CN112565070A - 一种适用于电力物联网的双通道异构传输方法和系统 - Google Patents

一种适用于电力物联网的双通道异构传输方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开的适用于电力物联网的双通道异构传输方法和系统，充分利用现有业务多种通信体制覆盖的特点，通过双通道传输信息的副本，加强了电力通信网络架构信息传输的可靠性，提高了电力通信的抗毁性；发送端采用了速率匹配模块和多址接入模块实现多种业务数据在同一通信网络架构下传输，避免电力物联网的通信网络的重复建设；发送端采用Alamouti编码方案，对应在接收端设计了最优信噪比合并信号处理方式；Alamouti编码方案使得双通道的数据具有一定编码冗余，提高双通道传输信息的可靠性；最优信噪比合并信号处理方式进一步利用双通道信道的质量差异，使得接收端的信号信噪比达到最优。

Description

一种适用于电力物联网的双通道异构传输方法和系统
技术领域
本发明涉及数据通信技术领域，具体涉及一种适用于电力物联网的双通道异构传输方法和系统。
背景技术
电力物联网的业务种类繁多(如配电自动化、用电信息采集、分布式电源、无人机巡检、电动汽车充电站(桩)、精准负荷控制等)，数据传输量、时延、节点接入量等通信需求不尽相同。就目前的电力物联网业务终端通信的现状，电力接入网的通信技术的选用方案较为随意，这就使得同一个区域内可能有多种通信技术同时覆盖。现有可用于电力业务终端的通信技术有：EPON技术，无线公网技术，电力线载波技术，无线公网技术，微功率无线技术等。目前，电力业务端和主站端之间使用的通信结构大多为单一通信方式。
随着用电场景增加，用户数量爆炸式增长，现用的电力终端通信接入网难以承载如此巨大的数据量，这就导致了通信质量降低，部分信息无法有效、快速地传达到指定节点，通信过程可靠性和成功率降低等问题；电力物联网中仅依靠单一有线或无线技术来保证通信高可靠性要求难度日益增大。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种适用于电力物联网的双通道异构传输方法和系统，业务端采用多址接入技术实现多业务融合，对融合数据流进行Alamouti编码形成两路并行数据，并通过异构的两路通信传输链路发送到接收端；在接收端采用多路信号最优信噪比合并信号处理手段，实现接收信噪比的最优接收。
本发明通过下述技术方案实现：
本方案提供一种适用于电力物联网的双通道异构传输方法，包括步骤：
S1.将数据率不同的数据包经过速率匹配模块处理后生成速率相同的数据符号流；
S2.发送端采用多业务数据接入方式接收到数据符号流后将数据符号流中相邻两个数据符号分成一个数据符号组；
S3.发送端并对每个组的数据符号进行Alamouti编码后按照双通道时隙规则通过两路不同的通道同时向接收端发射；
S4.接收端收到两路不同通道发来的数据符号后利用最大信噪比合并信号处理方法进行合并；
S5.接收端用最大似然解码方法对合并后的数据符号进行解码后输出数据。
进一步优化方案为，所述速率匹配模块将传输速率需求相近的数据包进行速率匹配，使其能够在同一通道(即同一通信技术)的物理资源上传输。
进一步优化方案为，将传输速率需求相近的数据包进行速率匹配具体为对低速需求的数据包进行压缩打包，使其与高速需求的数据包一致，同时设置缓冲器以避免数据包的丢失。
进一步优化方案为，Alamouti编码方法为：
设相邻两个数据符号组成的数据符号组表示为：[c1,c2]，cl和c2表示数据符号；
编码方案为：
Figure BDA0002823406660000021
上标*表示取复共轭。
进一步优化方案为，双通道时隙规则为：
第1个时隙，通道1发cl，通道2发c2；
第2个时隙，通道1发
Figure BDA0002823406660000022
通道2发
Figure BDA0002823406660000023
通过双通道传输信息的副本，加强了电力通信网络架构信息传输的可靠性，提高了电力通信的抗毁性。
进一步优化方案为，利用最大信噪比合并信号处理方法合并两路不同通道发来的数据符号具体方法为：
S41.对两路不同通道发来的数据符号进行相位调整；
S42.对两路通道进行信道估计，结合相位调整后的数据符号得到每路通道的权值参数；
S43.对基于S41和S42将每路通道的数据符号进行线性叠加得到合并的数据符号。
进一步优化方案为，所述通道的权值参数正比于各通道数据符号的信噪比。
进一步优化方案为，发送端按照双通道时隙规则通过两路不同的通道同时向接收端发射数据符号时要对数据符号进行载波调制。
进一步优化方案为，两路不同通道包括但不限于：光纤专网通道和无线专网混合组网通道、光纤专网通道和无线公网混合组网通道、无线专网通道和无线公网混合组网通道。
本方案还提供一种适用于电力物联网的双通道异构传输系统，包括多个业务终端、速率匹配模块、发送端和接收端；
所述发送端包括：多址接入模块、编码模块和发送模块；
所述接收端包括合并模块和解码模块；
多个业务终端采集数据包并将数据包发送给速率匹配模块；
速率匹配模块将数据包按照传输速率需求进行速率匹配后生成数据符号流，速率匹配模块将数据符号流发送给发送端；
发送端通过多址接入模块接收到速率匹配模块发来的数据符号流，并对这些数据流进行数据融合复用；
编码模块将数据符号流中相邻两个数据符号分成一个数据符号组并对每个组的数据符号进行Alamouti编码；
发送模块按照双通道时隙规则将Alamouti编码后的数据符号组通过两路不同的通道同时向接收端发送；
接收端的合并模块利用最大信噪比合并信号处理方法将两路不同通道发来的数据符号进行合并；
解码模块用最大似然解码方法对合并后的数据符号进行解码后输出数据。
本发明原理：
本发明利用已有的重复覆盖的电力通信接入网，设计了一种适用于电力物联网的双通道异构传输方法和系统，业务侧主要包括多个业务终端(感知设备)、速率匹配模块、发送端；主站侧主要包括通信接收端。
首先在业务端，因为电力业务类型不同，多种电力业务终端感知模块产生信息的数据率不同(数据包1，数据包2，…,数据包K)，这些数据通过速率匹配模块生成相同速率的数据包。通过速率匹配后，不同业务数据可以融合在同一通信链路和同一通信系统中进行传输。
然后，不同业务的数据包通过多址接入模块(时分多址接入、频分多址接入或码分多址等)进行多业务复用。这里采用哪种多址接入方式与业务需求、信道环境有关。例如，数据实时性要求高，不能采用时分多址技术；如果频谱资源紧缺，不能采用频分多址技术。这需视情况而定。
发送端借鉴Alamouti的多天线空时编码方法对数据进行信道编码，将编码后的数据分别通过两条并行的通道传输。这里的双通道可以是:光纤专网+无线专网混合组网,光纤专网+无线公网混合组网，无线专网+无线公网混合组网等。不同传输通道的信道特性一般相互独立，具有不同的传输性能。采用了Alamouti编码方案充分利用独立多通道的信息冗余，可有效提高传输性能。
在主站接收端，接收端将两路信号进行适当的分集合并信号处理，再通过发送端所采用的多址方式分离出对应电力业务终端数据，最后解调出相应的物理层比特数据信息流。采用分集合并信号处理手段，并利用双通道相互独立的信道特性，通过分集合并信号处理实现合并信号的信噪比最大化，从而进一步提高接收端信号检测的可靠性。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1.本发明提出的适用于电力物联网的双通道异构传输方法和系统，充分利用现有业务多种通信体制覆盖的特点，通过双通道传输信息的副本，加强了电力通信网络架构信息传输的可靠性，提高了电力通信的抗毁性。
2.本发明提出的适用于电力物联网的双通道异构传输方法和系统，发送端采用了速率匹配模块和多址接入模块实现多种业务数据在同一通信网络架构下传输，避免电力物联网的通信网络的重复建设。
3.本发明提出的适用于电力物联网的双通道异构传输方法和系统，发送端采用Alamouti编码方案，对应在接收端设计了最优信噪比合并信号处理方式；Alamouti编码方案使得双通道的数据具有一定编码冗余，提高双通道传输信息的可靠性；最优信噪比合并信号处理方式进一步利用双通道信道的质量差异，使得接收端的信号信噪比达到最优。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。
图1是本发明系统结构示意图；
图2是发送端信号处理示意图；
图3是接收端信号处理示意图；
图4为光纤通道和无线公网混合组网通道的系统传输性能图；
图5为光纤通道和无线专网混合组网通道的系统传输性能图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1所示，适用于电力物联网的双通道异构传输方法，包括步骤：
S1.将数据率不同的数据包经过速率匹配模块处理后生成速率相同的数据符号流；
S2.发送端采用多业务数据接入方式接收到数据符号流后将数据符号流中相邻两个数据符号分成一个数据符号组；
S3.发送端并对每个组的数据符号进行Alamouti编码后按照双通道时隙规则通过两路不同的通道同时向接收端发射；
S4.接收端收到两路不同通道发来的数据符号后利用最大信噪比合并信号处理方法进行合并；
S5.接收端用最大似然解码方法对合并后的数据符号进行解码后输出数据。
电力物联网的通信业务多种多样，不同的业务对通信的需求也不尽相同。例如：
配电自动化业务上下行峰值速率要求：单个配电终端接入速率要求为光纤专网≥19.2kbps，其它方式≥2.4kbps。该业务最大时延要求：1)遥测(模拟量由终端传递到配电子站/主站单方向)：<30s；2)遥信(状态量由终端传递到配电子站/主站单方向)：<60s；3)遥控(命令由配电子站/主站传递到终端单方向)：<2s。
用电信息采集业务上下行峰值速率要求：用电数据采集业务约1.05kbps，负荷控制业务约2.5kbps。该业务最大时延要求：主站巡检终端重要信息(重要状态信息及总加功率和电能量)时间＜15min；系统控制操作响应时间(遥控命令下达至终端响应的时间)≤5s；常规数据召测和设置响应时间(指主站发送召测命令到主站显示数据的时间)＜15s；历史数据召测响应时间(指主站发送召测命令到主站显示数据的时间)＜30s；系统对客户侧事件的响应时间≤30分钟。
电动汽车充电站业务上下行峰值速率要求：单个充电桩带宽要求为4kbps；业务容忍最大时延要求：业务系统端到端时延要求＜5秒。
将上述多种业务进行融合，便于在同一通信物理资源上传输，需要进行两个基本的信号处理：信息速率匹配和多业务数据接入。
速率匹配模块：多种业务融合传输时，由于数据包的长度和传输速率的不同,引起了信元(数据包)周期的不同变化。为使不同信元周期的信元在同一物理传输链路和同一通信网络中进行交换，需设立周期变换装置。一般将传输速率需求相近的业务进行融合，对低速数据包进行压缩打包，与高速数据包一致；这时可通过设置适当的缓冲器(Buffer)以避免信元的丢失。
多址接入模块：在数据符号的物理层，多业务数据融合接入一般采用FDMA/TDMA/CDMA即频分多路复用/时分多路复用/码分多路复用；这是三种最常用的多业务节点融合的物理层信号处理技术，通过这些技术可使得不同业务接入到同一通信物理资源上。
FDMA含义：多个业务节点分别在不同的频段接入通信网络；TDMA含义：多个业务节点分别在不同的时隙接入通信网络；CDMA含义：不同的业务节点分配不同的码字，可同时工作在同一频点，以不同的码字区分不同的业务流。采用哪种多址接入方式与业务需求、信道环境有关。例如，数据实时性要求高，不能采用TDMA技术；如果频谱资源紧缺，不能采用FDMA技术。CDMA技术虽不用考虑时域和频域资源限制，但CDMA技术的码字设计却会增加系统复杂度；这需视情况而定。
在无线多天线通信研究领域，著名学者Alamouti提出一种利用两根发射天线的编码方法。这种编码方法在发送端未知信道信息(CSI)时，仍可以使得接收端获得较优的接收信噪比。考虑到多天线的形成多通道无线链路，与电力物联网异构多通道系统有一定相似处。不同点在于，传统多天线信道为独立的无线衰落信道，而电力物联网异构多通道情况与采用的通信方式相关。例如，如果电力物联网异构多通道为：电力光纤专网+无线公网(3G/4G)，则一个通道为有线光纤通道(以AWGN信道为主)，另外一条通道为无线通道(以Rayleigh/Ricean/AWGN信道为主)。从信号处理层面来说，同样可以将Alamouti编码方案应用于电力物联网异构多通道中。
如图2所示，发送端经过速率匹配和多址接入后生成多业务融合的数据符号流。假设该数据符号流中，相邻两个符号形成一组：[c1,c2]。对这组数据进行Alamouti编码，编码方案为：
Figure BDA0002823406660000061
通过上述编码后按照双通道时隙规则通过两路不同的通道同时向接收端发送，双通道的发送规则如下：第1个时隙，通道1发cl，通道2发c2；第2个时隙，通道1发
Figure BDA0002823406660000062
通道2发
Figure BDA0002823406660000063
(上标*表示取复共轭)。这里通道1和通道2可以灵活采用已有的多种通信技术。
在接收端，一般利用前导序列等信道估计算法来得到信道状态信息(CSI)。因此，信道状态信息是已知的。并且由于电力物联网业务侧和主站侧相对运动速度小，可合理假设信道在连续两个码元符号内是不变的。令h1和h2表示通道1和通道2的信道衰减，衰减值与采用的通信技术密切相关，一般情况，这两个通道的衰减是相互独立的；n1和n2表示接收端两个接收通道的噪声，C1(t),C2(t)表示双通道调制载波信号，则两个相邻符号时隙上接收信号为：
r1(t)＝h1(t)c1C1(t)+h2(t)c2C2(t)+n1(t)
Figure BDA0002823406660000064
定义接收信号矢量为
Figure BDA0002823406660000065
码元矢量c＝[c1,c2,]T，双通道调制载波矢量C(t)＝[C1(t),C2(t)]T，噪声矢量
Figure BDA0002823406660000066
信道矩阵
Figure BDA0002823406660000067
则接收端的两个相邻时隙接收信号又可以表示为：
r(t)＝H(t)×c.*C(t)+n(t), (3)
其中，运算符号‘.*’表示矩阵点乘运算。上式是传统的Alamouti编码信号处理流程，其中每个时隙的接收信号ri(t),i＝1,2是两个通道信号的线性组合，但并没有考虑最优的双通道信号合并方案。本实施例在这个基础上，利用最优分集合并信号处理理论，对Alamouti编码双通道信号合并算法进行改进。
如图3所示，在接收端接收到两路通道的信号以后，利用最大信噪比合并(MRC)信号处理算法，使最终合并后的信号信噪比尽可能地大，这样使得该双通道通信系统的误码率尽可能的低。最大信噪比合并信号处理算法描述为：首先对多个支路信号进行相位调整，在对每路信号进行同相加权合并，最后得到合并的数据信号流在双通道接收端，每个通道经过信道估计，得到每个信道的权值参数wl(t),l＝1,2。该值由各个支路信号所对应的信噪比决定的，它正比于各个支路信号的信噪比，即
Figure BDA0002823406660000071
其中，Nl为第l条支路的噪声功率，μl(t)表示第l条支路上第t个符号块的信号功率，θl(t)表示该支路信道的相位。且归一化的加权因子应满足：
Figure BDA0002823406660000072
通过上述过程产生权值wl(t),l＝1,2，则多通道最优分集合并的信号为每个通道信号的线性叠加：
Figure BDA0002823406660000073
其中rl(t)为第l个通道的信号，如公式(3)所示。由此，可知通过MRC信号处理后，输出SNR等于各支路的SNR之和，最大输出信噪比为：
Figure BDA0002823406660000074
γi为第i条分支经过相位调整后的信噪比。
可以看出，MRC合并的技术思想是，让信道质量越好的支路为最终的合并结果作出越大的贡献。不过，相应的代价是需要对所有支路进行估计。
通过分集合并后，解码采用最大似然解码算法，得
Figure BDA0002823406660000075
其中Ccl表示码元
Figure BDA0002823406660000076
可能取的码元集合。
实施例2
应用实施例1中基于Alamouti编码方案和最优合并信号处理的多业务电力物联网双通道通信架构，性能优势比较仿真图如图4和图5所示。其中考察的双通道通信技术为：光线专网+无线公网(4G)，光纤专网+无线专网LTE 230MHz。通过仿真看出，在低信噪比下，本发明提出的电力物联网双通道通信架构甚至优于光纤通信技术，绝对优于单一无线通信技术，因此可有效提高系统传输性能。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于电力物联网的双通道异构传输方法，其特征在于，包括步骤：
S1.将数据率不同的数据包经过速率匹配模块处理后生成速率相同的数据符号流；
S2.发送端采用多业务数据接入方式接收到数据符号流后将数据符号流中相邻两个数据符号分成一个数据符号组；
S3.发送端并对每个组的数据符号进行Alamouti编码后按照双通道时隙规则通过两路不同的通道同时向接收端发射；
S4.接收端收到两路不同通道发来的数据符号后利用最大信噪比合并信号处理方法进行合并；
S5.接收端用最大似然解码方法对合并后的数据符号进行解码后输出数据。
2.根据权利要求1所述的一种适用于电力物联网的双通道异构传输方法，其特征在于，所述速率匹配模块将传输速率需求相近的数据包进行速率匹配，使其能够在同一通道的物理资源上传输。
3.根据权利要求2所述的一种适用于电力物联网的双通道异构传输方法，其特征在于，将传输速率需求相近的数据包进行速率融合具体为对低速需求的数据包进行压缩打包，使其与高速需求的数据包一致，同时设置缓冲器以避免数据包的丢失。
4.根据权利要求1所述的一种适用于电力物联网的双通道异构传输方法，其特征在于，Alamouti编码方法为：
设相邻两个数据符号组成的数据符号组表示为：[c1,c2]，cl和c2表示数据符号；
编码方案为：
Figure FDA0002823406650000011
上标*表示取复共轭。
5.根据权利要求4所述的一种适用于电力物联网的双通道异构传输方法，其特征在于，双通道时隙规则为：
第1个时隙，通道1发cl，通道2发c2；
第2个时隙，通道1发
Figure FDA0002823406650000012
通道2发
Figure FDA0002823406650000013
6.根据权利要求1所述的一种适用于电力物联网的双通道异构传输方法，其特征在于，利用最大信噪比合并信号处理方法合并两路不同通道发来的数据符号具体方法为：
S41.对两路不同通道发来的数据符号进行相位调整；
S42.对两路通道进行信道估计，结合相位调整后的数据符号得到每路通道的权值参数；
S43.对基于S41和S42将每路通道的数据符号进行线性叠加得到合并的数据符号。
7.根据权利要求6所述的一种适用于电力物联网的双通道异构传输方法，其特征在于，所述通道的权值参数正比于各通道数据符号的信噪比。
8.根据权利要求1所述的一种适用于电力物联网的双通道异构传输方法，其特征在于，发送端按照双通道时隙规则通过两路不同的通道同时向接收端发射数据符号时要对数据符号进行载波调制。
9.根据权利要求1所述的一种适用于电力物联网的双通道异构传输方法，其特征在于，两路不同通道包括但不限于：光纤专网通道和无线专网混合组网通道、光纤专网通道和无线公网混合组网通道、无线专网通道和无线公网混合组网通道。
10.一种适用于电力物联网的双通道异构传输系统，其特征在于，包括多个业务终端、速率匹配模块、发送端和接收端；
所述发送端包括：多址接入模块、编码模块和发送模块；
所述接收端包括合并模块和解码模块；
多个业务终端采集数据包并将数据包发送给速率匹配模块；
速率匹配模块将数据包按照传输速率需求进行速率融合后生成数据符号流，速率匹配模块将数据符号流发送给发送端；
发送端通过多址接入模块接收到速率匹配模块发来的数据符号流；
编码模块将数据符号流中相邻两个数据符号分成一个数据符号组并对每个组的数据符号进行Alamouti编码；
发送模块按照双通道时隙规则将Alamouti编码后的数据符号组通过两路不同的通道同时向接收端发送；
接收端的合并模块利用最大信噪比合并信号处理方法将两路不同通道发来的数据符号进行合并；
解码模块用最大似然解码方法对合并后的数据符号进行解码后输出数据。
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