一种基于信道质量预测的HPLC双模通信模组及通道切换方法与流程

本发明涉及电力线载波通信，尤其涉及一种基于信道质量预测的hplc双模通信模组及通道切换方法。

背景技术：

1、电力线载波通信（plc）以现有电力线作为传输媒介，无需额外布线，是实现用电信息采集、台区拓扑识别和分布式能源管理的低成本方案。高速电力线载波通信（hplc）与高速射频（hrf）双模通信是解决低压配电网单一hplc模式通信盲区问题的重要手段。

2、在阻抗匹配方面，为应对电力线阻抗的动态变化，已有技术提出了在电力线侧设置pin二极管开关与可调电容阵列构成自适应阻抗匹配网络。然而，该技术方案存在以下工程缺陷：（1）匹配网络若位于电力线侧，开关器件需承受220v高压及浪涌冲击，市场上缺乏同时满足高压耐压、低导通电阻、高频特性和快切换速度的合适器件；（2）pin二极管开关的导通电阻（典型值1~5ω）和寄生电容会污染匹配网络参数，影响匹配精度；（3）可调电容阵列与可调电感的组合导致bom成本显著增加，且每块板子寄生参数不一致需逐板标定，量产成本高，难以在成本敏感的应用场景中推广。此外，若采用固定阻抗匹配网络（如按50ω或75ω设计），则无法适应实际线路阻抗的宽范围动态变化，信号发射效率严重下降。

3、在双模通道切换方面，现有双模通信模块大多通过协议层实现通道切换，采用"先失败再切换"的被动策略。该策略在hplc信道质量恶化后才启动切换，导致切换前通信质量已严重恶化、切换延迟长（500ms~2s）、乒乓效应浪费发射功率和时间。

4、针对上述被动切换的缺陷，现有技术提出了基于帧级统计特征（帧误码率、重传次数、ack比例）结合隐马尔可夫模型（hmm）预测信道劣化概率的方案。该方案虽引入了“预测式切换”的概念，但其采用复杂模型进行预测，对soc芯片的算力和存储资源要求较高，在成本和资源受限的嵌入式通信模组中难以实现高效部署。

5、因此，如何在不增加显著硬件成本且不依赖高压器件的前提下，实现hplc通道阻抗的自适应高效匹配，同时通过低计算开销的轻量级预测算法实现低延迟、零丢失的双模通道切换，是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的上述不足，本发明提供了一种基于信道质量预测的hplc双模通信模组及通道切换方法，通过低电压侧双档匹配网络与数字预失真协同补偿，解决了高压侧自适应阻抗匹配器件不可获取且量产成本高的难题；同时通过物理层轻量级趋势预测实现预测式双模通道切换，解决了被动切换延迟大且已有预测方案算力要求过高的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

3、一种基于信道质量预测的hplc双模通信模组，包括：

4、双模通信soc芯片，用于获取物理层信道质量参数，基于所述物理层信道质量参数采用趋势预测算法得到信道质量预测结果，输出匹配档位切换指令、数字预失真系数更新指令和双模通道切换指令；

5、低电压侧双档匹配网络，设于所述双模通信soc芯片的功率放大器输出端与耦合变压器之间，用于接收所述匹配档位切换指令，并根据匹配档位选择对应的匹配网络；

6、数字预失真处理模块，用于接收所述数字预失真系数更新指令与基带发射信号，根据当前匹配档位读取对应的数字预失真系数，对所述基带发射信号进行数字预失真处理；

7、数据缓存与切换控制单元，用于接收所述双模通道切换指令，并将待发送数据缓存至所述数据缓存与切换控制单元包括的双端口缓存随机存取存储器中。

8、进一步地，所述低电压侧双档匹配网络包括两个匹配网络和低压射频开关，各匹配网络均为由固定电感和固定电容构成的π型网络，分别用于匹配所述功率放大器输出端的预设等效阻抗范围；所述低压射频开关连接于所述功率放大器输出端与两个匹配网络之间，用于接收所述匹配档位切换指令，并根据匹配档位选择匹配网络。

9、进一步地，所述数字预失真处理模块采用记忆多项式模型进行数字预失真处理，所述记忆多项式模型的数学表达式为：

10、；

11、式中：为数字预失真处理后的信号；为基带发射信号；为第k阶非线性、第m级记忆深度的数字预失真系数；为非线性阶数；为记忆深度。

12、进一步地，所述数字预失真系数在模组出厂标定阶段按照以下步骤提取：

13、根据所述低电压侧双档匹配网络中的匹配档位，将数字预失真处理模块设置为旁路模式；

14、通过双模通信soc芯片的数模转换通道发射训练信号，同时通过耦合回路采样所述功率放大器输出信号；

15、基于所述训练信号构建基矩阵，基于所述功率放大器输出信号构建观测向量；

16、采用最小二乘法求解所述数字预失真系数，并将求解得到的数字预失真系数写入flash，并启用所述数字预失真处理模块；所述flash用于存储不同匹配档位对应的数字预失真系数。

17、进一步地，所述采用最小二乘法求解所述数字预失真系数表示为：

18、；

19、式中：为数字预失真系数；为基矩阵；为的共轭转置；为观测向量。

20、进一步地，所述双模通信soc芯片输出所述匹配档位切换指令和所述数字预失真系数更新指令的协同时序为：

21、所述双模通信soc芯片暂停当前帧发射，将待发送数据暂存至所述双端口缓存随机存取存储器；所述双模通信soc芯片从flash读取切换后匹配档位对应的数字预失真系数，并向所述数字预失真处理模块输出所述数字预失真系数更新指令；所述双模通信soc芯片通过通用输入输出接口向所述低电压侧双档匹配网络的所述低压射频开关输出所述匹配档位切换指令；等待所述低压射频开关稳定后，所述双模通信soc芯片启用切换后的数字预失真系数，恢复帧发射。

22、进一步地，在数字预失真系数切换过程中，所述数字预失真处理模块采用线性渐变插值方式实现数字预失真系数的平滑过渡：

23、；

24、式中：为渐变过渡过程中第n个采样点实际采用的数字预失真系数；为切换前的数字预失真系数；为切换后的数字预失真系数；为线性权重系数；为预设的渐变过渡采样点数量。

25、进一步地，所述双端口缓存随机存取存储器通过直接存储器访问控制器与所述双模通信soc芯片的数据总线连接。

26、一种基于信道质量预测的通道切换方法，应用于上述所述的基于信道质量预测的hplc双模通信模组，包括如下步骤：

27、s1、通过所述双模通信soc芯片的所述物理层信道质量参数读取接口周期性采集物理层信道质量参数，将所述物理层信道质量参数存入滑动窗口缓冲区，得到历史物理层信道质量参数序列；

28、s2、采用趋势预测算法，基于所述历史物理层信道质量参数序列计算信道质量短期均值和变化趋势，得到信道质量预测结果；

29、s3、根据所述信道质量预测结果，通过所述低压射频开关切换所述低电压侧双档匹配网络的匹配档位，并同步读取与当前匹配档位对应的数字预失真系数，以更新所述数字预失真处理模块所采用的数字预失真系数；

30、s4、根据所述信道质量预测结果判定是否需要进行双模通道切换，当判定需要进行双模通道切换，则缓存当前通道的待发送数据并启用备用通道，执行双模通道切换；

31、s5、在执行双模通道切换后，周期性探测所述当前通道的接收信号强度指示，当所述当前通道的接收信号强度指示恢复正常并持续稳定时间后，切换回所述当前通道，并返回步骤s1。

32、作为优选方案，步骤s2中，所述变化趋势包括信噪比的变化趋势和误包率的变化趋势；

33、步骤s4具体包括：当所述信道质量预测结果满足切换准备条件时，进入切换准备状态，将当前通道的待发送数据复制到所述双端口缓存随机存取存储器中，并预先激活备用通道；其中，所述切换准备条件为信噪比下降趋势超过下降速率阈值，或误包率上升趋势超过上升速率阈值；当所述信道质量预测结果满足切换条件时，执行双模通道切换，关闭当前通道，启用所述备用通道；其中，所述切换条件为信噪比低于信噪比阈值，或误包率高于误包率阈值，或确认帧连续超时。

34、与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

35、1、本发明将匹配网络从电力线高压侧移至功率放大器输出侧的低压侧，采用低压射频开关在两个固定参数的π型匹配网络之间切换，从而规避了高压侧开关器件耐压不足、寄生参数污染网络的工程难题，且无需逐板标定即可量产；在此基础上，匹配档位切换时同步更新数字预失真系数，采用记忆多项式模型对基带发射信号进行预失真处理，以补偿功率放大器因负载阻抗突变而加剧的非线性失真，该数字预失真处理在数字域完成，不增加额外硬件成本即可显著提升发射效率和通信成功率。

36、2、本发明在模组出厂标定阶段一次性提取各匹配档位对应的数字预失真系数并写入flash（闪存），无需逐板校准，解决了量产成本失控的缺陷；在系数切换瞬间采用线性渐变插值方式实现平滑过渡，确保切换过程不影响通信质量。

37、3、本发明摒弃帧级统计特征结合隐马尔可夫模型的重度预测方式，改用物理层实时参数配合滑动窗口和线性外推算法预测未来信道质量，减小计算开销，在资源受限的soc中即可高效运行；当预测到信道质量下降趋势超过阈值时提前进入切换准备状态，缓存待发送数据并预先激活备用通道；当信道质量恶化至阈值时立即执行双模通道切换，切换延迟远优于传统被动切换方案，实现数据零丢失。

38、4、本发明的两个匹配档位共同覆盖hplc工作频段内电力线阻抗的主要变化范围，档位选择逻辑与信道质量预测结果直接联动，根据信噪比和误包率自动切换至适配当前负载场景的匹配档位，无需依赖反射波检测硬件即可完成自适应匹配。

39、5、本发明在切换至备用通道后持续探测原通道的接收信号强度指示，恢复正常后切换回原通道，形成完整闭环，通过“低压侧双档匹配规避高压器件难题、数字预失真补偿档位切换失真、物理层轻量级趋势预测实现低延迟零丢失切换”的协同，在硬件成本增量极小、计算开销可控的条件下，实现了阻抗自适应匹配和通道无缝切换。