一种基于多载波聚合技术的电力线通信系统及通信方法与流程

本发明属于电子、通讯、与信息工程类领域，具体涉及一种电力线通信系统。

背景技术

电力线载波通信(Power Line Communication，简称PLC)利用输电线路为信道介质进行数据传输，是电力系统特有的一种通信方式。电力线通信利用电力系统的资源实现数据通讯，因不需要额外布线具有投资少、见效快的优势受到广泛的关注，但是电力线并不是为数据传输而设计的，电力线路的信道传输条件恶劣，信道的衰减与干扰噪声等参数有很大的时空动态性，使得信号在传输到过程中会出现传输可靠性差，自适应能力低等问题，严重制约着电力线通信的传输速率及传输质量。在当前的电力线通信中，传统窄带电力线通信技术由于电压等级的降使得传输性能变差。载波聚合技术是LTE-A引人的一项关键技术，可以通过聚合2个或多个成员的载波，达到更大的传输带宽，可同时在多个成员载波上进行上行或下行数据传输，提高信号的传输速率及传输质量。

专利CN 112260973 A公布了一种电力载波通信的联合信道估计方法，该方法基于一次信道估计的基础上结合重映射过程、畸变相位检测过程完成二次信道的估计，对第一次信道估计值进行补偿得到最终信道的估计结果，提高通信的传输质量，但是该方法在信噪比降低时，受噪声的影响较大，难以准确的对信道做出估计，在电力线受到严重干扰时，也会降低通信传输质量的下降。专利CN109067508A公布了一种基于量子算法的宽带电力线通信子载波分配方法，该方法结合量子遗传算法，采用动态资源配置的方式进行宽带PLC子载波的优化分配，将电力线信道中多个子载波集合成整体，形成一个子带，在分配时作为一个资源分配单元进行分配，但是这种方法存在配置时收敛时间过早，局部搜索能力不足的问题，影响电力线载波通信的通信性能，制约电力线载波通信性能的提升。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的在于提供基于多载波聚合技术的电力线通信系统及通信方法，通过将多载波聚合技术应用到电力线通信上，在数据传输时，可以将离散的多载波整合起来，作为较宽的频带使用，并通过处理实现离散频带的同时传输，解决现有电力线载波通信的不足，提升数据传输时的效率和可靠性。

技术方案：本发明包括通信终端、电力业务终端、基站和核心网设备，所述电力业务终端通过通信终端与基站连接，电力业务终端对基站进行数据采集与监控调度；所述核心网设备与电力业务终端相连接，核心网设备对电力业务终端的IP数据进行传输；所述通信终端设有空中接口，通信终端通过空中接口与基站连接，且通信终端与基站之间采用载波聚合技术进行数据传输。

所述载波聚合技术为：数据传输时，将每个离散的信道作为一个成员载波，将多个不连续分配的成员载波聚合至连续的信道。

所述通信终端与基站之间的上行信道中预留一个控制信道，通信终端通过预留的控制信道发送数据和调度请求。

所述核心网设备和基站之间的接口包括控制信令的控制面接口和用户面接口，控制面接口用于传送无线接入承载所建立的控制信令，用户面接口提供传输路径和用户面隧道管理信息，以及传输用户数据。

所述空中接口包括物理层、数据链路层和无线资源控制协议，所述物理层提供物理信道资源和数据传输服务，在频率域对离散的频率进行资源和用户划分；所述数据链路层用于建立、维护、释放无线链路，并传输无线链路之间的数据；所述无线资源控制协议为不同的业务面和控制面数据建立各自的承载网。

所述物理层采用NC-OFDM的调制技术和多址方式和TDD的双工模式。

所述核心网设备与电力业务终端之间的接口采用标准LTE SGI接口。

本发明还包括一种基于多载波聚合技术的电力线通信方法，包括以下步骤：

(1)基站接入通讯终端并通过载波聚合技术向通讯终端发送数据；

(2)通信终端向电力业务终端传输数据，为数据传输提供物理信道资源；

(3)电力业务终端进行远程信息采集和监控调度；

(4)核心网设备对电力业务终端的IP数据进行传输。

步骤(1)中，所述基站采用非对称的载波聚合技术向通讯终端发送数据。

所述非对称的载波聚合技术具体包括：基站把i个下行链路的分量载波和j个上行链路的分量载波分解为多个载波聚合集，每个载波聚合集包含1个下行链路分量载波和n个上行链路分量载波，i比j小，每一个下行链路分量载波和其对应的上行链路分量载波形成一个主载波，其余的上行链路分量载波为次载波。

有益效果：本发明与现有技术相比，其有益效果在于：(1)利用多载波聚合技术，将多个离散的载波或者窄带频段聚合在一起，形成一个更宽的频谱，提高频谱的利用率以及传输时的可靠性；(2)根据电力线通信中业务复杂、用户分布广泛且密度大的特点，在信道中预留了一个控制信道，可以实现数据信息的快速传输；(3)提高配用电网的综合能力，支持用电信息的采集等能力；同时解决了电力线载波通信存在的传输时可靠性差，传输速率低，安全性差等问题。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中空中接口的架构图；

图3为本发明中对称与非对称频谱聚合图；

图4为本发明中NC-OFDM发送端调制原理图；

图5为本发明中NC-OFDM频谱聚合原理图；

图6为本发明中控制面接口结构图；

图7为本发明中用户面接口结构图；

图8为本发明中核心网设备与电力业务主站间SGi接口结构图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明的技术方案做进一步详细描述。

如图1所示，本发明包括通信终端、电力业务终端、基站和核心网设备，述电力业务终端通过通信终端与基站连接，电力业务终端对基站进行数据采集与监控调度；所述核心网设备与电力业务终端相连接，核心网设备对电力业务终端的IP数据进行传输；通信终端上设有空中接口，通信终端通过空中接口与基站连接，

如图2所示，空中接口包括物理层、数据链路层和无线资源控制协议。物理层提供物理信道资源，采用NC-0FDM的调制和多址方式和TDD的双工模式，可以提供数据传输服务，同时还具有传输信道的错误检测并提供指示；编码的传输信道与物理信道之间的速率匹配；物理信道的功率控制以及搜索频率和时间同步等功能。

数据链路层负责无线链路的建立、维护、释放、以及链路之间数据的可靠传输，包含3个子层媒体接入控制层(MAC)、无线链路控制子层(RLC)和分组数据汇聚层(PDCP)。(1)MAC层负责从物理信道到逻辑信道的映射，参与随机接入的控制。在数据传输中承担上下行物理资源调度、管理HARQ进程等工作。物理层的测量通过MAC进行上报。(2)RLC层的功能由RLC实体实现，负责对数据进行分组发送和重组接收，由透明模式、非确认模式和确认模式3种传输模式构成，ARQ功能需在确认模式下提供。(3)PDCP层负责对报头压缩，对用户面数据的加密和解密以及对控制面数据的完整性保护和验证。

无线资源控制协议对无线资源控制进行管理，参与控制数据加密解密，数据完整性保护的工作。

通信终端与基站之间进行数据传输的过程中采用载波聚合的方式，载波聚合技术是指对于离散可用的多个宽带或窄带频段，将多个连续或离散载波聚合在一起，形成一个更宽频谱。数据传输时，将每个离散的信道作为一个成员载波，将多个不连续分配的成员载波进行聚合至连续的信道。频谱聚会包含频带内相邻载波聚合、频带内不相邻载波聚合和频带外不相邻载波聚合3种聚合的方式，在本专利中采用的非对称载波聚合，如图3所示，这是因为系统运行时，下行和上行的峰值速率并不相同，而非对称指的是下行与上行有不同的载波数量。通过两种聚合方式的对比，可以发现使用非对称载波聚合可以获得更高的峰值速率，更低的峰均比，减少控制信道，能够满足用户的多样性。可以根据不同的需求和网络规划，通过整合分量载波灵活地扩展频谱带宽，从而达到增加用户的上/下行数据传输速率，减少传输时延；具体为：通信终端和基站之间通过载波聚合传输数据时，基站会把i个下行链路的分量载波和j个上行链路的分量载波分解为多个载波聚合集，每个载波聚合集包含1个下行链路分量载波和n个上行链路分量载波，i比j小，每一个下行链路分量载波和其对应的上行链路分量载波形成一个主载波，其余的上行链路分量载波为次载波，通过此种方式来提高上/下行数据传输速率，减少传输时延，适配不同的模型。为了达到上述效果，须遵循如下原则：(1)载波聚合后，所有可见的参数、设置及使用情况可以在上层看见，对进行离散载波聚合和连续载波聚合将采用同样的后续处理方式。(2)通信终端或电力业务终端具有载波聚合能力，下行链路和上行链路的分量载波数目可以不同。(3)在下行控制信息中，增加载波指示来指示建立物理下行子载波和离散可用子载波的对应关系，并通过下行控制信息来通知终端。(4)在异构网络中，不同载波的干扰情况不同，因此需要进行离散频率聚合时，可以将与干扰管理进行有机结合，选择上下行通信可用的载波进行通信。

采用NC-0FDM进行调制时，宽带载波被划分为N个窄带子载波，这N个子载波除去被关闭的子载波外剩余的子载波相加之和称为NC-OFDM符号，表示为

其中，表示关闭子载波集合。

如图4所示，NC-OFDM发送端调制原理图中，NC-OFDM发送端调制的实现是在OFDM调制过程中增加置零模块，用数据置零的方式来关闭所有非授权频段内的子载波，使得经过关闭子载波操作后剩余的子载波再经过OFDM调制来实现在离散频谱条件下的频谱聚合。具体地，输入的串行数据流用d(k)＝a(k) jb(k)表示，若数据流d(k)对应的调制子载波中心频率为f(k)，则在数据流d(k)之后添置若干个零，长度与d(k)一致，然后再传送数据流d(k 1)，此时d(k 1)不再调制第k 1个子载波，而是调制第k 2个子载波，此时这个子载波中心频率为f(k 2)，这时d(k)之后的若干个零调制来第k 1个子载波，此时有0*cos(2πf(k 1)) 0*sin(2πf(k 1))＝0，则已完成调制的第k 1个子载波频谱是0。这样即可实现关闭子载波的功能，满足离散频谱条件下非授权频段上的子载波必须为零的离散频谱聚合场景要求，达到不占用或干扰非授权频谱的目的。

在同一时刻，所有经置零操作后的NC-OFDM符号总和看作一个NC-OFDM符号x(t)，并以时间间隔△t＝Ts(Ts代表串行符号周期)对其进行采样，得到其离散表达式

式中，m＝O，l，...，N-l。根据奈奎斯特(Nyquist)抽样定理，若把上述信号用△t的间隔经过低通滤波操作后可恢复出原模拟信号x(t)。

将fk＝f0 △f代入(其中，f0＝k/NTs)，则有

此时有序列x[n]＝a(n) jb(n)，n＝0，1，...，N-1的离散傅里叶变换(DFT)与上式大括号内数学表达式一致。

在NC-OFDM的接收端用DFT来实现，取输出的DFT实部，再经D/A变换和滤波操作后即可恢复原模拟信号x(t)，然后可被送入无线信道进行传输。

如图5所示，图中的每一个处理支路对应一个分量载波的生成，每一路分量载波在完成了串并转换，符号映射，资源映射，IFFT插入CP后，便完成了一个分量载波数据的处理，产生了每个子带的基带信号。然后通过上采样和数字混频，将多路数据合并为一路，上采样将每个子带镜像干扰拉远，数字混频将每个子带的基带信号搬移到它对应的频点。最后通过和路来完成最后信号的生成，对多个窄带、离散的授权频段进行频谱聚合。

由于电力线通信具有业务复杂，终端分布广泛且密度大的特点，因此在终端与基站之间的上行信道中预留一个用于发送终端调度请求的控制信道，终端可以通过预留的控制信道发送数据和调度请求(SR)，可以保证每个终端具有主动上报和全双工的能力，平衡控制信道所占用的资源与调度时延的关系，实现对终端的快速调度。

核心网设备与电力业务主站相连接，可以对终端IP地址进行管理，而电力业务终端能够完成数据采集、调度指挥等功能。核心网设备和基站之间有控制面接口和用户面接口两部分组成，控制面接口和用户面接口具体设置在核心网设备上。如图6所示，控制面接口主要用于传送无线接入承载建立相关的控制信令，在应用层使用S1应用协议(SlApplication Protocol，S1-AP)，在传输层使用流控制传输协议(Stream Control Transmission Protocol，SCTP)，用于传送接入网与核心网间的Sl-AP消息。如图7所示，用户面接口主要用于提供路径和用户面隧道管理的信令信息，以及用户数据的传输。接口采用GTP-U协议，在基站与核心网之间进行消息的隧道传输。用户面消息包括用户数据、路径和用户面隧道管理等的信令消息。如图8所示，核心网设备与电力业务主站间采用标准LTE SGi接口，用于完成IP数据的传输。

在设置时采用三层安全加密体系，第一安全层用于终端与基站之间信令和数据的加解密；第二安全层用于基站与核心网设备间信令和数据的加解密；第三安全层用于终端与核心网设备间数据的加解密。