CN102084600A - 电力线通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通信系统，包括：发射机和接收机，该发射机和接收机为了传送信号而通过一个或者多个信道相通信，其中，发射机和接收机中的至少一个包括质量测量值，质量测量值用于系统的总体质量测量值，其中，信道或者每个信道包括在至少两个节点之间的多个子频带，其中，多个子频带中的每个都具有特定的最大功率谱密度(PSD)，并且其中，对发射机和接收机之间具有高于其它子频带的最大PSD的一个或者多个子频带标识，并且，其中，一个或者多个标识子频带的PSD以预定方式降低，从而提高系统的总体质量测量值。

Description

电力线通信系统

技术领域

本发明涉及用于改进通信系统的方法、系统和计算机程序；更具体地来说，涉及一种通信系统，包括在功率谱密度不同的多个子频带上通信的发射机和接收机。

背景技术

宽带电力线通信(PLC)是一种调制带有数据的无线电信号，并且在现有电力线上以不用作供电的频带传送信号的技术。特别地，现有的PLC系统在相对低的频率(即，＜30MHz)上传送信号。通过在PLC调制方案中，利用大量比特每秒每载波每赫兹(即，bpc/Hz)来调制，从而达到较高的最大吞吐量。这些系统通常为每个载波限定最大bpc/Hz和可用bpc/Hz。发射机和接收机通常能够根据接收到的信噪比(SNR)对每个载波所使用的bpc/Hz进行协商，从而优化了任意两个节点之间的信道容量(在限定的调制参数的限度内)。电力线的任意两个节点之间的可用信道容量与所传送的信号的频率不同(因为不同的衰减、多路径延迟的影响以及时钟准确度和噪声)。通信方案中的调制的实现和限定参数的可用动态范围也限制了所达到的吞吐量。

联邦通信委员会(FCC)规定了对于来自电子设备的传导发射和辐射发射的限制。传导发射是通过电源线而被传出并且设置于公共电力网上的电流，因为这种天线的覆盖范围较广，所以可以更有效地辐射，从而干扰了其它设备。传导发射的频率范围是从150KHz到30MHz。辐射发射是通过设备辐射的电场和磁场，其中，这些发射可以被与之产生干扰的电力设备接收到。用于辐射发射的频率范围是从30MHz到40GHz。在不同地区可能存在其它规定，一些规定明确针对电力线，一些规定针对更普遍的应用，一些规定由不同的监管机构设置。

实际上，电力线既没有被屏蔽，也没有被很好地平衡。因此，这些电力线所承载的RF能量中的一些从电力线上辐射出去。这种RF“泄露”会干扰得到许可的无线电业务。因此，PLC操作人员通常被要求将附近得到许可的业务使用的频带中的PLC信号衰减或者“切割(notch)”。而且，一些规定和标准要求，在这些切口(notch)中以及30MHz以上，PLC系统中的无线电信号所插入的功率谱密度低于大约-80dBm/Hz，即使在切口的外面和/或低于30MHz可以插入非常高(例如，高于-50dBm/Hz)的PSD。

为了简明，术语“切口”指的是PLC信号的能量级别被有意降低以防止对该频谱的其他使用者产生干扰的频带。术语“子频带”指的是性质(例如，在功率电平或者方向性上)不同于PLC信号的带宽中其余频带的频带。术语“覆盖范围”指的是两个节点之间的最大距离，在间隔该最大距离的两个节点之间传送的数据仍可检测出。在PLC中，“覆盖范围”还指的是能够通信而达到给定的最低性能的节点对的百分比。类似地，术语“吞吐量”指的是节点在网络上发送数据或接受数据的速率。网络中的覆盖范围通常由最大插入功率决定，这是因为，由于信道衰减和接收机噪声，难以通信的节点对主要决定。然而，有许多节点对之间的吞吐量不是由信道限制，而是由通信系统的实施所限制。

在未来的PLC系统(比如由IEEE P1901和ITU-T Ghn所定义的PLC系统)中，期望能够在保持或者改进覆盖范围，保持合理实施成本以及符合监管要求的情况下，增加吞吐量。一种增加吞吐量的方式是增加从低于30MHz开始的单个频带，以使其达到高于30MHz。然而，依据上述规定所施加的严格阶梯型(差距为30dB)的PSD，在合理实施成本下，使用延续到30MHz以上和30MHz以下的通信频带非常困难，这是因为发射机和接收机的动态范围必须能够处理信号功率中的位阶(step)。

频带中的最大子频带和最小子之间的频带PSD位阶(step)和为每个载波限定的最大bpc/Hz很大程度上限定了发射机和接收机的动态范围要求。PSD位阶进一步驱动了需要用来保持信号完整性的量化级别、噪声级别以及线性级别。线性、噪声以及量化要求显著地影响了调制解调器的模拟部分和数字部分的实施成本，并且还带来了实际极限，该实际极限使得在具有较低PSD的子频带中实施同样的最大bps/Hz太过昂贵或者根本不可能。

原则上，任意PLC系统都可以支持在不同的插入功率级别中运行的分隔开的子频带中运行的多个载波。PLC系统还可以只使用载波的子集来与只使用部分通信频带的节点相通信(例如，从1.8MHz到30MHz的遗留系统)。PLC系统还可以是部分系统，其中另一独立频带并行地用于相同介质中或者并行地用于另一介质。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种通信系统，包括：发射机和接收机，发射机和接收机为了传送信号而通过一个或者多个信道相通信，其中，发射机和接收机中的至少一个包括质量测量值，质量测量值用于对系统的总体质量进行测量，其中，信道或者每个信道包括在至少两个节点之间的多个子频带，其中，多个子频带中的每个都具有特定的最大功率谱密度(PSD)，并且其中，发射机和接收机之间的一个或者多个子频带被标识为具有比其它子频带的最大PSD更大的最大PSD，并且，其中，一个或者多个标识的子频带的PSD以预定方式降低，从而提高系统的总体质量测量值。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于通信系统的方法，该通信系统包括信道中的发射机和接收机，其中，发射机和接收机中的至少一个包括质量测量值，质量测量值用于系统的总体质量测量值，并且，其中，信道或者每个信道都包括在两个节点之间的多个子频带，其中，多个子频带中的每个都具有特定的最大功率谱密度(PSD)，该方法包括以下步骤：对大于发射机和接收机之间的其它子频带的PSD的一个或者多个子频带进行标识；以预定方式降低一个或者多个标识的子频带的PSD，从而增加系统的总体质量测量值。

根据本发明的第三方面，提供了一种计算机程序产品，存储在计算机设备的可读取介质中，该计算机程序产品可以通过使计算机执行第二方面的方法的方式，实际呈现出可读取程序。

根据本发明的一个可选方面，提供一种改进通信系统的方法，该通信系统包括在不同最大功率谱密度的多个子频带上通信的发射机和接收机，该方法包括以下步骤：检查一个或者多个子频带中由接收机接收的一个或者多个信号的质量，标识通过接收机所接收得最好的一个或者多个子频带中的一个或者多个信号，将该信息传送给发射机，降低通过发射机所发射的标识子频带中的至少一部分标识信号的功率，检查接收机是否在基本没有降低(degradation)的情况下仍然接收标识子频带中的标识信号，检查其余的子频带的至少一部分中的其它信号的质量是否基本上得到了改进，根据所接收到的信号改变基本上所有子频带中的信号的比特加载，以及继续监视并且改变通过发射机发射的标识子频带中的标识信号的功率，直到通过接收机在基本上所有子频带中所接收到的信号的总体质量被优化，从而提升了可用吞吐率。

本发明可以仅仅应用到两个节点之间的部分通信。本发明可以应用到网络中的一些节点之间的通信，而没有应用到另外的节点之间的通信。本发明可以应用到网络的一些节点之间的通信，而其它节点的通信使用可用信号的子集。本发明可以应用到网络的一些节点之间的通信，而其它通信使用不同的频带来并行通信。本发明可以应用到网络的一些节点之间的通信，而其它通信使用不同介质来并行通信。

附图说明

在这里，通过参考附图以实例的方式论述了本发明的实施例，其中：

图1是多个通信子频带的示例性功率谱密度图。

图2是典型通信系统的框图。

图3是施加有底噪的图1的功率谱密度图。

图4是具有通过实施所述优选实施例所引起的底噪变化的图3的功率谱密度图。

图5是包括两个子频带的通信系统的功率谱密度图的又一实例。

图6是具有实施所述优选实施例方法的效果的图5的功率谱密度图副本。

图7是适合实施优选实施例方法的网络的框图。

图8是优选实施例的方法的流程图；以及

图9是使用两个隔开的通信频带的通信系统的功率谱密度图，示出了将优选实施例的方法实施到通信频带之一中的子频带。

具体实施方式

图1示出了具有划分为多个基本连续的子频带(即，从f_start延续到f₁的子频带S₁，从f₁延续到f₂的子频带S₂，从f_n延续到f_end的子频带S_n+1)的通信频带(从f_start延续到f_end)的通信系统。通信设备可以使用子频带之一与另一类型的设备相通信(例如，使用从f_start到f_end频带的设备可以与仅使用从f₁到f₂的子频带的设备相通信。如前所述，每个子频带对于以这些频率可以插入(inject)的最大功率谱密度都具有(规定上的和/或技术上的)限制。特别地，在本实例中，子频带S₁可以支持所插入的功率谱密度POW₁。

类似地，子频带S₂可以支持所插入的功率谱密度POW₂，并且子频带S₃可以支持所插入的功率谱密度POW₃。

参考图2，通信系统10通常包括发射设备(T_x)、接收设备(R_x)和信道12，其中，发射设备(T_x)与接收设备(R_x)通过信道12相通信。在传统观念(基于香农定理)中，信号应当以最大功率进行传送，从而将吞吐量(throughput)最大化。然而，这种方式增加了发射机的噪声。

特别地，接收机(R_x)的信噪比可以通过以下等式来表示，其中Power(T_x)指的是从发射机(T_x)发送出去的信号的功率，Attenuation指的是信道12的衰减；Noise(R_x)指的是接收机(R_x)的噪声，Noise(T_x)指的是发射机(T_x)的噪声。

$\mathrm{SNR}\left(\mathrm{Rx}\right)=\frac{\mathrm{Power}\left(\mathrm{Tx}\right)-\mathrm{Attenuation}}{\mathrm{Noise}\left(\mathrm{Rx}\right)+(\mathrm{Noise}\left(\mathrm{Tx}\right)-\mathrm{Attenuation})}$

这是个一阶表达式，说明了在较差的信道中，插入的功率(Power(T_x))、信道衰减和接收机的噪声(Noise(R_x))很大程度上决定了接收机(R_x)的信噪比。同样是这个一阶表达式，还说明了在衰减较小并且接收机的噪声(Noise(R_x))不显著的良好信道中，接收机(R_x)的信噪比受到了发射机(T_x)的信噪比的有效限制。这样，发射机噪声能够有效地将底噪施加到接收机上，从而限制了接收机的动态范围。发射机噪声(例如，来自削波(clipping)、量化误差、模拟非线性和失真)主要是白噪声，并且能够在所有发送子频带上被测量出来。

利用前述实例并且参考图3，可以看出，来自子频带S₂中的高功率信号的噪声有效地溢出到了其余子频带上。特别地，来自子频带S₂中的高功率信号的噪声形成了其余子频带上的全部底噪的主要组成部分。子频带S₁和S_n+1的功率信号密度(POW₁和POW_n+1)处于底噪以下；并且无法在上面被检测出。相反，子频带S₂中的功率信号密度(POW₂)明显大于底噪，并且其有效SNR为SNR₂。因此，从这个实例可以概括得出，各个子频带可以具有截然不同的有效SNRs。而且，在一些实例中，子频带可以不适用于通信目的(例如，有效SNR为3dB的子频带，这种子频带的质量在将QPSK作为最低星座的OFDM系统中不足以进行通信)。

原则上，可以在降低子频带S_n+1中的底噪的同时，在子频带S₂中保持相同的高功率传输。然而，因为需要处理接收机的模拟数字转换器的线性问题以及广泛的方式，所以上述做法非常昂贵。

优选实施例通过降低插入到一个或者多个最高功率子频带中的功率级别而采用反直观(counter-intuitive)方法来解决这个问题，从而改进了整个通信系统的总体SNR(当信道的质量允许这种改进的时候)。特别地，降低频带的最大功率谱密度导致量化噪声降低了大约相同的量。类似地，降低频带的最大功率谱密度导致模拟失真降低大于或者等于PSD中的降低量。

参考图4，将最大功率谱密度子频带(即子频带S₂)的功率谱密度从其最大允许值(POW₂ ^init)降低到较低值(POW₂ ^fin)(降低了值Δ)，从而在发射机的所有频率上都产生了降低底噪(从Floor_init到Floor_fin)的效果。由于子频带S₁和S_n+1的功率谱密度现在都大于降低了的底噪Floor_fin，因此这些子频带的新的信噪比(新SNR₁ ^fin和新SNR_n+1 ^fin)都有了明显改进。而且，子频带S₂的信噪比依旧非常好。这样，优选实施例在具有最大功率谱密度的子频带所需的信噪比和具有最小功率谱密度的子频带的信噪比之间实施了交换，从而达到了系统中的理想吞吐量。

优选实施例中所采用的方法与传统功率赋形技术相反，传统功率赋形技术通常对信号增加功率。然而，如上所述，特别因为FCC规则，优选实施例所运行的环境不可能增加功率。相反，优选实施例通过有效降低频带的第一部分的功率，从而降低了该频带的另一部分的底噪，并且提高了该部分的性能。然而，这样违反了已经被广泛接受的利用增加功率来增加吞吐量的教导。

实施例

例如，一种有线系统，运行在0到50MHz的频率范围内。更具体地来说，使通信系统具有两个子频带(S₁和S₂)，第一子频带从0到30MHz，另一子频带从30MHz到50MHz。依照目前的FCC规则规定，在0到30MHz的频率范围内所允许的最大功率谱密度是-50dBm/Hz。

类似地，在30MHz到50MHz的频率范围内所允许的最大功率谱密度是-80dBm/Hz。

使通信系统使用最大星座尺寸为1024QAM或者4096QAM的OFDM。而且，使通信系统包括使用0到50的完整频带(例如P1901设备)的设备以及仅使用从0到30的子频带(例如，HPAV设备)的设备。两个子频带中所允许的功率谱密度之间的差距(即，30dB)较大，使得数字量化(以及保持模拟块(analogue blocks)的线性)特别困难。由功率谱密度较高的子频带(即，子频带S₁)产生的底噪意味着从30MHz到50MHz的子频带的信噪比低于最高性能所需的信噪比(即，对于1024QAM，需要至少27dB的信噪比)。

优选实施例寻找到了一个最优点，在该最优点上，子频带S₂的信噪比几乎达到最大值，但是子频带S₁中的信噪比仍旧良好。优选实施例所寻找到的最优点在某种意义上将两个子频带的总体吞吐量最大化。例如，使量化噪声为40dB。类似地，使模拟失真为35dB。因此，总体噪声大约是34dB。

然而，刚才提到过，第二子频带(S₂)的功率比第一子频带(S₁)的功率低了30dB。而且，使信道提供PSD为-100dBm/Hz的白噪声，即，比第二子频带(S₂)的功率级别低了20dB(即，在第一子频带(S₁)中为50dB，在第二子频带(S₂)中为20dB)。因此，第一子频带(S₁)中的信噪比是34dB，第二子频带(S₂)中的信噪比是4dB。

就这个实例而言，使针对1024QAM(即，每次我们达到上述星座尺寸，每少1比特，就要少大约3dB)的最大性能所需要的信噪比为28dB。使系统同样在每1比特位阶(one-bit steps)中具有从BPSK到1024QAM的所有可能的星座。

在第一子频带(S₁)中，达到了最大吞吐量(从0到30MHz每载波10比特)。然而，在第二子频带(S₂)中没有吞吐量(从30MHz到50MHz每载波0比特)。因此，总体平均值为在整个频带上每载波10*3/5+0*2/5＝6比特。现在，使第一子频带(S₁)中的功率谱密度降低10dB(因此，新的信道功率谱密度为-60dBm/Hz)。

而且，这种功率降低导致失真噪声降低10dB(因为其非线性)。在第一子频带(S₁)中，量化噪声为40dB。类似地，模拟失真为45dB。这样，现在的总信噪比为37dB。在第二子频带(S₂)中，量化噪声比信号降低40-30+10＝20dB。

类似地，模拟失真比信号低了45-30+10＝25dB。信道噪声的功率谱密度仍然是-100dBm/Hz，仍然比该-80dBm/Hz的子频带中插入的功率低20dB。因此，第二子频带(S₂)中的总体信噪比是17dB。这样，吞吐量可以是：在第一子频带(S₁)中每载波10比特，并且在第二子频带(S₂)中每载波6比特。这样可以得出，平均值为在整个频带上每载波10*3/5+6*2/5＝42/5＝8.4比特，从而得到了改进。

参考图7，设定一种网络包括节点A、节点B、节点C和节点D，其中，节点A与节点B、节点C和节点D相通信。在网络上可以传送各种类型的消息(例如，广播、多播帧、控制消息、串流影像、文本消息等等)。优选实施例的方法适合于各种类型的消息。特别地，对于一些具有低数据内容而以最大功率(而不是上述关于其它子频带的理想功率)传输的消息(比如广播包和控制消息)来说，优选实施例的方法尤其适用。

而且，优选实施例的方法有很强的适用性，不需要被应用到网络中的所有节点。特别地，优选实施例的方法可以被用于节点A和节点B之间的理想通信，而节点A和节点C之间能以传统方式(最大功率)进行通信。

而且，优选实施例适用于通过不同频率和不同数量载波通信的网络上的节点。例如，节点A可以与通过以下方式与其它节点相通信：

-在0到50MHz的频率范围内(通过上述阶梯式的功率谱密度图)与节点B相通信；以及

-在0到30MHz的频率范围内(通过单一的功率谱密度)与节点D相通信。

而且，优选实施例的方法可以不统一地实施到网络中的节点之间的通信方向上。特别地，即使节点之间的信道的衰减保持相同，两个节点之间的两个通信方向的底噪也可以不同。

还可以理解，优选实施例可以不在所有给定的子频带上统一应用，这是因为子频带可以被划分为次级子频带(further sub-bands)，在该次级子频带中甚至可以划分到只有单个载波。既然这样，这些次级子频带上的载波独立地被协商(negotiated)。更普遍地，可以理解，不是所有“子频带”中的载波都需要为了改进其它子频带中的信噪比而降低功率谱密度。换言之，为了将所有频带上的每个载波上的吞吐量都最大化，一些载波可以基于它们各自的信噪比，以比其它载波更大的功率进行传输。

这样，在网络级别，优选实施例的方法可以以本地方式(local approach)或者协调方式(co-ordinated approach)实施。在本地方式中，在每条通信线路上，发射机都要确定必须插入到该线路上的功率(即，要想通过传送线路传送信息所必需的功率)，这取决于要发送的帧的类型、通信线路的信道环境和接收机所使用的子频带的数量。本地方式还可以通过接收机从发射机请求某个功率谱密度图来实施。在协调方式中，网络的主站决定为每个节点分配信道，并且同时，确定该节点所必须使用的功率谱密度(所以，主站需要具有关于每种类型的设备、每种信道环境以及要发送的每种类型的帧的知识)。

然而，无论在网络级别上使用的是本地方式还是协调方式，从根本上来说，优选实施例的方法基于接收机和发射机之间的协商(negotiation)过程。特别地，参考图8，在第一步骤中，接收机在步骤20中检查在特定子频带中是否接收到高质量信号(即，具有高功率和低噪声的信号)。如果接收机在给定子频带中没有接收到高质量信号，接收机在步骤22中检查其余的子频带。相反，如果接收机在给定子频带中接收到特定的高质量信号，则这就意味着，该信号正在以过量的功率被发送，从而该子频带中的该信号的功率可以被降低。接收机在步骤24中将该信息传送到发射机。因此，发射机在步骤26中降低了标识的子频带中所插入的信号的功率。

接收机在步骤28中再次检查在标识的子频带中是否仍然接收了高质量信号。接收机还检查在其它子频带中所接收的信号的质量是否得到了改进。接收机在步骤30中将该质量信息发送到发射机，该发射机在步骤32中根据来自接收机的质量信息，改变子频带中的信号的比特加载。

接收机和发射机继续监视和改变标识的子频带中被传送的标识信号的功率，直到都被接收机接收的信号的全部质量被最优化以增加可用吞吐量。

另一方面，参考图9，可以理解，优选实施例的方法还可  适用于包括两个隔开的并且不同的通信频带(即，Band₁和Band₂)的通信环境，其中，第一频带(Band₁)包括两个子频带(S₁和S₂)，在这两个子频带中，信号插入了不同的功率。更具体地来说，假设子频带S₁的功率谱密度(即，POW_init ¹)高于子频带S₂的功率谱密度，其中，与第一子频带S₁的较高的功率谱密度(即，POW_init ¹)相关的噪声有效地产生并且控制了整个通信系统的底噪(Noise_Floor_init)。如前所述，优选实施例的方法包括以下步骤：将第一子频带S₁的功率谱密度降低到新的功率谱密度(POW_fin ¹)，从而降低了整个通信系统的总体的底噪(到Noise_Floor_fin)。

目前的PLC系统(例如，Homeplug、HDPLC和Universal PowerlineAssociation(UPA)中所定义的)使用基于调制的多载波OFDM。然而，优选实施例并不排除与其它调制方案或者访问方案一同使用或者与其相结合。

类似地，可以理解，当优选实施例在电力线通信系统的文中被描述时，特定文字仅仅起了说明目的。特别地，本领域普通技术人员可以了解，优选实施例决并有限制到该特定文字。相反，优选实施例同样能应用到在完全不同的功率谱密度的子频带中传送信号的其它情况。在不偏离本发明范围的情况下，可以对上述公开内容做出改变和修改。

Claims (12)

1.一种通信系统，包括：发射机和接收机，为了传送信号而通过一个或者多个信道相通信，

其中，所述发射机和所述接收机中的至少一个包括质量测量值，所述质量测量值用于系统的总体质量测量值，

其中，所述信道或者每个所述信道包括在至少两个节点之间的多个子频带，

其中，所述多个子频带中的每个都具有特定的最大功率谱密度(PSDs)，并且其中：

所述发射机和所述接收机之间具有比其它子频带的最大PSD更高的一个或者多个子频带被标识；

并且，其中，所述一个或者多个标识子频带的PSD以预定方式降低，从而提高所述系统的总体质量测量值。

2.根据权利要求1所述的通信系统，其中，所述质量测量值被传送到所述发射机，以指示能够降低所述一个或者多个标识子频带的PSD。

3.根据权利要求1或2所述的通信系统，其中，基于接收到的信号的质量测量值，反复分析至少一些剩余子频带中的其它信号的质量测量值的实质改进，以确定所述质量测量值的改变量并且调节基本上所有子频带中的信号的比特加载，直到所述基本上所有子频带中的信号的总体质量测量值被优化而提升了可用吞吐量。

4.根据上述任一权利要求所述的通信系统，其中，在降低所述PSD之后，所述一个或者多个标识子频带的所述质量测量值被分析，以确定所述一个或者多个标识子频带的质量测量值的变化量。

5.根据上述任一权利要求所述的通信系统，其中，在降低所述PSD之后，分析其它子频带的所述质量测量值，以确定所述其它子频带的所述质量测量值的变化量。

6.根据上述任一权利要求所述的通信系统，其中，根据所述信号、所述信道和所述子频带的预定标准，确定插入到所述一个或者多个标识信号中的所述PSD的级别。

7.根据上述任一权利要求所述的通信系统，其中，所述一个或者多个子频带的预定PSD图被请求。

8.根据上述任一权利要求所述的通信系统，其中，将信道和PSD分配到每个节点。

9.一种发射机，用于在权利要求1到8中任意一项所述的通信系统上与接收机相通信。

10.一种接收机，用于在权利要求1到9中任意一项所述的通信系统上与发射机相通信。

11.一种用于通信系统的方法，所述通信系统包括：通过一个或者多个信道传送信号来进行通信的发射机和接收机，其中，所述发射机和所述接收机中的至少一个包括质量测量值，所述质量测量值用于所述系统的总质量测量值，并且，其中，所述信道或者每个信道都包括在两个节点之间的多个子频带，其中，所述多个子频带中的每个都具有特定的最大功率谱密度(PSD)，所述方法包括以下步骤：

对所述发射机和所述接收机之间具有高于其它子频带的PSD的一个或者多个子频带进行标识；

以预定方式降低一个或者多个标识子频带的PSD，从而增加所述系统的总质量测量值。

12.一种计算机程序，包括当在可编程设备上执行所述计算机程序时，所述指令执行根据权利要求11所述的方法的指令。

Images