CN110311713B - 一种基于ieee1901.1通信标准的电力双模通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于IEEE1901.1通信标准的电力双模通信方法，其中HPLC芯片和电力线驱动电路组成传统的有线宽带电力载波通信，HPLC基带芯片和软件射频模块组成无线宽带通信；其特征在于：无线HPLC的频率同步通过在IEEE1901.1标准HPLC帧结构前加载同步帧实现。本发明充分利用IEEE1901.1在电力通信中的特长，发挥无线通信的优势，提出了一种基于IEEE1901.1的无线通信的算法，使得IEEE1901.1可以工作在电力载波有线通信模式和国网专有频带上的无线通信，并可以在电网通信频段里在任意指定的点频上收发，实现同一标准两种模式的通信。这个发明使得电力宽带通信有着通讯距离远、模块成本低、功耗小、应用面宽等等的优点。

Description

一种基于IEEE1901.1通信标准的电力双模通信方法
技术领域
本发明涉及一种基于IEEE1901.1低压电力线宽带载波通信协议的双模通信协议以及支持该协议的算法，其中双模包括了低压电力线宽带载波通信和无线宽带载波通信，两种模式采用了完全的Q/GDW 11612物理层、链路层和应用层。
背景技术
IEEE1901.1《适用于智能电网应用的中频(低于12MHz)电力线载波通信技术标准》是以国家电网公司Q/GDW 11612《低压电力线宽带载波通信互联互通技术规范》为基础的据链路层技术规范。IEEE 1901.1标准通过构建高带宽、高可靠、低时延、低成本的电力线通信网络，支持远程自动抄表、配电台区监测等多种应用场景，实现以电力线载波通信为基础的物联网技术在能源互联网中的有效应用。另一方面，国家电网拥有无线通信用的专用频带(比如230MHz和470MHz)，这些宝贵的频率资源可以用以宽带无线电力通信。而电力载波通信相较于无线通信有着以下的劣势：信道复杂、干扰大、参数时变性强；信道衰减大，节点间通信距离受限；通信模块功耗较大。
目前市场上广泛采用的双模通信中的无线通信模式都采用独立的无线FSK、ZIGBEE和WIFI等等的协议。由于这些无线协议不是专门针对电力通信所设计的，所以存在的通信距离近、成本高、功耗大等等的一系列问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种基于IEEE1901.1通信标准的电力双模通信方法，其中HPLC芯片和电力线驱动电路组成传统的有线宽带电力载波通信，HPLC基带芯片和软件射频模块组成无线宽带通信；其特征在于：无线HPLC的频率同步通过在IEEE1901.1标准HPLC帧结构前加载同步帧实现。
进一步的，无线HPLC帧由同步前导帧(SF)和HPLC帧组成，同步前导帧和HPLC帧时域上同源。
进一步的，所述同步前导帧由17个短同步前导帧(SSF)组成，短同步前导帧(SSF)是基于256点Frank频域序列产生的时域序列。
进一步的，所述256点时域SSF序列由下列公式生成：
Figure BDA0002126903770000021
其中Frank(k)为频域Frank(k)序列，频谱模板p(k)为
Figure BDA0002126903770000022
p(k)使得SSF的频谱和无线HPLC帧的频谱一致，支持在12MHz带宽上的任意子载波组合。
进一步的，发射端SF帧的发射功率P(SF)为：
P(SF)＝P(HPLC)+10-SNR(HPLC)
其中，P(HPLC)是HPLC帧的发射功率，使得SF帧在接收端有足够的信噪比进行频率同步。
进一步的，采用基于自相关处理的迭代型算法估计载波频率偏移(CFO)。
进一步的，所述算法包括如下步骤：
a)自动增益控制AGC：在第一个SSF段上完成AGC；
b)帧时间同步：从第二个SSF上做256点本地相关：
Figure BDA0002126903770000023
SSF的帧头由|C(n)|的最大值决定，其中x(n)为接收信号样本，nmax为SSF的帧头位置；
c)粗频偏估计：找到第二个SSF的帧头位置后，用第二个和第三个SSF估计粗频偏CFO1如下：
Figure BDA0002126903770000024
Figure BDA0002126903770000025
Figure BDA0002126903770000026
其中S1、S2为中间变量，fs为采样频率，*为复数共轭；
推导出粗频偏估计误差的均方根差(Hz)为：
Figure BDA0002126903770000031
其中SNR为SF帧的信噪比；
d)粗频偏纠正：在第2～17个SSF上移除粗频偏估计值：
y(n)＝x(n)*exp(-j*2π*CFO1*n*T)，
n＝nmax,nmax+1,...,nmax+4095；
e)精频偏估计：经过上述的粗频偏纠正后，y(n)信号的频偏大幅度减低，
精频偏估计CFO2可以在4096点y(n)计算如下：
Figure BDA0002126903770000032
Figure BDA0002126903770000033
Figure BDA0002126903770000034
其中其中S1、S2为中间变量，*为复数共轭，SFF8是由8段SFF拼接而成；
最终的频偏估计为
CFO＝CFO1+CFO2；
推导出CFO的均方根误差为：
Figure BDA0002126903770000035
其中SNR为SF帧的信噪比。
本发明充分利用IEEE1901.1在电力通信中的特长，发挥无线通信的优势，提出了一种基于IEEE1901.1的无线通信的算法，使得IEEE1901.1可以工作在电力载波有线通信模式和国网专有频带上的无线通信，并可以在电网通信频段里在任意指定的点频上收发，实现同一标准两种模式的通信。这个发明使得电力宽带通信有着通讯距离远、模块成本低、功耗小、应用面宽等等的优点。
附图说明
图1是本发明的基于IEEE1901.1通信标准的电力双模通信架构示意图；
图2是无线HPLC帧结构示意图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明的基于IEEE1901.1通信标准的电力双模通信架构由宽带载波通信(HPLC)芯片和软件射频模块(或芯片)、电力线驱动电路组成。HPLC芯片和电力线驱动电路组成了传统的有线的宽带电力载波通信。HPLC基带芯片和软件射频模块(或芯片)组成了无线宽带通信。
HPLC基带芯片是基于IEEE1901.1标准的芯片。由于IEEE1901.1标准采用的是OFDM通信方式，它对收发器之间的频率误差要求很高(<0.5％)。如果收发射频载波中心频率为500MHz的话，那么要求系统的晶振稳定度优于0.1ppm,这个频率稳定度是一般的晶振不能够达到的。本发明提出了一种用数字信号处理模块实现频率同步的机制和算法，解决了适合于IEEE1901.1标准的OFDM接收的频率同步问题。
无线HPLC的帧结构
无线HPLC的频率同步是通过在IEEE1901.1标准HPLC帧结构前加载同步帧实现的。无线HPLC同步帧结构可支持500KHz-12MHz带宽的信号，并可以按照应用层的要求支持任意中子载波组合。无线HPLC帧由同步前导帧(SF)和HPLC帧组成，其中HPLC帧为满足IEEE1901.1标准的物理层帧。同步前导帧和HPLC帧必须是时域上同源的。
如图2所示，SF由17个短同步前导帧(SSF)组成：SSF是基于256点Frank频域序列产生的时域序列。256点Frank支持在12MHz带宽里任意的子载波组合，可以在应用层的控制下形成小于12MHZz任意带宽和任意的子载波位置分配。频域Frank(k)序列如下表所示：
Figure BDA0002126903770000041
Figure BDA0002126903770000051
Figure BDA0002126903770000061
Figure BDA0002126903770000071
Figure BDA0002126903770000081
Figure BDA0002126903770000091
HPLC是定义在12MHz上的1024点FFT系统，其载波间隔为24.414KHz，对于12MHz带宽上的256点Frank序列，其载波间隔为97.656KHz。256点时域SSF序列由下列公式生成：
Figure BDA0002126903770000092
其中频谱模板p(k)为
Figure BDA0002126903770000093
p(k)使得SSF的频谱和无线HPLC帧的频谱一致，支持在12MHz带宽上的任意子载波组合。
为了实现高精度的同步，SF的发射功率必须保证在接收带宽内的信噪比大于10dB。由于对于不同的调制模式，HPLC的接收信噪比解调门限SNR(HPLC)是不同的，在发射端SF的发射功率P(SF)为：
P(SF)＝P(HPLC)+10-SNR(HPLC)
从而保证SF帧在接收端有足够的信噪比进行频率同步，P(HPLC)是HPLC帧的发射功率。
超精度频率同步算法
无线HPLC由于工作在较低的频率(230MHZ)或者是公用频率(470MHz)上，它的无线信道干扰比较严重。再由于HPLC的OFDM解调所要求的频率同步精度很高，所以通常的利用SFF重复特性来估计载波频率偏移(CFO)的算法不能满足精度要求和抗干扰性能要求。这里提出了一种基于自相关处理的迭代型的CFO估计算法，可以有效的抗包括单音干扰在内的各种无线干扰，并实现了高精准的频率同步。该算法包括如下步骤：
f)自动增益控制AGC：在第一个SSF段上完成AGC；
g)帧时间同步：从第二个SSF上做256点本地相关：
Figure BDA0002126903770000101
SSF的帧头由|C(n)|的最大值决定，其中x(n)为接收信号样本，nmax为SSF的帧头位置。
h)粗频偏估计：找到第二个SSF的帧头位置后，用第二个和第三个SSF估计粗频偏CFO1如下：
Figure BDA0002126903770000102
Figure BDA0002126903770000103
Figure BDA0002126903770000104
其中S1、S2为中间变量，fs为采样频率，*为复数共轭。
该粗频偏估计算法可工作在±fs/512的大的频偏条件下，它可以支持低成本低精度的晶振系统。可以推导出粗频偏估计误差的均方根差(Hz)为：
Figure BDA0002126903770000111
其中SNR为SF帧的信噪比。
i)粗频偏纠正：在第2～17个SSF上移除粗频偏估计值：
y(n)＝x(n)*exp(-j*2π*CFO1*n*T)，
n＝nmax,nmax+1,...,nmax+4095
j)精频偏估计：经过上述的粗频偏纠正后，y(n)信号的频偏大大减低了，
精频偏估计CFO2可以在4096点y(n)计算如下：
Figure BDA0002126903770000112
Figure BDA0002126903770000113
Figure BDA0002126903770000114
其中其中S1、S2为中间变量，*为复数共轭，SFF8是由8段SFF拼接而成的。最终的频偏估计为
CFO＝CFO1+CFO2
推导出CFO的均方根误差(Hz)为：
Figure BDA0002126903770000115
其中SNR为SF帧的信噪比。

Claims (2)

1.一种基于IEEE1901.1通信标准的电力双模通信方法，其中HPLC芯片和电力线驱动电路组成传统的有线宽带电力载波通信，HPLC基带芯片和软件射频模块组成无线宽带通信；其特征在于：无线HPLC的频率同步通过在IEEE1901.1标准HPLC帧结构前加载同步帧实现；
无线HPLC帧由同步前导帧(SF)和HPLC帧组成，同步前导帧和HPLC帧时域上同源；
所述同步前导帧由17个短同步前导帧(SSF)组成，短同步前导帧(SSF)是基于256点Frank频域序列产生的时域序列；
所述256点时域SSF序列由下列公式生成：
Figure FDA0003309772120000011
其中Frank(k)为频域Frank(k)序列，频谱模板p(k)为
Figure FDA0003309772120000012
p(k)使得SSF的频谱和无线HPLC帧的频谱一致，支持在12MHz带宽上的任意子载波组合；
采用基于自相关处理的迭代型算法估计载波频率偏移(CFO)；所述算法包括如下步骤：
a)自动增益控制AGC：在第一个SSF段上完成AGC；
b)帧时间同步：从第二个SSF上做256点本地相关：
Figure FDA0003309772120000013
SSF的帧头由|C(n)|的最大值决定，其中x(n)为接收信号样本，nmax为SSF的帧头位置；
c)粗频偏估计：找到第二个SSF的帧头位置后，用第二个和第三个SSF估计粗频偏CFO1如下：
Figure FDA0003309772120000014
Figure FDA0003309772120000021
Figure FDA0003309772120000022
其中S1、S2为中间变量，fs为采样频率，*为复数共轭；
推导出粗频偏估计误差的均方根差(Hz)为：
Figure FDA0003309772120000023
其中SNR为SF帧的信噪比；
d)粗频偏纠正：在第2～17个SSF上移除粗频偏估计值：
Figure FDA0003309772120000028
e)精频偏估计：经过上述的粗频偏纠正后，y(n)信号的频偏大幅度减低，精频偏估计CFO2可以在4096点y(n)计算如下：
Figure FDA0003309772120000024
Figure FDA0003309772120000025
Figure FDA0003309772120000026
其中S1、S2为中间变量，*为复数共轭，SFF8是由8段SFF拼接而成；最终的频偏估计为
CFO＝CFO1+CFO2；
推导出CFO的均方根误差为：
Figure FDA0003309772120000027
其中SNR为SF帧的信噪比。
2.如权利要求1所述的基于IEEE1901.1通信标准的电力双模通信方法，其特征在于：发射端SF帧的发射功率P(SF)为：
P(SF)＝P(HPLC)+10-SNR(HPLC)
其中，P(HPLC)是HPLC帧的发射功率，使得SF帧在接收端有足够的信噪比进行频率同步。
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