CN105790889A - 基于正交频分复用的数据传输方法和装置、抄表系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于正交频分复用的数据传输方法和装置、抄表系统，包括：发射机拆解所述数据成若干子数据包，并编码所述子数据包，为每个子数据包加入不同的序号码；复制多份所述子数据包；将经过复制后的所有子数据包调制成间隔预设频率的子载波信号，并向接收机发送所述子载波信号。通过采用本发明所提供的基于正交频分复用的数据传输方法和系统、抄表系统，充分利用了有效带宽，将通信数据分解成多个子数据包传输，加快了数据传输的速率，减少了数据的干扰和带宽的浪费；进一步的，本发明进行了多次冗余数据传输，提高了数据传输的通信成功率，保证了数据的准确性和安全性。

Description

基于正交频分复用的数据传输方法和装置、抄表系统
技术领域
本发明涉及数字通信技术领域，特别涉及一种基于正交频分复用的数据传输方法和装置、抄表系统。
背景技术
随着科技的进步，数字通信在国民生活中的地位越来越重要。在电力线载波通信、无线通信、线路传输(485线、光纤、双绞线)等都涉及数字信号数据的传输。无论是专用的网络(频点)还是公共网络(频点)，其通信量都越来越大，为保证通信效率，几乎所有的数据通信都会采用“侦听”、“冗余校验(CRC)”等技术，有些领域还会使用诸如连续语音控制静噪系统(CTCSS)、分频、跳频等技术。
现有通信的带宽越来越大，速率也越来越快，从理论上讲，高速率对应短通信时间，并可以降低干扰的影响，但带宽越大，干扰会越严重。现有很多领域的应用，都是小数据包，只有几十或是几百bit，所以通信使用的带宽，大部分都处于空闲中，白白浪费。针对这一点，20世纪70年代，韦斯坦(Weistein)和艾伯特(Ebert)等人应用离散傅里叶变换(DFT)和快速傅里叶方法(FFT)研制了一个完整的多载波传输系统，叫做正交频分复用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)系统。其特点是将数据包分解成多个，在原先的带宽范围内，将多个数据包用不同的频率同时发送，接收机收到后再将数据合成。因为数据分包同时发送，从理论上可以提升数据的传输速率，数据提升的倍数就是数据的分包数。
采用上述方法，确实可以提高数据的传输速率，但是若发生误码或丢包，则无能为力。一般通信中，接收机会对收到的数据进行冗余校验，若判定识别码错误时，则拒绝这个数据包，视为未收到，因此，现有技术虽然提升数据传输速率，但是会存在数据的丢失，无法保证数据的准确性、完整性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何在提升数据传输速率的前提下，提高数据传输的准确性和完整性。
为此目的，本发明提出了一种基于正交频分复用的数据传输方法，包括：
发射机拆解所述数据成若干子数据包，并编码所述子数据包，为每个子数据包加入不同的序号码；
复制多份所述子数据包；
将经过复制后的所有子数据包调制成间隔预设频率的子载波信号，并向接收机发送所述子载波信号。
其中较优的，在所述复制多份所述子数据包之前还包括：
对所述若干子数据包的数据进行白化处理，具体包括：
将所述若干子数据包的数据与预设的序列码进行异或逻辑运算。
其中较优的，在所述复制多份所述子数据包之前还包括：
给所述若干子数据包的数据加入纠错码。
另外，本发明还提供了另一种基于正交频分复用的数据传输方法，包括：
接收机接收发射机发送的子载波信号，解调所述子载波信号得到多个子数据包，并解码所述多个子数据包；
根据解码得到的所述多个子数据包的序号码，去除序号码重复的子数据包；
根据剩余子数据包的序号码顺序，对所述子数据包进行排序；
将经过排序的所述子数据包合成为数据。
其中较优的，在解码所述多个子数据包之后还包括：
对所述若干子数据包的数据进行反白化处理，具体包括：
将所述多个子数据包的数据与预设的序列码进行异或逻辑运算。
其中较优的，在解码所述多个子数据包之后还包括：
通过预先加入所述多个子数据包的纠错码，检查所述多个子数据包的数据是否存在错误，如果存在错误，则纠正错误的数据。
其中较优的，如果纠正之后仍然存在错误的数据，则将该数据所属子数据包丢弃，并将正确的子数据包缓存至缓冲区。
另一方面，本发明提供了一种基于正交频分复用的数据传输装置，包括：
数据分包单元，用于拆解所述数据成若干子数据包，并编码所述子数据包，为每个子数据包加入不同的序号码；
复制单元，用于复制多份所述子数据包；
发送单元，用于将经过复制后的所有子数据包调制成间隔预设频率的子载波信号，并向接收机发送所述子载波信号。
再一方面，本发明还提供了另一种基于正交频分复用的数据传输装置，包括：
接收单元，用于接收发射机发送的子载波信号，解调所述子载波信号得到多个子数据包，并解码所述多个子数据包；
去除单元，用于根据解码得到的所述多个子数据包的序号码，去除序号码重复的子数据包；
排序单元，用于根据剩余子数据包的序号码顺序，对所述子数据包进行排序；
合成单元，用于将经过排序的所述子数据包合成为数据。
其中较优的，该装置还包括：纠错单元，所述纠错单元用于通过预先加入所述多个子数据包的纠错码，检查所述多个子数据包的数据是否存在错误，如果存在错误，则纠正错误的数据；如果纠正之后仍然存在错误的数据，则将该数据所属子数据包丢弃，并将正确的子数据包缓存至缓冲区。
另外，本发明还提供了一种抄表系统，包括上述任意一种所述的基于正交频分复用的数据传输装置。
通过采用本发明所提供的基于正交频分复用的数据传输方法和系统，充分利用了有效带宽，将通信数据分解成多个子数据包传输，加快了数据传输的速率，减少了数据的干扰和带宽的浪费；进一步的，本发明进行了多次冗余数据传输，提高了数据传输的通信成功率，保证了数据的准确性、安全性和完整性。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1为本发明基于正交频分复用的数据传输方法一种实施方式的流程示意图；
图2为本发明基于正交频分复用的数据传输方法另一种实施方式的流程示意图；
图3为本发明一种实施方式数据分包、序号码、复制的原理示意图；
图4和图5为基于Jroute电力线宽带载波自组网的电表集抄系统的结构示意图；
图6为本发明基于正交频分复用的数据传输装置发射机的框架示意图；
图7为本发明基于正交频分复用的数据传输装置接收机的框架示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。
如图1所示，以发射机为执行主体，示出了本发明基于正交频分复用的数据传输方法一种实施方式的流程示意图，参照图1，该方法包括：
S101：发射机拆解所述数据成若干子数据包，并编码所述子数据包，为每个子数据包加入不同的序号码；
具体的，本发明可以按照应用的系统所要求使用的带宽，根据奈奎斯特准则(Nyquiststabilitycriterion)和香农定理(Shannon'stheorem)计算允许拆分的分频数量N(一般取2n)；并将数据拆分成多个小的子数据包(可以取N/2或N/3)，对每个子数据包进行编码，为每个子数据包加入序号码。如图3所示，假设频段可以分为16个分频段，原始数据为DABC，数据则可以分为A、B、C、D共4个子数据包。子数据包A、B、C、D的序号码分别为2,3,4,1。
S102：复制多份所述子数据包；
具体的，复制步骤S101加入序号码后的子数据包，如图3所示，将4个数据包A、B、C、D复制2次，得到3组，每组4个，共12个子数据包，其中每组数据包相同，作为冗余数据发送。
S103：将经过复制后的所有子数据包调制成间隔预设频率的子载波信号，并向接收机发送所述子载波信号。
需要说明的是，本发明使用正交频分复用(OFDM)方式以多个分频同时发送所有子数据包，具体的，如图3所示的12个子数据包，以不同频率的分频同时被发送至接收机。
其中较优的，在所述步骤S102之前还可以包括：对所述若干子数据包的数据进行白化处理。具体包括：将所述若干子数据包的数据与预设的序列码进行异或逻辑运算。
需要解释的是，在数据传输中，如果0和1的数量大致相等，且随机分布，其载波频率更容易被稳定地锁相，因此会呈现比较好的运行效果。但需要传送的数据往往不符合这种特征，例如：许多测试或数据采集系统传送的数据，有时会含有比较多的0；或者含有相当多的1。使用伪随机序列对原始数据进行白化，是一种简便而有效的方式，使0和1的数量大致相等，且随机分布。
数据白化处理不增加数据量。数据白化的方法是将待发送的数据与一组伪随机序列做按位‘异或’运算。假定待传输的数据序列是：
数据:/00001010/00000000/00000001/00000010/…
伪随机序列PN9:/11111111/11100001/00011101/10011010/…
白化处理后得到:/11110101/11100001/00011100/10011000/…
可见，原数据0多1少；白化后0、1相当且数据量未变。
其中较优的，为了提高数据的准确性，在步骤S102之前还可以包括以下步骤：给所述若干子数据包的数据加入纠错码。具体的，前向纠错编码(FEC)技术指通过在传输码列中加入冗余纠错码，在一定条件下，通过解码可以自动纠正传输误码，降低接收信号的误码率(BER)。在WDM系统中，衡量FEC纠错能力的指标称为“FEC编码增益”，该增益越强表示纠错性能越强。
前向纠错编码(FEC)技术的基本原理是：在发送端，通过将kbit信息作为一个分组进行编码，加入(n-k)bit的冗余校验信息，组成长度为nbit的码字。码字经过信道到达接收机之后，如果错误在可纠范围之内，通过译码即可检查并纠正错误bit，从而抵抗信道带来的干扰，提高通信系统的可靠性。纠错是通信领域里非常常用的一种技术，在此不再赘述。
如图2所示，以接收机为执行主体，示出了本发明基于正交频分复用的数据传输方法另一种实施方式的流程示意图，参照图2，该方法包括以下步骤：
S201：接收机接收发射机发送的子载波信号，解调所述子载波信号得到多个子数据包，并解码所述多个子数据包；
其中较优的，在步骤S201解码多个子数据包之后，对所述多个子数据包进行反白化。具体包括：将所述若干子数据包的数据与预设的序列码进行异或逻辑运算。
具体的，反白化是接收机也使用与发射机相同的伪随机序列进行相同的‘异或’运算，即可以还原出预期的原始数据。在接收机收到数据后，用相同的伪随机序列进行‘异或’运算，即可还原预期的数据。
收到的内容:/11110101/11100001/00011100/10011000/…
伪随机序列PN9:/11111111/11100001/00011101/10011010/…
还原数据:/00001010/00000000/00000001/00000010/…
反白化是白化编码的逆运算，采用与白化编码相同的算法逻辑。
其中较优的，在步骤S201解码所述多个子数据包之后还可以包括：通过预先加入所述多个子数据包的纠错码，检查所述多个子数据包的数据是否存在错误，如果存在错误，则纠正错误的数据。需要说明的是，如果纠正之后仍然存在错误的数据，则将该数据所属子数据包丢弃，并将正确的子数据包缓存至缓冲区。从而保证了数据的准确性。
S202：根据解码得到的所述多个子数据包的序号码，去除序号码重复的子数据包；
具体的，由于发射机做了数据冗余，发送了3组相同的子数据包。而接收机接收的数据可能其中会有部分数据冗余校验(CRC)错误，成为无效数据被删除，但也有部分数据存在重复，所以将序号码重复的子数据包删除，只要保证A、B、C、D四个子数据包各有一个就可以，从而避免数据的重复。
S203：根据剩余子数据包的序号码顺序，对所述子数据包进行排序；具体的，在去除了重复的子数据包之后，将A、B、C、D四个子数据按照序号码的顺序进行排序，假设A、B、C、D四个子数据包的序号码依次是2,3,4,1，则将A、B、C、D四个子数据包按序号码顺序排序为D、A、B、C。
S204：将经过排序的所述子数据包合成为数据。具体的，将排序后的四个子数据包D、A、B、C进行合并，得到原始数据DABC。
本实施方式将数据拆分成4个子数据包同时发送，数据包大小为原先的1/4，发送时间为原先正常通信的1/4，而12个子数据包因为是在不同频率下发送的，所以不会存在信号的干扰。由于进行了数据冗余发送，更加保证了数据传输的准确性。若每个频率下的通信成功率为90％，则在进行3次冗余数据发送后，图3中每个子数据包A/B/C/D的通信成功率均为100％-10％×10％×10％＝99.9％。
本实施方式数据传输的方法可以应用于电力线宽带载波自组网的电表集抄系统、电力线窄带载波自组网的电表集抄系统、微功率无线自组网的电表集抄系统、电力线载波及微功率无线双模的自组网的电表集抄系统以及供水、燃气、供热的点对点微功率无线通信的抄表系统。
将本发明应用于电力线宽带载波自组网的电表集抄系统为例，如图4和5所示，为基于JRoute电力线宽带载波自组网的电表集抄系统，包括：智能电表、集中器以及主站。其中，多个智能电表通过JRoute电力线宽带载波自组网与控制多个智能电表的集中器相连；多个集中器通过GPRS、专网或光纤等方式与控制多个集中器的主站相连。JRoute电力线宽带载波自组网通信方法包含了网络搜索算法、自组网算法、信号传输方式，其中信号传输方式特别的采用了本发明基于正交频分复用的数据传输方法。智能电表与集中器之间以及智能电表相互之间在JRoute电力线宽带载波自组网的窄带中进行数据传输，数据传输的总带宽为10MHz，中心频率为12MHz。在系统应用中，数据包大小一般<256bits，传输速率≥2.4bps即可满足要求，适当放宽可考虑速率为10kbps。此时，考虑分频数为16时，带宽为10MHz/16＝625kHz；此时按照奈奎斯特准则(Nyquiststabilitycriterion)，最大数据传输速率Rmax＝2B＝2*625k为1,250kbps即1.25Mbps，远高于需要的10kbps。
此时，根据香农定理(Shannon'stheorem)按硬件限制，当预设分带宽值为625kHz、信噪比设计为12时，通信速率可以达到：
Rmax＝B*log2(1+S/N)＝625,000*log2(1+12)
＝625,000*3.7004
＝2,312,750bps＝2.313Mbps
从以上计算可知，从硬件角度考虑，分频段的通信速率最大可达2.313Mbps，而数据采用4分包同时传输，有效通信理论最大速率可达4倍。实际因分数据包需要增加纠错码及序号码，实际上最大有效速率应在3.5倍左右。这样，最大有效通信速率约为2.3*3.5＝8.05Mbps，从硬件上能够满足应用的需求。考虑充分余量，可以将分频速率设定在1Mbps，完全可以满足智能电网最后1英里的通信需求。
本发明多个子数据包按照不同的频率发送，由于干扰信号对通信的影响是同频干扰，所以本发明多个数据包之间不会互相干扰。有效的子数据包以“A、B、C、D”4个为例，只要这4个数据包正确收到，就能正确合成需要的数据，通信就成功了。将信号带宽分为16个分频后，各分带宽同时被干扰的几率极低，3组子数据包以2.5MHz的间隔同时发送，这3组的12个数据包，均处于不同频率，同一数据包均被干扰的几率远低于未分频时，这样通信成功率会大幅度提升。本发明是非连续数据包通信，通信的对象是数字信号的数据包，允许短时中断，可以让应用的系统进行数据处理、还原；数据包不会占用大的存贮资源，完成数据传输需要的硬件成本可以接受；本发明适用于需要使用的频带内可能易受通信干扰，或者是需要高度保密，需要可靠通信的作业。
另一方面，采用上述的数据传输方法，本发明还提供了一种基于正交频分复用的数据传输装置，如图6所示，示出了本发明基于正交频分复用的数据传输装置发射机的框架示意图，该装置包括：
数据分包单元61，用于拆解所述数据成若干子数据包，并编码所述子数据包，为每个子数据包加入不同的序号码；
复制单元62，用于复制多份所述子数据包；
发送单元63，用于将经过复制后的所有子数据包调制成间隔预设频率的子载波信号，并向接收机发送所述子载波信号。
另外，采用上述的数据传输方法，本发明还提供了一种基于正交频分复用的数据传输装置，如图7所示，示出了本发明基于正交频分复用的数据传输装置接收机的框架示意图，该装置包括：
接收单元71，用于接收发射机发送的子载波信号，解调所述子载波信号得到多个子数据包，并解码所述多个子数据包；
去除单元72，用于根据解码得到的所述多个子数据包的序号码，去除序号码重复的子数据包；
排序单元73，用于根据剩余子数据包的序号码顺序，对所述子数据包进行排序；
合成单元74，用于将经过排序的所述子数据包合成为数据。
其中较优的，该装置还包括：纠错单元，所述纠错单元用于通过预先加入所述多个子数据包的纠错码，检查所述多个子数据包的数据是否存在错误，如果存在错误，则纠正错误的数据；如果纠正之后仍然存在错误的数据，则将该数据所属子数据包丢弃，并将正确的子数据包缓存至缓冲区。
此外，本发明还提供了一种抄表系统，包括上述的基于正交频分复用的数据传输装置。
本发明充分利用了有效带宽，将通信数据分解成多个子数据包传输，加快了数据传输的速率，进一步的，本发明进行了多次冗余数据传输，提高了数据传输的通信成功率，保证了数据的准确性和安全性，本发明可以适用于使用的频带易受通信干扰，或者是需要高度保密，需要可靠通信的数据的传输。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (11)

1.一种基于正交频分复用的数据传输方法，其特征在于，包括：
发射机拆解所述数据成若干子数据包，并编码所述子数据包，为每个子数据包加入不同的序号码；
复制多份所述子数据包；
将经过复制后的所有子数据包调制成间隔预设频率的子载波信号，并向接收机发送所述子载波信号。
2.根据权利要求1所述的基于正交频分复用的数据传输方法，其特征在于，在所述复制多份所述子数据包之前还包括：
对所述若干子数据包的数据进行白化处理，具体包括：
将所述若干子数据包的数据与预设的序列码进行异或逻辑运算。
3.根据权利要求1所述的基于正交频分复用的数据传输方法，其特征在于，在所述复制多份所述子数据包之前还包括：
给所述若干子数据包的数据加入纠错码。
4.一种基于正交频分复用的数据传输方法，其特征在于，包括：
接收机接收发射机发送的子载波信号，解调所述子载波信号得到多个子数据包，并解码所述多个子数据包；
根据解码得到的所述多个子数据包的序号码，去除序号码重复的子数据包；
根据剩余子数据包的序号码顺序，对所述子数据包进行排序；
将经过排序的所述子数据包合成为数据。
5.根据权利要求4所述的基于正交频分复用的数据传输方法，其特征在于，在解码所述多个子数据包之后还包括：
对所述若干子数据包的数据进行反白化处理，具体包括：
将所述多个子数据包的数据与预设的序列码进行异或逻辑运算。
6.根据权利要求4所述的基于正交频分复用的数据传输方法，其特征在于，在解码所述多个子数据包之后还包括：
通过预先加入所述多个子数据包的纠错码，检查所述多个子数据包的数据是否存在错误，如果存在错误，则纠正错误的数据。
7.根据权利要求6所述的基于正交频分复用的数据传输方法，其特征在于，如果纠正之后仍然存在错误的数据，则将该数据所属子数据包丢弃，并将正确的子数据包缓存至缓冲区。
8.一种基于正交频分复用的数据传输装置，其特征在于，包括：
数据分包单元，用于拆解所述数据成若干子数据包，并编码所述子数据包，为每个子数据包加入不同的序号码；
复制单元，用于复制多份所述子数据包；
发送单元，用于将经过复制后的所有子数据包调制成间隔预设频率的子载波信号，并向接收机发送所述子载波信号。
9.一种基于正交频分复用的数据传输装置，其特征在于，包括：
接收单元，用于接收发射机发送的子载波信号，解调所述子载波信号得到多个子数据包，并解码所述多个子数据包；
去除单元，用于根据解码得到的所述多个子数据包的序号码，去除序号码重复的子数据包；
排序单元，用于根据剩余子数据包的序号码顺序，对所述子数据包进行排序；
合成单元，用于将经过排序的所述子数据包合成为数据。
10.根据权利要求9所述的基于正交频分复用的数据传输装置，其特征在于，该装置还包括：纠错单元，所述纠错单元用于通过预先加入所述多个子数据包的纠错码，检查所述多个子数据包的数据是否存在错误，如果存在错误，则纠正错误的数据；如果纠正之后仍然存在错误的数据，则将该数据所属子数据包丢弃，并将正确的子数据包缓存至缓冲区。
11.一种抄表系统，其特征在于包括权利要求8或9所述的基于正交频分复用的数据传输装置。
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