CN100471152C - 总线通信系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种总线通信系统和总线通信方法。总线通信系统包括：多个通信设备，通过数据总线互相连接；以及数据总线，使用至少两种调制方式在多个通信设备之间通过至少两种帧传送至少两种类型的数据，第一类帧使用第一调制方式传送第一类数据，第二类帧使用第二调制方式传送第二类数据。总线通信方法使用至少两种调制方式在多个通信设备之间通过至少两种帧传送至少两种类型的数据，第一类帧使用第一调制方式传送第一类数据，第二类帧使用第二调制方式传送第二类数据。本发明通过在一定的时间片内使用一种调制技术传输某些特征的数据，而在另外的时间片内使用另外的一种调制技术传输其他一些特征的数据，实现了同时传送高速数据和低速数据。
Description
技术领域
本发明涉及总线通信技术，尤其涉及一种总线通信系统和方法。
背景技术
家庭网络的概念在很多年以前就已经被大家熟知，但迄今为止，还没有一套真正的基于家庭网络的产品投入规模使用。主要原因是还没有一套比较合适的家庭网络的物理层协议被制定。同时由于通讯技术、音视频编解码技术的高速发展，家庭网络的概念已不仅仅是以前所关注的控制和安全方面的通讯网络，也不是简单的高速视频流或接入方面的通讯网络，而是一种融合的全方位的网络体系。
从应用的角度，作为一个家庭网络应具有以下的特性：易用性，兼容性，鲁棒性。从通讯技术角度来看，作为一个家庭网络应具有以下的特点：是一个总线系统，有突发的低速率码流，有比较长时间的高速码流。
一般情况下部署在家庭内部的线路网络如图1所示(如电力线)，其特点是总线上通讯节点数比较多，拓扑结构比较复杂，具有多等级多速率的数据流。
OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)的调制系统的传输信号是由帧构成的，每一个帧包含所有的频带信息且具有一个固定的时长(如图2所示时长为τ)。
电力线信道与其他的一些信道相比具有一些特别的特性，尤其是作为总线传输时。其特征主要有频率的选择性衰落、比较明显的多径效应、时变特性、线路本底噪声比较大等。具有这些特性的信道在通讯的时候要求接收器对信道有比较强的自适应跟踪能力。如图1中当A1和C2进行通讯时，C2接收到的信号有从A1直接发送的信号，有从其他不同节点的反射信号，同时由于节点的位置和数目的不同，这些反射信号到达的时间、强弱均不同。在接收端要求有比较好的时域均衡和/或频域补偿。但OFDM技术本身的符号速率比较低，同时使用循环前缀技术时，可以在时域均衡方面放松一定的要求。
如图1所示，假设当A1和C2在进行大数据量的通讯时，A2需要和B1进行一些数据量比较小的控制信息的通讯。
如果使用时分的方法，就要停止A1和C2的通讯，把所用的频率分配给A2和B1进行通讯。由于线路的特征，在A2和B1能正常通讯的同时要花去比较长的时间进行训练。当A2和B1通讯完成后切换到A1和C2时，可能原来的物理层的参数已经不太适应现在的条件了。如果要求进行小数据量通讯的节点比较多，由于要进行频繁的切换，使得大数据量通讯的节点受到比较大的影响。
如果使用频分的方法，就必须为每一个可能通讯的物理链路分配一个频率资源，如图1所示共有121个上下链路，必须把整个频率段分成121个部分。这样每一个链路的工作速率不可能太高，同时在进行网络部署的时候也比较复杂。
因此，需要一种满足家庭应用的总线通讯系统，在满足所有节点进行低速控制数据传输的同时，能满足高速数据的传输。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种总线通信系统和方法，用于克服由于现有技术的局限和缺陷而造成的高速数据和低速数据的传送互相影响以及传送效率较低等问题。
为了实现上述目的，根据本发明的第一方面，本发明提供了一种总线通信系统。总线通信系统包括：多个通信设备，通过数据总线互相连接；以及数据总线，使用至少两种调制方式在多个通信设备之间通过至少两种帧传送至少两种类型的数据，其中，第一类帧使用第一调制方式传送第一类数据，第二类帧使用第二调制方式传送第二类数据。
第一类数据可以是高速数据。第一调制方式可以是OFDM调制方式。第一类帧可以是OFDM数据帧。
第二类数据可以是低速数据。低速数据可以包括用于管理和初始化用于传送高速数据的高速信道的数据。第二调制方式可以是QPSK、PSK、FSK、或简易OFDM调制方式。第二类帧可以是同步帧。
第二类帧可以包括帧头、目的地址、源地址、控制指令、延续指令、用户定义数据、和校验码。延续指令表示发送节点在发送完当前消息之后的第二类帧的时隙是否还发送消息。
一个第二类帧和多个第一类帧可以交替进行传送。
第二调制方式的符号速率优选地是第一调制方式的符号速率的整数倍。
总线通信系统的整个频带可以被划分成多个频率群，多个频率群调制相同的信息。
为了实现上述目的，根据本发明的第二方面，本发明提供了一种总线通信方法。总线通信方法使用至少两种调制方式在多个通信设备之间通过至少两种帧传送至少两种类型的数据，其中，第一类帧使用第一调制方式传送第一类数据，第二类帧使用第二调制方式传送第二类数据。
第一类数据可以是高速数据，第一调制方式可以是OFDM调制方式，第一类帧可以是OFDM数据帧。
第二类数据可以是低速数据，第二调制方式可以是QPSK、PSK、FSK、或简易OFDM调制方式，第二类帧可以是同步帧。
第二类帧可以包括延续指令，用于表示发送节点在发送完当前消息之后的第二类帧的时隙是否还发送消息。
一个第二类帧和多个第一类帧可以交替进行传送。
第二调制方式的符号速率优选地是第一调制方式的符号速率的整数倍。
可以将整个传送频带划分成多个频率群，多个频率群调制相同的信息。
通过上述技术方案，本发明通过在一定的时间片内使用一种调制技术，用来传输某些特征的数据，而在另外的时间片内使用另外的一种调制技术，用来传输其他一些特征的数据，实现了能够同时传送高速数据和低速数据的高效稳定的总线通信。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是家庭网络的线路的示意图；
图2是总线系统中数据帧结构的示意图；
图3是根据本发明的总线通信的数据帧结构示意图；
图4是根据本发明实施例的传送低速数据的固定帧的结构图；
图5是根据本发明实施例的同步帧的分布示意图；以及
图6是根据本发明实施例的频带示意图。
具体实施方式
下面将参考附图详细说明本发明。
参考图3，根据本发明的总线通信系统和方法中，使多个通信设备互相连接的数据总线使用至少两种调制方式在多个通信设备之间通过至少两种帧传送至少两种类型的数据，其中，第一类帧使用第一调制方式传送第一类数据，第二类帧使用第二调制方式传送第二类数据。
本发明建立了一套满足家庭应用的总线通讯系统，在满足所有节点进行低速控制数据传输的同时，能满足高速数据的传输，是一种具有自调度功能的智能总线系统。
本发明主要是使用多种调制技术来解决在同一个总线系统中同时传送高速数据和低速数据的功能。根据实际使用环境总结，高速的数据往往是像接入、视频流等，一旦建立这种链路就需要使用一定的时间后才拆链。而一些低速的控制数据是用来传递一些即时的控制信息(消息)，一旦建立这样的链路后可能马上就要拆链。基于这个具体情况，用OFDM的调制方式来传递低速的消息是不太合适的，本发明使用QPSK(Quadrature Phase Shift Keying，正交相移键控)或PSK(Phase Shift Keying，相移键控)或FSK(FrequencyPhase Shift Keying，频移键控)或简易OFDM的调制方式来传递这些消息，使用OFDM调制方式来传递高速的数据消息。
下面解释简易OFDM调制方式。如xDSL使用OFDM调制技术，由于每个子载波的衰减和噪声的影响，每个子载波能承载的比特数不一样。由于要高效率的利用信道容量等原因，在xDSL标准中还定义了一个Fine Gain参数，用来调整发送器的发送功率。那么这些参数是接收端通过训练、学习等过程获得的。接收端必须把这些信息传递到发送端，然后在一个相同的时刻两边同时使用新的参数工作。上面简单描述了xDSL中OFDM调制的工作方式，而简易OFDM方式就是包括或不全部包括：1)每个子载波使用固定的比特加载数目，如2比特或1比特；2)每个子载波使用固定的功率发送；3)纠错编码帧与OFDM符号间有明显的确定关系，或不使用任何编码措施；4)在正常通讯前不需要任何形式的训练。
如图2所示，数据帧的结构为一个同步帧加上N个OFDM数据帧。其中这N个OFDM数据帧用来传输高速数据，这一个同步帧用来传输低速数据。
使用QPSK或PSK或FSK或简易OFDM的时候还有一个优点就是，当接收端的AGC(Automatic Gain Control，自动增益控制)没有调节到合适的程度而使信号发生削顶的时候，通讯还能正常进行。
下面描述低速通讯链路的复用和协议：
如图4所示，低速通讯消息使用固定帧格式的消息，包括：
a字节长度的帧头，用来表示消息的起始，同时在OFDM系统中用来表示此帧为同步帧。
b字节长度的目的地址，用来表示这帧消息发送的对象。
c字节长度的源地址，用来表示这帧消息的发送者，如果这个消息要求回复的时候就直接回复这个地址。
d字节的控制指令，用来表示接收者在收到这个消息后所做的动作。
e字节的延续指令，用来表示发送节点在发送完这个消息后的下一个时间片内还需要发送消息。
f字节的用户定义数据，是保留给用户自定义的一些私有内容。
g字节的校验码。
如图5所示，相继出现的同步帧按照一个固定的(事先协商的)顺序分配给不同的发送节点使用。假设共有4个发送节点，发送节点1在同步帧1时隙发送消息，发送节点2在同步帧2时隙发送消息，依此类推。
但是并不是每一个发送节点在其规定的时刻均有数据需要发送，当这个发送节点使用延续指令表明，在下一个时隙是不发送数据时，在下一个循环中这个发送节点就不发送数据，这个发送节点所占用的时隙就可以被别的发送节点使用。也可以通过延续指令表明在下两个时隙或其他的时隙不发送数据，把这些时隙让出来给其他的发送节点使用。
为了使PSK或QPSK或FSK或简易OFDM的发送信号频谱与OFDM的发送频谱相匹配，要求PSK或QPSK或FSK或简易OFDM的符号速率是OFDM系统的符号速率的整数倍。如图6所示，PSK或QPSK或FSK或简易OFDM的符号速率是OFDM系统的符号速率的3倍，其中斜杠填充的部分表示OFDM的子频带，灰色填充的部分表示PSK或QPSK或FSK或简易OFDM的子频带。由于符号速率的关系，一个PSK或QPSK或FSK或简易OFDM的子频带包含3个OFDM的子频带。
把整个频带划分成不同的频率群。每一个频率群调制所有的信息，如图6所示，频率群m中频率A、B、和C调制了一个低速数据帧，在频率群n中也同样调制了与频率群m中相同的信息。具体来说是频率D、E、F调制的内容与频率A、B、C一致。依次类推频率群k也一样，如果划分了更高的频率群也以此类推。其主要目的是可能某个频率群被一些信号或噪声完全淹没，这样可以从其他的频率群中解调出信息。有可能有些信息是从频率群m中的频率A中解调出来，有些信息是从频率群k中的频率H中解调出来。
本发明还有一个优点就是，对于上面所说的低速的数据控制设备，往往比较简单或对通讯设备的成本要求比较高；而高速设备对这个成本的要求不是很苛刻。这样低速的数据控制设备只需要包含PSK或QPSK或FSK或简易OFDM的调制解调电路，同时在使用PSK或QPSK或FSK或简易OFDM时使用的频率不必要像OFDM那样高，这样对低速的数据控制设备的模拟器件(A/D、D/A等)和数字器件(DSP等)成本的降低有利。
本发明给出了一种多通讯节点的总线通讯方法，非常适合于小范围的电力载波系统，尤其是家用电力载波系统。给家用电器等的智能控制提供了一个非常方便的总线平台。
值得注意的是，尽管本发明将家庭总线通信系统作为实例进行了描述，但是很明显，本发明并不局限于此，本发明适用于任何需要同时传送高速数据和低速数据的总线系统。
综上所述，本发明提供了一种总线通讯方式。在一定的时间片内使用一种调制技术，用来传输某些特征的数据。在另外的时间片内使用另外的一种调制技术，用来传输其他一些特征的数据。
本发明还提供了一种总线通讯方式，这种通讯方式根据数据的特性把物理层定义成几个级别。使用低级别可以满足一定的需求的同时可以使用价格比较低的硬件电路，使用级别比较高的可以使用成本比较高一些的硬件电路而同时满足比较高的传输性能。同时高级别的硬件电路的功能包含低级别的硬件电路的功能。在总线网络上可以同时使用低级别的硬件电路和高级别的硬件电路。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (17)
1.一种总线通信系统，其特征在于，包括：
多个通信设备，通过数据总线互相连接；以及
所述数据总线，使用至少两种调制方式在所述多个通信设备之间通过至少两种帧传送至少两种类型的数据，其中，第一类帧使用第一调制方式传送第一类数据，第二类帧使用第二调制方式传送第二类数据。
2.根据权利要求1所述的总线通信系统，其特征在于，所述第一类数据是高速数据，所述第二类数据是低速数据。
3.根据权利要求2所述的总线通信系统，其特征在于，所述第一调制方式是正交频分复用调制方式，所述第二调制方式是频移键控、相移键控、正交相移键控或简易正交频分复用调制方式。
4.根据权利要求3所述的总线通信系统，其特征在于，所述第一类帧是正交频分复用数据帧，所述第二类帧是同步帧。
5.根据权利要求2所述的总线通信系统，其特征在于，所述低速数据包括用于管理和初始化用于传送高速数据的高速信道的数据。
6.根据权利要求2所述的总线通信系统，其特征在于，所述第二类帧包括帧头、目的地址、源地址、控制指令、延续指令、用户定义数据和校验码。
7.根据权利要求6所述的总线通信系统，其特征在于，所述延续指令表示发送节点在发送完当前消息之后的所述第二类帧的时隙是否还发送消息。
8.根据权利要求1所述的总线通信系统，其特征在于，一个所述第二类帧和多个所述第一类帧交替进行传送。
9.根据权利要求1所述的总线通信系统，其特征在于，所述第二调制方式的符号速率是所述第一调制方式的符号速率的整数倍。
10.根据权利要求1所述的总线通信系统，其特征在于，所述总线通信系统的整个频带被划分成多个频率群，所述多个频率群调制相同的信息。
11.一种总线通信方法，其特征在于，使用至少两种调制方式在多个通信设备之间通过至少两种帧传送至少两种类型的数据，其中，第一类帧使用第一调制方式传送第一类数据，第二类帧使用第二调制方式传送第二类数据。
12.根据权利要求11所述的总线通信方法，其特征在于，所述第一类数据是高速数据，所述第一调制方式是OFDM调制方式，所述第一类帧是OFDM数据帧。
13.根据权利要求11或12所述的总线通信方法，其特征在于，所述第二类数据是低速数据，所述第二调制方式是QPSK、PSK、FSK或简易OFDM调制方式，所述第二类帧是同步帧。
14.根据权利要求13所述的总线通信方法，其特征在于，所述第二类帧包括延续指令，用于表示发送节点在发送完当前消息之后的所述第二类帧的时隙是否还发送消息。
15.根据权利要求11所述的总线通信方法，其特征在于，一个所述第二类帧和多个所述第一类帧交替进行传送。
16.根据权利要求11所述的总线通信方法，其特征在于，所述第二调制方式的符号速率是所述第一调制方式的符号速率的整数倍。
17.根据权利要求11所述的总线通信方法，其特征在于，将整个传送频带划分成多个频率群，所述多个频率群调制相同的信息。
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