一种基于Chirp扩频技术的电力线信道访问方法与流程

本发明涉及通讯，具体涉及一种基于chirp扩频技术的电力线信道访问方法。

背景技术：

1、智能电网行业飞速发展，宽带电力线载波通信（high power line carriercommunication，hplc）技术应用越发广泛，但是在复杂电力线环境下，其抗衰减、抗噪声较差的特性阻碍了其全场景应用，特别是在单节点之间跨度较大的农村环境。chirp扩频技术在电力线通信上的应用，有效改善了宽带电力线载波通信的这一应用现状。

2、chirp扩频技术在电力线通信中的高鲁棒特性导致是以其通信的低速率为代价的。这种低速率通信一般应用于传感器、制动器等场景，用于监控和控制方面的应用。针对于传感器等设备大部分是采用电池供电现状，传统信道接入控制方法的选择上首先需要考虑低功耗问题。终端通讯设备的收发机大部分时间处于关闭状态，仅有数据收发需要时才打开。这样做极大减少了终端设备的电能消耗，但是极大增加了下行传输的时延，使得等级较高下行业务不能实时传输到终端，缩小了其应用场景。

3、和传感器类设备的应用场景不同，智能电网的附属设备取电比较便捷，对于功耗不是那么敏感，所以在信道接入控制上不必太在意功耗节省策略。相反在保证数据输出时延、传输速率等方面提出了更高的要求。chirp扩频技术提供了500bps ~100kbps不等的数据传输服务能力，需要根据节点之间电力线信道条件调整到最优。

技术实现思路

1、本发明针对传统低速本地网络信道访问方法过分强调低功耗需求，而忽略信道时延和传输速率的现实需求，提出了一种基于chirp扩频技术的电力线信道访问方法。适配电力线三相传输、双向实时传输的需求，利用chirp扩频技术的抗衰减强、抗干扰强的优势，达到较好的应用效果。

2、为了达到高效访问效率，本发明采用了星型网络拓扑传输模型、基于超帧的时隙划分、基于举手的信道接入方式、节点间自适应信道训练等策略。优化了传输时延大和传输速率不匹配的问题。

3、为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

4、一种基于chirp扩频技术的电力线信道访问方法，基于pan协调器（pancoordinator）和pan设备（pan device）实现电力线信道传输。

5、所述的星型网络拓扑模型，pan协调器需要通过电力线和pan设备直接相连。pan协调器在此充当与远端服务器之间的网关角色。pan协调器和pan设备之间采用电力线直接通信，无需第三方转发或中继。pan协调器和pan设备之间构成星型网络拓扑。 旨在减少中继转发带来的时延消耗，同时发挥chirp扩频技术带来的抗衰落的优势。

6、所述基于超帧的时隙划分。超帧周期以信标帧为边界，每个超帧包含n个时隙单元tsu，时隙单元tsu个数在信标帧中体现。每个时隙单元tsu由举手请求时隙hrq和举手响应时隙hrp构成。信标帧需要在三个相线进行发送。时隙单元tsu由pan协调器动态分配给不同的相位，具体分配参数在信标帧中体现。

7、优选地，采用三个相线接入pan设备数目等比例分配三相时隙单元tsu个数，此外需要保证每个相位至少有一个时隙单元tsu被分配。

8、在本发明中，信标帧确定了超帧结构的时隙单元tsu的个数和长度。若pan协调器和pan设备需要传输数据，则需要通过举手获得专用传输时隙sts。随后在专用传输时隙sts独占信道，完成数据的发送和确认帧ack的接收。

9、pan协调器和pan设备在发送数据帧时申请信道流程一致。当发送单播帧时，源站点发送举手请求帧，目标站点回复举手响应帧。当发送广播帧时，源站点发送举手请求帧，无举手响应帧被回复。

10、举手响应命令帧包含时隙分配的目标设备短地址，所有站点设备均需要接收举手响应命令帧。将随后连续个tsu时隙分配给该设备，作为该设备专用传输时隙sts。目标设备接收到该帧后，在设备sts时隙内完成数据发送和确认帧ack的接收；专用传输时隙sts内发送数据采用的调制编码方案索引mcs,必须和举手帧内的调制编码方案索引mcs保持一致。由于存在同一个举手请求时隙hrq时隙内有多个站点举手的情况，为了减少出现信道冲突，站点需要采用随机退避的方法选择举手的时隙。

11、表-1 举手帧格式定义

12、对chirp扩频通信来说，在影响通信性能的主要参数包括带宽bw（bandwidth)、中心频点cf(central frequency)、扩频因子sf(spreading factor)、汉明码编码方式cr（coderate)和减小集合reduce等；带宽bw和中心频点cf可以通过信道扫描进行协商。为了更为有效利获得当前信道最合适的一组参数，需要进行信道参数训练。根据扩频因子sf，汉明编码cr和减小集合reduce等参数对信道进行适应性训练，调制编码方案定义如下表。

13、表-2 调制编码方案索引表

14、 mcs 扩频因子sf 汉明编码cr 减小集合reduce 0 12 （8,4） 2 1 12 （7,4） 2 2 12 （5,4） 2 3 12 （4,4） 2 4 11 （8,4） 2 5 11 （7,4） 2 6 11 （5,4） 2 7 11 （4,4） 2 8 10 （8,4） 2 9 10 （7,4） 2 10 10 （5,4） 2 11 10 （4,4） 2 12 9 （8,4） 2 13 9 （7,4） 2 14 9 （5,4） 2 15 9 （4,4） 2 16 8 （8,4） 2 17 8 （7,4） 2 18 8 （5,4） 2 19 8 （4,4） 2 20 7 （8,4） 2 21 7 （7,4） 2 22 7 （5,4） 2 23 7 （4,4） 2

15、由于电力线载波通信中，pan协调器和每一个pan设备之间的信道状况都不一致，本发明中通过信道训练方式获得数据通信最佳的mcs。chirp扩频通讯信道存在明显的双向不平衡现象，所以pan设备和pan协调器之间最佳通讯调制编码方案索引mcs需要区分上下行信道。

16、下行信道训练由pan协调器发起，信道训练请求报文同样需要申请获得发送时隙。报文包含目标调制编码索引mcs；目标调制编码索引mcs从可选择mcsset集合中选择。考虑到信道分配复杂度问题，集合大小限定为6；推荐可选择调制编码索引mcs子集mcsset={1,5,9,13,17,21}; 报文的目标地址为待训练pan设备的短地址。为了通信可靠性，该报文需要支持可靠传输。

17、pan设备在接收到信道训练请求后，采用最鲁棒调制编码方案索引mcs发送信道训练确认报文。pan设备在接收到该报文后，调整该站点下行默认调制编码方案索引mcs,结束本次下行信道训练。若2个时隙单元tsu周期内未接收到信道训练确认帧，则本次信道训练失效，维持原来下行调制编码方案索引mcs.

18、上行信道训练由pan设备发起，基本流程和上行信道训练保持一致；