CN103457636A - 基于频率认知技术的跨频带电力线载波通信方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于频率认知技术的跨频带电力线载波通信方法及系统；所述方法包括步骤：1、对高频信号进行认知分析得到高频信号的信道模型；实时检测电力线载波通道的无线电信号；2、依据信道模型、无线电干扰避免机制和信道质量参数确定电力线载波通信信号的频率；对电力线载波通信信号的频率进行跨频带频谱聚合后得到跨频带载波通信信号；3、设置载波通信设备的配置参数；4、将跨频带载波通信信号传输至电力线载波通道；所述系统包括载波通信设备和电力线载波通道。和现有技术相比，本发明提供的一种基于频率认知技术的跨频带电力线载波通信方法及系统能够实现跨频带自适应选择、配置灵活、与无线共存、宽带高速，适用于各种中低压电力线路环境。
Description
技术领域
本发明涉及一种电力线载波通信方法及系统，具体讲涉及一种基于频率认知技术的跨频带电力线载波通信方法及系统。
背景技术
电力线通信技术是一种利用电力线路作为通信媒介来传输数据信息的通信方式，常规的电力线通信技术是在已有的电力线路上，加载经过调制的高频载波信号进行通信，因此，电力线通信通常称之为电力线载波通信（Power Line Carrier Communication，PLCC)。一般包括：借助35kV及以上电压等级的高压输电线路作为通信媒介的高压输电线载波通信；借助10kV电压等级的中压电力线作为通信媒介的中压电力线载波通信；以及借助380/220V电压等级的低压电力线作为通信媒介的低压电力线载波通信。
传统的高压输电线载波通信局限于远距离保护、语音等信号传输，应用范围窄，速率低，已经被光纤等通信方式取代。目前，随着PLC技术的发展和电网智能化建设的需要，PLC技术正在转向中低压电力线通信，使得中低压电力线载波通信技术开发与应用出现了方兴未艾的局面。
从电力线载波通信使用的频带划分，常规的中低压电力线载波通信分为宽带电力线载波通信（BPLC）和窄带电力线载波通信（NPLC）。宽带电力线通信技术是带宽限定在2～30MHz之间、通信速率通常在1Mbps以上的电力线载波通信技术，它多采用正交频分复用调制技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)，是最后“一公里”宽带接入技术之一。宽带电力线载波通信数据传输速率高，具有抗干扰能力强、可承载业务多、适应性强等优点，但存在信号衰减大、单跳通信距离短而不能满足电力业务通信要求；另一方面，考虑到对短波电台、航空等通信业务的干扰，宽带电力线载波通信的信号功率和部分频点受到严格限制，频谱利用率较低。窄带电力线载波通信技术频率限定在常规的40～500kHz（欧洲为9～150kHz）、通信速率小于1Mbps，它多采用常规的FSK(Frequency Shift Keying)、PSK(Phase Shift Keying)调制技术以及扩频技术。窄带电力线载波通信易于实现，但抗干扰能力弱、可靠性较低，适用于实时性低、对传输速率和通信质量要求不高的应用。
本发明提供的一种基于频率认知技术的跨频带电力线载波通信方法打破了常规载波技术窄带与宽带的划分，将信号频率范围扩展到几十千赫兹到几十兆赫兹的跨频带范围内，可以充分发挥宽带和窄带PLC通信的优点，避开各自的缺点，提高载波通信的适应性、频率选择的灵活性和系统的可靠性。
发明内容
为了满足现有技术的需要，本发明提供了一种基于频率认知技术的跨频带电力线载波通信方法，载波通信设备通过跨频带耦合电路提取电网电力线中的高频信号；所述方法包括如下步骤：
步骤1：对所述高频信号进行时域和频域认知分析后得到所述高频信号的信道模型；实时检测所述电力线载波通道的无线电信号；
步骤2：依据所述信道模型、所述电力线载波通道的无线电干扰避免机制和信道质量参数确定电力线载波通信信号的频率，所述电力线载波通信信号为符合跨频带电力线载波通信标准的所述高频信号；对所述电力线载波通信信号的频率进行跨频带频谱聚合后得到跨频带载波通信信号；
步骤3：设置所述载波通信设备的配置参数，自适应调整所述载波通信设备的信号发送频率、信号调制方式、信号编码方式、信号发送功率和信号接收滤波的控制策略；
步骤4：将所述跨频带载波通信信号传输至所述电力线载波通道。
优选的，所述高频信号为40kHz-30MHz的中高频信号；所述步骤1中所述载波通信设备通过协作频谱检测方式检测所述无线电信号；所述无线电信号包括中波无线电信号和短波无线电信号；
优选的，检测所述无线电信号的无线电频率；所述步骤2中的所述无线电干扰避免机制为通过对频率与所述无线电频率相同的所述高频信号进行频谱陷波，从而避免跨频带电力线载波通信对无线电信号的干扰；所述信道质量参数通过所述载波通信设备对所述电力线载波通道的信道衰减与本地噪声的检测计算获得；
优选的，所述步骤4中所述载波通信设备采用正交频分复用调制技术进行并行多路传输至所述电力线载波通道；所述正交频分复用调制技术的子载波依据所述信道模型和所述信道质量参数确定所述并行多路传输的调制方式，依据所述无线电信号确定所述无线电干扰避免机制的抗干扰编码方式；
优选的，所述载波通信设备以所述子载波的间隔为频率分辨率，对所述本地噪声和所述信道衰减的进行检测。
本发明提供的一种基于频率认知技术的跨频带电力线载波通信系统，包括通过电力线载波通道相连的载波通信设备；所述载波通信设备包括载波发信机、载波收信机和跨频带耦合电路；PLC信道频率认知模块、无线电信号感知模块和OFDM调制电路模块通过所述跨频带耦合电路与所述电力线载波通道通信；载波通信设备设置模块的输入端分别与所述PLC信道频率认知模块和所述无线电信号感知模块相连；所述载波通信设备设置模块的一条输出支线直接与所述OFDM调制电路模块相连，另一条输出支线通过频谱聚合模块与所述OFDM调制电路模块相连；
所述跨频带耦合电路提取电网电力线中的40kHZ～30MHZ的高频信号，实现所述载波通信设备与所述高频信号的耦合；所述PLC信道频率认知模块对所述高频信号进行实时采集和认知分析；所述无线电信号感知模块实时检测所述电力线载波通道的无线电信号；所述载波通信设备设置模块通过设置所述载波通信设备的配置参数调整所述载波发信机的信号发送频率、信号调制方式、信号编码方式、信号发送功率和所述载波收信机的信号接收滤波；所述频谱聚合模块与所述OFDM调制电路模块对所述高频信号聚合调制形成跨频带载波通信信号并将其发送至所述电力线载波通道；
优选的，所述载波通信设备的数目为N，N至少为2；所述PLC信道频率认知模块采用频率认知技术对所述跨频带高频信号的时域和频域进行认知分析；所述OFDM调制电路模块采用正交频分复用调制技术对所述跨频带载波通信信号进行并行多路传输至所述电力线载波通道。
本发明的优异效果是：
1、本发明技术方案中，载波通信设备通过跨频带耦合电路提取电网电力线中包括业余无线电频段的500KHZ～30MHZ中高频信号，其包括了带宽为2～30MHz之间的宽带电力线通信（BPLC）和带宽为40～500kHz之间的窄带电力线通信（NPLC）；通过PLC信道频率认知模块对高频信号进行时域和频域认知分析后得到所述高频信号的信道模型；
2、本发明技术方案中，无线电信号感知模块实时自动的检测电力线载波通道的中波和短波无线电信号，载波通信设备依据无线电信号自适应选择可用频段，使得跨频带电力线载波通信与无线电通信互不影响，良好共存；
3、本发明技术方案中，载波通信设备采用正交频分复用调制技术对跨频带载波通信信号进行并行多路传输提高了频谱利用率、避免了对无线电通信的干扰；
4、本发明技术方案中，PLC信道频率认知模块依据中、短波无线电信号，以及电力线载波通道的高频信号的时域或频域的变化周期性启动，从而使载波通信设备能够自适应电力线载波通道环境的变化，提高通信的可靠性；
5、本发明技术方案中，频谱聚合模块与所述OFDM调制电路模块将分散的可用频段聚合起来，形成跨频带的多路载波信号传输，有效的提高了电力线载波通信的通信速率以及带宽配置的灵活性，满足对实时性要求较高的中、低压配电网业务的传输需求；
6、本发明技术方案中，正交频分复用调制技术的子载波依据信道模型和信道质量参数确定并行多路传输的调制方式，依据无线电信号确定无线电干扰避免机制的抗干扰编码方式，能够最大化频谱资源的利用率，满足智能配用电业务对电力线载波通信实时性和可靠性的要求；
7、本发明提供的一种基于频率认知技术的跨频带电力线载波通信方法及系统，兼有低频、中频和高频的频段自适应选择、配置灵活、与无线共存、宽带高速等优点，适用于各种中低压电力线路环境；
8、本发明提供的一种基于频率认知技术的跨频带电力线载波通信方法及系统，突破了传统电力线载波窄带与宽带的划分，将信号频率范围扩展到几十千赫兹到几十兆赫兹的跨频带范围内，可以充分发挥宽带和窄带电力线载波通信的优点，避开各自的缺点，提高载波通信的适应性、频率选择的灵活性和系统的可靠性；
9、本发明提供的一种基于频率认知技术的跨频带电力线载波通信方法及系统，实现了对中、短波无线电工作频率的实时检测，通过频率选择或功率控制技术避开对无线电台的干扰，解决PLC使用与无线电的共存问题；实时监测电力线通道中的各种干扰，并自动分析信道频率特性，避免外界干扰，自适应选择良好的工作频段，提高了系统通信可靠性。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是：现有技术中的电力线载波系统示意图；
图2是：现有技术中的电力线载波系统干扰示意图；
图3是：本发明实施例中的跨频带频谱示意图；
图4是：本发明实施例中的跨频带电力线载波通信方法流程图；
图5是：本发明实施例中的PLC信道频率认知模块的频率认知技术流程图；
图6是：本发明实施例中的频谱聚合模块的频谱聚合配置示意图；
图7是：本发明实施例中的OFDM调制电路模块的并行传输示意图；
图8是：本发明实施例中的跨频带电力线载波通信系统结构图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
图1示出了现有技术中电力线载波通信设备通过电力线载波通道通信连接，本实施例中电力线载波通信设备的数目为N，N至少为2；图2示出了现有技术中电力线载波通信中的主要干扰源为无线电干扰、电力线载波通道的信道衰减和本地噪声；本发明实施例中的跨频带频谱为图3示出的包括业余无线电频段的40KHZ～30MHZ中高频信号，其包括了带宽为2～30MHz之间的宽带电力线通信（BPLC）和带宽为40～500kHz之间的窄带电力线通信（NPLC）。
图4示出了本发明实施例中的跨频带电力线载波通信方法流程图；本发明提供的一种基于频率认知技术的跨频带电力线载波通信方法具体步骤为：载波通信设备的跨频带耦合电路提取电力线载波通道的电网电力线的高频信号：
（1）对包括业余无线电频段的40KHZ～30MHZ高频信号进行时域和频域的认知分析后得到高频信号的信道模型；载波通信设备周期性检测电力线载波通道中电网电力线的无线电信号，通过对无线电信号时域和频域特性的特征认知来识别本地无线电信号，检测所述无线电信号的无线电频率；最后通过相邻载波通信设备间协作检测的方式，确定无线电信号的使用情况；所述无线电信号包括中波无线电信号和短波无线电信号；
（2）依据信道模型、电力线载波通道的无线电干扰避免机制和信道质量参数确定电力线载波通信信号的频率，所述电力线载波通信信号为符合跨频带电力线载波通信标准的所述高频信号，即可以进行电力线载波通信的高频信号；对电力线载波通信信号的频率进行跨频带频谱聚合后得到跨频带载波通信信号；无线电干扰避免机制为通过对高频信号中与无线电频率相同的高频信号进行频谱陷波，从而避免跨频带电力线载波通信对无线电信号的干扰；信道质量参数通过载波通信设备对电力线载波通道的信道衰减与本地噪声的检测计算获得；载波通信设备以正交频分复用调制技术的子载波的间隔为频率分辨率，对本地噪声和信道衰减的进行检测；
（3）设置载波通信设备的配置参数，自适应调整载波通信设备的信号发送频率、信号调制方式、信号编码方式、信号发送功率和信号接收滤波等控制策略；
（4）载波通信设备采用正交频分复用调制技术对跨频带载波通信信号进行并行多路传输至电力线载波通道；正交频分复用调制技术的子载波依据信道模型和信道质量参数确定并行多路传输的调制方式，依据无线电信号确定无线电干扰避免机制的抗干扰编码方式。
图5示出了本发明实施例中的PLC信道频率认知模块的频率认知技术流程图；PLC信道频率认知模块依据电力线载波通道的信道特性的实际状况即中、短波无线电信号，以及电力线载波通道的高频信号的时域或频域的变化周期性启动；通过对电力线载波通道的无线电信号检测、本地噪声检测和信道衰减检测，计算信道质量参数；依据信道模型、电力线载波通道的无线电干扰避免机制和信道质量参数确定符合跨频带电力线载波通信标准的电力线载波通信信号的频率；
图6和图7示出了本发明实施例中的频谱聚合模块的频谱聚合配置示意图和OFDM调制电路模块的并行传输示意图；图8示出了本发明实施例中的跨频带电力线载波通信系统结构图；
其中载波通信设备的数目为N，N至少为2；载波通信设备包括载波发信机、载波收信机、跨频带耦合电路、PLC信道频率认知模块、无线电信号感知模块、载波通信设备设置模块、OFDM调制电路模块和频谱聚合模块；
PLC信道频率认知模块、无线电信号感知模块和OFDM调制电路模块通过跨频带耦合电路与电力线载波通道通信；载波通信设备设置模块的输入端分别与PLC信道频率认知模块和无线电信号感知模块相连；载波通信设备设置模块的一条输出支线直接与OFDM调制电路模块相连，另一条输出支线通过频谱聚合模块与OFDM调制电路模块相连；
跨频带耦合电路提取电力线载波通道的电网电力线的40KHZ～30MHZ的中高频信号，实现载波通信设备与40KHZ～30MHZ中高频信号的耦合；
PLC信道频率认知模块采用频率认知技术对跨频带高频信号的时域和频域进行认知分析；
无线电信号感知模块实时检测电力线载波通道的无线电信号；
载波通信设备设置模块通过设置载波通信设备的配置参数自适应调整载波发信机的信号发送频率、信号调制方式、信号编码方式、信号发送功率和载波收信机的信号接收滤波；等控制策略；载波通信设备设置模块通过频谱聚合模块将高频信号聚合调制形成跨频带载波通信信号；通过OFDM调制电路模块将跨频带载波通信信号并行多路传输至电力线载波通道；载波通信设备的信号传输对端的载波通信设备接收所述跨频带载波通信信号；OFDM调制电路模块采用正交频分复用调制技术对跨频带载波通信信号进行并行多路传输至电力线载波通道。
最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
Claims (7)
1.一种基于频率认知技术的跨频带电力线载波通信方法，其特征在于，载波通信设备通过跨频带耦合电路提取电网电力线中的高频信号；所述方法包括如下步骤：
步骤1：对所述高频信号进行时域和频域认知分析后得到所述高频信号的信道模型；实时检测所述电力线载波通道的无线电信号；
步骤2：依据所述信道模型、所述电力线载波通道的无线电干扰避免机制和信道质量参数确定电力线载波通信信号的频率，所述电力线载波通信信号为符合跨频带电力线载波通信标准的所述高频信号；对所述电力线载波通信信号的频率进行跨频带频谱聚合后得到跨频带载波通信信号；
步骤3：设置所述载波通信设备的配置参数，自适应调整所述载波通信设备的信号发送频率、信号调制方式、信号编码方式、信号发送功率和信号接收滤波的控制策略；
步骤4：将所述跨频带载波通信信号传输至所述电力线载波通道。
2.如权利要求1所述的一种基于频率认知技术的跨频带电力线载波通信方法，其特征在于，所述高频信号为40kHz-30MHz的中高频信号；所述步骤1中所述载波通信设备通过协作频谱检测方式检测所述无线电信号；所述无线电信号包括中波无线电信号和短波无线电信号。
3.如权利要求1所述的一种基于频率认知技术的跨频带电力线载波通信方法，其特征在于，检测所述无线电信号的无线电频率；所述步骤2中的所述无线电干扰避免机制为通过对频率与所述无线电频率相同的所述高频信号进行频谱陷波，从而避免跨频带电力线载波通信对无线电信号的干扰；所述信道质量参数通过所述载波通信设备对所述电力线载波通道的信道衰减与本地噪声的检测计算获得。
4.如权利要求1所述的一种基于频率认知技术的跨频带电力线载波通信方法，其特征在于，所述步骤4中所述载波通信设备采用正交频分复用调制技术进行并行多路传输至所述电力线载波通道；所述正交频分复用调制技术的子载波依据所述信道模型和所述信道质量参数确定所述并行多路传输的调制方式，依据所述无线电信号确定所述无线电干扰避免机制的抗干扰编码方式。
5.如权利要求3或4所述的一种基于频率认知技术的跨频带电力线载波通信方法，其特征在于，所述载波通信设备以所述子载波的间隔为频率分辨率，对所述本地噪声和所述信道衰减的进行检测。
6.一种基于频率认知技术的跨频带电力线载波通信系统，所述通信系统包括通过电力线载波通道相连的载波通信设备，其特征在于，所述载波通信设备包括载波发信机、载波收信机和跨频带耦合电路；PLC信道频率认知模块、无线电信号感知模块和OFDM调制电路模块通过所述跨频带耦合电路与所述电力线载波通道通信；载波通信设备设置模块的输入端分别与所述PLC信道频率认知模块和所述无线电信号感知模块相连；所述载波通信设备设置模块的一条输出支线直接与所述OFDM调制电路模块相连，另一条输出支线通过频谱聚合模块与所述OFDM调制电路模块相连；
所述跨频带耦合电路提取电网电力线中的40kHZ～30MHZ的高频信号，实现所述载波通信设备与所述高频信号的耦合；所述PLC信道频率认知模块对所述高频信号进行实时采集和认知分析；所述无线电信号感知模块实时检测所述电力线载波通道的无线电信号；所述载波通信设备设置模块通过设置所述载波通信设备的配置参数调整所述载波发信机的信号发送频率、信号调制方式、信号编码方式、信号发送功率和所述载波收信机的信号接收滤波；所述频谱聚合模块与所述OFDM调制电路模块对所述高频信号聚合调制形成跨频带载波通信信号并将其发送至所述电力线载波通道。
7.如权利要求6所述的一种基于频率认知技术的跨频带电力线载波通信系统，其特征在于，所述载波通信设备的数目为N，N至少为2；所述PLC信道频率认知模块采用频率认知技术对所述跨频带高频信号的时域和频域进行认知分析；所述OFDM调制电路模块采用正交频分复用调制技术对所述跨频带载波通信信号进行并行多路传输至所述电力线载波通道。
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