基于光子毫米波通信的电网多基站数据采集系统及方法
阅读说明：本技术 基于光子毫米波通信的电网多基站数据采集系统及方法 (Power grid multi-base-station data acquisition system and method based on photon millimeter wave communication ) 是由 王子璐 张教 朱敏 高爽 蔡沅成 刘翔 许炜梁 于 2021-07-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于光子毫米波通信的电网多基站数据采集系统及方法,所述系统包括一个起点远程天线单元、N个节点远程天线单元、一个汇聚远程天线单元。本系统构建的无线通信网络支持全双工通信,各基站把采集数据通过无线通信上传给汇聚节点,同时支持接收来自汇聚节点转发的命令数据。通过本发明,能够为工作在户外电网的多个基站提供采集数据传输能力,且基站与基站间的数据传输采用光子毫米波通信,相比于有线光纤通信,克服了由于特殊地形如沼泽、断崖等难以铺设光纤的困难,相比于传统无线通信,突破了带宽的限制,可以适应大容量数据传输,大大节约了运营商开发特殊地形时为基站与基站间建立通信连接的成本。(The invention discloses a power grid multi-base-station data acquisition system and method based on photonic millimeter wave communication. The wireless communication network constructed by the system supports full duplex communication, and each base station uploads the acquired data to the sink node through wireless communication and simultaneously supports receiving of command data forwarded by the sink node. The invention can provide the data acquisition transmission capability for a plurality of base stations working in an outdoor power grid, and the data transmission between the base stations adopts photon millimeter wave communication, compared with wired optical fiber communication, the invention overcomes the difficulty that optical fibers are difficult to lay due to special terrains such as swamps, cliffs and the like, breaks through the limitation of bandwidth compared with the traditional wireless communication, can adapt to large-capacity data transmission, and greatly saves the cost of establishing communication connection between the base stations when operators develop special terrains.)
技术领域
本申请涉及毫米波及太赫兹通信技术领域，特别涉及一种基于光子毫米波通信的电网多基站数据采集系统及方法。
背景技术
在传统的无线通信技术中，大容量数据的传输始终是通信技术发展的难点。目前，大容量数据的传输大多使用光纤有线通信来进行数据的传输。但光纤作为有线通信领域的佼佼者，却难以适应一些特殊地形，如沼泽、断崖等。传统上解决此问题的方法有绕过特殊地形或者是搭建一些辅助建筑来铺设光纤，但是这些方法成本高，施工慢，远不如无线通信方便。但是用传统无线通信却由于带宽限制，难以适应大容量数据传输。因此，寻求新型无线通信的解决方案成了重中之重。
在目前所普及的5G通信中，其所用频段分为Sub-6GHz以及高频毫米波。无线通信中的毫米波频段能够提供稳定的大容量无线通信，因此，将毫米波技术用于通信网络，可以更好地满足超大带宽和超高速的应用需求。
目前毫米波产生主要有光生和电生两种方式，而由于电子器件的带宽限制，电生毫米波通信难以达到更高的频段，导致电生毫米波的通信容量仍然难以满足更高的需求。而光生毫米波受器件影响较小，可以实现更高频的通信，并且其易于调节，可与光纤对接。因此光生毫米波技术可以实现在有线通信难以覆盖的地区实现大容量数据传输的功能，毫米波技术能够完美满足有线通信难以覆盖，无线通信难以达到通信容量的需求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于光子毫米波通信的电网多基站数据采集系统及工作方法。可以在户外为电网的多个基站提供采集数据传输能力。整个系统包括一个起点远程天线单元、N个节点远程天线单元、一个汇聚远程天线单元，可以实现将每个基站的数据采集，然后汇聚到最后一个基站，在此基站内转为光纤通信传输给上层光纤网络，且基站与基站之间采用无线传输，不使用光纤，通信网络可以支持全双工通信，各基站把采集数据通过无线上传给汇聚节点，同时支持接收来自汇聚节点转发的命令数据。且可以根据需求自由调整无线工作频段，实现多个基站与控制中心的大容量无线数据通信功能。
基于此，第一方面，本发明提供了一种基于光子毫米波通信的电网多基站数据采集系统，包括一个起点远程天线单元、N个节点远程天线单元、一个汇聚远程天线单元。
其中，所述起点远程天线单元包括数据交换模块，上变频器，电环形器，下变频器，接收机，形成上下行两条链路传输；上行链路设计为数据交换模块采集到信息后经过上变频器，调整为通带信号，经过电环形器输出到后端天线；下行链路设计为从后端天线接收到信号，经过下变频后送入接收机，接收机输出与数据交换模块相连，数据交换模块又与数据采集模块连接。
其中，所述节点远程天线单元由电环形器，两个下变频器，数据交换模块，上变频器，功分器，接收机，功放器组成，形成了上下行两条链路传输；上行链路设计为前端的电环形器的输出端经过下变频器与数据交换模块相连，数据交换模块又与数据采集模块连接，其输出经过上变频器后输出给后端电环形器；下行链路为后端电环形器输出到功分器，功分器输出分为两路信号，一路与下变频器连接送入接收机，接收机又与数据交换模块连接，另一路通过功放器与前端的电环形器连接。
其中，所述汇聚远程天线单元由电环形器，下变频器，数据交换模块，电光调制器，光环形器，光电探测器，功分器，功放器，上变频器，接收机组成，形成了上下行两条链路，上行支持无线到光纤的桥接传输，下行则正好相反；上行链路由前端信号输入到前端的电环形器，经过下变频器与数据交换模块相连，数据交换模块又与数据采集模块相连，随后输出到电光调制器中，经过调制输入到光环形器中与光纤连接。下行链路由光纤输入到光环形器，经过光电探测模块转为电信号后输出到功分器，功分器的一路输出经过接收器后传入数据交换模块，另一路输出经过功放器和上变频器后与电环形器相连。
作为本发明的第二方面，提供一种基于光子毫米波通信的电网多基站数据采集方法，所述方法包括：
起点远程无线单元实现在本基站数据的采集，并与下一个节点远程无线单元可以实现双向无线数据收发，支持向下一个节点远程天线单元传输数据，接收下一个节点远程天线单元传来的命令指令进行操作；起点远程无线单元由上、下行链路构成，支持双向无线传输；上行链路在本地采集数据，再上变频到射频载波上，送给后端天线发送给后端节点；下行链路为对后端天线接收到的数据进行解调，提取本地的命令数据，用于控制本地的采集设备。
节点远程无线单元可以实现在本基站的数据采集，且支持全双工的无线数据收发，支持对接收的其他远程无线单元数据的双向转发，且多个节点远程无线单元采集所有数据在汇聚远程无线单元处完成汇聚；节点远程无线单元由上、下行链路构成，支持双向无线传输；上行链路为对前端节点发送的射频信号由天线接收后先下变频到基带，然后与本地采集数据耦合，再一起上变频到射频载波上，并送给后端天线发射给后端节点；下行链路把后端天线接收到的数据分为两路，一路对数据进行解调，提取目的节点是本地的命令数据，用于控制本地的采集设备，另一路放大后直接从前端天线转发。
汇聚远程无线单元要实现前端所有远程天线单元数据的汇聚，且支持光纤到无线的桥接功能。汇聚远程无线单元由上、下行链路构成，上行支持无线到光纤的桥接传输，下行则正好相反；上行链路为对前端天线接收到的射频信号(汇聚信号，包含多个远程无线单元采集数据)先下变频(包括一个低噪放大器和一个包络检波器)，然后与本地采集数据耦合，再一起电光调制转换为光信号，通过光纤传输给上层光纤网络；下行链路为对来自光纤网络的控制命令先进行光电探测，然后分为两路，一路解析命令数据实现对采集设备的控制，另一路放大并完成上变频后直接从前端天线发射。
本发明的有益效果：
本发明提供的基于光子毫米波通信的电网多基站数据采集系统及方法，将基站间的有线光纤通信升级为了无线毫米波通信，克服了基站与基站间由于地行复杂，难以实行光纤通信，实行传统无线通信却又受容量限制的问题，并且本发明采用的上变频技术为光拍频毫米波技术，拥有较好的后向兼容性和技术先进性，易于更新换代且可以根据用户本身需求自由调整无线工作频段，有着较为明显的优点，大大降低了运营商开发特殊地形时基站与基站间建立通信连接的成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明提供的基于光子毫米波通信的电网多基站数据采集系统的示意图；
图2为本发明提供的起点远程天线单元示意图；
图3为本发明提供的节点远程天线单元示意图；
图4为本发明提供的汇聚远程天线单元示意图；
图5为本发明提供的上变频光拍频毫米波技术原理示意图。
具体实施方式
为了更好地理解和实施，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术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，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明实施例公开了一种基于光子毫米波通信的电网多基站数据采集系统及方法，能够克服由于现阶段有线光纤通信无法在沼泽、断崖等地区搭建或者强行搭建成本较高，而使用传统无线通信带宽受限，无法支持大容量数据传输等困难，大大降低了运营商在部署在沼泽、断崖等地区的基站的数据采集工作的总成本。
请参阅图1，图1为本发明实施例公开的一种基于光子毫米波通信的电网多基站数据采集系统的总体结构示意图。如图1所示，该系统包括起点远程天线单元1，节点远程天线单元2，节点远程天线单元3，汇聚远程天线单元4。其中，每个远程天线单元都放置于基站内，为基站提供数据传输的功能。基站与基站间采用无线通信，无线通信距离为500～1000米，工作频段为38GHz；每个基站包含摄像头和传感器，作为本实施例中的数据采集模块，其中摄像头产生1080p的视频数据(有压缩的视频)，传感器采集其他数据，总数据容量在16Mbps左右。
其中，起点远程天线单元1、节点远程天线单元2、节点远程天线单元3和汇聚远程天线单元4均可以实现数据的采集，并且由起点远程天线单元采集数据后，将数据发送到节点远程天线单元2节点远程天线单元2采集本地数据后，将本地数据与起点远程天线单元1的数据耦合后，向节点远程天线单元2发射。同理，节点远程天线单元2采集本地数据后，将本地数据与接收的数据耦合，向节点远程天线单元3发射。节点远程天线单元3接收到数据后，将其与本地采集数据耦合，发送到汇聚远程天线单元4。汇聚远程天线单元4采集本地数据后。将本地数据与接收到的数据耦合，至此，所有基站的数据均采集完毕，且传输过程中均为无线通信。最后，由汇聚远程天线单元将数据通过光纤传送给上层光纤网络，完成多个基站与控制中心的数据传输。同时，控制中心也可传出命令数据，经过光纤到达汇聚远程天线单元4后，汇聚远程天线单元4读取自身的控制命令，再将其他控制命令通过无线通信传输到节点远程天线单元3，节点远程天线单元3读取自身的控制命令后，将其他控制命令传输到节点远程天线单元2，节点远程天线单元2读取自身控制命令后，将数据传送到起点远程天线单元1，由起点远程天线单元1读取控制命令。至此，本系统完成了电网多基站的数据双向传输。
下文将基于具体实现例来示出各单元的实现原理和实现方式，本领域技术人员应当理解的是下文的具体实现例仅是一种优选示例，其他基于相同构思实现的方式也应当属于本发明的保护范围。
具体的，作为一种优选实施例，如图2所示为本发明实施例公开的起点远程天线单元原理示意图。本起点远程天线单元分为上下行两条链路。在上行链路中，数据采集模块1(摄像头和传感器)采集数据后，将数据发送到数据交换模块2，随后数据交换模块2读取数据后将数据送到上变频模块3中，经过上变频将通信波段调整为380GHz无线通信频率后，通过电环形器4隔离后发送到天线进行数据传输。在下行链路中，通过天线接收命令数据后，经过电环形器4隔离后，经过下变频器5后变为基带信号，输出到接收机6中，随后接收机6接收数据后将命令数据送到数据交换模块2中，用来控制数据采集模块1。
如图3所示为本发明提供的节点远程天线单元原理示意图。该远程天线单元分为上下行两条链路，支持双向无线传输。在上行链路中，前端天线接收到射频信号后，经过电环形器9后通过下变频器1变为基带信号，随后输入到数据交换模块10中，同时，数据采集模块2采集本地数据后，将本地数据输入到数据交换模块10中与接收的数据耦合，再一起通过上变频器3变频到380GHz射频载波上，通过电环形器4送给右端天线发送。在下行链路中，后端天线接收到的数据通过电环形器4隔离后，通过功分器5分为两路信号，一路信号经过下变频器6变为基带信号，经过接收机8进行解调，得到本地的命令数据，送入数据交换模块10中来控制数据采集模块2的工作；另一路信号通过功放器7放大后直接通过电环形器9送到前端天线发射。
如图4所示为本发明提供的汇聚远程天线单元原理示意图。该远程天线单元由上下行两条链路构成，上行支持无线到光纤的桥接传输，下行则正好相反。在上行链路中，前端天线接收到射频信号(汇聚信号，包括多个远程天线单元采集数据)通过电环形器11，进入下变频器1下变频到基带信号，然后在数据交换模块3中与数据采集模块2采集本地数据耦合，再一起通过电光调制器4调制为光信号，通过光环形器5送入光纤中传输到上层光纤网络。在下行链路中，来自光纤网络的控制命令先通过光电探测器6转为电信号，然后通过功分器7分为两路，一路经过接收机8后读取本地命令数据，通过数据交换模块3控制数据采集模块2的操作，另一路通过功放器9放大后，经过上变频器10变频到38GHz后经过电环形器隔离送到前端天线发射。
如图5所示为本发明提供的上变频光拍频毫米波技术原理示意图。首先由激光发射器1产生一路频率为193.200THz的激光，激光发射器2产生一路频率为193.238THz的激光，同时通过调制接收需要传输的数据，两路激光在光耦合器3中耦合后，传输进入光电探测模块4中进行光外差拍频，得到带有数据的38GHz的毫米波，通过功率放大器5后即可获得频率为38GHz的毫米波无线传输信号。
结合本申请公开内容所描述的方法或者算法的步骤可以硬件的方式来实现，也可以是由处理器执行软件指令的方式来实现。软件指令可以由相应的软件模块组成，软件模块可以被存放于随机存取存储器(RandomAccessMemory，RAM)、闪存、只读存储器(ReadOnlyMemory，ROM)、可擦除可编程只读存储器(ErasableProgrammableROM，EPROM)、电可擦可编程只读存储器(ElectricallyEPROM，EEPROM)、寄存器、硬盘、移动硬盘、只读光盘(CD-ROM)或者本领域熟知的任何其它形式的存储介质中。一种示例性的存储介质耦合至处理器，从而使处理器能够从该存储介质读取信息，且可向该存储介质写入信息。当然，存储介质也可以是处理器的组成部分。
本领域技术人员应该可以意识到，在上述一个或多个示例中，本申请所描述的功能可以用硬件、软件、固件或它们的任意组合来实现。当使用软件实现时，可以将这些功能存储在计算机可读介质中或者作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码进行传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，其中通信介质包括便于从一个地方向另一个地方传送计算机程序的任何介质。存储介质可以是通用或专用计算机能够存取的任何可用介质。
以上所述的具体实施方式，对本申请的目的、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，以上所述仅为本申请的具体实施方式而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本申请的保护范围之内。
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