[发明专利]一种基于可动态调整天线增益方向的微功率无线集抄通信系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及智能电网通信领域，具体是一种基于可动态调整天线增益方向的微功率无线集抄通信系统及方法。

背景技术

近年来智能电网迅猛发展，电力公司与各终端用户间的实时、双向通信的需求越来越强。基于低压电力线的载波通信技术由于设计和运行成本低廉已被电力公司选为主要通信方式。然而目前整体电力线载波通信技术水平尚无法满足电力公司与终端用户间的实时、可靠、双向通信。这主要是由于电网的主要功能是传输工频电能量，低压电力线网络拓扑结构异常复杂，电力线网络阻抗随通信频率、距离和用户负载的投切等变化非常明显，这使得载波通信信号在传输过程中存在着复杂的反射和透射现象，影响信号的实际发射功率和接收信号强度；另外诸多用电设备在使用中在电力线上产生了各种电磁干扰，又使得载波信号的有效接收受到进一步影响。

一些厂家采用微功率无线通信技术对电能表进行抄表和通信。该方案解决了上述载波通信方案中存在的一些问题，但无法完全满足智能电网中电力公司与终端用户间的实时、可靠、双向通信需求，这主要是因为微功率无线通信的最大允许发射功率小（我国目前限定10mW）、频带窄；户外通信易受到楼房等建筑物的影响，而潮湿的地面也会对无线信号进行反射，产生驻波，使得通信信号在一些接收点信号很弱。而在楼房内的通信受到的影响因素更多，如钢筋混凝土可以衰减无线电信号，各种如金属表箱等金属物体也会对无线信号进行反射，使得接收点的信号受驻波影响难以预测。由于目前微功率无线通信模块方案多数采用内置天线，难以通过调整天线的方向来降低信号驻波影响；即使采用外置可调天线，也很难做到对每一通信模块手工优化天线方向；而采用方向性不强的天线设计又使得信号的发射和接收增益受到影响，因此采用微功率无线通信技术的集中抄表系统的成功率在实际使用中也不很理想。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于可动态调整天线增益方向的微功率无线集抄通信系统及方法，避免了采用人工对天线方向进行调整优化的需要，同时也有效地解决了在现场使用过程中因新电器设备的引入或金属物体的位置变化而导致的通信问题，可持续地提高了局域网内各微功率无线通信模块的通信一次成功率和可靠性。

本发明采用的技术方案是：

一种基于可动态调整天线增益方向的微功率无线集抄通信系统，包括集中器和多个无线终端，所述集中器通过主路由路线或副路由路线与多个无线终端连接，每个无线终端含有微功率无线通信模块，所述微功率无线通信模块包括电源电路、基带和CPU电路单元、射频发送电路、射频接收电路、带通滤波器、阻抗匹配器、三路RF开关及三组相互正交放置的天线； 

每组正交放置的天线由相对应的一路独立的RF开关控制通断，每一路RF开关均受到基带和CPU电路单元控制，每一路RF开关一侧与对应的一组天线连接，另一侧与阻抗匹配器一侧连接；

所述阻抗匹配器另一侧与带通滤波器连接，所述阻抗匹配器受到基带和CPU电路单元控制。

通过优化天线设计，使得每一组天线在三维空间中的一个维度上辐射增益最大；而当每两组天线同时开通时，合成的无线收发信号的最大增益在该两组天线各自最大增益方向之间。在模块所处三维空间中，共有六个可调最大辐射增益方向；当三组天线同时开通时，天线全方位覆盖，但辐射增益最小。 

由于三组天线收发端的等效阻抗随着天线的开通组合的变化而不同，本方案在天线的收发端增设了一个动态的阻抗匹配器，该阻抗匹配器由中央处理器依据天线开通组合而同步控制，从而确保了信号的发送和接收回路阻抗始终处于匹配状态。

在实际使用中，通过对三组天线进行组合控制，实现可以对发送和接收天线的最大辐射增益方向实时调整，补偿因局部信号衰减或对无线信号反射而形成的影响，使得通信信噪比最大化。 

一种基于可动态调整天线增益方向的微功率无线集抄通信方法，即：

    在一个由集中器和多个微功率无线通信终端组成的局域网中和许可的通信频带范围内，依据使用环境选择一个主通信频率通道和一个备用频率通道；

集中器定期发出组网路由优化命令，每一通信终端中的微功率无线通信模块在取得信号发射权后，在约定的时间间隔内依次打开三维天线七种组合中的每一种，调整好对应的天线匹配阻抗，发送测试信号，然后自动进入接收侦听状态；在接收侦听状态，微功率无线通信模块在约定的时间间隔内循环打开三维天线七种组合中的每一种，调整好对应的天线匹配阻抗，接收侦听，并记录侦听到的相关信号信息和强度；