一种电力线通信系统中plc和无线融合传输方法
阅读说明：本技术 一种电力线通信系统中plc和无线融合传输方法 (PLC and wireless fusion transmission method in power line communication system ) 是由 黄沛昱 刘愈 石鑫 应俊 朱治国 于 2021-08-02 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种电力线通信系统中PLC和无线融合传输方法,属于物联网通信领域。该方法包括：在发送端帧结构数据同时分成两路,一路送到PLC电力线模拟前端,另一路送到无线模拟前端,最终加载到各自的传输信道；PLC电力线模拟前端仅传输帧结构数据的实部,无线模拟前端则将帧结构数据的实部和虚部进行射频调制到载波上,通过无线信道传输；在接收端同时接收来自PLC电力线和无线信道上的数据,各自完成AGC调整和时钟/帧同步,并且利用前导符号进行信道估计,PLC电力线上的前导符号估算出电力信道特征,无线上的前导估算出无线信道特征,然后采用各自的信道特征完成各自的信道均衡。本发明实现了PLC电力线和无线的融合传输。(The invention relates to a PLC and wireless fusion transmission method in a power line communication system, and belongs to the field of communication of the Internet of things. The method comprises the following steps: frame structure data at a sending end is divided into two paths simultaneously, one path is sent to a PLC power line simulation front end, the other path is sent to a wireless simulation front end, and finally the data are loaded to respective transmission channels; the PLC power line analog front end only transmits the real part of the frame structure data, and the wireless analog front end performs radio frequency modulation on the real part and the imaginary part of the frame structure data to a carrier wave and transmits the frame structure data through a wireless channel; and simultaneously receiving data from a PLC power line and a wireless channel at a receiving end, respectively finishing AGC adjustment and clock/frame synchronization, and performing channel estimation by using the preamble symbol, wherein the preamble symbol on the PLC power line estimates the characteristics of the power channel, the preamble on the wireless channel estimates the characteristics of the wireless channel, and then respectively finishing respective channel equalization by adopting respective channel characteristics. The invention realizes the fusion transmission of the PLC power line and the wireless.)
技术领域
本发明属于物联网通信领域，涉及宽带电力通信系统PLC和无线通信融合技术，具体涉及一种电力线通信系统中PLC和无线融合传输方法。
背景技术
在低压电力线宽带载波通信系统中，国家电网标准中给出的低压电力线宽带载波通信系统的物理层架构，在发射端，物理层接收来自数据链路层的输入，采用两个分开的链路分别处理帧控制数据和载荷数据。帧控制数据通过Turbo编码后，进行信道交织和帧控制分集拷贝；载荷数据经过加扰、Turbo编码以及信道交织和载荷分集拷贝后，和帧控制数据一起进行星座点映射，映射后的数据经过逆傅里叶变化(IFFT)处理后添加循环前缀形成OFDM符号，加入前导符号进行加窗处理后，形成物理层协议数据单元(PPDU)信号送入模拟前端最终发送到电力线信道中。在接收端，从模拟前端接收到数据协同采用自动增益控制(AGC)和时间同步分别对帧控制和载荷数据进行调整，并对帧控制和载荷数据进行傅里叶变化(FFT)变换后，进入解调、译码模块，最终恢复出帧控制信息的原始数据与载荷的原始数据。
电力线通信系统利用现有电力线作为传输媒介实现数据传输，无需重新构建通信网络，具有成本低、覆盖范围广等优势，然而电力线最初不是为数据传输而设计，利用它传输数据需要解决一系列问题，如频率选择性衰落、突发脉冲干扰，大大影响电网PLC通信能力，加之国内电力线布线交错复杂，使得某些场景PLC电力线不能提供正常通信业务能力，所以采用无线传输在某些场景中将是最佳通信解决方案。
由此，目前常见的解决方案就是将无线和有线PLC电力抄表进行组成，形成双模抄表模式。或是直接采用无线抄表直接替代有线PLC抄表的方案，在现有的低压电力宽带载波通信基础上增加无线通信模块，其解决思路是在PLC电力信号质量好时候采用PLC电力线传输介质传输，在无线信道质量好的时候采用无线信道传输，在电力通信线模块中存在两套独立的物理层。这种方案虽然可以解决有线PLC和无线融合通信问题，但是不能完成有线和无线的分集合并的功能。
因此，亟需一种数据能同时在PLC和无线信道中传输，最后进行分集合并的方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电力线通信系统中PLC和无线融合传输方法，在国家电网提供的低压电力线宽带载波通信技术标准基础上，增加无线传输的功能，支持现有低压电力线宽带载波通信模块的互联互通，同时也可支持无线传输场景的使用。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种电力线通信系统中PLC和无线融合传输方法，如图1所示，该方法包括：
在发送端，统一生成一块完整的物理层协议数据单元(PPDU)帧结构，亦称帧结构数据，该帧结构数据由实部和虚部组成；所述帧结构数据同时分成两路，一路送到PLC电力线模拟前端，另外一路送到无线模拟前端，最终加载到各自的传输信道；其中，PLC电力线模拟前端仅传输帧结构数据的实部，无线模拟前端则将帧结构数据的实部和虚部进行射频调制到载波上，通过无线信道传输；
在接收端，同时接收来自PLC电力线和无线信道上的数据，同时各自完成自动增益控制(AGC)调整和时钟/帧同步，并且利用前导符号进行信道估计，PLC电力线上的前导符号估算出电力信道特征，无线上的前导估算出无线信道特征，然后采用各自的信道特征完成各自的信道均衡(信道补偿)；
经过信道均衡之后，数据根据在帧结构中的位置，分成帧控制数据和载荷数据两个部分；如果接收到的数据是帧控制数据，则经过帧控制对应的解调和解分集拷贝，形成帧控制的分集拷贝数据，然后在数据合并模块中进行合并，并由信道解交织和信道译码，最终解析出帧控制数块内容；
如果接收到的数据是载荷数据，则经过载荷对应的解调和解分集拷贝，形成载荷分集拷贝数据，然后在数据合并模块中进行合并，并由信道解交织和信道译码，以及解扰，最终解析出载荷数据块内容。
进一步，发送端根据低压电力线宽带载波通信标准要求，的帧数据经过星座映射和IFFT，以及循环前缀和加窗操作，形成帧结构中的帧控制和帧载荷两部分数据，然后在帧控制数据前添加前导数据，形成一个完整的帧结构数据。
该帧结构数据适合PLC电力线和无线信道传输，如图2所示。其中PLC电力线传输仅仅传输该帧结构中的实部，并且通过电力线模拟前端将帧结构基带数据加载到电力线上。无线信道传输则需要传输帧结构中的实部和虚部，并且在无线模拟前端模块中将基带信号调制到射频载波信号之后，再通过天线发送到空中。
进一步，接收端根据低压电力线宽带载波通信标准要求分成两路同时接收，即PLC电力线传输专用接收部分和无线传输专用接收部分，如图3所示；所述PLC电力线传输专用接收部分包括电力线模拟前端、定时/帧同步、信道估计，信道均衡，解调以及解分集拷贝模块，用于处理接收来自电力线传输信道上的信号；所述无线传输专用接收部分包括无线模拟前端、定时/帧同步、信道估计，信道均衡，解调以及解分集拷贝模块，用于处理接收来自无线线传输信道上的信号；
接收端在接收信号完成PLC电力线传输专用接收部分处理和无线传输专用接收部分处理之后，形成来自PLC电力线信道和无线信道的分集拷贝数据。
如果接收数据是帧控制数据，则送到帧控制解析支路的解交织和Turbo译码模块，最终得到帧控制数据块；如果接收数据是载荷数据，则送到载荷解析支路的解交织和Turbo译码，以及解扰模块，最终得到载荷数据块。
进一步，所述数据合并模块中采用的数据合并算法包括：(1)平均方法，用于载荷分集合并；(2)选择性合并算法。
进一步，所述选择性合并算法，如图4所示，具体包括以下步骤：
步骤1：接收端接收到数据进行解调，采用软解方式得到每个比特的似然值；然后进行解分集拷贝，则得每个比特的每次分集拷贝的似然值，记为：a_bit_LLRs[copier_num]，其中copier_num表示接收到的比特的分集拷贝次数；
步骤2：对每个比特的似然值求均值，记为a_bit_mean_LLR值；
然后使用该均值求出每个比特的方差值，记为a_bit_deviation_LLR；
a_bit_deviation_LLR[copier_num]
＝|a_bit_LLR[copier_num]-a_bit_mean_LLR|
步骤3：删除a_bit_LLRs中a_bit_deviation_LLR偏离均值较大的似然值，在本发明中选择一个固定比例分集拷贝数剔除；剩余的似然值用于合并的有效似然值，记为a_bit_effect_LLR；
步骤4：将a_bit_effect_LLR分集拷贝的LLR值进行平均计算，得到该比特最终的LLR值。
本发明的有益效果在于：
1)本发明提供了一种完整采用电力线PLC和无线进行融合的通信模式，可同时支持在电力线PLC信道和无线信道上进行传输。
2)本发明是在国家电网提供的低压电力线宽带载波通信技术标准基础上，增加了无线传输的功能，该发明提供方案即可以支持现有低压电力线宽带载波通信模块的互联互通，同时也可支持无线传输场景的使用。
3)本发明提供了有线PLC和无线传输信道的融合传输方案，增加了通信系统的分集拷贝性能，提高了数据传输的可靠性。
4)本发明基于国家电网提供的低压电力线宽带载波通信标准进行增强，在系统设计中，保留了低压电力线宽带载波通信所有功能，在此基础上增加了无线部分，保证产品前向兼容，适合后期进行产品融合和推广使用。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明方法中PLC电力线和无线融合系统框架图；
图2为本发明方法中PLC电力线和无线融合发送端数据处理框图；
图3为本发明方法中PLC电力线和无线融合接收端数据处理框图；
图4为本发明方法中数据合并算法流程图；
图5为本实施例中低压电力载波宽带通信系统双模通信流程框图；
图6为本实施例中双模发送端数据处理框图；
图7为本实施例中双模发送端发送前导数据波形图；
图8为本实施例中双模接收端数据处理框图；
图9为本实施例中帧控制部分分集合并结果；
图10为载荷部分分集合并结果，图10(a)为载荷部分分集合并结果整体图，图10(b)为图10(a)的部分放大图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1～图10，本实施例将本发明方法应用到低压电力线宽带载波双模系统中，具体采用低压电力线宽带载波双模的实现方案。如图5所示，该系统支持电力线PLC单模、无线单模通信，也支持PLC和无线双模通信。其中PLC单模通信满足低压电力线宽带载波通信标准要求，根据本发明方法，在此基础上增加了无线单模通信。
下面将结合国家电网发布的低压电力线宽带载波通信标准要求，具体说明PLC和无线双模通信方案。从发送端和接收端两个角度进行阐述。
发送端由低压电力线载波通信系统帧结构数据生成部分、帧数据、实部、电力线模拟前端、上变频以及天线模块组成。发送端完成通信帧数据在电力线PLC传输介质或是在无线传输介质上进行发送功能，如图6所示。
在本实施例中，发送端的前导数据波形如图7所示。对于电力线部分，其中Txpreamble(P&R)，纵轴real Parts表示帧数据中前导的实数部分，该部分数据即在电力线也在无线上传输；Tx preamble(P)，纵轴Image Parts是电力线PLC上传输的前导虚部，电力线不传输虚部数据，所以全部值为0；Tx Preamble(P)，纵轴Power表示在电力线PLC上发送前导信号的幅度值；Tx fft preamble(P)表示在电力线上发送前导信号的频谱。对于无线部分，Tx preamble(R)，纵轴Image Parts表示在无线上发送前导虚部数据；Tx preamble(R)，纵轴power表示在无线上发送前导信号强度；Tx fft preamble(R)表示在无线上发送前导信号频谱。其中Tx preamble phase table是前导数据，帧数据中的前导由该相位表变化得到。具体可以参考国家电网低压电力线宽带载波技术要求。根据图7所示，由于电力线上仅仅帧数据中前导实数部分，直接丢弃了虚数部分，所以导致频谱的变化。
在双模发送端方案中，如图7所示，低压电力线宽载波通信系统帧结构数据生成模块，完全满足国家电网发布关于低压电力线宽载波通信技术规范关于物理层协议数据单元(Physical Layer Protocol Data Unit，PPDU)数据生成的要求。
发送端将帧数据加载到电力线过程，帧数据由复数组成，即实部和虚部组成，发送端从帧数据中取出实部，通过电力线模拟前端加载到电力线。在PLC电力线通信模式中，没有载波的概念，所以直接将基带的实部数据加载到电力线上进行传输。
发送端将帧数据加载到无线过程，帧数据由实部和虚部组成，通过上变频模块，将信号加载到射频频点上，在该实施例中，采用电力抄表使用的公共频段470～510MHz中的490MHz频点。最终通过天线模块发送到空中。其中上变频模块和天线模块，也称为无线模拟前端。
接收端由三个部分组成，无线信道处理专用部分、PLC信道处理专用模块以及无线信道和PLC信道处理共享部分。
根据本发明提供的传输方法，在本实施例无线信道处理专用部分由电力线模拟前端、AGC调整、时钟/帧同步、信道估计、信道均衡、解调、解分集拷贝以及FFT模块组成，如图8所示。该部分处理和无线通信介质相关的功能。主要是定时/同步和数据解调。解调采用软解方式，得到每个比特的似然值信息。
根据本发明提供的传输方法，在本实施例PLC信道处理专用部分由电力线模拟前端、AGC调整、时钟/帧同步、信道估计、信道均衡、解调、解分集拷贝以及FFT模块组成，如图8所示。该部分处理和电力线通信介质相关的功能。主要是定时/同步和数据解调。解调采用软解方式，得到每个比特的似然值信息。
根据本发明提供的传输方法，在本实施例中无线信道和PLC信道处理共享部分由数据合并、解信道交织、Turbo译码、解扰码组成，最终得到帧控制数据和载荷数据，如图8所示。其中数据合并合并来自电力线和无线传输介质的数据。
在本实施例中，PLC信道的解分集拷贝数据和无线信道的解分集拷贝数据，如果帧控制部分数据，则在数据合并模块，生成信道数据流，送到帧控制解析支路。经过帧控制的解信道交织模块，和Turbo译码得到最终的帧控制数据。
在本实施例中，PLC信道的解分集拷贝数据和无线信道的解分集拷贝数据，如果载荷部分数据，则在数据合并模块，生成信道数据流，送到载荷数据解析支路。经过载荷数据的解信道交织模块，Turbo译码和解扰码得到最终的载荷数据。
在本实施例中，测试采用传输带宽频带0(band0方式)，采用4个OFDM符号传输帧控制内容。传输模式采用TM0模式，具体参数如表1所示(该表格来自国家电网低压电力线宽带载波通信技术标准)。
表1分集拷贝基本模式
本实施例的测试，关于帧控制部分，在数据合并模块中，在PLC电力线传输介质中收到的数据内容如下。a_rx_fc_plc_dediversity_copier_symbol_data，每个比特最多13次分集传输。总计256比特，trace_data纵列表示对应比特接收到分集传输的似然值。行列则表示比特次序。
在实施例中，仅仅前7比特情况。
本实施例的测试，关于帧控制部分，在数据合并模块中，在无线传输介质中收到的数据内容如下。a_rx_fc_radio_dediversity_copier_symbol_data，每个比特最多13次分集传输。总计256比特,trace_data纵列表示对应比特接收到分集传输的似然值。行列则表示比特次序。
在实施例中，仅仅前7比特情况。
在进行数据合并模块中，关于帧控制数据可以合并a_rx_fc_diversity_copier_symbol_data所示。trace_data纵列表示对应比特接收到分集传输的似然值，行列则表示比特次序。
从上面的测试数据中，接收端接收到来自电力线和无线传输介质的传输分集，在数据合并模块中继续合并处理。根据低压电力线宽带载波通信技术标准要求，则每个比特存在12或13次分集传输。总计形成每个比特24到26次的分集传输。
在本实施例中的帧控制数据使用选择性合并算法，首先计算比特分集拷贝的方差值，然后剔除部分方差较大的分集拷贝值，在本实施例中，选择剔除20％的方差值比较大的分集拷贝置，最好将剩余的分集拷贝值求平均，作为该比特的最后的似然值。
为了便于分析，采用图形方式显示，如图9所示，在图9中，diversity copiersymbol data表示接收每个比特的分集似然值情况，纵坐标表示比特似然值，每个比特由24或26个似然值，横坐标diversity bit表示比特次序；combining symbol data表示选择进行合并的似然值，纵坐标表示比特似然值，横坐标diversity bit表示比特次序；combinedsymbol data(eliminate abnormal)表示最终合并的似然值，纵坐标表示比特似然值，横坐标combining bit表示比特次序；
在本实施例中，combined symbol data合并结果的数据，将送到帧控制支路，进行解信道交织和Turbo译码，最终得到帧控制数据。
在该实施例中载荷部分数据，使用平均合并方法，即将比特收到所有的分集进行求平均，使用该平均值作为该比特的似然值。
在实际测试中，a_rx_plc_payload_demodulation_data表示来在电力线传输介质的传输分集数据，其中纵坐标表示比特次序(仅列出前16比特)，横坐标标准分集拷贝次数，在该测试数据中，每个比特4次分集拷贝。
在实际测试中，a_rx_radio_payload_demodulation_data表示来在无线传输介质的传输分集数据，其中纵坐标表示比特次序(仅列出前16比特)，横坐标标准分集拷贝次数，在该测试数据中，每个比特4次分集拷贝。
将电力线分集和无线分集合并之后的数据，a_rx_payload_diversity_copier_symbol_data,每个比特进行了8次分集拷贝。纵坐标表示比特次序(仅列出前16比特)，横坐标标准分集拷贝次数，在该测试数据中，每个比特8次分集拷贝。
为了更加清晰说明分集拷贝合并的情况，如图10所示，其中图10(a)为总体图，图10(b)为了局部细节展示。其中diversity copier symbol data表示分集拷贝合并前数据，纵坐标表示比特分集似然值，横坐标diversity bit表示比特次序；average combinedsymbol表示分集拷贝合并后数据，纵坐标表示比特分集似然值，横坐标combining bit表示比特次序。
最后说明的是，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，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
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