专利名称：低压电力线数据通信系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种在低压配电网实现高速数据通信的电力线通信系统和方法。
背景技术：
电力线通信技术(Power Line Communication Technology)简称PLC，是指利用电力线传输数据和话音信号的一种通信方式。电力线通信已经有几十年的发展历史，在中高压输电网(35kV以上)上通过电力载波机利用较低的频率(9-490kHz)以较低速率传送远动数据或话音，是电力线通信技术应用的主要形式之一。随着国内城乡配电网改造工作的日益深入，不少厂商开始研制用于中压(10kV)配电网通信的配网载波机，数据传输速率可以达到1200bps。在低压(220V)领域，PLC技术首先用于负荷控制、远程抄表和家居自动化，其传输速率一般为1200bps或更低，称为低速PLC。近几年国内外开展的利用低压电力线传输速率在1Mbps以上的电力线通信技术称之为高速PLC。
高速PLC的技术突破始于1995年，当时英国联合电力公司的子公司Norweb通讯公司与加拿大Nortel(北电网络)公司联手，共同开发DPL(Digital Power Line)技术。1995-1997年的两年间，Norweb和Nortel公司已经成功地在英国曼彻斯特对20个居民用户进行了试验，其中包括话音服务。1997年10月，这两家公司声称已经解决了电力噪声等问题，取得了电力线载波技术的重大突破，利用新开发的数字电力线载波技术实现了在低压配电网上进行1Mbps的远程通讯，从而将四通八达的电力线转化为信息高速公路。1998年3月25日，成立合资公司NORMEB，进行该技术的市场推广。从此以后，许多国家的研究机构和公司开展了高速电力线技术的研究和开发，产品的传输速率也从1Mbps发展到更高速率。
随着因特网技术的飞速发展，登录上网的人数成倍增长。然而，采用何种通信方式使用户终端连接到最近的宽带网络连接设备，成为长期困扰人们的难点之一，也是因特网普及的瓶颈之一，被业内人士称为宽带网络接入的“最后一公里”问题。利用四通八达、遍布城乡、直达用户的220V低压电力线传输高速数据的PLC技术以其不用布线、覆盖范围广、连接方便的显著特点，被业内人士认为是提供“最后三百米”解决方案最具竞争力的技术之一。利用高速PLC可同时传输数据、语音、视频和电力，有可能带来“四网合一”的新趋势。
45Mpbs电力线高速数据通信系统是目前传输速率最高的PLC系统。但是，在现有的系统中，线路距离受到限制，将数据网络的信息耦合到电力线中的主站设备不能满足同一台低压变压器下游的低压电力线网络上所有用户的需求。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种低压电力线数据通信系统，能够满足同一配电变压器范围内低压电力网上高速数据信息的传输。本发明的另一个目的是提供相应的通信方法。
为此，本发明提供了一种低压电力线数据通信系统，包括主站设备，与低压电力线耦合并与数据网络连接，作为网关在低压电力线网络和数据网络之间转发数据；包括电力线接口和用户数据接口的用户终端，用于在电力线接口和用户数据接口之间转发数据；其特征在于该通信系统还包括中继器，中继器在主站设备和用户终端之间与低压电力线耦合，用于中继主站设备发送的数据信号，该中继器包括与主站设备以第一频段通信的第一通信设备和与用户终端以第二频段通信的第二通信设备。
其中，所述主站设备、用户终端、第一通信设备和第二通信设备最好包括OFDM(正交频分多路复用)调制解调器。从而可以采用OFDM调制在所述主站设备、中继器和用户终端之间进行数据通信。
所述主站设备可以包括网络管理模块，例如使用SNMP(simplenetwork management protocol，简单网络管理协议)管理低压电力线网络中的设备。
所述中继器还可以包括网关模块，用于连接其它数据接入服务。
在该低压电力线上传输的数据可以是任何数据，包括语音、视频数据等。相应地，所述用户终端中的用户数据接口可以包括多种接口，比如以太网接口、USB接口、电话线接口等等。
如果一个中继器下游连接多个所述用户终端，各用户终端可以通过该中继器构成局域网。
所述用户终端还包括各种其它模块，以实现例如路由器、VPN(Virtual Private Network，虚拟个人网络)、NAT(Network AddressTranslation，网络地址转换)、DHCP(动态主机配置协议，Dynamic HostConfiguration Protocol)以及防火墙等功能。
为实现上述目的，本发明还提供了一种在低压电力线上进行数据通信的方法，包括提供主站设备，与低压电力线耦合并与数据网络连接，作为网关在低压电力线网络和数据网络之间转发数据；提供包括电力线接口和用户数据接口的用户终端，用于在电力线接口和用户数据接口之间转发数据；其特征在于还提供在主站设备和用户终端之间与低压电力线耦合的中继器，用于中继主站设备发送的数据信号，其中，该中继器以第一频段与主站设备通信，以第二频段与用户终端通信。
其中，所述数据的传输最好采用OFDM调制方式。
在本发明的优选实施例中，可用的系统频段由多个子频段组成，根据相应线路的条件来确定所述第一频段、第二频段以及前述局域网分别采用哪一个子频段。
子频段的确定可以在布设低压电力线数据通信系统时进行，或者在低压电力线数据通信系统运行过程中实时进行。
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。附图中
图1是本发明的低压电力线通信系统的优选实施例的示意框图；图2是本发明的低压电力线通信方法中的子频段划分的示意图。
具体实施例方式
如图1所示，本发明的低压电力线通信系统包括三个主要的组成部分，即主站(HE，Head End)、用于信号放大和再生的中继器(HG，HomeGateway)以及用户终端(CPE，Customer Premises Equipment)。其中信息流为HE-HG，HG-CPE或HE-CPE方向的通信叫下行通信；信息流为HG-HE，CPE-HG或CPE-HE方向的通信叫上行通信。
如图1所示，用于将数据信息耦合到低压电力线中的主站设备的位置没有特别的要求，但最好与MV/LV(Medium Voltage/Low Voltage，中压-低压)配电变压器一道安装在小区的配电间。主站作为一个网关在电力线网络和数据网络之间转发数据。主站的主要部分是一个高速的数字调制解调器，它通过耦合器将信号注入到低压电力线。所述数据网络例如是因特网(如图1所示)，或者以太网、ATM(AsynchronousTransmission Mode，异步传输模式)网络等。主站是PLC网络的控制者和管理者，通过它可以实现不同用户之间的资源共享以及用户服务质量的设置。此外，主站中可以内置网络管理模块，从而可以使用SNMP管理PLC网络中的设备。
作为一个例子，主站设备内部可以包含DS2公司的45Mbps高速电力线通信数字芯片DSS5100，并含有标准的WAN(Wide Area Network，广域网)模块。
根据低压电力线网络的大小，可以使用一个或者多个中继器，以改善PLC传输距离。根据本发明，中继器包括第一通信设备M1和第二通信设备M2。第一通信设备M1与主站设备通信，第二通设备M2与用户终端设备通信。本发明的中继器通过频率划分实现这两种通信的同时进行。即，第一通信设备与主站设备的通信使用第一频段，而第二通信设备和用户终端设备采用第二频段。在本发明的优选实施例中，第一频段低于第二频段。但是，根据线路的状态，也可以使第二频段低于第一频段。中继器用于中继主站设备发送的信号，以解决信道衰减的问题。
中继器的主要部分也是高速数字调制解调器，其位置没有特别的要求，只要能够实现中继的目的即可。但是，中继器最好放置在电表间。作为一个具体的例子，中继器可以包含DS2公司的45Mbps电力线高速通信数字芯片DSS4200和DSS5100各一片。
同样，一个中继器的下游可以连接多个用户终端。当存在多个用户终端时，可通过中继器构成局域网LAN(如图1所示)。这样，相对于用户终端设备而言，中继器可作为PLC局域网的局端设备。另外，中继器还可包括一个网关模块，作为家庭内部PLC网络(用户终端或者局域网)的网关，从而连接其他的数据接入服务(如图1所示)，比如ISDN(Integrated Services Digital Network，综合业务数字网络)、xDSL、CATV(CAble TeleVision，有线电视)，等等。
用户终端可以安装在用户家中、办公室等处。它包含电力线接口I1和用户数据接口I2，在电力线接口I1和数据接口I2之间转发数据。用户终端的主要部分也是高速数字调制解调器。一方面，它通过耦合器将信号注入到用户的电力线中；另一方面，从电力线提取有用的数据信号。作为一个具体的例子，用户终端设备可以包含DS2公司的45Mbps高速电力线通信数字芯片DSS4200。
所述数据接口可以包括一个或者多个任何类型的接口，例如以太网接口、USB(Universal Serial Bus，通用串行总线架构)接口和电话线接口，等等。与接口的多样化相应，用户终端上可以连接各种用户数据设备，实现各种功能，例如连接电话机实现IP语音通信(VoIP，Voice overIP)、连接计算机访问因特网，等等。
所述主站设备还可以包括实现其它辅助功能的模块，例如路由器、VPN(Virtual Private Network，虚拟个人网络)、NAT(Network AddressTranslation，网络地址转换)、DHCP(动态主机配置协议，Dynamic HostConfiguration Protocol)以及防火墙，等等。
顺便说明，上面的说明中未提及低压电力线上的用电设备如何连接，但如本领域技术人员所知，对于用电设备而言，通信功能的加入对其连接方式和使用方式没有任何影响。
根据本发明的方法，在实现数据传输时，将可用的系统频段分成三个频段。根据本地线路传输特性和网络拓扑结构，确定采用哪一频段传输电力线数据信号。下面的表1是频段划分的一个具体例子。
表1
一般而言，频段1适合于远距离传输，这个频段符合国际标注组织建议的电力线传输频段。频段2适合于短距离传输、家庭内联网。频段3适合于家庭内联网，以便接入其它数据网络比如ADSL、CABLE等。频段1翻转适合于在用频段1传输信号不好的情况下，将频段1的上、下行传输频段互换，即用频段1的上行频段传输频段1翻转的下行数据，用频段1的下行频段传输频段1翻转的上行数据，如图2所示。图2为频段划分的一个示意图。由于频段边界可以变化，因此图中仅粗略地标示了频率值。从图中可以看出，大致1到10MHz为频段1，大致10到20MHz为频段2，大致20到30MHz为频段3。每一个频段又划分为上行频段(US)和下行频段(DS)。频段1翻转就是将频段1的上行、下行频段调换的结果。
在本发明中，一般而言，可以将频段1和频段1翻转用于主站设备和中继器之间的传输(即作为前述第一频段)，频段2或者频段3用于中继器与用户终端之间的数据传输(即作为前述第二频段)，而频段3用于同一中继器下的局域网中的数据传输。但是，上述安排不是限制性的，根据线路的具体状态，各PLC节点可以采用另外的频段。例如，如前所所述，第一频段也可以高于第二频段。又例如，其它频段的上行频段和下行频段也可以相互调换。关于具体频段的确定，本领域普通技术人员知道，完全可以在现场通过简单的试验来确定采用通信效果好的频段。
需要说明的是，上述频段的划分只是一个例子，不应视为对本发明的限制。本领域技术人员知道，频段的数量以及频段的边界是可以变化的，实际上可以是任意值，只不过一旦调整频段数量和频段边界，就需要相应调整设备硬件的相关参数，而这是本领域技术人员在知晓本发明的技术后能够通过常规的工作可以实现的。还可以注意到上表中的各频段的边界不是完全衔接的，这是为了避免干扰其它无线服务而避开某些频率。如果其它无线服务的频率有变化，或者由于实际地点的情况而不存在相互干扰问题，则无需避开所述频率，从而可以随意确定各频段之间的边界，并且边界可以衔接起来。事实上，本发明在频段使用方面的要点在于将可用系统频段划分为多个子频段，根据实际线路条件在不同的PCL节点选用合适的子频段。
此外，所述子频段的确定可以在布设低压电力线数据通信系统时进行，或者在低压电力线数据通信系统运行过程中实时进行。
本发明的低压电力线数据通信系统最好采用OFDM调制方式。也就是说，如图1所示，主站、中继器(其第一通信设备和第二通信设备)以及用户终端都最好包括OFDM调制模块。
OFDM不是一个新的技术，它已经被广泛的应用于许多其他的通信系统中，例如ADSL、VDSL(very-height-speed digital subscriber line，超高速数字用户线路)、DAB(数字音频广播)、DVB(数字视频广播)等等，使用OFDM调制技术能够保证信号在不利的传输条件下，达到很高的传输速率。
利用电力线传输信号可以采用很多形式的调制方式，但是在我们做了大量的现场试验后，我们认为OFDM调制方式最适合在电力线上进行信号传输，首先它具有很强的抗干扰性，其次它能够提供最高的频率效率和性能，特别是对信道间的频率选择性衰减和时延具有很强的抗干扰性。这是多载波通信的特例，使用几个子载波进行通信。它也是调制和多路复用技术的结合，可以使用1000或更多的载波进行通信，提高了系统的灵活性。当某个载波传输过程中在这个频点有很多的干扰，我们可以改用其他的频点进行通信，避免了这个频点的干扰，保证了系统通信的可靠性。
所谓的OFDM就是将可用频段分成若干低速传输的子载波，非常适合作为高容量PLC系统的调制技术。由于OFDM不需要复杂的均衡器，因此是一个极有前途的调制技术。OFDM的基本思想就是把可用信道带宽分成若干子信道，每一个信道都可近似看作理想信道。每个子信道采用QAM(正交幅值调制)调制低速数据流。由于在OFDM系统中，符号间隔很长，因此具有很强的抗脉冲噪声和快速衰落的能力。将信道可用带宽分划为若干相对窄的子带，其总传输速率接近设计的信道容量。如果子站之间的功率分配以及每个符号包含的比特位(调制电平)的选择遵循保证每个子信道的误码率均衡的原则，那末实现总速率最大化是可能的。对于较低SNR(信噪比)的子信道，采用较低调制电平(即每个符号包含的比特位较少)，较高SNR的子信道，采用较高调制电平(即每个符号包含的比特位较多)。在自适应OFDM系统中，根据信道条件，采用最优调制电平和功率分配可以实现更高速率的数据传输。在OFDM系统中，实现信道均衡，缩短有效信道的脉冲响应，调制电平的自适应调节以及功率的自动分配，都需要对信道状态进行评估。随着对利用时变和频率选择性信道传输高速数据的需求的逐渐增强，无需对信道训练和学习就可以识别一个盲信道的方法引起了人们越来越大的兴趣。
通过在OFDM的数据块(符号)间插入循环前缀(称为保护间隔)，可以减轻频率选择性信道所具有的时间色散特性的影响，为了避免OFDM码间干扰，OFDM的保护间隔应大于信道脉冲响应时间。具有循环前缀的OFDM可以消除码间干扰(ISI)和信道间干扰(ICI)，而且无需采用复杂的均衡器。在OFDM信号中插入循环前缀带来了宽范围的循环稳态，这可以用于OFDM系统中的盲信道识别。
把信号作循环稳态处理可改进数字信号处理。循环稳态信号处理技术利用了下面将要阐述的信号周期特性。循环稳态表征了处于移位状态的频谱各个部分之间的相关性。利用频谱相关性开发频谱的内在冗余，有利于在困难的通信环境下进行各种信号处理，如在PLC中。频谱相关密度(SCD)评估和循环特征分析对于提出一个恰当的循环稳定信号处理方法往往是非常关键的。
具有前缀的OFDM信号就是循环稳态的一个例子。OFDM信号x(t)是由N重QAM信号组成的，表示为x(t)＝Re{w(t)·ej2πfct} (1.1)其中fc是子载波频率，w(t)是N重QAM信号的复包络。具有循环前缀的OFDM信号的复包络为w(t)=ΣkΣn=0N-1γn,k·ej(2Σ/Ts)nt·q(t-kT)---(1.2)]]>其中，(γn，k)为独立和均匀分布的信号序列(一般为复数)，N是子载波数量，q(t)为持续时间为T的矩形脉冲，Ts是OFDM源信号周期。保护间隙为Tg，带有保护间隔的完整OFDM信号的持续时间是T＝Ts+Tg。加入循环前缀会损坏多重QAM信号的正交性。
传统的OFDM用于固定子信道调制。然而，在自适应的OFDM第I子信道(使用QAM调制)中，每个信号具有相同的传输速率，为fs＝1/Ts，但可能具有不同的调制电平Mi＝2mi，每一个OFDM符号的传输比特数是常量L=Σi=1Nmi---(1.3)]]>有效的OFDM基带调制解调采用了离散傅里叶反变换/变换，Ts/N是采样间隔。
信息信号为复数序列{γn，k}
γn,k∈{Cm}m=1M---(1.4)]]>同相分量为ac，m＝Re{cm}，正交分量为bs，m＝Im{γn，k}，组成M元复数信号(ac，m，bs，m)，组成 矩形信号集合。
M元PSK(相移键控，Phase-Shift Keying)信号的同相和正交分量的cos-sin运算形成循环信号集合γn,k∈{Cm}m=1M={ejπ(2m-1)/M}m=1M---(1.5)]]>因此，M元PSK信号，是包络恒定的QAM信号。而且用差分编码的调制方式可以减少频率选择性信道由于时间弥散性造成的均衡问题。
典型的频率分配数据系统将频率划分为N个不重叠的频道，因为没有重叠，所以没有字符间的干扰，但是如果这样做，系统的频率利用率不高，从另一方面讲，OFDM使用重叠的子载波通信，并且不同的调制载波进行正交，正交使载波线性独立，载波间隔是1/T的几倍。OFDM由很多调制子载波组成，调制方式可以是PSK和QAM。45Mbps电力线高速通信系统使用m-QAM对每个子载波进行调制。
总结起来，OFDM调制方式的主要优点是*对电力线上有时延的多径信道衰减有很好的抑制作用；*每个载波的速率可以根据在这个频点监测到的信噪比情况，来确定每个子载波的速率；*干扰仅能影响一些载波而其余的子载波仍能保证可靠的通信；对于45Mbps电力线高速通信系统，每个传输频段的载波数目是上行信道512个载波，下行信道768个载波，总共1280个载波。也就是说，每个频段(频段l、频段2，频段3，频段1翻转)都有1280个子载波，45Mbps电力线高速通信系统根据每个用户和每个载波的品质因数，调制参数可以进行实时调整，保证系统能够正常、可靠的通信。
需要说明的是，上面以45Mbps系统为例进行说明，但是，显而意见，传输速率可以是任何速率。
上面结合附图对本发明的实施例进行了详细描述。可以看出，相对于现有的高速电力线通信系统，本发明的电力线通信系统具有以下优点1.由于使用中继器，减少了通信距离增大时的信号衰减，从而有效增加系统的通信距离，理论上没有距离限制，因而能够满足同一配电变压器范围内低压电力网上高速数据信息的传输；2.通过频段的细分，可根据实际线路情况来选择所使用的频段，具有很强的组网灵活性，并且所占用的频谱宽度少于10MHz；3.进一步，通过采用OFDM技术，可以很好地解决电力线上的噪声和干扰问题，使得每一个子频段上的传输速率可达45Mbps；4.通过配备辅助模块，可使系统具备完善的网络管理功能，兼容标准协议(如SNMP等)，可远程监视和调整设备参数；还可通过设置虚拟局域网(VLAN，Virtual LAN)，将用户分成不同的虚拟局域网。虚拟局域网可以隔离各种流量，避免广播包对网络性能的影响。还可支持QoS(服务质量，quality of service)设置，可以确保关键应用(如语音、视频应用等)的服务质量，同时其他的普通应用也能得到服务。
需要注意的是，本发明的保护范围仅受权利要求书的限制，而不是说明书所公开的实施例的限制。对于本领域的普通技术人员，完全可以在本说明书的公开的基础上作出一些仍然在本发明保护范围之内的变动。
权利要求
1.一种低压电力线数据通信系统，包括主站设备，与低压电力线耦合并与数据网络连接，作为网关在低压电力线网络和数据网络之间转发数据；包括电力线接口和用户数据接口的用户终端，用于在电力线接口和用户数据接口之间转发数据；其特征在于该通信系统还包括中继器，中继器在主站设备和用户终端之间与低压电力线耦合，用于中继主站设备发送的数据信号，该中继器包括与主站设备以第一频段通信的第一通信设备和与用户终端以第二频段通信的第二通信设备。
2.如权利要求1所述的通信系统，其特征在于，所述主站设备、用户终端、第一通信设备和第二通信设备均包括OFDM调制模块。
3.如权利要求1所述的通信系统，其特征在于，所述主站设备还包括网络管理模块，使用SNMP管理低压电力线网络中的设备。
4.如权利要求1所述的通信系统，其特征在于，所述中继器还包括网关模块，用于连接其它数据接入服务。
5.如权利要求1所述的通信系统，其特征在于，所述用户终端中的用户数据接口可以包括以下接口中的至少一种以太网接口，USB接口，电话线接口。
6.如权利要求1所述的通信系统，其特征在于，每一个中继器下游连接多个所述用户终端，各用户终端通过该中继器构成局域网。
7.如权利要求1所述的通信系统，其特征在于，所述主站设备还包括以下模块中的至少一种路由器，VPN，NAT，DHCP，防火墙。
8.一种在低压电力线上进行数据通信的方法，包括提供主站设备，与低压电力线耦合并与数据网络连接，作为网关在低压电力线网络和数据网络之间转发数据；提供包括电力线接口和用户数据接口的用户终端，用于在电力线接口和用户数据接口之间转发数据；其特征在于还提供在主站设备和用户终端之间与低压电力线耦合的中继器，用于中继主站设备发送的数据信号，其中，该中继器以第一频段与主站设备通信，以第二频段与用户终端通信。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述数据采用OFDM调制。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，系统频段由多个子频段组成，根据相应线路的条件来确定所述第一频段、第二频段分别采用哪一个子频段。
11.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在每一个中继器下游连接多个所述用户终端，各用户终端通过该中继器构成局域网。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，系统频段由多个子频段组成，根据相应线路的条件来确定所述第一频段、第二频段和所述局域网中的通信分别采用哪一个子频段。
13.如权利要求10或12所述的方法，其特征在于，所述确定子频段的步骤在布设低压电力线数据通信系统时进行，或者在低压电力线数据通信系统运行过程中实时进行。
14.如权利要求10或12所述的方法，其特征在于，所述子频段中的每一个分别分为上行频段和下行频段。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，根据相应线路的条件互换所述上行频段和下行频段。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，互换所述上行频段和下行频段的步骤在布设低压电力线数据通信系统时进行，或者在低压电力线数据通信系统运行过程中实时进行。
全文摘要
本申请公开了一种低压电力线数据通信系统和方法。其中，主站设备与低压电力线耦合并与数据网络连接，作为网关在低压电力线网络和数据网络之间转发数据，包括电力线接口和用户数据接口的用户终端在电力线接口和用户数据接口之间转发数据。其中，还使用中继器，中继器在主站设备和用户终端之间与低压电力线耦合，用于中继主站设备发送的数据信号，该中继器包括与主站设备以第一频段通信的第一通信设备和与用户终端以第二频段通信的第二通信设备。本发明有效增加了系统的通信距离，从而能够满足同一配电变压器范围内低压电力网上高速数据信息的传输。
文档编号H04B3/54GK1571291SQ200410036640
公开日2005年1月26日 申请日期2004年4月29日 优先权日2004年4月29日
发明者赵丙镇, 李祥珍, 刘家亮, 沈志民, 王丽平, 李建岐 申请人:中国电力科学研究院