CN110661846B - 一种超窄带电力物联网通信***及其通信方法 - Google Patents
一种超窄带电力物联网通信***及其通信方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种超窄带电力物联网通信***及其通信方法，该***包括：无线网关和与无线网关无线连接的多个无线节点终端；无线网关通过电力传输网接入电力物联网平台；无线网关工作于电力专用频段，用于选取电力专用频段中未使用的频点构建无线网关与无线节点终端间的通信连接。本发明采用的超窄带电力物联网通信***工作在电力专用的授权频段，与工作在非授权频段的LoRA、Sigfox等LPWAN***相比，一方面发送功率更大，也不易受到其他***的干扰，信号穿透墙能力更强，覆盖范围及应用场景更广泛，***可靠性、安全性更有保障，适合电力工业应用。与无线专网相比，工程选址及施工要求低，通信距离长、连接数量大、终端设备功耗低，适配小数据、低频次、大连接的电力状态监测物联物联业务。
Description
技术领域
本发明属于电力通信技术领域，具体涉及一种超窄带电力物联网通信***及其通信方法。
背景技术
电网设备具有数量大、分布范围广、运行环境复杂等特点，运维需要对配用电设备运行状态进行远程监测等。而电网设备及线路运行状态监测节点具有数量庞大、分布广泛、单点数据量小、通信频次低、运行环境差、功耗低等特点。需要解决广覆盖、长距离、大连接、低功耗等的通信难题。
适用于电网设备状态监测的物联网通信技术包括两大类：一类是短距离无线通信技术，一类是低功耗广域网络(Low-Power Wide-Area Network，LPWAN)技术。
短距离无线通信技术包括WLAN、Zigbee、Bluetooth等，具有低功耗的优点，但单跳通信距离通常小于100米，需要复杂的多跳Mesh组网扩展传输范围，不适用于覆盖距离几公里到几十公里的配用电网。
LPWAN是近几年兴起的面向物联网应用的通信技术，如LoRA、Sigfox、窄带物联网(Narrow Band-Internet of Things，NB-IoT)技术等。低功耗广域无线通信技术单跳通信距离可达几千米，甚至几十千米，支持的连接数量上万个，且功耗较低(通常为3～10年)。低功耗广域无线通信技术自提出以来发展异常迅速，其中NB-IoT技术采用电信运营商蜂窝通信方式，个别如偏远山区、城市地下等区域信号覆盖不到，模组待机功耗略大，公网通信实时性及流量费用等因素，限制了在电网规模应用；而LoRA、Sigfox等LPWAN技术在缺少合法频率资源、安全性难以保障，实际使用易受到干扰等问题。
电力物联网是一种要求高的工业物联网，电力企业一般自建行业专网承载具有高可靠性、安全性、实时性要求的电力业务。以中国为例，230MHz无线电频段是中国无线电管理委员会分配给能源电力、水利、油气等行业专网的频段。230MHz频段指223-235MHz，总带宽为12MHz，包含480个带宽为25kHz的频点。分配情况方面，中国无线电管理委员会分配给电力行业280个频点，总带宽7MHz，用于建设电力无线专网，承载电力通信业务。230MHz电力无线专网是一种窄带(单频点25kHz)双向通信***，主要承载电网负荷控制、用电采集等窄带数据。230M无线专网需要建设专用的无线基站，工程选址及施工要求高、造价高，终端设备功耗高、体积大，信号覆盖存在覆盖盲区等一系列难题，对于类似温度、开关状态等大量、低频次、小数据特征的状态监测物联业务不适配。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提出一种超窄带电力物联网通信***，其改进之处在于，包括：
无线网关和与所述无线网关无线连接的多个无线节点终端；
所述无线网关通过电力传输网接入电力物联网平台；
所述无线网关工作于电力专用频段，用于选取所述电力专用频段中未使用的频点构建无线网关与无线节点终端间的通信连接。
本发明提供的第一优选技术方案，其改进之处在于，所述无线网关包括：收发子***和控制子***；
所述收发子***与所述无线节点终端无线连接，还与电力传输网有线连接，用于所述无线节点终端与电力物联网平台之间信号的接收和发送；
所述控制子***，用于识别所述电力专用频段中未使用的频点并将所述频点分配至与所述无线网关无线连接的无线节点终端，还用于通过所述收发子***对所述无线节点终端进行注册管理以及通信协议管理。
本发明提供的第二优选技术方案，其改进之处在于，所述控制子***包括协议处理模块、无线资源管理模块和节点注册管理模块；
所述协议处理模块，用于通过所述收发子***处理与无线节点终端间的通信协议；
所述节点注册管理模块，用于通过所述收发子***对所述无线节点终端进行注册与管理；
所述无线资源管理模块，用于认知电力专用频段，并根据认知到的电力专用频段中的未使用的频点，分配与所述无线节点终端连接的子信道。
本发明提供的第三优选技术方案，其改进之处在于，所述收发子***包括物理层帧封装模块、编码模块、调制模块和射频收发电路模块：
所述物理层帧封装模块，用于对所述无线节点终端与电力物联网平台之间信号进行物理层封装；
所述编码模块，用于对物理层封装后的信号进行编码；
所述调制模块，用于对编码后的信号进行调制；
所述射频收发电路模块，用于收发调制后的信号。
本发明提供的第四优选技术方案，其改进之处在于，所述频点的宽度为25kHz，所述子信道的宽度为200Hz。
本发明提供的第五优选技术方案，其改进之处在于，所述无线节点终端与电力物联网平台之间信号包括电网负荷控制命令和用电采集数据。
基于同一发明构思，本发明还提供了一种超窄带电力物联网通信***的通信方法，包括：
通过电力传输网，将超窄带电力物联网通信***中的无线网关连接至电力物联网平台；
采用所述无线网关认知电力专用频段中的未使用的频点；
选取未使用的频点构建无线网关与无线节点终端间的无线通信连接。
本发明提供的第六优选技术方案，其改进之处在于，所述采用所述无线网关认知电力专用频段中的未使用的频点，包括：
采用所述无线网关利用能量检测方法或循环平稳特征检测方法，得到电力专用频段中的未使用的频点；
其中，能量检测方法或循环平稳特征检测方法中频点检测顺序包括：顺序检测和随机检测。
本发明提供的第七优选技术方案，其改进之处在于，所述采用所述无线网关认知电力专用频段中的未使用的频点之后，且选取未使用的频点构建无线网关与无线节点终端间的无线通信连接之前，还包括：
选择单个或连续多个未使用的频点进行频谱聚合，得到超窄带电力物联网通信***的工作频带；
在所述工作频带上，按照预设带宽，划分子信道；
根据所述子信道，初始化网络，进入正常工作模式。
本发明提供的第八优选技术方案，其改进之处在于，所述选取未使用的频点构建无线网关与无线节点终端间的无线通信连接，包括：
所述无线网关基于所述子信道，设置广播信道，向所述无线节点终端发送对应广播信道的信标；
所述无线网关根据接收的无线节点终端针对所述信标的回复，构建无线网关与无线节点终端间的无线通信连接；
其中，所述频点的宽度为25kHz，所述子信道的宽度为200Hz。
本发明提供的第九优选技术方案，其改进之处在于，所述无线网关根据接收的无线节点终端针对所述信标的回复，构建无线网关与无线节点终端间的无线通信连接，包括：
所述无线网关根据接收的无线节点终端针对所述信标的回复，为无线节点终端分配地址和信道，并向所述无线节点终端发送入网确认消息；
所述无线节点终端终收到入网确认消息后，根据所述无线网关分配的地址和信道，配置所述无线节点终端的网址并调整工作频率，完成无线网关与无线节点终端间的无线通信连接。
本发明提供的第十优选技术方案，其改进之处在于，所述完成与所述无线网关的连接之后，还包括：
当所述无线节点终端无数据发送请求时，进入休眠模式；
当所述无线节点终端有数据发送请求时，则完成数据发送；
其中，所述休眠模式的唤醒包括：周期性唤醒和按需唤醒。
本发明提供的第十一优选技术方案，其改进之处在于，所述选取未使用的频点构建无线网关与无线节点终端间的无线通信连接之后，还包括：
采用所述无线网关的控制子***并经过所述无线网关的收发子***对所述无线节点终端进行注册管理以及通信协议管理；
采用所述收发子***在所述无线节点终端与电力物联网平台之间双向进行信号传递。
与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：
本发明提供的一种超窄带电力物联网通信***包括：无线网关和与无线网关无线连接的多个无线节点终端；无线网关通过电力传输网接入电力物联网平台；无线网关工作于电力专用频段，用于选取电力专用频段中未使用的频点构建无线网关与无线节点终端间的通信连接。本发明采用的超窄带电力物联网通信***工作在电力专用的授权频段，与工作在非授权频段的LoRA、Sigfox等LPWAN***相比，一方面发送功率更大，也不易受到其他***的干扰，信号穿透墙能力更强，覆盖范围及应用场景更广泛，***可靠性、安全性更有保障，适合电力工业应用。与无线专网相比，工程选址及施工要求低，通信距离长、连接数量大、终端设备功耗低，适配小数据、低频次、大连接的电力状态监测物联物联业务。
本发明采用超窄带传输，传输距离更远且***容量更大。本发明采用的子信道带宽为200Hz，与信道带宽为200kHz的无线技术相比，相同发射功率条件下功率谱密度提高了1000倍、子信道个数增加了1000倍。故本专利单跳传输距离更远，能够支持的用户数更大，即***容量更大。
本发明支持休眠模式以及发送功率自适应调整，终端节点在无数据发送需求时自动进入休眠模式，当接收信号质量较好时降低发送功率，可以节省功耗，延长电池使用寿命。
本发明终端节点实现简单，成本低，适合大规模部署应用。
附图说明
图1为本发明提供的一种超窄带电力物联网通信***结构示意图；
图2为本发明涉及的频率认知示意图；
图3为本发明涉及的频谱聚合示意图；
图4为本发明涉及的超窄带示意图；
图5为本发明涉及的线网关原理构成示意图；
图6为本发明提供的一种超窄带电力物联网通信***的通信方法流程示意图；
图7为本发明涉及的一个超窄带电力物联网通信***的通信方法实施例具体流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
实施例1：
本发明提供的一种超窄带电力物联网通信***结构示意图如图1所示，包括：
无线网关和与无线网关无线连接的多个无线节点终端；
无线网关通过电力传输网接入电力物联网平台；
无线网关工作于电力专用频段，用于选取电力专用频段中未使用的频点构建无线网关与无线节点终端间的通信连接。
下面以230M电力无线专网频谱资源作为电力专用频段的例子，对超窄带电力物联网通信***进行详细说明。
本实施例基于230M电力无线专网频谱资源，通过先进的频谱认知技术选择现场可用的无线频点资源，选择最佳连续的多个25kHz频点进行频谱聚合，构成25kHz×N带宽的工作频段，N可以选取1、2、4、8等。选取200Hz带宽的单信道带宽，形成多达1000个超窄带信道，基于频分多址接入方法及轻量级网络协议，实现资源的高效利用和现场成千上万只传感器、智能终端的多址接入，构建满足电力物联网业务需求的低功耗广域物联网通信***。
超窄带电力物联网通信***结构图如图1所示，网络由一个无线网关与多个无线终端节点构成的星型网络拓扑结构。无线网关作为网络的控制中心，负责网络的组建和管理。上电后首先探测223-235MHz频段280个电力频点使用情况，选择单个或连续多个带宽为25kHz的离散频点进行频谱聚合，确定本网络可用工作频段，初始化网络，进入正常工作模式。
终端上电后在230MHz频段探测网关下行广播信道和同步信标，主动发送入网请求信号，在网关注册，网关根据终端业务分类及优先级分配终端节点地址。终端之间不能通信，终端到网关只有一跳路径，通过信道访问控制协议实现网关和多个终端之间双向通信。
无线网关与电力传输网有线连接，通过电力传输网接入电力物联网平台，实现现场各类业务终端、传感器数据到业务应用***的连接和服务。
图2是频率认知示意图。频率认知由网关完成。网关上电后首先在223-235MHz频段的280个离散频点中进行频率认知。频率认知方法包括但不限于能量检测、循环平稳特征检测等。以能量检测为例，若某一频带检测到的信号能量值小于事先给定的检测门限，则认为该频带可用，否则认为不可用。频带检测顺序包括但不限于顺序检测、随机检测等。
图3是频谱聚合示意图。网关完成频率认知后，根据初始设定，选择临近的1/2/4/8个25kHz的离散频点，进行频谱聚合，形成25kHz/50kKHz/100kHz/200kHz的***工作频段。
图4是超窄带示意图。单信道带宽为200Hz，当***选用25kHz/50kKHz/100kHz/200kHz的工作频段时，共包含的信道个数为125/250/500/1000个。
图5是无线网关原理构成示意图。无线网关由收发子***、控制子***两大部分构成。
收发子***负责无线信号的接收和发送处理，包括物理层帧封装、编码、调制、射频收发电路等。
控制子***包括协议处理、无线资源管理、节点注册管理功能。其中，协议处理部分实现轻量级通信协议，无线资源管理包括频率认知和子信道分配。
实施例2：
基于同一发明构思，本发明还提供了一种超窄带电力物联网通信***的通信方法。
该方法基本流程如图6所示，包括：
步骤1：通过电力传输网，将超窄带电力物联网通信***中的无线网关连接至电力物联网平台；
步骤2：采用无线网关认知电力专用频段中的未使用的频点；
步骤3：选取未使用的频点构建无线网关与无线节点终端间的无线通信连接。
其中，步骤2包括：
采用所述无线网关利用能量检测方法或循环平稳特征检测方法，得到电力专用频段中的未使用的频点；
其中，能量检测方法或循环平稳特征检测方法中频点检测顺序包括：顺序检测和随机检测。
其中，步骤2和步骤3之间，还包括：
步骤2-1：选择单个或连续多个未使用的频点进行频谱聚合，得到超窄带电力物联网通信***的工作频带；
步骤2-2：在工作频带上，按照预设带宽，划分子信道；
步骤2-3：根据子信道，初始化网络，进入正常工作模式。
其中，步骤3包括：
步骤3-1：无线网关基于子信道，设置广播信道，向无线节点终端发送对应广播信道的信标；
步骤3-2：无线网关根据接收的无线节点终端针对信标的回复，构建无线网关与无线节点终端间的无线通信连接；
其中，频点的宽度为25kHz，子信道的宽度为200Hz。
步骤3-2具体为：
无线网关根据接收的无线节点终端针对信标的回复，为无线节点终端分配地址和信道，并向无线节点终端发送入网确认消息；
无线节点终端终收到入网确认消息后，根据无线网关分配的地址和信道，配置无线节点终端的网址并调整工作频率，完成无线网关与无线节点终端间的无线通信连接。
步骤3-2之后，还包括：
当无线节点终端无数据发送请求时，进入休眠模式；
当无线节点终端有数据发送请求时，则完成数据发送；
其中，休眠模式的唤醒包括：周期性唤醒和按需唤醒。
图7为一个超窄带电力物联网通信***的通信方法实施例的流程图。包括以下步骤：
步骤101：网关节点上电后启动频率认知；
步骤102：网关节点根据***初始设定，从认知到的频率中选择相邻的频率并进行频谱聚合；
步骤103：网关节点设置广播信道，开始发送信标；
步骤104：终端节点上电后依次通过各频点搜索信标；
步骤105：终端节点搜索到信标后，根据信标信息发送入网申请；
步骤106：网关节点收到入网申请后，为终端节点分配地址、信道，并向其发送入网确认消息；
步骤107：终端节点接收到入网确认消息后，配置网络地址、调整工作频率，完成入网。
终端节点入网完成后，若无数据发送请求，则进入休眠模式。终端节点唤醒包括但不限于周期性唤醒、按需唤醒等。当采用周期性唤醒时，终端节点每隔一段时间(包括但不限于15分钟/1小时/2小时/24小时)自动唤醒，检查是否有数据发送需求。若有数据发送需求，则完成数据发送，否则继续进入休眠模式。当采用按需唤醒时，终端节点在有数据发送需求时自动唤醒，完成数据发送后再次进入休眠模式。
本发明提出的超窄带电力物联网通信***支持发送功率自适应调整，即当基站和终端间接收信号质量较高时，降低发送功率，反之则提高发送功率。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。
Claims (7)
1.一种超窄带电力物联网通信***，其特征在于，包括：
无线网关和与所述无线网关无线连接的多个无线节点终端；
所述无线网关通过电力传输网接入电力物联网平台；
所述无线网关工作于电力专用频段，用于选取所述电力专用频段中未使用的频点构建无线网关与无线节点终端间的通信连接；
所述无线网关包括：收发子***和控制子***；
所述收发子***与所述无线节点终端无线连接，还与电力传输网有线连接，用于所述无线节点终端与电力物联网平台之间信号的接收和发送；
所述控制子***，用于识别所述电力专用频段中未使用的频点并将所述频点分配至与所述无线网关无线连接的无线节点终端，还用于通过所述收发子***对所述无线节点终端进行注册管理以及通信协议管理；
所述控制子***包括协议处理模块、无线资源管理模块和节点注册管理模块；
所述协议处理模块，用于通过所述收发子***处理与无线节点终端间的通信协议；
所述节点注册管理模块，用于通过所述收发子***对所述无线节点终端进行注册与管理；
所述无线资源管理模块，用于认知电力专用频段，并根据认知到的电力专用频段中的未使用的频点，选择单个或连续多个未使用的频点进行频谱聚合，得到超窄带电力物联网通信***的工作频带；在所述工作频带上，按照预设带宽，划分子信道，分配与所述无线节点终端连接的子信道；基于频分多址接入方法及轻量级网络协议，通过所述收发子***接入所述无线节点终端；
所述频点的宽度为25kHz，所述子信道的宽度为200Hz。
2.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述收发子***包括物理层帧封装模块、编码模块、调制模块和射频收发电路模块：
所述物理层帧封装模块，用于对所述无线节点终端与电力物联网平台之间信号进行物理层封装；
所述编码模块，用于对物理层封装后的信号进行编码；
所述调制模块，用于对编码后的信号进行调制；
所述射频收发电路模块，用于收发调制后的信号。
3.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述无线节点终端与电力物联网平台之间信号包括电网负荷控制命令和用电采集数据。
4.一种超窄带电力物联网通信***的通信方法，其特征在于，包括：
通过电力传输网，将超窄带电力物联网通信***中的无线网关连接至电力物联网平台；
采用所述无线网关认知电力专用频段中的未使用的频点；
选取未使用的频点构建无线网关与无线节点终端间的无线通信连接；
所述采用所述无线网关认知电力专用频段中的未使用的频点，包括：
采用所述无线网关利用能量检测方法或循环平稳特征检测方法，得到电力专用频段中的未使用的频点；
其中，能量检测方法或循环平稳特征检测方法中频点检测顺序包括：顺序检测和随机检测；
所述采用所述无线网关认知电力专用频段中的未使用的频点之后，且选取未使用的频点构建无线网关与无线节点终端间的无线通信连接之前，还包括：
选择单个或连续多个未使用的频点进行频谱聚合，得到超窄带电力物联网通信***的工作频带；
在所述工作频带上，按照预设带宽，划分子信道；
根据所述子信道，初始化网络，进入正常工作模式；
所述选取未使用的频点构建无线网关与无线节点终端间的无线通信连接，包括：
所述无线网关基于所述子信道，设置广播信道，向所述无线节点终端发送对应广播信道的信标；
所述无线网关根据接收的无线节点终端针对所述信标的回复，构建无线网关与无线节点终端间的无线通信连接；
基于频分多址接入方法及轻量级网络协议，接入所述无线节点终端；
其中，所述频点的宽度为25kHz，所述子信道的宽度为200Hz。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述无线网关根据接收的无线节点终端针对所述信标的回复，构建无线网关与无线节点终端间的无线通信连接，包括：
所述无线网关根据接收的无线节点终端针对所述信标的回复，为无线节点终端分配地址和信道，并向所述无线节点终端发送入网确认消息；
所述无线节点终端终收到入网确认消息后，根据所述无线网关分配的地址和信道，配置所述无线节点终端的网址并调整工作频率，完成无线网关与无线节点终端间的无线通信连接。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述完成与所述无线网关的连接之后，还包括：
当所述无线节点终端无数据发送请求时，进入休眠模式；
当所述无线节点终端有数据发送请求时，则完成数据发送；
其中，所述休眠模式的唤醒包括：周期性唤醒和按需唤醒。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述选取未使用的频点构建无线网关与无线节点终端间的无线通信连接之后，还包括：
采用所述无线网关的控制子***并经过所述无线网关的收发子***对所述无线节点终端进行注册管理以及通信协议管理；
采用所述收发子***在所述无线节点终端与电力物联网平台之间双向进行信号传递。
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