一种电力线载波通讯方法及系统

技术领域

本发明属于电力线载波通讯技术领域。尤其是一种基于时间同步和通讯情况优化的电力线载波通讯方法。

背景技术

电力线载波技术因其不需要额外布线的优点，在各种网络通信领域得到了广泛应用。宽带电力线载波一般会形成以主节点(CCO)为中心，以PCO为中继代理，连接从节点(STA)。主节点可使用信标帧的方式广播系统时间。从节点(STA)根据主节点的信标帧获取并同步系统时间。

现有的电力线载波发送端基本统一采用OFDM调制方式对编码后的数据进行处理并将形成的OFDM信号发送到电力线，接收端从电力线检测到信号后，最终将电力线上的载波信号还原为数据信息。但是OFDM调制方式对频偏和相位噪声比较敏感，功率峰值与均值(PARP)大，导致射频放大器的功率效率较低。因此，在有些情况下，采用其他的调制方式通讯的效率性更高。通讯网络是一个时变非线性网络，网络中的通讯状态受到多种干扰，使得通讯的稳定性和效率无法得到保障。

如图1所示，现有的电力线载波的发送端从数据链路层接收数据，经过系列的信号处理和变换，采用OFDM调制方式对编码后的数据进行处理并将形成的OFDM信号发送到电力线；接收端从电力线检测到信号后，做相应的调制解调处理，最终将电力线上的载波信号还原为解码后数据信息，并发送到数据链路层进行后续协议解析。

在发送端，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帧载荷数据。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；帧载荷数据经过加扰、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IFFT处理后添加循环前缀并加窗处理后形成OFDM符号，加入前导符号后，形成PPDU信号并送入模拟前端，最终发送到电力线信道中。

如图2所示，帧控制数据的处理流程由Turbo编码、信道交织和分集拷贝组成，在物理层OFDM系统中，帧控制符号传输的信息为128比特。发射端，帧控制通过Turbo编码将128比特信息位编码为256比特，再通过信道交织以及分集拷贝对256比特进行交织和拷贝。

帧控制的Turbo编码块长度为PB16，码率为1/2，最终Turbo输出为256比特。其中前128比特是信息码，后面是校验码；帧控制的信道交织单元用于在多次拷贝和传送到信道之前，将Turbo编码器的输出比特位置进行随机化；帧控制的分集拷贝是为了下一步星座点映射的调制方式，将输入的256比特数据拷贝到频域子载波上以便于后续星座映射。

如图3所示，帧载荷数据的处理流程由加扰、Turbo编码、信道交织和分集拷贝组成，具体如下：

S1：帧载荷数据流通过和一个由下面扰码多项式产生的重复伪随机噪声序列进行“异或”运算。

S

如图4所示，在处理每个PB(programblock，数据块)时，扰码多项式的初始值全部置为1，每输入一个数据比特，扰码多项式左移一位，并将它的第3位和第10位做异或运算，输出的结果与输入数据再做异或运算，即可得到输出数据。

S2：帧载荷数据Turbo编码模式支持PB72，PB136，PB264，PB520四种模式。其中PB72，PB136、PB264三种模式支持1/2码率，PB520模式支持1/2码率和16/18两种码率。

Turbo编码器的架构如图5所示。Turbo编码由2个相同的分量编码器(ENC1，ENC2)组成，每输入一对信息比特(u1，u2)，输出系统比特(u1，u2)，和校验比特(p，q)。

Turbo交织器用于将原始数据交织后作为第二个成员码的输入，Turbo交织按照双比特为单位进行，交织器长度等于原始数据块长度的双比特数量；可根据所需码率，对Turbo编码比特进行打孔输出。

S3：Turbo编码后数据保持编码前顺序，信息位在前，校验位在后(校验位p、q交错，p在前，q在后)。信道交织包含信息码交织、校验码交织、信息码和校验码之间的交织、半字节移位：

S4：分集拷贝用于将原始信号进行分集和映射，按照每个PB独立进行处理。当只有分集次数为1时，若最后一个符号的载波没有填满，则从原始数据的第0比特开始，按照顺序对剩余载波进行填充，直至本符号的载波填满。分集拷贝根据所选的模式中不同的拷贝次数，将原始数据按照帧载荷数据分集拷贝过程分别进行处理。

而帧控制数据和帧载荷数据采用不同的映射方式，其中帧控制数据采用QPSK进行映射；帧载荷数据可采用BPSK、QPSK、16QAM进行映射。帧控制数据和帧载荷数据信息采用不同映射方式在每个数据子载波上所能承载的比特数如下表所示：

QPSK：四相相移键控，一个符号代表2bit；用四个相位分别代表″00″、″01″、″10″、″11″，在一定程度上能同时保证信号传输的效率和误码性能；

BPSK：二相相移键控，一个符号代表1bit；用两个相位分别表示″0″和″1″，误码率低，但信号传输效率不高；

16QAM：正交幅度调制，一个符号代表4bit；传输效率高，但误码率也较高。

三种映射方式的星座图如图6所示。

不同的调制方式会产生不同的传输效果(传输效率、误码率等)，现有技术的调制方式通常是选择固定的调制方式，为了满足信号要求，通常会设定一定的冗余，导致性价比不高。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种电力线载波通讯方法及系统，旨在通过动态选择调制方式，在满足信道需求的同时提高性价比。

本发明实施例中，提出一种电力线载波通讯方法，其包括：

通讯节点在同步系统时间后，开始记录各个时间点与其周围的邻居节点之间的载波信道特性；

通讯节点采用卡尔曼滤波器根据当前时间点的载波信道特性预测预测下一个时间点的载波信道特性；

通讯节点在特定的时间点需要通讯时，根据预测的载波信道特性，选择最合适的调制方式。

本发明实施例中，通讯节点采用卡尔曼滤波器根据当前时间点的载波信道特性预测预测下一个时间点的载波信道特性，包括：

S1：建立预测模型；

S2：计算根据t-1时刻的最优估计值，计算t时刻的先验估计值：

其中，

S3：计算t时刻先验估计值的协方差：

其中，P

S4：更新卡尔曼系数：

其中，K

S5：更新t时刻最优估计值：

S6：更新t时刻最优估计值的协方差：

S7：重复步骤S2-S6，计算t+1时的最优估计值。

本发明实施例中，所述载波信道特性包括信噪比、接收信号强度指示、通信成功率、通信衰减率、信道占用率。

本发明实施例中，所述调制方式包括载波的编码码率、星座点映射方式、信道交织编码模式、Turbo编码模式和分集拷贝次数。

本发明实施例中，通讯节点根据预设的载波映射表选择最合适的调制方式，所述载波映射表中包括多种调制方式，预先对每种调制方式的载波的编码码率、星座点映射方式、信道交织编码模式、Turbo编码模式和分集拷贝次数进行设置。

本发明实施例中，还提供了一种电力线载波通讯系统，其包括主节点和多个从节点，所述主节点使用信标帧的方式广播系统时间，所述从节点根据主节点的信标帧获取并同步系统时间，

所述从节点在获取并同步系统时间后，开始记录各个时间段与其周围的邻居节点之间的载波信道特性；

所述从节点采用卡尔曼滤波器根据当前时间点的载波信道特性预测预测下一个时间点的载波信道特性；

在特定的时间点需要通讯时，所述从节点根据预测的载波信道特性，选择最合适的调制方式。

本发明实施例中，所述从节点采用卡尔曼滤波器根据当前时间点的载波信道特性预测预测下一个时间点的载波信道特性，包括：

S1：建立预测模型；

S2：计算根据t-1时刻的最优估计值，计算t时刻的先验估计值：

其中，

S3：计算t时刻先验估计值的协方差：

其中，P

S4：更新卡尔曼系数：

其中，K

S5：更新t时刻最优估计值：

S6：更新t时刻最优估计值的协方差：

S7：重复步骤S2-S6，计算t+1时的最优估计值。

本发明实施例中，所述载波信道特性包括信噪比、接收信号强度指示、通信成功率、通信衰减率、信道占用率。

本发明实施例中，所述调制方式包括载波的编码码率、星座点映射方式、信道交织编码模式、Turbo编码模式和分集拷贝次数。

本发明实施例中，所述从节点根据预设的载波映射表选择最合适的调制方式，所述载波映射表中包括多种调制方式，预先对每种调制方式的编码码率、星座点映射方式、信道交织编码模式、Turbo编码模式和分集拷贝次数进行设置。

与现有技术相比较，采用本发明的电力线载波通讯方法及系统，从节点在获取并同步系统时间后，开始记录各个时间段与其周围的邻居节点之间的载波信道特性，并采用卡尔曼滤波器根据当前时间点的载波信道特性预测预测下一个时间点的载波信道特性，在特定的时间点需要通讯时，从节点根据预测的载波信道特性，选择最合适的调制方式，从而可以在满足载波信道特性需求的同时，选择最具性价比的调制方式，提高了通信效率，节省了通信成本。

附图说明

图1为现有技术的电力线载波通信的发送端的结构示意图。

图2为帧控制数据的处理流程图。

图3为帧载荷数据的处理流程图。

图4为对帧载荷数据进行加扰处理的示意图。

图5为Turbo编码器的架构图。

图6为三种映射方式的星座图。

图7为本发明的电力线载波通信网络的结构示意图。

图8为MAC层协议数据单元MPDU的结构示意图。

图9为本发明实施例提供的电力线载波通讯方法的流程图。

图10为本发明实施例提供的载波映射表的示意图。

图11为本发明实施例提供的电力线载波通信的发送端的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，以下结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。应当理解，以下具体实施例仅用以解释本发明，并不对本发明构成限制。

如图7所示，本发明实施例提供的电力线载波通讯网络为一个主节点(CCO)和多个从节点(STA)组成的多级树形网络结构，其中作为中继节点的STA被称为PCO。

宽带载波通信使用基于信标帧的信道访问机制，主节点(CCO)周期性的发送信标帧进行网络管理。信标帧结构如图8所示。MPDU是MAC层协议数据单元，由MAC子层提供给物理层，在不同站点的物理层之间传送数据的基本传输单元。MPDU帧中包含帧控制区域和帧载荷区域。对于信标帧来说，帧载荷区域，包含以下内容：信标时间戳、源TEI、分集拷贝模式、OFDM符号数量和相线标识。其中，信标时间戳是发送信标的设备在发送信标时标记的网络基准时间，网络基准时间由CCO维护，全网节点需要和CCO的网络基准时间保持同步。

如图9所示，在本发明实施例提供的电力线载波通讯系统的通讯过程包括步骤S1-S5。下面分别进行说明。

步骤S1：主节点(CCO)使用信标帧的方式广播系统时间。

步骤S2：从节点(STA)根据主节点的信标帧获取并同步系统时间，同步的精度在1秒以内。

步骤S3：从节点(STA)在获取并同步系统时间后，开始记录各个时间点与周围邻居的之间的载波信道特性，包括通讯成功率和信道衰减情况。

步骤S4：从节点(STA)采用卡尔曼滤波器根据当前时间点的载波信道特性预测预测下一个时间点的载波信道特性。

具体地，从节点预测载波信道特性和时间关系，流程如下：

S41：建立预测模型；所述预测模型可以是多元线性回归模型或者其它的预测模型，本发明对此不进行限制；

S42：计算根据t-1时刻的最优估计值，计算t时刻的先验估计值：

其中，

S43：计算t时刻先验估计值的协方差：

其中，P

S44：更新卡尔曼系数：

其中，K

S45：更新t时刻最优估计值：

S46：更新t时刻最优估计值的协方差：

S47：重复步骤S42-S46，计算t+1时的最优估计值。

需要说明的是，载波信道特性X＝{x

步骤S5：在特定的时间点需要通讯时，从节点根据预测出的该时间点的载波信道特性，选择最合适的调制方式。

需要说明的是，所述调制方式包括载波的编码码率、星座点映射方式、信道交织编码模式、Turbo编码模式和分集拷贝次数。不同的调制方式会产生不同的传输效果，例如不同传输效率、误码率和不同的通讯吞吐率，从而得到不同的载波信道特性。特定的时间点需要通讯时，从节点根据预测到的载波信道特性，选择合适的最调制方式，从而在满足载波信道特性的同时，尽可能获得最大的通讯效率。

具体地，如图10所示，本发明实施例中，从节点从预设的载波映射表的索引(TMI)中选择最合适的调制方式，以保证通信信道的稳定，并尽可能获得最大的通讯效率。所述载波映射表中包括多种调制方式，预先对每种调制方式的载波的编码码率、星座点映射方式、信道交织编码模式、Turbo编码模式进行设置。需要说明的是，在所述载波映射表中，PB块大小和PB块数是Turbo编码模式的内容，不同的Turbo编码模式对应不同的PB块大小和PB块数。Copy次数为分集拷贝的次数。可以预先根据常见的载波信道特性要求，来设置不同的调制方式，从而在预测出所需的载波信道特性后，直接采用相应的调制方式即可。

例如，当TMl值为4时，采用的信道交织模式为MR_ROBO_2，PB块大小为136，分集拷贝次数为7，采用BPSK的映射方式，码率为1/2，PB块数为1～4。

如图11所示，本发明实施例的电力线载波通信的发送端节点的结构示意图。发送端在发送数据时，在t时刻，发送端根据卡尔曼滤波器预测的X

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。