CN107276736A - 基于时间同步的电力载波节点协作编码广播/多播传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于时间同步的电力载波节点协作编码广播/多播传输方法，属于电力线载波通信及控制领域。本发明针对电力线载波时分同步扩频***(TDSS)多跳多播/广播业务传输场景，提出一种基于时间同步的双用户协作编码传输机制。源节点首先利用其全局信道状态信息保守估计每跳正确接收信号的节点集合并基于最大化最小信噪比准则从候选节点集合中选择两个协作传输节点，选出的节点利用Alamouti编码进行协作发送，下一级节点利用最大似然准则进行解码判决；为解决两协作节点同步问题，提出一种精确校时与TDSS***过零同步结合的方案，可实现发送节点发送过零选择精确同步，所提方案可获得显著的分集及编码增益。

Description

基于时间同步的电力载波节点协作编码广播/多播传输方法
技术领域
本发明涉及一种实现电力线多级广播可靠传输的通信机制，确切地说，涉及一种电力线载波时分同步扩频(TDSS，Time Division Synchronization Spread Spectrum)***中电力载波节点时间同步方法及协作广播/多播传输方法，属于电力线载波通信及控制领域。
背景技术
近年来，电力线载波通信技术在电采***中逐步得到广泛的应用，但是实际的应用效果并不能完全让人满意，通信质量仍有极大的改善空间。这主要是由于电力线是一种非均匀分布的传输线，不同于传统的通信传输介质如双绞线、同轴电缆、光纤等，电力网络的信道特性十分复杂，通信环境也相当恶劣。主要体现在：
(1)该信道是时变***，而且存在多径效应，这导致电力线载波信道具有较强的时间弥散性和频率选择性衰落。
(2)存在各种干扰和噪声。电力线信道的噪声多干扰强不能简单地归结为加性高斯白噪声，亦存在大量有色噪声以及脉冲干扰。
(3)电力线路的阻抗小而且阻抗随着信号频率和时间的变化而变化，这对载波信号的衰减非常严重。
为了应对电力线载波通信恶劣的传输环境，提升电力线载波通信的通信效果。鼎信通讯针对电力线载波通信信道特点进行了深入研究，并提出了时分同步扩频(TDSS，TimeDivision Synchronization Spread Spectrum)通信***，TDSS***每相采用交流市电过零时刻附近时间段进行分时通信，使各相在阻抗高且变化小、噪声低的时间内完成信息传输，提升了通讯的稳定性；三相顺序利用连续的时间片进行传输，保证了扩频通讯在时间上被充分利用；结合扩频技术，进一步提升了通信质量。大量现场运行结果表明，TDSS电力线载波通信***具有稳定可靠的通信效果。然而在实际通信中，存在多级中继时***的通信效果仍有进一步的提升空间。本发明专利针对TDSS***多跳中继广播/多播场景，提出一种基于时间同步的节点协作传输方案，两节点通过Alamouti编码进行协作传输，接收端通过最大似然解码获取编码增益及分集增益，大大提升了多跳中继传输时***性能。
发明内容
电力线载波通信环境及其恶劣，基于对电力线通信环境的深入研究，得到电力线信道噪声、阻抗、衰减特点。一般而言，电力线环境下噪声具有时变特性且具有与交流电周期接近的周期性趋势，同时，电力线交流市电过零时刻噪声一般较弱，非过零点时刻噪声变化更加丰富；阻抗范围变化较大，且具有周期性变化趋势，过零时刻阻抗比较稳定且值较大；信号的衰减不仅与传输距离有关，信号在电力线上的驻波、发射等现象以及大量分支的存在使信号衰减及其复杂，衰减也有一定的周期性变化趋势，过零时刻衰减变化也较为恒定。鼎信通信针对电力线载波通信信道特点以及其三相传输特性，提出一种时分同步扩频通信***，TDSS***每相采用交流市电过零时刻附近时间段进行分时通信，使各相在阻抗高且变化小、噪声低的时间内完成信息传输，提升了通讯的稳定性；三相顺序利用连续的时间片进行传输，保证了扩频通讯在时间上被充分利用；结合扩频技术，进一步提升了通信质量。
为了进一步改善TDSS***多跳中继场景传输性能，本发明针对TDSS***多播/广播业务，提出一种基于时间同步的协作传输方案。***模型如图1所示，设源节点到中继节点存在多跳中继，可将所有节点划分为源节点、直抄域节点、一级中继域节点，直到N级中继域节点。
则源节点发送广播信息的过程中(eg.广播校时等)，集中器首先进行一次广播，则直抄域节点获得信息；接着直抄域节点进行下一跳广播，为了提升广播质量，源节点利用其获得的全局信道质量信息，基于最大化最小信噪比准则，从正确接收到信息的直抄域节点中选择两个进行传输；两个被选出的直抄域节点进行协同Alamouti编码后广播发送，则下一级中继节点以及第一跳未正确解调的直抄域节点接收广播信号，并基于最大似然准则完成信息的接收，如此进行完成信息到一级中继域节点的传输；如此反复，可以完成信息到所有节点的广播，如图2所示。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
附图说明
图1为本发明TDSS***多级中继传输***模型示意图；
图2为本发明多跳协作编码传输示意图；
图3为双节点Alamouti编码示意图；
图4为单节点Alamouti解码示意图；
图5为***时间同步方案示意图；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合本发明实施例附图，对本发明实施例中的技术方案做进一步清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明实施例的一种，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
如图1所示，本发明应用场景为多级中继广播/多播传输，***由源节点s、直抄域节点一级中继域节点二级中继域节点级中继域节点组成，网络结构通过路由学习算法获取且源节点已知全局网络信息。源节点执行广播业务时，按如下步骤执行：
(1)源节点向直抄域节点广播信号，则大部分直抄域节点得到广播信息。源节点广播信息中除了广播信号本身之外还包括源节点预估的每级中继域的协作传输节点信息，协作节点的选择参见步骤(2)。
(2)直抄域节点向一级中继域节点进行广播。由(1)可得，大部分直抄域节点可以正确接收源节点接收信息，如果所有正确接收信息的直抄域节点都广播发送信息，则容易产生异步干扰，且会消耗更多的能量并导致接收端有较高的解码复杂度，本发明提出利用两个正确接收信号的直抄域节点进行信息转发，一级中继节点基于最大似然(MaximumLikelihood，ML)准则进行信息的解码判决。具体而言，由于源节点具有全局信道信息，则源节点基于一定的规则可以保守估计第一跳可正确接收信息的直抄域节点集合(保守估计可最大程度保证预估结果的准确性)，并计算预估集合中任意两个直抄域节点到一级中继域节点的信噪比。设预估正确接收到源节点信息的直抄域节点数目为ND_Cor，则从这ND_Cor个节点中选择两个节点共有种组合方案。然后源节点计算每种组合方案发送时，一级中继节点接收信噪比，则每种发送方案下可得NR1个信噪比进一步得到NR1个信噪比的最小值min{SNRall_j}，则共得到PD个最小信噪比；计算PD个最小信噪比的最大值此最大值对应的两个节点组合即为最优的发送节点组合。源节点将选出的两个节点信息在第一跳广播时附加发送，选出的两个最优直抄域节点收到指示后进行Alamouti编码并向一级中继域节点广播，如图3所示；一级中继域节点采用对信号进行简单的线性处理，然后基于最大似然准则可实现接收信息的判决，如图4所示。通过两个节点的协作编码传输，可获得额外的分集及编码增益。
(3)按照上述规则依次进行，可以完成信息的逐级传递。
此方案的进行依赖于源节点具有整个网络的全局信道信息，源节点可以预估每跳正确接收信息的节点集合并基于信道状态信息选择下一跳最优的发送节点集合，而TDSS***主节点集中式控制特性恰好可为此方案的进行提供必要的信息。另一方面，正确选择的两个节点进行协作Alamouti编码时，需要精确的时间同步，否则会破坏空时编码的结构，影响通信质量。本发明同时提出一种节点间时间同步方案，实现节点间时间的精确同步。如图5所示，所述同步方法如下：
(1)采集主站以GPS时钟为基准源，确保时钟精准；集中器由采集主站进行对时，以GPRS为通信链路，时钟偏差主要来源于GPRS通信延时；采集主站对集中器对时，参考NTP的实现方式，二次迭代算法就可以计算出一个比较准确的通信延时时间，如此多次迭代对时，可以将集中器时钟的精度控制在毫秒级。
(2)电能表由集中器进行对时，时钟偏差主要来源于集中器-路由-采集模块(电表和采集器的载波模块)-电能表间的通信延时。集中器对电能表对时，需经过路由、电力线、载波模块或采集器几个环节，每一个环节都有固定的通信速率，皆可以计算出毫秒级的通信延时时间。
通过上述校时操作，各节点之间时间可实现精确同步；结合TDSS***分时过零传输规则，可实现协作节点精确的过零发送时刻控制，为两个协作节点的同步编码发送提供保障。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种基于时间同步的电力载波节点协作编码广播/多播传输方法，其特征在于，除第一跳广播之外，剩余每一跳广播都有两个节点协作传输，两节点采用Alamouti编码进行发送，下一级节点采用最大似然方法进行译码；源节点可利用其全局信道状态信息保守估计每跳正确接收信息的节点集合，并基于最大化最小信噪比准则在此候选集合中选择下一步广播的两个最优协作编码节点并随广播信息同步下发；提出一种主站到集中器到表端的精确时间同步方案，结合TDSS***三相过零传输规则，可实现两个协作节点发送过零时刻的精确同步控制。
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