一种跨频带电力线通信频率的自学习方法

一种跨频带电力线通信频率的自学习方法
【专利摘要】本发明涉及跨频带电力线通信的方法，具体涉及一种跨频带电力线通信频率的自学习方法。该方法应用的频率范围为150kHz-12MHz，所述方法包括下述步骤：（1）确定默认工作频率组；（2）采用前导序列对默认工作频率组进行预选择，将无法正确检测到前导序列的默认工作频率筛除，正确检测到前导序列的默认工作频率作为潜在工作频率；（3）在潜在工作频率上，主站与从站间传输控制包，确定最佳工作频率。本发明的方法能够在很宽的频谱范围内自学习最佳频率（中心频点与带宽），因此能够根据实际的信道条件自适应其频率和数据速率，从而提高有效性、扩大覆盖范围，并减少人为干预。
【专利说明】一种跨频带电力线通信频率的自学习方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及跨频带电力线通信的方法，具体涉及一种跨频带电力线通信频率的自学习方法。
【背景技术】
[0002]电力线通信(PLC)信道复杂多变。不同于无线通信系统，在电力线信道上，衰减、干扰等主要电力线信道特性与频率密切相关，具体的，如衰减与电网拓扑、线缆材质、链路距离等密切相关。这种与频率相关的信道特性往往不会随时间快速变化，其仅随网络拓扑等变化而变化，如地埋电力线的衰减随频率与距离增加而变大，这也限制了宽带PLC (BPL)的可传输距离。窄带PLC (NPLC)通常具有较低的衰减，可以传输较远的距离，然而窄带PLC受噪声影响严重(噪声通常随频率增加而指数减少)。单纯的架空电力线即使在较高的频率也具有非常低的衰减；然而，如果架空线连接了一段即便很短的地埋线时，由于反射造成的频率选择性衰减将变得显而易见。通常一个可以用来通信的较小频率窗口是存在的，但这一频率窗口可能与电网结构和线缆材质密切相关。
[0003]因此，由于网络拓扑与部署的差异巨大，我们通常无法预先得知哪个频段是最佳的。所以，真正的最佳频段需要“在线自学习”。
[0004]前沿的PLC技术可以分为使用2兆赫兹以上频段的宽带PLC (BPL)和使用500千赫兹以下的窄带PLC (NPLC)0宽带PLC的代表有OPERA (开放电力线通信研究联盟)和Home-Plug0 ITU-T.G.hn 与 OPERA 技术相似，IEEE1901.1 则采用了 Home-Plug 的大部分技术。窄带PLC系统的代表有PRME和G3。所有这些系统都使用了预先定义的频段。有些系统仅使用单一的频段，如PRME ;而有些系统虽然具有多个工作频段，但需要预先定义工作频段。在工作频段内也具有一些自适应技术，如根据OFDM子载波的信噪比进行自适应比特加载，从而自适应的调整数据速率。
[0005]OPERA在2-34兆赫兹的范围内使用OFDM技术，工作频率带宽为10兆赫兹、20兆赫兹和30兆赫兹，也可通过陷波技术实现5兆赫兹的带宽。然而，对于低压地埋电力线网络，由于在分支节点处的阻抗不匹配引起的电缆衰减和反射可能导致严重的频率选择性衰减，使得只有一个小的频率窗口(如小于I兆赫兹)可以用于通信。在这种情况下，最小可配置带宽为5兆赫兹的OPERA可能无法工作。除了需要一个频率自学习的机制来识别这个可用于通信的小频率窗口，OPERA只能使用2兆赫兹以上的频率也严重的限制了在长距离网络中的应用。PRME使用从47千赫兹和89千赫兹的固定频段。对于低压网络，在低频频段的接入阻抗通常非常小，同时，由于家用电器引起的噪声非常高。因此，无法将工作频段移至较高频率是目前PRME设计的重要缺陷。G3在10千赫兹至500千赫兹之间支持多种频段，然而同样需要预先定义需要使用的工作频段，无法使系统自适应工作频率。同样，由于G3的频率限制在500千赫兹以内，在一些噪声较大的信道环境下，高频频段的优势无法得到发挥。另外，在衰减较小、但对系统延时和系统带宽要求较高的应用场景下，只有支持工作频率在2兆赫兹以上的PLC系统才能够满足要求。[0006]几乎所有的PLC系统都工作在预先设定的频率下。通常一个主站节点在每个频率上发送信标，使从站在其频率上实现同步并注册到网络。然而，由于复杂度的原因，系统往往同时只使用一个频率，如PRME、G3、OPERA、H0MEPUG等。绝大部分PLC系统属于异步包交换网络中。在异步包交换网络中，通常需要在物理层突发的开始位置增加参考信号，用于检测突发数据包的出现和起始位置。PRME使用一个chirp信号作为前导序列使用[7]，Chirp信号具有很好的自相关函数。其他PLC系统，如OPERA、H0MEPLUG和G3使用已知的OFDM符号作为前导序列使用，进行定时和突发数据同步。以上所有PLC系统均在一个已知的工作频率上使用前导序列进行同步，没有一个PLC系统使用前导序列进行多种工作频率的评估和预选择。

【发明内容】

[0007]针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种跨频带电力线通信频率的自学习方法，本发明的方法能够在很宽的频谱范围内自学习最佳频率(中心频点与带宽)，因此能够根据实际的信道条件自适应其频率和数据速率，从而提高有效性、扩大覆盖范围，并减少人为干预。
[0008]本发明的目的是采用下述技术方案实现的:
[0009]本发明提供一种跨频带电力线通信频率的自学习方法，其改进之处在于，所述方法应用的频率范围为150kHz-12MHz，所述方法包括下述步骤:
[0010]( I)确定默认工作频率组；
[0011](2)采用前导序列对默认工作频率组进行预选择，将无法正确检测到前导序列的默认工作频率筛除，正确检测到前导序列的默认工作频率作为潜在工作频率；
[0012](3)在潜在工作频率上，主站与从站间传输控制包，确定最佳工作频率。
[0013]进一步地，所述步骤(I)中，默认工作频率组从以下三个频段中选择:150kHz至500kHz的低频频段、500kHz至1.6MHz的中频频段以及1.6MHz至12MHz的高频频段；低频频段选出的默认频率带宽小于高频频段中选出的默认频率带宽；默认频率带宽选定为互为倍数。
[0014]进一步地，所述步骤(2)中，搜索电力线网络上的两个电力线通信PLC节点间的最佳频率；发送参考信号的节点称为主站，将另一节点称为从站；将主站到从站的链路称为下行链路，将从站到主站的链路称为上行链路；
[0015]在每个默认频率上使用电力线通信的定时方法中定义的前导信号，用于潜在工作频率的初始同步和预选择；
[0016]定义一个包括所有默认频率组前导信号的前导时隙，即PRMBL时隙；其中包括所有默认频率的前导序列，所有前导序列在PRMBL时隙中均位于确定的时间位置，并且无重叠；根据预定的规则排列PRMBL时隙中的前导序列。
[0017]进一步地，根据预定的规则排列PRMBL时隙中的前导序列包括:首先排列带宽相对小和频率相对低的前导序列，将带宽相对大和频率相对高的前导序列排在之后的时间位置上；
[0018]对于给定的频率，下行链路和上行链路采用不同的前导序列用于初始化信令，所述不同的前导序列时间长度相等，自相关特性相同。[0019]进一步地，所述步骤(2)中，所述潜在工作频率包括潜在下行工作频率和潜在上行工作频率。
[0020]进一步地，确定潜在的下行工作频率包括:主站在下行链路以固定的时间间隔发送PRMBL时隙，从站则开始在某一默认工作频率上扫描前导序列，当经过一定时间(由系统帧结构决定，如100毫秒左右)后，如无法在当前频率上检测到前导序列，则切换至下一个默认频率进行检测；当所有默认工作频率被扫描之后，如果仍然无法检测到前导序列，且未收到除扫描前导序列操作的其他操作命令，从站继续循环开始扫描过程；
[0021]如果从站成功的在某一默认工作频率上检测到前导序列，则与下行链路的PRMBL时隙取得同步，获得全部默认工作频率出现的定时信息，根据定时信息，从站将继续评估之后N个连续的PRMBL时隙，用以确定潜在下行工作频率；
[0022]确定潜在的上行工作频率包括:当从站检测到下行PRMBL时隙后，发送上行PRMBL时隙，在时间上，上行PRMBL时隙的位置与下行PRMBL时隙的位置相连；主站已知可能的上行PRMBL时隙的出现时间；主站在已知的时间位置扫描上行PRMBL时隙；同时主站评估N个上行PRMBL时隙以确定潜在上行工作频率。
[0023]进一步地，所述步骤(3)中，上行链路与下行链路使用同一潜在的工作频率，主站与从站协商并最终确定最佳工作频率；
[0024]从站预选择并将潜在工作频率排序后，在上行链路PRMBL时隙中发送选定的潜在工作频率的前导序列，随后在选定的潜在工作频率上向主站发送控制包；
[0025]在传输下行链路PRMBL时隙后传输上行链路PRMBL时隙；在上行链路PRMBL时隙中检测到前导序列后，主站在所检测到的前导序列的频率上顺序接收控制包，成功接收到从站发送的控制包后，主站以原有的相应频率回复确认接收。
[0026]进一步地，由从站排序最优的潜在工作频率上发送控制包，如果从站未能接收到主站以该频率发送的接收确认，则切换到下一个排序次优的频率，直到从站收到主站以与从站相同潜在工作频率上回复确认接收的信号时，停止切换；所述主站与从站传输控制包时相同的潜在工作频率即为最终的最佳工作频率。
[0027]进一步地，所述控制包包括前导序列和控制数据；所述前导序列为一个前导信号，所述控制数据为一个或一个以上的OFDM符号。
[0028]进一步地，主站不必在PRMBL时隙上发送全部前导序列，即发送部分默认工作频率的前导序列，且将不使用的默认工作频率位置留空；
[0029]所述自学习方法采用PRMBL时隙降低相邻电力线通信网络之间的潜在干扰，将默认频率分为不同的子集，不同子集之间的频率没有交集；不同电力线通信网络的主站在相应的PRMBL时隙中使用不重叠的频率子集，用于避免干扰的产生；
[0030]主站选择发送所有默认工作频率子集的前导序列，用于控制实际使用的默认工作频率，优化网络的运行。
[0031]与现有技术比，本发明达到的有益效果是:
[0032]本发明提供的跨频带电力线通信频率的自学习方法，能够在很宽的频谱范围内自学习最佳频率(中心频点与带宽)，因此能够根据实际的信道条件自适应其频率和数据速率，从而提高有效性、扩大覆盖范围，并减少人为干预。本发明提出采用默认频率来进行频率自学习进程。考虑到电力线的信道特性，对于中低压接入网，默认频率一个优选的范围为150kHz至12MHz，覆盖低、中、高频率。此外，默认频率的带宽随频率增加而增加。通过使用默认频率，一方面能够为大多数实际情况提供满意的工作频率，另一方面能够降低频率优化的复杂程度。所提出用于初始频率预选择的PRMBL时隙概念具有以下优点:
[0033]1、如果未能成功检测到某一频率的前导序列，则该频率不适用于通信。因此，基于前导序列的评估，足以排除那些不合格的频率。本发明提出的PLC系统中，默认频率可能选自很宽的频率范围，如150kHz到12MHz之间；同时，电力线信道的特点随频率变化显著，因此，使用短前导信号能够快速筛除那些不适用的频率，不再进行下一步处理。这将显著提高频率搜索处理的速度。前导序列检测所需处理量很小，在降低功耗方面优势明显。
[0034]2、具有固定前导序列位置的PRMBL时隙将提供有效的默认频率定时信息。如果一个PLC节点检测到某一频率的前导序列，则其将获得其余所有频率的前导序列的定时信息。使用一个PRMBL时隙便可以处理所有默认频率的前导序列，从而实现高效的频率搜索处理。
[0035]3、在PRMBL时隙内以特定频率发送前导序列可以用于传递信令。举例来说，从站在向主站进行初始化注册时将用到这一特性。选定工作频率后，从站可以在上行链路PRMBL时隙中仅发送该频率的前导序列，然后在同一频率上发送控制包。一旦主站检测到了某一特定频率的前导序列，则将其视作从站发出的信令，并将进一步在该频率上检测后续控制包。
[0036]4、主站在PRMBL时隙内以特定频率组发送前导序列可进一步用于控制收敛时间。主站首先发送一小部分默认频率的前导序列，以便网络快速收敛。如果仍存在这些频率未覆盖的PLC节点，主站能够依次向PRMBL时隙添加其他频率，从而在网络中覆盖余下的PLC节点。在大多数情况下，使用一部分频率足以覆盖一个PLC网络。仅有个别PLC节点可能出现较差的链路状况，从而需要额外的频率。
[0037]5、在PRMBL时隙内以特定频率发送前导序列可进一步用于降低相邻PLC网络之间的潜在干扰。相邻PLC网络的主站可选择在PRMBL时隙内在相互正交的频率上发送前导序列，从而避免网络之间可能的干扰。
【专利附图】

【附图说明】
[0038]图1是本发明提供的自学习方法PLC系统的频率覆盖范围图；
[0039]图2是本发明提供的一种从站用于在选择频率上进行初始注册的控制包结构示意图；
[0040]图3是本发明提供的默认频率的前导(PRMBL)时隙结构示意图；其中每个前导序列在PRMBL时隙中位置固定；
[0041]图4是本发明提供的基于前导序列的上下行初始频率选择过程示意图；
[0042]图5是本发明提供的上下行链路使用同一频率时的频率搜索过程图；
[0043]图6是本发明提供的跨频带电力线通信频率的自学习方法的流程图。
【具体实施方式】
[0044]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步的详细说明。
[0045]本发明提供一种具有根据信道条件自学习并自选择工作频率的自学习方法，由于PLC系统的工作频率(中心频点与带宽)可以在很宽的频谱范围内选择，因此PLC系统具备在各种不同的网络环境与信道条件下调整工作频率以保证正常工作的可能性。不失一般性，通常用于中低压接入网的频率范围为150kHz至12MHz，其中覆盖了 150_500kHz的低频频段、500kHz-l.6MHz的中频频段以及1.6MHz-12MHz的高频频段(即跨频段)。
[0046]对于在优选的频率范围内(如150kHz-12MHz)的PLC接入网络，本发明采用了一种新型的数字前端(DFE)设计，其具有很高的动态范围、带外干扰抑制能力，并且支持在如150kHz至12MHz的宽频带范围内进行不同带宽(如从7.8kHz至IOMHz)的OFDM信号配置。本发明使用前导序列相关/同步方法在较多可能的工作频率中进行预选择，进一步缩小可使用的工作频率范围。本发明对前导序列和与其相关的同步方法具有较高要求。前导序列和同步方法可作为一个优选，其采用多种专门技术用于减少强脉冲噪声、窄带干扰以及多径传输的影响。
[0047]本发明基于一组从宽频带范围内选择的具有不同带宽的默认频率，对最佳工作频率的自学习过程分为两个步骤。第一步的目的是快速的在宽频带范围内的较多指定频率中识别出一些可能的工作频率。这是基于对相应的前导序列的检测实现的。这种方法包括一个接收信号与前导序列的相关操作，以及一系列用于对抗电力线信道中的如脉冲噪声、窄带干扰以及多径传输等特殊现象所进行的信号处理操作。只有成功经过前导检测的频率才可以进行第二步。在第二步中，PLC节点间在选中的频率上进行控制数据交换，并最终确定工作频率。
[0048]为了快速有效的进行潜在工作频率预选择，本发明提出一种称为前导时隙或PRMBL时隙的概念。PRMBL时隙包括全部默认频率的前导序列，并且每个前导序列在时隙中均位于指定的固定位置。主站有规律的发送PRMBL时隙，使得从站可以同步并检测不同频率的前导序列。由于时间位置固定，一旦从站检测到某一频率的前导序列，便可以得到所有其他前导序列出现的定时信息，从而可以非常高效的在需进行频率预选择的所有频率上进行操作。
[0049]在主站与从站建立数据通信连接前，PRMBL时隙也可以用于初始化信令。从站可以在上行链路的PRMBL时隙发送所选频率的前导序列，以通知主站在下一个时间间隔内在该频率上接收控制包。为了使其工作，上行PRMBL时隙应在主站已知的一个时间点上发送。当主站检测到从站发送的这一前导序列时，主站将接收机切换至相应频率，用于接收从站的控制包。从站通过这种方法在优选的频率上向主站发送首次注册请求。
[0050]本发明提供的跨频带电力线通信频率的自学习方法的流程图如图6所示，包括下述步骤:
[0051 ] (I)确定默认工作频率组；
[0052]最佳工作频率从默认工作频率组中选择。默认工作频率也可以进行更新。对服务于智能电网的PLC接入网，默认工作频率组可以从以下三个频段中选择:150kHz至500kHz的低频频段、500kHz至1.6MHz的中频频段以及1.6MHz至12MHz的高频频段。表1给出了一组默认工作频率的例子，分别表示为fl、f2、f3……，其工作带宽依次递减，即Π具有最大的带宽，f2的带宽小于fl，以此类推。同时，低频频段选出的默认频率带宽小于高频频段中选出的默认频率带宽。作为例子，表1给出了各种默认频率下的前导序列时间长度，同样，表1也给出了包含前导序列与一个OFDM符号的控制包的时间长度。[0053]表1:默认频率组示例
[0054]
【权利要求】
1.一种跨频带电力线通信频率的自学习方法，其特征在于，所述方法应用的频率范围为150kHz-12MHz，所述方法包括下述步骤: (1)确定默认工作频率组； (2)采用前导序列对默认工作频率组进行预选择，将无法正确检测到前导序列的默认工作频率筛除，正确检测到前导序列的默认工作频率作为潜在工作频率； (3)在潜在工作频率上，主站与从站间传输控制包，确定最佳工作频率。
2.如权利要求1所述的自学习方法，其特征在于，所述步骤(1)中，默认工作频率组从以下三个频段中选择:150kHz至500kHz的低频频段、500kHz至1.6MHz的中频频段以及1.6MHz至12MHz的高频频段；低频频段选出的默认频率带宽小于高频频段中选出的默认频率带宽；默认频率带宽选定为互为倍数。
3.如权利要求1所述的自学习方法，其特征在于，所述步骤(2)中，搜索电力线网络上的两个电力线通信PLC节点间的最佳频率；发送参考信号的节点称为主站，将另一节点称为从站；将主站到从站的链路称为下行链路，将从站到主站的链路称为上行链路； 在每个默认频率上使用电力线通信的定时方法中定义的前导信号，用于潜在工作频率的初始同步和预选择； 定义一个包括所有默认频率组前导信号的前导时隙，即PRMBL时隙；其中包括所有默认频率的前导序列，所有前导序列在PRMBL时隙中均位于确定的时间位置，并且无重叠；根据预定的规则排列PRMBL时隙中的前导序列。
4.如权利要求3所述的自学习方法，其特征在于，根据预定的规则排列PRMBL时隙中的前导序列包括:首先排列带宽相对小和频率相对低的前导序列，将带宽相对大和频率相对高的前导序列排在之后的时间位置上； 对于给定的频率，下行链路和上行链路采用不同的前导序列用于初始化信令，所述不同的前导序列时间长度相等，自相关特性相同。
5.如权利要求1所述的自学习方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述潜在工作频率包括潜在下行工作频率和潜在上行工作频率。
6.如权利要求5所述的自学习方法，其特征在于，确定潜在的下行工作频率包括:主站在下行链路以固定的时间间隔发送PRMBL时隙，从站则开始在某一默认工作频率上扫描前导序列，当经过一定时间后，如无法在当前频率上检测到前导序列，则切换至下一个默认频率进行检测；当所有默认工作频率被扫描之后，如果仍然无法检测到前导序列，且未收到除扫描前导序列操作的其他操作命令，从站继续循环开始扫描过程； 如果从站成功的在某一默认工作频率上检测到前导序列，则与下行链路的PRMBL时隙取得同步，获得全部默认工作频率出现的定时信息，根据定时信息，从站将继续评估之后N个连续的PRMBL时隙，用以确定潜在下行工作频率； 确定潜在的上行工作频率包括:当从站检测到下行PRMBL时隙后，发送上行PRMBL时隙，在时间上，上行PRMBL时隙的位置与下行PRMBL时隙的位置相连；主站已知可能的上行PRMBL时隙的出现时间；主站在已知的时间位置扫描上行PRMBL时隙；同时主站评估N个上行PRMBL时隙以确定潜在上行工作频率。
7.如权利要求1所述的自学习方法，其特征在于，所述步骤(3)中，上行链路与下行链路使用同一潜在的工作频率，主站与从站协商并最终确定最佳工作频率；从站预选择并将潜在工作频率排序后，在上行链路PRMBL时隙中发送选定的潜在工作频率的前导序列，随后在选定的潜在工作频率上向主站发送控制包； 在传输下行链路PRMBL时隙后传输上行链路PRMBL时隙；在上行链路PRMBL时隙中检测到前导序列后，主站在所检测到的前导序列的频率上顺序接收控制包，成功接收到从站发送的控制包后，主站以原有的相应频率回复确认接收。
8.如权利要求7所述的自学习方法，其特征在于，由从站排序最优的潜在工作频率上发送控制包，如果从站未能接收到主站以该频率发送的接收确认，则切换到下一个排序次优的频率，直到从站收到主站以与从站相同潜在工作频率上回复确认接收的信号时，停止切换；所述主站与从站传输控制包时相同的潜在工作频率即为最终的最佳工作频率。
9.如权利要求7所述的自学习方法，其特征在于，所述控制包包括前导序列和控制数据；所述前导序列为一个前导信号，所述控制数据为一个或一个以上的OFDM符号。
10.如权利要求7所述的自学习方法，其特征在于，主站不必在PRMBL时隙上发送全部前导序列，即发送部分默认工作频率的前导序列，且将不使用的默认工作频率位置留空； 所述自学习方法采用PRMBL时隙降低相邻电力线通信网络之间的潜在干扰，将默认频率分为不同的子集，不同子集之间的频率没有交集；不同电力线通信网络的主站在相应的PRMBL时隙中使用不重叠的频率子集，用于避免干扰的产生； 主站选择发送所有默认工作频率子集的前导序列，用于控制实际使用的默认工作频率，优化网络的运行。`
【文档编号】H04B3/54GK103607222SQ201310616416
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年11月27日 优先权日:2013年11月27日
【发明者】刘伟麟, 歌德.布米勒, 杨冰, 陆阳, 高鸿坚, 李建岐, 陶锋, 赵涛 申请人:国家电网公司, 中国电力科学研究院