CN105049163A - 一种基于时隙传输的ofdm电力线载波通信方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于时隙传输的OFDM电力线载波通信方法，包括：定义媒体接入MAC帧周期长度；在电力线物理信道上，定义MAC帧周期的起始点，将其划分为多个时隙，同时标记各个时隙的序号；定义多个逻辑通道，并标记各个通道的序号；统一规划时隙的分配以及时隙的使用方法，将各个时隙分配给相应的逻辑通道；建立系统的收发时间同步；利用离散快速傅立叶反变换，生成OFDM符号数据；系统节点根据各自的逻辑通道时隙分配情况，在相应的逻辑通道上开展OFDM符号数据的发送和接收。理论分析和具体实验表明，本发明不仅满足低成本、低功耗的电力线载波通信要求，而且可以灵活有效地避开电力线高噪声、高干扰时段，同时还支持上下行同时通信的双工通信方式。

Description

一种基于时隙传输的OFDM电力线载波通信方法
技术领域
本发明涉及数字和模拟信息传输技术领域，特别涉及一种基于时隙传输的OFDM电力线载波通信方法。
背景技术
电力线通信(PowerLineCommunication，PLC)是指利用电力线作为媒体实现数据传输的一种通信技术。由于电力线是最普及、覆盖范围最为广阔的一种物理媒体，利用电力线等媒体传输数据信息，可以降低运营成本、减少构建新的通信网络的支出，因此电力线通信技术正成为信息技术发展的热点。
电力线载波通信的工作频率远大于电网的工频信号50Hz或60Hz，这样的高频信号可以与电能同时在电力线里传输，因此，可以充分利用现有的低压配电网络基础设施，无需任何布线，是一种“NoNewWires”技术，节约了资源，同时也节省了人力，节约了线缆投资，加快了网络开通时间。特别是电力线载波通信系统可应用在自动抄表(AMR)、远程投/切开关、能量/负荷管理、设备监视和断电告警等领域，能够极大提高电网的安全性和可靠性，改善服务质量和经济效益。
然而，由于电力线本身并不是为了通信而设计的，其电力线环境非常恶劣，存在各种噪声，(包括背景噪声、脉冲噪声)，各种杂波干扰(某个频率，无规律，不可预测)，各种脉冲干扰(无规律，不可预测)以及严重的时变衰减，因此，电力线信道并不是十分合适的通信媒介。
正交频分复用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,缩写为OFDM)是一种特殊的多载波信号调制方法，该技术的显著优势是能够有效的对抗频率选择性衰落，且与传统并行数据传输相比频谱利用率高。OFDM已经成功应用在无线通信领域，且取得了良好的效果。国外对电力线通信技术研究已经很久，制定了一些标准(例如Prime标准、ERDFG3标准)，将OFDM引入电力线通信，然而，经过一系列的实地测试表明，该OFDM技术或产品应用在中国电力线上，效果并不太理想。
目前的很多电力线载波通信系统存在如下问题：
●传输的可靠性差，抗干扰能力差，无法达到实时通信的需求；
●成本非常高，给产业化的推广带来了制约。
●功耗比较大。
因此，针对国内电力线环境的特性以及市场的需求，在充分研究电力线特点的基础上，本发明提出了基于时隙传输的OFDM电力线载波通信方法，并结合先进的组网和路由算法，为恶劣电力线环境下的数据传输提供了可靠的保证，并有效地降低了系统的功耗。
发明内容
本发明一方面为了应对电力线环境各种干扰的挑战，另一方面为了降低系统的功耗，同时也是为了灵活应对各种电力线应用场景和各种业务的应用需求，提出了一种基于时隙传输的OFDM电力线载波通信方法，所述方法包括：
步骤A：定义媒体接入(MAC)帧周期长度；
步骤B：在电力线物理信道上，定义MAC帧周期的起始点，将MAC帧周期划分为多个时隙，同时标记各个时隙的序号；
步骤C：定义多个逻辑通道，并标记各个通道的序号；
步骤D：系统统一规划时隙的分配以及时隙的使用方法，将各个时隙分配给相应的逻辑通道；
步骤E：建立系统的收发时间同步；
步骤F：利用离散快速傅立叶反变换(IFFT)，生成OFDM符号数据；
步骤G：系统节点根据各自的逻辑通道时隙分配情况，在相应的逻辑通道上开展OFDM符号数据的发送和接收；
其中，所述步骤A具体还包括：
MAC帧周期长度可以综合考虑电力线工频周期特性以及OFDM符号长度等因素加以确定。
其中，所述步骤B具体包括：
MAC帧周期的起始点可以利用电力线工频特性来确定，以方便收发端的收发同步；
基于MAC帧周期的时隙划分，可以根据实际应用需求、功能需求、OFDM符号长度以及定时误差等因素来综合考虑。
其中，所述步骤C具体包括：
逻辑通道的划分可以主要参考实际传输业务的需求加以确定。
其中，所述步骤D具体包括：
时隙的分配以及时隙的使用方法，可以根据设计要求和设计需求以及应用场景等因素来加以确定。
一个逻辑通道可以由一个或者连续两个或者连续多个时隙构成；
其中，所述步骤E还包括：
系统收发时间同步的确定，可以基于电力线特有的过零特性和三相120度相位差特性，也可以利用发送端发送时间信标的方式来建立；
其中，所述步骤F还包括：
生成OFDM符号的IFFT点数以及子载波间隔可以由系统根据系统带宽、多径时延扩展以及系统复杂度等因素加以考虑确定；
其中，所述步骤G还包括：
根据时隙大小和OFDM符号长度，一个时隙可以传输一个或者多个OFDM符号数据；
其中，所述方法支持上下行同时通信的双工通信模式。
本发明一方面可以充分利用电力线的特点来设计传输时隙以及传输逻辑通道，并灵活避开电力线高干扰和高噪声时段，另一方面可以针对时隙和逻辑通道进行灵活的分配，以满足各种不同业务的需求，并确保收发端仅仅工作在相应的时隙和逻辑通道上，而在其他时隙和逻辑通道停止工作，进而有效地降低系统的功耗。理论分析和实验证明，本发明所提出的方法灵活、可靠，实现功耗低。
附图说明
图1是本发明一种具体实施例的OFDM电力线载波通信方法的流程图；
图2是本发明实施例中MAC帧周期的设定、时隙和逻辑通道分配第一实施例示意图；
图3是本发明实施例中系统实现精确同步的方法示意图；
图4是本发明实施例中OFDM符号生成示意图；
图5是本发明实施例中MAC帧周期的设定、时隙和逻辑通道分配第二实施例示意图；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
如图1所示，本发明具体实施方式所提供的一种基于时隙传输的OFDM电力线载波通信方法。
本实施例中采用的OFDM系统参数定义如下表所示：
表1OFDM电力线载波通信系统参数
本优选实施例具体包括以下步骤：
步骤S1：定义媒体接入(MAC)帧周期长度；MAC帧周期长度可以综合考虑电力线工频周期特性以及OFDM符号长度等因素加以确定。图2是本发明实施例中MAC帧周期设定的实施例第一示意图，该图中将MAC帧周期设置为1个电力线工频周期，对应于50Hz/60Hz工频周期分别为20ms/16.66ms；
步骤S2：在电力线物理信道上，定义MAC帧周期的起始点，将MAC帧周期划分为多个时隙，同时标记各个时隙的序号；
MAC帧周期的起始点可以利用电力线工频特性来确定，以方便收发端的收发同步。在本实施例中，如图2所示，将MAC帧周期的起始点定义为电力线过零点提前1/12工频周期位置处，并将每个MAC帧周期划分为6个时隙，标号为时隙1，时隙2，…，时隙6。因此，对应于50Hz/60Hz工频周期，每个时隙的长度分别为3.33ms/2.78ms。
步骤S3：定义多个逻辑通道，并标记各个通道的序号；
逻辑通道的划分主要参考实际传输业务的需求加以确定。
在本实施例中，如图2所示，总共定义了4个逻辑通道：逻辑通道A、逻辑通道B、逻辑通道C和逻辑通道D。
步骤S4：系统统一规划时隙的分配以及时隙的使用方法，将各个时隙分配给相应的逻辑通道；
时隙的分配以及时隙的使用方法，需要根据设计要求和设计需求以及应用场景等因素来加以确定。一个逻辑通道可以由一个或者连续两个或者连续多个时隙构成；
在本实施例中，如图2所示，其中时隙1和时隙2分配给逻辑通道A，用于下行数据通信；时隙3分配给逻辑通道B，时隙6分配给逻辑通道D，两个通道内均不传输数据，既避开通常电力线非过零位置处高噪声、高干扰时段，又关闭系统的工作状态，节省功耗；而时隙4和时隙5分配给逻辑通道C，用于上行数据通信；本优选实施例中时隙划分以及逻辑通道的定义和分配，可以实现在电力线上进行双工通信。
步骤S5：建立系统的收发时间同步；
系统收发时间同步的确定，可以基于电力线特有的过零特性和三相120度相位差特性，也可以利用发送端发送时间信标的方式来建立；
在本实施例中，如图3所示,首先利用过零检测电路，检测电力线上50Hz(60Hz)工频信号的过零时刻，实现发送端和接收端的粗略时间同步；然后，设计滤波器滤除过零电路信号在过零点位置的波动，实现发送端和接收端的精确时间同步。精确时间同步的基本思想是将过零点位置进行平均，即从而得到准确过零点的位置正入图3所示。
步骤S6：利用离散快速傅立叶反变换(IFFT)，生成OFDM符号数据；
生成OFDM符号的IFFT点数以及子载波间隔由系统根据系统带宽、多径时延扩展以及系统复杂度等因素加以考虑确定；
在本优选实施例中，正如表1所示，所设计的OFDM符号周期T和循环前缀CP分别为0.5ms和0.046875ms，其参数设计充分考虑到实现效率以及实际电力线多径环境下，通常最长的多径长度不大于30us的因素。同时，OFDM符号长度(T+TCP)的长度也充分与时隙划分的兼容性。考虑到50Hz/60Hz工频周期，基于上述时隙划分，每个时隙的长度分别为3.33ms/2.78ms，正好可以容纳6个或者5个完整的OFDM符号。
而IFFT的点数选取为2的整数次方，即1024点，可以很好地兼顾硬件实现复杂度和系统实现带宽的需求。
在本优选实施例中，OFDM符号数据的生成如图4所示。
步骤S7：系统节点根据各自的逻辑通道时隙分配情况，在相应的逻辑通道上开展OFDM符号数据的发送和接收；
在本优选实施例中，所设计的MAC帧周期时隙划分和逻辑通道的分配方案，可以很好地支持电力线载波的双工通信模式，同时兼顾电力线噪声特性的考虑，很好地确保本发明所提出的通信方法可靠性，而且通过调控系统在有限时隙开展工作，大大地降低了系统接收机的功耗。
本发明所提供的基于时隙传输的OFDM电力线载波通信方法，可以根据实际系统的设计需求，灵活地设计MAC帧周期、时隙的划分以及逻辑通道的分配。图5是本发明实施例中MAC帧周期的设定、时隙和逻辑通道分配第二实施例示意图；该图中将MAC帧周期设置为半个电力线工频周期，并划分为3个时隙，分别分给3个逻辑通道。逻辑通道分配可以是：逻辑通道A是过零通道，用于数据传输，逻辑通道B和C关闭系统工作状态，节省功耗；也可以是：用在三相传输系统中，逻辑通道A、B、C分别应用在A相、B相和C相的数据传输中。还可以根据实际系统应用需求加以制定。
理论分析和具体实验表明，本发明不仅满足低成本、低功耗的电力线载波通信要求，而且可以灵活有效地避开电力线高噪声、高干扰时段，同时还支持上下行同时通信的双工通信方式。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于时隙传输的OFDM电力线载波通信方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
A：定义媒体接入MAC帧周期长度；
B：在电力线物理信道上，定义MAC帧周期的起始点，将MAC帧周期划分为多个时隙，同时标记各个时隙的序号；
C：定义多个逻辑通道，并标记各个通道的序号；
D：系统统一规划时隙的分配以及时隙的使用方法，将各个时隙分配给相应的逻辑通道；
E：建立系统的收发时间同步；
F：利用离散快速傅立叶反变换，生成OFDM符号数据；
G：系统节点根据各自的逻辑通道时隙分配情况，在相应的逻辑通道上开展OFDM符号数据的发送和接收。
2.根据权利要求1所述的基于时隙传输的OFDM电力线载波通信方法，其特征在于，步骤A中，确定MAC帧周期长度的因素包括电力线工频周期特性以及OFDM符号长度。
3.根据权利要求1所述的基于时隙传输的OFDM电力线载波通信方法，其特征在于，步骤B中，MAC帧周期的起始点利用电力线工频特性来确定；确定MAC帧周期的时隙划分的因素包括实际应用需求、功能需求、OFDM符号长度以及定时误差。
4.根据权利要求1所述的基于时隙传输的OFDM电力线载波通信方法，其特征在于，步骤C中，确定逻辑通道的划分的因素包括传输业务的需求。
5.根据权利要求1所述的基于时隙传输的OFDM电力线载波通信方法，其特征在于，步骤D中，确定时隙的分配以及时隙的使用方法的因素包括设计要求、设计需求以及应用场景。
6.根据权利要求1所述的基于时隙传输的OFDM电力线载波通信方法，其特征在于，一个逻辑通道由一个或者连续两个或者连续更多个时隙构成。
7.根据权利要求1至6任一项所述的基于时隙传输的OFDM电力线载波通信方法，其特征在于，步骤E中，系统收发时间同步基于电力线的过零特性和三相120度相位差特性来建立，或者利用发送端发送时间信标的方式来建立。
8.根据权利要求1至7任一项所述的基于时隙传输的OFDM电力线载波通信方法，其特征在于，步骤F中，确定生成OFDM符号的IFFT点数以及子载波间隔的因素包括系统带宽、多径时延扩展以及系统复杂度。
9.根据权利要求1至8任一项所述的基于时隙传输的OFDM电力线载波通信方法，其特征在于，步骤G中，根据时隙大小和OFDM符号长度，在一个时隙传输一个或者多个OFDM符号数据。
10.根据权利要求1至9任一项所述的基于时隙传输的OFDM电力线载波通信方法，其特征在于，支持上下行同时通信的双工通信模式。
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