CN111699662A - 用于电网控制的无线通信网络中的包检测 - Google Patents

用于电网控制的无线通信网络中的包检测 Download PDF

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Abstract

提供了用于在用于电网控制的无线通信网络中包检测的机制。无线通信网络采用包的基于时间的调度。一种方法由无线通信网络中的包接收器执行。该方法包括接收来自包发射器的包。该包包括前导码。前导码由单个OFDM符号构成并由样本序列表示。前导码的至少部分(基于争用)在包检测窗口内被接收。该方法包括执行包检测以便仅在包检测窗口内所接收的那些样本上查找包的起始。

Description

用于电网控制的无线通信网络中的包检测
技术领域
本文提出的实施例涉及一种用于在用于电网控制的无线通信网络中进行包检测的方法、包接收器、计算机程序和计算机程序产品。
背景技术
(例如，在变电站自动化中)用于电网控制的无线网络需要低延迟和高可靠性。如无线HART(HART是“可寻址远程传感器数据公路”的缩写)或用于工业自动化的无线网络-工厂自动化(WIA-FA)等当前可用的工业无线标准在这些方面都无法提供很高的性能，因为它们依赖于非优化的物理(PHY)通信层。例如，WIA-FA基于IEEE 802.11g/n PHY层，其100位包的最小传输时间约为30μs，而目前基于有线局域网(LAN)的遵从IEC 61850的许多电网应用需要的时隙时间为几μs或甚至更少。
IEEE802.11中传输时间长的一个原因是在PHY层使用了长前导码序列。然而，IEEE802.11中的长前导码用于许多目的，包括鲁棒的包检测和定时同步，这对于确保可靠的消息传递至关重要。在这方面，包检测通常是指近似地识别包的开始的过程，而定时同步通常是指查找包的有用部分(例如有效负荷)开始处的确切样本的过程。
用于包检测和定时同步的现有方案(例如，如US 7480234B1和US 7280621B1中所公开的)依赖于包前导码中长的重复序列的存在，使得包接收器能够首先为了检测所述包而将已知传输的前导码与所接收的样本关联，然后关联重复的部分，以实现精确的样本级同步。然而，当包的大小为短时(例如，如在电网控制应用中的情况)，使用长的前导码是非有效的，并因此这从根本上限制了可实现的延迟。
因此，仍然需要在适用于电网控制的无线通信网络中的改进的包检测。
发明内容
本文的实施例的目的在于，提供一种有效的包检测，其免受上述问题，或者至少上述问题被减少或减轻。
根据第一方面，提出了一种用于在用于电网控制的无线通信网络中进行包检测的方法。所述无线通信网络采用包的基于时间的调度。所述方法由所述无线通信网络中的包接收器来执行。所述方法包括从包发射器接收包。所述包(packet)包括前导码。所述前导码由单个正交频分复用OFDM符号构成并由样本序列表示。所述前导码的至少一部分在包检测窗口内被接收。所述方法包括执行包检测，以便仅在所述包检测窗口内所接收的那些样本上查找所述包的起始。
根据第二方面，提出了一种用于在用于电网控制的无线通信网络中进行包检测的包接收器。所述无线通信网络采用包的基于时间的调度。所述包接收器包括处理电路。所述处理电路被配置为使所述包接收器从包发射器接收包。前导码由单个OFDM符号构成并由样本序列表示。所述前导码的至少部分在包检测窗口内被接收。所述处理电路被配置为使所述包接收器执行包检测，以便仅在所述包检测窗口内所接收的那些样本上查找所述包的起始。
根据第三方面，提出了一种用于在用于电网控制的无线通信网络中进行包检测的计算机程序，所述计算机程序包括计算机代码，所述计算机代码当在包接收器上运行时，使所述包接收器执行根据上述第一方面的方法。
根据第四方面，提出了一种计算机程序产品，包括根据第三方面所述的计算机程序、以及在其上存储有所述计算机程序的计算机可读存储介质。所述计算机可读存储介质可以是非暂态计算机可读存储介质。
有利地，这提供了有效的包检测。
有利地，所提出的包检测免受上述问题。
有利地，所提出的方法允许有效的包结构，从而实现了低延迟的无线通信。
实际上，将前导码持续时间从(如IEEE 802.11g中的)5个OFDM符号减少到仅一个OFDM符号允许将100位的包的传输时间减少近5倍，从而实现类似于有线通信网络的传输延迟。
有利地，所提出的方法允许在前导码为短时也执行鲁棒的包检测和定时同步。
有利地，使用包检测窗口允许在不需要时禁用所述包检测，从而节省能量。
应注意的是，在适当的情况下，第一方面、第二方面、第三方面和第四方面的任何特征都可以应用于任何其他方面。类似地，第一方面的任何优点都可以分别等效地应用于第二方面、第三方面和/或第四方面，反之亦然。所附实施例的其他目标、特征以及优点将从以下详细公开、从所附从属权利要求以及从附图变得明显。
通常，除非在本文中另外明确定义，否则权利要求中所使用的所有术语都将根据其在技术领域中的普通含义进行解释。除非另外明确声明，否则对“一个/一种/所述元件、设备、部件、装置、模块、步骤等”的所有提及都将被开放地解释为指所述元件、设备、部件、装置、模块、步骤等的至少一个实例。除非明确声明，否则本文所公开的任何方法的步骤都不必完全按照所公开的顺序执行。
附图说明
现在将通过示例并且参考附图来描述本发明构思，在附图中：
图1是图示了根据实施例的无线通信网络的示意图；
图2示意性地图示了根据现有技术的包接收器；
图3示意性地图示了根据现有技术的包结构；
图4是根据一些实施例的方法的流程图；
图5是示出了根据实施例的包接收器的功能模块的示意图；
图6示意性地图示了根据实施例的在包检测窗口内的包检测；
图7是示出了根据实施例的包接收器的功能单元的示意图；以及
图8示出了根据实施例的包括计算机可读存储介质的计算机程序产品的一个示例。
具体实施方式
现在将在下文中参考附图对本发明构思进行更全面的描述，在附图中，示出了本发明构思的某些实施例。然而，本发明构思可以被实施为许多不同的形式并且不应被解释为限于本文阐述的实施例；相反，通过示例提供这些实施例从而使得本公开将是详尽且完整的，并且将向本领域技术人员充分地传达本发明构思的范围。在整个说明书中，相似的附图标记指代相似的元件。由虚线图示的任何步骤或特征都应被视为是可选的。
图1示意性地图示了本文公开的实施例所应用的无线通信网络100。表示为节点200a、200b、…、200N的网络实体配备有射频(RF)前端，所述前端允许网络实体通过无线网络110进行通信。每个节点可以表示变电站自动化系统的、被配置用于交换控制消息(例如网关、断路器、电路保护器、变压器、开关装置等)的部件。
每个节点200a至200N可以选择性地充当包发射器或包接收器。在不失一般性的前提下，在下文中将假定节点200a将充当包接收器，并且节点200b至200N中的任何一个将充当包发射器。
图2示意性地示出了包接收器200a的典型模块。图2的包接收器200a包括自动增益控制模块、包检测模块、定时同步模块、频率同步模块、信道均衡模块以及解调和解码模块。这些模块的功能在本领域中是已知的，因此为简洁起见省略对其的描述。在当前存在的包接收器200a中，基于在所接收的包的前导码中利用长的重复的序列来实施这些模块。
作为说明性示例，图3示意性地示出了在IEEE802.11g中使用的包300的包结构。在IEEE802.11g中，PHY层前导码的传统的短训练字段(L-STF)部分的前面的短训练序列a1，a2，...，a7用于包检测，而后面的短训练序列a8，a9，a10和传统长训练字段(L-LTF)部分的长训练序列l1，l2分别用于粗定时同步以及细定时同步。
为了实现在用于电网控制应用的无线网络中交换的短的包的低延迟，PHY层前导码的大小应保持为小，可能限于仅单个正交频分复用(OFDM)符号。然而，为了确保良好的可靠性水平，包接收器200a必须仍然能够使用仅该单个OFDM符号执行其常用的功能，包括包检测以及定时同步。
因此，本文公开的实施例涉及用于在用于电网控制的无线通信网络100中进行包检测的机制。为了获得这样的机制，提供了包接收器200a、由包接收器200a执行的方法、包括例如呈计算机程序的形式的代码的计算机程序产品，所述计算机程序当在包接收器200a上运行时使包接收器200a执行该方法。
为了实现低延迟，优化所述包结构并且使用短前导码。另外，为了确保可靠的通信，包的起始预测机制也使用包调度的知识，该预测机制即使在采用短前导码的情况下也允许简单且可靠的包检测和定时同步。
图4是图示了用于在用于电网控制的无线通信网络100中进行包检测的方法的实施例的流程图。无线通信网络100采用包的基于时间的调度。所述方法由包接收器200a执行。所述方法有利地被提供为计算机程序820。
假定充当包接收器200a的节点从充当包发射器200b至200N的其他节点之一接收包600。因此，包接收器200a被配置为执行步骤S102：
S102：包接收器200a接收来自包发射器200b-200N的包600。
包600包括前导码610。前导码610由单个OFDM符号构成并且由样本序列表示。在一些方面，单个OFDM符号具有与图3中的前五个L-STF短序列相对应的持续时间。
前导码610的至少部分在包检测窗口630内被接收。的确，与传统的通信网络不同，在用于控制应用的无线通信网络中，通过时隙调度策略(例如，时分多址(TDMA))来调节信道访问，以确保确定性并避免冲突。以此方式，无线通信网络100中的每个节点(充当包接收器200a)知道其仅在预定的时隙期间可接收包。包接收器200a利用该事实仅接收在包检测窗口630内的包。
然后，包接收器200a执行包检测。具体地，包接收器200a被配置为执行步骤S104：
S104：包接收器200a执行包检测，以便查找包600的起始640’。所述包检测仅对在包检测窗口630内所接收的那些样本上执行。
有利地，这使得包检测和定时同步能够同时进行。如上所述，包检测通常是指近似地识别(所接收的)包600的开始的过程，并且定时同步通常是指查找包600的有用部分(例如有效负荷)开始处的确切样本的过程。
现在将公开与由包接收器200a执行的、用于电网控制的无线通信网络100中的包检测的另外的细节有关的实施例。
并行参考图5，图5示出了根据一个实施例的、用于包检测和定时同步的包接收器200a的功能模块。
图5中的包接收器200a包括包起始预测模块510。包起始预测模块510被配置为选择性地启用和禁用包610的检测，并且因此选择性地何时打开和关闭包检测窗口630。将在下面公开包起始预测模块510的其他方面。
在步骤S104中可以有不同的方式来执行包检测。现在将依次描述与之相关的不同实施例。
在一些方面，步骤S104中的包检测基于将在包检测窗口630内所接收的那些样本与默认的序列进行比较。具体地，根据实施例，执行包检测涉及在包检测窗口630内所接收的那些样本的表示(representation)与默认标准化的测试序列之间的相似度量值的确定。在图5的示例中，相似度量值由差分检测模块520确定。
可以有不同的方式从样本本身中得出样本的表示。
图5中的包接收器200a包括延迟和相乘模块530。延迟和相乘模块530被配置为通过Hadamard产品创建所所接收的序列的一次采样延迟副本，并将该一次采样延迟副本与原始所接收的序列相乘。
特别地，根据一个实施例，在包检测窗口630内所接收的样本定义测试序列。然后，将包接收器200a配置为执行(可选的)作为在步骤S104中执行包检测的部分的步骤S104a：
步骤S104a：包接收器200a将测试序列与自身的一次采样延迟副本相乘，得到相乘的测试序列。
以此方式，使频率偏移对检测性能的影响最小化。
图5中的包接收器200a包括标准化模块540。标准化模块540被配置为相对于其平均功率对经相乘的测试序列进行标准化。因此，根据一个实施例，包接收器200a被配置为执行作为在步骤S104中执行包检测的部分的(可选的)步骤S104b：
步骤S104b：包接收器200a相对于其总功率对经相乘的测试序列进行标准化，得到标准化的测试序列。
通过这种方式，检测过程与接收功率无关。
图5中的包接收器200a包括关联模块550。关联模块550被配置为将标准化的测试序列与默认的序列进行比较。根据一个实施例，包接收器200a因此被配置为执行作为在步骤S104中执行包检测的部分的(可选的)步骤S104c：
步骤S104c：包接收器200a将标准化的测试序列与默认标准化的测试序列相关联，得到关联的测试序列。
因此，通过标准化的测试序列来定义在包检测窗口630内所接收的那些样本的表示。
所述默认标准化的测试序列可以有不同的示例。根据一个实施例，所述默认标准化的测试序列是默认的前导序列(也与其一次采样延迟副本相乘并且被标准化)。
图5中的包接收器200a包括最大值查找模块560。最大值查找模块560被配置为查找关联的测试序列的最大值。具体地，根据一个实施例，包接收器200a被配置为执行作为在步骤S104中执行包检测的部分的(可选的)步骤S104d：
步骤S104d：包接收器200a识别测试序列中(关联的测试序列具有最大值的)样本。然后确定所述样本为定义包600的起始640’。
这使得能够对包600开始被查找处的精确采样。
在一些方面，仅当关联的测试序列的最大值超过特定的包检测阈值Δ时，才成功地识别出包600的起始640’。因此，根据一个实施例，包接收器200a被配置为执行作为在步骤S104中执行包检测的部分的(可选的)步骤S104e：
步骤S104e：包接收器200a将最大值与包检测阈值Δ进行比较。然后，仅当最大值超过包检测阈值Δ时，才确定样本为定义包600的起始640’。在一些方面，Δ的值取决于包接收器200a处的预期信噪比(SNR)和/或前导码610的长度。例如可以基于传输带宽，传输功率和链路距离来确定SNR。对于每个SNR和前导码长度，可以通过理论分析或仿真获得最佳的包检测阈值Δ。
现在将公开包检测窗口630和包起始预测模块510的其他方面。
在一些方面，如图6所示，包检测窗口630以所接收的包600的预期开始时刻640为中心。包600包括前导码610和数据部分620。如上所述，如上所述，仅在该窗口期间启用包检测。根据一个实施例，根据基于时间的调度来打开包检测窗口630。如图6所示，考虑两个或更多个样本、而不是单个样本的包检测窗口630，这是因为由于包接收器200a与包发射器200b-200N之间的同步失配，包600的实际到达时间可相对于预期时间稍微延迟或提前。
包检测窗口630的持续时间被设计大小为，以确保包600的预期到达时间(由起始时刻640定义)和实际到达时间(由起始640定义)之间的最大偏差位于包检测窗口630内。
可以基于包发射器200b-200N与包接收器200a之间的标称距离d0来得出包600的期望到达时间。实际到达时间取决于包发射器200b-200N与包接收器200a之间的实际距离d。由dmax定义的、d和d0之间的最大绝对差与无线通信网络100的最大发射和接收范围严格相关。
包检测窗口的持续时间(以秒为单位)应设置为：
Figure BDA0002627853160000071
其中，c是光速，c＝2.99792m/s。
根据一个实施例，包检测窗口630具有在100ns至200ns之间的时间长度，优选地在125ns至175ns之间，最优选地是150ns。
样本中的包检测窗口630的持续时间W通常取决于包接收器200a处的采样间隔Ts，并且可以确定为：
Figure BDA0002627853160000072
作为非限制性的说明性示例，最大距离偏差为dmax＝20m，采样间隔为Ts＝50ns，对应于W＝3采样的包检测窗口的长度为T＝133.4ns。
使用包检测窗口630来启用/禁用包检测允许更简单的解码过程和更低的能量消耗，因为包接收器200a不需要连续地关联所有所接收的样本，而是仅关联在包检测窗口630内的那些样本。
此外，包检测窗口630的使用提高了包检测过程的可靠性。更详细地，由于前导码610为短，所以相对于在较长序列上计算的典型关联(例如，使用IEEE 802.11前导码)，在步骤S104c中确定的关联通常较弱。因此，会出现所谓的“虚假警报”，在该虚假警报中，有噪声采样序列被错误地识别为包的开始。包检测窗口630的使用允许相当大地减轻这个问题，因为仅在预期包600将到达的样本窗口上执行检测。
图7以一定数量的功能单元示意性地图示了根据实施例的包接收器200a的部件。使用能够执行存储在计算机程序产品810(例如，呈图8中的存储介质230的形式)中的软件指令的合适的中央处理器(CPU)、多处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)等中的一个或多个的任何组合来提供处理电路210。处理电路210可以进一步被提供为至少一个专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)。
特别地，处理电路210被配置为使包接收器200a执行如以上所公开的一组操作或步骤S102至S104e。例如，存储介质230可以存储该组操作，并且处理电路210可以被配置为从存储介质230取得该组操作，以使包接收器200a执行该组操作。该组操作可以被提供为一组可执行指令。
因此，处理电路210由此被布置成用于执行如本文公开的方法。存储介质230还可以包括持久性存储装置，例如，其可以是磁存储器、光学存储器、固态存储器或甚至远程安装的存储器中的任何一个或组合。包接收器200a可以进一步包括通信接口220，所述通信接口至少被配置用于与至少一个包发射器200a至200N进行通信。这样，通信接口220可以包括一个或多个发射器和接收器，所述一个或多个发射器和接收器包括模拟和数字部件。处理电路210例如通过向通信接口220和存储介质230发送数据和控制信号、从通信接口220接收数据和报告、以及从存储介质230取得数据和指令来控制包接收器200a的一般操作。包接收器200a的其他部件以及相关功能被省略，以免使本文提出的构思不清楚。
图8示出了包括计算机可读存储介质830的计算机程序产品810的一个示例。在该计算机可读存储介质830上，可以存储计算机程序820，该计算机程序820可以使处理电路210以及与所述处理电路可操作地耦接的实体和设备(如通信接口220和存储介质230)执行根据本文公开的实施例的方法。因此，计算机程序820和/或计算机程序产品810可以提供用于执行如本文公开的任何步骤的装置。
在图8的示例中，计算机程序产品810被图示为如CD(光盘)或DVD(数字通用盘)或蓝光光盘等光盘。计算机程序产品810还可以具体化为如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)或电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)等存储器，并且更特别地可以具体化为如USB(通用串行总线)存储器、或闪速存储器(如紧凑型闪速存储器)等外部存储器中的器件的非易失性存储介质。因此，尽管计算机程序820在此被示意性地示出为所描绘的光盘上的轨道，但是计算机程序820也可以采用适合于计算机程序产品810的任何方式来存储。
上文已经参考一些实施例大体上描述了本发明构思。然而，本领域普通技术人员容易理解的是，除以上公开的实施例之外的其他实施例在由所附专利权利要求限定的本发明构思的范围内同样是可能的。

Claims (16)

1.一种用于在用于电网控制的无线通信网络(100)中进行包检测的方法，所述无线通信网络(100)采用包(600)的基于时间的调度，所述方法由所述无线通信网络(100)中的包接收器(200a)执行，所述方法包括：
接收(S102)来自包发射器(200b，200c，…，200N)的包(600)，
其中，所述包(600)包括前导码(610)，其中，所述前导码(610)由单个正交频分复用OFDM符号构成并由样本序列表示，并且其中，所述前导码(610)的至少部分在包检测窗口(630)内被接收；以及，
执行(S104)包检测，以仅在所述包检测窗口(630)内接收的那些样本上查找所述包(600)的起始(640’)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，执行包检测包括确定在所述包检测窗口(630)内接收的那些样本的表示与默认标准化的测试序列之间的相似度量值。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述包检测窗口(630)内接收的样本定义测试序列，并且其中，执行包检测还包括：
将所述测试序列与测试序列的一次采样延迟副本相乘(S104a)，产生经相乘的测试序列。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，执行包检测还包括：
使所述经相乘的测试序列相对于其总功率标准化(S104b)，产生经标准化的测试序列。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，执行包检测还包括：
将所述经标准化的测试序列与默认标准化的测试序列相关联(S104c)，产生经关联的测试序列。
6.根据权利要求2或5所述的方法，其中，所述默认标准化的测试序列是默认前导码(610)序列。
7.根据权利要求2和5所述的方法，其中，在所述包检测窗口(630)内接收的那些样本的表示由所述经标准化的测试序列定义。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的方法，其中，执行包检测还包括：
识别(S104d)在所述测试序列中的样本，所述经关联的测试序列针对所述样本具有其最大值，
其中，将所述样本确定为定义所述包(600)的所述起始(640’)。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，执行包检测还包括：
比较(S104e)所述最大值与包检测阈值，并且
其中，仅当所述最大值超过所述包检测阈值时，将所述样本确定为定义所述包(600)的所述起始(640’)。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述包检测窗口(630)根据所述基于时间的调度打开。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述包检测窗口(630)具有在100ns至200ns之间、优选在125ns与175ns之间、最优选150ns的时间长度。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述包接收器(200a)是网关、断路器、电路保护器、变压器或开关装置的部分。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述包发射器(200b，200c，…，200N)是网关、断路器、电路保护器、变压器或开关装置的部分。
14.一种用于在用于电网控制的无线通信网络(100)中进行包检测的包接收器(200a)，所述无线通信网络(100)采用包(600)的基于时间的调度，所述包接收器(200a)包括处理电路(210)，所述处理电路被配置为使所述包接收器(200a)：
接收来自包发射器(200b，200c，…，200N)的包(600)，
其中，所述包(600)包括前导码(610)，其中，所述前导码(610)由单个正交频分复用OFDM符号构成并由样本序列表示，并且其中，所述前导码(610)的至少部分在包检测窗口(630)内被接收；以及；
执行包检测，以仅在所述包检测窗口(630)内接收的那些样本上查找所述包(600)的起始(640’)。
15.一种用于在用于电网控制的无线通信网络(100)中进行包检测的计算机程序(820)，所述无线通信网络(100)采用包(600)的基于时间的调度，所述计算机程序包括计算机代码，所述计算机代码当在包接收器(200a)的处理电路(210)上运行时，使所述包接收器(200a)：
接收来自包发射器(200b，200c，…，200N)的包(600)，
其中，所述包(600)包括前导码(610)，其中，所述前导码(610)由单个正交频分复用OFDM符号构成并由样本序列表示，并且其中，所述前导码(610)的至少部分在包检测窗口(630)内被接收；以及
执行包检测，以仅在所述包检测窗口(630)内接收的那些样本上查找所述包(600)的起始(640’)。
16.一种计算机程序产品(810)，包括根据权利要求15所述的计算机程序(820)、以及计算机可读存储介质(830)，所述计算机程序存储在所述计算机可读存储介质上。
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