CN110944022B - 应用宽带无线微功率电力抄表中的帧结构进行通信的方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种应用于物联网系统中Chirp调制方式的帧结构，应用于宽带无线微功率电力抄表系统，其包括：即前导部分、帧控制部分、帧间隔部分以及载荷数据部分，整个帧结构采用相同载波频率和相同无线带宽进行传输，前导部分和帧控制部分采用固定的调制速率进行传输，该调制速率选择载荷数据可支持的最低调制速率，载荷数据部分根据帧控制中的调制速率进行动态调整转换；前导部分用于接收端对帧的监听和搜索；帧控制部分用于指示载荷数据部分使用的解析参数，帧间隔部分用于接收端接收到调制速率之后进行接收载荷数据部分的射频调整时间，载荷数据部分用于承载高层中的协议信令和业务数据。

Description

应用宽带无线微功率电力抄表中的帧结构进行通信的方法

技术领域

本发明属于物联网中的通信系统领域，提出一种应用宽带无线微功率电力抄表中的帧结构进行通信的方法。

背景技术

物联网应用场景和应用领域的多样化导致了通信需求的多样化，没有任何一种物联网通信模式能够涵盖所有的通信需求，即使到目前商用5G通信的阶段，也需要各种通信模式的补充。由于物联网无线通信系统中，通常只能使用共享频段，即不同的物联网系统竞争使用这些频段，导致了这些频段的无线干扰比较严重，信道底噪比较大，因此Chirp扩频通信在物联网通信中得到了推广使用，最为典型就是LoRaWAN系统。但是LoRaWAN系统支持速率比较低，不能满足某些对速率有要求的物联网传输情景。例如在电力抄表中，目前仅有使用频移键控(FSK)模式的窄带电力抄表，并且支持速率也比较低。根据电力部门需求，电力抄表需要支持500Kbps以上的速率，因此需要设计出支持更高传输速率的宽带无线微功率电力抄表系统。

宽带无线微功率电力抄表系统采用的无线调制方式存在两种方式，一种采用OFDM调制方式，另外一种是Chirp调制方式。为了适应调制方式在实际场景中的使用，每种调制方式都需要有特定的帧结构模式。

目前尚未存在确定的宽带无线微功率电力抄表的帧结构，其他的物联网系统，例如Lora物联网，窄带电力线抄表系统使用的调制方式，传输数据量大小，数据组织方式以及信道编解码都不同，所以帧结构也不适用于宽带无线微功率电力抄表系统。

本发明提出了一种满足宽带无线微功率电力抄表系统需求的帧结构，该系统采用Chirp调制方式，并且在实际的测试中得到证实。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种应用宽带无线微功率电力抄表中的帧结构进行通信的方法。本发明的技术方案如下：

一种应用宽带无线微功率电力抄表中的帧结构进行通信的方法，应用于宽带无线微功率电力抄表系统，帧结构中的每个比特数据采用Chirp方式进行调制和解调，其包括：

即前导部分、帧控制部分、帧间隔部分以及载荷数据部分，整个帧结构采用相同载波频率和相同无线带宽进行传输，前导部分和帧控制部分采用固定的调制速率进行传输，该调制速率选择载荷数据可支持的最低调制速率，载荷数据部分根据帧控制中的调制速率进行动态调整转换；前导部分用于接收端对帧的监听和搜索；帧控制部分用于指示载荷数据部分使用的解析参数，帧间隔部分用于接收端接收到调制速率之后进行接收射频调整时间，载荷数据部分用于承载高层中的协议信令和业务数据；所述帧控制部分由同步码、调制速率、码率、载荷物理块数目、载荷物理块长度以及校验部分组成，其中，同步码字段为固定的码字，接收端使用同步码确定帧控制部分的起始位置；调制速率字段用于指明载荷数据部分使用的Chirp调制速率，即确定帧结构中载荷数据部分的传输速率；码率字段用于指明载荷数据部分在进行信道编码时候采用的编码效率；载荷物理块数目字段用于指明载荷数据部分中包含的物理块数目；载荷物理块长度字段用于指明载荷数据部分的物理块长度；校验字段指明同步码、调制速率物理块数目以及载荷物理块长度字段的奇偶校验比特。

进一步的，所述前导部分由前导码构成，前导码可以根据实际环境需求采用变长方式。

进一步的，所述帧间隔部分由帧间隔字段组成，采用固定长度的码字，起到填充作用。

进一步的，所述载荷承载数据部分即载荷数据块，由一块控制块和多个物理块组成，其中控制块采用固定长度字节组成，物理块数目和每个物理块字节长度分别由帧控制部分的载荷物理块数目和载荷物理块长度确定。

进一步的，前导码采用长度可变方式时，当物联网系统使用N(N≧1)个频点进行组网时，发送端在N个频点中随机选择一个频点，接收端不确定发送端具体使用的频点，那么接收端对N个频点依次进行扫描，需要前端码长度为单频点前导码的N倍，首先确定发送端使用的频点，然后才能进行帧数据接收。

进一步的，宽带无线微功率电力抄表系统选择使用的带宽为4MHz或2MHz或1MHz或500KHz，规定总带宽的10％为保护带宽，占据带宽上下边缘的5％，根据实际部署场景。

进一步的，所述码率字段采用了Turbo编码方式，编码的码率即匹配打孔速率支持1/2，16/18以及1/3。

进一步的，所述帧控制中的同步码、调制速率、物理块数目和载荷物理块长度字段还需进行奇偶比特校验，具体含义为：同步码、调制速率、物理块数目和载荷物理块长度字段的比特1数目为偶数，则校验字段为0，反之则校验字段为1。

进一步的，所述载荷数据部分的总长度＝16+载荷物理块数目x载荷物理块数据长度。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明提出了一种应用宽带无线微功率电力抄表中的帧结构进行通信的方法，解决了宽带无线微功率电力抄表系统的帧结构问题，为采用Chirp调制方式的物联网系统提供一种完整的帧结构定义。该帧结构定义的优点。

第一：采用前导部分，帧控制部分以及载荷部分设计，其中前导部分采用可变长设计，有利于物联网采用多频组网。假设使用N个频点组网，前导需要N个长度的单频点前导长度即可，组网频点数目改变，不需要改变接收机电路。以往物联网则需要建网之前确定，或是采用专用的信令协调完成。

第二：帧结构中使用的Chirp调制速率和码率，经过严格仿真和实际测试得出，其性能比未定义的调制速率和码率好。并且采用定义的帧结构，可以在帧控制部分中灵活指示载荷数据部分的调制速率和码率。

第三：在帧控制部分和载荷数据部分之间增加了帧间隔部分，在以往帧结构中没有这个部分，所以只支持前导，帧控制和载荷数据部分采用相同的射频参数；或是对物联网设备的射频提出过高要求，不利于物联网低成本设计原则。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例一种应用宽带无线微功率电力抄表中的帧结构进行通信的方法示意图；

图2是宽带无线微功率电力抄表带宽定义；

图3是宽带无线微功率电力抄表帧结构；

图4是接收端搜索前导码的原理；

图5是帧结构中的载荷数据部分。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

本发明提出了一种采用Chirp调制方式的宽带无线微功率电力抄表系统的帧结构，该帧结构由三个部分组成，即前导部分、帧控制部分、帧间隔部分以及载荷数据部分。整个帧结构采用相同载波频率和相同无线带宽进行传输，前导部分和帧控制部分采用固定的调制速率进行传输，该调制速率选择载荷数据可支持的最低调制速率，载荷数据块根据帧控制中的调制速率进行动态调整转换。具体如图1所示。

前导部分由前导码字段构成，前导码可以根据实际环境需求采用变长方式，该部分主要用于接收端对帧的监听和搜索。

帧控制部分由同步码，调制速率，码率，载荷物理块数目，载荷物理块长度以及校验部分组成。其中，同步码字段为固定的码字，接收端使用同步码确定帧控制部分的起始位置。调制速率字段指明载荷数据部分使用的Chirp调制速率，即确定帧结构中载荷数据部分的传输速率。码率字段指明载荷数据部分在进行信道编码时候采用的编码效率。载荷物理块数目字段指明载荷数据部分中包含的物理块数目。载荷物理块长度字段指明载荷数据部分的物理块长度。校验字段指明同步码、调制速率物理块数目以及载荷物理块长度字段的奇偶校验比特。

帧间隔部分由帧间隔字段组成，采用固定长度的码字，起到填充作用。用于接收端接收到调制速率之后进行接收射频时间调整。

载荷承载数据部分由控制块和物理块组成。该载荷数据块由一块控制块和多个物理块组成，其中控制块采用固定长度字节组成，物理块数目和每个物理块字节长度分别由帧控制部分的载荷物理块数据和载荷物理块长度确定。

本发明是针对现有宽带无线微功率电力抄表系统提出的一种帧结构，是一种适合采用Chirp调制方式的帧结构，该帧结构能够满足宽带无线微功率电力抄表的需求。本发明有如下优点:

第一：前导部分和帧控制部分采用固定的调制速率，便于接收端对发送数据的检测和接收，并且前导和帧控制部分采用较低的调制速率，提高接收端接收前导和帧控制的成功率。

第二：前导码采用长度可变方式，有利于多频点组网系统使用，假设物联网系统可以在3个频带内进行组网，发送端在3个频点中随机选择一个频点，接收端不确定发送端具体使用的频点，那么接收端对3个频点依次进行扫描，首先确定发送端使用的频点，然后才能进行帧数据接收。

第三：本发明中的帧结构主要由三部分组成，即前导部分、帧控制部分及载荷数据部分，为了满足不同无线场景以及传输业务需求，在帧控制部分指明载荷数据块的信道传输参数，即调制速率和码率。

第四：由于物联网系统对节点设备成本低，无法进行高速数据处理，因此在帧控制部分和载荷数据部分之间增加了帧间隔部分，用于接收端进行射频时间调整，便于降低宽带无线微功率电力抄表节点设备的成本。

为了更加清楚说明本发明在宽带无线微功率电力抄表中的具体实现，下面将给出本发明的具体参数定义。

如图2所示，在本实施例中，宽带无线微功率电力抄表可以使用的公共频段为470MHz到510KHz,选择使用的带宽为4MHz，其中10％为保护带宽，根据实际部署场景，在其他实施例中也可以选择使用2MHz、1MHz或500KHz。

备注：传输带宽为4MHz，但实际传输所用带宽为3.6MHz，其中的400KHz为保护间隔，即规定总带宽的10％为保护带宽，中心频点上下带宽的5％。

在本发明的具体实施案例中，宽带无线微功率电力抄表帧结构如图3所示。帧结构由三个部分组成，即前导部分、帧控制部分、帧间隔部分以及载荷数据部分。

前导部分由前导码字段构成，前导码可以根据实际环境采用变长方式，但是只能由全0或全1比特组成，假设一个频点搜索前导码需要12比特长度，在该实施例中使用3个频点进行组网，则在该实施例中的前导字段长度为36比特(12x3＝36)。假设在该实施例中前导由全1比特组成，则其前导码为36个比特1。

在该实施例中，宽带微功率无线通信系统支持3个频点传输，发送端根据自己需求可随机选择其中的一个频点进行发送，接收端并不知道发送端使用的具体频点，因此在3个频点上都需要监听前导码。由于从物联网终端设备的成本角度考虑，接收端每次只能接收一个频点信号，因此需要在三个频点上进行周期扫描，每次扫描12个比特时间，如果没有发现前导信号，则选择下一个频点进行扫描。如图4所示。

帧控制部分由同步码，调制速率，码率，载荷物理块数目，载荷物理块长度和校验部分组成。

其中，同步码字段为固定长度的码字，定义长度为5比特，由全0或全1比特组成，并且需要选择与前导码不同的比特，在该实施例中，由于前导码选择了36个比特1组成，则同步码选择5个比特0组成。接收端首先搜索连续比特1的前导码，然后继续解读，当解读到连续5个比特0，则表明接收端搜索到一个有效的同步码。

调制速率字段指明载荷数据部分使用的Chirp调制速率，该实施例中提供了5种调制速率，在帧控制部分采用3比特表示。即在本实施例中，帧结构中的载荷数据块的时间长度和调制速率相关。根据Chirp调制特性，调制速率直接确定了一个Chirp符号的时间长度。调制速率的具体定义如表1所示。

根据本发明的要求，帧结构中的前导码部分和帧控制部分只能选择可支持的调制速率中最低的一种，在该实施例中，则只能选择使用75Kbps调制速率。

表1：调制速率表

调制速率(3比特)	内容(单位：Kbps)
		0(000)	1200
1(001)	600
		2(010)	300
3(011)	150
		4(100)	75

码率字段指明载荷数据部分在进行信道编码时采用的编码效率。为了保证宽带无线微功率电力抄表系统的纠错性能，采用了Turbo编码方式，编码的码率(匹配打孔速率)支持1/2，16/18以及1/3。在帧控制部分的码率字段采用2比特表示。具体定义如表2所示。根据本发明要求，其中的前导部分和帧控制部分不参与信道变换过程。

表2：码率表

码率(2比特)	内容(单位：Kbps)
		0(00)	1/2
1(01)	16/18
		2(10)	1/3

载荷物理块数目字段指明载荷数据部分中包含的物理块数目，在本实施例中，为了有效进行数据传输，一个帧结构可以承载多个物理块，并且最多可承载4块，假设在一次实际的数据传输中，载荷物理数据块总计有3块，则这三块依次进行传输。具体定义如表3所示。

表3：载荷物理块数目

载荷物理块数目(3比特)	承载物理块块数目
		0(000)	0
1(001)	1
		2(010)	2
3(011)	3
		4(100)	4

宽带微功率无线通信系统承载的物理块独立进行信道编解码，有独立的循环校验，因此也支持在进行多块传输过程中，仅仅重传出错的物理块，而不需要将帧中所有的载荷物理块都进行重传。

载荷物理块长度字段指明载荷数据部分每个物理块的长度。为了满足本实施例的要求，定义了5种承载数据长度，具体参见表4。

表4：载荷物理块数据长度

校验字段的目的是检查帧控制部分关键内容的接收正确性，根据本发明的要求将对帧结构中的同步码、调制速率、物理块数目和载荷物理块长度字段进行奇偶比特校验。具体含义为同步码、调制速率、物理块数目和载荷物理块长度字段的比特1数目为偶数，则校验字段为0，反之则校验字段为1。

帧间隔部分由帧间隔字段组成，采用固定的码字，起到填充作用。用于接收端收到调制速率之后进行接收射频时间的调整。在本实施例中，选择使用了5个比特长度帧间隔。

载荷承载数据部分由控制块和物理块组成。该载荷数据块由一块控制块和多个物理块组成，其中控制块采用固定长度的字节组成，在该实施例中，控制块长度固定为16个字节。物理块数目和每个物理块字节长度分别由帧控制部分的载荷物理块数据和载荷物理块长度确定，其中在一个帧中最多只能承载4个物理块。由以上分析可得，载荷数据部分的总长度为：16+载荷物理块数目x载荷物理块数据长度。具体如图5所示。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (7)

1.一种应用宽带无线微功率电力抄表中的帧结构进行通信的方法，帧结构中的每个比特数据采用Chirp方式进行调制和解调，其特征在于，包括：

即前导部分、帧控制部分、帧间隔部分以及载荷数据部分，整个帧结构采用相同载波频率和相同无线带宽进行传输，前导部分和帧控制部分采用固定的调制速率进行传输，该调制速率选择载荷数据可支持的最低调制速率，载荷数据部分根据帧控制中的调制速率进行动态调整转换；前导部分用于接收端对帧的监听和搜索；帧控制部分用于指示载荷数据部分使用的解析参数，帧间隔部分用于接收端接收到调制速率之后进行接收射频调整时间，载荷数据部分用于承载高层中的协议信令和业务数据；所述帧控制部分由同步码、调制速率、码率、载荷物理块数目、载荷物理块长度以及校验部分组成，其中，同步码字段为固定的码字，接收端使用同步码确定帧控制部分的起始位置；调制速率字段用于指明载荷数据部分使用的Chirp调制速率，即确定帧结构中载荷数据部分的传输速率；码率字段用于指明载荷数据部分在进行信道编码时候采用的编码效率；载荷物理块数目字段用于指明载荷数据部分中包含的物理块数目；载荷物理块长度字段用于指明载荷数据部分的物理块长度；校验字段指明同步码、调制速率物理块数目以及载荷物理块长度字段的奇偶校验比特；

所述前导部分由前导码构成，前导码可以根据实际环境需求采用变长方式；

前导码采用长度可变方式时，当物联网系统使用N个频点内进行组网时，N≧1且为整数，发送端在N个频点中随机选择一个频点，接收端不确定发送端具体使用的频点，那么接收端对N个频点依次进行扫描，需要前端码长度为单频点前导码的N倍，首先确定发送端使用的频点，然后才能进行帧数据接收。

2.根据权利要求1所述的应用宽带无线微功率电力抄表中的帧结构进行通信的方法，其特征在于，所述帧间隔部分由帧间隔字段组成，采用固定长度的码字，起到填充作用。

3.根据权利要求1所述的应用宽带无线微功率电力抄表中的帧结构进行通信的方法，其特征在于，所述载荷承载数据部分即载荷数据块，由一块控制块和多个物理块组成，其中控制块采用固定长度字节组成，物理块数目和每个物理块字节长度分别由帧控制部分的载荷物理块数目和载荷物理块长度确定。

4.根据权利要求1-3之一所述的应用宽带无线微功率电力抄表中的帧结构进行通信的方法，其特征在于，宽带无线微功率电力抄表系统选择使用的带宽为4MHz或2MHz或1MHz或500KHz，规定总带宽的10％为保护带宽，占据带宽上下边缘的5％，根据实际部署场景。

5.根据权利要求1-3之一所述的应用宽带无线微功率电力抄表中的帧结构进行通信的方法，其特征在于，所述码率字段采用了Turbo编码方式，编码的码率即匹配打孔速率支持1/2，16/18以及1/3。

6.根据权利要求1-3之一所述的应用宽带无线微功率电力抄表中的帧结构进行通信的方法，其特征在于，所述帧控制中的同步码、调制速率、物理块数目和载荷物理块长度字段还需进行奇偶比特校验，具体含义为：同步码、调制速率、物理块数目和载荷物理块长度字段的比特1数目为偶数，则校验字段为0，反之则校验字段为1。

7.根据权利要求1-3之一所述的应用宽带无线微功率电力抄表中的帧结构进行通信的方法，其特征在于，所述载荷数据部分的字节总长度＝16+载荷物理块数目x载荷物理块数据长度。

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