、延时较长。

我们根据主节点到不同从节点的信道参数，计算每一个从节点所需调节的可变负载值，形成整体网络的调度指令。

S5、若满足预设条件，主节点停止调度；否则主节点产生网络调度指令，返回步骤S1进行再次调度。在步骤S5中，所述预设条件包括：从径的总能量最小或小于预设值，从径的数量最少或少于预设值，从径的幅度最小或小于预设值、从径幅度之和最小或小于预设值。

根据前文分析，当负载阻抗匹配时，多径会消失，电力传输达到最大的效率；但是一般情况下，由于所需调节的电力负载网络十分复杂，几乎不可能通过有限次的精确调节将网络的所有负载阻抗调节匹配。因此，我们需要在时间和效果之间进行折中选择。

本实施例中，我们选取的预设条件是所有从径的幅度最小或小于预设值，每次记录一下上一次的数值，已确认每次的负载调节可以使从径的幅度减小。具体的判断标准是，某一次调节后的从径的幅度比前后两次调节的都小，或者从径的幅度不超过主径幅度的5%，就可以认定该次的调节达到了最优，整个网络的负载匹配得到了最优化；如果不满足，就需要产生网络调度指令，返回步骤S1再次调度。

实施例4

实施例四给出了本发明提出的方案用于电力线系统中基于CP-OFDM技术的网络负载匹配平衡调节的一种具体实施方式。

本实施例与实施例2中的电力线通信系统中网络负载匹配平衡的调节方法一致，采用“从发主收”的工作模式，其区别为：本实施例针对PLC系统的一种典型的多载波工作模式，具体参数如下：载波模式Z=3780，发射端星座图映射方式为64APSK，FEC码率为0.4。

如图6和图10所示，依照本发明实施方案调节本实施例所述的网络负载匹配平衡的方法，并参考图2节点的拓扑结构图所示，其具体步骤如下：

S1、主节点将训练序列和网络调度指令进行组帧，并通过耦合器将信号传输至电力线；

本实施例中，在主节点中，待发送数据首先经过FEC编码，然后进行64APSK星座映射获得频域的符号X_k，将特定的频域训练序列插入到原始的频域符号X_k中作为信道计算的手段，其中插入的位置是经过精心设计并固定的。

同样地，频域导频序列的插入方式常见的有块（Block）导频和梳妆（Comb）导频两种。

本实施例中，我们采用Comb方式传输导频。

然后每3780个新的频域符号□X_k构成一个OFDM符号，经过长度为3780的IDFT（IFFT）将每一个频域符号X_k变换到相应的子载波上，则频域导频序列就固定在了特定的子载波上；在时域，取IDFT的后420个符号序列置于OFDM符号的前端构成循环前缀（CP）作为帧头进行组帧，然后利用均方根升余弦脉冲进行时域成型滤波将信号的带宽进行限制，对处理过的信号进行上变频和功率放大后耦合进入电力线进行信号的传输。

S2、各从节点通过耦合器接收发送信号，利用训练序列解调接收信号，提取网络调度指令，并根据调度指令调整从节点可变负载。在步骤S2中，所述调节从节点端的网络负载方式为：在从节点端并联定量的负载，负载可以是感性的、容性的、阻性的或者是这三种的任意的组合。

本实施例中，各从节点通过耦合器从电力线中接收信号，接收到的信号被下变频，经过均方根升余弦脉冲滤波和采样；采样后的数据相应进行同步、信道计算和FFT。从传输的数据中提取出网络调度指令，根据指令调整从节点可变负载，对本节点的负载阻抗进行调节。

S3、主节点获得主节点到各从节点间或各从节点到主节点间的信道冲激响应信息。

采用“从发主收”模式，具体包括：

S311、各从节点将已知训练序列和待传输信息进行组帧，并依次通过耦合器将组帧信号送入电力线回传到主节点；

本实施例中，训练序列组帧的具体实施方式与本实施例的步骤S1相同，在此不再赘述。

S312、主节点通过耦合器接收从节点反馈的信号，利用从节点发射的训练序列计算得到从节点到主节点间的传输信道冲激响应信息；

本实施例中，主节点通过耦合器从电力线中接收信号，接收到的信号被下变频，经过均方根升余弦脉冲滤波和采样；采样后的数据相应进行同步、信道计算和FFT。

本实施例中，为了防止信道冲激响应没有落到采样点上而造成的估计不准，对接收到的信号进行8倍过采样，从而获得更精确的信道冲激响应估计。在进行信号同步之后，就可以进行信道频率响应计算了。OFDM系统接收端经过A/D和低通滤波器，去掉循环前缀，对接收信号进行DFT，如果不存在ISI，则如式（4）所示。

接收端对接收信号进行FFT处理后，系统利用频域插入的导频进行信道计算。

LMMSE准则下以H_p为变量最小化下式：

min{(Y_p-X_pH_p)^H(Y_p-X_pH_p)}       （6）

在CIR抽头和加性噪声均为复高斯分布，并且二者相互独立的前提条件下，LMMSE准则的信道计算结果为：

根据导频子载波计算值进行内插，就可以获得所有子载波出的信道计算值。常见的内插方法有二维MMSE内插、分段线性内插、分段多项式拟合、基于DFT的内插和低通内插等。然后对信道的频率响应做IDFT就可以获得信道的冲激响应。

S4、主节点根据从节点到主节点的信道冲激响应中多径的幅度、位置参数获得网络负载匹配程度，并计算各从节点可变负载值，产生网络调度指令。在步骤S4中，所述信道冲激响应参数包括：从径的总能量相对于主径的能量大小，各从径相对于主径的幅度大小，各从径之间的相对幅度大小，从径相对于主径的时延以及从径之间的时延。

本实施例中，采用的是“从发主收”的工作模式，因此把从节点到主节点的信道冲激响应作为分析的对象，我们选取冲激响应中从径与主径的幅度之比作为主要参数用作调度分析。

根据前文的分析，在电力线信道中，信道是天然的多径信道，因此在负载阻抗不匹配的情况下，主节点到任意一个从节点的信道的冲激响应会有多径出现：其中幅度较大、延时最短的是从主节点到从节点的直通路径；其余的从径则是由于阻抗失配导致的反射造成的，幅度较小、延时较长。

我们根据主节点到不同从节点的信道参数，计算每一个从节点所需调节的可变负载值，形成整体网络的调度指令。

S5、若满足预设条件，主节点停止调度；否则主节点产生网络调度指令，返回步骤S1进行再次调度。在步骤S5中，所述预设条件包括：从径的总能量最小或小于预设值，从径的数量最少或少于预设值，从径的幅度最小或小于预设值、从径幅度之和最小或小于预设值。

根据前文分析，当负载阻抗匹配时，多径会消失，电力传输达到最大的效率；但是一般情况下，由于所需调节的电力负载网络十分复杂，几乎不可能通过有限次的精确调节将网络的所有负载阻抗调节匹配。因此，我们需要在时间和效果之间进行折中选择。

本实施例中，我们选取的预设条件是从径的总能量最小或小于预设值，每次记录一下上一次的比值，已确认每次的负载调节可以使从径的总能量逐渐降低。具体的判断标准是，某一次调节后的从径总能量比前后两次的总能量都小，或者从径的总能量占与主径的能量比小于5%，就可以认定该次的调节达到了最优，整个网络的负载匹配得到了最优化；如果不满足，就需要产生网络调度指令，返回步骤S1再次调度。

实施例5

本发明还提供一种电力线通信系统中网络负载匹配平衡的调节装置，基于背景技术和上述有关基于OFDM技术的电力线传输系统的描述，本发明提出基于OFDM调制技术的用于电力线系统中网络负载匹配平衡的调节方法的装置，从功能上划分，包括：主节点（含有耦合器单元、信号调制单元、信号解调单元、信号解调单元、信道冲激响应计算单元、网络负载匹配程度计算单元、网络调度指令产生单元），从节点（含有耦合器单元、信号调制单元、信号解调单元、信道冲激响应计算单元、数据产生单元），分为“主发从收”和“从发主收”两种模式。

该装置包括：

主节点包括:

信号调制单元，用于根据系统的需求将产生的网络调度指令数据进行OFDM调制，并将已知的训练序列与OFDM符号进行组合、组帧，输出到耦合器单元；

耦合器单元，用于将信号调制单元输出的信号耦合到电力线上进行传输，或用于将电力线上的信号耦合接收下来并传输给信号解调单元进行处理；

信号解调单元，用于将从耦合单元上接收到的信号通过训练序列进行同步、信道冲激响应估计、对传输数据进行纠错译码后解调出网络调度指令数据；

信道冲激响应计算单元，用于节点利用接收到的序列和已知的训练序列进行信道冲击响应的估计；

网络负载匹配程度计算单元，用于主节点根据传输信道冲击响应参数计算网络负载匹配程度；

网络调度指令产生单元，用于主节点根据网络负载匹配程度产生待传输的网络调度指令数据。

从节点包括：

耦合器单元，用于将信号调制单元输出的信号耦合到电力线上进行传输，或用于将电力线上的信号耦合接收下来并传输给信号解调单元进行处理；

信号调制单元，用于根据系统的需求将产生的数据进行OFDM调制，并将已知的训练序列与OFDM符号进行组合、组帧，输出到耦合器单元；

信号解调单元，用于将从耦合单元上接收到的信号通过训练序列进行同步、信道冲激响应估计、对传输数据进行纠错译码后解调出网络调度指令数据；

信道冲激响应计算单元，用于节点利用接收到的序列和已知的训练序列进行信道冲击响应的估计；

数据产生单元，用于节点产生所需的待传输的数据。

图11为本发明实施例1中电力线通信系统中网络负载匹配平衡的调节方法对应的装置工作原理图，如图11所示，在主节点，网络调度指令产生单元101首先产生调度指令，经过信号调制单元102将待发送的调度指令与训练导频进行处理，产生OFDM信号并组帧，经过耦合单元103发送到电力传输线上，在从节点，通过耦合单元103将信号接收至信号解调单元104，对接收到的信号进行同步并解调出携带的训练导频后，在信道冲激响应计算单元105，利用已知的训练导频对信道的冲激响应进行计算，信号调制单元102将冲激响应信息组帧发出经过耦合单元传回给主节点，主节点经过耦合单元103和信号解调单元104获得信道的冲激响应，然后经过网络负载匹配程度计算单元106计算网络负载的匹配程度，最后再通过网络调度指令单元产生新的调节指令。

图12为本发明实施例2中电力线通信系统中网络负载匹配平衡的调节方法对应的装置工作原理图，如图12所示，在主节点，网络调度指令产生单元201首先产生调度指令，经过信号调制单元202将待发送的调度指令与训练导频进行处理，产生OFDM信号并组帧，经过耦合单元203发送到电力传输线上，在从节点，通过耦合单元203将信号接收至信号解调单元204，获得调度指令后对从节点处的负载进行调节，然后将数据经过信号调制单元202和耦合单元203发送给主节点，主节点经过耦合单元203和号解调单元204，在信道冲激响应计算单元205，利用已知的训练导频对信道的冲激响应进行计算，然后经过网络负载匹配程度计算单元206计算网络负载的匹配程度，最后再通过网络调度指令单元产生新的调节指令。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种电力线系统中网络负载匹配平衡的调节方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、主节点将训练序列和网络调度指令进行组帧，并通过耦合器将信号传输至电力线；

S2、各从节点通过耦合器接收发送信号，利用训练序列解调接收信号，提取网络调度指令，并根据调度指令调整从节点端的网络负载；

S3、主节点获得主节点到各从节点间或各从节点到主节点间的信道冲激响应信息；

S4、主节点根据所述信道冲激响应参数获得网络负载匹配程度，并计算各从节点可变负载值，产生网络调度指令；

S5、若满足预设条件，主节点停止调度；否则主节点返回步骤S1进行再次调度。

2.如权利要求1所述的调节方法，其特征在于，在步骤S1中，所述训练序列包括：时域训练序列和频域训练序列；所述网络调度指令进行组帧采用OFDM方式组帧，所述OFDM方式组帧包括：TDS-OFDM、CP-OFDM或ZP-OFDM。

3.如权利要求1所述的调节方法，其特征在于，在步骤S2中，所述调节从节点端的网络负载方式为：在从节点端并联定量的负载，负载可以是感性的、容性的、阻性的或者是这三种的任意的组合。

4.如权利要求1所述的调节方法，其特征在于，采用“主发从收”工作模式，步骤S3具体包括：

S301、各从节点利用已知训练序列计算主节点到从节点间的传输信道冲激响应；

S302、各从节点将已知训练序列和所获得的信道冲激响应信息及其他待传输信息进行组帧，并依次通过耦合器将信号送入电力线回传到主节点；

S303、主节点通过耦合器接收从节点反馈的信号，并解调获得主节点到从节点间的传输信道冲激响应信息；

5.如权利要求1所述的调节方法，其特征在于，采用“从发主收”工作模式，步骤S3具体包括：

S311、各从节点将已知训练序列和待传输信息进行组帧，并依次通过耦合器将组帧信号送入电力线回传到主节点；

S312、主节点通过耦合器接收从节点反馈的信号，利用从节点发射的训练序列计算得到从节点到主节点间的传输信道冲激响应信息；

6.如权利要求1所述的调节方法，其特征在于，在步骤S4中，所述信道冲激响应参数包括：从径的总能量相对于主径的能量大小，各从径相对于主径的幅度大小，各从径之间的相对幅度大小，从径相对于主径的时延以及从径之间的时延。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S5中，所述预设条件包括：从径的总能量最小或小于预设值，从径的数量最少或少于预设值，从径的幅度最小或小于预设值，从径幅度之和最小或小于预设值。

8.如权利要求2所述的方法，所述的训练序列相比于待传输信号，功率加倍或者长度加长，用于获得更精确信道冲激响应估计：若待传输数据归一化功率为1，训练序列功率可以增加到其2倍、3倍或4倍；训练序列的长度不超过OFDM长度。

9.如权利要求4和权利要求5所述的方法，在步骤S301和步骤S312之前，进行高倍过采样，用于获得更精确的信道冲激响应估计，所述高倍采样包括2倍、3倍、4倍、6倍或8倍。

10.一种电力线通信系统中网络负载匹配平衡的调节装置，其特征在于，该装置包括：

主节点包括:

信号调制单元，用于根据系统的需求将产生的网络调度指令数据进行OFDM调制，并将已知的训练序列与OFDM符号进行组帧，输出到耦合器单元；

耦合器单元，用于将信号调制单元输出的信号耦合到电力线上进行传输，或用于将电力线上的信号耦合接收下来并传输给信号解调单元进行处理；

信号解调单元，用于将耦合器单元上接收到的信号通过训练序列进行同步、信道冲激响应估计、对传输数据进行纠错译码后解调出网络调度指令数据；

信道冲激响应计算单元，用于利用接收到的已知训练序列进行信道冲激响应估计；

网络负载匹配程度计算单元，用于根据传输信道冲击响应参数计算网络负载匹配程度；

网络调度指令产生单元，用于根据网络负载匹配程度产生待传输的网络调度指令数据；

从节点包括：

耦合器单元，用于将信号调制单元输出的信号耦合到电力线上进行传输，或用于将电力线上的信号耦合接收下来并传输给信号解调单元进行处理；

数据产生单元，用于节点产生所需的待传输的数据；

信号调制单元，用于根据系统的需求将产生的数据进行OFDM调制，并将已知的训练序列与OFDM符号进行组帧，输出到耦合器单元；

信号解调单元，用于将耦合单元上接收到的信号通过训练序列进行同步、信道冲激响应估计、对传输数据进行纠错译码后解调出网络调度指令数据；

信道冲激响应计算单元，用于节点利用接收到的序列和已知的训练序列进行信道冲击响应的估计。

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