CN107612590A - 一种电力线载波与无线的mac 层混合组网方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电力线载波与无线的MAC层混合组网方法，其技术特点在于：包括以下步骤：步骤1、将电力线载波频谱与无线频谱合并为一个逻辑通道，并在物理层集成两个信道的全双工发送/接收、AD‑DA转换和基带处理部分；步骤2、利用基带频谱融合方法和载频融合方法在每个OFDM符号之间插入保护间隔，步骤3、进行AD‑DA转换和FFT/IFFT信号处理；步骤4、进行OFDM物理层基带处理；步骤5、进行交织/解交织和信道编码处理；步骤6、MAC层根据操作判定完成信息的发送和接收；步骤7、通过Turbo码进行纠错编码处理。本发明能够有效提升PLC与无线网络通信模式传输数据的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于电网通信技术领域，涉及PLC(Power Line Carrier，电力线载波)与无线通信技术，尤其是一种电力线载波与无线的MAC层混合组网方法。
背景技术
配用电网建设是智能电网发展的关键环节，电网通信系统为满足配用电网的业务需求，必然要满足自动化、信息化、智能化、互动化的复合发展需求。电网建设中的配电站、箱变及电表配用装置等配用电系统本地设备分布密集、数量巨大，且对数据及时性、实时性、交互性要求较低，如果同样采用高成本光纤完成通信任务，显然是巨大的经济浪费。因此合理利用电力线、无线的现有资源，通过电力线载波、无线等通信手段完成本地设备通信，在现有的配网规划中具有实用意义。
PLC指利用配用电网现有电力线资源作为信息传输媒介的通信方式，该模式可承载2～20M带宽。PLC模式节省了配用电网通信工程的投入成本，逐渐发展成为智能电网建设的首选通信方式之一。无线通信给智能电网建设提供了成本较低、性能好、快捷、方便的的通信手段，主要包括无线终端设备、无线基站和网络应用管理服务器等三个模块，满足智能电网建设中短距离通信传输要求。
目前PLC(Power Line Carrier，电力线载波)与无线通信技术在配用电网通信中有一定的应用，如下现有技术中的PLC与无线信道均衡技术：PLC与无线通信的传输信道环境复杂多变，由于多径效应而引起的码间干扰问题比较突出，信号在带限信道上传输时会因为信道畸变而产生ISI(Inter Symbol Interference，符号间干扰)，进而使信号失真。必须采用信道均衡技术抑制这种干扰，完成对ISI适当措施，降低接收端误码率。
针对PLC与无线信道的低信噪比特点，由于译码器和均衡器之间信息传输经过多次迭代过程，因此采用基于Turbo码均衡抗码间干扰方案可以提升信道均衡性能。Turbo均衡器用SISO(Single Input Single Output，单输入单输出)的解码器代替均衡器，递归带入SISO解码器用于MAP译码。均衡器先接收先验信息，然后完成信息输出工作，将SISO解码器的映射到均衡器，如此经过后均衡器与解码器均可处理先验信息，得到后验信息。后验信息经过交织或解织算法处理好，又作为先验信息进行迭代，完成均衡与解码操作，最终获得最优性能。上述基于Turbo均衡原理的抗码间干扰方案如图6所示。
但由于电力线线路自身环境复杂，高频信号衰减严重，同时噪声干扰强，通信性能难以满足信息传输的实时性、准确性和可靠性的综合需求；公共无线网络在配用电网的信息传输中则存在稳定性差、盲区多、数据安全、流量费用的问题。同时，电力线载波(PLC)通信与无线通信都是配电通信网中的重要通信手段，PLC受线路负载和干扰影响，无线通信易受地域、气候环境影响，目前这两种通信方式均未能形成有机整体。
而且，关于电力线载波与无线双模通信技术的研究，部分研究者提出宽带无线网络与电力线载波通信的融合策略，提出基于层次分析法的网络融合切换算法，分析TD-TE、WCDMA和WiFi三种无线网络的性能，确定其权重，从而选择合适网络优先传输配用电业务；或者设计无线射频通信与电力线载波通信转换网关(RF-PC)，以实现无线射频与电力线载波的互联。几种方案主要考虑两种通讯方式的转换问题，均未能很好解决两种通信方式融合问题。
通过检索，未发现与本发明相同或相似的已公开的专利文献。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、稳定性好、盲区数量少且数据安全的。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种电力线载波与无线的MAC层混合组网方法，包括以下步骤：
步骤1、首先利用OFDM频谱融合方法，将电力线载波频谱与无线频谱合并为一个逻辑通道，实现频谱资源的统一分配管理；并以共用物理层OFDM基带部分的方式同时工作，在物理层集成两个信道的全双工发送/接收、AD-DA转换以及基带处理部分；
步骤2、利用基带频谱融合方法和载频融合方法在每个OFDM符号之间插入保护间隔，所述保护间隔长度大于无线信道的最大时延扩展，从而最大限度地消除符号间干扰；
步骤3、将从电力线接收的信号和从天线接收的射频信号进行AD-DA转换和FFT/IFFT信号处理；
步骤4、通过串并变换、导频/信道估计、信号映射进行OFDM物理层基带处理；
步骤5、进行交织/解交织和信道编码处理；
步骤6、MAC层根据操作判定完成信息的发送和接收；
步骤7、采用协方差检测和能量检测方式对无线及PLC传输信号进行动态频谱检测，检测合格后的信号通过Turbo码进行纠错编码处理，通过Turbo码实现纠错编码处理，提升网络通信成功率。
而且，所述步骤1的共用物理层OFDM基带部分包括：信道编/解码、交织/解交织处理、信号映射、导频/信道估计、串并变换、FFT/IFFT、保护间隔处理和AD/DA转换等整个OFDM物理层基带处理功能。
而且，所述步骤3的具体步骤为：
(1)将从电力线接收的信号在“一级放大器”将DA输出的模拟基带信号进行初步放大，并通过“低通滤波器”将一级放大器输出的信号进行滤波提取，以消除高频干扰或噪声；并通过“耦合器”将信号耦合到电力线信道；并通过“调制器”将信号调制到无线射频工作频段，并经由"二级功率放大器"通过天线发送；
(2)从天线接收的射频信号经过“放大器”、“带通滤波器”和“解调器”处理后恢复出模拟基带信号传递给AD；
(3)建立基于FFT/IFFT变换的电路，完成信号处理。
而且，所述步骤4的具体步骤为：
(1)在接收端，输入信号分N个支路，分别用N个子载波混频和积分，恢复出子信号，再经过并串变换和常规解调恢复数据；由于子载波的正交性，混频和积分电路可以有效分离各个子信道；
(2)由于OFDM系统中，每个子载波在一个OFDM符号周期内都包含整数倍个周期，因此在积分间隔内，频率差可以产生整数倍个周期，所以积分结果为零。通过导频原理，实现正交信号的解调。
(3)信道估计器从接受到的信号中估计信道的冲击响应，根据冲击响应钩子逆信道并级联起来，使得整个系统最后的输出正好是馈入给信道信号的准确估计。
而且，所述步骤5的交织处理的具体方法为：交织模块采用发送端将信息比特重新排序发射，在接收端利用接交织技术重新排序恢复发送顺序，将突发干扰转换成随机干扰，以提高系统的抗突发干扰的能力。
而且，所述步骤6的具体方法为：在信息发送时，MAC事先判断条件是否允许发送，附加额外控制标识信息附着在发送数据上，最终数据按规定格式发送到物理层；接收数据时，MAC协议根据附着信息判断信息准确性，最终将没有错误的信息去掉控制信息后发送至LLC层，完成信息传递。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明根据PLC与无线通信的不同信道特点，通过对MAC(Media AccessControl，媒体访问控制)层协议研究分析，提出基于OFDM(Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing，正交频分复用技术)的电力线载波与无线物理层融合通信方法，统一调度电力线载波与无线的频谱，实现PLC与无线网络在MAC层融合的通信网络，以全双工的方式进行数据的发送和接收，有效提升PLC与无线网络通信模式传输数据的可靠性。
2、本发明基于OFDM技术的电力线载波与无线MAC层融合通信方法，通过Turbo码实现纠错编码处理，大幅提升了网络通信成功率，切实有效提高电力通信网络性能，实现了电力线与无线网络在MAC层融合通信。
3、本发明合理利用现有的电力线与无线资源，通过统一MAC层的融合方案克服单一数据通信的缺陷，构建PLC与无线相融合的异构网络，设计了统一MAC层的融合通信方案，确保公共无线网络在配用电网的信息传输的稳定性和数据传输的安全可靠性并有效减少盲区。
4、本发明构建成本低、可靠性高、入网方式灵活的信息传输的智能配电网，通过Turbo码实现纠错编码处理，大幅提升了网络通信成功率，切实有效提高电力通信网络性能，为智能配电网建设提供了一种新的信息传输手段。
附图说明
图1是本发明的电力线载波与无线物理层融合通信方法处理流程图；
图2是本发明的基带频谱融合法示意图；
图3是本发明的载频融合法示意图；
图4是本发明的PLC与无线互备份通信组网方案示意图；
图5是本发明的PLC与无线级联通信组网方案示意图；
图6是本发明的基于Turbo均衡原理的抗码间干扰方案原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：
目前，IEEE802系列标准把数据链路层分成MAC(Media Access Control，介质访问控制)和LLC(Logical Link Control，逻辑链路控制)两个子层。LLC子层实现流量控制、差错恢复等数据链路层与硬件无关的功能；MAC子层提供LLC子层和物理层接口，负责控制物理介质。在信息发送时，MAC事先判断条件是否允许发送，附加额外控制标识信息附着在发送数据上，最终数据按规定格式发送到物理层；接收数据时，MAC协议根据附着信息判断信息准确性，最终将没有错误的信息去掉控制信息后发送至LLC层，完成信息传递。
基于OFDM的电力线载波与无线物理层融合通信，通过采用物理层融合的方式融合电力线载波与无线通信，采用OFDM统一调度电力线载波与无线的频谱，以全双工的方式进行数据的发送和接收。
一种电力线载波与无线的MAC层混合组网方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1、在通信节点装置的物理层，载波通信部分和无线通信部分都统一采用OFDM技术，首先利用OFDM频谱融合方法，将电力线载波频谱与无线频谱合并为一个逻辑通道，实现频谱资源的统一分配管理；并以共用物理层OFDM基带部分的方式同时工作，在物理层集成两个信道的全双工发送/接收、AD-DA转换以及基带处理部分。
所述OFDM频谱融合方法分为基带频谱融合和载频融合方法两部分。
所述共用物理层OFDM基带部分包括：信道编/解码、交织/解交织处理、信号映射、导频/信道估计、串并变换、FFT/IFFT、保护间隔处理和AD/DA转换等整个OFDM物理层基带处理功能。
对通信节点装置的MAC层而言，物理层实际上只有一个通信通道，因此该技术方案只有单一的MAC层和MAC地址。
步骤2、利用基带频谱融合方法和载频融合方法在每个OFDM符号之间插入保护间隔，该保护间隔长度大于无线信道的最大时延扩展，从而最大限度地消除符号间干扰；
利用所述基带频谱融合方法，发送、接收前端之间传递的信号为基带模拟信号；基带频谱分为电力线载波频谱、无线频谱以及两者之间的保护间隔。
如图2所示，f1～f2为电力线载波的基带频谱范围，f3～f4为可用的无线的基带频谱范围，f2～f3之间留出保护间隔，以防止两者出现串扰。该保护间隔长度应大于无线信道的最大时延扩展，避免一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。
利用所述载频融合方法，如图3所示，f5～f6为电力线的工作载频范围，f7～f8为无线的工作载频范围。电力线载波采用OFDM技术，在其工作载频范围内子载波数为920个，子载波之间的频谱间隔为21.5KHz。无线采用OFDM技术，在其载频范围内子载波数为920个，子载波之间的频谱间隔为25KHz。
步骤3、将从电力线接收的信号和从天线接收的射频信号进行AD-DA转换和FFT/IFFT信号处理；
所述步骤3的具体步骤为：
(1)将从电力线接收的信号在“一级放大器”将DA输出的模拟基带信号进行初步放大，“低通滤波器”用于将一级放大器输出的信号进行滤波提取，以消除高频干扰或噪声；“耦合器”将信号耦合到电力线信道。“调制器”将信号调制到无线射频工作频段，并经由"二级功率放大器"通过天线发送。从电力线接收的信号经过“耦合器”、“带通滤波器”变为模拟基带信号传递给AD进行后续信号处理；
(2)从天线接收的射频信号经过“放大器”、“带通滤波器”和“解调器”恢复出模拟基带信号传递给AD。
(3)建立基于FFT/IFFT变换(快速傅立叶变换/快速傅立叶逆变换)的电路，完成信号处理；
步骤4、通过串并变换、导频/信道估计、信号映射进行OFDM物理层基带处理；
所述步骤4的具体步骤为：
(1)在接收端，输入信号分N个支路，分别用N个子载波混频和积分，恢复出子信号，再经过并串变换和常规解调恢复数据；由于子载波的正交性，混频和积分电路可以有效分离各个子信道；
(2)由于OFDM系统中，每个子载波在一个OFDM符号周期内都包含整数倍个周期，因此在积分间隔内，频率差可以产生整数倍个周期，所以积分结果为零。通过导频原理，实现正交信号的解调。
(3)信道估计器从接受到的信号中估计信道的冲击响应，根据冲击响应钩子逆信道并级联起来，使得整个系统最后的输出正好是馈入给信道信号的准确估计。
步骤5、进行交织/解交织和信道编码处理；
所述步骤5的交织处理的具体方法为：交织模块采用发送端将信息比特重新排序发射，在接收端利用接交织技术重新排序恢复发送顺序，将突发干扰转换成随机干扰，克服干扰影响，以提高系统的抗突发干扰的能力。
步骤6、MAC层根据操作判定完成信息的发送和接收。
所述步骤6的具体方法为：在信息发送时，MAC事先判断条件是否允许发送，附加额外控制标识信息附着在发送数据上，最终数据按规定格式发送到物理层；接收数据时，MAC协议根据附着信息判断信息准确性，最终将没有错误的信息去掉控制信息后发送至LLC层，完成信息传递。
步骤7、采用协方差检测和能量检测方式对无线及PLC传输信号进行动态频谱检测，检测合格后的信号通过Turbo码进行纠错编码处理，通过Turbo码实现纠错编码处理，提升网络通信成功率。
对于通信质量，采用协方差检测和能量检测方式对无线及PLC传输信号进行动态频谱检测，检测合格后的信号通过Turbo码进行纠错编码处理，有效减少频谱码间干扰，然后将PLC与无线两种方式的MAC层进行融合，实现多节点、多模式的联合信道评估，建立PLC与无线间统一的MAC子层架构。融合后的信道通过遗传混合算法等路由中继技术，对双信道兼容协议进行研究，定义兼容的数据帧结构，提升系统传输过程中QoS。构建PLC与无线网评估体系，实现PLC与无线网MAC层的统一融合。
下面通过说明本发明在电网通信系统中的应用，验证本发明的优越性。
在智能配电网对通信网络的建设中，对及时性、准确性、可靠性等级要求较高的区域与线路，可以采用PLC与无线互备份的冗余组网方案构建智能配电网络。通过各信道握手机制选择PLC与无线信道，在运行中，一般定义主信道和备用信道，主备信道同时在网工作，但主信道负责数据发送与接收，备用信道缓冲存储主信道的通信数据。当主信道连续累计丢包3次后，自动切换备用信道，完成数据发送接收传递任务。PLC与无线互备份通信组网方案如图4所示。
PLC与无线通信的备份组网运行原理如下所述：
(1)分别在融合通信终端的无线模块与PLC模块建立路由表，通信终端建立全局路由表；
(2)数据在传输过程中默认由主通道完成传送，当默认通道连续丢包，失去信任连接时自动切换备份路由完成数据通信。
在智能配电网对通信网络的建设中，对覆盖区域大、电力线网络不完整、站点零散的宽广区域，采用级联组网方案，完成配用电网数据传递任务。按照无线网络的不同分为无线级联PLC和PLC级联无线两种不同的模式。
无线级联PLC模式是以无线为主体，PLC通信为补充，针对无线宽带难以完全覆盖的特殊区域，必要地点采用PLC补充完成数据通信；而PLC级联无线则主要针对PLC难以覆盖特殊局部区域，采用短距离WiFi等完成数据通信。PLC与无线级联通信组网方案如图5所示。
在组网过程中，每一个节点获取到在电力线网络和无线网络中的路由信息。电力线载波与无线形成了双备份的网络，当一个节点到目标节点的双通道均可到达时，根据路由算法选择估值高的路径；在某种网络的某条路径中断时，能够利用另一种网络进行通信，真正地实现混合自组网。网络中各节点为对等网络，发送数据时选取最佳路径，避免形成环形数据传输。从集中器到采集器采用载波+无线的双通道通信方式进行融合通信，则共用PLC与无线均成功、PLC成功无线失败、PLC失败无线成功、PLC与无线均失败等四种组合结果。
将PLC与无线采用统一MAC层的融合方案，集中器与采集器间共有四种可能的通信结果，如表1所示：
(表1)：统一MAC层通信融合结果
| 序号 | PLC结果 | 无线结果 | 通信结果 |
| I | 成功 | 成功 | 成功 |
| II | 成功 | 失败 | 成功 |
| III | 失败 | 成功 | 成功 |
| IV | 失败 | 失败 | 失败 |
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。
Claims (6)
1.一种电力线载波与无线的MAC层混合组网方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、首先利用OFDM频谱融合方法，将电力线载波频谱与无线频谱合并为一个逻辑通道，实现频谱资源的统一分配管理；并以共用物理层OFDM基带部分的方式同时工作，在物理层集成两个信道的全双工发送/接收、AD-DA转换以及基带处理部分；
步骤2、利用基带频谱融合方法和载频融合方法在每个OFDM符号之间插入保护间隔，所述保护间隔长度大于无线信道的最大时延扩展，从而最大限度地消除符号间干扰；
步骤3、将从电力线接收的信号和从天线接收的射频信号进行AD-DA转换和FFT/IFFT信号处理；
步骤4、通过串并变换、导频/信道估计、信号映射进行OFDM物理层基带处理；
步骤5、进行交织/解交织和信道编码处理；
步骤6、MAC层根据操作判定完成信息的发送和接收；
步骤7、采用协方差检测和能量检测方式对无线及PLC传输信号进行动态频谱检测，检测合格后的信号通过Turbo码进行纠错编码处理，通过Turbo码实现纠错编码处理，提升网络通信成功率。
2.根据权利要求1所述的一种电力线载波与无线的MAC层混合组网方法，其特征在于：所述步骤1的共用物理层OFDM基带部分包括：信道编/解码、交织/解交织处理、信号映射、导频/信道估计、串并变换、FFT/IFFT、保护间隔处理和AD/DA转换等整个OFDM物理层基带处理功能。
3.根据权利要求1所述的一种电力线载波与无线的MAC层混合组网方法，其特征在于：所述步骤3的具体步骤为：
(1)将从电力线接收的信号在“一级放大器”将DA输出的模拟基带信号进行初步放大，并通过“低通滤波器”将一级放大器输出的信号进行滤波提取，以消除高频干扰或噪声；并通过“耦合器”将信号耦合到电力线信道；并通过“调制器”将信号调制到无线射频工作频段，并经由"二级功率放大器"通过天线发送；
(2)从天线接收的射频信号经过“放大器”、“带通滤波器”和“解调器”处理后恢复出模拟基带信号传递给AD；
(3)建立基于FFT/IFFT变换的电路，完成信号处理。
4.根据权利要求1所述的一种电力线载波与无线的MAC层混合组网方法，其特征在于：所述步骤4的具体步骤为：
(1)在接收端，输入信号分N个支路，分别用N个子载波混频和积分，恢复出子信号，再经过并串变换和常规解调恢复数据；由于子载波的正交性，混频和积分电路可以有效分离各个子信道；
(2)由于OFDM系统中，每个子载波在一个OFDM符号周期内都包含整数倍个周期，因此在积分间隔内，频率差可以产生整数倍个周期，所以积分结果为零。通过导频原理，实现正交信号的解调。
(3)信道估计器从接受到的信号中估计信道的冲击响应，根据冲击响应钩子逆信道并级联起来，使得整个系统最后的输出正好是馈入给信道信号的准确估计。
5.根据权利要求1所述的一种电力线载波与无线的MAC层混合组网方法，其特征在于：所述步骤5的交织处理的具体方法为：交织模块采用发送端将信息比特重新排序发射，在接收端利用接交织技术重新排序恢复发送顺序，将突发干扰转换成随机干扰，以提高系统的抗突发干扰的能力。
6.根据权利要求1所述的一种电力线载波与无线的MAC层混合组网方法，其特征在于：所述步骤6的具体方法为：在信息发送时，MAC事先判断条件是否允许发送，附加额外控制标识信息附着在发送数据上，最终数据按规定格式发送到物理层；接收数据时，MAC协议根据附着信息判断信息准确性，最终将没有错误的信息去掉控制信息后发送至LLC层，完成信息传递。
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