一种基于230MHz无线专网的高清音视频自组网数据交互系统的制作方法

本发明属于组网技术领域，具体涉及一种基于230mhz无线专网的高清音视频自组网数据交互系统。

背景技术：

目前国家电网公司对230mhz频段主要用于电力数字电台通讯和终端数据采集(单向)，数传电台带宽往往小于1mbps，无法实现高清音视频、以太网数据实时交互传输(双向)。考虑到无线电频谱资源的稀缺性、有限性，公司急需利用新的先进技术提升授权230mhz频点使用效率。2016年国网与普天公司合作研究基于230mhzlte通信技术，在浙江嘉兴海盐区建设电力无线专网试点应用。而在南方电网公司同样进行相关的研究应用，于2017年引入低频4glte移动通信技术，正在广州建设低频4glte电力无线专网，通过架设基站做分布式处理方式实现。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于230mhz无线专网的高清音视频自组网数据交互系统，基于230mhz低频宽带自组网无线通信技术，极大的提升频谱资源的利用效率，实现远距离非视距低频宽带无线传输，更好的服务电网生产。

本发明采用以下技术方案：

一种基于230mhz无线专网的高清音视频自组网数据交互系统，包括：

控制面，用于完成节点的控制，包括准入/鉴权/拓扑维护/用户面参数协商；

用户面，用于完成用户数据在空口/网口上的传输；

管理面，用于完成对设备自身及空口/网口参数的配置管理/性能指标上报/日志维测通道建立；

采用tdma技术自定义mac层协议，采用dft-s-ofdm技术设计物理层，通过自组网为终端连接的网络拓扑结构进行基于链路层的组建，实现时分、单频点双向切换，实现自组网及双向传输；基于多载波技术并结合h.265视频编解码方案实现同时传输音视频和ip流数据。

进一步的，节点包括基带、控制、传输、射频、时钟、天馈和电源，基带用于完成空口phy/mac层的功能；控制用于完成空口控制面及管理面的功能；传输用于完成网口数据双向传输处理以及路由功能；射频用于完成空口射频功能；时钟用于为节点提供高可靠稳定时钟；天馈用于完成空口天馈功能；电源用于为节点提供稳定可靠的电源。

更进一步的，基带包括网络层协议、mac层协议和物理层通信协议；射频包括声表面滤波器、功率放大器和低噪声放大器模块；视频包括视频采集以及视频的编解码模块。

更进一步的，射频频点为100～6000mhz。

具体的，物理层包括上行链路和下行链路，物理层符号设计为32us，保护间隔小于等于8us，保护间隔大于等于1us。

进一步的，物理层上行链路依次包括turbo编码、速率匹配、随机化、调制、预编码、ifft、加保护间隔、上变频和pa射频放大器。

更进一步的，速率匹配用于turbo编码后，对校验位进行打孔或重发；随机化用于消除连续的0和1现象；调制用于将串行信源数据进行qpsk、16qam和64qam映射；预编码用于对调制后的iq数据做一次dft变换；ifft变换用于进行子载波映射，将调制后的数据在不同的正交子载波上发射；加保护间隔用于添加保护间隔可以减小符号间干扰；上变频用于对基带信号进行混频到射频发射频点；pa射频放大器用于对上变频后的信号进行功率放大，实现远距离传输。

进一步的，物理层下行链路依次包括lna、下变频、adc、粗同步、粗频偏估计、粗频偏校正、细同步、细频偏估计、细频偏校正、残余频偏估计、残余频偏校正、去保护间隔、fft变换、预解码、软解调、去随机化、解速率匹配和turbo解码；预解码还通过采样定时估计经采样频偏补偿与adc连接。

更进一步的，lna用于对射频接收信号进行放大；下变频用于对射频信号进行搬移成基带信号；adc用于对模拟基带信号进行模数转换；粗同步采用自相关对基带iq数据帧进行粗同步搜索；粗频偏估计采用短训练序列进行估计粗频率偏移；粗频偏校正利用粗频偏估计出来的相位校正接收的iq数据；细同步采用接收的iq数据与本地训练序列相关对基带iq数据帧进行细同步搜索；细频偏估计利用本地的训练序列进行细频率偏移估计；细频偏校正利用细频偏估计出来的相位校正接收的iq数据；残余频偏估计用于接收过程中利用数据重复部分进行残余频率偏移估计；残余频偏校正利用残余频偏估计出的相位校正接收的iq数据；去保护间隔用于与发射加保护间隔对应；fft变换用于对时域的iq数据进行fft变换到频域；预解码用于对频域的iq数据做一次idft变换；采样定时估计用于对adc进行采样定时同步；利用符号间导频进行采样定时估计；采样频偏补偿利用采样定时估计的采样定时偏差校正adc的采样时钟；软解调用于对接收的iq数据进行软解调；去随机化用于与发射端对应的随机化；解速率匹配用于发射机速率匹配；turbo解码用于对软解调的llr数据进行turbo纠错码解码。

具体的，载波的带宽为8mhz，移动速度大于300km/h。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种基于230mhz无线专网的高清音视频自组网数据交互系统，基于低频宽带非视距自组网无线通信技术，能极大的提升230mhz低频段资源的利用效率，采用tdma技术自定义mac层协议，优化传输时延，提高传输效率。系统采用sdr平台实现，根据应用场景自定义物理层传输协议，在传输带宽和抗干扰性上做优化。物理层采用dft-s-ofdm技术，降低了频率选择性衰落的同时也降低高阶调制的峰均比，增加了传输距离，以太网数据的实时传输，具有自组网、非视距、抗干扰、高可靠、专网传输的技术先进性。能够在作业现场快速构建可靠性、安全加密性、抗干扰性先进的低频高带宽内部通信网络。

进一步的，信息传输依靠自组网中的相关节点实现，各节点在网络中的地位平等并通过算法互相协调，具有灵活性、可靠性，节点之间链路采用并行架构实现，保证信息在网络中能够快速、有效地传输。

进一步的，采用自适应跳频技术，在多终端同时工作或有外部干扰时，提高抗干扰能力。采用频段切换技术，可以切换频点，射频频点为100mhz～6000mhz可调，避开干扰源。

进一步的，为了对抗多径时延干扰，物理层符号设计为32us，保护间隔最大为8us，同时为了提高传输带宽，保护间隔最小为1us，可以灵活自适应设置。

进一步的，物理层上行链路中的速率匹配用于turbo编码后，对多路输出信号进行交织合并，对校验位进行打孔或重发，输出期望的目标信号；随机化用于消除连续的0和1现象，降低误码干扰；调制用于将串行信源数据进行qpsk、16qam和64qam映射；预编码用于对调制后的正交分解iq数据做dft变换；ifft变换用于进行子载波映射，将调制后的数据在两个不同的正交子载波上发射；上变频在满足奈奎斯特采样定理条件下基带信号内插的倍数等于dac的采样率除与基带信号的采样率，多相基带信号经过数据重排后输入并行fir多相内插滤波器，多相内插滤波后得到过采样多相基带信号，将基带信号混频到射频发射点；pa射频放大器用于对上变频后的信号进行功率放大，实现远距离传输。

进一步的，下行链路完成数字下变频、物理层基带信号处理算法、数据传输以及系统与外围接口通信；数字下变频由多相数字数控振荡器(nco)和多相并行数字fir滤波器组成，通过混频将射频频信号搬移到基带，多相抽取滤波将混频后产生的2倍载频滤除掉以及通过抽取将信号速率降低；高速adc采集模拟射频信号后，变频到基带信号，再进行目标的数字化模拟；粗同步、粗频偏估计、粗频偏校正采用自相关对基带iq两路数据帧进行粗同步搜索，通过短训练序列进行估计粗频率偏移，利用粗频偏估计出来的相位校正接收的iq数据；细同步采用接收的iq数据与本地训练序列相关对基带iq数据帧进行细同步搜索；细频偏估计利用本地的训练序列进行细频率偏移估计；细频偏校正利用细频偏估计出来的相位校正接收的iq数据；fft变换用于对时域的iq数据进行fft变换到频域；turbo解码用于对软解调的llr数据进行turbo纠错码解码，输出1路系统数据及2路冗余校验数据。

进一步的，在带宽和对抗多普勒频移下，综合优化，设计采用256点子载波的8mhz带宽，此时可以保证大带宽下，移动速度满足大于300km/h。

综上所述，本发明基于低频宽带非视距自组网无线通信技术，能极大的提升230mhz低频段资源的利用效率。在230mhz频段能够实现高清音视频、各类传感器，以太网数据的实时传输，具有自组网、非视距、抗干扰、高可靠、专网传输的技术先进性。能够在作业现场快速构建可靠性、安全加密性、抗干扰性先进的低频高带宽内部通信网络。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的应用场景一；

图2为本发明的应用场景二；

图3为本发明的硬件实现原理示意图；

图4为各层面的协议栈；

图5为物理层上行链路框图；

图6为物理层下行链路框图；

图7为逻辑架构图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于230mhz无线专网的高清音视频自组网数据交互系统，基于低频宽带非视距自组网无线通信技术，能极大的提升230mhz低频段资源的利用效率。在230mhz频段能够实现高清音视频、各类传感器，以太网数据的实时传输，具有自组网、非视距、抗干扰、高可靠、专网传输的技术先进性。能够在作业现场快速构建可靠性、安全加密性、抗干扰性先进的低频高带宽内部通信网络。

请参阅图3，本发明一种基于230mhz无线专网的高清音视频自组网数据交互系统，包括

基带子系统、射频子系统、视频子系统电源管理系统和存储系统，基带子系统包括了网络层协议、mac层协议和物理层等通信协议；射频子系统包括了声表面滤波器、功率放大器和低噪声放大器等模块；视频子系统包括了视频采集以及视频的编解码模块，发射过程，通过基带子系统对物理层、mac层、网络层数据进行处理，生成可发送信息，目标模拟后的基带信号经过数字上变频后得到多相的中频信号，经adc转换后经上变频混频后发射。处理过程包括视频采集及编码、组帧、crc校验、扰码、调制、上变频和成型滤波等；接收过程，通过数字下变频将接受的射频信号转化为基带信号，接收信号先通过声表面滤波器滤波和低噪声放大处理，再与两路互为正交的本振信号进行乘法器混频，产生同相和正交两路信号。信号处理包括时钟同步、解调、解扰码、解帧模块、视频解码等。

系统接口包括音视频接口、以太网接口以及通用接口，如uart、usb以及spi等。

节点设备包括基带、控制、传输、射频、时钟、天馈和电源，基带用于完成空口phy/mac层的功能；控制用于完成空口控制面及管理面的功能；传输用于完成网口数据双向传输处理以及路由功能；射频用于完成空口射频功能；时钟用于为节点提供高可靠稳定时钟；天馈用于完成空口天馈功能；电源用于为节点提供稳定可靠的电源。

请参阅图4，从节点的逻辑功能角度，可以将节点功能归结到3个平面：控制面，用户面，管理面。其中控制面完成节点的控制相关功能，包括：准入/鉴权/拓扑维护/用户面参数协商等；用户面完成用户数据在空口/网口上的传输功能；管理面完成对设备自身及空口/网口参数的配置管理/性能指标上报/日志维测通道建立。

请参阅图5，物理层上行链路包括如下：

turbo编码是一种先进的纠错码方式，普遍用在4g通信，其能优异的纠错能力接近香浓极限；速率匹配用于turbo编码后，需要对校验位进行打孔或重发，以适应信道带宽。随机化能有效的消除连续的‘0’和‘1’现象，便于信道纠错；调制用于将串行信源数据进行qpsk、16qam和64qam映射；预编码用于对调制后的iq数据做一次dft变换；ifft变换用于进行子载波映射，将调制后的数据在不同的正交子载波上发射；加保护间隔用于添加保护间隔可以减小符号间干扰，提高抗多径和多谱勒影响；上变频用于对基带信号进行混频到射频发射频点；pa射频放大器用于对上变频后的信号进行功率放大，实现远距离传输。

请参阅图6，物理层下行链路包括如下：

lna：低噪声放大器，对射频接收信号进行放大；

下变频：对射频信号进行搬移成基带信号；

adc：对模拟基带信号进行模数转换，使能模拟信号变换成基带处理；

粗同步：采用自相关对基带iq数据帧进行粗同步搜索；

粗频偏估计：采用短训练序列进行估计粗频率偏移；

粗频偏校正：利用粗频偏估计出来的相位校正接收的iq数据；

细同步：采用接收的iq数据与本地训练序列相关对基带iq数据帧进行细同步搜索；

细频偏估计：利用本地的训练序列进行细频率偏移估计；

细频偏校正：利用细频偏估计出来的相位校正接收的iq数据；

残余频偏估计：接收过程中利用数据重复部分进行残余频率偏移估计；

残余频偏校正：利用残余频偏估计出来的相位校正接收的iq数据；

去保护间隔：与发射加保护间隔对应，接收端需要去掉保护间隔；

fft变换：对时域的iq数据进行fft变换到频域；预解码：对频域的iq数据做一次idft变换；

采样定时估计：由于各板子的时钟晶振误差，需要对adc进行采样定时同步；利用符号间导频进行采样定时估计；

采样频偏补偿：利用采样定时估计的采样定时偏差校正adc的采样时钟；

软解调：对接收的iq数据进行软解调，比硬解调在性能上多4db左右；

去随机化：与发射端对应的随机化，接收端需要去随机化；

解速率匹配：发射机进行了速率匹配，接收端需要对校验位进行打孔或重发；

turbo解码：对软解调的llr数据进行turbo纠错码解码，减小误码率。

请参阅图7，逻辑架构具体如下：

mcm：节点自身业务相关控制管理(是节点的主控单元，主要处理节点自身业务相关的管理控制，含配置/指令/节点工作状态机维护)；

rtm：路由管理，维护路由表；

tm：拓扑管理，基于拓扑触发用户面link/bearer的建立/释放/修改；

goam：全局操作维护(主要处理业务无关配置/指令，包括：维测类的配置/指令，对内提供维测接口，含监控/跟踪/日志/告警/设备状态/点灯/采数/心跳)；

net：网络层面的报文处理，含协议栈双向处理，业务报文分发，业务报文的spi；

gdm：相邻节点用户面处理，完成上下行流量整形/流控；报文转发；

intf：核间控制接口处理；

snm：源节点本地控制面，含对pl的控制，本地节点业务层面的控制管理/状态维护；

pnm：相邻节点非数传业务管理，含amc/agc，及后续调度相关测量信息维护；

sch：调度，完成两级调度，a)时频资源协商；b)按照qos的原则调度流量；

udt：上行数传，含解复用/转发/arq控制/承载级业务统计；

ddt：下行数传，含复用/发送/arq控制/承载级业务统计/discardtimer维护；

loam：本地操作维护，包含：维测通道维护/本地层维测接口提供，监控/跟踪/日志/采数/心跳。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明一种基于230mhz无线专网的高清音视频自组网数据交互系统，首先分析低频宽带无线通信专网系统现有技术，以及现有常用技术如wifi、cofdm和微波技术参数，研究通信链路方式，以及承载业务的方式；然后结合具体的电力生产一线需求进行分析，将以上技术进行对比、筛选，提出融合与优化方案，进而提炼出关键技术与难度较大技术，找到理论依据和可行性。再进行通信模型搭建、通信协议设计、加载业务的数据类型分析，以及不同体系数据融合方式等，结合选取的软件系统应用平台，得到对应的软硬件模型架构；最后，进行详细设计、研制、验证、修改、验证，试点等步骤。

采用载多波通信技术应满足实现时分、单频点双向切换，功耗远远低于传统的cofdm技术；采用的自组网技术应满足基于链路层快速自组网，实现双向传输；采用的底层编码技术在物理层实现方式上应满足跳频实现，抗干扰性强，具体包括：

(1)自定义tdma机制mac层协议，区别wifi的csma，降低传输延时，以便于自组网功能。

(2)自定义物理层帧格式，以实现高速(大于300km/h)的稳定收发。

(3)目前跳频功能只有在窄带上实现，本课题在研究低频宽带通信物理层的基础上加入跳频功能，以支持不同的跳频方案，进一步提高抗干扰性能和保密性能。

(4)研究应用压缩率更好的h.265作为视频编解码方案。传输高清视频的同时，进一步提高以太网数据带宽。

(5)采用不同于wifi和cofdm的多载波方案，利用256点多载波实现系统功能，同时增大系统符号间保护间隔，以集合wifi的组网和cofdm的抗干扰功能。

(6)采用turbo码做为信道的编解码，较wifi的ldpc和cofdm的rs+卷积，进一步提高在低噪声下的接收性能。

在试点的时候选择两个应用场景，一个是野外非视距无公网信号的地方，验证10公里距离高清音视频传输、以太网数据传输，以及与指挥中心系统平台互动。

系统指标设计

通信方式设计

采用dft-s-ofdm技术，采用双向通信技术，便于数据交互。同时采用自适应调制编码方式，根据应用环境，自适应的调整编码和调制方式。

硬件设计

硬件基于sdr平台，采用fpga+rf的设计方案，在fpga上自主开发上层协议栈和物理层协议，具有独立自主知识产权。

软件设计

软件按照设备通信协议、设备数据双向传输，以及数据的多业务融合、解析等组成，实现一体化低频宽带无线通信专网及定位的业务功能。

请参阅图1所示，本发明应用场景1，各节点相互独立，也可以随时移动，系统无需人为专门配置网络结构，基于链路层实现自组网功能，能够灵活方便的根据实际情况自动组建网络，连接所有终端。可以独立的与指挥中心塔双向交互音视频以及以太网ip数据，同时各电力塔之间又可以相互的通信。

如图2所示，由于电力塔是串行连接，可以把若干电力塔组成一个串行链，设计的终端具有中继功能，电力塔之间互为中继塔，则可以在低的发射功率下，进行接力传输，实现数百公里的超远距离的传输，降低远距离传输成本。

本发明的通过可视化功能，通过无线传输音视频数据，该系统可实时观察到事故现场，增加现场获取到的关键数据量，最大限度的提高了工作效率。系统具备远程无线音视频会商功能，与监控中心专家领导进行实时沟通，提高管理自动化水平和工作效率，保证电网安全运行。通过远程故障诊断系统的可视化交互终端，本系统支持多个专家异地登录，进行远程异地故障会诊，极大地利用了有限的专家资源。系统可基于数据库原理，可记录每次故障原因与解决方案，如故障类型、人员行为、故障设备概率等等，对电力通信的云服务和大数据应用提供参考。

本发明将非视距无线通信专网系统，基于最先进的多载波技术，再结合高性能的h.265视频编解码方案，实现同时传输音视频和ip流数据。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。