CN112994744A - 一种增强通信能力的双模通信方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种增强通信能力的双模通信方法及装置，在不对现有数据链路层协议进行扩展的条件下，适当修改芯片设计，通过无线和电力线两种物理通路对数据进行传输，可以有效地解决电力线载波通信面临的绝大多数问题。并且本发明所设计的双模方案可以自动兼容现有的电力线载波单模通信方案，实现在现有电力线载波网络中的单点替换，避免大范围全网替换，节省更新升级成本。

Description

一种增强通信能力的双模通信方法及装置

技术领域

本发明涉及无线通信和电力线载波通信技术领域，尤其涉及同时使用无线通信和电力线载波通信的双模通信技术领域。

背景技术

随着高速电力线载波通信(HPLC)芯片在国家电网公司的规模化推广，其全寿命周期内的技术支撑和维护越来越迫切。但是随着电力线载波通信的深化应用，越来越多的问题也逐渐暴露出来，特别是在国内的通电线路中，通信环境恶劣导致电线的连接质量问题、接入电器的质量问题、大功率电器本身产生的噪声等问题，使得通电线路中存在大量不可预测的噪声干扰，大幅降低了电力线载波通信网络的可靠性。

为了解决这个问题，各厂商也在积极寻求解决方案。目前得到充分支持的一种解决方案就是在电力线载波通信的基础上，增加无线通信方式，对于电力线载波通信不能满足的场景下，切换到无线通信方式进行通信。从而通过无线通信方式对电力线载波通信方式进行补充，达到通信网络的可靠覆盖。这种解决方案的实现，依赖于在现有电力线载波通信的物理层和链路层标准上进行增补，甚至是引入一套新的无线物理层和链路层标准，在解决问题的同时也大幅增加了芯片设计和通信协议的复杂度。

同时，有专业调研报告显示，随着能源智能化应用的深化推广，仅国家电网的未来智能用电的应用对高速电力线载波通信的业务通信需求就超过了128kbps。而在大多数应用场景下，因为受到各方面因素的制约，大幅限制了电力线载波通信的通信速率，平均网络通信速率在100kbps左右，明显满足不了应用需求。而在目前的解决方案中，因为无线通信也只能作为电力线载波通信的补充，所设计的通信性能总体弱于电力线载波通信，所构成的双模网络的通信能力受到了电力线载波通信或无线通信中单一通信方式的通信速率的限制，因此理论上也无法超过平均网络性能约束的瓶颈。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明基于现有的电力线载波通信系统和无线通信方案，提出一种能够提升整体网络通信能力以及通信速率的双模通信方案。本方案不需要扩展现有数据链路层协议，也不需要过多的芯片设计的修改，可以有效地解决电力线载波通信面临地绝大多数问题。

本发明具体采用如下技术方案：

一种增强通信能力的双模通信方法，其特征在于：节点间采用电力线载波和无线两种传输通道进行连通，数字基带的调制信号同时从所述两种传输通道上发出，也同时从所述两种传输通道上进行数据接收解调；

发送节点将数字基带的发送数据的实部和虚部分别进行数模转换，其中一路进行滤波处理后分成两支路，其中一支路进行混频调制到载波频率，另一支路进行功率放大后发送至电力线；另一路经滤波、混频调制到载波频率后与已经调制到载波频率的所述其中一支路进行混合，然后送至射频天线；

接收节点将来自射频天线的无线信号进行功率放大、滤波处理后分成两路，两路信号分别经混频、电压放大、滤波、模数转换处理，转换成两路数字信号进行数字基带处理；接收节点将来自电力线的基带信号进行滤波、电压放大、模数转换处理，转换成单路数字信号进行数字基带处理。一种增强通信能力的双模通信装置，其特征在于包括模拟前端发送侧和接收侧；

所述发送侧包括数模转换器DAC，滤波器FilterI1、FilterQ1，混频器MixerI1、MixerQ1，信号混合模块，功率放大器PA0、PA1；所述DAC将数字基带的发送数据的实部和虚部分别转换成模拟基带信号的I路和Q路，Q路信号经滤波器FilterQ1滤波后输入混频器MixerQ1进行载波调制，然后输入信号混合模块；I路信号经滤波器FilterI1滤波后分为两个分支，一个分支经混频器MixerI1输入信号混合模块，与载波调制后的Q路信号混合后，经功率放大器PA1送至射频天线发送，另一个分支经功率放大器PA0发送至电力线；

所述接收侧包括功率放大器LNA，滤波器FilterI2、FilterQ2、FilterO、Filter1，混频器MixerI2、MixerQ2，电压放大器VGAI2、VGAQ2、VGAO，滤波器I2、Q2和模数转换器ADC0、ADC1，来自射频天线的无线信号经功率放大器LNA和滤波器Filter1后分成I、Q两路，分别经各自通路上的混频器MixerI2、MixerQ2，各自通路上的电压放大器VGAI2、VGAQ2，各自通路上的模拟滤波器FilterI2、FilterQ2后进入模数转换器ADC1，转换成I路和Q路的数字信号进入无线接收机进行数字基带处理；来自电力线的基带信号，依次经过模拟滤波器Filter0、电压放大器VGA0后进入模数转换器ADC0，转换成单路数字信号进入电力线载波接收机进行数字基带处理。本发明有益效果：

本发明在不对数据链路层现有协议进行扩展的条件下，适当修改芯片设计，通过无线和电力线两种物理通路对数据进行传输，可以有效地解决电力线载波通信面临的绝大多数问题。并且本发明所设计的双模方案可以自动兼容现有的电力线载波单模通信方案，实现在现有电力线载波网络中的单点替换，避免大范围全网替换，节省更新升级成本。

附图说明

图1本发明的组网链路连接示意图；

图2本发明的无线接收侧模拟设计方案的频谱示意图；

其中(a)为无线发送侧频谱；(b)为无线接收侧模拟部分的频谱响应；

图3本发明的模拟前端发送侧架构示意图；

图4本发明的模拟前端接收侧架构示意图；

图5本发明的数字基带接收侧的架构示意图；

图6双模芯片与双模芯片通信实施示意图；

图7双模芯片与单模芯片通信实施示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。

本发明提出的双模通信解决方案依赖于实现一种双模通信单芯片设计，该设计主要内容是将数字基带的调制信号同时从电力线载波和无线两种传输通道上发出，对端接收机也同时工作在这两个传输通道上进行数据接收解调。因为基带数字信号是同时发送和同时接收的(无线电传输与电流在电线中传输的百米端到端传输时间差在微秒量级，远小于OFDM符号时间长度，所以可以忽略不计)，因此数据通路上，电力线载波通信与无线通信可以说是互为备份的通信方式。收发两端的数据通路上，只要有电力线载波通路或者无线通路是相通的，就可以实现两点间的互联互通。并且因为它们之间传输通道是相互独立的，因此可以充分利用空间分集特性，在不增加传输时间的前提下，提升端到端的通信性能。

在数据链路层设计方面，现行的电力线载波通信标准的采用的组网方式是树形组网方式，树形网络中的每个节点都有一颗电力线载波通信芯片，其物理层通路采用电力线载波通信方式与其它树节点进行互联互通。本发明提出的双模通信解决方案沿用这种树形组网方式，链路层协议也与电力线载波通信方式保持一致，如图1所示。双模通信在物理连接上与单一的电力线载波通信的区别是，每个网络节点都有一颗双模通信芯片，其物理层通路采用电力线载波通信和无线通信两种方式与其它节点进行联通。图中双模节点1与双模节点2的电力线载波通路和无线通路都能够正常通信，因此它们之间建立的是双模通信连接；节点2与节点4之间的电力线载波通道连接不通，因此它们之间建立的是纯无线通信连接；节点2与节点5之间的无线通道连接不通，因此它们之间建立的是纯电力线载波通信连接。本方案在组网方面，因为电力线载波的通信带宽与无线通信带宽相同，使用相同的调制方式，因此它们的数据速率上没有差异，无线连接的节点与电力线载波连接的节点可以互为代理节点(即无线连接的节点可以作为电力线载波连接的节点的上级父节点，反之亦可，图1中节点3是一个以无线连接的节点，节点6是一个电力线载波连接的节点，节点3是节点6的父节点或称代理节点)。

在物理层设计方面，现行的电力线载波通信标准物理层设计是以OFDM调制为基础，并且为了提升系统的鲁棒性增加了分集拷贝和信道内交织等操作。从通信系统角度，电力线载波通信的物理层设计同样能够适用于无线通信。唯一的差异是，电力线载波通信没有使用载波通信，而是直接使用了基带传输方式，使用的是单边带频谱发送。在不改变任何基带设计，直接将电力线载波通信的数据上变频到载波频率ω_tx进行发送时，其单边带频谱示意图如图2所示，有效频谱处于ω_tx+ωL与ω_tx+ωH之间。相应的接收机设计，可以保持接收载波频率与发送载波频率保持一致ω_tx＝ω_rx，但是通路上的滤波器设计需要做滤波偏移，滤波器的中心频点偏移到有效频谱的中心点，(ωL+ωH)/2的位置，这样就可以避免无线频谱浪费，减少无线邻道干扰等问题。

基于上述的设计需求约束，相应的模拟前端设计如图3和图4所示。

图3给出了本发明的模拟前端发送侧部分的设计。数字基带的发送数据的实部和虚部经过数模转换器DAC，转换成模拟基带信号的I路和Q路；I路基带信号经过模拟滤波器FilterI1后，一个分支直接经过功率放大器PA0发送到电力线上，另一分支经过混频器MixerI1调制到载波频率，与已经调制到载波的Q路信号混合后，再经过PA1，通过射频天线发送出去。在这个设计中，FilterI1和FilterQ1是模拟低通滤波器；混频器MixerI1和MixerQ1能够产生相位差π/2的正交载波信号，对基带信号进行载波调制，载波工作频率可以满足230MHz、433MHz、470～510MHz等频段；PA0和PA1分别对基带信号(12MHz以下)和射频信号(230MHz、433MHz、470～510MHz等)进行功率放大，一般增益要求支持0dB～20dB的增益范围。

图4给出了本发明的模拟前端接收侧部分的设计。对于接收侧的射频部分来说，需要一个独立的射频通路将无线通信的数据进行接收，因此图4中给出了一个独立的无线模拟前端接收机框架和一个独立的电力线载波模拟前端接收机框架。来自天线的无线信号，经过低噪声功率放大器LNA和模拟滤波器Filter1以后，分成I路和Q路两路，分别经过各自的混频器MixerI2、MixerQ2以后，再经过各自通路上的电压放大器VGAI2、VGAQ2和模拟滤波器FilterI2、FilterQ2，进入模数转换器ADC1，转换成I路和Q路的数字信号进入无线接收机数字基带处理部分。来自电力线的信号是基带信号，经过模拟滤波器Filter0以后，经过电压放大器VGA0进入模数转换器ADC0，转换成单路数字信号(电力线载波通信是单边带通信，I路和Q路中只需要取一路数据进行解调即可)进入电力线载波接收机数字基带处理部分。需要指出的是，虽然从框架上，这两路接收通路是相互独立的，但是两路的ADC0和ADC1的时钟是同源的，以保证接收机在频率同步上的设计更加简单。

图5给出了本发明的双模接收机数字基带设计的架构示意图。

无线接收部分的数字基带部分设计如下：

1.增益控制模块通过对ADC1输出数据的能量检测，控制模拟前端的LNA和VGAI2、VGAQ2的增益，使得进入到数字基带的数据处于合适的能量范围；

2.帧同步模块对接收信号进行帧检测和帧同步。当检测到信号的前导符以后，对数据帧进行帧同步，按照电力线载波定义的帧格式，向后级输出相应的OFDM符号。

3.信道估计模块根据前导的已知训练信息，对无线信道进行信道估计，得到信道估计结果送给信道补偿模块，用于每个OFDM符号的信道补偿。

4.电力线载波数据帧中的帧控制(Frame Control)和帧载荷(Payload)的OFDM符号依次进入FFT1模块进行时域到频域的转换，得到的每个OFDM符号的频域数据进入信道补偿模块进行信道补偿。

5.信道补偿得到的数据进入共用的解分集拷贝模块。

电力线载波接收部分的数字基带部分设计与无线接收部分的框架完全相同，不再赘述。其中的差别在于，电力线载波的增益控制模块控制的是电力线载波通路的VGA，处理的数字信号仅有单路，信道估计的电力线载波信道响应。

因为无线部分和电力线载波部分的数字信号在帧格式上完全相同，在接收时间上相差在微秒量级，因此在解分集拷贝模块中，可以同时对两路接收数据进行解分集处理。因为无线通道和电力线通道是相互独立的两路通道，因此它们各自的接收数据可以进行线性叠加,如下式表示。

Y(n)＝p*Y_plc(n)+(1-p)*Y_wl(n)，0≤p≤1；

其中，Y(n)是加权处理后的数据，Y_plc是电力线载波通路的频域接收数据，Y_wl是无线通路的频域接收数据，p是两数据通路的数据权重。根据无线部分的接收信噪比和电力线载波部分的接收信噪比，对两路接收数据进行加权求和处理，信噪比大的通路权重高，信噪比低的通路权重低。按照如下原则对权重进行配置：

1)如果电力线载波通道和无线通道都完成了同步，则根据信噪比的差异进行配置；

其中，SNR_plc是电力线载波的接收信噪比，SNR_wl是无线通信的接收信噪比；

2)如果电力线载波通道完成同步，但是无线通道没有完成同步(无线通道不通)，则p＝1；

3)如果无线通道完成同步，但是电力线载波通道没有完成同步(电力线载波通道不通)，则p＝0；

同时，解分集拷贝模块还根据各数据帧的分集拷贝模式对帧内部的分集拷贝进行解分集处理。

经过解分集以后的数据块经过解映射和解信道交织以后，进入译码器进行译码，最终完成接收数据的数字处理。

以下以应用报文传输的整体流程为实施例对双模通信方法进行进一步描述。

如图6所示当双模节点1有业务报文需要向双模节点2发送时，包括如下步骤：

首先在双模节点1的应用层组成业务报文下发到数据链路层。

其次，数据链路层对业务报文进行报文重组，根据报文类型、业务类型、目的站点等信息，将业务报文按照电力线载波通信标准要求重组成物理帧(包括帧控制FrameControl和载荷Payload)。

物理层接收到物理帧以后，按照电力线载波通信标准的物理层要求，依次进行Turbo编码、信道交织、分集拷贝、映射、频域时域变换(IFFT)、加循环前缀、加窗、加前导等操作，将比特数据转换成电力线载波的OFDM符号时域数据，按照本发明设计的模拟前端发送侧架构，将电力线载波信号发送到电力线上，将无线信号通过天线进行发送。

双模节点2作为接受节点工作在接收模式下，物理层的无线接收机和电力线载波接收机同时处于接收状态。

当电力线载波接收机检测到电力线上传来的前导时，通过对接收数据能量检测，控制模拟前端的VGA增益，使得进入到数字基带的数据处于合适的能量范围。

接着，物理层的电力线载波帧同步模块对前导符进行帧同步，找到同步点。

接下来，按照电力线载波定义的帧格式，向后级输出相应的OFDM符号。按照帧格式，首先输出用于信道估计的前导OFDM符号，接着是帧控制的OFDM符号，再后面是载荷的OFDM符号。这些OFDM符号经过信道补偿以后，得到电力线载波通道的频域数据Y_plc。

同时，当无线接收机检测到天线接收到的前导时，通过对接收数据能量检测，控制模拟前端的VGA增益，使得进入到数字基带的数据处于合适的能量范围。接着物理层的无线帧同步模块对前导符进行帧同步，找到同步点。

接下来的数据处理方式与电力线载波通路相同。在经过信道补偿以后，得到无线通道的频域数据Y_wl。

因为Y_plc和Y_wl在非常相近的时间上到达，并且各自信道相互独立，因此可以在解分集拷贝模块对这两路信号进行线性叠加处理，利用公式，Y(n)＝p*Y_plc(n)+(1-p)*Y_wl(n)，可以得到两路信道叠加后的频域数据Y。

再对Y按照电力线载波通信标准的定义，进行解分集拷贝、解映射、解信道交织和Turbo译码，可以得到接收解调后的帧控制数据和载荷数据。

有了这种空间分集，双模芯片可以有效提升接收性能，增强通信能力。

数据链路层根据物理层上报的帧控制数据和载荷数据，进行业务报文的重组，上送到应用层。

应用层根据业务报文的要求，进行相应的动作。如果是需要向双模节点1回复业务报文，那么双模节点2就会进入发送状态，同时双模节点1也会在发送完成时进入到接收状态。双模节点2发送报文的流程与上述双模节点1发送报文的流程完全相同，双模节点1接收报文的流程也与双模节点2接收报文的流程相同。

当双模节点1有业务报文需要向单模节点发送时，如图7所示。

在双模节点1上的数据处理流程与之前的描述相同，这里不再赘述。

单模节点在电力线载波通路接收报文时的流程与上述描述的双模节点接收流程类似，区别只在于单模节点只会从电力线载波通路接收报文，在解分集拷贝时，也只有电力线载波通路的报文需要处理。

当单模节点回复业务报文给双模节点1时，双模节点1只能从电力线载波通路接收到物理帧，在它的无线接收通路上始终是处于“未同步状态”，即未检测到无线数据帧。因此在双模节点1物理层进行解分集拷贝时，p＝1；那么双模节点1接收报文的流程就和单模节点接收报文的流程完全一样。

从上述流程描述可以看出，本发明设计的双模通路是仅在物理层对报文发送和接收进行了改动，对于现有的电力线载波物理层通路没有改动，对于上层的数据链路层和应用层是不可见的。也就是说，这样的双模通信的设计对于现有的协议完全无影响的，可以完美地与现行的通信标准兼容。

Claims (9)

1.一种增强通信能力的双模通信方法，其特征在于：节点间采用电力线载波和无线两种传输通道进行连通，数字基带的调制信号同时从所述两种传输通道上发出，也同时从所述两种传输通道上进行数据接收解调；

发送节点将数字基带的发送数据的实部和虚部分别进行数模转换，其中一路进行滤波处理后分成两支路，其中一支路进行混频调制到载波频率，另一支路进行功率放大后发送至电力线；另一路经滤波、混频调制到载波频率后与已经调制到载波频率的所述其中一支路进行混合，然后送至射频天线；

接收节点将来自射频天线的无线信号进行功率放大、滤波处理后分成两路，两路信号分别经混频、电压放大、滤波、模数转换处理，转换成两路数字信号进行数字基带处理；接收节点将来自电力线的基带信号进行滤波、电压放大、模数转换处理，转换成单路数字信号进行数字基带处理。

2.如权利要求1所述的一种增强通信能力的双模通信方法，其特征在于：电力线载波通信带宽与无线通信带宽相同，使用相同的调制方式，无线连接的节点与电力线载波连接的节点可以互为代理节点。

3.如权利要求1所述的一种增强通信能力的双模通信方法，其特征在于：电力线载波通信使用基带传输方式，使用单边带频谱发送，在不改变任何基带设计的前提下，直接将电力线载波通信的数据上变频到载波频率进行发送。

4.如权利要求1所述的一种增强通信能力的双模通信方法，其特征在于：无线通信和电力线载波通信采用相同的数字信号帧格式，两种传输通道共用解分集拷贝模块，共用的解分集拷贝模块一方面对每个信道各自的分集拷贝部分进行解分集处理，另一方面是对两个信道的信息进行如下加权处理：

Y(n)＝p*Y_plc(n)+(1-p)*Y_wl(n)，0≤p≤1；

其中，Y(n)是加权处理后的数据，Y_plc是电力线载波通路的频域接收数据，Y_wl是无线通路的频域接收数据，p是两数据通路的数据权重。

5.如权利要求4所述的一种增强通信能力的双模通信方法，其特征在于：按照如下原则对权重p进行配置：

1)如果电力线载波通道和无线通道都完成了同步，则根据信噪比的差异进行配置；

其中，SNR_plc是电力线载波的接收信噪比，SNR_wl是无线通信的接收信噪比；

2)如果电力线载波通道完成同步，但是无线通道没有完成同步，则p＝1；

3)如果无线通道完成同步，但是电力线载波通道没有完成同步，则p＝0。

6.一种增强通信能力的双模通信装置，其特征在于包括模拟前端发送侧和接收侧；

所述发送侧包括数模转换器DAC，滤波器FilterI1、FilterQ1，混频器MixerI1、MixerQ1，信号混合模块，功率放大器PAO、PA1；所述DAC将数字基带的发送数据的实部和虚部分别转换成模拟基带信号的I路和Q路，Q路信号经滤波器FilterQ1滤波后输入混频器MixerQ1进行载波调制，然后输入信号混合模块；I路信号经滤波器FilterI1滤波后分为两个分支，一个分支经混频器MixerI1输入信号混合模块，与载波调制后的Q路信号混合后，经功率放大器PA1送至射频天线发送，另一个分支经功率放大器PAO发送至电力线；

所述接收侧包括功率放大器LNA，滤波器FilterI2、FilterQ2、Filter0、Filter1，混频器MixerI2、MixerQ2，电压放大器VGAI2、VGAQ2、VGAO，滤波器I2、Q2和模数转换器ADCO、ADC1，来自射频天线的无线信号经功率放大器LNA和滤波器Filter1后分成I、Q两路，分别经各自通路上的混频器MixerI2、MixerQ2，各自通路上的电压放大器VGAI2、VGAQ2，各自通路上的模拟滤波器FilterI2、FilterQ2后进入模数转换器ADC1，转换成I路和Q路的数字信号进入无线接收机进行数字基带处理；来自电力线的基带信号，依次经过滤波器FilterO、电压放大器VGAO后进入模数转换器ADCO，转换成单路数字信号进入电力线载波接收机进行数字基带处理。

7.如权利要求6所述的一种增强通信能力的双模通信装置，其特征在于模数转换器ADCO、ADC1采用同源时钟。

8.如权利要求6所述的一种增强通信能力的双模通信装置，其特征在于无线通信和电力线载波通信采用相同的数字信号帧格式，两种传输通道共用解分集拷贝模块，共用的解分集拷贝模块一方面对每个信道各自的分集拷贝部分进行解分集处理，另一方面是对两个信道的信息进行如下加权处理：

Y(n)＝p*Y_plc(n)+(1-p)*Y_wl(n)，0≤p≤1；

其中，Y(n)是加权处理后的数据，Y_plc是电力线载波通路的频域接收数据，Y_wl是无线通路的频域接收数据，p是两数据通路的数据权重。

9.如权利要求6所述的一种增强通信能力的双模通信装置，其特征在于：按照如下原则对权重p进行配置：

1)如果电力线载波通道和无线通道都完成了同步，则根据信噪比的差异进行配置；

其中，SNR_plc是电力线载波的接收信噪比，SNR_wl是无线通信的接收信噪比；

2)如果电力线载波通道完成同步，但是无线通道没有完成同步，则p＝1；

3)如果无线通道完成同步，但是电力线载波通道没有完成同步，则p＝0。

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