CN110856154B - 基于低功耗广域通信技术的电力无线中继通信系统 - Google Patents

基于低功耗广域通信技术的电力无线中继通信系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于低功耗广域通信技术的电力无线中继通信系统，包括：MCU处理器、电源管理模块、串行通信接口、ZigBee通信模组、BLE通信模组和LoRaMESH中继通信模块，所述MCU处理器连接电源管理模块、串行通信接口、ZigBee通信模组、BLE通信模组和LoRaMESH中继通信模块。本发明提供的电力无线通信中继系统可实现对电力应用场景中多种通信方式的传感设备的信息接入、本地处理和中继传输等全景监视和传输管控等功能。

Description

基于低功耗广域通信技术的电力无线中继通信系统
技术领域
本发明属于电力物联网通信技术领域，具体涉及一种基于低功耗广域通信技术的电力无线中继通信系统。
背景技术
目前泛在电力物联网是实现电网状态全息感知、运营数据全面连接和业务全程在线的重要手段，可为客户提供服务全新体验、能源生态开放共享，并通过平台共享支持创新创业和企业转型升级，推动企业成为世界一流能源互联网企业。泛在电力物联网实时连接能源生产、传输、消费各环节设备、客户、数据，全面承载电网运营、企业运营、客户服务、新型业态等全业务的新一代信息通信系统，具有终端泛在接入、平台开放共享、计算云雾协同、数据驱动业务、应用随需定制等特征，与智能电网深度融合，共同构成能源互联网。
目前市场产品中与本方法接近的无线中继通信系统，有基于移动通信的点到点多跳中继方式和基于近距离无线通信多跳中继方式。在基于移动通信的点到点多跳中继方式中，用户通过监听无线资源的方式，按照预设规则，确定是否成为多跳网络的中继用户，从而实现多个设备间的多跳通信。在基于近距离无线通信多跳中继方式中，如ZigBee和BLE等无线通信技术采用的是Ad hoc的自组织网通信方式，节点可以自由加入和离开网络，并具有良好的网络维护性能。但是目前物联中继通信设备，一般都只支持一种无线通信接入方式，并且在中继转发过程中较难在满足误码率需求的同时中提升中继转发的通信距离，无法全面实现对电网各应用领域的在线监管。
发明内容
本发明旨在解决目前电力无线通信系统不能同时接入多种无线通信方式的传感设备，并且在中继转发过程中较难在满足误码率需求的同时中提升中继转发的通信距离的技术问题。
为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案:
本发明提供一种基于低功耗广域通信技术的电力无线中继通信系统，其特征在于，包括：
MCU处理器、电源管理模块、串行通信接口、ZigBee通信模组、BLE通信模组和LoRaMESH中继通信模块，所述MCU处理器连接电源管理模块、串行通信接口、ZigBee通信模组、BLE通信模组和LoRaMESH中继通信模块；
所述LoRaMESH中继通信模块包括：转发判断模块、转发方式确定模块、ADF转发流程确定模块和中继转发模块；
所述转发判断模块，用于根据源节点到目的节点的信噪比确定中继是否需要转发；
所述转发方式确定模块，用于根据源节点到中继节点的信噪比确定中继采用DF转发方式还是采用ADF转发方式；
所述ADF转发流程确定模块，用户基于信道信噪比门限的混合机制确定ADF转发流程；
所述中继转发模块，用于根据转发方式确定模块确定的转发方式，若为DF转发方式，则中继节点将解码后得到的重新新编码后转发，若采用ADF方式进行转发，执行ADF转发流程确定模块确定的转发流程。
所述系统还包括JTAG调试接口，所述MCU处理器连接JTAG
调试接口。
进一步地，所述系统还包括存储模块，所述存储模块与MCU处理器连接。
进一步地，所述系统还包括以太网接口，所述以太网接口与MCU处理器连接。
进一步地，所述转发判断模块用于执行以下步骤：
目的节点接收数据后进行解码检测，如果源节点到目的节点的信噪比大于源节点到目的节点的信噪比阈值，并且目的节点接收的数据能够正确解码，则中继不转发，系统采用直传模式；如果源节点到目的节点的信噪比小于等于源节点到目的节点的信噪比阈值，并且目的节点接收的数据不能正确解码，则中继转发。
进一步地，所述转发方式确定模块用于体执行以下步骤：
如果源节点到中继节点的信噪比大于源节点到中继节点的信噪比阈值，则中继采用DF方式转发；如果源节点到中继节点的信噪比小于等于源节点到中继节点的信噪比阈值，则中继采用ADF方式转发。
进一步地，所述ADF转发流程确定模块用于执行以下步骤：
根据扩频因子与信噪比的对应关系确定源节点到中继节点之间的信噪比门限值；
对接收到的源节点发送的数据进行解析得到源数据当前采用的扩频因子值，如果扩频因子值小于12，则按顺序增加扩频因子值，并调节源节点到中继节点之间的信噪比门限值；判断中继当前接收信号的源节点到中继节点的信噪比值是否超过调节后的源节点到中继节点的信噪比值门限值，如果超过，中继按照当前参数进行数据转发；若不超过则继续增加扩频因子值，并调源节点到中继节点的信噪比值门限值，重复以上流程；当最终调节扩频因子超过12，源节点到中继节点的信噪比值还是低于中继信噪比门限，则中继不参与转发。
本发明所取得有益技术效果：
本发明提供的电力无线通信中继系统可实现对电力应用场景中多种通信方式的传感设备的信息接入、本地处理和中继传输等全景监视和传输管控等功能；
系统统依托高性能MCU处理器。
系统支持多种无线通信方式传感设备的数据接入，支持Zigbee、LoRa和BLE等目前主流无线通信方式，以及工业现场485总线、以太网和电力HPLC等有线通信方式。
系统采用基于LoRa Mesh的无线通信协同技术和协同中继网络架构，实现远距离无线通信中继传输。
附图说明
图1为本发明具体实施例的系统结构示意图；
图2为本发明具体实施例中LoRaMESH中继通信模块的中继转发流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明地技术方案，而不能以此来限定本发明的保护范围。
电力无线中继通信系统主要包括：MCU处理器、多种本地有线/无线通信接口、LoRaMESH中继通信单元、远程通信接口、存储单元、电源管理模块和UART/JTAG调试接口、调试指示模块和配置接口等。具体功能框图见附图1。
MCU处理器主要功能是：实现对各类传感器设备的驱动管理，对传感器数据采集，以及微功率无线通信模块的通信进行控制。MCU还对接入的传感器终端进行设备模型封装；对采集数据定义数据模型，以适配电力传统规约协议。
通信接口分为：多种本地通信接口和远程通信接口。本地通信包括有线通信和无线通信两种类型，无线通信包括：Zigbee、LoRa和BLE等低功耗和微功率无线通信，以及电力无线专网和4G公网等无线通信方式；有线通信包括：485现场工业总线、HPLC电力线载波通信和工业以太网通信方式等。
LoRa Mesh中继通信单元(即LoRaMESH中继通信模块)按照既定的中继协议和中继策略，构建协同中继网络架构并实现无线通信的中继转发。
需要说明的是，本系统中采用的MCU处理器、电源管理模块、串行通信接口、ZigBee通信模组、BLE通信模组、UART/JTAG调试接口、调试指示模块和配置接口均采用现有技术实现，在此不再详细描述。
中继协议包括协议帧格式设计、MAC协议设计和协议流程设计等，自组网协议采用LoRa的自适应速率策略和节点退避策略等通信机制，中继策略采用协同中继策略，通过对中继节点选择、中继位置选择和个数选择，降低系统的复杂度和系统网络成本，并提高系统吞吐量和系统能效。
电源管理模块实现对各种处理器和电能质量分析设备的供电管理，同时适配各种通信接口和电气接口的电压要求。
基于LoRaMESH的混合中继协同方法
1、中继方法主要包括：
放大转发(AF,Amplified Forward)、解码转发(DF，Decode Forward)和自适应解码转发(ADF，Adaptive Decode Forward)等。
AF协议中,中继节点相当于一个信号放大器,只对接收到的信号进行线性处理，AF中继节点在转发有用信息时也放大了噪声,可能造成目的节点的解码错误。
DF协议解决了AF协议中的噪声放大问题,DF协议可以避免放大信号的同时放大噪声,但是较差的S-R链路信道质量,可能会导致中继出现误判,造成错误传播,进而影响目的节点的最终译码。
DF协议又可细分为固定DF协议(fixed decode-and-forward,FDF)和自适应DF协议(adaptive decode-and-forward,ADF)。FDF协议中,无论是否会造成错误延播,中继节点都将向目的节点转发其接收到的信息；
在ADF协议中,如果中继节点所接收到的信号已经被破坏,那么在第二个时隙时,中继节点将不参与协作转发。
本发明无线中继方案中缩写定义：
S：初始发送数据的源节点；R：中继通信节点，接收源节点数据发送到目的节点；
D:目的节点，源节点发送数据的目标节点；
SNR-sd:源节点到目的节点的信噪比；SNR-sr：源节点到中继节点的信噪比。
T-sd：源节点到目的节点的信噪比阈值；T-sr：源节点到中继节点的信噪比阈值。
本发明提供的一种基于低功耗广域通信技术的电力无线中继通信系统包括的LoRaMESH中继通信模块，包括转发判断模块、转发方式确定模块、ADF转发流程确定模块和中继转发模块；
所述转发判断模块，用于根据源节点到目的节点的信噪比确定中继是否需要转发；
所述转发方式确定模块，用于根据源节点到中继节点的信噪比确定中继采用DF转发方式还是采用ADF转发方式；
所述ADF转发流程确定模块，用于基于信道信噪比门限的混合机制确定ADF转发流程；
所述中继转发模块，用于根据转发方式确定模块确定的转发方式，若为DF转发方式，则中继节点将解码后得到的重新编码后转发，若采用ADF方式进行转发，执行ADF转发流程确定模块确定的转发流程。
LoRaMESH中继通信模块执行的中继通信方法如下：
若信源S到目的节点D的信道质量比较好,目的节点D接收的数据能够正确解码,则中继节点R不工作,系统采用直传模式；
若信源S到目的节点的信道质量比较差,目的接收节点D无法正确解码,这时中继节点参与协作；在协作通信系统中,中继节点一般有三种状态:1)收到信号质量低于某个门限而无法正确解码转发；2)收到信号质量虽高于门限,但仍出现解码错误,从而向终端传递的是错误信号,造成错误延播；3)向终端传递正确的解码信号。
根据信噪比与设置门限的比较进行判断中继节点应该选择哪种中继转发机制进行信息处理(DF、ADF选择)；
首先在目的节点和中继节点处分别设置信噪比门限T-sd和T-sr，协议的工作流程如附图2所示,在信源发送信号后,目的节点
根据其信噪比门限来决定中继节点是否转发；
如果目的节点接收到的信息质量足够好,中继不参与转发，由信源节点直接发送信息到目的节点；相反,如果目的节点接收到的信息质量比较差,会让中继节点比较其信噪比门限和接收信号的质量,只有SNR-sr的瞬时信噪比超过中继节点处的信噪比门限时,R才会译码并转发接收到的信号,否则中继采用ADF方式进行转发。
本发明中LoRaMESH中继通信模块包括的ADF转发流程确定模块执行ADF中继转发，通过调节lora发送的扩频因子SF值，实现中继的发送距离调节。
根据通信误码率实验结果，制定SF与T-sr门限对应关系表，即在满足中继误码率性能要求的条件下，提升中继转发的通信距离。表1是中继信噪比门限T-sr与扩频因子SF的关系对照表。
该表同时规划了接收信号强度RSSI和通信速率，可以作为SNR门限调节后的接收信号强度和通信速率的参考范围。
表1：中继信噪比门限T-sr与扩频因子SF的关系对照表ADF转发流程为：
SNR(dB) RSSI(dBm) SF 通信速率
-7.5 -100以上 SF7 5470bps
-10 -104～-100 SF8 3125bps
-12.5 -109～-105 SF9 1760bps
-15 -114～-110 SF10 980bps
-17.5 -119～-115 SF11 440bps
-20 -120以下 SF12 250bps
1)中继设备对信源节点发送数据进行解析，解析得出源数据当前采用的SF值，如果SF值小于12，增加SF值，并调节T-sr值。
2)然后判断当前接收信号的SNR-sr值是否超过调节后的T-sr，如果超过，中继按照当前参数进行数据转发；
如果当前接收信号的SNR-sr值没超过T-sr，则继续增加SF值，并调节T-sr值，重复以上流程。当最终调节SF超过12，SNR-sr还是低于中继信噪比门限，则中继不参与转发。ADF转发流程如图2所示。
在基于SNR的协作机制中,门限值的设置是否合理,决定了系统性能是否得到提高,是否可以获得较高的频谱利用率。
本发明提供的一种基于低功耗广域通信技术的电力无线中继通信系统，其中LoRaMESH中继通信模块同时采用DF转发机制和ADF转发机制的单用户混合中继协同通信系统，即用户通信中的每条子载波根据自身信道环境选择其中一种转发机制使得系统能够获得最优性能,比如系统吞吐量、系统能效、系统误码率等。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种基于低功耗广域通信技术的电力无线中继通信系统，其特征在于，包括：
MCU处理器、电源管理模块、串行通信接口、ZigBee通信模组、BLE通信模组和LoRaMESH中继通信模块，所述MCU处理器连接电源管理模块、串行通信接口、ZigBee通信模组、BLE通信模组和LoRaMESH中继通信模块；电源模块为系统提供工作电压，LoRaMESH中继通信模块构建协同中继网络架构，实现无线通信的中继转发；
所述LoRaMESH中继通信模块包括：转发判断模块、转发方式确定模块、ADF转发流程确定模块和中继转发模块；
所述转发判断模块，用于根据源节点到目的节点的信噪比确定中继是否需要转发；
所述转发方式确定模块，用于根据源节点到中继节点的信噪比确定中继采用DF转发方式还是采用ADF转发方式；
所述ADF转发流程确定模块，用于基于信道信噪比门限的混合机制确定ADF转发流程；
所述中继转发模块，用于根据转发方式确定模块确定的转发方式，若为DF转发方式，则中继节点将解码后得到的数据重新编码后转发，若采用ADF方式进行转发，执行ADF转发流程确定模块确定的转发流程；
所述ADF转发流程确定模块用于执行以下步骤：
根据扩频因子与信噪比的对应关系确定源节点到中继节点之间的信噪比门限值；
对接收到的源节点发送的数据进行解析得到源数据当前采用的扩频因子值，如果扩频因子值小于12，则按顺序增加扩频因子值，并调节源节点到中继节点之间的信噪比门限值；判断中继当前接收信号的源节点到中继节点的信噪比值是否超过调节后的源节点到中继节点的信噪比值门限值，如果超过，中继按照当前参数进行数据转发；若不超过则继续增加扩频因子值，并调源节点到中继节点的信噪比值门限值，重复以上流程；当最终调节扩频因子超过12，源节点到中继节点的信噪比值还是低于中继信噪比门限，则中继不参与转发。
2. 如权利要求1所述的一种基于低功耗广域通信技术的电力无线中继通信系统，其特征在于，所述系统还包括JTAG 调试接口，所述MCU处理器连接JTAG 调试接口。
3.如权利要求1所述的一种基于低功耗广域通信技术的电力无线中继通信系统，其特征在于，所述系统还包括存储模块，所述存储模块与MCU处理器连接。
4.如权利要求1所述的一种基于低功耗广域通信技术的电力无线中继通信系统，其特征在于，所述系统还包括以太网接口，所述以太网接口与MCU处理器连接。
5.如权利要求1所述的一种基于低功耗广域通信技术的电力无线中继通信系统，其特征在于，所述转发判断模块用于执行以下步骤：
目的节点接收数据后进行解码检测，如果源节点到目的节点的信噪比大于源节点到目的节点的信噪比阈值，并且目的节点接收的数据能够正确解码，则中继不转发，系统采用直传模式；如果源节点到目的节点的信噪比小于等于源节点到目的节点的信噪比阈值，并且目的节点接收的数据不能正确解码，则中继转发。
6.如权利要求1所述的一种基于低功耗广域通信技术的电力无线中继通信系统，其特征在于，所述转发方式确定模块用于体执行以下步骤：
如果源节点到中继节点的信噪比大于源节点到中继节点的信噪比阈值，则中继采用DF方式转发；如果源节点到中继节点的信噪比小于等于源节点到中继节点的信噪比阈值，则中继采用ADF方式转发。
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