CN117061301A - 一种建筑施工现场电-网通信方法、介质及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种建筑施工现场电‑网通信方法、介质及系统，属于施工现场通信技术领域，该方法包括利用正交频分复用技术将电‑网通信信道划分为多个正交子信道；将高速数据信号转换为并行的低速子数据流；在各个正交子信道上进行调制后传输；在接收端将正交信号分离，实现多通道传输。本方法利用正交频分复用技术，实现了在建筑施工环境下的高效、稳定、可靠的电‑网通信，通过划分为多个正交子信道，将高速数据信号转换为并行的低速子数据流，并在每个正交子信道上进行调制和传输，从而有效解决了建筑施工现场电‑网通信中的干扰和传输问题，避免信号在电力线信道传输时，受脉冲干扰杂波干扰影响严重，多径传输效应凸显，造成信号衰减幅度大。
Description
技术领域
本发明属于施工现场通信技术领域，具体而言，涉及一种建筑施工现场电-网通信方法、介质及系统。
背景技术
随着数字化、信息化技术的进一步发展，智慧工地、数字工地等概念逐渐热化，但由于网线布设成本高、范围小，作为通信基础的施工现场网络覆盖并不完善。目前，现场信息的传输主要依靠手机信号，但是在地下室、超高楼层、塔吊以及条件恶劣的基础设施工程等信号弱或无信号区域，通信难度极大。
目前,建筑施工现场主要使用以下几种通信技术:
1.有线网络
依靠网线和交换机构建有线网络,可以提供高速稳定的连接,但布线和管理成本高,且施工过程中容易出现断线等问题。
2.WIFI网络
通过布置WIFI热点,可以实现无线覆盖。但容易受到遮挡影响,且大量终端访问时易过载。
3.移动网络
使用4G等移动网络,可以获得高速无线接入,但覆盖范围和网络容量有限。
4.私网通信系统
采用专网系统,如TETRA、PDT等,可以实现组网通信。但建立专网成本高,且数据传输速率较慢。
5.电力线通信
利用建筑物现有的电力线作为传输介质,实现数据和语音的传输,可以省去布线,但传统电力线通信技术存在速率低、抗干扰能力差等问题。
电力线通信(PLC)技术目前已广泛应用于家庭宽带、智能电网、物联网等实用系统不同于其它通信技术，PLC技术是电力系统专有通信方式，在PLC系统中，电力线被作为载波信号传输媒介。其可应用于各网络节点间，也可与其它通信网络互联，实现互联互通，得以传输各类信息数据，完成上网。本课题技术目标是以施工现场低压PLC网络为传输媒介，即插即用，承载语音、数据和高清视频图像等信息高速传递业务，且保证高速、便捷、可靠、无差错、不丢失的信息速递，基本实现“二网合一”。因最初电网又作为传输电能用途，而非专为通信设计，其作为传输媒介并不理想。因线路接入动态多变负载，使其电力线信道特性表征极其复杂。信号在电力线信道传输时，受脉冲干扰杂波干扰影响严重，多径传输效应凸显，信号衰减幅度大。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种建筑施工现场电-网通信方法、介质及系统，能够解决信号在电力线信道传输时，受脉冲干扰杂波干扰影响严重，多径传输效应凸显，造成信号衰减幅度大的技术问题。
本发明是这样实现的：
本发明的第一方面提供一种建筑施工现场电-网通信方法，其中，包括以下步骤：
S10、利用正交频分复用技术将电-网通信信道划分为多个正交子信道；
S20、将高速数据信号转换为并行的低速子数据流；
S30、在各个正交子信道上进行调制后传输；
S40、在接收端将正交信号分离，实现多通道传输。
在上述技术方案的基础上，本发明的一种建筑施工现场电-网通信方法还可以做如下改进:
其中，每个正交子信道的信号带宽均小于电-网通信信道的相关带宽。
采用上述改进方案的有益效果为：通过这一设定，能够实现子信道内的平坦性衰落，并有效减少码间串扰。
其中，每个正交子信道的带宽为原电-网通信信道带宽的一部分。
采用上述改进方案的有益效果为：通过这一设定，能够降低信道均衡复杂度的同时实现多用户的并行传输。
其中，信号调制过程采用相位调制和振幅调制的组合方式。
采用上述改进方案的有益效果为：通过这一设定，能够提高传输效率和抗干扰能力。
其中，每个正交子信道在传输过程中采用差分编码方式。
采用上述改进方案的有益效果为：通过这一设定，提高了数据的可靠性和抗噪声能力。
其中，在每个正交子信道上进行调制的信号经过反馈控制，根据信道状态动态调整调制方式。
采用上述改进方案的有益效果为：通过这一设定，可以最大限度地提高传输质量。
其中，还包括利用分布式自适应信道均衡技术，对每个正交子信道进行均衡处理。
采用上述改进方案的有益效果为：通过这一设定，可以降低信道失真，进一步提升数据传输的可靠性。
其中，所述的正交频分复用技术采用QAM调制方式。
采用上述改进方案的有益效果为：通过这一设定，提高了每个正交子信道的数据传输率。
本发明的第二方面提供一种计算机可读存储介质，其中，所述计算机可读存储介质中存储有程序指令，所述程序指令运行时用于执行上述的一种建筑施工现场电-网通信方法。
本发明的第三方面提供一种建筑施工现场电-网通信系统，其中，包含上述的计算机可读存储介质。
本发明涉及一种建筑施工现场电-网通信方法，通过利用正交频分复用技术，实现了在建筑施工环境下的高效、稳定、可靠的电-网通信。该方法通过将电-网通信信道划分为多个正交子信道，将高速数据信号转换为并行的低速子数据流，并在每个正交子信道上进行调制和传输，从而有效解决了建筑施工现场电-网通信中的干扰和传输问题，避免信号在电力线信道传输时，受脉冲干扰杂波干扰影响严重，多径传输效应凸显，造成信号衰减幅度大。具体而言，本发明的技术效果如下：
1.并行传输提高效率
传统的电-网通信方式在高速数据传输时常常面临信道容量不足、传输速率低下等问题，难以满足建筑施工现场对高效通信的需求。本发明采用正交频分复用技术，将信道划分为多个正交子信道，在每个子信道上进行并行传输。这样，高速数据信号不再需要依次传输，而是可以同时在多个子信道上传输，大大提高了通信效率。
2.降低干扰提升传输质量
建筑施工现场通常存在大量的电子设备和无线信号干扰，对电-网通信信号的稳定传输造成了困难。通过在正交子信道上进行传输，不仅可以将信道之间的干扰降到最低，还可以通过相关技术在接收端将正交信号分离，进一步减少子信道之间的相互干扰。这种方法有效地提升了信号的传输质量和可靠性。
3.平坦性衰落降低码间串扰
电-网通信信道往往会受到衰落效应的影响，导致信号强度在不同频率处波动，进而引发码间串扰。本发明中，每个正交子信道的信号带宽都小于整个信道的相关带宽，使得每个子信道内部的信号呈现平坦性衰落特性。这样，码间串扰的影响得以降低，有助于提高数据传输的可靠性。
4.降低信道均衡复杂度
通常情况下，信道均衡是电-网通信中的一个复杂问题，需要消除信道引起的失真。在本发明中，每个正交子信道的带宽都远小于整个信道的相关带宽，使得信道均衡变得相对容易。每个子信道可以看作平坦性衰落信道，从而降低了信道均衡的复杂度，提高了系统的稳定性。
5.多用户并行传输提升抗干扰能力
建筑施工现场通常存在多个用户同时需要进行电-网通信，传统的通信方式难以满足多用户的需求。本发明中，通过将信道分成多个正交子信道，每个子信道都可以支持一个用户的通信，从而实现了多用户的并行传输。这样，不仅提高了系统的抗干扰能力，还能够更好地满足多用户同时接入的需求。
6.动态调整适应不同环境
本发明中，正交子信道的数量可以根据建筑施工现场的通信需求进行动态调整。这意味着系统可以根据不同环境和通信负载的变化，灵活地分配正交子信道，以实现更好的通信性能。这种动态调整能力使系统更具适应性和灵活性。
7.支持高速数据传输
由于正交频分复用技术的应用，本发明支持高速数据传输。在每个正交子信道上进行调制传输，可以将高速数据信号转换为低速子数据流，进而提高传输的稳定性和可靠性。同时，正交子信道内的并行传输也有助于提高数据传输的速率。
8.提高抗噪声能力
本发明中，在每个正交子信道上进行传输的信号采用差分编码方式，从而提高了数据传输的抗噪声能力。差分编码可以有效地减少噪声对信号的影响，提升了系统在复杂环境中的性能。
9.动态调整调制方式
本发明中，每个正交子信道上进行调制的信号可以根据信道状态进行反馈控制，动态调整调制方式。这样，系统可以根据信道状况的变化，选择最合适的调制方式，最大限度地提高传输质量，确保通信的稳定性和可靠性。
10.信道均衡提升传输质量
本发明中应用分布式自适应信道均衡技术，对每个正交子信道进行均衡处理。这种处理能够降低信道引起的失真，进一步提升数据传输的质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的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他的附图。
图1为本发明提供的一种建筑施工现场电-网通信方法、介质及系统的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，是本发明第一方面提供一种建筑施工现场电-网通信方法的流程图，本方法包括以下步骤：
S10、利用正交频分复用技术将电-网通信信道划分为多个正交子信道；
S20、将高速数据信号转换为并行的低速子数据流；
S30、在各个正交子信道上进行调制后传输；
S40、在接收端将正交信号分离，实现多通道传输。
可选的，每个正交子信道的信号带宽均小于电-网通信信道的相关带宽。
可选的，每个正交子信道的带宽为原电-网通信信道带宽的一小部分。
可选的，信号调制过程采用相位调制和振幅调制的组合方式。
可选的，每个正交子信道在传输过程中采用差分编码方式。
可选的，在每个正交子信道上进行调制的信号经过反馈控制，根据信道状态动态调整调制方式。
可选的，还包括利用分布式自适应信道均衡技术，对每个正交子信道进行均衡处理。
可选的，的正交频分复用技术采用QAM调制方式。
具体而言，S10的具体实施方式可以描述如下：
在建筑施工现场的电力线通信系统中，为了实现高速率的数据传输，需要采用正交频分复用(OFDM)技术来划分出多个正交子信道。OFDM技术的基本原理是：将高速数据流分割成多个低速流，并通过并行传输这些低速数据流，从而提高系统的总体数据传输率。
发送端需要进行以下处理：
1.将高速序列转换为低速并行序列。设原始二进制数据序列为x(n)，其传输速率为RB。则将x(n)分割成M个低速子数据流，即：
x(n)→x0(n)，x1(n)，...，xM-1(n)；
其中，每个子数据流xm(n)的速率为Rb/M。
2.对每个子数据流进行调制。常用的调制方式有BPSK、QPSK、M-QAM等。设采用QPSK调制，则每个调制符号包含2比特信息。对第M个子数据流进行QPSK调制，可得到复数调制符号流：
xm(n)→sm(k)，m＝0，1，...，M-1；
其中sm(k)表示第M路子信道上的复数调制符号。
3.采用IDFT实现并行信号的正交调制。将各路复数符号串并联起来，构成向量：
S＝[s0(0)，s1(0)，...，sM-1(0)，s0(1)，...，sM-1(N-1)]T；
对S进行M点离散傅里叶变换，可得到OFDM时域信号：
其中，x表示OFDM时域样本序列。OFDM符号波形通过IDFT运算产生，各子载波正交调制后叠加在一起，即实现了分子信道的正交。
4.加入防止间址干扰的保护间隔。在每个OFDM符号前加上循环前缀(CP)，其长度要大于多径信道的最大时延，以消除符号间干扰。
在传输过程中，OFDM信号经过多径频选择性衰落信道，在接收端需要进行以下处理：
1.去除CP，提取有效OFDM符号部分。
2.对去除CP的OFDM符号进行DFT，得到频域复数符号矩阵：
Y＝DFT(y)；
其中，y表示去除CP后的OFDM时域样本序列，Y为频域复数符号。
3.对每个子载波进行等化。本发明的技术方案将频带划分为多个互相正交的窄带子载波，每个子载波上的符号传输可视为单载波系统，可单独进行等化。常用的等化算法有零强制等化(ZF)、最小均方误差(MMSE)等化等。
4.对等化后的符号进行判决，即可恢复传输比特流。
5.将子数据流串并联，得到接收端接收比特流。
OFDM技术通过将高速数据流分解为多个低速流叠加传输的方式，实现了在频选择性衰落信道上的高速数据传输。其关键技术有：
(1)IDFT/DFT实现子载波的调制和解调。
(2)加入CP以消除ISI。
(3)采用子载波并行传输，增加了符号时长，减小了码间串扰。
(4)将信道均衡复杂度分散到每个子载波上进行，降低了均衡难度。
OFDM技术可以灵活地通过调整子载波的数量，来适应不同的信道情况。另外，也可以针对不同子载波采用不同的调制方式，实现自适应调制以提高传输效率。因此，OFDM非常适用于建筑施工现场的电力线通信场景，可以提供高速率的网络连接，满足现场各种语音、视频等业务的需求。
具体而言，S20的具体实施方式可以描述如下：
发送端需要将高速序列转换为多个低速子流进行并行传输。此步骤即完成高速序列与低速子流之间的映射关系。
1.序列转换的过程
设原始二进制序列为x(n)，其码元传输速率为Rc。要将其转换为M个子流，每个子流的速率为Rc/M。则序列转换的关系为：
x(n)→x0(n)，x1(n)，...，xM-1(n)；
其中xm(n)表示第M个低速子流。转换的具体过程是：
x0(n)＝x(Mn)；
x1(n)＝x(Mn+1)；
…；
xM-1(n)＝x(Mn+M-1)；
即将原始序列按每M个码元分组，分别映射到M个子流中。
2.采样率转换
根据Nyquist采样定理，如果原始序列x(n)的采样频率为fs，则每个子流序列xm(n)的采样频率应设置为：
则可以避免子流序列之间的混叠。
对于码元序列x(n)，其采样周期为则每个子流xm(n)的采样周期为：
3.并行序列的时钟同步
对于并行的M个子流xm(n)，它们之间需要时钟同步，即保证采样时刻的同步。具体方法是：
(1)从原始序列x(n)中提取时钟信号，对其均分M路；
(2)将分路后的时钟信号分别提供给每个子流xm(n)。
即每个子流采用的时钟源于同一个源时钟，因此可以保证M路子流之间的严格时钟同步。
4.字节聚合
序列转换还可以在字节级别进行。设原始序列以10Mb/s速率传输，每个字节包含8比特。则可以按照字节为单位进行分组，每组包含M个字节，然后分别映射到M个子流中。
即设原始字节流为：b(n)，包含字节b0(n)，b1(n)，...，bN(n)。则分组转换为：
b0(n)＝b(Mn)；
b1(n)＝b(Mn+1)；
bM-1(n)＝b(Mn+M-1)；
每M个字节分为一组，映射到子流中。这种聚合方式可以减少子流之间的边界位的处理。
综上，步骤S20完成了高速序列向低速子流转换的关键步骤，为本发明的技术方案的实现提供了必要的预处理环节。采用上述序列映射、采样率转换、时钟同步等技术可以保证子流之间的同步性，为后续的OFDM调制处理奠定基础。
S30步骤即在各正交子载波上对低速子流进行调制，并转换为时域信号传输的过程。主要包含以下内容：
1.复数映射调制
对于第m个子流的比特序列xm(n)，首先需要映射到复数符号上，以便进行OFDM调制。常用的调制方式有BPSK，QPSK，M-QAM等。
例如，采用QPSK调制，2比特映射为1个复数符号。设映射关系为：
00→1+j；
01→1-j；
11→-1+j；
10→-1-j；
则第m个子流的复数符号可表示为：
sm(k)＝map(xm(k))，m＝0，1，...，M-1；
其中map()表示映射函数。
也可以采用其它高阶调制方式，如16QAM，64QAM等来提高每符号的调制位数，增加数据率。
2.串并联转换
将所有子流上的复数符号串并联，得到长度为MN的向量：
S＝[s0(0)，...，sM-1(0)，s0(1)，...，sM-1(N-1)]T；
其中，N表示单个OFDM符号所包含的复数符号个数。
3.OFDM符号波形的生成
对串并联后的频域向量S进行M点反离散傅里叶变换，可以得到时域的OFDM样本序列：
其中，x表示一个OFDM符号的时域样本。IDFT保证了不同子载波正交不相干。
4.控制信道插入
在每个OFDM符号开始，会插入包括控制信等信息的样本。控制信道内容包括pilot符号、同步字、编码方式等信息。
例如，可以在时域OFDM符号前插入长度为v的控制序列：
x′＝[xc(0)，...xc(v-1)，xT]T；
插入控制信道对于接收机进行信道估计、同步等至关重要。
5.圆形前缀的添加
由于多径信道会引起符号间干扰(ISI)，需要在OFDM符号前添加循环前缀(CP)以消除ISI。
CP的长度应大于最大多径延迟τ。即：
LCP＞τ；
添加CP后的OFDM符号为：
xCP＝[x(M-LCP)，...，x(M-1)，x′T]T；
至此完成了OFDM符号的调制过程。经D/A转换和频率上转换后，即可传输到信道中。
接收端对接收到的串行时域符号去除CP，进行DFT变换，再对每个子载波进行解映射，即可恢复发送比特流。
OFDM技术通过数字方式产生正交子载波，并进行并行传输，克服了模拟系统中子载波互调的缺点，可以高效利用信道资源，实现高速率传输。
步骤S40主要完成将接收到的时域OFDM符号转换为频域复数符号，并采用相关技术分离各正交子载波，以减少子信道间的干扰。主要处理如下：
1.删除圆形前缀
接收端接收到时域OFDM符号xCP，首先需要删除其中的圆形前缀(CP)，得到有效OFDM样本部分x：
x＝xCP(v+LCP，...，M+v-1)；
其中v为控制信道长度，LCP为CP长度。
2.DFT转换
对去CP后的OFDM时域样本x，进行M点DFT，以得到频域的复数符号
其中，Y表示第k个子载波上的频域符号。
3.信道估计
基于pilot符号或串行数据，可以估计信道的频域响应H。常用的估计方法有最小二乘估计、插值等。
H＝[H(0)，...，H(M-1)]T；
其中，H(k)表示第k个子载波的信道响应。
4.信道等化
给定信道估计值H，可以对每个子载波进行等化，消除信道的影响。
采用零强制等化，等化的频域符号为：
若信道响应估计不准，可以采用最小均方误差(MMSE)等化：
5.解映射判决
对等化后的频域符号进行判决及解映射，可以恢复传输的比特流：
其中，Q()表示解调制映射关系。
6.子流并联
将分别解调后的子流并联，即可恢复原始发送比特流/>
接收端通过DFT将时域OFDM符号转换为频域后，可以单独对每个子载波进行信道均衡、解调等处理。这大大降低了系统对频域信道的补偿复杂度。
与模拟多载波系统不同，本发明的技术方案通过正交子载波和高效的FFT变换，可以很好地分离各子载波信号，克服了模拟系统中载波间的频域失真。因此可以有效进行高速数据的传输。
本发明的第二方面提供一种计算机可读存储介质，其中，所述计算机可读存储介质中存储有程序指令，所述程序指令运行时用于执行上述的一种建筑施工现场电-网通信方法。
本发明的第三方面提供一种建筑施工现场电-网通信系统，其中，包含上述的计算机可读存储介质。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种建筑施工现场电-网通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10、利用正交频分复用技术将电-网通信信道划分为多个正交子信道；
S20、将高速数据信号转换为并行的低速子数据流；
S30、在各个正交子信道上进行调制后传输；
S40、在接收端将正交信号分离，实现多通道传输。
2.根据权利要求1所述的一种建筑施工现场电-网通信方法，其特征在于，每个正交子信道的信号带宽均小于电-网通信信道的相关带宽。
3.根据权利要求1所述的一种建筑施工现场电-网通信方法，其特征在于，每个正交子信道的带宽为原电-网通信信道带宽的一部分。
4.根据权利要求1所述的一种建筑施工现场电-网通信方法，其特征在于，信号调制过程采用相位调制和振幅调制的组合方式。
5.根据权利要求1所述的一种建筑施工现场电-网通信方法，其特征在于，每个正交子信道在传输过程中采用差分编码方式。
6.根据权利要求1所述的一种建筑施工现场电-网通信方法，其特征在于，在每个正交子信道上进行调制的信号经过反馈控制，根据信道状态动态调整调制方式。
7.根据权利要求1所述的一种建筑施工现场电-网通信方法，其特征在于，还包括利用分布式自适应信道均衡技术，对每个正交子信道进行均衡处理。
8.根据权利要求1所述的一种建筑施工现场电-网通信方法，其特征在于，所述的正交频分复用技术采用QAM调制方式。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有程序指令，所述程序指令运行时用于执行权利要求1-8任一项所述的一种建筑施工现场电-网通信方法。
10.一种建筑施工现场电-网通信系统，其特征在于，包含权利要求9所述的计算机可读存储介质。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202311106006.2A CN117061301A (zh) | 2023-08-30 | 2023-08-30 | 一种建筑施工现场电-网通信方法、介质及系统 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN117061301A true CN117061301A (zh) | 2023-11-14 |
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| CN202311106006.2A Pending CN117061301A (zh) | 2023-08-30 | 2023-08-30 | 一种建筑施工现场电-网通信方法、介质及系统 |
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2023
- 2023-08-30 CN CN202311106006.2A patent/CN117061301A/zh active Pending
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