CN111565402B - 一种用于无线通信的通信训练***及训练方法 - Google Patents

Abstract

一种用于无线通信的通信训练***及训练方法，包括头端设备、中继设备和终端设备，头端设备发送测距训练请求信号和测距确认信号；中继设备根据载波训练信号的频率确定信号发送频率，并对测距训练请求信号和测距确认信号进行增益，使用发送频率发送增益后的测距训练请求信号和测距确认信号；终端设备接收请求信号和测距确认信号，并根据信号的频率确定数据信号发送频率、功率和调制方式。使头端设备能够实时感知所处环境的射频信号传输参数变化，并将这种变化实时通知所述中继设备和终端设备，确保所述中继设备和终端设备的工作频率、功率和调制方式与射频传输参数变化相互匹配，提高整个无线***的传输质量。

Description

一种用于无线通信的通信训练***及训练方法

技术领域

本发明涉及无线电技术领域，特别涉及一种用于无线通信的通信训练***及训练方法。

背景技术

随着无线通信技术的迅猛发展，作为光纤通信的补充，无线通信方式对电力配电侧业务的支撑能力已有较大提高，越来越多的配电终端业务开始使用无线通信方式承载。现有的电力无线通信专网***主要有包括230数传电台、LTE-230***等技术体制。

电力230MHz数传电台虽已在电力***长期应用，但存在着点对点通信容量小、带宽窄采集周期长、频率资源少利用率低、专业性强维护工作量较大等缺点,这种状况已经成为制约电力230M数传电台在配电通信网的进一步发展的瓶颈。

而电力LTE-230无线宽带通信***，虽然支持双向数据传输，视频监控，集群语音等业务，具有广覆盖、海量用户、高可靠性、高速率传输、实时性强、安全性强、频谱适应性强等优点，但也存在投资大，特别是对于城郊、农村、偏远地区来说，存在设备投资大、部署成本高等缺点。

同时电力设备所处环境特点决定了通信***所处的高电压、强电磁干扰、气候环境变化大等恶劣射频环境会降低无线载波信号的传输质量，进而降低通信效率。无线通信***需要实时跟踪射频传输环境的变化并自我调整，即使是在严重干扰的情况下，也可提供高带宽并且保证传输效率，从而实现数据的高速可靠通信。

因此如何充分利用230MHz电力专用频率资源，采用频谱感知技术，避免与其它无线通信***间的干扰，实现不同无线通信***的兼容，能够实时根据射频传输环境自我调整，对于利用现有230MHz电力专用频率资源，建设能够支持多种配电业务的230MHz频段低功耗无线通信***具有重要的现实意义。故此一种具备射频环境感知和自我修正能力的无线通信训练***显得尤为必要。

发明内容

为了解决背景技术中的技术问题，本发明提供一种用于无线通信的通信训练***及训练方法，是一种用于电力230M频段低功耗无线通信***的通信训练***，所要解决的技术问题在于使所述头端设备能够实时感知所处环境的射频信号传输参数变化，并将这种变化实时通知所述中继设备和终端设备，确保所述中继设备和终端设备的工作频率、功率和调制方式与射频传输参数变化相互匹配，提高整个无线***的传输质量。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种用于无线通信的通信训练***，包括：头端设备、中继设备和终端设备，头端设备与中继设备间、头端设备与终端设备间和中继设备与终端设备间采用无线方式连接；

所述头端设备用于发送测距训练请求信号和测距确认信号；

所述中继设备用于接收测距训练请求信号和测距确认信号，根据载波训练信号的频率确定信号发送频率，并对测距训练请求信号和测距确认信号进行增益，使用发送频率发送增益后的测距训练请求信号和测距确认信号；

所述终端设备用于接收增益后的测距训练请求信号和测距确认信号，并根据增益后的测距训练请求信号和测距确认信号的频率确定数据信号发送频率、功率和调制方式。

进一步地，所述头端设备能够感知并跟随所处地点的无线射频环境变化，并能够随无线射频环境的变化自动调整所述测距训练请求信号和测距确认信号所描述的发送频率、功率和调制方式。

进一步地，所述头端设备、中继设备和终端设备采用OFDM、CSS、FSK调制方式生成处理通信数据，所述头端设备根据测距训练请求信号和测距确认信号的传输质量确定所述中继设备和终端设备的工作频率、信号功率和调制方式。

所述的一种用于无线通信的通信训练***的训练方法，包括如下步骤：

S1、头端设备根据预设频率发送测距训练请求信号；

S2、中继设备和终端设备根据所述测距训练请求信号的参数确定自身信号发送频率、功率和调制方式，并按照测距训练请求信号的描述使用指定的频率、功率和调制方式发送测距训练应答信号给头端设备。头端设备、中继设备和终端设备可以是设有无线载波调制芯片的设备，例如无线通信模块；

S3、头端设备根据接收到的测距训练应答信号，逐个评估处于不同物理位置的中继设备和终端设备与头端设备间无线传输信道质量，包括但不限于频谱偏移情况、传输延时情况、信号衰减情况、信噪比和误码率情况，并对不同物理位置的中继设备和终端设备设定唯一的测距确认信号；

S4、头端设备逐个对不同物理位置的中继设备和终端设备发送唯一的测距确认信号；

S5、中继设备和终端设备根据所述测距确认信号的参数确定自身实际数据通信信号发送频率、功率和调制方式。

进一步地，所述的S2包括：

S21、所述中继设备接收所述头端设备发送的测距训练请求信号，并根据所述测距训练请求信号的频率确定信号发送频率和调制方式；

S22、所述中继设备对所述测距训练请求信号进行增益，并使用所述发送频率发送增益后的测距训练请求信号；

S23、所述终端设备接收所述增益后的测距训练请求信号，并根据所述增益后的测距训练请求信号的描述确定信号发送频率、功率和调制方式。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的通信训练***及方法，可以在通信***处理上行数据和下行数据时，实时感知无线通信***所处环境的射频信号传输参数的变化，从而使头端设备、中继设备和终端设备使用相同的工作频率和调试方式，并且确保射频信号发射功率尽可能低，从而提高上行数据和下行数据的传输质量，并减少和避免与同频段其他通信无线***的相互干扰。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的通信训练***的结构示意图；

图2是本发明实施例1提供的通信训练***的具体结构图；

图3是本发明实施例2提供的通信训练方法的流程图；

图4是本发明的射频环境学习原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。

实施例1

本实施例提供一种通信训练***，包括：头端设备1、中继设备2和终端设备3，头端设备1与中继设备2和终端设备3间通过无线方式连接；头端设备1、中继设备2和终端设备3可以是设有无线载波调制芯片的设备，例如无线通信模块。

无线载波信号的调制方式有多种，本实施例中的头端设备1、终端设备3和中继设备2可以采用OFDM调制方式生成无线载波信号，并根据无线载波信号的传输质量确定所述无线载波信号的工作频率。OFDM调制方式是一种多载波调制方式，这种方式可以在一定的频率范围内将一个载波分为许多个带宽较窄的次载波，这些次载波相互正交，采用快速傅立叶变换将这些次载波信号进行编码。次载波频分器将信号反转，使之正交，对于n个次载波，每一个次载波的符号速率被载波调制器分为整个符号速率的1/n，这使得调制后符号速率长于多径延迟从而减少符号间干扰。OFDM技术主要有以下优点：1)有效克服码间干扰，抗干扰能力强；2)频带利用率高；3)***的均衡简单等。上述无线通信设备(头端设备、中继设备、终端设备)可以根据实时信号传输质量的变化选择使用全部或者部分子载波，并且可以灵活调整子载波的调制方式。

例如，无线载波信号的工作频率范围可以是225～237.6MHz电力频段。OFDM技术将频率选择性衰落信道划分成大量的平坦衰落子信道,因此可以有效地对抗频率选择性衰落。OFDM***中的子信道带宽窄,相邻子信道不需要分配在连续的频带上,OFDM***能有效对抗无线传输信道上的干扰和衰落。在无线传输信道上,干扰通常发生在某个频率上,也就是干扰会影响一个或几个子信道。当某个子信道上的衰落严重,信噪比低于给定门限时,OFDM可以自适应地关闭该子信道,不在该子信道上发送数据,以保证数据的完整性和较低的误码率。同样的方法也可以用来对抗信道干扰。当干扰很大,严重影响某个子信道时,可同样的方法也可以用来对抗信道干扰。当干扰很大,严重影响某个子信道时,可以关闭该子信道来避免大的数据错误,或者可以通过提高干扰较大的子信道上信号的发射功率来提高信噪比,保证数据正确传输。

本实施例中的所述中继设备2和所述终端设备3根据所述头端设备1发送的测距训练请求信号和测距确认信号所含数据的参数确定自身信号发送频率、功率和调制方式。例如，在正常通信过程中或在正常通信之前，可以由所述头端设备1向所述中继设备2和终端设备3发送测距训练请求信号，所述中继设备2和终端设备3用于根据所述测距训练请求信号数据确定自身的工作频率、功率和调试方式后，向所述头端设备1发送测距训练应答信号，所述头端设备1根据接收到的测距训练应答信号，重新向所述中继设备2和终端设备3发送测距确认信号，所述中继设备2和终端设备3用于根据所述测距确认信号数据确定自身的数据传输所使用的实际工作频率、功率和调试方式。

本***可以在通信***处理上行数据和下行数据时，使头端设备1、中继设备2和终端设备3使用相同的工作频率和调制方式，并使不同物理传输距离下的中继设备2和终端设备3的无线载波信号在头端设备1处的无线载波信号强度近似相等，从而提高上行数据和下行数据的传输质量，并可以简化头端设备1的无线载波信号接收电路设计，降低电路成本。

优选地，所述头端设备用于发送测距训练请求信号和测距确认信号；所述中继设备用于接收所述测距训练请求信号和测距确认信号，根据所述测距训练请求信号和测距确认信号的参数确定信号发送频率、功率和调制方式，并对所述测距训练请求信号和测距确认信号进行增益，使用所述发送频率发送增益后的测距训练请求信号和测距确认信号所；所述终端设备用于接收所述增益后的测距训练请求信号和测距确认信号所，并根据所述增益后的测距训练请求信号和测距确认信号描述的参数确定信号发送频率、功率和调制方式。

上述优选方案模拟正常的上、下行通信过程，按照对实际通信数据的处理过程处理测距训练请求信号和测距确认信号，由此可以提高频率选择的准确性，进一步提高上行数据和下行数据的传输质量，并且确保不同物理位置的终端设备所发送实际通信数据信号在头端设备处具有近似的强度，从而可以简化头端设备1的无线载波信号接收电路设计，降低电路成本。

图2示出了本***的具体连接示意图，如图2所示，本实施例的通信训练***还可以包括：第一终端设备9和第一配电终端10，第一中继设备8和第二配电终端设备7，所述头端设备6通过无线方式与第一终端设备9、第一配电终端10、第一中继设备8和第二配电终端7建立通信链接。

还可以包括：第三终端设备5和第三配电终端4，第三终端设备5和第三配电终端4可通通过无线方式直接与头端设备6建立通信链接。

优选地，所述第一终端设备9和第一配电终端10之间，第一中继设备8和第二配电终端设备7之间，第三终端设备5和第三配电终端4之间，使用标准的串口或者以太网口进行连接。

实施例2

本实施例提供一种通信训练方法，如图3所示该方法包括：

S1，头端设备根据预设频率发送测距训练请求信号；

S2，中继设备和终端设备根据所述测距训练请求信号的参数确定自身信号发送频率、功率和调制方式，并按照测距训练请求信号的描述使用指定的频率、功率和调制方式发送测距训练应答信号给头端设备。头端设备、中继设备和终端设备可以是设有无线载波调制芯片的设备，例如无线通信模块。

S3，头端设备根据接收到的测距训练应答信号，逐个评估处于不同物理位置的中继设备和终端设备与头端设备间无线传输信道质量，包括但不限于频谱偏移情况、传输延时情况、信号衰减情况、信噪比和误码率情况，并对不同物理位置的中继设备和终端设备设定唯一的测距确认信号。

S4，头端设备逐个对不同物理位置的中继设备和终端设备发送唯一的测距确认信号。

S5，中继设备和终端设备根据所述测距确认信号的参数确定自身实际数据通信信号发送频率、功率和调制方式。

无线载波信号的调制方式有多种，在本实施例中，头端设备、终端设备和中继设备可以采用OFDM调制方式生成载波信号，并根据载波信号的传输质量确定所述载波信号的工作频率、功率和调制方式。OFDM调制方式是一种多载波调制方式，这种方式可以在一定的频率范围内将一个载波分为许多个带宽较窄的次载波，这些次载波相互正交，采用快速傅立叶变换将这些次载波信号进行编码。次载波频分器将信号反转，使之正交，对于n个次载波，每一个次载波的符号速率被载波调制器分为整个符号速率的1/n，这使得调制后符号速率长于多径延迟从而减少符号间干扰。OFDM技术主要有以下优点：1)有效克服码间干扰，抗干扰能力强；2)频带利用率高；3)***的均衡简单等。上述载波设备(头端设备、中继设备、终端设备)可以根据实时信号传输质量的变化选择使用全部或者部分子载波，并且可以灵活调整子载波的调制方式。

例如，无线载波信号的工作频率范围可以是225～237.6MHz。OFDM技术将频率选择性衰落信道划分成大量的平坦衰落子信道,因此可以有效地对抗频率选择性衰落。OFDM***中的子信道带宽窄,相邻子信道不需要分配在连续的频带上,OFDM***能有效对抗电力线信道上的干扰和衰落。在电力线信道上,干扰通常发生在某个频率上,也就是干扰会影响一个或几个子信道。当某个子信道上的衰落严重,信噪比低于给定门限时,OFDM可以自适应地关闭该子信道,不在该子信道上发送数据,以保证数据的完整性和较低的误码率。同样的方法也可以用来对抗信道干扰。当干扰很大,严重影响某个子信道时,可同样的方法也可以用来对抗信道干扰。当干扰很大,严重影响某个子信道时,可以关闭该子信道来避免大的数据错误,或者可以通过提高干扰较大的子信道上信号的发射功率来提高信噪比,保证数据正确传输。

本实施例中所述中继设备和所述终端设备根据所述头端设备发送的测距训练请求信号和测距确认信号描述的参数确定自身信号发送频率、功率和调制方式。例如，在正常通信过程中或在正常通信之前，可以由所述头端设备向所述中继设备和终端设备发送测距训练请求信号和测距确认信号，所述中继设备和终端设备用于根据所述测距训练请求信号和测距确认信号确定自身的工作频率、功率和调制方式。

本方法可以在通信***处理上行数据和下行数据时，使头端设备、中继设备和终端设备使用相同的工作频率，从而提高上行数据和下行数据的传输质量，并且确保不同物理位置的终端设备所发送实际通信数据信号在头端设备处具有近似的强度，从而可以简化头端设备1的无线载波信号接收电路设计，降低电路成本。

优选地，所述S2可以包括：

S21，所述中继设备接收所述头端设备发送的测距训练请求信号，并根据所述测距训练请求信号的频率确定信号发送频率和调制方式；

S22，所述中继设备对所述测距训练请求信号进行增益，并使用所述发送频率发送增益后的测距训练请求信号；

S23，所述终端设备接收所述增益后的测距训练请求信号，并根据所述增益后的测距训练请求信号的描述确定信号发送频率、功率和调制方式。

上述优选方案模拟正常的下行通信过程，按照对实际通信数据的处理过程处理载波训练信号，由此可以提高频率选择的准确性，进一步提高上行数据和下行数据的传输质量。

如图4所示，本通信训练***的逻辑原理是：

1)无线通信***在开始时会预设允许的发射/接收频率范围、发射功率等基础信息。

2)在无线头端需要学习周边射频环境时(定时发起的任务)，无线头端会首先检测有无同频率的无线信号，以防干扰其他无线通信***；

3)当检测到没有同频无线信号时，无线头端首先发送一段白噪声信号(阻频信号)来标示本频段被使用；

4)紧接着无线头端会按照预设频率发送测距请求信号给指定无线中继或无线终端，测距信号包含发射时间(准确到10uS级，为了方便轮询不同目标机)、本机发射频率(准确到1Hz)和功率、目标机ID、目标机应在何时回应(准确到10uS级)、目标机应用什么频率(该频率与无线头端发射频率可相同也可不同)和功率回应等信息；

5)目标机接收到测距请求信号后，首先用测距信号中无线头端时间信息计算无线信号从无线头端到本机的传输时延和修正本机时间，用以确保在准确的无线头端时间，测距回应信号能够传输到无线头端。随后目标机根据测距信号的频率、功率信息计算信号的频率偏差、传输衰减、信噪比和误码率，并用计算值对本机发射频率和功率进行修正。

6)目标机按照修正后的发射时间、发射频率和发射功率，将包含有本机ID、本机测量到的传输衰减、传输延时、信噪比和误码率等信息以测距回应信号的形式发送给无线头端。

7)无线头端接收到不同目标机返回的全部传输延时、传输衰减、信噪比和误码率等信息后，就会明确了解其覆盖范围内那些无线频点传输质量好(信噪比高、传输延时小、误码率低)，到不同目标机的传输延时如何，应该如何给不同目标机分配通信频率和通信时间(提高通信效率)，与不同目标机通信时应该以多大功率发射信号(降低对其他***干扰、节能)，从而完成一次学习。

8)无线头端根据学习结果，修正预设值并分配不同目标机的工作频率、发射功率、发射时间、调制方式并下发目标机，以便在非学习期间无线终端和目标机之间的通信联络。

9)在非学习期间，每次无线终端或中继主动发送数据给无线头端时，无线头端也都会学习分析此次信号的频率偏移、传输延时、传输衰减，并通知该无线终端或中继在下次发射数据时修正，直至下一个学习周期到来。

由于无线头端是230M低功耗无线通信***的核心和控制设备，故无线头端通过上述学习感知过程，实时感知无线通信***所处环境的射频信号传输参数的变化，从而使头端设备、中继设备和终端设备使用最有效的工作频率和调试方式，并且确保射频信号发射功率尽可能低，从而提高上行数据和下行数据的传输质量，并减少和避免与同频段其他通信无线***的相互干扰。

以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

Claims (4)

1.一种用于无线通信的通信训练***的训练方法，所述训练***包括：头端设备、中继设备和终端设备，头端设备与中继设备间、头端设备与终端设备间和中继设备与终端设备间采用无线方式连接；

所述头端设备用于发送测距训练请求信号和测距确认信号；

所述中继设备用于接收测距训练请求信号和测距确认信号，根据载波训练信号的频率确定信号发送频率，并对测距训练请求信号和测距确认信号进行增益，使用发送频率发送增益后的测距训练请求信号和测距确认信号；

所述终端设备用于接收增益后的测距训练请求信号和测距确认信号，并根据增益后的测距训练请求信号和测距确认信号的频率确定数据信号发送频率、功率和调制方式；

其特征在于，所述训练方法包括如下步骤：

S1、头端设备根据预设频率发送测距训练请求信号；

S2、中继设备和终端设备根据所述测距训练请求信号的参数确定自身信号发送频率、功率和调制方式，并按照测距训练请求信号的描述使用指定的频率、功率和调制方式发送测距训练应答信号给头端设备；

S3、头端设备根据接收到的测距训练应答信号，逐个评估处于不同物理位置的中继设备和终端设备与头端设备间无线传输信道质量，包括但不限于频谱偏移情况、传输延时情况、信号衰减情况、信噪比和误码率情况，并对不同物理位置的中继设备和终端设备设定唯一的测距确认信号；

S4、头端设备逐个对不同物理位置的中继设备和终端设备发送唯一的测距确认信号；

S5、中继设备和终端设备根据所述测距确认信号的参数确定自身实际数据通信信号发送频率、功率和调制方式。

2.根据权利要求1所述的一种用于无线通信的通信训练***的训练方法，其特征在于，所述头端设备能够感知并跟随所处地点的无线射频环境变化，并能够随无线射频环境的变化自动调整所述测距训练请求信号和测距确认信号所描述的发送频率、功率和调制方式。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于无线通信的通信训练***的训练方法，其特征在于，所述头端设备、中继设备和终端设备采用OFDM、CSS、FSK调制方式生成处理通信数据，所述头端设备根据测距训练请求信号和测距确认信号的传输质量确定所述中继设备和终端设备的工作频率、信号功率和调制方式。

4.根据权利要求1所述的一种用于无线通信的通信训练***的训练方法，其特征在于，所述的步骤S2包括：

S21、所述中继设备接收所述头端设备发送的测距训练请求信号，并根据所述测距训练请求信号的频率确定信号发送频率和调制方式；

S22、所述中继设备对所述测距训练请求信号进行增益，并使用所述发送频率发送增益后的测距训练请求信号；

S23、所述终端设备接收所述增益后的测距训练请求信号，并根据所述增益后的测距训练请求信号的描述确定信号发送频率、功率和调制方式。