CN106506047B - 一种低压电力线的载波通信方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低压电力线的载波通信方法、装置及系统，其中，方法包括：获取通信数据，通信数据包括帧控制数据和用户数据，用户数据为通信传输的数据，帧控制数据为用于辅助解码用户数据的数据；在信道状态未知的情况下，采用正交空时块码对通信数据进行编码，生成多路发射信号；将多路发射信号分别通过三相电力线发送至电能表。本发明充分利用电力线中高频率上电信号相间耦合显著的特性，采用多种空时编解码技术，提高集中器和电能表之间电力线载波通信的可靠性。

Description

一种低压电力线的载波通信方法、装置及系统

技术领域

本发明涉及电力线通信技术领域，具体涉及一种低压电力线的载波通信方法、装置及系统。

背景技术

三相低压供配电网络由三相交流电变压器，单相或三相电能表，各种用电设备和输电线缆等基本要素构成。三相交流变压器把输电干线上的中高压交流电转化为常用的220V(或110V)低压交流电，三个相位的交流电被均衡的分配到各个用户处，每个用户处有一个电能表计量消耗的电能。大部分用户都会接入三相中的一相，入户线为一根相线和一根中线，也有部分用户使用全部三相交流电。根据用户用电负荷的重要性，同一个用户可能接入多条互为备用的独立供电线路。

低压供配电网络连接通常采用三相四线或三相五线制，这里的三相指的是三相交流电的A，B，C三个相位，四线指的是三根相线(L)和一根中线(N)，五线指的是三根相线(L)，一根中线(N)和一根保护地线(PE)。由于在正常工作中，保护地线并不传递电流。

三相交流电变压器负责供电的一个区域称为台区，一个台区可以有一个集中器负责自动采集台区内所有电能表的用电信息。集中器一般布置在变压器附近，以便于和不同相线上的电能表通过电力线载波的方式相互通信。相线-中线之间，由于各种原因存在电信号的耦合现象，特别是对于2MHz以上的中高频信号，相间耦合的强度更加显著；随着载波频率的升高，电力线路的高频衰减越发明显，造成信号的相间耦合强度逐渐下降，这使得电力线载波通信的可靠性大大降低。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于现有技术中的电力线载波通信的可靠性低，从而提供一种低压电力线的载波通信方法、装置及系统。

本发明实施例的一方面，提供了一种低压电力线的载波通信方法，包括：获取通信数据，所述通信数据包括帧控制数据和用户数据，所述用户数据为通信传输的数据，所述帧控制数据为用于辅助解码所述用户数据的数据；在信道状态未知的情况下，采用正交空时块码对所述通信数据进行编码，生成多路发射信号；将所述多路发射信号分别通过三相电力线发送至电能表。

可选地，所述多路发射信号为两路，将所述多路发射信号分别通过三相电力线发送至电能表包括：将其中一路发射信号发送至所述三相电力线中的任一相电力线，另一路发射信号同时发送至其他两相电力线。

可选地，在集中器与电能表建立起初步的双向连接后，接收所述电能表发送的下行信道的状态信息；通过信道传递函数矩阵的1个右奇异值向量与发送频域复信号加权实现对所述通信数据的编码。

可选地，编码矩阵为：

Z_{spot_bf,k}＝V₀*S_k

其中，Z_{spot_bf,k}为对应子载波k，分别在3个端口发送的3个频域复信号，S_k为一个待编码的星座图映射后复信号，V₀为3行1列的右奇异值向量。

可选地，生成多路发射信号包括：对编码得到的多个初始信号分别进行快速逆傅里叶变换、插入循环前缀以及插入前导符号，得到所述多路发射信号。

本发明实施例的另一方面，提供了一种低压电力线的载波通信装置，包括：获取单元，用于获取通信数据，所述通信数据包括帧控制数据和用户数据，所述用户数据为通信传输的数据，所述帧控制数据为用于表示解码所述用户数据的数据；第一调制单元，用于在信道状态未知的情况下，采用正交空时块码对所述通信数据进行编码，生成多路发射信号；发送单元，用于将所述多路发射信号分别通过三相电力线发送至电能表。

可选地，所述多路发射信号为两路，所述发送单元包括：发送模块，用于将其中一路发射信号发送至所述三相电力线中的任一相电力线，另一路发射信号同时发送至其他两相电力线。

可选地，还包括：接收单元，用于在集中器与电能表建立起初步的双向连接后，接收所述电能表发送的下行信道的状态信息；第二调制单元，用于通过信道传递函数矩阵的1个右奇异值向量与发送频域复信号加权实现对所述通信数据的编码。

可选地，所述第一调制单元包括：处理模块，用于对编码得到的多个初始信号分别进行快速逆傅里叶变换、插入循环前缀以及插入前导符号，得到所述多路发射信号。

本发明实施例的另一方面，提供了一种低压电力线的载波通信系统，包括：集中器和至少一个电能表，所述集中器与所述至少一个电能表通过三相电力线连接，用于所述的载波通信方法，所述三相电力线包括：A相相线、B相相线、C相相线和中线，所述集中器包括：第一信号发送模块和第一信号接收模块，分别与所述A相相线和所述中线连接；第二信号发送模块和第二信号接收模块，分别与所述B相相线和所述中线连接；第三信号发送模块和第三信号接收模块，分别与所述C相相线和所述中线连接；所述电能表包括发送模块和接收模块，分别与至少一相线和所述中线连接。

根据本发明实施例，通过在集中器不知道信道状态时，下行发送通信数据的MISO编码采用正交空时块码以获取最大可能的空间分集增益，充分利用电力线中高频率上电信号相间耦合显著的特性，采用多种空时编解码技术，提高集中器和电能表之间电力线载波通信的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中的低压电力线的载波通信系统的一个示例的示意图；

图2为本发明实施例中低压电力线的载波通信方法的一个具体示例的流程图；

图3为本发明实施例中集中器的信号发送模块至电能表的接收模块的下行系统原理框图；

图4为本发明实施例中物理层数据帧结构的示意图；

图5为本发明实施例中电能表的发送模块至集中器的信号接收模块的上行系统原理框图；

图6为本发明实施例中的低压电力线的载波通信装置的一个示例的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明实施例提供了一种低压电力线的载波通信系统，如图1所示，该系统包括：集中器10和多个电能表(包括电能表21、电能表22、电能表23、电能表24、电能表25、电能表26)，集中器10与电能表通过三相电力线连接，三相电力线包括：A相相线、B相相线、C相相线和中线。

集中器10包括：第一信号发送模块Tx0和第一信号接收模块Rx0，分别与A相相线和中线连接；第二信号发送模块Tx1和第二信号接收模块Rx1，分别与B相相线和中线连接；第三信号发送模块Tx2和第三信号接收模块Rx2，分别与C相相线和中线连接。电能表包括发送模块Tx和接收模块Rx，分别与至少一相线和中线连接。

具体地，如图1所示的集中器和电能表连接示例中，电能表21、电能表22、电能表23、电能表24、电能表25均为单相电能表，电能表21、22的通信模块(包括接收模块和发送模块，下同)通过A相相线和中线，与集中器10通信模块相连；电能表23、24的通信模块通过B相相线和中线，与集中器10的通信模块相连；电能表25的通信模块通过C相相线和中线，与集中器10的通信模块相连；电能表26为三相电能表，其通信模块通过C相相线和中线，与集中器10的通信模块相连。集中器10的通信模块有3组收发单元，分别同时与A、B、C三组相线-中线连接。

本发明实施例中，集中器的通信模块同时和三对相线-中线连接，单相电能表的通信模块和唯一一对相线-中线连接，三相电能表的通信模块和三对相线-中线中间的任意一对连接。这样，集中器的信号发送模块和电能表的接收模块之间，形成了一个多入单出(Multiple Input Single Output,MISO)的下行信道；电能表的发送模块和集中器的信号接收模块之间，形成了一个单入多出(Single Input Multiple Output,SIMO)的上行信道。需要指出的是，集中器的通信模块虽然同时和三对相线-中线连接，集中器通信模块仍然可以选择使用其中一个物理链路实现接收和发送，这时，上行和下行都是一个单入单出(Single Input Single Output，SISO)信道。

本实施例提供一种低压电力线的载波通信方法，该方法可以用于本发明实施例提供的载波通信系统，该方法涉及低压供配电网络的三根相线和一个中线，适用于三相四线制供配电网络，也可适用于三相五线制供配电网络。如图2所示，该方法包括：

步骤S201，获取通信数据。通信数据包括帧控制数据和用户数据，用户数据为通信传输的数据，帧控制数据为用于辅助解码用户数据的数据，例如，调制方式、前向纠错码(FEC)类型等。

步骤S202，在信道状态未知的情况下，采用正交空时块码对通信数据进行编码，生成多路发射信号。如图3所示，生成多路发射信号包括：对编码得到的多个初始信号分别进行快速逆傅里叶变换、插入循环前缀以及插入前导符号，得到多路发射信号。

步骤S203，将多路发射信号分别通过三相电力线发送至电能表。

本发明实施例的载波通信方法为下行通信方法，其原理如图3所示，其简化的频域模型为：

其中，为频域星座图映射后的符号向量，为频域MISO编码后的发送符号向量，F为MISO编码矩阵，为的组成元素，对应OFDM符号序号n、子载波序号k、发送端口m的频域发送符号，为信道传递函数，为频域等效噪声干扰，为接收信号对应的频域表示，n为OFDM符号序号，k为子载波序号，m为发送端口序号。

在集中器不知道信道状态时，下行发送通信数据的MISO编码采用正交空时块码(Orthogonal Space Time Block Code)以获取最大可能的空间分集增益，充分利用电力线中高频率上电信号相间耦合显著的特性，采用多种空时编解码技术，提高集中器和电能表之间电力线载波通信的可靠性。

作为一种可选实施方式，为了降低实现的复杂度，多路发射信号为两路，将多路发射信号分别通过三相电力线发送至电能表包括：将其中一路发射信号发送至三相电力线中的任一相电力线，另一路发射信号同时发送至其他两相电力线。

本发明实施例采用2端口码速为1的正交空时块码方案。其中，编码矩阵如下：

{s₁,s₂}为2个待编码的星座图映射后复信号，分别来自相邻2个OFDM符号的同一个子载波，{s₁ ^*,-s₂ ^*}分别是s₁的共轭信号和s₂的共轭取反信号,Z_stbc矩阵的每一列代表在同一个可用子载波，分别在2个端口上发射的编码后复信号，即2个待编码的星座图映射后复信号，被该编码矩阵映射到2个端口4个子载波上。最终的2路发射信号，其中一路可以被重复发射到2个L-N线对。比如第一路发射到A相，第二路同时发射到B，C相。

作为另一种可选的实施方式，在集中器与电能表建立起初步的双向连接后，接收电能表发送的下行信道的状态信息；通过信道传递函数矩阵的1个右奇异值向量与发送频域复信号加权实现对通信数据的编码。

在集中器的通信模块和电能表的通信模块建立起初步的双向连接后，电能表通信模块可以反馈部分或全部下行信道的状态信息给集中器通信模块。这时下行MISO编码通过信道传递函数矩阵的1个右奇异值向量与发送频域复信号加权来实现，该MISO编码方式除了可以获得最大可能的空间分集增益，还可获得额外的阵列增益。

假定OFDM符号序号n，子载波k对应的信道为复矩阵其奇异值分解(SingularValue Decomposition，SVD)可以表示为：

其中V^H表示对V矩阵的共轭转置。

考虑到接收端只有一个端口，的秩最大为1，的奇异值分解可以进一步简化为：

其中U为1行1列的左奇异值向量，Σ₀为非零奇异值，V₀为3行1列的右奇异值向量，为V₀的共轭转置。下行MISO编码矩阵为：

Z_{spot_bf,k}＝V₀*S_k

其中，Z_{spot_bf,k}为对应子载波k，分别在3个端口发送的3个频域复信号，S_k为一个待编码的星座图映射后复信号，V₀为3行1列的右奇异值向量。这里MISO编码的速率为1，即1个待编码的星座图映射后复信号，映射到了3个端口的同一个子载波上。

本发明实施例中的物理层数据帧结构，在下行和上行信道中使用相同的数据帧结构，如图4所示，前导符号SYNCP和SYNCM(竖线的矩形框表示)由已知的频域导频数据经快速逆傅立叶变换(Inversed Fast Fourier Transform，IFFT)处理后生成，并且SYNCM＝-SYNCP。帧控制数据(左斜线的矩形框表示)和用户数据(右斜线的矩形框表示)都为带有循环前缀的正交调制(OFDM)符号。接收机利用前导符号可以自动调整接收机信号放大器的增益，获取同步信息和辅助信道估计。帧控制数据包含了帮助解码用户数据的一些信息，如调制方式，前向纠错码(FEC)类型等。

本实施例中，关于下行通信的前导符号的构造，具体过程如下：

在集中器通信模块和电能表通信模块使用SISO模式通信时，SYNCP符号由已知的频域导频数据IFFT后生成，即SYNCP符号对应的频域符号是一个已知序列{p(k)},其中k为子载波序号。

当MISO下行使用正交空时编码时，2路前导符号也是由已知的频域导频数据IFFT后生成，第一路前导符号与SISO模式完全一致，第二路前导符号的开始Nsyncp+2个符号与SISO模式的前导符号完全一致，最后Nsyncm-2个符号取SISO模式对应符号的相反值。即若NSYNCP＝10，NSYNCM＝6，SYNCP＝L，那么对应的2路前导符号为：

第一路：+L,+L,+L,+L,+L,+L,+L,+L,+L,+L,-L,-L,-L,-L,-L,-L；

第二路：+L,+L,+L,+L,+L,+L,+L,+L,+L,+L,-L,-L,+L,+L,+L,+L。

当MISO下行编码使用H矩阵右奇异值加权时，3个端口的SYNCP符号也是由已知的频域导频数据IFFT后生成，但各自对应的频域已知序列应按照如下方式构造：

p_m(k)＝V_0,m*p(k)

其中V_0,m是列向量V₀的第m行值。

本发明实施例中，对于上行收发模型，其原理如图5所示，简化的上行系统频域模型为：

其中，为OFDM符号n，子载波k的频域发送符号，为信道传递函数，为频域等效噪声干扰，n为OFDM符号序号，k为子载波序号，m为接收端口序号。

集中器有3路独立的接收处理通道，通过采用分集合并技术，如最大比可以获得最大3倍阵列增益。实际上受三相电缆间相关性的影响，其阵列增益会远远低于最大可能增益，但显然会高于使用单相接口的情况。

关于上行通信的前导符号SYNCP的构造与SISO模式通信完全一致，不再赘述。

本发明实施例在三相供配电网络上利用相间信号的耦合效应，通过在集中器通信模块引入空间分集发送和接收技术，有效提高了集中器与用户电能表间通信的可靠性。同时，由于电能表通信模块几乎保持了与SISO通信模式一致的信号处理要求，对整个系统成本增加非常有限。

本发明实施例还提供了一种低压电力线的载波通信装置，该装置可以用于执行本发明上述实施例提供的载波通信方法，如图6所示，该装置包括：获取单元11、第一调制单元12和发送单元13。

获取单元11用于获取通信数据，通信数据包括帧控制数据和用户数据，用户数据为通信传输的数据，帧控制数据为用于表示解码用户数据的数据。

第一调制单元12用于在信道状态未知的情况下，采用正交空时块码对通信数据进行编码，生成多路发射信号。第一调制单元包括：处理模块，用于对编码得到的多个初始信号分别进行快速逆傅里叶变换、插入循环前缀以及插入前导符号，得到多路发射信号。

发送单元13用于将多路发射信号分别通过三相电力线发送至电能表。

本发明实施例的载波通信方法为下行通信方法，其原理如图3所示，其简化的频域模型为：

其中，为频域星座图映射后的符号向量，为频域MISO编码后的发送符号向量，F为MISO编码矩阵，为的组成元素，对应OFDM符号序号n、子载波序号k、发送端口m的频域发送符号，为信道传递函数，为频域等效噪声干扰，为接收信号对应的频域表示，n为OFDM符号序号，k为子载波序号，m为发送端口序号。

在集中器不知道信道状态时，下行发送通信数据的MISO编码采用正交空时块码(Orthogonal Space Time Block Code)以获取最大可能的空间分集增益，充分利用电力线中高频率上电信号相间耦合显著的特性，采用多种空时编解码技术，提高集中器和电能表之间电力线载波通信的可靠性。

作为一种可选实施方式，为了降低实现的复杂度，多路发射信号为两路，发送单元包括：发送模块，用于将其中一路发射信号发送至三相电力线中的任一相电力线，另一路发射信号同时发送至其他两相电力线。

本发明实施例采用2端口码速为1的正交空时块码方案。其中，编码矩阵如下：

{s₁,s₂}为2个待编码的星座图映射后复信号，分别来自相邻2个OFDM符号的同一个子载波，{s₁ ^*,-s₂ ^*}分别是s₁的共轭信号和s₂的共轭取反信号,Z_stbc矩阵的每一列代表在同一个可用子载波，分别在2个端口上发射的编码后复信号，即2个待编码的星座图映射后复信号，被该编码矩阵映射到2个端口4个子载波上。最终的2路发射信号，其中一路可以被重复发射到2个L-N线对。比如第一路发射到A相，第二路同时发射到B，C相。

作为另一种可选的实施方式，本发明实施例的装置还包括：接收单元，用于在集中器与电能表建立起初步的双向连接后，接收电能表发送的下行信道的状态信息；第二调制单元，用于通过信道传递函数矩阵的1个右奇异值向量与发送频域复信号加权实现对通信数据的编码。

在集中器的通信模块和电能表的通信模块建立起初步的双向连接后，电能表通信模块可以反馈部分或全部下行信道的状态信息给集中器通信模块。这时下行MISO编码通过信道传递函数矩阵的1个右奇异值向量与发送频域复信号加权来实现，该MISO编码方式除了可以获得最大可能的空间分集增益，还可获得额外的阵列增益。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本申请的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种低压电力线的载波通信方法，其特征在于，包括：

获取通信数据，所述通信数据包括帧控制数据和用户数据，所述用户数据为通信传输的数据，所述帧控制数据为用于辅助解码所述用户数据的数据；

在信道状态未知的情况下，采用正交空时块码对所述通信数据进行编码，生成多路发射信号；

将所述多路发射信号分别通过三相电力线发送至电能表；

在集中器与电能表建立起初步的双向连接后，接收所述电能表发送的下行信道的状态信息；

通过信道传递函数矩阵的1个右奇异值向量与发送频域复信号加权实现对所述通信数据的编码；编码过程为：

Z_{spot_bf,k}＝V₀*S_k

其中，Z_{spot_bf,k}为对应子载波k，分别在3个端口发送的3个频域复信号，S_k为一个待编码的星座图映射后复信号，V₀为3行1列的右奇异值向量。

2.根据权利要求1所述的载波通信方法，其特征在于，所述多路发射信号为两路，将所述多路发射信号分别通过三相电力线发送至电能表包括：

将其中一路发射信号发送至所述三相电力线中的任一相电力线，另一路发射信号同时发送至其他两相电力线。

3.根据权利要求1所述的载波通信方法，其特征在于，生成多路发射信号包括：

对编码得到的多个初始信号分别进行快速逆傅里叶变换、插入循环前缀以及插入前导符号，得到所述多路发射信号。

4.一种低压电力线的载波通信装置，其特征在于，包括：

获取单元，用于获取通信数据，所述通信数据包括帧控制数据和用户数据，所述用户数据为通信传输的数据，所述帧控制数据为用于表示解码所述用户数据的数据；

第一调制单元，用于在信道状态未知的情况下，采用正交空时块码对所述通信数据进行编码，生成多路发射信号；

发送单元，用于将所述多路发射信号分别通过三相电力线发送至电能表；

接收单元，用于在集中器与电能表建立起初步的双向连接后，接收所述电能表发送的下行信道的状态信息；

第二调制单元，用于通过信道传递函数矩阵的1个右奇异值向量与发送频域复信号加权实现对所述通信数据的编码；编码过程为：

Z_{spot_bf,k}＝V₀*S_k

其中，Z_{spot_bf,k}为对应子载波k，分别在3个端口发送的3个频域复信号，S_k为一个待编码的星座图映射后复信号，V₀为3行1列的右奇异值向量。

5.根据权利要求4所述的载波通信装置，其特征在于，所述多路发射信号为两路，所述发送单元包括：

发送模块，用于将其中一路发射信号发送至所述三相电力线中的任一相电力线，另一路发射信号同时发送至其他两相电力线。

6.根据权利要求4所述的载波通信装置，其特征在于，所述第一调制单元包括：

处理模块，用于对编码得到的多个初始信号分别进行快速逆傅里叶变换、插入循环前缀以及插入前导符号，得到所述多路发射信号。

7.一种低压电力线的载波通信系统，其特征在于，包括：集中器和至少一个电能表，所述集中器与所述至少一个电能表通过三相电力线连接，用于执行权利要求1至3任一项所述的载波通信方法，所述三相电力线包括：A相相线、B相相线、C相相线和中线，所述集中器包括：

第一信号发送模块和第一信号接收模块，分别与所述A相相线和所述中线连接；

第二信号发送模块和第二信号接收模块，分别与所述B相相线和所述中线连接；

第三信号发送模块和第三信号接收模块，分别与所述C相相线和所述中线连接；

所述电能表包括发送模块和接收模块，分别与至少一相线和所述中线连接。