基于通信报文精准测距的方法与流程

1.本技术涉及电力线载波通信技术领域，尤其涉及一种基于通信报文精准测距的方法。


背景技术：

2.电力线网络低压台区的物理连接拓扑关系是配电运行、抢修、营销、计量等专业管理的基础，反映了整个铺设线路和设备的连接关系和线路途径的信息。近年来，随着能源转型与电力市场化改革的发展，配网精益化管理要求日益加强，低压台区是智能配电网的重要组成部分。但是长期以来，因为低压台区设备信息维护和用户档案管理的滞后，导致低压台区物理拓扑关系信息存在数据不全、不规范、准确性差等一系列问题，成为提升供电企业运营管理能力和客户服务质量的关键瓶颈。在现实使用过程中，急需一种不依赖于人工录入及数据维护的低压台区拓扑关系的自动识别方法来改善这个现象。
3.设备与设备之间的实际连线距离的测量是解决台区物理拓扑识别的一种重要技术，由于需要测量的是电力线的实际连接距离，因此需要通过沿着电力线传输的信号来进行测量。
4.申请号为cn201120365915.4的实用新型专利所述的高压脉冲测距技术实现装置由高压直流产生电路，脉冲及信号发送控制电路、测距分析电路组成。脉冲及信号发送控制电路的信号通过耦合电路将ofdm数据帧调制电路调制的数据帧调制到高压直流产生电路上，通过电缆连接接口直接加载到待测电缆上；测距分析电路数据帧信号解析，并分析时间戳，计算出电缆短路点的距离。但是该专利的方案主要针对故障测距，不适用于正常运行线路的距离测量。
5.申请号为cn201310611421.3的发明专利“码分多址与正交频分多址信号耦合测距方法、装置及系统”，公开了一种码分多址与正交频分多址信号耦合测距方法、装置及系统，能够减小测距误差，从而提高定位精度。但该专利的方案实现技术复杂度高，需要额外采用码分多址(cdma)技术，不便于低成本推广引用。
6.申请号为cn201910507033.8的发明申请“一种基于电力线载波信号的配电线路测距方法”，利用已经广泛使用的电力线载波通信设备来实现配电线路的测距。该方案使用两个电力线载波通信设备之间的电力线载波通信报文的交互，获取交互报文中两个站点的发送时间戳和接收时间戳来计算报文传输距离；并且该方案使用的信道估计和噪音分析主要是信号衰减估计和测量两端电力线信号噪音，从而根据信号衰减和信号噪音选择最佳测距信号频段。但是该方案仅仅抓住了信号频率色散这一个影响测距的因素，而并没有提及其它2个更重要的因素：一个是电力线载波通信报文接收的帧同步的准确性问题，另一个是电力线载波通信站点之间的时钟频率偏差的问题。
7.已经在全国电力系统普及的电力线载波通信技术采用的是正交频分(ofdm)技术，帧格式中采用了具有独特特征的前导符序列(preamble)作为帧检测、帧同步和信道估计的关键部分。ofdm技术在对抗多径及具有多普勒效应的环境时具有天然的优势，其最重要的
特征在于对于帧同步的误差不敏感，即不要求帧同步时与实际物理帧头完全一致。ofdm通信可以通过循环前缀、信道估计、信道补偿等算法消除帧同步误差带来的同步偏差，从而在较低的信噪比下进行通信，这可以说是ofdm通信技术的一大优势体现。
8.但是在测距时，这个优势就会变成劣势。以现有的电力线载波通信技术为例，标准规定的采样频率和时钟频率都是25mhz，也就是说一个采样间隔为40ns，一个时钟计数间隔也为40ns。因为ofdm技术对帧同步准确性较高的容忍度，其同步点能够允许的同步偏差通常为4个采样点(甚至更高)，那么在确定报文接收时刻的时钟就有可能存在4个采样点(也就是160ns)的时刻偏差。按照电信号速度3*108m/s估算，每40ns的偏差就会引入12米的测量误差，4个样点就会引入48米的测量误差。这个绝对误差值远高于材料色散等因素带来的误差，也是在实际应用中无法接受的。
9.另一方面，报文的发送站点a和接收站点b分别的时钟偏差和频率偏差也是需要计入的因素。在现行电力线载波通信的协议中，要求芯片的系统时钟至少为25mhz，用32位计数器来表征网络基准时钟(ntb，network time base)。原则上，每个站点的本地时钟(lt，local time)应与ntb进行时间同步；但是实际上因为两个站点之间一定会存在或多或少的时钟频率偏差，会导致lt与ntb之间一定会存在一个绝对时间偏差，这个时间偏差与当前时刻距离上一次进行网络时间同步的时间差成正比，也就是说，距离上次进行网络时间同步的越久，lt与ntb的差就会越大。按照网络通信对ntb精度的要求，几十微秒的时间差异是允许的，但是对于测距来说，这个差异更加无法接受，而这个关键点在现有技术方案中也没有提及。


技术实现要素：

10.本技术提供了一种基于通信报文精准测距的方法，其技术目的是提高电力线载波通信的同步精度和时间精度，从而实现通过电力线载波通信报文的精准测距。
11.本技术的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
12.一种基于通信报文精准测距的方法，包括：
13.s1：站点a向站点b发送测距请求报文，所述测距请求报文包括物理帧出现在电力线上的时刻lt
a1
；
14.s2：站点b在本地时间lt
b2
时刻收到所述测距请求报文，若lt
b2
的理论时间表示为t0，站点b收到所述测距请求报文的同步偏差值为t_bso，则lt
b2
＝t0+t_bso；其中，t0＝lt
a1
+t
preamble1
+tt1，t
preamble1
表示站点b收到测距请求报文的时刻到确认同步时的时间间隔，tt1表示测距请求报文的传输时间；
15.同步偏差t_bso的估计通过按如下方式进行推导。当同步点与实际理想同步点完全一致时，其通过前导序列获得的频域信道估计值的子载波之间的线性相位变化接近0；当同步点与实际理想同步点存在1个采样点偏差时，两两子载波之间存在的线性相位差为π/512。那么假设信道估计值中的子载波之间的线性相位为θ，可以推知实际同步点与理想同步点的采样偏差为个采样点，可以推出时间偏差为个采样点，可以推出时间偏差为设信道估计值h(m)，其中m＝m1,m2…mn
为有效子载波，n为有效子载波个数，
则线性相位
16.s3：站点b在本地时间lt
b3
时刻向站点a发送测距响应报文，所述测距响应报文包括lt
b3-lt
b2
以及站点b和站点a之间的频偏值fo；
17.s4：站点a在本地时间lt
a4
时刻收到所述测距响应报文，站点a收到所述测距响应报文的同步偏差值为t_aso，则有：
18.lt
a4
＝lt
b3
+t
preamble_a
+tt2+t_aso＝lt
b2
+dt*fo+t
preamble
+tt2+t_aso
19.ꢀꢀꢀ
＝lt
a1
+t
preamble
+tt1+t_bso+dt*fo+t
preamble
+tt2+t_aso
20.ꢀꢀꢀ
＝lt
a1
+2t
preamble
+2tt+dt*fo+t_aso+t_bso
21.得到：
22.其中，dt表示站点b收到测距请求报文的时刻与发送测距响应报文的时间差，dt＝lt
b3-lt
b2
；t
preamble2
表示站点a收到测距响应报文的时刻到确认同步上的时间间隔，t
preamble1
＝t
preamble2
＝t
preamble
；tt2表示测距响应报文的传输时间，tt1＝tt2＝tt；
23.s5：根据tt得到站点a和站点b之间的距离l
ab
，l
ab
＝tt
·
v；其中，v表示电信号在电力线上的传输速度。
24.本技术的有益效果在于：本技术解决了电力线载波通信同步精度以及时间精度不足导致的两个设备之间距离测量不准确的问题。通过本技术提出的方法可以使用电力线载波通信报文，精确地测量出两个站点(设备)间的物理电力线距离，从而可以准确的反映出整个电力线网络的物理拓扑特征。
附图说明
25.图1为本技术所述方法的流程图；
26.图2为两站点间测距报文的交互流程示意图；
27.图3为接收站点帧同步结果示意图；
28.图4为具体实施例中接收站点信道估计值(复数)示意图；
29.图5为具体实施例中接收站点根据信道估计计算的线性相位示意图。
具体实施方式
30.下面将结合附图对本技术技术方案进行详细说明。
31.图1为本技术所述方法的流程图，如图1所示，该方法包括：
32.s1：站点a向站点b发送测距请求报文，所述测距请求报文包括物理帧出现在电力线上的时刻lt
a1
。
33.s2：站点b在本地时间lt
b2
时刻收到所述测距请求报文，若lt
b2
的理论时间表示为t0，站点b收到所述测距请求报文的同步偏差值为t_bso，则lt
b2
＝t0+t_bso；其中，t0＝lt
a1
+t
preamble1
+tt1，t
preamble1
表示站点b收到测距请求报文的时刻到确认同步时的时间间隔，tt1表示测距请求报文的传输时间。
34.在ofdm符号同步的算法原理上，当接收机收到发送信号时，会根据本地的前导序列与发送帧的前导序列之间的互相关来计算同步峰值。在现行的电力线载波通信通信标准中，接收机最多可以检测到12个同步峰，每个同步峰间隔为1024个采样点(25mhz)，其中第
10个和第11个同步峰在符号上相反的。一般来说，可以用找到连续的两个相反的同步峰来判定帧同步，通过每个峰最大值的采样点位置来确定同步点位置。但是，一方面发送设备与接收设备的时钟的一定会存在相位差，一方面也存在不可避免的多径传输、环境噪声等因素影响接收机同步峰值的位置偏差，导致同步点很难与发送报文保持完全匹配。这些对于ofdm通信的准确性来说影响很小，但是对于测距来说影响很大。
35.从信道估计的算法原理上可以推导，当同步点与实际理想同步点完全一致时，其通过前导序列获得的频域信道估计值的子载波之间的线性相位变化接近0；当同步点与实际理想同步点存在1个采样点偏差时，两两子载波之间存在的线性相位差为π/512。那么假设信道估计值中的子载波之间的线性相位为θ，可以推知实际同步点与理想同步点的采样偏差为个采样点，可以推出时间偏差为
36.设信道估计值h(m)，其中m＝m1,m2…mn
为有效子载波，n为有效子载波个数，则线性相位
37.线性相位的计算公式中，通过对n-1个子载波间相位的求平均来减少噪声和计算精度所带来的线性相位计算误差。线性相位值θ可以用16比特有符号数来表示，那么θ的精度可以达到π/32768，时间偏差δt的精度可以达到0.625ns。因此通过上述方法可以精准的确定接收机在接收报文上的理想时刻(例如确定lt
b2
的理论时间t0)。
38.s3：站点b在本地时间lt
b3
时刻向站点a发送测距响应报文，所述测距响应报文包括lt
b3-lt
b2
以及站点b和站点a之间的频偏值fo。
39.测距请求报文的发送站点a和接收站点b分别的时钟偏差和频率偏差产生的影响也需要在进行消除，因此需要由约定的协议流程来约束测距行为。
40.首先，在发送站点a需要将物理帧出现在电力线上的时刻lt
a1
作为报文内容携带在测距请求报文中。
41.其次，接收站点b在本地时间lt
b2
时刻收到测距请求报文，其理论时间应为t0＝lt
a1
+t
preamble1
+tt1，其中t
preamble1
为设备b收到测距请求报文的时刻到确认同步上的时间间隔，tt1是测距请求报文的传输时间。但是，由于站点b和a之间的本地时间lt一定存在偏差，所以t0≠lt
b2
，站点b需要记录下当前时刻lt
b2
，并且应按照前述的方法利用信道估计值对此时间进行精确的估计和补偿，计算得到t_bso。
42.然后，站点b在本地时间lt
b3
时刻向站点a发送测距响应报文，在测距响应报文中需要携带2个信息：lt
b3-lt
b2
、以及两站点间的频偏值fo。频偏值fo可以通过站点a的信标帧进行估计，一般的估计精度可以达到0.04ppm甚至更高。
43.s4：站点a在本地时间lt
a4
时刻收到所述测距响应报文，站点a收到所述测距响应报文的同步偏差值为t_aso，则有
44.lt
a4
＝lt
b3
+t
preamble2
+tt2+t_aso＝lt
b2
+dt*fo+t
preamble2
+tt2+t_aso
45.ꢀꢀꢀ
＝lt
a1
+t
preamble1
+tt1+t_bso+dt*fo+t
preamble2
+tt2+t_aso
46.ꢀꢀꢀ
＝lt
a1
+2t
preamble
+2tt+dt*fo+t_aso+t_bso
47.得到
48.其中，dt表示站点b收到测距请求报文的时刻与发送测距响应报文的时间差，dt＝
lt
b3-lt
b2
；t
preamble2
表示站点a收到测距响应报文的时刻到确认同步上的时间间隔，t
preamble1
＝t
preamble2
＝t
preamble
；tt2表示测距响应报文的传输时间，tt1＝tt2＝tt；
49.s5：根据tt得到站点a和站点b之间的距离l
ab
，l
ab
＝tt.v；其中，v表示电信号在电力线上的传输速度。
50.综上，按照各部分的精度估算可以看出，t
preamble
的精度为0.625ns，fo的精度为0.04ppm，都远小于系统时钟精度，所以整个测距系统的精度由系统时钟精度决定。电力线载波芯片的系统时钟很容易超过200mhz，因此系统上可以满足5ns(甚至更高)的精度，所以整个测距的精度可以达到1米左右，满足电力线测距的精度要求。
51.本技术的实施例用一个电力线载波通信网络中的2个站点实际报文的交互的实例来说明。在本实施例中只考虑2个电力线载波通信站点a和b，它们分别处于电力线网络中的某个位置，能够通过电力线载波通信方式进行报文交互。在测量两个站点之前，首先需要满足两个站点都已经加入电力线载波通信网络，并且它们之间的时钟频率偏差fo已经由其它已知方式获得，并且站点a和b的时钟频率都为200mhz，报文内携带的时戳的精度都是5ns。按照现行的电力线载波通信协议可以知道t
preamble
＝471040ns。a和b站点之间的测距报文的交互过程如图2所示。
52.当需要测量两个站点之间的距离时，首先由站点a组成测距请求报文，在测距请求报文中携带时间戳lt
a1
，并且保证在站点a时钟的lt
a1
时刻(对应网络时钟的ntb1时刻)将测距请求报文发送到电力线上。
53.站点b在站点b时钟显示的lt
b2
时刻(对应网络时钟的ntb2时刻)收到站点a发送的测距请求报文，并且从测距请求报文内容中解析出时戳lt
a1
。
54.站点b根据当前报文的信道估计对lt
b2
时刻进行校准。
55.假设站点b在接收到站点a发送的测距请求报文时，同步峰的情况如图3所示，实际的同步位置与理想同步点落后了约4个采样点。那么在这种情况下，按照标准的ofdm通信的接收机信道估计，可以得到信道估计值如图4所示，信道估计值的实部和虚部都呈现正弦型振荡。
56.不失一般性，降低电力线载波通信的子载波频段为从80号子载波到490号子载波，根据公式θ(m)＝arctan(h(m)h*(m+1),m＝80,81,
…
489可以计算得到410个相位(弧度)，如图5所示。因为噪声和计算精度的影响，这410个相位值存在一定程度的抖动，因此需要进行平均。按照公式可以得到θ＝0.0267。进一步可以推出采样点偏差为：可以最终得到对lt
b2
的时间补偿为4.35*40＝174(ns)。将这174ns补偿到lt
b2
中，令lt
b2
＝t0+174ns。
57.站点b在测距响应报文中携带dt(dt＝lt
b3-lt
b2
)和ab间的频偏fo信息，并在b站点时钟的lt
b3
时刻(对应网络时钟的ntb3时刻)，将测距响应报文发送给站点a。
58.站点a在站点a时钟的lt
a4
(对应网络时钟的ntb4时刻)收到b站点的测距响应报文。在站点a同样需要对lt
a4
的同步时刻进行校准，(方法与站点b的方法相同，这里就不再赘述)，得到校准后的同步时刻lt
a4
＇。
59.站点a在解析出站点b的测距响应报文中的dt和fo信息以后，根据公式
和l
ab
＝tt.v，计算出a和b之间的距离。
60.以上为本技术示范性实施例，本技术的保护范围由权利要求书及其等效物限定。