用于电网控制的无线通信网络中的自动增益控制的制作方法

本文提出的实施例涉及一种用于在用于电网控制的无线通信网络中进行自动增益控制的方法、包接收器、计算机程序和计算机程序产品。

背景技术：

用于电网控制(例如，变电站自动化)的无线网络需要低延迟和高可靠性。如无线hart(hart是“可寻址远程传感器数据公路(highwayaddressableremotetransducer)”的缩写)或用于工业自动化的无线网络-工厂自动化(wia-fa，industrialautomation-factoryautomation)等当前可用的工业无线标准在这些方面都无法提供很高的性能，因为它们依赖于非优化的物理(phy)通信层。例如，wia-fa基于ieee802.11g/nphy层，其100位包的最小传输时间约为30μs，而目前基于有线局域网(lan)的遵从iec61850的许多电网应用需要的时隙时间为几μs或甚至更低。

ieee802.11中长的传输时间的一个原因在于，在phy层处使用了长前导码序列。然而，ieee802.11中的长前导码用于许多目的，包括自动增益控制(agc)，这对于确保可靠的消息传递至关重要。在这方面，agc用于无线接收器的无线电前端，以自动调整可变增益放大器(vga)的增益设置，使得可以将输入信号的幅值调节到最佳水平，从而减轻如模数转换器(adc)等其他基带处理块的任务。

在传统的agc系统中，vga的增益设置被初始化为标称值，并在一定量的时间(称为稳定时间(settlingtime))之后达到最佳值。在这段时间内，agc处理接收到的前导码的第一样本，然后将所述样本丢弃。对于每个包(packet)重复该过程，因为由不同的发射器接收到的信号具有明显不同的幅值。

因此，每个包中的前导码的持续时间无法低于agc稳定时间，这从根本上限制了可实现的延迟。在当前可用的系统中，通过使用长前导码(例如，如在us20040242177a1中所公开的)或时隙外专用包(例如，如在us20030091132a1和us5524009a中所公开的)来执行vga增益的最佳设置。

因此，仍然需要适合于电网控制的无线通信网络中的改进的自动增益控制。

技术实现要素：

本文的实施例的目的在于，提供一种高效的自动增益控制，其免受上述问题，或者至少上述问题被减少或减轻。

根据第一方面，提出了一种用于在用于电网控制的无线通信网络中进行自动增益控制的方法。所述无线通信网络采用基于时间的包的调度。所述方法由所述无线通信网络中的包接收器执行。所述方法包括从包发射器接收包。所述包包括前导码。所述前导码由单个ofdm符号构成。所述前导码由样本序列表示。所述方法包括在已经将可变增益幅值控制应用于所述样本序列之后，将自动增益控制应用于所述样本序列。所述自动增益控制涉及将lpf应用于受自动增益控制的样本序列。所述lpf选自lps的库。根据所述基于时间的调度，应用哪个lpf取决于从哪个包发射器接收所述包。

根据第二方面，提出了一种用于电网控制的无线通信网络中进行自动增益控制的包接收器。所述无线通信网络采用基于时间的包的调度。所述包接收器包括处理电路。所述处理电路被配置为使所述包接收器从包发射器接收包。所述包包括前导码。所述前导码由单个ofdm符号构成。所述前导码由样本序列表示。所述处理电路被配置为在已经将可变增益幅值控制应用于所述样本序列之后，使包接收器将自动增益控制应用于所述样本序列。所述自动增益控制涉及将lpf应用于受自动增益控制的样本序列。所述lpf选自lps的库。根据所述基于时间的调度，应用哪个lpf取决于所述包是从哪个包发射器接收的。

根据第三方面，提出了一种用于电网控制的无线通信网络中进行自动增益控制的计算机程序，所述计算机程序包括计算机程序代码，当所述计算机程序代码在包接收器上运行时，使所述包接收器执行根据第一方面的方法。

根据第四方面，提出了一种计算机程序产品，其包括根据第三方面的计算机程序、以及其上存储有所述计算机程序的计算机可读存储介质。所述计算机可读存储介质可以是非暂态计算机可读存储介质。

有利地，这提供了有效的自动增益控制。

有利地，所提出的自动增益控制免受上述问题。

有利地，所提出的方法允许有效的包结构，从而实现了低延迟的无线通信。

有利地，使用短前导码使得能够通过避免由如传统agc系统中所需的稳定时间导致的延迟来实现低延迟。

有利地，由于根据基于时间的调度、取决于从哪个包接收器接收每个包来选择要使用哪个lpf，仍然确保了高可靠性自动增益控制。

应注意的是，在适当的情况下，第一方面、第二方面、第三方面和第四方面的任何特征都可以应用于任何其他方面。类似地，第一方面的任何优点都可以分别等效地应用于第二方面、第三方面和/或第四方面，反之亦然。所附实施例的其他目标、特征以及优点将从以下详细公开、从所附从属权利要求以及从附图变得明显。

通常，除非在本文中另外明确定义，否则权利要求中所使用的所有术语都将根据其在技术领域中的普遍含义进行解释。除非另外明确声明，否则对“一个/一种/所述元件、设备、部件、装置、模块、步骤等”的所有提及都将被开放地解释为指所述元件、设备、部件、装置、模块、步骤等的至少一个实例。除非明确声明，否则本文所公开的任何方法的步骤都不必完全按照所公开的顺序执行。

附图说明

现在将通过示例并且参考附图来描述本发明构思，在附图中：

图1是图示了根据实施例的无线通信网络的示意图；

图2示意性地图示了根据现有技术的用于包接收器的自动增益控制；

图3示意性地图示了根据现有技术的包结构；

图4是根据一些实施例的方法的流程图；

图5是示出了根据实施例的用于在包接收器中进行自动增益控制的功能模块的示意图；

图6示意性地图示了根据实施例的输入幅值、输出幅值和增益值；

图7是示出了根据实施例的包接收器的功能单元的示意图；以及

图8示出了根据实施例的包括计算机可读存储介质的计算机程序产品的一个示例。

具体实施方式

现在将在下文中参考附图对本发明构思进行更全面的描述，在附图中，示出了本发明构思的某些实施例。然而，本发明构思可以被实施为许多不同的形式并且不应被解释为限于本文阐述的实施例；相反，通过示例提供这些实施例从而使得本公开将是详尽且完整的，并且将向本领域技术人员充分地传达本发明构思的范围。在整个说明书中，相似的附图标记指代相似的元件。由虚线图示的任何步骤或特征都应被视为是可选的。

图1示意性地图示了本文公开的实施例所应用的无线通信网络100。表示为节点200a、200b、…、200n的网络实体配备有射频(rf)前端，所述前端允许网络实体通过无线网络110进行通信。每个节点可以表示变电站自动化系统的被配置用于交换控制消息的部件，如网关、断路器、电路保护器、变压器、开关装置等。

每个节点200a至200n可以选择性地充当包发射器或包接收器。在不失一般性的前提下，在下文中将假定节点200a将充当包接收器，并且节点200b至200n中的任何一个将充当包发射器。

图2示意性地图示了自动增益控制在包接收器200a中的典型应用。包接收器200a采用反馈agc架构。在该架构中，首先利用功率检测器420测量vga410输出的信号vout的幅值。然后，由agc430处理该值，该agc将该值与目标水平进行比较，并将差馈送到低通滤波器(lpf)。lpf驱动vga410的增益设置，使得vout在一定的稳定时间之后收敛于目标值。

取决于所需的性能和复杂度，可以利用数字或模拟部件来实施功率检测器420和agc430。此外，可以考虑前馈架构，在所述架构中，测量到vga410的输入信号vin并将其馈送到agc430。

无论架构如何，在目前的用于自动增益控制的系统中，vga410的增益在每个不同的包处都会被重新初始化为标称目标值。实际上，输入信号vin的幅值、以及因此达到目标值所需的最佳增益会根据包发射器200b、200c、…、200n与包接收器200a之间的距离、发射功率等而显著不同。因此，每个包包括初始样本序列，所述初始样本序列由用于自动增益控制的系统处理，直到在稳定时间之后达到收敛为止。

作为说明性示例，图3示意性地图示了在ieee802.11g中使用的包300的包结构。包300包括(phy层)前导码310和数据部分320。前导码310包括传统短训练字段(l-stf)部分和传统长训练字段(l-ltf)部分。在ieee802.11g中，将前导码310的l-stf部分的第一短训练序列用于agc。

为了实现在用于电网控制应用的无线网络中交换的短包的低延迟，phy层前导码的大小应保持为小，可能地仅限于单个正交频分复用(ofdm)符号。然而，为了保持良好的可靠性水平，包接收器200a必须还能够仅使用该单个ofdm符号来执行其通常的功能，包括自动增益控制。

因此，本文公开的实施例涉及用于电网控制的在无线通信网络100中进行自动增益控制的机制。为了获得这样的机制，提供了包接收器200a、由包接收器200a执行的方法、包括例如呈计算机程序的形式的代码的计算机程序产品，所述计算机程序当在包接收器200a上运行时使包接收器200a执行该方法。

为了实现低延迟，优化包结构并使用短前导码。此外，为了确保可靠的通信，即使采用短前导码，自动增益控制机制也使用包的调度的认知，这允许简单且可靠的自动增益控制。

图4是图示了用于在用于电网控制的无线通信网络100中进行自动增益控制的方法的实施例的流程图。无线通信网络100采用基于时间的包的调度。所述方法由包接收器200a执行。所述方法有利地被提供为计算机程序820。

假定充当包接收器200a的节点从充当包发射器200b至200n的其他节点之一接收包300。因此，包接收器200a被配置为执行步骤s102：

s102：包接收器200a从包发射器200b至200n接收包300。

包300包括前导码310。前导码310由单个ofdm符号构成。前导码310由样本序列表示。

然后，应用自动增益控制。因此，包接收器200a被配置为执行步骤s106：

s106：包接收器200a在已经将可变增益幅值控制应用于样本序列之后，将自动增益控制应用于样本序列。

基于时间的包的调度使得新的传输一开始(即，包接收器200a一接收到新的包)，自动增益控制就能够在不同的增益值之间快速切换。

在此并行参考图5。图5示意性地图示了根据实施例的自动增益控制在包接收器200a中的应用。如同图2中的包接收器200a，图5的包接收器200a包括vga510、功率检测器520和agc530。然而，图5中的包接收器200a与图2的包接收器200a的不同之处在于配置agc530的方式。

具体地，自动增益控制涉及将lpf532应用于(步骤s106b)受自动增益控制的样本序列。lpf532选自lps532的库。根据基于时间的调度，应用哪个lpf532取决于从哪个包发射器200b、200c、…、200n接收到包300。

现在将公开与在还用于电网控制的无线通信网络中如由包接收器200a所执行的自动增益控制的其他细节有关的实施例。

在一些方面，基于时间的调度基于严格的定时同步(例如，时分多址(tdma))，并由中央实体(例如，无线通信网络100中的网络协调器)来维持，并且在所有节点200a至200n之间分配。以这种方式，每个节点200a至200n都确切地知道其将在何时接收包、以及从哪个包发射器接收包。在图5中，这是通过从定时调度模块540输入到agc530的信息来图示的。

在一些方面，并且如图5的说明性示例中，由vga510应用可变增益幅值控制。特别地，根据实施例，包接收器200a被配置为执行(可选的)步骤s104：

s104：包接收器200a将可变增益幅值控制应用于样本序列，从而产生受可变增益幅值控制的样本序列。然后，将自动增益控制应用于受可变增益幅值控制的样本序列。

在一些方面，agc530针对每个接收到的包300产生单个输出值。因此，根据实施例，应用自动增益控制(如步骤s106中)会针对包300产生一个自动增益控制值。

在一些方面，自动增益控制值会被馈送到vga510。特别地，根据实施例，包接收器200a被配置为执行(可选的)步骤s108：

s108：包接收器200a将自动增益控制值作为控制信号进行馈送。当应用于来自相同包发射器200b、200c、…、200n的下一包300时，在可变增益幅值控制期间使用所述控制信号。

自动增益控制值可以作为反馈输入(如图5的说明性示例中)，或可以作为前馈输入进行馈送。

有利地，自动增益控制的准确度随着先前针对相同包接收器200b、200c、…、200n确定的自动增益控制值的数量而提高。因此，使用lpf532确保了自动增益控制值收敛于其最佳值。这将参考图6在下文中进一步公开。因此，在接收到每个包300之后，可以不重置lpf532的状态。在这方面，滤波器的状态通过相同包发射器200b、200c、…、200n的k个最新的自动增益控制值来定义。特别地，根据实施例，自动增益控制值经由lpf532而取决于相同包发射器200b、200c、…、200n的先前的自动增益控制值。时间调度的知识将允许包接收器200a在lp532的库中选择适当的lpf532，以对刚刚确定的自动增益控制值进行更新。

一般而言，如果包发射器200b、200c、…、200n和/或包接收器200a运动，则与接收到的包相关联的信号强度可能改变，从而改变可变增益放大，并因此改变自动增益控制。因此，在一些方面，在检测到包发射器200b、200c、…、200n与包接收器200a之间的相对运动时，重置lpf532。因此，根据实施例，包接收器200b被配置为执行(可选的)步骤s110：

s110：包接收器200a接收包接收器200a与包发射器200b、200c、…、200n之间的相对运动的指示。

包接收器200a可以有不同的方式来接收相对运动的指示。在一些方面，从高于phy层的协议层接收指示。例如，该指示可以被提供为应用层上的定位信息。

然后，包接收器200a被配置为处于并且响应于此(即，响应于在步骤s112中已经接收到指示)而执行步骤s114：

s114：包接收器200a将lpf532重置为默认状态，其中，在默认状态下，自动增益控制值不取决于任何先前的自动增益控制值。

如以上所指出的，滤波器的状态通过相同包发射器200b、200c、…、200n的k个最新的自动增益控制值来定义。因此，重置滤波器可以包括将滤波器中使用的所有k个最新的自动增益控制值设置为默认值。

在一些方面，并且如图5的说明性示例中，agc530包括至少一个比较器534。特别地，根据实施例，包接收器200a被配置为执行(可选的)步骤s106a：

s106a：包接收器200a在应用lpf之前将应用比较器534应用于受可变增益幅值控制的样本序列。

在一些方面，比较器534被配置为将vout与目标增益值vn进行比较。特别地，根据实施例，应用比较器534(如步骤s106a中)涉及将受可变增益幅值控制的样本序列与目标增益值进行比较。在一些方面，比较器534被配置为确定差d，其中，d＝vn-vout。然后，将lpf532应用于从比较产生的差d。

可能存在不同类型的比较器534的配置。现在将公开与此有关的不同实施例。

在一些方面，agc530包括单个比较器534。特别地，根据实施例，无论从哪个包发射器200b、200c、…、200n接收到包300，都应用一个公共比较器534。这产生了比较器534的简单实施方式(在存储和使用两方面)。

在一些方面，agc530包括比较器534的库。特别地，根据实施例，比较器534选自比较器534的库。这使得能够针对不同的目的定制比较器534的库中的比较器534，并且因此使得能够根据需要灵活地使用不同的比较器534。

可能存在不同类型的多个比较器534库。在一些方面，存在与可能存在的包发射器200b、200c、…、200n一样多的比较器534。特别地，根据实施例，根据基于时间的调度，应用哪个比较器534取决于从哪个包发射器200b、200c、…、200n接收到包300。

在一些方面，存在与可能存在的包发射器200b、200c、…、200n的类型一样多的比较器534。特别地，根据实施例，应用哪个比较器534取决于从哪种类型的包发射器200b、200c、…、200n接收到包300。也就是说，如果包发射器是网关，则可能会选择一个比较器；如果包发射器是断路器，则可能会选择另一个比较器；如果包发射器是电路保护器，可能会选择又另一个比较器，等等。

可能存在不同的方式来实施在agc530中选择要使用哪个lpf532(和哪个比较器534)。如以上所公开的，来自定时调度模块540的信息被输入到agc530。该输入可以用于控制放置在agc530的输入处的开关536a和放置在所述agc输出处的开关536b。因此，根据图5的说明性示例，一个开关536a被放置在比较器534的库的上游，而另一个开关被放置在lpf532的库的下游。因此，开关536a、536b定义了一种如何使选择适当的比较器-滤波器链的示例。如所理解的，如果只存在单个比较器534，则第一开关536a放置在单个比较器534与lpf532的库之间。可以取决于所需的性能和复杂度，通过模拟或数字部件来实施开关536a、536b。

图6中示意性地图示了对于tdma调度，在对m＝n-1个包发射器进行agc之前和之后的信号幅值、以及所应用的增益值(g)的示例。图6(a)、图6(b)和图6(c)示意性地图示了作为时间的函数的vin、vout和g，其中，根据基于时间的调度依次从m个包发射器每次接收一个包。将vin、vout的值与目标增益值进行比较。

从图6中可以看出，应用于如从不同的发射器接收到的连续包的增益值显著变化，这需要agc的快速切换过程。然而，就应用于从特定包发射器接收到的连续包的增益值而言，所述增益值非常相似，根据lpf行为逐渐收敛于最佳值(如图6(c)中的虚线所给出的)。

图7以一定数量的功能单元示意性地图示了根据实施例的包接收器200a的部件。使用能够执行存储在计算机程序产品810(例如，呈图8中的存储介质230的形式)中的软件指令的合适的中央处理器(cpu)、多处理器、微控制器、数字信号处理器(dsp)等中的一个或多个的任何组合来提供处理电路210。处理电路210可以进一步被提供为至少一个专用集成电路(asic)或现场可编程门阵列(fpga)。

特别地，处理电路210被配置为使包接收器200a执行如以上所公开的一组操作或步骤s102至s104e。例如，存储介质230可以存储该组操作，并且处理电路210可以被配置为从存储介质230取得该组操作，以使包接收器200a执行该组操作。该组操作可以被提供为一组可执行指令。

因此，处理电路210由此被布置成用于执行如本文公开的方法。存储介质230还可以包括持久性存储装置，例如，其可以是磁存储器、光学存储器、固态存储器或甚至远程安装的存储器中的任何一个或组合。包接收器200a可以进一步包括通信接口220，所述通信接口至少被配置用于与至少一个包发射器200a至200n进行通信。这样，通信接口220可以包括一个或多个发射器和接收器，所述发射器和接收器包括模拟和数字部件。处理电路210例如通过向通信接口220和存储介质230发送数据和控制信号、通过从通信接口220接收数据和报告、以及通过从存储介质230取得数据和指令来控制包接收器200a的一般操作。包接收器200a的其他部件以及相关功能被省略，以免使本文提出的构思不清楚。

图8示出了包括计算机可读存储介质830的计算机程序产品810的一个示例。在该计算机可读存储介质830上，可以存储计算机程序820，该计算机程序820可以使处理电路210以及与所述处理电路可操作地耦接的实体和设备(如通信接口220和存储介质230)执行根据本文公开的实施例的方法。因此，计算机程序820和/或计算机程序产品810可以提供用于执行如本文公开的任何步骤的装置。

在图8的示例中，计算机程序产品810被图示为如cd(光盘)或dvd(数字通用盘)或蓝光光盘等光盘。计算机程序产品810还可以具体化为如随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦除可编程只读存储器(eprom)或电可擦除可编程只读存储器(eeprom)等存储器，并且更特别地可以具体化为如usb(通用串行总线)存储器、或闪速存储器(如紧凑型闪速存储器)等外部存储器中的器件的非易失性存储介质。因此，尽管计算机程序820在此被示意性地示出为所描绘的光盘上的轨道，但是计算机程序820也可以采用适合于计算机程序产品810的任何方式来存储。

上文已经参考一些实施例大体上描述了本发明构思。然而，本领域技术人员容易理解的是，除以上公开的实施例之外的其他实施例在由所附权利要求限定的本发明构思的范围内同样是可能的。