适用于AMI的有线无线融合的数据传输系统及方法

摘要

本发明公开了一种适用于AMI的有线无线融合的数据传输系统及方法。该系统包括：前向纠错编码部分，用于对待发送的数据进行加扰和RS编码处理，并将RS编码处理后的数据与帧控制头独立地进行卷积编码、交织和重复编码，然后输出给调制部分；调制部分，用于根据所选调制模式对前向纠错编码部分输入的重复编码后的数据进行映射、插入导频、IFFT、插入循环前缀、插入前导、加窗和重叠处理，形成基带物理帧，并根据传输模式的设置选择是否进行上变频，然后输出给模拟前端发送部分；模拟前端发送部分，用于根据传输方式的设置选择采用电力线模拟前端或射频模拟前端发送调制部分输入的数据。利用本发明，实现了与环境和信道特性相适应的传输方案的灵活选择。

说明书

技术领域

本发明涉及电力线通信和无线通信技术领域，尤其涉及一种基于OFDM技术实现的适用于AMI的有线无线融合的数据传输系统及方法。

背景技术

智能电网下的高级量测体系(Advanced Metering Infrastructure，AMI)包括智能电表、网络通信、电表数据管理三个系统，固定的双向通信网络是其全部高级应用的基础。

我国电网庞大而复杂，信道环境极其恶劣，信道特性在不同频段、不同时间、不同地点各不相同，尤其是低频段，工频噪声、窄带噪声等干扰非常严重，给系统设计带来了很大的挑战。无线信道的动态随机性很大，空间电磁干扰和多径干扰严重。而正交频分复用(OFDM)技术具有良好的抗多径抗噪特性，并具有很高的频谱利用效率，能够有效对抗有线电视分配网中的多径效应和耦合进入的噪声。因此在AMI的通信中，利用OFDM技术进行调制成为一个最佳选择。

现有用于AMI的通信方式主要可以分为电力线通信和无线通信。电力线通信主要采用单载波窄带调制技术(如FSK、BPSK、跳频、直接序列扩频等)或多载波调制技术，其中单载波调制技术下数据速率大都在10kbit/s以下，OFDM多载波调制技术下数据率可以达到几十到几百kbit/s；无线通信主要采用扩频技术(如ZigBee)，数据速率一般为几十到几百kbit/s。无线通信技术成熟、安全性好、便于移动，但易受障碍物阻挡、传输距离短；电力线通信技术利用已有的电网实现成本低、不占用已有的频率资源、不存在穿墙问题，但灵活性相对不足。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于OFDM技术实现的适用于AMI的有线无线融合的数据传输系统及方法，以解决目前已有技术的不足，实现与环境和信道特性相适应的传输方案的灵活选择。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种适用于AMI的有线无线融合的数据传输系统，该系统基于OFDM技术实现，包括：

前向纠错编码部分，用于对待发送的数据进行加扰和RS编码处理，并将RS编码处理后的数据与帧控制头独立地进行卷积编码、交织和重复编码，然后输出给调制部分；

调制部分，用于根据所选调制模式对前向纠错编码部分输入的重复编码后的数据进行映射、插入导频、IFFT、插入循环前缀、插入前导、加窗和重叠处理，形成基带物理帧，并根据传输模式的设置选择是否进行上变频，然后输出给模拟前端发送部分；以及

模拟前端发送部分，用于根据传输方式的设置选择采用电力线模拟前端或射频模拟前端发送调制部分输入的数据。

上述方案中，所述前向纠错编码部分对待发送的数据进行加扰和RS编码处理，并将RS编码处理后的数据与帧控制头独立地进行卷积编码、交织和重复编码，具体包括：

前向纠错编码部分对待发送的数据以字节为单位进行加扰，其中扰码的产生基于随机的PN序列，PN序列的生成多项式为：

对经过进行加扰之后的数据采用GF(2⁸)中的截短RS(N，K)进行编码，其中N取自8到255的整数，K＝N-8；

对RS编码处理后的数据与帧控制头独立地进行卷积编码，卷积码的码率为1/2，约束长度k＝7，生成多项式分别为：G₁＝171_oct，G₂＝133_oct，当编码的最后一个比特进入卷积编码器后，插入6个0作为收尾比特，使卷积编码器回到零状态；

对卷积编码后的数据与帧控制头分别进行交织处理；以及

对交织后的数据进行重复编码，帧控制头采用6次重复编码。

上述方案中，所述对卷积编码后的数据与帧控制头分别进行交织处理时，交织器采用行进列出的方式，按列输出时采用带偏移量的循环输出，偏移量按列递增；所述对交织后的数据进行重复编码时，在ROBUST模式下数据部分采用4次重复编码，非ROBUST模式下数据不进行重复编码，该重复编码是将交织后的数据整体重复输出。

上述方案中，所述调制部分根据所选调制模式对前向纠错编码部分输入的重复编码后的数据进行映射、插入导频、IFFT、插入循环前缀、插入前导、加窗和重叠处理，形成基带物理帧，并根据传输模式的设置选择是否进行上变频，具体包括：

调制部分根据所选调制模式进行数据映射并插入导频；

通过128点的IFFT变换，将插入导频后的数据频域数据变换到时域，形成时域符号；

在每个IFFT生成的符号前插入循环前缀；

在生成的第一个符号前，插入前导符号；

对每一个符号进行加窗处理；

对加窗后的符号进行重叠处理；以及

经过以上处理，形成了一个复基带物理帧，然后根据传输方式的设置选择是否进行上变频，如果传输方式为有线传输，则采用数字上变频将复基带物理帧调至基带，否则不进行上变频。

上述方案中，所述调制部分根据所选调制模式进行数据映射并插入导频时，在ROBUST模式和DBPSK模式下，将数据进行DBPSK调制，在DQPSK模式下将数据进行DQPSK调制；所述IFFT变换中，IFFT的输入为：1～48和80～127子载波输入有效数据，其它子载波输入为0；所述在每个IFFT生成的符号前插入循环前缀时，循环前缀长度为16个样点，数据取自该符号的末尾；所述在生成的第一个符号前，插入前导符号时，前导符号不进行插入循环前缀，而前导序列由9.5个符号长度前导符号连接而成；所述对每一个符号进行加窗处理时，所加窗的上升沿和下降沿各占4个样点的长度，均采用升余弦滚降函数产生，对于前导序列只在第一个符号的头部加一个上升窗、最后半个符号的尾部加一个下降窗；所述对加窗后的符号进行重叠处理时，前后两个符号间重叠4个样点，对于前导序列仅在最后半个符号处与其后的第一个符号间重叠4各样点。

上述方案中，所述模拟前端发送部分包括电力线模拟前端和射频模拟前端，其中电力线模拟前端包括数模转换器、低通滤波器和发送驱动器，射频模拟前端包括数模转换器、低通滤波器、发送驱动器和混频器；所述电力线模拟前端和所述射频模拟前端复用数模转换器、低通滤波器和发送驱动器，且低通滤波器和发送驱动器的参数均可配置。

为达到上述目的，本发明还提供了一种适用于AMI的有线无线融合的数据传输方法，包括：

前向纠错编码部分对待发送的数据进行加扰和RS编码处理，并将RS编码处理后的数据与帧控制头独立地进行卷积编码、交织和重复编码，然后输出给调制部分；

调制部分根据所选调制模式对前向纠错编码部分输入的重复编码后的数据进行映射、插入导频、IFFT、插入循环前缀、插入前导、加窗和重叠处理，形成基带物理帧，并根据传输模式的设置选择是否进行上变频，然后输出给模拟前端发送部分；以及

模拟前端发送部分根据传输方式的设置选择采用电力线模拟前端或射频模拟前端发送调制部分输入的数据。

上述方案中，该方法在前向纠错编码部分对待发送的数据进行加扰和RS编码处理之前，还包括：设置系统调制模式和传输模式。所述设置系统调制模式和传输模式，包括：

设置系统调制模式：系统调制模式分为ROBUST模式、DBPSK模式、DQPSK模式，其中在ROBUST模式下，数据采用DBPSK调制，在重复编码时，数据进行4次重复编码；在DBPSK模式和DQPSK模式下，数据分别采用DBPSK和DQPSK调制，在重复编码时，数据不进行重复编码；

设置系统传输模式：系统传输模式分为有线传输模式和无线传输模式，其中有线传输模式下采用窄带电力线信道进行数据传输，无线传输模式下采用470-510MHz无线信道进行数据传输。

上述方案中，所述前向纠错编码部分对待发送的数据进行加扰和RS编码处理，并将RS编码处理后的数据与帧控制头独立地进行卷积编码、交织和重复编码，包括：

前向纠错编码部分对待发送的数据以字节为单位进行加扰，其中扰码的产生基于随机的PN序列，PN序列的生成多项式为：

对经过进行加扰之后的数据采用GF(2⁸)中的截短RS(N，K)进行编码，其中N取自8到255的整数，K＝N-8；

对RS编码处理后的数据与帧控制头独立地进行卷积编码，卷积码的码率为1/2，约束长度k＝7，生成多项式分别为：G₁＝171_oct，G₂＝133_oct，当编码的最后一个比特进入卷积编码器后，插入6个0作为收尾比特，使卷积编码器回到零状态；

对卷积编码后的数据与帧控制头分别进行交织处理；以及

对交织后的数据进行重复编码，帧控制头采用6次重复编码。

上述方案中，所述对卷积编码后的数据与帧控制头分别进行交织处理时，交织器采用行进列出的方式，按列输出时采用带偏移量的循环输出，偏移量按列递增；所述对交织后的数据进行重复编码时，在ROBUST模式下数据部分采用4次重复编码，非ROBUST模式下数据不进行重复编码，该重复编码是将交织后的数据整体重复输出。

上述方案中，所述调制部分根据所选调制模式对前向纠错编码部分输入的重复编码后的数据进行映射、插入导频、IFFT、插入循环前缀、插入前导、加窗和重叠处理，形成基带物理帧，并根据传输模式的设置选择是否进行上变频，包括：

调制部分根据所选调制模式进行数据映射并插入导频；

通过128点的IFFT变换，将插入导频后的数据频域数据变换到时域，形成时域符号；

在每个IFFT生成的符号前插入循环前缀；

在生成的第一个符号前，插入前导符号；

对每一个符号进行加窗处理；

对加窗后的符号进行重叠处理；以及

经过以上处理，形成了一个复基带物理帧，然后根据传输方式的设置选择是否进行上变频，如果传输方式为有线传输，则采用数字上变频将复基带物理帧调至基带，否则不进行上变频。

上述方案中，所述调制部分根据所选调制模式进行数据映射并插入导频时，在ROBUST模式和DBPSK模式下，将数据进行DBPSK调制，在DQPSK模式下将数据进行DQPSK调制；所述IFFT变换中，IFFT的输入为：1～48和80～127子载波输入有效数据，其它子载波输入为0；所述在每个IFFT生成的符号前插入循环前缀时，循环前缀长度为16个样点，数据取自该符号的末尾；所述在生成的第一个符号前，插入前导符号时，前导符号不进行插入循环前缀，而前导序列由9.5个符号长度前导符号连接而成；所述对每一个符号进行加窗处理时，所加窗的上升沿和下降沿各占4个样点的长度，均采用升余弦滚降函数产生，对于前导序列只在第一个符号的头部加一个上升窗、最后半个符号的尾部加一个下降窗；所述对加窗后的符号进行重叠处理时，前后两个符号间重叠4个样点，对于前导序列仅在最后半个符号处与其后的第一个符号间重叠4各样点。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的适用于AMI的有线无线融合的数据传输系统及方法，将有线技术和无线技术融合在一起实现，增强了系统适应性，可以根据环境需要和信道特性，配置为无线传输模式或有线传输模式，实现了与环境和信道特性相适应的传输方案的灵活选择。

2.本发明提供的适用于AMI的有线无线融合的数据传输系统及方法，基于OFDM技术实现，增强了系统的抗干扰性能、提高了数据传输率；通过有线无线的基带复用，简化设计，节约成本。

附图说明

图1是本发明提供的适用于AMI的有线无线融合的数据传输系统的结构示意图；

图2是本发明提供的帧结构图；

图3是依照本发明实施例的交织器结构图；

图4是依照本发明实施例的子载波映射示意图；

图5是依照本发明实施例的IFFT及插入循环前缀示意图；

图6是依照本发明实施例的升余弦窗示意图；

图7是依照本发明实施例的符号间重叠示意图。

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，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，图1是本发明提供的适用于AMI的有线无线融合的数据传输系统的结构示意图，该系统基于OFDM技术实现，包括前向纠错编码部分、调制部分和模拟前端发送部分。其中，前向纠错编码部分用于对待发送的数据进行加扰和RS编码处理，并将RS编码处理后的数据与帧控制头独立地进行卷积编码、交织和重复编码，然后输出给调制部分。调制部分用于根据所选调制模式对前向纠错编码部分输入的重复编码后的数据进行映射、插入导频、IFFT、插入循环前缀、插入前导、加窗和重叠处理，形成基带物理帧，并根据传输模式的设置选择是否进行上变频，然后输出给模拟前端发送部分。模拟前端发送部分用于根据传输方式的设置选择采用电力线模拟前端或射频模拟前端发送调制部分输入的数据。

在图1中，前向纠错编码部分包括加扰、RS编码、卷积编码、交织和重复编码。调制部分包括映射、插入导频、IFFT、插入循环前缀、插入前导、加窗、重叠、成帧和上变频。模拟前端发送部分包括电力线模拟前端和射频模拟前端。

其中电力线模拟前端包括数模转换器、低通滤波器和发送驱动器，射频模拟前端包括数模转换器、低通滤波器、发送驱动器和混频器；所述电力线模拟前端和所述射频模拟前端复用数模转换器、低通滤波器和发送驱动器，且低通滤波器和发送驱动器的参数均可配置。

帧结构如图2所示，由9.5个前导(Preamble)符号、4个帧控制头(Frame Control Header，FCH)符号和若干数据符号组成。

基于图1所示的适用于AMI的有线无线融合的数据传输系统，本发明还提供了一种适用于AMI的有线无线融合的数据传输方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：前向纠错编码部分对待发送的数据进行加扰和RS编码处理，并将RS编码处理后的数据与帧控制头独立地进行卷积编码、交织和重复编码，然后输出给调制部分；

步骤2：调制部分根据所选调制模式对前向纠错编码部分输入的重复编码后的数据进行映射、插入导频、IFFT、插入循环前缀、插入前导、加窗和重叠处理，形成基带物理帧，并根据传输模式的设置选择是否进行上变频，然后输出给模拟前端发送部分；

步骤3：模拟前端发送部分根据传输方式的设置选择采用电力线模拟前端或射频模拟前端发送调制部分输入的数据。

基于上述图1和图2示出的系统和方法，图3至图7示出了依照本发明实施例的适用于AMI的有线无线融合的数据传输方法，其具体处理步骤如下：

步骤1：生成前导。前导由8个P符号和1.5个M符号组成，每个P符号和M符号均由128个样点组成，P符号用于自动增益控制(AGC)的自适应调整、符号同步、频率同步、信道估计和初始参考相位估计；M符号由P符号相移π得到，它可以用来完成帧同步。P符号通过不同相位(Φc，如表1所示)的96个等间隔子载波产生。

表1前导preamble相位向量表

  c  Φc  c  Φc  c  Φc  c  Φc  -48  2  -24  2  1  10  25  6  -47  2  -23  14  2  2  26  10  -46  1  -22  10  3  9  27  13  -45  1  -21  5  4  1  28  1  -44  0  -20  1  5  8  29  4  -43  15  -19  12  6  15  30  7  -42  15  -18  7  7  6  31  10  -41  14  -17  2  8  13  32  13  -40  13  -16  13  9  3  33  15  -39  11  -15  7  10  10  34  1  -38  10  -14  2  11  0  35  4  -37  8  -13  12  12  6  36  6  -36  6  -12  6  13  12  37  8  -35  4  -11  0  14  2  38  10  -34  1  -10  10  15  7  39  11  -33  15  -9  3  16  13  40  13  -32  13  -8  13  17  2  41  14  -31  10  -7  6  18  7  42  15  -30  7  -6  15  19  12  43  15  -29  4  -5  8  20  1  44  0  -28  1  -4  1  21  5  45  1  -27  13  -3  9  22  10  46  1  -26  10  -2  2  23  14  47  2  -25  6  -1  10  24  2  48  2

步骤2：前向纠错。

1)扰码器将发送的数据按字节进行随机化处理。扰码的产生基于随机的PN序列，数据流与一个重复的PN序列异或完成加扰。其中PN序列的生成多项式为：

$>S\left(x\right)=x^7\oplus x^4\oplus 1$>

在每帧到来的时候，扰码器被初始化为全1。

2)经过扰码器之后的数据采用GF(2⁸)中的截短RS(N，K)进行编码，其中N取自8到255的整数，K＝N-8，校验位的长度始终为8字节，纠错能力T为4；生成多项式：

$>g\left(x\right)=\underset{i=1}{\overset{2T}{\Pi }}(x-{\alpha }^i)$>

本原多项式：

p(x)＝x⁸+x⁴+x³+x²+1(435octal)

来自扰码器的第一比特成为RS编码器的第一个符号的最高比特。RS编码器的输出依次为第一个信息位到最后一个信息位，外加校验位(填充符号被丢弃)，每个符号都是最高比特最先输出。

3)将帧控制头和RS编码后的数据独立地进行卷积编码，卷积码的码率为1/2，约束长度k＝7，生成多项式分别为：G₁＝171_oct，G₂＝133_oct，当编码的最后一个比特进入卷积编码器后，插入6个0作为收尾比特，使卷积编码器回到零状态。

4)将卷积编码后的帧控制头和数据分别进行交织处理，交织器采用行进列出的方式，如图3所示，具体分两步来完成：第一步是按行输入比特流，从第一行到最后一行，如果最后剩余的数据不足一行，则用0填满。第二步是按列带偏移输出比特流，从第一列到最后一列，第一列不偏移，之后逐行增加偏移量。

5)将交织后的数据进行重复编码，帧控制头采用6次重复编码，ROBUST模式下数据部分采用4次重复编码，其它模式下数据不进行重复编码。此处所述重复编码是将交织后的数据整体重复输出。

步骤3：调制。

1)根据所选调制模式，进行数据映射并插入导频。ROBUST模式和DBPSK模式下，将数据进行DBPSK调制，DQPSK模式下将数据进行DQPSK调制。

OFDM符号通过128点的IFFT产生，128个子载波被分为三部分(如图4所示)，分别为数据子载波、导频子载波和虚拟子载波，其中导频8个(子载波序号6、8、30、42、86、98、110、122)，数据子载波88个，虚拟子载波32个(子载波序号0、49～79)。时域数据采样频率250kHz，占用带宽187.5kHz，子载波间隔1.953125kHz。

2)通过128点的IFFT变换，将插入导频后的数据频域数据变换到时域，形成时域符号，其中IFFT的输入为：1～48和80～127子载波输入有效数据，其它子载波输入为0。

3)在每个IFFT生成的符号前插入循环前缀，如图5所示，循环前缀长度为16个样点，数据取自该符号的末尾。

4)在生成的第一个符号前，插入由步骤1产生前导符号，前导符号不进行插入循环前缀。

5)对每一个符号进行加窗处理，如图6所示，所加窗的上升沿和下降沿各占4个样点的长度，均采用升余弦滚降函数产生，对于前导序列只在第一个符号的头部加一个上升窗、最后半个符号的尾部加一个下降窗。升余弦函数参数如表2所示。

表2升余弦函数参数表

  样点  头采样点  尾采样点  1  0  0.8536  2  0.1464  0.5  3  0.5  0.1464  4  0.8536  0

6)将加窗后的符号进行重叠处理，如图7所示，前后两个符号间重叠4个样点，对于前导序列仅在最后半个符号处与其后的第一个符号间重叠4各样点。

7)经过以上处理，形成了一个复基带物理帧，然后根据传输方式的设置选择是否进行上变频，如果传输方式为有线传输，则采用数字上变频将复基带物理帧调至基带253.906kHz中心频率处，否则不进行上变频。

步骤4：模拟前端发送：

根据传输方式的设置，选择采用电力线模拟前端或射频模拟前端发送数据。电力线模拟前端包括：数模转换器、低通滤波器和发送驱动器；射频模拟前端包括：数模转换器、低通滤波器、发送驱动器和混频器。其中数模转换器、低通滤波器和发送驱动器均可复用，低通滤波器和发送驱动器的参数均可配置。

通过以上步骤产生的物理帧，可以适配电力线通信和无线通信，实现了有线传输和无线传输的融合，降低了系统复杂度，并且使得系统可以根据环境和信道特性进行有线和无限的灵活切换。

上文中，已经描述了一种适用于AMI的有线无线融合的数据传输系统及方法。尽管本发明是参照特定实施例来描述的，但很明显，本领域的普通技术人员，在不偏移权利要求书所限定的发明范围和精神的情况下，还可以对这些实施例作各种修改和变更。因此，说明书和附图是描述性的，而不是限定性的。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。