一种基于能效的宽带PLC多入多出收发通信设备的制作方法

本实用新型涉及通信技术领域，特别是指一种基于能效的宽带PLC多入多出收发通信设备。

背景技术：

智能家居是智能电网用电环节的重要标志，是智能电网在用电侧实现信息化、自动化、互动化的重要特征，也是实现“电力流、信息流、业务流”高度统一的主要手段和载体。智能电网的发展使得智能家居的大面积使用成为了可能。宽带电力线载波(power line carrier communication，PLC)是控制智能电网的一个主要通信方式。然而，由于电力系统的基础设施无法提供高质量的数据传输服务，而且每一个家庭的用电量都比较复杂，用电负荷不断变化，因此电力线上网很难保证数据通信的稳定性。众所周知，多输入多输出技术(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)在发射端和接收端分别使用多条通信线路，使信号通过发射端与接收端的多条通信线路传送和接收，从而改善通信质量，并且能充分利用空间资源，通过多条通信线路实现多发多收，在不增加频谱资源和通信线路发射功率的情况下，可以成倍的提高系统信道容量，显示出明显的优势。

但是，在实现本申请的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：当前的收发通信设备的通讯效率和准确性均不佳，无法实现稳定可靠的通信。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型的目的在于提出一种基于能效的宽带PLC多入多出收发通信设备，能够提高宽带PLC多入多出的通信效率和稳定性。

基于上述目的本实用新型提供的一种基于能效的宽带PLC多入多出收发通信设备，包括：多入多出线路、线路阻波器、耦合电容器、结合设备、载波电缆、宽带PLC载波机、发送机和接收机；

所述发送机依次通过第一组宽带PLC载波机、载波电缆、结合设备、耦合电容器、线路阻波器连接到多入多出线路中；所述接收机依次通过第二组宽带PLC载波机、载波电缆、结合设备、耦合电容器、线路阻波器连接到多入多出线路中；

所述发送机和接收机形成的两组线路相互对称设置，并且在线路两端设置有线路阻波器，用于消除通信线路两端的阻抗。

可选的，还包括能量感知器，所述能量感知器直接或者间接连接到线路中，用于根据宽带前端的耦合电容器的变化，对电力线的能量进行感知，计算各个频段的能量，并且根据计算得到的能量制定相应的收集策略。

可选的，还包括信息感知器，所述信息感知器直接或者间接连接到线路中，用于根据宽带前端的耦合电容器的变化，对电力线的信道状态信息、相位以及相关传输信息进行感知，并且根据感知结果，确定发送信息的频带和相位补偿。

可选的，还包括能量收集器，所述能量收集器分别设置于发送机对应的发送端和接收机对应的接收端，用于根据信息感知器和能量感知器的感知结果，对电力线进行能量收集，并将能量提供给发送机、接收机、信息感知器和能量感知器。

可选的，还包括宽带耦合前端器，所述能量收集器通过至少一个宽带耦合前端器连接到发送机。

可选的，两组线路中的耦合电容器与两组线路阻波器之间相互连通，用于使得两组线路通过耦合电容器实现耦合并隔离。

可选的，所述宽带PLC载波机为明线载波机，且采用明线作为传输媒介。

可选的，还包括优化控制器，所述优化控制器用于通过构建能量效率和成本效率的计算模型并且基于预设算法计算对建能量效率和成本效率进行优化。

从上面所述可以看出，本实用新型提供的基于能效的宽带PLC多入多出收发通信设备通过在宽带电力线载波中同时应用多入多出MIMO技术和基于能效的宽带PLC多入多出收发通信设备设计，使得通信设备的通信效率和稳定性更高；通过线路阻波器消除了线路两端的母线阻抗，通过对称设计减少外界干扰进而提高通信质量。因此，本申请的通信设备基于多入多出宽带PLC能效优化理论以及新一代电力线载波通信系统将依靠基础设施更密集的分配设计来提供无缝连接，为用户带来了更快的数据速率，同时提出空间定向性，既能减少干扰又能增加整体性能，从而提高系统的能量效率和成本效率。所以，所述基于能效的宽带PLC多入多出收发通信设备能够提高宽带PLC多入多出的通信效率和稳定性。

附图说明

图1为本实用新型提供的基于能效的宽带PLC多入多出收发通信设备的一个实施例的结构示意图；

图2为本实用新型提供的基于能效的宽带PLC多入多出收发通信设备的另一个实施例的结构示意图；

图3为本实用新型提供的基于能效的宽带PLC多入多出收发通信设备对应优化方法的一个实施例的流程示意图；

图4为本实用新型使用集中式或分布式波束成形的最大数据速率曲线；

图5为本实用新型使用集中式或分布式波束时每节点的平均能耗与节点大小的关系曲线。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。

需要说明的是，本实用新型实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本实用新型实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

本申请属于智能电网宽带电力线载波技术领域，尤其涉及将多输入多输出技术应用到宽带电力线载波中来设计基于能效的宽带PLC多入多出收发通信设备。多输入多输出技术(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量，并且能充分利用空间资源，通过多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍的提高系统信道容量，显示出明显的优势。同时，为了给用户带来更快的数据速率，新一代无线通信系统将依靠基础设施更密集的分配来提供无缝连接。如果分配不当，这个密度系统将存在干扰限制；为解决这个问题，本申请提出空间定向性作为一种解决方法，既能减少干扰又能增加整体性能。基于此，本申请首次分析多入多出宽带电力线载波通信方式下的能效优化系统，通过研究如何布置天线阵列，使多用户大规模多输入多输出(MIMO)和空分复用技术享有同一频谱。将优化阵列数组大小作为研究接收器、发射器、频率合成器以及阵列内信号分配性能的一个函数。进而分析如相位噪声和同步偏斜这些误差的影响。从而得到这些阵列可实现的能量效率和成本效率。最终提高通信设备的通信效率。

参照图1所示，为本实用新型提供的基于能效的宽带PLC多入多出收发通信设备的一个实施例的结构示意图。所述基于能效的宽带PLC多入多出收发通信设备包括：多入多出线路、线路阻波器、耦合电容器、结合设备、载波电缆、宽带PLC载波机、发送机和接收机；所述发送机依次通过第一组宽带PLC载波机、载波电缆、结合设备、耦合电容器、线路阻波器连接到多入多出线路中；所述接收机依次通过第二组宽带PLC载波机、载波电缆、结合设备、耦合电容器、线路阻波器连接到多入多出线路中；所述发送机和接收机形成的两组线路相互对称设置，并且在线路两端设置有线路阻波器，用于消除通信线路两端的阻抗。

其中，所述宽带电力线载波通信一般为点对点结构，因此线路中间很少有分支线路。所述多入多出是指信号系统发射端和接收端，分别使用了多个发射天线和接收天线，可以看作是分集技术的一种衍生。多入多出技术，是通信领域智能天线技术的重大突破，拓展了一维智能天线技术，具有极高的频谱利用率，能在不增加带宽的情况下成倍提高通信系统的容量，且信道可靠性大为增强，是新一代通信系统采用的核心技术之一。所述线路阻波器是载波通信及高频保护不可缺少的高频通信元件，它阻止高频电流向其他分支泄露，起减少高频能量损耗的作用。在高频保护中，当线路故障时，高频信号消失，高频保护无时限启动，立即切除故障。

本申请通过在线路的两端装设线路阻波器，消除了通信两端变电站母线阻抗的影响。这时的信道特性主要体现为一段均匀架空输电线路的传输和阻抗特性，载波通道的衰减包括信道衰减、耦合损失和桥路损失三部分，均可以由经验公式进行计算。配电网上主要电气设备包括三相电力线路、配电变压器、无功补偿装置、断路器等。在电力线通信中主要考虑电气设备的阻抗和传播特性。发送机是产生并发送出信号或数据的设备。接收机是一个具有如下组成的电路系统：通信线路、滤波器、放大器、A/D转换器。GPS卫星发送的导航定位信号，是一种可供无数用户共享的信息资源。对于陆地、海洋和空间的广大用户，只要用户拥有能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的接收设备，即GPS信号接收机，就可以在任何时候用GPS信号进行导航定位测量。

由上述实施例可知，本申请所述基于能效的宽带PLC多入多出收发通信设备通过在宽带电力线载波中同时应用多入多出MIMO技术和基于能效的宽带PLC多入多出收发通信设备设计，使得通信设备的通信效率和稳定性更高；通过线路阻波器消除了线路两端的母线阻抗，通过对称设计减少外界干扰进而提高通信质量。因此，本申请的通信设备基于多入多出宽带PLC能效优化理论以及新一代电力线载波通信系统将依靠基础设施更密集的分配设计来提供无缝连接，为用户带来了更快的数据速率，同时提出空间定向性，既能减少干扰又能增加整体性能，从而提高系统的能量效率和成本效率。所以，所述基于能效的宽带PLC多入多出收发通信设备能够提高宽带PLC多入多出的通信效率和稳定性。

参照图2所示，为本实用新型提供的基于能效的宽带PLC多入多出收发通信设备的另一个实施例的结构示意图。通信设备还包括能量感知器，所述能量感知器直接或者间接连接到线路中，用于根据宽带前端的耦合电容器的变化，对电力线的能量进行感知，计算各个频段的能量，并且根据计算得到的能量制定相应的收集策略。也即，本申请通过在设备中添加一个能量感知器能够起到对设备中各个线路的能量进行监控和监测的目的，进而基于能量的变化去设定相应的通信策略或方法，提高通信的效率和稳定性。

在本申请一些可选的实施例中，通信设备还包括信息感知器，所述信息感知器直接或者间接连接到线路中，用于根据宽带前端的耦合电容器的变化，对电力线的信道状态信息、相位以及相关传输信息进行感知，并且根据感知结果，确定发送信息的频带和相位补偿。可选的，上述信息感知器引起的操作由发送端的发送器实施。也即，本申请还通过在设备中添加一个信息感知器能够起到对设备中各个线路的信息进行监控和监测的目的，最终提高设备中信息通信的可靠性。

在本申请一些可选的实施例中，通信设备还包括能量收集器，所述能量收集器分别设置于发送机对应的发送端和接收机对应的接收端，用于根据信息感知器和能量感知器的感知结果，对电力线进行能量收集，并将能量提供给发送机、接收机、信息感知器和能量感知器。通过对能量的监控，不仅可以有效利用线路中的能量，提高能量利用率，而且保障了线路传输的安全性和稳定性。

在本申请一些可选的实施例中，通信设备还包括宽带耦合前端器，所述能量收集器通过至少一个宽带耦合前端器连接到发送机。本申请的通信设备首次采用了能量感知器、信息感知器和宽带耦合前端器以及能量收集器。显著提高了通信的能量效率和成本效率。

在本申请一些可选的实施例中，发送端和接收端对应的两组线路中的耦合电容器与两组线路阻波器之间相互连通，用于使得两组线路通过耦合电容器实现耦合并隔离。不仅可以提供高频信号通路，阻止工频电流进入弱电系统，保证人身安全。而且带有电压抽取装置的耦合电容器除以上作用外，还可抽取工频电压供保护及重合闸使用，起到电压互感器的作用。

在本申请一些可选的实施例中，所述宽带PLC载波机为明线载波机，且采用明线作为传输媒介。传输线为线径3mm的铜线。明线载波机复用频率可达到500kHz，可传输40个话路。明线载波机通常采用双带二线制。对称电缆载波机采用对称电缆作为传输媒介的载波机。电缆为线径0.9～1.2mm的高频对称电缆。对称电缆载波机在通信容量、抗干扰和保密性等方面均优于明线载波机。电缆载波机大部采用单带四线制。同轴电缆载波机采用同轴电缆作为传输媒介的载波机。铁路通信使用的小同轴电缆，同轴管尺寸为1.2/4.4，即内导体的直径为1.2mm，外导体内直径4.4mm，物性阻抗为75Ω，一般由60kHz开始使用。小同轴电缆载波通信采用单带四线制。铁路通信使用的小同轴电缆载波机有300和960路，其增音距离分别为8km和4km。

在本申请一些可选的实施例中，通信设备还包括优化控制器，所述优化控制器用于通过构建能量效率和成本效率的计算模型并且基于预设算法计算对建能量效率和成本效率进行优化。

基于上述实施例对应的通信设备，本申请还提供了一种在宽带电力线载波中同时应用多入多出MIMO技术的成本利用率和能量效率的优化的方法。该方法首次分析多入多出宽带电力线载波通信方式下的能效优化系统，通过研究如何布置天线阵列，使多用户大规模多输入多输出(MIMO)和空分复用技术享有同一频谱。将优化阵列数组大小作为研究接收器、发射器、频率合成器以及阵列内信号分配性能的一个函数。进而分析如相位噪声和同步偏斜这些误差的影响。从而得到这些阵列可实现的能量效率和成本效率。本申请显著地提高了系统的能量效率和成本效率。

参照图3所示，为本实用新型提供的基于能效的宽带PLC多入多出收发通信设备对应优化方法的一个实施例的流程示意图。所述基于能效的宽带PLC多入多出收发通信设备设计方法，包括：

步骤A，分析优化基站天线阵列部署；

步骤B，通过步骤A天线阵列的接收信号得到信号传输速率，进而得到信噪比表达式；

其中，步骤B具体包括：

B1，根据优化基站天线阵列，通过接收信号得到信号传输速率，其表达式为：

R_centr＝2MN_bit,adcf_s

R_distr＝2KN_bit,userB

B2，优化得到下行链路中基站天线阵列的总功耗，其表达式为：

B3，得到接收机信噪比，其表达式为：

步骤C，将优化阵列数组大小作为研究接收器、发射器、频率合成器以及阵列内信号分配性能的一个函数；

步骤D，分析相位噪声和同步偏斜这些误差的影响；

其中，步骤D具体包括：

D1，将一些影响因素模型化为本地振荡器频率，其表达式为：

f_c,i＝f_c+Δf_c,i

D2，将一些影响因素模型化为本地振荡器相位，其表达式为：

φ_in＝φ_i+Δφ_in

D3，将一些影响因素模型化为在元素i和基带采样n之间的采样周期，其表达式为：

τ_in＝nT_s+nΔT_s,i+τ_i+Δτ_in

步骤E，得到这些阵列优化后可实现的能量效率和成本效率。

因此，本申请引入多入多出宽带PLC能效优化理论，并且基于新一代无线通信系统将依靠基础设施更密集的分配来提供无缝连接，为用户带来了更快的数据速率，同时提出空间定向性，既能减少干扰又能增加整体性能，从而提高系统的能量效率和成本效率。

需要说明的是，无论对于基站还是某个用户设备，天线阵列和它们相关联的空间信号处理技术都是一项干扰消除的关键技术。因此，成本和能效阵列是对于5G网络，即从第低能耗传感器到高功率个人计算机利用网络在定向性、高带宽链路甚至非常密集的环境中通信，愿景的一个主要构成。而且在无线网状网络中分配非常高定向性的5G集线器能大大通信速率并且降低网络设施配置的成本，同时能使网络更具鲁棒性。

参照图4和图5所示，分别为本实用新型使用集中式或分布式波束成形的最大数据速率曲线以及每节点的平均能耗与节点大小的关系曲线。图4证明分布式相位旋转在B＝100MHz,N_bit,adc＝10并且N_bit,user＝15时的优势。维持基站天线数与用户数的定比(M/K＝16)，通过执行分布式相位旋转，中央处理器的带宽能够减少一个数量级。图5说明了空间相关性对于优化电力线节电大小的影响很小，基本是同一值，然而，空间相关性确实影响每个节电的能耗。c＝5000时的能耗显然比c＝200时能效要好。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本实用新型的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本实用新型的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本实用新型难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本实用新型难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本实用新型的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本实用新型的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本实用新型。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了具体实施例对本实用新型进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。

本实用新型的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。