CN101945309A - 无源光网络结合电力线载波实现双向通讯的方法、系统和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了结合电力线载波和无源光网络实现终端节点和中央控制节点通讯的系统、装置和方法，本发明通过简化网关的协议处理层次，从而降低了网关的成本、功耗，提高了所述网关的可靠性和安全性。能够使系统具有对不同电力线载波标准体制的广泛兼容能力。

Description

无源光网络结合电力线载波实现双向通讯的方法、系统和装置

技术领域

本发明涉及无源光网络(PON，Passive Optical Network)接入领域和电力线载波通讯(PLC，Power Line Communication)领域，具体为本发明实现了通过无源光网络结合电力线载波接入终端节点，实现终端节点与中央控制节点的双向通讯。

背景技术

近年来节能减排和对新能源的利用越来越被放到战略地位。人们对风能、太阳能、水利等可再生能源的利用也日益广泛。人们也希望通过合理使用能源而避免不必要的浪费。这些要求都促进对现有电网进行“智能化”改造而使之演进为智能电网。而这种演进的关键就是实现发电、输电、配电、用电等环节的信息通讯和及时监控。这就需要在这些环节实现信息的双向通讯。如小区自动抄表，电动汽车有序充电，智能家电等具体应用，如何实现这些智能终端与控制调度中心的双向通讯成为建设智能电网的基础。

智能电网中终端节点与监控中心的通讯具备以下特点，对带宽要求较低，对安全性、可靠性和实时性的要求较高。光纤通讯具备高带宽，抗干扰能力强，保密性好，价格低廉等特点被广泛应用于骨干传输网和接入网中。今年来随着光纤复合电缆技术的成熟和推广，电力通讯网络越来越多的使用光纤作为通讯通道。而且光纤复合电缆使光纤随着电线一同部署，可以方便地采用无源光网络PON方式实现光纤到小区和光纤到户，这就为智能电网终端的光纤接入创造了方便条件。但是PON接入的主要成本在于光收发器件，而智能电网终端的数量非常多，如：智能电表，电动汽车等等，这些终端如果直接通过PON接入会大大增加网络的建设成本。

电力线载波通讯技术利用电力线作为传输媒介，因为电力线的普遍性而使它具有很广泛的使用场合。但电力线作为传输媒介会带来诸如干扰和衰减等问题，使传送带宽和距离受限。无源光网络和电力线载波技术各自具备优缺点，两者互相结合具备互补优势，即利用电力线载波接入智能电网终端，汇聚到无源光网络的光网络单元(ONU，Optical Network Unit)，利用PON实现多个智能电网终端的汇聚后接入，克服电力线载波通讯在带宽和传送距离上的劣势，而发挥电力线载波接入方便、价格低廉的优势实现智能电网终端与控制中心的双向通讯。

目前在电力线载波通讯领域存在多种技术标准体制，如：Homeplug联盟，IEEE P1901，ITU G.hn，这些标准针对不同的细分应用场景，彼此有重叠又具有一些各自的特点，而且都具备一定的应用规模。它们接入PON等宽带网络的方式如图1和图2所示，ITU G.hn标准对电力线载波的相关标准作了标准化工作，相关标准G.9960，G.9961，G.9972已经完成。其中G.9960Appendix工对家庭网络接入PON/DSL等宽带网络的形式作了描述，图1揭示了本地网关(residential gateway)的具体框架结构。图2是Homeplug标准组织提供的家庭智能电网终端接入宽带网络的示意图。图1和图2这两种方式类似，它们都是需要进行两种通讯域的背靠背转换，网关首先要实现电力线载波通讯节点的功能与终端节点互相通讯并协调控制，接收到的需要传送到宽带网络的数据再作为PON网络的客户信号传递到控制中心。

发明人通过对智能电网终端接入的特点进行研究发现现有技术具备以下可改进之处，网关部署的地点在具体应用中会不同，可能会被大量部署在室外环境。所以业务提供者希望网关的成本低，低功耗，可靠性高，数据安全性好，而现有技术对网关的设计比较复杂不利于成本、功耗、可靠性等性能的提高，而且在网关过多处理协议，包括加密解密，这些环节都会增加数据安全的风险。另外由于电力线载波通讯标准的多样性导致了现实部署的复杂情况，网关处理过多协议，会导致很多种针对不同标准的网关类型，给实际应用带来困难。

发明内容

本发明为了克服现有技术的缺陷，揭示了一种电力线载波结合无源光网络的系统，该系统包括终端节点、网关、分光器、光线路终端、中央控制节点。所述终端节点通过电力线连接到所述网关，无源光网络光纤通过所述分光器连接所述网关和所述光线路终端，所述中央控制节点连接所述光线路终端。无源光网络传输电力线载波域中所述终端节点和中央控制节点之间的通讯信号，所述网关对电力线载波域的模拟信号进行处理转换为无源光网络域信号。所述网关对电力线载波域信号进行模拟前端处理和数模以及模数转换。

本发明提供了一种结合电力线载波和无源光网络的网关装置，所述装置包括：线路耦合器201，线路驱动器202，可变增益放大器203，接收低通滤波器204，模数转换205，无源光网络映射模块206，数模转换207，发送低通滤波器208，驱动放大器209，微处理器210，该装置中201连接电力线实现电力线载波信号的耦合和解耦，202连接201实现线路信号的驱动。203连接202对接收的模拟信号进行放大，放大后的信号送给204进行滤波，滤波后的信号送给205进行模数转换，转换后的数字信号通过206映射到无源光网络中进行传输。206解映射的电力线载波数字信号送给207进行数模转换，转换后的模拟信号送给208进行滤波，滤波后的信号经209进行驱动放大，驱动放大后的信号送给202、201耦合到电力线上传输。

本发明提供了一种电力线载波信号通过无源光网络传送进行通讯的方法，

发送方向，电力线载波域终端节点通过电力线发送数据给网关，网关通过模拟前端处理、模拟数字转换，把转换后的数字信号数据流映射到无源光网络帧中从上行链路传送给光线路终端，光线路终端恢复所述数字信号数据流，送给电力线载波域的中央控制节点，所述中央控制节点进行电力线载波通讯的物理层和上层协议处理。

接收方向，电力线载波域的中央控制节点发送数字信号数据流给无源光网络的光线路终端，所述光线路终端映射数字信号数据流到无源光网络帧，通过下行链路传送所述数字信号数据流到网关，所述网关解映射恢复所述数字信号数据流，对所述数字信号数据流进行数字模拟转换，对转换后的模拟信号进行模拟前端处理，耦合所述模拟信号到电力线，通过电力线传送到电力线载波域的终端节点。所述终端节点处理电力线载波域的各层协议。

本发明简化了网关桥接的处理过程，有利于网关减少成本，降低功耗，由于网关在整个系统中的数量众多，简化网关能够使整个系统的综合成本下降，并使所述系统能够兼容适应各种电力线载波通讯标准。

附图说明

图1G.hn宽带接入本地网关功能示意图

图2Homeplug智能电网宽带接入示意图

图3本发明接入系统示意图

图4本发明接入系统协议栈层次示意图

图5本发明PLC域与PON域关系示意图

图6本发明网关装置图

图7GPON映射转换数据流示意图

图8EPON映射转换数据流示意图

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明采用的具体实现方式：

本发明为克服现有技术的缺陷简化网关节点的设计，采用了新的网络系统。如图3所示：101a，101b，102a，102b分别为终端节点；101，102为网关，103为光网络单元(ONU，Opticalnetwork unit)，104为分光器，105为光线路终端(OLT，Optical line terminal)，106为中央控制节点，107接入光纤，108电力线

终端节点101a，101b通过电力线连接网关101，而102a，102b通过电力线连接网关102。网关101，102一端连接终端节点，另一端通过光纤以无源光网络方式连接OLT 105，终端节点通过无源光网络的转换桥接与中央控制节点106实现通讯。网关101，102仅仅进行电力线载波域信号的模拟前端(AFE，Analog Front-End)处理和模拟数字信号互转换功能，并映射适配电力线载波域信号到无源光网络域，而不处理具体的电力线载波上层控制协议，把所述协议处理功能统一集中到连接OLT的中央控制节点处理。光网络单元103为接入其他类型业务的接入节点，可以与网关共同处于同一无源光网络域中。

所述系统的协议栈示意图如图4所示，

LLC：逻辑链路控制层，logic link control

MAC：媒质接入控制层，Media access control

APC：应用协议融合层，Application protocol convergence

PHY：物理层

AFE：模拟前端处理，Analog Front-End

A/D：模拟数字相互转换

Adaptation：适配层

如图5所示，所述系统被划分为两个域，即电力线载波域(PLC Domain)和无源光网络域(PON Domain)，在PLC Domain中心控制节点的各协议层MAC，LLC，APC分别与终端节点的各协议层建立逻辑连接。在PON Domain中OLT的各协议层也与各网关的PON协议层建立逻辑连接。

在电力线载波域APC子层与某些特定应用接口并协同适配。LLC子层在中央控制节点的控制下，协调终端节点的发送。LLC子层负责建立、管理、重置或终止域内节点间的连接。LLC子层还负责完成数据流的服务质量管理(QOS，Quality of service)。MAC子层控制各节点接入传送媒质，协调避免发送冲突，本发明系统中MAC域从逻辑上可划分为如图5所示的两个域，一个是由终端节点和中央控制节点组成的电力线载波域媒质控制(PLC Domain MAC)，另一个是网关与OLT组成的无源光网络域媒质接入控制(PON Domain MAC)，在PLC Domain由中央控制节点协同控制各终端节点对媒质的占用，在PON Domain由OLT通过DBA(Dynamic BandwidthAssignment)协议分配各个网关接入无源光网络的带宽。如图5所示的两个域中，PLC DomainMAC是带宽请求方，而PON Domain MAC根据网关节点的通讯数据流量分配OLT与网关之间的上下行带宽，以保证PLC Domain节点间通讯的需要。PLC Domain PHY层完成物理层编码，针对物理媒介的编码，实现正交频分复用(OFDM，Orthogonal frequency division modulation)的调制、解调，以及完成模拟信号的放大、滤波和耦合。

网关(GW，Gateway)起到把PLC域节点通讯信号转换为PON域通讯信号传送的功能。网关中的适配层(Adaptation)介于PLC的PHY层和PON之间，负责实现把PLC域的模拟信号经过放大、滤波等模拟前端处理和数字化转换后的数据流作为PON网络的客户信号映射到PON的通讯帧中进行传送，反之网关接收PON网络传递的数据流经过数模转换放大驱动等处理，使之转换为可以在电力线上传输的信号。网关仅仅起到物理信号在不同传送媒质(电力线和光纤)之间的转换和传输，而不需要处理PLC Domain的MAC，LLC，APC等上层通讯协议。

在上述系统中，中央控制节点通过适配层连接OLT，上行方向，网关把转换后的数字信号通过OLT传送给中央控制结点；下行方向OLT通过下行PON数据流把中央控制节点的通讯信息传送给网关。中央控制节点处理PLC Domain物理层的一部分功能包括：OFDM数字调制、解调，FEC(Forward Error Correction)编码、解码，以及MAC，LLC，APC等上层协议。

下面结合网关的装置附图6具体说明本发明实现的具体方法和网关装置。如图6所示的网关装置包括以下部分：201线路耦合器，202线路驱动器，203可变增益放大器，204接收带通滤波器，205模数转换，206无源光网络映射模块，207数模转换，208发送带通滤波器，209驱动放大器，210微处理器

201，202模块实现高低压信号的隔离、耦合和驱动。接收方向的信号进入203进行放大，203的增益可以根据需要配置，配置由微处理器210完成，放大后的信号进入带通滤波器204过滤出需要的频带内的信号，而抑制其他不需要的频带的信号。滤波后的信号通过205进行模数转换，把模拟信号转换为数字信号，数字信号数据流进入206映射到无源光网络的传送帧中，经过DBA分配带宽，数字信号数据流发送给OLT，OLT解映射后恢复所述数据流送给中央控制节点进一步处理。中央控制节点发送数据流给OLT，OLT通过下行链路的一部分带宽发送所述数据流，相应的网关接收所述数据流，网关中206模块把数据流从PON通讯帧中恢复，恢复后的数据流送给207进行数模转换，转换后的模拟信号通过发送带通滤波器208过滤后经过驱动模块209，然后经201，202耦合到电力线与连接到该电力线的终端节点实现信息通讯。

如前面背景技术所述，目前电力线载波通讯领域存在多种标准并存的局面。仔细分析这些标准会发现他们在物理层的技术差别很小。由于电力线的干扰较强，而且频率选择性衰减比较严重。所以电力线载波通讯一般都采用OFDM调制方式作为物理层的基础。电力线载波领域的两大主流标准Homeplug和G.hn标准的主要参数如表1所示：

表1PLC主要标准参数对比

表1的参数对比表明不同标准之间和标准的不同选项之间在OFDM调制层的差别主要是载波频段和载波数量方面，这些差异在物理层的模拟前端处理中主要体现在载波频段的选择，数模互转换采样速率的选择和放大器的增益选择方面。如本发明图6中滤波器204，208的带宽可以通过微处理器210进行配置。模数转换器205，207的采用频率也可以通过210配置，203可变增益放大器的增益也可以通过210进行配置。本发明的网关不处理FEC，MAC和LLC等上层协议，不仅简化了设计而且使网关适用于多种标准体制和多种标准选项。

如图6所示的网关装置，经过数模转换后的数字信号数据流需要通过206模块映射到PON网络通讯帧中在PON域传输。所述数模转换后的数字信号数据流对于某一特定的标准或标准选项相当于一个速率恒定的业务流，这种速率恒定的业务映射到PON网络的方法可以采用TDM overPON的业务映射方法。目前业界存在两种主流的PON网络体制：ITU-T的GPON体制和IEEE802.3ah的EPON体制。

对于GPON标准体制，G.984.3Appendix I定义了TDM业务映射到GEM(GPON EncapsulationMode)帧的方法，本发明也可以采用相同的方法实现所述数模转换后的数字信号数据流的映射，具体方法如图7所示，为了标记这种新的业务类型可以使用GEM帧中的净荷类型指示(PTI，Payload Type Indication)中的保留字节来指示。网关节点的管理、操作、维护(OAM，Operation Administration Maintain)信息，包括告警信息，性能上报，配置控制信息，缓存器状态等信息通过GTC(GPON Transmission Convergence)帧中的PLOAM(Physical Layer OAM)开销进行传递。网关根据所述数模转换后的数字信号数据流的流量大小，周期性的通过上行帧中的DBRu(Dynamic Bandwidth Report upstream)上报带宽请求报告，OLT根据DBA算法统一分配各网关和ONU的上行带宽，带宽分配信息在下行帧中的BWMap(Bandwith Map)中传递给各网关和ONU。

对于EPON标准体制，IEEE802.3ah中作了具体定义，EPON系统上实现TDM业务传输最主要的一种方法是基于分组网络的电路仿真技术(CESoP，Circuit Emulation over Packet Switched Net)。CESoP技术是指在非TDM网络上进行电路仿真，实现恒定比特率的数据流在分组网络上的传送。其基本原理就是在分组网络上搭建一个“通道”，把恒定比特数据流分成片，放到EPON的以太网帧中传送。目的端收到数据包后重新生成同步时钟信号，同时从以太网帧中恢复恒定比特率数据流。EPON映射所述数模转换后的数字信号数据流的方法如图8所示，网关节点的OAM信息通过OAM帧来在OLT和网关间传递。网关节点的带宽请求通过REPORT帧传递给OLT，OLT根据DBA算法统一分配各网关和ONU的带宽，分配信息通过GATE帧发送给各网关和ONU。

本发明通过改变电力线载波通过无源光网络传输的系统架构，把网关处的电力线载波域的复杂处理功能上移到OLT处的中心控制节点，简化了网关的设计，增强了网关对各种电力线载波标准的适应范围。达到降低成本和节约功耗的效果。

以上实施例提供的技术方案中的全部或部分内容可以通过软件编程实现，其软件程序存储在可读取的存储介质中，存储介质例如：计算机中的硬盘、光盘或软盘。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (9)

1.一种电力线载波结合无源光网络的系统，该系统包括终端节点、网关、分光器、光线路终端、中央控制节点。所述终端节点通过电力线连接到所述网关，无源光网络光纤通过所述分光器连接所述网关和所述光线路终端，所述中央控制节点连接所述光线路终端。无源光网络传输电力线载波域中所述终端节点和中央控制节点之间的通讯信号，所述网关对电力线载波域的模拟信号进行处理转换为无源光网络域信号。所述网关对电力线载波域信号进行模拟前端处理和数模以及模数转换。

2.根据权力要求1所述的系统，所述系统的中央控制节点和终端节点组成电力线载波域，所述终端节点在所述中央控制节点的协调控制下按照电力线载波域的协议栈实现双向通讯。

3.根据权力要求1所述的系统，所述系统的网关和光线路终端组成无源光网络域，所述网关在所述光线路终端控制协调下实现带宽分配和双向通讯。

4.根据权利要求1所述的系统，所述系统中所述网关的处理功能包括：电力线线路驱动和线路耦合，模拟信号的滤波放大，模拟信号和数字信号转换，映射所述转换后的数字信号到无源光网络帧中。

5.一种结合电力线载波和无源光网络的网关装置，所述装置包括：线路耦合器201，线路驱动器202，可变增益放大器203，接收低通滤波器204，模数转换205，无源光网络映射模块206，数模转换207，发送低通滤波器208，驱动放大器209，微处理器210，该装置中201连接电力线实现电力线载波信号的耦合和解耦，202连接201实现线路信号的驱动。203连接202对接收的模拟信号进行放大，放大后的信号送给204进行滤波，滤波后的信号送给205进行模数转换，转换后的数字信号通过206映射到无源光网络中进行传输。206解映射的电力线载波数字信号送给207进行数模转换，转换后的模拟信号送给208进行滤波，滤波后的信号经209进行驱动放大，驱动放大后的信号送给202、201耦合到电力线上传输。

6.根据权利要求5所述的装置，所述装置进一步包括微处理器210，210根据所述网关处理的电力线载波标准配置所述网关的滤波器204、208的带宽，并配置203、209的放大增益倍数，配置205、207的采样频率。

7.一种电力线载波信号通过无源光网络传送进行通讯的方法，

发送方向，电力线载波域终端节点通过电力线发送数据给网关，网关通过模拟前端处理、模拟数字转换，把转换后的数字信号数据流映射到无源光网络帧中从上行链路传送给光线路终端，光线路终端恢复所述数字信号数据流，送给电力线载波域的中央控制节点，所述中央控制节点进行电力线载波通讯的物理层和上层协议处理。

接收方向，电力线载波域的中央控制节点发送数字信号数据流给无源光网络的光线路终端，所述光线路终端映射数字信号数据流到无源光网络帧，通过下行链路传送所述数字信号数据流到网关，所述网关解映射恢复所述数字信号数据流，对所述数字信号数据流进行数字模拟转换，对转换后的模拟信号进行模拟前端处理，耦合所述模拟信号到电力线，通过电力线传送到电力线载波域的终端节点。所述终端节点处理电力线载波域的各层协议。

8.如权利要求7所述的方法，所述把转换后的数字信号数据流映射到无源光网络帧中进一步包括，把所述数字信号数据流映射到吉比特无源光网络(GPON)的吉比特无源光网络封装方法(GEM)帧中。操作、管理、维护(OAM)信息通过物理层管理开销(PLOAM)开销传递。

9.如权利要求7所述的方法，所述把转换后的数字信号数据流映射到无源光网络帧中进一步包括，把所述数字信号数据流映射到以太网无源光网络(EPON)的以太网帧中。操作、管理、维护(OAM)信息通过OAM帧传递。

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