基于载波聚合的电力无线通信系统的制作方法

本发明涉及电力系统通信技术领域，具体涉及一种基于载波聚合的电力无线通信系统。

背景技术：

智能电网是当今世界电力系统发展变革的最新动向，我们国家也将构建自主创新、国际领先的坚强智能电网作为发展目标。智能配用电是智能电网的重要组成部分，其中通信系统则是实现智能配电网的重要基础。在配用电通信方面，光纤等有线通信网络存在布线困难、改线工程量大、线路容易受损、不可移动等问题；电力线载波存在运行不稳定、可靠性差、实际应用效果不理想等问题；而运营商提供的公网无线通信也存在租赁费用高，不能保证数据信道的独占性，安全性也完全依赖于服务商，无法得到保证的问题，以此为基础建设的配电自动化及用电信息采集系统的发展也受到了严重的影响。

申请内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本申请提供了一种基于载波聚合的电力无线通信系统，该系统包括通信终端、基站、核心网设备和网管系统；

所述终端、基站和核心网设备依次连接，所述网管系统分别与所述终端、基站和核心网设备连接。

进一步地，所述终端、基站之间采用载波聚合的方式进行数据传输，包括：

在进行数据传输时，将每个离散的信道作为一个成员载波，将多个不连续分配的成员载波聚合至连续的信道。

进一步地，所述终端包括通信终端和电力业务终端；

所述通信终端用于提供空中接口，并基于所述空中接口连接所述电力业务终端和基站；

所述电力业务终端用于远程信息采集和监控调度。

进一步地，所述空中接口包括物理层、数据链路层和无线资源控制协议，

所述物理层位于层一，用于提供物理信道资源；

所述数据链路层位于层二，用于建立、维护、释放无线链路，以及传输所述无线链路之间数据；

所述无线资源控制协议，用于为不同的业务和控制数据建立各自的承载网。

进一步地，所述空中接口的物理层采用OFDMA的调制技术，在频率域对离散频率进行资源和用户的划分。

进一步地，在所述终端与基站之间的上行信道中预留一用于发送终端调度请求的控制信道，如果终端需要发送数据，则通过预留的所述控制信道发送调度请求。

进一步地，所述核心网设备的对外接口包括核心网设备与业务主站之间的接口，所述核心网设备与业务主站之间的接口采用标准LTE SGi接口进行IP数据的传输。

进一步地，所述核心网设备对外接口包括所述核心网设备与基站之间的接口，所述核心网设备与基站之间的接口包括控制面接口和用户面接口；

所述控制面接口用于传送无线接入承载所建立的控制信令，控制面接口在应用层使用S1应用协议，在传输层使用流控制传输协议；

所述用户面接口用于提供传输路径和用户面隧道管理的信令信息，以及用户数据的传输，所述用户面接口采用GTP-U协议。

进一步地，所述电力无线通信系统采用三层安全加密体系：第一安全层用于终端与基站之间信令和数据的加解密；第二安全层用于基站与核心网间信令和数据的加解密；第三安全层用于终端与核心网设备间数据的加解密。

进一步地，所述电力无线通信系统采用干扰协调技术，所述干扰协调技术包括：

将每个小区所有的子载波分为两组，一组为边缘频带，一组为中心频带；其中，所述边缘频带覆盖小区边缘部分，所述中心频带覆盖小区中心部分；

根据小区间干扰、小区的边缘频带和中心频带的负载，分别调整小区的边缘频带和中心频带的最大发射功率。

与现有技术比，本申请的有益效果为：

本申请基于灵活性载波聚合技术，将离散的多载波整合起来，当作一个较宽的频带来使用，通过统一的基带处理实现离散频带的同时传输，即实现离散窄带频谱条件下的宽带业务传输。既满足电力业务在带宽方面的需求，又提高频谱碎片的利用率。

本申请可以解决现有电力通信系统存在的频谱效率低、组网能力弱、实时性差、传输速率低、安全性无保障、管理能力差、系统容量小等问题，以电力通信专网的方式实现配用电系统的快速可靠通信。

本申请可以提升智能配用电网的综合服务能力，全面支持用电信息采集、配网自动化、负控监测、视频监控等电力业务。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本申请提供的电力无线通信系统的框架图；

图2为本申请基站与终端间空中接口的协议栈架构；

图3为本申请系统所采用的载波聚合技术的示意图；

图4为本申请中海量用户接入设计的调度请求资源配置图；

图5为本申请中干扰协调技术的基本原理示意图；

图6为本申请中核心网设备与基站间控制面接口的协议栈结构；

图7为本申请中核心网设备与基站间用户面接口的协议栈结构；

图8为本申请中核心网设备与电力业务主站间SGi接口的协议栈结构；

附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步详细描述。

在本申请一个典型的配置中，基于载波聚合的电力无线通信系统，如图1所示，包括终端1、基站2、核心网设备3和网管系统4。

终端、基站和核心网设备依次连接，所述网管系统分别与所述终端、基站和核心网设备连接。

所述终端包括通信终端和电力业务终端；其中，

所述通信终端用于提供空中接口，并基于所述空中接口连接所述电力业务终端和基站；

所述电力业务终端用于远程信息采集和监控调度。

基站用于负责无线通信终端的接入过程，通信终端通过空中接口与基站进行连接，其中，

所述空中接口包括物理层、数据链路层和无线资源控制协议，其中，

所述物理层位于层一，用于提供物理信道资源；

所述数据链路层位于层二，用于建立、维护、释放无线链路，以及传输所述无线链路之间数据；

所述无线资源控制协议，用于为不同的业务面和控制面数据建立各自的承载网。

进一步地，所述空中接口的物理层采用OFDMA的调制技术，在频率域对离散频率进行资源和用户的划分。

本申请所述系统的空中接口协议栈架构如图2所示。

(1)物理层(PHY)

物理层位于层一(L1)，负责提供物理信道资源。物理层采用OFDM的调制和多址方式和TDD的双工模式，向高层提供数据传输服务。物理层除了需要提供稳定高效的数据传输功能，它需要完成以下功能：

传输信道的错误检测并向高层提供指示；

编码的传输信道与物理信道之间的速率匹配；

物理信道的功率控制；

小区搜索和频率和时间同步；

随机接入和小区信号测量。

(2)数据链路层

数据链路层位于层二(L2)，数据链路层的基本功能是负责无线链路的建立、维护、释放、以及链路之间数据的可靠传输。本申请系统中，数据链路层包括三个子层：媒体接入控制层MAC、无线链路控制子层(RLC)和分组数据汇聚层(PDCP)。

MAC层首先需要完成从物理信道到逻辑信道的映射。MAC层还参与随机接入的控制。在数据传输中承担上下行物理资源调度、管理HARQ进程等工作。物理层的测量通过MAC进行上报。

RLC层的功能由RLC实体完成。RLC提供3种传输模式：透明模式、非确认模式和确认模式。RLC的功能主要是对数据进行分组发送和重组接收，在确认模式下提供ARQ的功能。

PDCP层的功能包括对报头压缩，对用户面数据的加密和解密以及对控制面数据的完整性保护和验证。

(3)无线资源控制协议(RRC)

RRC协议负责管理无线资源控制，其功能包括：系统信息的广播；基站和UE间的连接控制；承载建立、释放和配置；小区测量，小区选择和重选。RRC还参与控制数据加密解密，数据完整性保护的工作。

终端、基站之间采用载波聚合的方式进行数据传输，包括：

在进行数据传输时，将每个离散的信道作为一个成员载波，将多个不连续分配的成员载波进行聚合至连续的信道。

终端与基站之间进行数据传输的过程中采用载波聚合，载波聚合示意如图3所示，载波聚合技术是指对于离散可用的多个宽带或窄带频段，将多个连续或离散载波聚合在一起，形成一个更宽频谱。既可以满足在电力业务在带宽方面的需求，又可以提高频谱碎片的利用率。

为了满足系统的灵活性，本申请支持非对称载波聚合，即下行链路和上行链路聚合的分量载波数目可以不同。由此便可以根据不同的用户需求和网络规划，通过整合分量载波灵活地扩展频谱带宽，从而达到增加用户的上/下行数据传输速率，减少传输时延，增强用户体验的效果。

载波聚合包括如下场景：频带内相邻载波聚合(Intraband Contiguous CA)、频带内不相邻载波聚合(Intraband Non-contiguous CA)、频带外不相邻载波聚合(outband Non-contiguous CA)。本申请系统支持的场景属于频带内不相邻载波聚合。本申请所采用的载波聚合技术中，主要遵循如下原则：

(1)聚合载波后，所有对上层可见的参数、设置及使用情况完全对上层透明。对进行离散载波聚合和连续载波聚合将采用同样的后续处理方式。

(2)具有载波聚合能力的终端支持非对称载波聚合，即下行链路和上行链路的分量载波数目可以不同。

(3)下行控制信道设计：在下行控制信息中，增加载波指示来指示建立物理下行子载波和离散可用子载波的对应关系，并通过下行控制信息来通知终端。

(4)与干扰管理信息相结合的载波使用管理：在异构网络中，不同载波的干扰情况不同，因此进行离散频率聚合时，将与干扰管理进行有机结合，选择上下行通信可用的载波进行通信。

配用电无线通信系统业务复杂、终端分布广泛且密度大的特点，决定了基站所能够容纳的终端数量远远超过了一般通信系统的要求。针对这一问题，本申请系统采用海量用户接入设计，包括

在所述终端与基站之间的上行信道中预留一用于发送终端调度请求的控制信道，如果终端需要发送数据，则通过预留的所述控制信道发送调度请求。

海量用户接入设计为每个终端预留了一个上行的控制信道用于终端的调度请求(SR)，保证每个终端具有主动上报和全双工的能力，当终端有数据要发送的时候，就可以通过预先分配的这个控制信道发送调度请求，SR资源配置如图4所示。采取这样的方式，可以保证在海量用户的前提下，平衡控制信道所占用的资源与调度时延的关系，从而实现对终端的快速调度。

现有的系统中，每个小区内分配的频谱是正交的子载波资源。这种正交的子载波资源分配方式对用户的区分可以保证同一小区内的用户间干扰达到很小，以致可以忽略，因此小区内用户所受的干扰主要来自相邻小区。为了解决这一问题，本申请系统采用干扰协调技术，所述干扰协调技术包括：

将每个小区所有的子载波分为两组，一组为边缘频带，一组为中心频带；其中，所述边缘频带覆盖小区边缘部分，所述中心频带覆盖小区中心部分；

根据小区间干扰、小区的边缘频带和中心频带的负载，分别调整小区的边缘频带和中心频带的最大发射功率。

干扰协调技术示意如图5所示，在每个小区将所有的子载波分为两组，一组称为边缘频带，另一组称为中心频带。每组子载波分别设置相应的最大发射功率。边缘频带用于覆盖小区边缘部分，而中心频带可以用于小区中心部分，相邻小区的边缘频带是相互正交的。可以通过设置边缘频带与中心频带之间的最大发射功率比值来达到进一步减少下行干扰的目的。

干扰协调技术将所有的终端也分为两类，小区边缘用户及小区中心用户。边缘用户只能使用边缘频带，中心用户可以使用整个频带资源(中心频带和边缘频带)。

干扰协调技术的应用中，频带资源分配及参数的改变主要通过以下途径：

1)边缘频带的自适应频率划分

边缘频带部分可以静态配置，比如说设置1/3的资源用于边缘频带，小区边缘的频率复用因子为3。但该配置也可以是半静态或者动态的，也就是说边缘频带的配置通过相邻小区的协调后可以调整，以应对在特定小区中突发业务量或者吞吐量需求。

2)调整发射功率比

为了抑制小区边缘用户的小区间干扰，则有必要减少小区中心用户的发射功率，同时略微提高小区边缘用户的发射功率，可以显著提高小区边缘性能，同时小区吞吐量只是略微下降。小区中心用户与小区边缘用户的功率比可以在相邻几个小区间或者整个网络中调整，比如，当小区边缘负载重时，可以减少功率比以抑制来自小区内用户的干扰。

3)调整小区边缘用户的判决准则

通过干扰协调技术抑制小区间干扰的前提是要将用户分类为小区边缘用户及小区中心用户。用户分类的判决准则可以根据某个小区内业务分布进行自适应的调整。例如，如果小区边缘负载比小区中心负载要重，则可以适当提高判决门限，以减少小区边缘用户的数目。基站可以根据用户上报的本小区以及邻小区测量的信息来判断用户距离本小区和邻小区的远近程度，以此来判决和区分边缘用户以及中心用户。

核心网设备负责终端认证、终端IP地址管理、移动性管理等，直接连接电力业务主站。通过核心网设备，电力业务终端能够完成数据采集、视频监控、调度指挥、应急抢险等功能。

核心网设备对外接口主要包括基站与核心网间的接口以及核心网与主站间的接口。

其中，基站与核心网设备间的接口包括控制面接口和用户面接口两部分。控制面接口主要用于传送无线接入承载建立相关的控制信令；用户面接口主要用于提供路径和用户面隧道管理的信令信息，以及用户数据的传输。

控制面接口在应用层使用S1应用协议(S1Application Protocol,S1-AP)，在传输层使用流控制传输协议(Stream Control Transmission Protocol,SCTP),用于传送接入网与核心网间的S1-AP消息。控制面接口的协议栈如图6所示。

用户面接口采用GTP-U协议，在基站与核心网之间进行消息的隧道传输。用户面消息包括用户数据、路径和用户面隧道管理等的信令消息。用户面接口的协议栈如图7所示。

核心网设备与电力业务主站间采用标准LTE SGi接口，用于完成IP数据的传输。SGi接口的协议栈如图8所示。

网管系统即系统的网络管理单元，主要包括两部分内容：网络状态监控和设备运维。该网管系统支持对现存的电力管理信息进行融合，并能利用各种多媒体手段、GIS技术，完成统一集成的多媒体调度指挥系统。功能具体包括：

1.调度指挥中心(指控系统以及电视墙、GIS信息显示)。

2.现场应急指挥调度系统(车载应急基站、卫星接入系统、车载台、集群终端、移动视频监控等)。

3.可视电话调度系统(包括有线与无线可视电话)。

4.监控系统。用于综合管理，包括配置管理、故障管理、安全管理、性能管理、软件管理、拓扑管理等操作维护功能，能够最大限度地利用网络资源，降低运营成本。

本申请所述的电力无线通信系统，采用三层安全加密体系，其中，第一安全层用于终端与基站之间信令和数据的加解密；第二安全层用于基站与核心网设备间信令和数据的加解密；第三安全层用于终端与核心网设备间数据的加解密。

对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。装置权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。