CN107222243B - 基于输电线路冗余路径的无线网络连接装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及移动通信技术领域，是一种基于输电线路冗余路径的无线网络连接装置及使用方法，前者包括一个中心站和至少两个中继站，中心站内设置有中心站无线设备和光纤收发器，每个中继站中均设有多天线发射机和多天线接收机，后者包括步骤1将中心站无线设备与光纤收发器融合并实现无线发射；步骤2中心站将WiMax信号发送给相邻的第一中继站；步骤3对中心站发送的数据进行编码处理，第n‑2中继站和第n‑1中继站同时将WiMax信号发送给中继站n，中继站n选择较强信号转发。本发明在不增加带宽和发射功率的情况下，提高了接收端的频谱效率和功率效率，提高了信道容量和链路鲁棒性，使WiMax的接入效率更高，可靠性更强，覆盖范围广。

Description

基于输电线路冗余路径的无线网络连接装置及使用方法

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，是一种基于输电线路冗余路径的无线网络连接装置及使用方法。

背景技术

随着我国电网建设的快速发展，电网的覆盖面越来越广、经过的地理、气象条件地区越来越复杂。线路走廊需要穿越各种复杂的地理环境，如经过沼泽、丛林、戈壁和崇山峻岭等无人区，这些都使得电力线路的传统线路巡检工作更加困难。特别是对于电力线路穿越原始森林边缘地区、高海拔、冰雪覆盖区以及沿线存在频繁滑坡、泥石流等地质灾害，大部分地区山高坡陡，交通和通讯极不发达时，输电线路状态难以检测。

输电线路中信息传输的一个关键技术是无线网络的覆盖和接入技术。从组网速度、成本和难易程度来说，使用电信运营商的公众网络服务进行无线数据传输是较好的解决方案，然而，公众网络存在着覆盖范围无法覆盖输电线路全程、服务种类和数据速率无法满足像线路视频监控信息传输等高速率业务的需求、可靠性难以满足电力监测系统的可靠性要求、收费较高、管理困难等缺点。

发明内容

本发明提供了一种基于输电线路冗余路径的无线网络连接装置及使用方法，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决使用公众网络进行输电线路信息传输时存在网络覆盖受限以及传输速率低不能满足电力监测系统可靠性要求的问题。

本发明的技术方案之一是通过以下措施来实现的：一种基于输电线路冗余路径的无线网络连接装置，包括一个中心站和至少两个中继站，所述中心站内设置有中心站无线设备和光纤收发器，所述每个中继站中均设有多天线发射机和多天线接收机，所述中心站分别与第一中继站、第二中继站之间无线通信连接，所述第一中继站与第二中继站之间通信连接。

下面是对上述技术方案之一的进一步优化或/和改进：

上述所述中心站分别与第一中继站、第二中继站通过WiMax信号无线通信连接，所述第一中继站与第二中继站通过WiMax信号无线通信连接。

本发明的技术方案之二是通过以下措施来实现的：一种基于输电线路冗余路径的无线网络连接装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤1：将中心站无线设备与光纤收发器融合并实现基于OFDM的5.8G网络信号的无线发射，之后进入步骤2；

步骤2：中心站将WiMax信号发送给相邻的第一中继站，之后进入步骤3；

步骤3：第一中继站的多天线发射机对中心站发送的数据进行编码处理，中心站和第一中继站同时将WiMax信号发送给第二中继站，第二中继站通过比较选择其中较强的一个信号，向下个中继站进行转发，之后进入步骤4；

步骤4：第n-1中继站多天线发射机对接收的数据进行编码处理，第n-2中继站和第n-1中继站同时将WiMax信号发送给中继站n，中继站n通过比较选择其中较强的一个信号，向下一个中继站转发，其中n＞2，直至转发到最后一个中继站，之后结束。

上述在步骤3中，多天线发射机对接收的数据进行编码处理，即输电线路中多天线技术MIMO的预编码，在SLNR预编码准则下，接收端i所对应的预编码向量W_i为矩阵

最大特征值对应的特征向量，即

其中

为

若接收端i的接收天线数为M_i，H_i为该接收端的M_i×N_i的信道矩阵，S_i为发送给接收端i的字符向量，W_i为接收端i的预编码矩阵，则某一字符周期的发射信号为N_i维列向量：

若信道噪声为Z_i，则接收端i的接收信号为M_i维列向量，即：y_i＝H_iX+Z_i。

上述在步骤4中，还包括中继站的多天线接收机的天线选择过程，其包括以下步骤：

(1)中继站n通过两条天线分别接收来自中继站n-1和中继站n-2的无线WiMax信号；

(2)中继站n中的多天线接收机将来自中继站n-1和中继站n-2的无线WiMax信号数据子流分开并解码；

(3)中继站n通过比较将两个子信号中较强的一个信号继续向下转发。

本发明不仅保证了输电线路信息传输的可靠性，而且在不增加带宽和发射功率的情况下，有效提高了接收端的频谱效率和功率效率，同时提高了信道容量和链路鲁棒性，使WiMax的接入效率更高，可靠性更强，覆盖范围更广泛。

附图说明

附图1为本发明基于冗余路径的无线网络下行传输示意图。

附图2为本发明基于冗余路径的无线网络多天线接入系统原理图。

附图3为本发明实施例3的基于冗余路径的多天线MIMO信道容量比较示意图。

具体实施方式

本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述：

实施例1：如附图1、2所示，基于输电线路冗余路径的无线网络连接装置包括一个中心站和至少两个中继站，所述中心站内设置有中心站无线设备和光纤收发器，所述每个中继站中均设有多天线发射机和多天线接收机，所述中心站分别与第一中继站、第二中继站之间无线通信连接，所述第一中继站与第二中继站之间通信连接。

在实际输电线路冗余路径的无线网络连接装置中，根据需要，可设置多个中继站用于传输无线网络信号。无线网络覆盖的输电线路基于光纤网络作为信号辐射源展开网络部署，中心站无线设备通过与光纤收发器的融合并实现基于OFDM调制的5.8G网络信号的无线发射。根据线路长距离分布情况，通过WiMax增加无线中继设备进行无线信号的放大和增强，保证信号的长距离传输。中继站采用基于冗余路径的分布方式，而中继站之间以及中继站与中心站之间WiMax信号的接入均采用多天线MIMO技术。

可根据实际需要，对上述基于输电线路冗余路径的无线网络连接装置作进一步优化或/和改进：

如附图1、2所示，所述中心站分别与第一中继站、第二中继站通过WiMax信号无线通信连接，所述第一中继站与第二中继站通过WiMax信号无线通信连接。

实施例2：如图3所示，一种上述基于输电线路冗余路径的无线网络连接装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤1：将中心站无线设备与光纤收发器融合并实现基于OFDM的5.8G网络信号的无线发射，之后进入步骤2；

步骤2：中心站将WiMax信号发送给相邻的第一中继站，之后进入步骤3；

步骤3：第一中继站的多天线发射机对中心站发送的数据进行编码处理，中心站和第一中继站同时将WiMax信号发送给第二中继站，第二中继站通过比较选择其中较强的一个信号，向下个中继站进行转发，之后进入步骤4；

步骤4：第n-1中继站多天线发射机对接收的数据进行编码处理，第n-2中继站和第n-1中继站同时将WiMax信号发送给中继站n，中继站n通过比较选择其中较强的一个信号，向下一个中继站转发，其中n＞2，直至转发到最后一个中继站，之后结束。

本发明不仅保证了输电线路信息传输的可靠性，而且在不增加带宽和发射功率的情况下，有效提高了接收端的频谱效率和功率效率，同时提高了信道容量和链路鲁棒性，使WiMax的接入效率更高，可靠性更强，覆盖范围更广泛。

如附图1、2所示，在步骤3中，多天线发射机对接收的数据进行编码处理，即输电线路中多天线技术MIMO的预编码，在SLNR预编码准则下，接收端i所对应的预编码向量W_i为矩阵

最大特征值对应的特征向量，即

其中

为

若接收端i的接收天线数为M_i，H_i为该接收端的M_i×N_i的信道矩阵，S_i为发送给接收端i的字符向量，W_i为接收端i的预编码矩阵，则某一字符周期的发射信号为N_i维列向量：

若信道噪声为Z_i，则接收端i的接收信号为M_i维列向量，即：y_i＝H_iX+Z_i。

在实际工作时，按照SLNR预编码准则设计出来的预编码不仅能够减小目标接收端对其他接收端的干扰，而且能降低整个系统各接收端之间的干扰，提高每个接收端接收信号的SINR。

如附图1、2所示，在步骤4中，还包括中继站的多天线接收机的天线选择过程，其包括以下步骤：

(1)中继站n通过两条天线分别接收来自中继站n-1和中继站n-2的无线WiMax信号；

(2)中继站n中的多天线接收机将来自中继站n-1和中继站n-2的无线WiMax信号数据子流分开并解码；

(3)中继站n通过比较将两个子信号中较强的一个信号继续向下转发。

在上述的第(2)步中，因来自中继站n-1和中继站n-2的无线WiMax信号数据子流同时被发送到同一个信道，占用同一频带，所以需要多天线接收机将其分开并解码；当第n中继站(n≥2)作为接收端时，需要选择两根天线同时进行接收，首先选择一根能够获得最大容量增量的天线，并在此基础上，选择一根能够获得最大容量增量的天线作为第二根接收天线；若接收端要从M根接收天线中选择M_r(M_r＝1或2)根天线，发送端天线数为1，信道噪声为加性高斯白噪声，且其复数的每一维方差为0.5，天线发射的平均信号功率为ρ；在选择出m(m＝1或2)根接收天线时接收端已选出的天线子集对应的信道矩阵为m×N_t维的矩阵H_m，则最大信道容量计算公式为：

实施例3：如附图3所示，假设多输入多输出(MIMO)信道的信道系数服从瑞利分布，SNR是接收天线的信噪比，M是发送端的天线数，N是接收端的天线数，设发射天线和接收天线互不相关；定义矩阵Q为：

则信道公式为：

其中，min是M、N中最小的数，I_min是min×min的单位矩阵，det(·)为矩阵的行列式，H为信道矩阵；

仿真结果如附图3所示，由仿真结果可以看出，随着天线数目的增加，系统信道容量随着接收端信噪比SNR的增加而增加的更快。因此MIMO系统和SISO系统相比，信道容量可以得到很大幅度的提高。利用MIMO技术来实现输电线路主干网上无线网络WiMax的接入，将能大幅提升系统信道容量，实现大量数据高速传输，同时保证数据传输的可靠性。

为了验证本发明提出的输电线路中基于冗余路径的无线网络连接方法的有效性，假设下行链路中第n中继站将信息成功传送到第n+1中继站和第n+2中继站的概率分别为p、q(0□p，q≤1)，则中继站n不能成功接收到中心站发送的信息的概率对比情况如下表1所示。

由表1可得，本发明的信息传送失败概率小于等于一般的无线网络连接方法中信息传送失败的概率，信息传输的可靠性明显提升。

以上技术特征构成了本发明的实施例，其具有较强的适应性和实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。

表1中继站n不能成功接收到中心站发送的信息的概率对比情况表

Claims (1)

1.一种基于输电线路冗余路径的无线网络连接装置的使用方法，其特征在于基于输电线路冗余路径的无线网络连接装置包括一个中心站和至少两个中继站，所述中心站内设置有中心站无线设备和光纤收发器，所述每个中继站中均设有多天线发射机和多天线接收机，所述中心站分别与第一中继站、第二中继站之间无线通信连接，所述第一中继站与第二中继站之间通信连接，所述中心站分别与第一中继站、第二中继站通过WiMax信号无线通信连接，所述第一中继站与第二中继站通过WiMax信号无线通信连接；上述使用方法包括以下步骤：

步骤1：将中心站无线设备与光纤收发器融合并实现基于OFDM的5.8G网络信号的无线发射，之后进入步骤2；

步骤2：中心站将WiMax信号发送给相邻的第一中继站，之后进入步骤3；

步骤3：第一中继站的多天线发射机对中心站发送的数据进行编码处理，中心站和第一中继站同时将WiMax信号发送给第二中继站，第二中继站通过比较选择其中较强的一个信号，向下个中继站进行转发，之后进入步骤4；步骤3中，多天线发射机对接收的数据进行编码处理，即输电线路中多天线技术MIMO的预编码，在SLNR预编码准则下，接收端i所对应的预编码向量W_i为矩阵

最大特征值对应的特征向量，即

其中

为

若接收端i的接收天线数为M_i，H_i为该接收端的M_i×N_i的信道矩阵，S_i为发送给接收端i的字符向量，W_i为接收端i的预编码矩阵，则某一字符周期的发射信号为N_i维列向量：

若信道噪声为Z_i，则接收端i的接收信号为M_i维列向量，即：y_i＝H_iX+Z_i

步骤4：第n-1中继站多天线发射机对接收的数据进行编码处理，第n-2中继站和第n-1中继站同时将WiMax信号发送给中继站n，中继站n通过比较选择其中较强的一个信号，向下一个中继站转发，其中n＞2，直至转发到最后一个中继站，之后结束；步骤4中，还包括中继站的多天线接收机的天线选择过程，其包括以下步骤：

(1)中继站n通过两条天线分别接收来自中继站n-1和中继站n-2的无线WiMax信号；

(2)中继站n中的多天线接收机将来自中继站n-1和中继站n-2的无线WiMax信号数据子流分开并解码；

(3)中继站n通过比较将两个子信号中较强的一个信号继续向下一个中继站转发。

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