电力线通信系统中基于ofdm的多频组网方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种电力线通信系统中基于OFDM的多频组网方法，其包括：在子节点中设定一个或多个主节点以及中心节点，物理通信距离相互靠近的子节点构成一个子域，子域内设定一个中心节点；物理通信距离相互靠近的子域为相邻子域，子域间通信需通过中心节点；将通信系统工作频带划分为若干互不相交的子频段；所述子节点在通信时采用OFDMA技术将子域内子节点间通信和子域间中心节点间通信的子频段对应的OFDM子载波设置为有效子载波，其余设置为虚拟子载波。本发明提出的方法可适应多种组网需求，设备成本和复杂度低，能克服现有电力线通信系统中组网方法的缺点，减少通信中冲突和网络信令开销，降低设备间相互干扰，提升网络的系统容量和通信性能。
【专利说明】电力线通信系统中基于OFDM的多频组网方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及数字信号传输【技术领域】，特别涉及一种电力线通信系统中基于OFDM的多频组网方法及装置。
【背景技术】
[0002]近年来，随着现代通信技术的飞速发展，在传输便捷、资源丰富的电力线信道中进行高效数字通信得到了广泛的研究和应用。电力线通信(Power LineCommunications, PLC)有许多优点,例如广泛分布的电力线网、相对低的通信成本以及随处即插即用等。
[0003]目前，很多厂商对电力线通信系统的特点进行了研究和产品开发，电力线通信在学术界也得到了广泛关注，产生了很多标准和产业联盟，例如欧盟的电力线智能电表进化标准(PRME)，由德州仪器、意法半导体等全球多家智能电网行业领导厂商组建的G3-PLC联盟标准，国际电联标准化组织制定的窄带电力线通信ITU-T G.9955标准，以及美国电气与电子工程师协会标准化组织制定的智能电网窄带电力线通信IEEE1901.2标准等等。电力线通信在智能电网行业的产业发展良好，具有规模化应用的广阔前景。
[0004]电力线通信的信道环境恶劣，有严重的衰减以及多种噪声和干扰，例如时域冲激噪声、频率选择性衰落、窄带噪声干扰等，最新电力线通信标准均采用正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplex, 0FDM)技术克服多种不利因素。另外，电力线中的设备数量和种类众多，网络拓扑结构复杂、变化频繁。这些都对电力线通信的质量和效率造成显著影响，给传统的通信组网方法带来了许多问题。当电力线通信系统的用户子节点数量增多、网络规模扩大时，传统的电力线通信系统中固定的、单层的、简单的组网模式将导致子节点间通信冲突多发、网络控制开销大等问题，传统的频谱资源分配和接入方法将受到严峻挑战。必须有灵活、合理并且高效的组网方案，以较小的开销和成本，适应电力线系统复杂多变的拓扑结构，降低设备间的干扰，提高系统容量和通信性能。
[0005]现有传统的电力线通信系统中的组网方案存在许多问题，许多方面有待改进。在组网模式方面，传统的自组织网络组网模式(例如无线自组织网络Ad-Hoc网络)存在诸多问题，例如路由经常中断、控制开销大等缺点，只适合中小型网络；传统的分级组网模式(即存在不同等级的节点、有中心节点和普通节点的网络)，子节点之间的通信需要分层级转发，存在响应时间较长的问题，设备在紧急情况下无法及时将信息上报。另外，这两种传统组网模式均使用单频段通信或固定在一个工作频段，易于发生冲突，降低系统效率。
[0006]同时，在频率分配模式方面，传统电力线通信系统也存在问题。对于传统的单频点工作模式，相近子节点、相邻小区的同频干扰严重，电力线信道中的冲突严重，影响系统容量和性能。对于多频点工作模式，目前窄带电力线通信系统的工作频带范围一般在20?500kHz，对于50kHz左右带宽的窄带应用而言，多个频点的组网模式是切实可行的。然而，当前电力线通信系统的子节点大部分采用模拟变频的设计方式，每个子节点需要设计制作对应多个频带的多个变频单元和模拟前端，导致设备复杂度和组网成本很高。另外，如何避免通信距离接近的设备使用相同或邻近的频率而导致相互干扰，也是目前存在的多频组网需要解决的重要问题。
[0007]为实现电力线通信系统中灵活高效的多频组网，本专利提出了一种电力线通信系统中基于正交频分复用的虚拟子载波技术进行多频组网的方法。该方法可以利用正交频分多址接入技术，每个子节点仅需一个模拟前端，利用同一个OFDM系统工作频带，灵活地进行数字变频，大大节约了成本，降低了设备复杂度和实现复杂度。同时，能够克服上述传统组网方案中存在的组网模式、频率分配模式的缺点，可适应多种通信环境和组网需求，有效提升电力线通信网络的系统容量和通信性能。
【发明内容】
[0008](一)要解决的技术问题
[0009]本发明要解决的技术问题是:如何提供一种电力线通信系统中基于正交频分复用技术的多频组网方法及装置，该方法及装置实现的多频组网方法可适应多种通信环境和组网需求，具有组网灵活、频谱利用率高、设备成本和实现复杂度低等优点，能克服现有电力线通信系统中组网方法的缺点和不足，有效减少通信冲突和网络控制开销，降低设备相互干扰，提升电力线通信网络的系统容量和通信性能。
[0010](二)技术方案
[0011]为解决上述问题，本发明提供一种电力线通信系统中基于OFDM的多频组网方法，包括:在子节点中设定一个或多个主节点以及中心节点，其中，物理通信距离相互靠近的子节点构成一个子域，子域内设定一个中心节点；物理通信距离相互靠近的子域为相邻子域，子域间通信需通过中心节点；根据频谱规划要求，将通信系统工作频带划分为若干互不相交的子频段；所述子节点在子域内通信时采用正交频分多址(OFDMA)技术，将子域内子节点间通信占用的子频段对应子载波设置为有效子载波，其余设置为虚拟子载波；所述中心节点间在通信时采用正交频分多址(OFDMA)技术，将子域间中心节点间通信占用的子频段对应子载波设置为有效子载波，其余设置为虚拟子载波。
[0012]优选地，所述子域的构成为:由主节点进行划分，主节点用于网络控制和与外界网络的信息交互；或者，由所述子节点根据物理通信距离自组织划分。
[0013]优选地，当所述子节点中的发送子节点和接收子节点所在的子域是不相邻子域时，通过所述相邻子域的子节点进行中继和转发。
[0014]优选地，所述子频段的分配接入模式为:由所述主节点为各子域预先分配子域内通信子频段和子域间通信子频段进行通信；或者，由所述子节点实时自主侦听能够使用的子频段进行接入和通信。
[0015]优选地，由所述主节点为各子域预先分配子域内通信子频段和子域间通信子频段进行通信时，预先分配的方式为:以正交频分多址结合时分多址(TDMA)的方式分配时域、频域资源，允许不同子节点通过时分多址的方式同时使用一个或多个子频段；或者，以正交频分多址结合频分多址(FDMA)的方式分配频域资源，各个子节点每次通信仅占用一个子频段。
[0016]优选地，以正交频分多址结合频分多址的方式分配频域资源时，所述相邻子域使用的所述子域内通信子频段不同，且在频谱上不相邻；每一个子域与不同的相邻子域间通信使用的子频段不同，每一个子域与其相邻子域间通信使用的子频段与该子域内通信使用的子频段不同。
[0017]优选地，由所述子节点实时自主侦听能够使用的子频段进行接入和通信时，时域、频域资源的侦听方式为载波侦听多址接入(CSMA)，或者时分复用接入(TDMA)。
[0018]优选地，所述OFDM 技术为 TDS-OFDM、CP-OFDM 或 ZP-OFDM 技术。
[0019]优选地，所述子节点发送信号包括:待传输信号依次经过扰码、编码、映射、交织、组帧、后处理、上变频和滤波处理；所述子节点接收信号包括:待传输信号依次经过滤波、下变频、预处理、解帧、解交织、解映射、解码、解扰处理。
[0020]本发明还提供了一种电力线通信系统中基于OFDM的子节点多频组网装置，包括:子节点子域识别模块，用于使子节点通过主节点提供的信息或者自主根据与其他子节点的物理通信距离，识别所在子域；子域中心节点设置模块，用于使所述子节点根据所述子域的结构模式，与相同子域内的子节点协同，选择设置其所在子域的中心节点；子节点子频段选取模块，用于使所述子节点通过所述主节点预分配的方式或者自主侦听的方式，选取其所在子域的子域内通信子频段；子节点通信模块，用于将子节点通信所需的所述子频段对应子载波设置为有效子载波，其余设置为虚拟子载波，完成信号的发送和接收处理。
[0021](三)有益效果
[0022]本发明电力线通信系统中基于正交频分复用技术及其虚拟子载波技术，结合电力线通信系统信道环境和系统架构特点，提供了一种用于电力线通信系统中的基于正交频分复用技术的多频组网方法及装置，该方法及装置实现的多频组网可适应多种通信环境和组网需求，具有组网灵活、频谱利用率高、设备成本和实现复杂度低等优点，可以充分合理利用工作频带，提升通信有效性，减少冲突和控制冗余，降低系统中设备的相互干扰，提升电力线通信网络的系统容量和通信性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1为依照本发明一种实施方式的电力线通信系统中基于正交频分复用技术的多频组网方法流程图；
[0024]图2为依照本发明一种实施方式的电力线通信系统中基于正交频分复用技术的多频组网网络结构图；
[0025]图3为依照本发明一种实施方式的电力线通信系统中基于正交频分复用技术的多频组网子频带分配接入示意图；
[0026]图4为依照本发明一种实施方式的电力线通信系统中基于正交频分复用技术的多频组网装置的结构图；
[0027]图5为依照本发明实施例1的电力线通信系统中基于正交频分复用技术的多频组网网络结构图；
[0028]图6为依照本发明实施例1的电力线通信系统中基于正交频分复用技术的多频组网子频带分配接入示意图；
[0029]图7为依照本发明实施例2的电力线通信系统中基于正交频分复用技术的多频组网网络结构图；
[0030]图8为依照本发明实施例2的电力线通信系统中基于正交频分复用技术的多频组网子频带分配接入示意图；
[0031]图9为依照本发明实施例3的电力线通信系统中基于正交频分复用技术的多频组网网络结构图；
[0032]图10为依照本发明实施例3的电力线通信系统中基于正交频分复用技术的多频组网子频带分配接入示意图；
[0033]图11为依照本发明实施例3的电力线通信系统中基于正交频分复用技术的多频组网网络结构图；
[0034]图12为依照本发明实施例3的电力线通信系统中基于正交频分复用技术的多频组网子频带分配接入示意图。
【具体实施方式】
[0035]下面结合附图和实施例，对本发明的【具体实施方式】作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0036]如图1所示，依照本发明一种实施方式的电力线通信系统中基于正交频分复用技术的多频组网方法包括步骤:
[0037]S1、在子节点中设定一个或多个主节点以及中心节点，其中，物理通信距离相互靠近的子节点构成一个子域，子域内设定一个中心节点；物理通信距离相互靠近的子域为相邻子域，子域间通信需通过中心节点；
[0038]依照本发明一种实施方式的电力线通信系统中基于正交频分复用技术的多频组网网络结构图如图2所示。整个网络设定一个主节点m。网络中含有多个子节点，标记为:
`a。，a”a2, a3, b0, b” b2, b3, c0, C1, C2......。若干物理通信距离相互靠近的子节点构成一个子
域，网络中一共构成N个子域，标记为:子域A，子域B，子域C，......。其中，子域A包含的
子节点为a” i=0, I, 2，…，子域B包含的子节点为by j=0, I, 2，…，子域C包含的子节点为ct, t=0, I, 2，...,依此类推。
[0039]子域划分模式有两种选择:D1_由主节点划分子域；D2_由各子节点根据物理通信距离自组织划分子域。在Dl模式下，主节点用于网络控制和与外界网络的信息交互，主节点根据各节点的位置信息和相互之间的物理通信距离信息，进行综合分析，得出子域划分方法，并将整个网络的所有子节点划分为子域A，子域B，子域C，……。在D2模式下，网络中各子节点检测周围物理通信距离邻近的子节点，通过自组织的方式形成若干子域，即EL1, 1=0, I, 2，…形成子域A, bj, j=0, I, 2，…形成子域B,等等,形成子域后告知主节点和全网其他子节点，完成子域的划分。
`[0040]当发送子节点和接收子节点所在子域是不相邻子域时，通过相邻子域的中心节点进行中继和转发。即当子域X与子域Y不相邻时，在子域X中的子节点Xi作为发送端，向子域Y中的接收子节点Yj传输信号，需要经过一系列相邻子域中心节点的转发，即信号应该依次经过以下子域发送:子域X —子域Z1 —子域Z2 —…一子域Zn —子域Y，其中发送子域序列里相邻的子域在物理通信距离上必须是相邻子域。
[0041]子域间子节点通信需要通过中心节点转发，每个子域内的中心节点用下标O表示，如子域A的中心节点用a。表示，当子域A的子节点a” i古O需要向子域B的子节点
b,,j Φ O发送信号时，需要经过子域A的中心结点％和子域B的中心节点k转发，即信号传输路径为Si — aQ — bQ — bj。
[0042]S2、根据频谱规划要求，将通信系统工作频带划分为若干互不相交的子频段；
[0043]如图3所示，依照本发明一种实施方式的电力线通信系统中基于正交频分复用技术的多频组网子频段划分和分配方法，包含以下几个方面内容:
[0044]将多频组网系统工作频带划分为若干个子频段，如图3所示的子频段1、子频段
2、…子频段K。多频组网系统工作频带的范围应不大于OFDM系统带宽，即如图3中所示的子频段1、子频段2、…子频段K的带宽之和应不大于OFDM系统带宽；
[0045]子频段分配接入模式有两种选择:M1，即由主节点为各子域预先分配子域内通信子频段和子域间通信子频段进行通信；M2，即由各子节点实时自主侦听可以使用的子频段进行接入和通信；
[0046]在所述Ml模式下，子频段的预先分配方式有两种:M11，即以正交频分多址结合时分多址(TDMA)的方式分配时域、频域资源，允许不同子节点通过时分多址的方式同时使用一个或多个子频段；或者，M12，即以正交频分多址结合频分多址(FDMA)的方式分配频域资源，各个子节点每次通信仅占用一个子频段；
[0047]在所述Mll模式下，不同子节点可以通过时分多址的方式同时分配使用多个子频段，即:子域内子节点间通信或子域间中心节点间通信所使用的子频段可以为系统工作频带中的任意若干个子频段，当某个子频段同时有超过一个子节点或中心节点使用时，通过时分多址的方式对该子频段进行接入复用；
[0048]在所述M12模式下，各子域预先分配的子频段有以下具体要求:
[0049]相邻子域使用的子域内通信子频段不同，且在频谱上不相邻:如图2所示，子域A和子域B分配的子域内通信子频段分别为子频段kA和子频段&，则kA，kB e {1,2, 3,-,K}且 kA 关 kB, |kA-kB|>l ；
[0050]每一个子域与不同的相邻子域通信使用的子域间通信子频段不同:例如当子域A与子域X相邻，子域A与子域Y相邻时(X，Ye {B，C，...}，X古Y)，子域A与子域X、子域A与子域Y通信使用的子域间通信子频段分别为子频段kAX和子频段kAY，kAX, kAY e {1,2, 3，…，K}，
则 kAX 幸 kAY ；
[0051]每一个子域与其相邻子域通信使用的子域间通信子频段与该子域使用的子域内通信子频段不同:若子域A与子域X相邻，Xe {B，C，…}，子域A与子域X通信使用的子域间通信子频段为子频段kAX，子域A的子域内通信子频段为子频段kA，kAX，kA e {I, 2，3，…，K}，则kAX幸kA ；
[0052]每个子域与其他子域的子域间通信子频段的带宽之和大于该子域的子域内通信子频段的带宽:设与子域A可以互相通信的子域(与子域A相邻的子域)为子域Xn，Xn e {B, C，D,…}，n=l, 2，…，N,子域A与子域Xn通信使用的子域间通信子频段为子频段
kiX>>，子域A的子域内通信子频段为子频段，kA e {1，2，3，…，K}，则有
[0053]
【权利要求】
1.一种电力线通信系统中基于OFDM的多频组网方法，其特征在于，包括: 在子节点中设定一个或多个主节点以及中心节点，其中，物理通信距离相互靠近的子节点构成一个子域，子域内设定一个中心节点；物理通信距离相互靠近的子域为相邻子域，子域间通信需通过中心节点； 根据频谱规划要求，将通信系统工作频带划分为若干互不相交的子频段； 所述子节点在子域内通信时采用正交频分多址(OFDMA)技术，将子域内子节点间通信占用的子频段对应子载波设置为有效子载波，其余设置为虚拟子载波； 所述中心节点间在通信时采用正交频分多址(OFDMA)技术，将子域间中心节点间通信占用的子频段对应子载波设置为有效子载波，其余设置为虚拟子载波。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述子域的构成为:由主节点进行划分，主节点用于网络控制和与外界网络的信息交互；或者，由所述子节点根据物理通信距离自组织划分。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，当通信中的发送子节点和接收子节点所在的子域是不相邻子域时，通过所述相邻子域的中心节点进行中继和转发。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述子频段的分配接入模式为:由所述主节点为各子域预先分配子域内通信子频段和子域间通信子频段进行通信；或者，由所述子节点实时自主侦听能够使用的子频段进行接入和通信。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，由所述主节点为各子域预先分配子域内通信子频段和子域间通信子频段进行通信时，预先分配的方式为:以正交频分多址结合时分多址(TDMA)的方式分配时域、频域资源，允许不同子节点通过时分多址的方式同时使用一个或多个子频段；或者，以正交频分多址结合频分多址(FDMA)的方式分配频域资源，各个子节点每次通信仅占用一个 子频段。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，以正交频分多址结合频分多址的方式分配频域资源时，所述相邻子域使用的子域内通信子频段不同，且在频谱上不相邻；每一个子域与其相邻子域间通信使用的子频段与该子域内通信使用的子频段不同；每一个子域与不同的相邻子域间通信使用的子频段不同。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，由所述子节点实时自主侦听能够使用的子频段进行接入和通信时，时域、频域资源的侦听方式为载波侦听多址接入(CSMA)，或者时分复用接入(TDMA)。
8.如权利要求1、2、4、5、6或7所述的方法，其特征在于，所述OFDM技术为TDS-0FDM、CP-OFDM 或 ZP-OFDM 技术。
9.如权利要求1、2、4、5、6或7所述的方法，其特征在于，所述子节点发送信号包括:待传输信号依次经过扰码、编码、映射、交织、组帧、后处理、上变频和滤波处理；所述子节点接收信号包括:待传输信号依次经过滤波、下变频、预处理、解帧、解交织、解映射、解码、解扰处理。
10.一种电力线通信系统中基于OFDM的子节点多频组网装置，其特征在于，包括: 子节点子域识别模块，用于使子节点通过主节点提供的信息或者自主根据与其他子节点的物理通信距离，识别所在子域； 子域中心节点设置模块，用于使所述子节点根据所述子域的结构模式，与相同子域内的子节点协同，选择设置其所在子域的中心节点； 子节点子频段选取模块，用于使所述子节点通过所述主节点预分配的方式或者自主侦听的方式，选取其所在子域的子域内通信子频段； 子节点通信模块，用于将子节点间通信采用的子频段对应子载波设置为有效子载波，其余设置为虚拟子 载波，完成信号的发送和接收处理。
【文档编号】H04L27/26GK103457900SQ201310395712
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年9月3日 优先权日:2013年9月3日
【发明者】杨昉, 刘思聪, 宋健, 彭克武 申请人:清华大学