CN103532593A

CN103532593A - 电力线通信传送器和传送信号的方法

Info

Publication number: CN103532593A
Application number: CN201310461916.2A
Authority: CN
Inventors: L·斯塔德尔迈耶; A·施瓦杰; D·施奈德
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2007-08-22
Filing date: 2008-07-28
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2028-07-28
Also published as: US20100061433A1; US8160162B2; US20140348251A1; CN101785203B; CN101785203A; EP2028769A1; EP3065303B1; KR20100042244A; BRPI0809648B1; US8442127B2; US20120328030A1; US8743975B2; RU2010105044A; WO2009024249A1; CN103532593B; EP2393214B1; EP2028769B1; BRPI0809648A2; US9191068B2; EP2393214A1

Abstract

本发明公开了一种电力线通信传送器和传送信号的方法，所述电力线通信传送器用于连接到电力线网络的相线、中性线和保护地线，所述电力线通信传送器包括：第一馈送端口，用于连接到所述相线和所述中性线；第二馈送端口，用于连接到所述相线和所述保护地线，或连接到所述中性线和所述保护地线；处理器，配置为基于由所述第一馈送端口馈送的信道的特性以及基于由所述第二馈送端口馈送的信道的特性，选择所述第一馈送端口和所述第二馈送端口中的一个用于数据传送；以及传送单元，用于经由所选择的馈送端口传送数据。

Description

电力线通信传送器和传送信号的方法

本申请是分案申请，其原案申请的申请号为200880104783.0，申请日为2008年7月28日，发明名称为“经由电力线网络传送信号的方法、传送器、接收器、电力线通信调制解调器和电力线通信系统”。

技术领域

本发明涉及用于经由电力线网络传送信号的方法、传送器和接收器。本发明还涉及电力线通信调制解调器和电力线通信系统。

背景技术

电力线通信（PLC），也被称作电力网（mains）通信、电力线传送（PLT）、宽带电力线（BPL）、电力带（power band）或电力线联网（PLN），是描述用于使用电力分配导线以用于数据的同时分配的几个不同系统的术语。载波能通过在标准50Hz或60Hz交变电流（AC）上迭加模拟信号来传达话音和数据。对于室内应用，PLC装备可以使用家用电力接线作为传送媒体。

为了增加PLC系统的带宽，已提议使用从无线通信系统已知的多输入多输出方案（MIMO）。

本发明的一个目标是进一步增加PLC系统的带宽。

该目标通过本发明中用于传送信号的方法、传送器、接收器、电力线通信调制解调器和电力线通信系统加以解决。

从对附图和随后说明的考虑中，本发明的进一步细节将变得明显。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种电力线通信传送器，用于连接到电力线网络的相线、中性线和保护地线，所述电力线通信传送器包括：第一馈送端口，用于连接到所述相线和所述中性线；第二馈送端口，用于连接到所述相线和所述保护地线，或连接到所述中性线和所述保护地线；处理器，配置为基于由所述第一馈送端口馈送的信道的特性以及基于由所述第二馈送端口馈送的信道的特性，选择所述第一馈送端口和所述第二馈送端口中的一个用于数据传送；以及传送单元，用于经由所选择的馈送端口传送数据。

优选地，所述处理器配置为基于从电力线通信接收器反馈的信息选择所述馈送端口。

优选地，所述的电力线通信传送器还包括：第三馈送端口，用于连接到所述相线和所述保护地线或者连接到所述中性线和所述保护地线中的另一个。

优选地，所述信道的特性是数据吞吐量。

根据本发明的另一个方面，提供了一种传送信号的方法，用于经由电力线网络的相线、中性线和保护地线传送信号，该方法包括：将电力线通信传送器的第一馈送端口连接到所述相线和所述中性线；将所述电力线通信传送器的第二馈送端口连接到所述相线和所述保护地线，或连接到所述中性线和所述保护地线；基于由所述第一馈送端口馈送的信道的特性以及基于由所述第二馈送端口馈送的信道的特性，从所述第一馈送端口和所述第二馈送端口中选择用于数据传送的馈送端口；以及经由所选择的馈送端口传送数据。

优选地，所述选择基于从电力线通信接收器反馈的信息。

优选地，所述方法进一步包括：将所述电力线通信传送器的第三馈送端口连接到所述相线和所述保护地线或者连接到所述中性线和所述保护地线中的另一个。

优选地，所述信道的特性是数据吞吐量。

附图说明

图1示出本发明一个实施例的步骤，

图2a示出根据本发明的进一步实施例的传送器的框图，

图2b示出根据本发明的进一步实施例的接收器的框图，

图3示出根据本发明的进一步实施例的电力线通信系统的框图，

图4示出常规电力线通信系统的框图，

图5示出根据本发明的进一步实施例的电力线通信系统，

图6示出本发明的进一步实施例的步骤，

图7示出本发明的进一步实施例的步骤，

图8示出根据本发明的进一步实施例的示意框图以解释传送器的功能，

图9a示出用于阻抗调制设备的电路图，

图9b示出当存在阻抗调制设备时，电压的时间相关性的示意图，

图9c示出具有部分类似信道容量的电压时间关系的示意图以解释本发明的进一步实施例，

图10示出本发明的进一步实施例的步骤，以及

图11示出根据本发明的进一步实施例的电力线通信系统的框图。

具体实施方式

以下描述了本发明的实施例。重要的是注意到，可以以任何方式组合所有以下描述的实施例和它们的属性以及技术特征，也就是说，不存在某些描述的实施例、属性和技术特征不可以与其他进行组合的限制。

图1中，在步骤S100中确定信道特性，以及在电力线网络中传送器和至少一个接收器经由至少两个信道进行通信，所述信道的每个具有所述至少一个传送器的相应馈送端口（feeding port）和所述至少一个传送器的相应端口，以及所述传送器具有至少两个馈送端口。在图3中示意地示出对应的电力线网络，其将在下面解释。

信道特性可以从信道估计获得以及通过例如比特差错率（BER）或信噪比（SNR）来描述信道。其他信道特性可以是所述信道上接收信号的功率或能量。

在步骤S102中，基于在步骤S100中确定的信道特性来应用馈送端口选择准则。当应用馈送端口选择准则时，比较不同信道的信道特性以便决定将使用哪个或哪些馈送端口，因为在使用这些馈送端口时确保最佳接收。

在步骤S104中，基于馈送端口选择准则在至少两个馈送端口之间选择排除馈送端口，其中在进一步通信期间不使用该排除馈送端口。

根据基尔霍夫规则，在存在三导线或导体的PLC系统中，仅有两个独立的馈送可能性。

在步骤S104中，基于馈送端口选择准则来选择馈送端口，从而识别最差信道特性。因为对于PLC系统信道是准静态的，馈送端口的选择保持稳定直到PLC网络拓扑中存在专门变化为止（例如已开启灯或已插入或拔除设备）。

信道的信道容量C能计算为：

C = B \cdot \frac{1}{N} Σ_{i = 1}^{N} \log_{2} (\det (I_{N_{R}} + \frac{1}{n_{T}} \cdot SNR \cdot H_{i} \cdot H_{i}^{H}))

其中：B是信道的带宽，N是OFDM副载波的数量，n_R是接收端口的数量，INR是n_R×n_R的单位矩阵，n_T是传送端口的数量，SNR是信噪比，H是n_R×n_T的信道矩阵。

备选的是，在自适应的OFDM－（正交频分复用）系统中，接收器内的信道均衡器提供关于OFDM系统的每个副载波的信噪比（SNR）的信息。根据每个副载波上的SNR条件，选择适合的星座（constellation）大小。越小的SNR可用，星座就必须越健壮。作为一个示例，对于正交幅度调制（QAM），具有不同SNR需求的不同星座存在。

最后，可将一个OFDM符号的总比特负载作为定性的容量准则。一个OFDM符号的比特的总数量（如所有N个副载波上的和）越高，容量C就越高：

C &Proportional; Σ_{i = 1}^{N} {constellation}_{i}

在MIMO的情况下，存在用于所有不同的接收端口M的均衡器。在该情况下，可将所有信道均衡器的总和作为馈送端口选择准则：

C &Proportional; Σ_{m = 1}^{M} Σ_{i = 1}^{N} {constellation}_{m, i}

在进一步的实施例中，将所述电力线网络上交变电流的时期至少划分成第一部分和第二部分。为第一部分确定第一信道特性并且为第二部分确定第二信道特性。然后，基于所述馈送端口选择准则为所述第一部分选择第一排除馈送端口，以及基于所述馈送端口选择准则为所述第二部分选择第二排除馈送。如果电力线网络中存在阻抗调制设备，主阻抗根据线路周期（line cycle）持续时间并根据阻抗调制设备的数量而改变。当阻抗调制设备的数量不变时，阻抗改变随线路周期持续时间（例如，对于50Hz交变电流是20ms）呈周期性。阻抗改变对电力线上的数据传送有显著影响。在数据突发（data burst）期间的阻抗改变导致阻抗改变之后错误的信道均衡值并引起不可纠正的传送误差。因此提议将突发放置于阻抗保持稳定的时间间隔中。在存在阻抗调制设备的情况下，对于每个阻抗条件单独执行馈送选择，以使得排除馈送端口随不同的阻抗设置而改变。馈送端口选择可以包括附加端口选择准则。可以确定至少面对阻抗调制行为的馈送端口，因为不是每个馈送点组合面对相同级别的阻抗调制。

根据进一步的实施例，基于所述信道的信道特性确定相应信道容量，以及确定其信道容量低于预定阈值的排除信道，其在后来的进一步通信期间不使用。

在本实施例中，不仅确定馈送端口而且可将奇异信道（singularchannel）排除在进一步通信之外。这在有阻抗调制设备的情况下或电力线网络上有脉冲噪声的情况下可能有用。

在进一步的实施例中，通过经由多个信道同时传送OFDM测试信号并基于所述OFDM测试信号的接收版本来确定所述多个信道的相应的多个信道容量来确定信道的信道特性。

根据进一步的实施例，基于相应的信道容量来设置多输入多输出编码方案（MIMO-方案）。通过在数据中设置合适的MIMO，进一步优化PLC系统的吞吐量和可靠性。根据信道特性和/或应用的带宽要求，选择合适的MIMO编码方案。顺序测试可用的MIMO模式，并且选取关于吞吐量和/或比特差错率的最佳MIMO模式。在进一步的实施例中，关于最大吞吐量和/或传送可靠性来优化数据传送。例如，以某种方式来设计AlamoutiMIMO以获得更佳的比特差错率（BER）性能而不增加吞吐率（特殊码率是一）。另一方面，当物理层上的BER性能优化不是主要焦点时（特殊码率是二），设计例如HBLAST（水平贝尔实验室分层空时）、VBLAST（垂直贝尔实验室分层空时）或特征波束形成MIMO（Eigenbeamforming－MIMO）的复用MIMO系统以使数据吞吐量最大化。

图2a中示出传送器200的框图。传送器200包括两个馈送端口202、204，配置这两个馈送端口的每个以将信号馈送到至少两个信道中，以及配置处理器206以基于所述至少两个信道的信道特性的确定来选择所述至少两个馈送端口202、204的排除馈送端口，进一步配置处理器206以在通信期间不使用由所述排除馈送端口（202或204）馈送的所述至少两个信道的信道。

关于用语“传送器”和“接收器”，应该强调的是，该描述“传送器”和“传送调制解调器”以及“接收器”和“接收调制解调器”可交换使用，因为用于双向通信的电力线通信调制解调器包括传送器以及接收器。因此，在电力线系统中，在传送调制解调器（即，传送器）和接收调制解调器（即，接收器）之间执行电力线通信调制解调器之间的有效负载数据的通信。

在进一步的实施例中，可以进一步配置处理器206以将信道容量低于预定阈值的信道排除在进一步通信之外，并且可配置处理器206以基于相应的信道容量来设置多输入多输出编码方案。

图2b中示出接收器250的框图。接收器250包括至少一个接收端口252，其是来自电力线通信网络的至少两个信道的接收端，这些信道通过至少两个不同的馈送端口（未示出）来馈送。将接收端口252连接到信道估计单元254，其配置成确定所述至少两个信道的信道特性。将处理器256连接到所述信道估计单元254并配置成选择基于来自于信道估计单元254的信道特性的确定而应被排除在进一步通信之外的馈送端口。将传送器单元258连接到处理器256以用于将关于排除馈送端口的信息传送到传送器，传送器以后仅使用非排除馈送端口来和接收器250通信。

因此，根据反馈到传送器的信息，在接收器250中或传送器200中可执行排除馈送端口的识别。如果从接收器250到传送器200反馈信道特性，则在传送器内选择排除馈送端口。如果接收器250已经选择排除馈送端口，则仅须将关于排除馈送端口的信息反馈到传送器200。

图3中示出电力线通信系统300的示意框图，其包括传送器302和接收器304。收发器302可以是电力线通信调制解调器305的部分，而接收器304可以是另外的电力线通信调制解调器306的部分。收发器在多个信道307中传送信号到接收器304，其中多个信道307的每个具有馈送端口FP1、FP2或FP3以及接收端口RP1、RP2、RP3或RP4。在具有三个馈送端口FP1、FP2、FP3和四个接收端口RP1、RP2、RP3、RP4的该示出的例子中，可以使用两个可能的信道306用于从传送器302将信号传送到接收器304。

图4中示出具有传送PLC调制解调器402和接收PLC调制解调器404的常规电力线通信系统400。传送PLC调制解调器402和接收PLC调制解调器404经由电力线P、N、PE以及对应的电力线网络406来连接。表示电力线网络的导线是相线P、中性线N和保护地线PE。在常规电力线通信方案中仅使用一个馈送端口，即，相线P和中性线N之间的信号的馈送，以及当在接收器404接收相线P和中性线N之间的信号时也仅使用一个接收端口RP1。

当还使用保护地线PE时－如为电力线通信系统500的进一步实施例而在图4中所示出的－传送PLC调制解调器502经由相线P、中性线N和保护地线PE的任何组合将信号传送到接收PLC调制解调器504是可能的。因此，在总共三个馈送端口可能性中FP1、FP2、FP3存在，也就是，其中经由相线P和中性线N来发送传送的信号的第一馈送端口FP1、其中在相线P和保护地线PE之间发送信号的第二馈送端口FP2以及其中在中性线N和保护地线PE之间发送信号的第三馈送端口FP3。在接收器侧有评估相线P和中性线N之间的接收信号的第一接收端口RP1、评估相线P和保护地线PE之间接收的信号的第二接收端口RP2以及评估中性线N和保护地线PE之间接收的信号的第三接收端口RP3。第四接收端口RP4也可用，其描述经由所谓公共模式（CM）的接收。CM信号非故意地创建于非平衡网络。从设施或设备到地的非平衡寄生电容引起返回到源的CM电流。由于相邻导线之间的电磁耦合，出现串话，即，来自于任何馈送端口的传送信号在所有四个接收端口RP1、RP2、RP3、RP4上可见。

图6示出用于馈送端口选择过程的消息序列。在开始处，传送调制解调器600在步骤S602中选择第一（出自三个）馈送可能性并在步骤S604中通过控制消息向接收调制解调器606指示这个第一馈送可能性。此类控制消息可以在任何OSI层系统的上层（例如媒体访问层（MAC）或甚至数据链接控制层（DLC））中来处理。接收调制解调器606在步骤S608中确认该请求并等待测试传送的开始。传送调制解调器600在步骤S610中开始第一馈送端口1的传送可能性的容量测试以及在步骤S612中发送对应的测试信号。在接收调制解调器606知道测试传送的长度（例如，数据突发的特定数量）的情况下，其在步骤S614中在接收到测试序列后自动开始计算信道容量作为信道特性。在步骤S616中将容量计算的结果发送回传送器600。

对于其他两个剩下的馈送可能性重复这些步骤。在步骤S620中，传送调制解调器600选择第二馈送可能性并在S622中通过到控制消息向接收调制解调器606指示这个第二馈送可能性。在步骤S624中接收调制解调器606确认该请求并等待下一个测试传送的开始。在步骤S626中传送调制解调器600开始第二馈送端口FP2的容量测试，以及在步骤S628中发送对应的测试信号。在步骤S630中接收调制解调器606计算对于这个第二馈送可能性的信道容量，以及在步骤S632中将该容量回报给传送调制解调器600。

在步骤S634中，传送调制解调器600选择第三馈送可能性并在S636中通过控制消息向接收调制解调器606指示这个第三馈送可能性。在步骤S638中接收调制解调器606确认该请求并等待下一个测试传送的开始。在步骤S640中传送调制解调器600开始第三馈送端口FP3的容量测试，以及在步骤S642中发送对应的测试信号。在步骤S644中接收调制解调器606计算对于这个第二馈送可能性的信道容量，以及在步骤S646中将该容量回报给传送调制解调器600。

在完成所有三个测试传送之后，在步骤S650中传送调制解调器606开始发送正常的数据突发。

图7中示出用于测试信道的一个备选方案。如果使用固定长度的测试序列，即，接收调制解调器706知道来自传送调制解调器700的测试传送的长度，则可省略发信号通知测试序列开始的握手。因此，在步骤S702中，传送调制解调器700向接收调制解调器706发信号通知请求信号馈送测试。在步骤S704中，接收器706向传送器700确认该馈送测试请求。在步骤S708中，传送器700选择第一馈送可能性并在步骤S710中直接开始对于第一馈送端口FP1的容量测试。在步骤712中传送测试信号并在步骤S714中接收调制解调器706计算容量。在步骤S716中将信道容量回报给传送器700。

对于所有的馈送可能性重复这些步骤。在步骤S720中，传送调制解调器700选择第二馈送可能性并在步骤S722中直接开始对于第二馈送端口FP2的容量测试。在步骤724中传送测试信号并在步骤S726中接收调制解调器706计算容量。在步骤S728中将信道容量回报给传送调制解调器700。

在步骤S730中，传送调制解调器700选择第一馈送可能性并在步骤S732中直接开始对于第三馈送端口FP3的容量测试。在步骤734中传送测试信号并在步骤S736中接收调制解调器706计算容量。在步骤S738中将信道容量回报给传送调制解调器700。

之后，在步骤S740中传送调制解调器700选择最佳馈送可能性并开始传送。

图8中示出传送PLC调制解调器800的框图以便解释传送器800中如何在不同馈送端口之间切换。借助于切换机制806，根据馈送端口选择机制的结果，从两个MIMO传送路径802、804选择可用的三个端口中的两个。在切换机制806内，决不将MIMO传送路径802和MIMO传送路径2804设置到相同位置。在本实施例中，第一传送路径802使用P-N作为馈送端口而第二传送路径使用P-PE作为馈送端口。

图9a示出电路图而图9b示出电力线上电压UA的对应的时间相关性（如果存在阻抗调制设备）。移动电话充电器和其他充电设备在具有以下属性的电路中传播：

·如果电容C充电，则来自电力网的HF信号短路。

·如果二极管阻断，则整流器具有高输入阻抗。

因此在线路周期持续时间内电力网阻抗改变至少两次。

周期性阻抗改变对电力线上的数据传送具有显著影响。数据突发期间的阻抗改变导致阻抗改变之后的错误信道均衡值以及引起不可纠正的传送误差。因此重要的是将突发放置在其中阻抗保持稳定的时间间隔中，这是电力线通信系统的媒体访问控制（MAC）层的任务。

图9c中示出的是，根据线路周期频率，不同信道条件导致不同馈送端口选择和/或不同MIMO方案（在本例中：两个不同的信道条件，但是所有的不同信道条件也可以是可能的）。Y轴表示AC线路周期的电压UA。

图10中示出用于确定合适的MIMO编码方案的步骤。在步骤1000中开始操作后，在步骤S1002中确定信道特性。之后在步骤S1004中调查信噪比SNR是否低于特定阈值。如果回答为“是”，在步骤S1006中选择稳定的、比特差错率（BER）优化的MIMO编码，例如Alamouti MIMO方案。如果信噪比高于特定阈值，则在步骤S1008中，确定是否在电力线网络中存在显著干扰。如果存在显著干扰，则在步骤S1006中，也使用稳定的、比特差错率优化的MIMO编码（例如Alamouti MIMO）以用于传送。如果电力线网络中没有干扰，则在步骤S1010中选择例如HBLAST、VBLAST或特征波束形成MIMO的吞吐量优化的MIMO编码。之后在步骤S1012中通知传送器关于该选择，该选择应在之后用于步骤S1014中的正常操作中。因此，根据信道特性和/或应用的带宽要求，选择合适的MIMO编码。

为了确定信道的质量，提议正常操作之前的初始阶段。在该初始阶段期间针对干扰（阻抗调制或脉冲噪声）来检查电力线通信信道。顺序测试所有可用的MIMO方案。可选取关于吞吐量和/或比特差错率的最佳MIMO模式。

图11中示出电力线通信系统1100的进一步实施例。在电力线通信系统1100中，第一节点1102经由第一信道1104和第二节点1106连接并经由第二信道1108与第三节点1110连接。第二节点1106与第三节点1110经由第三信道1112连接。作为一个示例，脉冲噪声源1114干扰第二节点1106和第三节点1110之间的第三信道1112。

因为可执行MIMO模式的选择以用于网络1100中的所有节点1102、1106、1110之间的每个连接，根据连接条件，不同节点之间的不同连接可以选取不同MIMO模式。在图11中示出的示例中，第一节点1102和第二节点1106之间在第一信道1104上的短距离通信具有良好的信噪比SNR且没有任何干扰。因此，能选取吞吐量优化的MIMO。在第二节点1106和第三节点1113之间的第三信道1112上存在由噪声源1114的脉冲引起的干扰。因而，即使第二节点1106和第三节点1110之间仅有短距离，也选择比特差错率优化的MIMO（例如Alamouti）。第一节点1102和第三节点1110之间在第二信道1108上有长距离，但不存在干扰。可选择比特差错率优化的MIMO（例如Alamouti）以便克服由于长距离引起的不良SNR。

由于电力线通信信道的准静态行为，当新节点进入网络时，可执行确定优化的MIMO模式的过程（并且如果信道条件根本改变，则再次执行）。提议的是如何为电力线通信信道上的MIMO通信选择最佳可能的馈送端口。对于所有的传送可能性来测量对于不同馈送端口的信道特性，并且将具有最差信道特性的端口排除在进一步通信之外。另外，已提出如何处理阻抗调制设备以便为交变电流的不同部分选取合适的馈送端口。

Claims

1.一种电力线通信传送器，用于连接到电力线网络的相线、中性线和保护地线，所述电力线通信传送器包括：

第一馈送端口，用于连接到所述相线和所述中性线；

第二馈送端口，用于连接到所述相线和所述保护地线，或连接到所述中性线和所述保护地线；

处理器，配置为基于由所述第一馈送端口馈送的信道的特性以及基于由所述第二馈送端口馈送的信道的特性，选择所述第一馈送端口和所述第二馈送端口中的一个用于数据传送；以及

传送单元，用于经由所选择的馈送端口传送数据。

2.根据权利要求1所述的电力线通信传送器，其中，所述处理器配置为基于从电力线通信接收器反馈的信息选择所述馈送端口。

3.根据权利要求1所述的电力线通信传送器，还包括：第三馈送端口，用于连接到所述相线和所述保护地线或者连接到所述中性线和所述保护地线中的另一个。

4.根据权利要求1所述的电力线通信传送器，其中，所述信道的特性是数据吞吐量。

5.一种传送信号的方法，用于经由电力线网络的相线、中性线和保护地线传送信号，该方法包括：

将电力线通信传送器的第一馈送端口连接到所述相线和所述中性线；

将所述电力线通信传送器的第二馈送端口连接到所述相线和所述保护地线，或连接到所述中性线和所述保护地线；

基于由所述第一馈送端口馈送的信道的特性以及基于由所述第二馈送端口馈送的信道的特性，从所述第一馈送端口和所述第二馈送端口中选择用于数据传送的馈送端口；以及

经由所选择的馈送端口传送数据。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述选择基于从电力线通信接收器反馈的信息。

7.根据权利要求5所述的方法，进一步包括：

将所述电力线通信传送器的第三馈送端口连接到所述相线和所述保护地线或者连接到所述中性线和所述保护地线中的另一个。

8.根据权利要求5所述的方法，其中，所述信道的特性是数据吞吐量。