CN101273580B - 用于在电力线网络中协调一个或者多个设备传输的方法及设备 - Google Patents

Abstract

本文提供了包括多个站(A、B、C、D)的电力线网络(202、220)，其中站(A、B、C、D)包括用于协调所述站(A、B、C、D)中的每一个的传输的中央协调器(Ccol)。该中央协调器(Ccol)可被配置为以基于电力线循环(404)的相位的时间间隔(402)来发送信标。信标的时间间隔(402)基本等于电力线循环(404)的两个周期。信标的时间间隔(402)包括保留区域(410)，该保留区域(410)包括持久分配区域(412)和非持久分配区域(414)。信标还包括广播消息，该广播消息包括持久调度表和非持久调度表。持久调度表对于当前信标周期(402)以及该信标所指示的一定数量的后续信标周期有效，而非持久调度表对于单个信标周期(402)有效。分别基于持久调度表和非持久调度表来确定持久分配区域和非持久分配区域。

Description

用于在电力线网络中协调一个或者多个设备传输的方法及设备

相关申请 

本申请要求于2005年7月27日提交的美国临时申请No.60/702,717的优先权，将其完整地引入本文以供参考。还将以下美国专利申请完整地引入本文以供参考，并且构成本申请的一部分： 

与本申请同时提交的名称为“BANDWIDTH MANAGEMENT IN A  POWERLINE ENVIRONMENT”，代理案号为No.0120142的美国专利申请序列号No.11/492,505； 

与本申请同时提交的名称为“COMMUNICATING SCHEDULE AND  NETWORK INFORMATION IN A POWERLINE NETWORK”，代理案号为No.0120143的美国专利申请序列号No.11/492,487； 

2005年8月2日提交的名称为“Communicating in a Network that includes a Medium having Varying Transmission Characteristics”的美国临时申请No.60/705,720； 

2006年1月24日提交的名称为“Time Synchronization in a Network”的美国专利申请序列号No.11/339,293； 

2006年1月23日提交的名称为“Communicating in a Network that includes a Medium having Varying Transmission Characteristics”的美国专利申请序列号No.11/337,946； 

2006年5月31日提交的名称为“Synchronizing Channel Sharing with Neighboring Networks”，代理案号为SLA1890的美国专利申请序列号No. 11/421,155，已转让给美国夏普实验室公司(Sharp Laboratories of America，Inc)； 

2005年7月27日提交的名称为“Method for Sharing the Channel with Neighbor Networks”的美国临时申请No.60/703,236； 

2006年5月25日提交的名称为“Method for Providing Requested Quality of Service”，代理案号为SLA1891的美国专利申请序列号No.11/420,432， 已转让给美国夏普实验室公司(Sharp Laboratories of America，Inc)； 

2005年7月27日提交的名称为“Method for Providing Requested Quality of Service”的美国临时申请No.60/703,317；以及 

2006年1月23日提交的名称为“Managing Contention-Free Time Allocation in a Network”的美国专利申请序列号No.11/337,963。 

技术领域

本发明通常涉及通过以太网级网络的通信，更具体而言，涉及通过电力线网络的通信。 

背景技术

家庭联网的景象推动了许多商业计划，但是到目前为止所提供的产品在能力或者市场潜力方面都非常有限，而不能实现梦想。家庭联网与工作场所的联网不同。应用不同、业务模式不同，并且可用于携带数据的媒体也不同。当然，家庭联网用户可能想要在他们的计算机之间传递文件并且共享诸如打印机之类的外围设备。他们可能想要网关以进行宽带接入，从而他们可以在多个设备之间共享他们的因特网连接。用户还可能想要其它的服务，例如IP语音(VoIP)、流媒体娱乐以及对多用户联网游戏的支持。 

尽管一些较新的住房布配了适合于以太网的电缆，但是大多数住房却没有。因此，如果家庭网络物理媒体的选择仅限于电话线、无线以及电力线，则具有混杂的属性。 

近些年来，无线联网及相关组件都在增长。然而，无线通信还有范围有限和不能全面覆盖的不足，即，家庭的特定区域不能与其它区域通信。在特定类型的导致信号传播很差的建筑中，例如那些使用钢架和砖墙的结构中，这些问题特别突出。这些问题的解决方案昂贵且复杂，并且需要普通业主所不具备的技术能力。 

尽管首先电话线联网看起来似乎是解决方案，但是许多家庭在方便的位置缺少电话插孔来实现家庭联网的可预见益处。例如，一些较老的住房可能仅具有一个位于厨房的电话插孔，以供厨房和其它生活区域(例如，起居室、客厅等等)使用。因此，向远程设备提供网络连接可能会不方便或者很凌乱。在较不发达的国家，这个情景尤其令人不愉快。另一方面，电源 插头几乎位于家中的每个房间，并且一些家庭在每个房间的每面墙上都具有多个电源插座。电力线看起来是这三种用于通信的介质中最困难的一种，但是它的确有两个吸引人的属性。首先，如同电话线一样，不需要RF转换硬件，因此，与无线方案相比成本低。但是更重要的是，在家中人们想要使用联网设备的任何地方几乎都有电源插座。 

电力线介质是一种恶劣的通信环境。例如，在家中任意两个插座之间的信道具有极其复杂的传输线网络的传递函数，该传输线网络具有许多无端接的短截线，并且某些传输线网络具有阻抗变化的终端负载。这种网络具有随着频率而极大变化的幅度和相位响应。在一些频率上，传输的信号可以相对低损耗地到达接收机，然而在其它频率上其可能低于噪声基准。更糟糕的是，传递函数可能随时间改变。这是可能发生的，因为业主将新的设备插入电力线或者如果网络中所插入的某些设备具有时变阻抗。结果是，插座对之间的信道的传递函数可能会在很大范围内变化。在一些情况下，宽的带宽可能适用于高质量的传输，而在其它情况下，信道可能具有有限的携带数据的能力。 

随着许多电源插座可用于在任意时间插入新联网的设备，涉及到联网设备的管理和协调的问题引起了对于网络的总吞吐量、每个连接的服务质量(QoS)、认证、协调以及网络资源共享的关注。因此，在本技术领域中需要能够有力地并且有效地解决这些关注的管理和协调方案。 

发明内容

本发明涉及用于在噪声环境中灵活调度资源的方法和系统。更具体而言，本发明提供了用于有效地管理和协调联网设备以实现电力线网络中的资源的灵活调度的方法和系统。 

在一个方面，电力线网络包括多个站，该多个站包括中央协调器，用于协调每个站的传输。该中央协调器可被配置为以基于电力线循环的相位的时间间隔来传输信标。信标的时间间隔基本等于电力线循环的两个周期。信标的时间间隔包括保留区域，该保留区域包括持久分配区域和非持久分配区域。信标还包括广播消息，该广播消息包括持久调度表和非持久调度表。持久调度表对于当前信标周期以及该信标所指示的一定数量的后续信标周期有效，而非持久调度表对于单个信标周期有效。分别基于持久调度 表和非持久调度表来确定持久分配区域和非持久分配区域。信标可以进一步包括例如预览调度表。 

在另一方面，一种用于对经由电力线进行通信的多个站的传输进行协调的方法，包括将所述多个站中的一个指定为中央协调器；以及所述中央协调器向所述多个站中的其它站以与电力循环的特定相位同步的规律的时间间隔发送信标，其中，所述信标包含当前的传输调度表。 

在另一方面，一种用于对电力线网络上的传输进行协调的方法，包括中央协调器向多个站以与电力循环的特定相位同步的规律的时间间隔发送信标，其中，所述信标包含当前的传输调度表；并且其中，每个所述信标包括持久分配区域和非持久分配区域。 

在另一方面，一种用于在电力线网络中协调一个或者多个其它设备的传输的设备，所述设备能够被配置为中央协调器，其中，所述中央协调器能够被配置为生成信标，其中，所述信标以与电力循环的特定相位同步的规律的时间间隔进行发送，并且包含当前的传输调度表；并且其中，所述中央协调器能够被配置为向所述一个或者多个其它设备发送所述信标。 

在另一方面，一种用于在电力线网络中协调多个网络设备的传输的设备，包括能够生成信标的中央协调器，其中，所述信标以与电力循环的特定相位同步的规律的时间间隔进行发送，并且包含当前的传输调度表；并且其中，所述传输调度表包括持久分配区域和非持久分配区域。 

在查阅以下详细描述和附图之后，本发明的其它特征和优点将对本领域普通技术人员显而易见。 

附图说明

在查阅以下详细描述和附图之后，本发明的特征和优点将对本领域普通技术人员显而易见，其中： 

图1示出了根据本申请的一个实施例的HPAV(HomePlug Audio Video，家庭插电音频视频)系统的概图； 

图2A示出了用于图1中的HPAV系统的示例性电力线网络配置的图。 

图2B示出了用于图1中的HPAV系统的另一个示例性电力线网络配置的图。 

图2C示出了用于图1中的HPAV系统的另一个示例性电力线网络配置 的图。 

图3示出了用于图1中的HPAV系统100的示例性HPAV收发器的图。 

图4示出了根据本发明的一个实施例的示例性信标周期的图。 

具体实施方式

尽管针对具体的实施例描述了本发明，但是如这里所附的权利要求所定义的，显然可以将本发明的原理应用于这里所述的本发明的具体描述的实施例之外。此外，本发明的描述中省去了某些细节，以免混淆本发明的创造性方面。所省去的细节在本领域普通技术人员的知识范围之内。 

本申请中的图以及它们所附的详细描述仅涉及本发明的示例性实施例。为了保持简洁，在本申请中没有具体描述使用本发明的原理的本发明的其它实施例，并且本附图中也没有示出。要记住的是，除非特别指出，可以用相同或者对应的参考标号来指示图中相同或者对应的元件。 

图1示出了根据本申请的一个实施例的HPAV(家庭插电音频视频)系统100的概图。如图所示，HPAV系统100包括：PHY(物理)层110、MAC(媒体访问控制)层120以及汇聚层130。当HPAV系统100处于传输模式时，PHY层110执行纠错控制、到OFDM(正交频分复用)符号的映射以及时域波形的生成；MAC层120确定正确的传输位置、将数据帧格式化为固定长度的实体以便在信道上传输，并且通过自动请求重传(ARQ)来确保及时和无差错的发送；汇聚层130执行桥接、连接中的业务分类，以及数据发送平滑功能。反之，当HPAV系统100处于接收模式时，PHY层110、MAC层120和汇聚层130反向地执行对应的功能。 

HPAV系统100利用OFDM调制技术，这是由于其在当前频率选择性信道中固有的适应性，其对窄带干扰的弹性，以及其对突发噪声的鲁棒性。通过使用OFDM符号的时域脉冲成形，无需额外的传输陷波滤波器就可以得到深的频率陷波。HPAV系统100采用1155个载波，范围从1.80MHz到30.00MHz。 

图2A示出了用于图1中的HPAV系统100的示例性音频视频逻辑网络(Audio Video Logical Network，AVLN)。AVLN包括一组具有相同的网络成员密钥(Network Membership Key，NMK)的站或者设备。在本申请通常称为“电力线网络”的AVLN中，所述站或设备中的一个成为中央协调器(Central  Coordinator，CCo)设备，其负责协调网络中的所有站的传输，以便为每个连接实现最大的总网络吞吐量和良好的QoS。CCo还负责对希望加入网络的站进行认证、管理加密密钥以及对与邻近网络的资源共享进行协调。可以将CCo预先配置为这样，或者通过指定的选择过程来自动地选择；然而，在AVLN中一次只有一个站可以作为中央协调器(CCo)。注意，AVLN(即电力线网络)中的站可以经由电力线(即交流线)进行通信。 

如图2A中所示，AVLN 202包括站A、B、C和D以及CCo1。给定站的物理网络(PhyNet)是至少可以在帧控制(FC)级别和ROBO(鲁棒)模式下与该站进行物理通信的站的集合。PhyNet相对于给定的站，并且物理上临近的多个站的PhyNet有可能不同。在本申请中，注意，双向箭头，如图2A中的双向箭头204，用于指示两个站，如站A和CCo1，有能力在PHY级上进行通信。如图2A中所示，所有站可以互相通信，因此，如表1中所示，所有站的PhyNet是相同集合{A，B，C，D，CCo1}。如果属于一个AVLN的两个站属于彼此的PhyNet，则它们可以互相通信。如图2A中进一步所示，AVLN202与AVLN 202中每个站的PhyNet一致。 

表1 

站	图2A	图2B	图2C
				A	{A，B，C，D，CCo 1}	{A，B，CCo1}	{A，B，CCo1}
B	{A，B，C，D，CCo 1}	{A，B，CCo1}	{A，B，CCo1}
				C	{A，B，C，D，CCo 1}	{C，D，CCo2}	{C，D，CCo1}
D	{A，B，C，D，CCo 1}	{C，D，CCo2}	{C，D}
				CCo1	{A，B，C，D，CCo 1}	{A，B，CCo 1，CCo2}	{A，B，C，CCo 1}
CCo2	N/A	{C，D，CCo 1，CCo2}	N/A

图2B示出了用于图1中的HPAV系统100的两个示例性的AVLN。如图2B中所示，AVLN 210包括站A和B以及CCo1，AVLN 212包括CCo2以及站C和D。表1中示出了图2B中的每个站的PhyNet。 

图2C示出了用于图1中的HPAV系统100的示例性的AVLN。如图2C中所示，AVLN 220包括CCo1以及站A、B、C和D。表1中示出了图2C中的每个站的PhyNet。 

图3示出了用于图1中的HPAV系统100的示例性HPAV收发器的图。 HPAV收发器300包括发送器端310，其使用OFDM调制，以及接收器端360。在发送器端310，PHY层(即图1中的PHY层110)从MAC层(即MAC层120)接收其输入。图3中示出了对分别由1.0.1FC编码器320、AV FC编码器330和AV有效载荷数据编码器340所处理的HomePlug 1.0.1帧控制(FC)数据312、HomePlug AV帧控制数据314和HomePlug AV有效载荷数据316进行不同编码的三个独立的处理链。这三个编码器的输出引入到公共的OFDM调制结构中，包括映射器350、快速傅立叶反变换(IFFT)处理器352、循环前缀插入、符号窗和重叠模块354，以及前同步码插入356，该OFDM调制结构最终馈入用于将信号耦合到电力线介质390的模拟前端(AFE)模块358。 

在接收器端360，AFE 365用自动增益控制器(AGC)368和时间同步模块370来进行操作，以馈入独立的帧控制和有效载荷数据恢复电路。通过利用用于HomePlug 1.0.1限定器的384点FFT 372和用于HomePlugAV的3072点FFT 374对所接收的采样流进行处理，并且使其通过分别用于HomePlug 1.0.1和HomePlug AV模式的独立的帧控制解码器380和382，来恢复帧控制数据。通过3072点FFT 374、解调器375、并且通过AV有效载荷数据解码器384的解交织器385、turbo卷积解码器386和解扰器387来处理采样的时域波形的有效载荷部分，以恢复AV有效载荷数据，其中该有效载荷部分仅包含HomePlug AV格式的符号。 

在本发明中，网络的CCo(例如图2A中的AVLN 202的CCo1)对称为信标的特殊信号进行发送，该信标包含系统范围内的信息，如网络ID、与其进行协调的邻近网络的编号、当前的传输调度表(例如，何时允许哪个站进行发送)，以及网络模式(例如，是处于HPAV模式还是HPAV混合模式)。信标还可以包含对于来自特定站的消息的响应，其中所述特定站请求资源、请求加入网络，或者传递了加密密钥，等等。如以下结合图4所述，CCo以规律的时间间隔来发送信标，其中所述时间间隔与电力循环的特定相位相关联。所述信标以所谓的ROBO(鲁棒)模式发送，其中ROBO模式用于由其它站来可靠地接收该信标，其中每个站从CCo到该站经历不同的信道特性。在ROBO模式中，调制独立于信道特性，并且通过低速率编码、低密度调制和有效载荷的接收和交织来实现鲁棒性。 

每个HPAV站(例如图2A中的站A、B、C和D)监视信道中HP1.0设 备的出现。当站检测到HP1.0设备的出现时，通知CCo(例如图2A中的CCo1)，CCo将网络(例如图2A中的AVLN 202)切换到HPAV混合模式。在混合模式操作中，HPAV网络通过使得HP1.0站仅在信标周期的CSMA/CA区域内进行发送来避免来自HP1.0站的干扰。从而HPAV站和HP1.0站可以在同一介质上共存，而在该周期的无竞争部分，HPAV站保持所有已调度的传输的优点。 

图4根据本发明的一个实施例，示出了与示例性电力线循环同步的示例性的信标周期。如图4中所示，信标周期402(即两个连续的信标传输之间的时间)基本等于电力线循环404的两个周期。例如，对于频率为60Hz的电力线(即对于60Hz系统)，信标周期标称等于33.33毫秒(ms)。例如，对于频率为50Hz的电力线(即对于50Hz系统)，信标周期402标称等于40ms。在一个实施例中，信标周期402可以精确地等于电力线循环404的两个周期。如图4中进一步所示，信标周期402的开始可以从电力线循环的开始处偏移一段固定的时间。 

如图4中所示，信标周期402包括信标区域406、CSMA(Carrier Sense Multiple Access，载波侦听多路访问)区域408以及保留区域410。信标区域406包括由CCo所生成的信标，并且可以包括前同步码、帧控制和信标有效载荷。CCo确保信标与电力线循环保持同步，并且不依赖于CCo本地时钟频率。 

通过使用一个或者多个信标项，在信标有效载荷中对描述信标周期402中的分配的信息进行广播。信标区域406还包括关于CSMA区域408以及保留区域410的持续时间的信息。CSMA区域408包括持久共享的CSMA分配区域416，该区域被分配给使用CSMA信道接入机制的连接(即发送和接收站之间的会话)。保留区域410是信标周期402的片段，在该片段期间仅允许一个站进行发送，保留区域410进一步被划分成持久分配区域412和非持久分配区域414。将持久分配区域412分配给需要QoS(服务质量)的连接(即，发送和接收站之间的会话)。将非持久分配区域414分配给以下中的一个或者多个： 

(a)分配到持久分配区域412中的、可能因为信道恶化一段短或者长的时间段或者因为特定应用的需求增加(例如在视频或者音频快进期间)而需要额外能力的活动连接； 

(b)附加的CSMA周期(例如，当CCo在常规CSMA周期中感测到高级冲突时)；以及 

(c)特殊的系统需要，例如发现信标(discover beacon)，其目的是发现不能检测或者听到CCo的隐藏节点(即，站)。 

利用“持久调度表”来控制持久分配区域412中的分配和持久共享的CSMA分配区域416中的分配，并且利用“非持久调度表”来控制非持久分配区域414中的分配。持久调度表和非持久调度表都包括在信标的广播消息中。持久调度表对于当前信标周期以及一定数量的后续信标周期有效，其中后续信标周期的数量在该信标中指示。由于持久调度表对于一定数量的后续信标周期有效，其(即持久调度表)允许网络(例如图1中的AVLN 202)中的所有站(例如图2A中的站A、B、C和D)知道该调度表，即使这些站偶尔接收信标失败。 

除了持久调度表，该系统(例如图1中的HPAV系统100)可以支持预览调度表，该预览调度表提供下一个调度表的预览。因此，当有必要改变调度表时，可以在新的调度表实际生效之前对其进行宣告。例如，信标可以利用计数器来指示在新的调度表生效之前要经过多少个信标周期。预览调度表还允许一些站错过信标接收而不丢失调度表信息。 

与持久调度表相反，非持久调度表仅对于其所宣告的信标周期有效。因此，如果站在特定周期内没有接收到信标，则该站在该周期期间只是简单地不使用非持久分配区域414的任何部分。另一方向，当站没有接收到当前信标时，其(即，该站)可以为了自身使用或者为了整个系统的利益(例如，以发现信标的形式)，利用非持久分配区域414中的任何分配。 

持久和非持久调度表有利地允许在不可靠的介质中更可靠地分发调度表，同时允许对于快速改变的情况进行迅速反应，或者无需向系统功能具体分配资源就实现该功能。 

因此，如上所述，本发明提供的HPAV系统包括经由电力线网络中的电力线来进行通信的站，其中一个站被设计为CCo(中央协调器)，其生成与电力线同步的信标并且包括持久和非持久调度表。结果是，本发明实现的HPAV系统有利地提供了电力线网络环境中的资源的灵活调度。 

本发明的以上描述表明，在不脱离本发明的范围的前提下，可以用各种技术来实现本发明的概念。此外，尽管通过具体参考某些实施例来描述 了本发明，但是本领域的普通技术人员将会认识到，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可以在形式和细节方面进行改变。例如，可以构想，可以用软件和/或硬件来实现这里所公开的电路，并且可以将软件存储在任何存储介质或者存储器中。所述实施例仅应被视为是示例性的而不是限制性的。应该理解，本发明并不局限于这里所描述的特定实施例，而是在不脱离本发明的范围的前提下能够具有多种重新配置、修改和替换。 

Claims (15)

1.一种用于对经由电力线进行通信的多个站的传输进行协调的方法，所述方法包括：

将所述多个站中的一个指定为中央协调器；以及

所述中央协调器向所述多个站中的其它站以与电力循环的特定相位同步的规律的时间间隔发送信标，其中，所述信标包含当前的传输调度表。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述信标还包含网络标识符、网络模式和与所述信标进行协调的邻近网络的编号。

3.如权利要求1所述的方法，其中，信标周期基本等于所述电力线的所述循环的两个周期。

4.一种用于对电力线网络上的传输进行协调的方法，所述方法包括：

中央协调器向多个站以与电力循环的特定相位同步的规律的时间间隔发送信标，其中，所述信标包含当前的传输调度表；并且

其中，每个所述信标包括持久分配区域和非持久分配区域。

5.如权利要求4所述的方法，其中，所述非持久分配区域用于下列各项中的一项：

额外的连接能力、附加的载波侦听多路访问周期或者发现信标。

6.如权利要求4所述的方法，其中，分别基于持久调度表和非持久调度表来确定所述持久分配区域和所述非持久分配区域。

7.如权利要求4所述的方法，其中，所述信标进一步包括广播消息，所述广播消息包括持久调度表和非持久调度表。

8.如权利要求7所述的方法，其中，所述持久调度表对于当前信标周期以及所述信标所指示的一定数量的后续信标周期有效。

9.如权利要求7所述的方法，其中，所述信标进一步包括预览调度表。

10.如权利要求7所述的方法，其中，所述非持久调度表对于单个信标周期有效。

11.一种用于在电力线网络中协调一个或者多个其它设备的传输的设备，所述设备能够被配置为中央协调器，

其中，所述中央协调器能够被配置为生成信标，其中，所述信标以与电力循环的特定相位同步的规律的时间间隔进行发送，并且包含当前的传输调度表；并且

其中，所述中央协调器能够被配置为向所述一个或者多个其它设备发送所述信标。

12.一种用于在电力线网络中协调多个网络设备的传输的设备，所述设备包括：

能够生成信标的中央协调器，其中，所述信标以与电力循环的特定相位同步的规律的时间间隔进行发送，并且包含当前的传输调度表；并且

其中，所述传输调度表包括持久分配区域和非持久分配区域。

13.如权利要求12所述的设备，其中，所述非持久分配区域用于下列各项中的一项：

额外的连接能力、附加的载波侦听多路访问周期或者发现信标。

14.如权利要求12所述的设备，其中，分别基于持久调度表和非持久调度表来确定所述持久分配区域和所述非持久分配区域。

15.如权利要求12所述的设备，其中，所述信标进一步包括广播消息，所述广播消息包括持久调度表和非持久调度表。

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