CN114025418A - 一种降低电力线载波通信系统功耗的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低电力线载波通信系统功耗的方法，包括，工作频段选择；物理层低功耗设计；MAC层低功耗设计，本发明的有益效果在于：通过选择工作频段，使得电力线通信工作频段避开衰减较快的高频段以及有较大噪声的窄带PLC工作的低频段，提高通信距离，通过降低对模拟前端及线路驱动器的性能要求，从而降低电力线通信的成本和功耗，进一步通过物理层与MAC层低功耗设计，使得电力线载波通信在保持较大传输距离、较低成本的同时，其静态、动态功耗也完全满足国家电网的要求。

Description

一种降低电力线载波通信系统功耗的方法

技术领域

本发明涉及载波通信的技术领域，尤其涉及一种降低电力线载波通信系统功耗的方法。

背景技术

目前，电力线通信是指利用电力线传输数据和媒体信号的一种通信方式，主要应用场景有3种：宽带网络接入、室内设备互联与数据网络、用电信息采集与电气设备监控，前两种基本上都是采用IEEEP1901和ITU-TG.hn国际标准开发，强调大带宽、高性能，对功耗没有很明确的要求；第三种应用中的用电信息采集时目前国内最大的PLC市场，由于国内自研的电力线通信标准，相应的技术有窄带和宽带两种，窄带PLC存在通信速率低、稳定可靠性差等缺陷，无法满足智能电网用电环节信息双向交互业务的需求，宽带PLC在通信速率、抗干扰能力等方面较窄带有明显的优势，但功耗较大，由于安装宽带PLC通信单元的设备供电能力有限以及绿色节能集抄方案对功耗要求较高。

现有的电力线通信降低功耗和功耗控制方法主要存在如下问题：目前，许多的电力线载波通信需要面对的信道条件具有如下特性：时变性强，并且呈现随工频信号变化的循环平稳特性；信道衰减大；干扰信号和噪声信号的强度很大，信干比和信噪比较差，时变的电力线信道特性，使得原始的电力线信号功率控制难以实现降低信道功耗；之前常用的电力线通信降低功耗和功耗控制方法通常是由一电力线通信装置执行，普遍的降低功率控制方法是当被耦合接到一电力通信系统中电力线时，就会产生传输信号，降低该传输信号功耗，以及基于该检测的传输信号调整信号发射器的动态范围，这种方法是一种一级的降低功耗体系，无法精准快速的进行电力线功耗控制。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明一种降低电力线载波通信系统功耗的方法。

因此，本发明解决的技术问题是：原始的电力线信号功率控制难以实现降低信道功耗，电力线通信装置无法精准快速的进行电力线功耗控制。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：根据不同系统所在的工作环境选择不同的工作频段；基于所述工作频段以及预设的低功耗物理层进行数据的发送、载波侦听和接收；利用预设的低功耗MAC层增加所述低功耗物理层数据处理时的休眠模式和定时唤醒机制，实现降低电力线载波通信系统功耗的功能。

作为本发明所述的降低电力线载波通信系统功耗的方法的一种优选方案，其中：所述工作频段的选择包括，将IEEEP1901和ITU-TG.hn的工作速率为1.8～30MHz扩展到50～100MHz，电力线通信选择2～12MHz，向下扩展至500kHz，同时应用小宽带模式或载波屏蔽方式；电力线通信工作频段避开衰减较快的高频段以及有较大噪声的窄带PLC工作的低频段。

作为本发明所述的降低电力线载波通信系统功耗的方法的一种优选方案，其中：所述工作频段的选择还包括，电力线通信芯片采用与IEEEP1901FFT物理层相同的正交频分复用OFDM技术，采用1024点FFT，有效子载波在8～490之间，子载波间隔为24.414kHz，采样率为25MS/s，在小带宽模式下进一步降低到12.5MS/s。

作为本发明所述的降低电力线载波通信系统功耗的方法的一种优选方案，其中：所述PLC通信单元包括宽带PLC芯片、线路驱动器、LC带通滤波器、耦合变压器和Flash存储器；所述宽带PLC芯片及所述线路驱动器是两颗核心芯片，所述线路驱动器用于对发送的模拟信号进行放大，最高输出电压达到12V以上，其带内外功率谱密度分别不大于-45dBm/Hz和-75dBm/Hz。

作为本发明所述的降低电力线载波通信系统功耗的方法的一种优选方案，其中：所述低功耗物理层包括发送通路、接收通路以及电力线通道；当所述发送通路进行发送时，所述接收通路关闭；发送完成后，关闭所述发送通路，所述物理层为载波侦听状态，所述接收通路的时域处理部分处在工作状态，频域及比特级处理部分关闭，在接收信号强度高于阈值且侦听到载波后将转入到正常接收状态；在接收时，所述发送通路关闭，所述接收通路工作，接收完成后将所述接收通路关闭，经过帧间隔调整后将转入发送或载波侦听状态。

作为本发明所述的降低电力线载波通信系统功耗的方法的一种优选方案，其中：所述时域处理、频域处理包括，对采集到的信号逐帧进行快速傅里叶变换得到所述信号频谱；将所述频谱转换为极坐标，得到原始信号的幅度谱和相位谱及所述原始信号的相位信息，根据所述幅度谱估计出噪声的幅度谱；用所述原始信号的幅度谱减去估计的噪声幅度谱得到纯净的信号的幅度谱；利用所述原始信号的相位代替纯净信号的相位，再对所述纯净信号的幅度谱及所述原始信号的相位进行反傅里叶变换，得到增强的信号；利用自适应陷波器对所述增强的信号进行二次滤波，得到降噪后的信号。

作为本发明所述的降低电力线载波通信系统功耗的方法的一种优选方案，其中：所述低功耗MAC层包括TDMA和CSMA/CA相结合的信道访问及冲突避免机制，将每个竞争时隙及非竞争时隙皆分割成3个时隙片，对应A、B、C三相，基于该系统从节点须在其特定的1个时隙片内保持激活状态的原理，在所述时隙片中增加休眠模式和定时唤醒机制，获得固定时间的休眠状态。

作为本发明所述的降低电力线载波通信系统功耗的方法的一种优选方案，其中：所述固定时间为总时长的三分之二时间。

本发明的有益效果：通过选择工作频段，使得电力线通信工作频段避开衰减较快的高频段以及有较大噪声的窄带PLC工作的低频段，提高通信距离，通过降低对模拟前端及线路驱动器的性能要求，从而降低电力线通信的成本和功耗，进一步通过物理层与MAC层低功耗设计，使得电力线载波通信在保持较大传输距离、较低成本的同时，其静态、动态功耗也完全满足国家电网的要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明一种降低电力线载波通信系统功耗的方法的步骤示意图；

图2为本发明一种降低电力线载波通信系统功耗的方法的PLC通信单元示意图；

图3为本发明一种降低电力线载波通信系统功耗的方法的物理层整体结构示意图；

图4为本发明一种降低电力线载波通信系统功耗的方法的时隙分配示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

参照图1～图4，本实施例提供了一种降低电力线载波通信系统功耗的方法，包括：

S1：根据不同系统所在的工作环境选择不同的工作频段。

需要说明的是，工作频段的选择包括：

一般IEEEP1901和ITU-TG.hn的工作速率为

可扩展到

其目的是在短距离传输中以带宽换取每秒几百兆位甚至上上千兆位的通信速度率。信息采集系统统中宽带PLC工作在室内外环境，面临的主要问题是覆盖范围，可靠性，成本和功耗，通信速率相对要求不高，典型的10Mb/s物理层速率已能满足所用应用需要，因此工作频段可大幅降低。

进一步的，电力线通信选择

作为基本工作频段，向下可扩展至500kHz，同时应用小带宽模式或载波屏蔽方方式，电力线通信工作频段避开衰减较快的高频段以及有较大噪声的窄带PLC工作的低频段，提高了通信距离。电力线通信芯片采用与IEEEP1901FFT物理层相同的正交频分复用OFDM技术，由于带宽较窄，采用1024点FFT，有效子载波在

之间，子载波间隔为24.414kHz，采样率(Fs)为25MS/s，在小带宽模式下可进一步降低到12.5MS/s，以前的IEEEP1901FFT物理层采样率(75MS/s或更高)数倍降低。速率结合合较低阶的调制技术，可使SoC及PLC物理层收发通路工作在较低时钟频率(≤4倍Fs时钟)下，同时大大降低对模拟前端及线路驱动器的性能要求，从而降低电力线通信的成本和功耗。

S2：基于工作频段以及预设的低功耗物理层进行数据的发送、载波侦听和接收。

需要说明的是，PLC通信单元如图2所示，主要由宽带PLC芯片、线路驱动器(LineDriver，LD)、LC带通滤波器、耦合变压器及Flash存储器等组成。其中宽带PLC芯片及LD是两颗核心芯片，LD用于对发送的模拟信号进行放大，最高输出电压达到12V以上，通常采用双极型工艺，无法和CMOS工艺的宽带PLC芯片集成。LD是板级中功耗较大的器件，其功耗与信号功率谱密度有直接的联系，国家电网对宽带PLC功率谱密度有严格规定，带内外分别不大于-45dBm/Hz和-75dBm/Hz，要降低LD功耗可减少工作带宽和降低发射功率，但会带来通信速率的下降和通信距离的缩短，故在标准制定与系统实现时需综合权衡。

进一步的，物理层低功耗设计：

物理层整体结构如图3所示，包括发送和接收两条通路，每条通路皆由数字链路及模拟前端组成。由于电力线信道是一种共享介质，物理层只能分时进行收发，且收发是突发性的，这对功耗控制十分有利。物理层工作状态主要有发送、载波侦听和接收3种。发送是在信道空闲时由处理器主动发起的，发送时接收通路关闭，打开发送通路进行发送，发送完成后发送通路也随之关闭。在不发送时，物理层通常处在载波侦听状态，此时接收通路的时域处理部分处在工作状态，频域及比特级处理部分关闭，在接收信号强度(能量检测)高于阈值且侦听到载波(前导检测)后将转入到正常接收状态，在接收时，发送通路关闭，接收通路工作，接收完成后将接收通路关闭，经过帧间间隔调整后将转入发送或载波侦听状态。

其中，时域处理、频域处理包括：

对采集到的信号逐帧进行快速傅里叶变换得到信号频谱；

将频谱转换为极坐标，得到原始信号的幅度谱和相位谱及原始信号的相位信息，根据幅度谱估计出噪声的幅度谱；

用原始信号的幅度谱减去估计的噪声幅度谱得到纯净的信号的幅度谱；

利用原始信号的相位代替纯净信号的相位，再对纯净信号的幅度谱及原始信号的相位进行反傅里叶变换，得到增强的信号；

利用自适应陷波器对增强的信号进行二次滤波，得到降噪后的信号。

更进一步的，物理层收发数字链路都采用流水线的结构，前一级的输出作为下一级的输入，推动下一级进行处理，故在实现时可采用数据流驱动的时钟门控技术，动态地开关收发数据链路的时钟，以达到减少功耗的目的，动态时钟控制信号(dynamic_on_off)由前一级输入控制信号及本模块工作状态组合产生，为灵活起见，模块也提供软件控制(sw_on_off)方式。

前端的PGA、LPF、ADC、DAC和LD等模块在相应通路关闭时，皆可进入低功耗省电模式。上述模块中PGA和LD的功耗相对较大，PGA用于在外部输入信号随机变化时保持ADC的输入信号幅度相对恒定，从而最大化ADC动态范围，提高接收机的灵敏度。由于电力线信道非常复杂、衰减变化大，要求PGA能提供较大的增益变化范围及较小的增益步长，PGA须采用多级放大的结构，但多级放大会带来较高的功耗。为此可通过对PGA提供的多种偏置模式或可调节的偏置电压的设置，在性能和功耗之间取得平衡。在发送时PGA处在关闭模式；在载波侦听时，PGA处于低功耗偏置模式；在接收时，快速转入到低失真的全性能模式。通过多种功耗模式的切换，最大限度地降低PGA的功耗，LD用于发送通路，其功能和PGA类似，功耗控制方式也相似。

S3：利用预设的低功耗MAC层增加低功耗物理层数据处理时的休眠模式和定时唤醒机制，实现降低电力线载波通信系统功耗的功能。

需要说明的是，MAC层低功耗设计：

宽带PLC的MAC层采用TDMA和CSMA/CA相结合的信道访问及冲突避免机制，其时隙分配如图4所示。图4中每个竞争时隙及非竞争时隙皆与CSMA竞争时隙类似，可分割成3个时隙片，对应A、B、C三相。PLC通信系统中的主节点(集中器)需处理3个时隙片，而从节点(电能表)只须在其特定的1个时隙片内保持激活状态，根据这个特点，在芯片中可增加休眠模式和定时唤醒机制，有近2/3的时间处于休眠状态，实际运行功耗将大大降低。通信单元在入网时通过接收的信标帧可获取到信标时间戳、相线及时隙分配等信息，在入网成功后将会维护一个本地的32位的网络基准时间，NTB计时器用于网络时间同步，其在每次收到信标帧时会进行校对。NTB计时器下会派生出若干个软定时器，用于时隙定时及相线定时，通过这些定时器可以指示PLC设备何时进入休眠模式及何时唤醒，在休眠模式下，芯片收发通路、大部分SoC电路及板级线路驱动器等都可以进入休眠模式甚至关断电源，此时芯片内部只需要维持一个定时器，等定时时间到来后，系统自动从休眠模式切换到唤醒状态。

本发明旨在多个层次采用多种低功耗设计技术，宽带PLC通信芯片的功耗控制在了较低的水平，最终使得电力线载波通信在保持较大传输距离、较低成本的同时，其静态、动态功耗也完全满足国家电网的要求，这对加速电力线载波通信技术从窄带向宽带过渡，以及提高智能用电环节通信技术水平和综合服务能力有重要的参考意义。

实施例2

该实施例为本发明另一个实施例，该实施例不同于第一个实施例的是，提供了一种降低电力线载波通信系统功耗的方法的验证测试，为对本方法中采用的技术效果加以验证说明，本实施例采用传统技术方案与本发明方法进行对比测试，以科学论证的手段对比试验结果，以验证本方法所具有的真实效果。

传统的技术方案：传输距离短速率低，成本较高且功耗大。为验证本方法相对传统方法具有较高经济性以及更长的传输距离。

本实施例中将采用传统窄带PLC和本方法分别对仿真电力线载波通信系统的功耗进行实时测量对比。

测试环境：在仿真平台模运行拟电力线载波通信系统并模拟不同功耗的产生，分别利用传统方法和本方法，开启自动化测试设备并运用MATLB软件编程实现两种方法的仿真测试，根据实验结果得到仿真数据，结果如下表所示。

表1：实验结果对比表。

测试样本	传统方法	本发明方法
			传输速率	2～5M	＞12M
成本	高	低
			功耗	高	低
传输距离	45m	150m

从上表可以看出，本发明方法相较于传统方法具有较高的鲁棒性。

应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本文所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。计算机程序能够应用于输入数据以执行本文所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。

如在本申请所使用的，术语“组件”、“模块”、“系统”等等旨在指代计算机相关实体，该计算机相关实体可以是硬件、固件、硬件和软件的结合、软件或者运行中的软件。例如，组件可以是，但不限于是：在处理器上运行的处理、处理器、对象、可执行文件、执行中的线程、程序和/或计算机。作为示例，在计算设备上运行的应用和该计算设备都可以是组件。一个或多个组件可以存在于执行中的过程和/或线程中，并且组件可以位于一个计算机中以及/或者分布在两个或更多个计算机之间。此外，这些组件能够从在其上具有各种数据结构的各种计算机可读介质中执行。这些组件可以通过诸如根据具有一个或多个数据分组(例如，来自一个组件的数据，该组件与本地系统、分布式系统中的另一个组件进行交互和/或以信号的方式通过诸如互联网之类的网络与其它系统进行交互)的信号，以本地和/或远程过程的方式进行通信。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种降低电力线载波通信系统功耗的方法，其特征在于：包括，

根据不同系统所在的工作环境选择不同的工作频段；

基于所述工作频段以及预设的低功耗物理层进行数据的发送、载波侦听和接收；

利用预设的低功耗MAC层增加所述低功耗物理层数据处理时的休眠模式和定时唤醒机制，实现降低电力线载波通信系统功耗的功能。

2.根据权利要求1所述的降低电力线载波通信系统功耗的方法，其特征在于：所述工作频段的选择包括，

将IEEEP1901和ITU-TG.hn的工作速率为1.8～30MHz扩展到50～100MHz，电力线通信选择2～12MHz，向下扩展至500kHz，同时应用小宽带模式或载波屏蔽方式；

电力线通信工作频段避开衰减较快的高频段以及有较大噪声的窄带PLC工作的低频段。

3.根据权利要求1或2所述的降低电力线载波通信系统功耗的方法，其特征在于：所述工作频段的选择还包括，

电力线通信芯片采用与IEEEP1901FFT物理层相同的正交频分复用OFDM技术，采用1024点FFT，有效子载波在8～490之间，子载波间隔为24.414kHz，采样率为25MS/s，在小带宽模式下进一步降低到12.5MS/s。

4.根据权利要求2所述的降低电力线载波通信系统功耗的方法，其特征在于：所述PLC通信单元包括宽带PLC芯片、线路驱动器、LC带通滤波器、耦合变压器和Flash存储器；

所述宽带PLC芯片及所述线路驱动器是两颗核心芯片，所述线路驱动器用于对发送的模拟信号进行放大，最高输出电压达到12V以上，其带内外功率谱密度分别不大于-45dBm/Hz和-75dBm/Hz。

5.根据权利要求4所述的降低电力线载波通信系统功耗的方法，其特征在于：所述低功耗物理层包括发送通路、接收通路以及电力线通道；

当所述发送通路进行发送时，所述接收通路关闭；

发送完成后，关闭所述发送通路，所述物理层为载波侦听状态，所述接收通路的时域处理部分处在工作状态，频域及比特级处理部分关闭，在接收信号强度高于阈值且侦听到载波后将转入到正常接收状态；

在接收时，所述发送通路关闭，所述接收通路工作，接收完成后将所述接收通路关闭，经过帧间隔调整后将转入发送或载波侦听状态。

6.根据权利要求5所述的降低电力线载波通信系统功耗的方法，其特征在于：所述时域处理、频域处理包括，

对采集到的信号逐帧进行快速傅里叶变换得到所述信号频谱；

将所述频谱转换为极坐标，得到原始信号的幅度谱和相位谱及所述原始信号的相位信息，根据所述幅度谱估计出噪声的幅度谱；

用所述原始信号的幅度谱减去估计的噪声幅度谱得到纯净的信号的幅度谱；

利用所述原始信号的相位代替纯净信号的相位，再对所述纯净信号的幅度谱及所述原始信号的相位进行反傅里叶变换，得到增强的信号；

利用自适应陷波器对所述增强的信号进行二次滤波，得到降噪后的信号。

7.根据权利要求6所述的降低电力线载波通信系统功耗的方法，其特征在于：所述低功耗MAC层包括TDMA和CSMA/CA相结合的信道访问及冲突避免机制，将每个竞争时隙及非竞争时隙皆分割成3个时隙片，对应A、B、C三相，基于该系统从节点须在其特定的1个时隙片内保持激活状态的原理，在所述时隙片中增加休眠模式和定时唤醒机制，获得固定时间的休眠状态。

8.根据权利要求7所述的降低电力线载波通信系统功耗的方法，其特征在于：所述固定时间为总时长的三分之二时间。

Images