CN104221324A - 家庭网络识别方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种家庭网络拓扑识别方法，其中所述家庭网络(10；11)具有多个网络装置(27，28，29)和在所述多个网络装置之间的住宅网关(23)，该方法包括下面的步骤：(1a)从网络装置(27，28，29)中的至少一个网络装置获得至少一个家庭网络参数；(1b)从网络装置(27，28，29)中的一个网络装置获得家庭网络(10；11)的网络信道增益函数(CGF)；(1c)将信道增益函数(CGF)转换到时域以获得等效的估计的信道延迟扩展函数(CDS)；(1d)从估计的信道延迟扩展函数(CDS)和网络的传播速度来获得估计的盲网络拓扑；以及(1e)将估计的盲网络拓扑与至少一个家庭网络参数相关以获得至少一个结构的网络拓扑参数；以及一种管理中心装置(25)，其远离于具有多个网络装置(27，28，29)并且在所述多个网络装置之间具有住宅网关(23)的家庭网络(10；11)，其中提供管理中心装置(25)以执行所述方法的步骤(1a)到(1e)。

Description

家庭网络识别方法和装置
技术领域
本发明涉及家庭网络拓扑识别方法和提供用以执行该方法的管理中心装置。
背景技术
国际电信联盟(ITU)标准“G.hn”被定义为支持由家庭内宽带应用所需的宽带数据通信。在G.hn中，不同的域可以用于通过不同介质的家庭内网络接入，该不同的介质如铜双绞线、同轴电缆和电力线缆。
至今，从网络的远端位置外向也称为家庭网络的家庭内网络的故障排查和诊断是一项挑战性的任务。特别地，由于家庭网络内的可能大量支路和终端，识别家庭网络的大小和结构是具有挑战性的。
为了进一步说明该问题，具有相对简单结构以及一个和三个支路的家庭网络的例子分别在图1中示出。在图2的上部中绘出针对一个支路的网络的信道增益函数，并且在图2的下部中绘出针对图1的三个支路网络的信道增益函数。
在图3中示出家庭网络的更为复杂的例子。在上部中，图3示意性地绘出由包括十二个节点和五个支路的电力线网络或双绞线网络所形成的家庭网络。图1的下部示出由同轴线技术所构建的另一家庭网络。
当考虑更为复杂的家庭网络拓扑时，例如具体包括大量节点和支路的电力线通信(PLC)网络，由于发生在家庭网络的所有支路中的更为复杂的信道增益函数和大量反射，从服务运营商的角度来看，家庭网络拓扑识别方法的可用解决方案并不如所期望的那样有效。
发明内容
基于例如电力线缆、同轴电缆和双绞线缆的介质的家庭网络包括构建多径传播环境的不同分段，例如电力线和双绞线网络中的支路，以及同轴网络中的分路器。
通常，由网络中的路径数目所表达的多径阶数通过信道冲激响应的长度来描述，即信道延迟扩展。自然地，信道延迟扩展和网络拓扑之间的关联是明显的。随着网络分段数目的增加，多径阶数变得更高。随后，信道延迟扩展增加。具体地，信道延迟扩展是家庭网络拓扑的函数。
可以利用该关系来通过网络的信道延迟扩展来估计其他网络签名，可以利用该关系来以识别网络大小和其结构。进一步，网络标识别是通过将估计的网络签名和从家庭网络装置所获得的网络参数相关来改进的。
根据家庭网络拓扑识别方法的示例性实施例，其中家庭网络具有多个网络装置和在多个网络装置之间的住宅网关，该方法包括下面的步骤：
(a)从网络装置中的至少一个网络装置获得至少一个家庭网络参数；
(b)从网络装置中的至少一个网络装置获得家庭网络的网络信道增益函数；
(c)将信道增益函数转换到时域，以获得等效的估计的信道延迟扩展函数；
(d)从估计的信道延迟扩展函数和网络的传播速度来获得估计的盲网络拓扑；以及
(e)将估计的盲网络拓扑与至少一个家庭网络参数相关，以获得至少一个结构的网络拓扑参数。
如本申请中所使用的“住宅网关”应该被具体地理解为这样的一种家庭网络装置，其被提供以将家庭网络与广域网(WAN)连接。如本申请中所使用的术语“盲网络拓扑”应该被具体地理解为关于网络的各种网络装置之间的距离的一组信息，不包括关于网络的任何结构的信息。将信道增益函数转换到时域优选地通过反向傅里叶变换来执行。在离散测量的情形中，反向快速傅里叶变换(FFT)是优选的。
至少一个家庭网络参数可以经由网络内的网络协议例如TR-069、从网络装置中的至少一个网络装置来获得，或经由对于本领域技术人员来说看似适宜的任意其他协议。
该方法可以允许可靠和快速识别家庭网络拓扑。通过将从信道延迟扩展函数抽取的信息与至少一个家庭网络参数相关，例如连接的支路的进一步拓扑参数可以被明确地导出，以用于确认关于网络拓扑的假设，并且可以用作进一步分析的基础。例如支路的家庭网络的结构属性可以被可靠地识别并且用于使得估计的网络拓扑适合于测量的数据。
在一个适宜的实施例中，可以以自动化的方式来执行该方法并且可以从远离家庭网络的站点执行。
在另一个优选的实施例中，并且如果网络信道增益函数的相位关系是先验未知的，则该方法的步骤(c)包括下面的步骤：
(c1)将信道增益函数转换到时域；
(c2)将信道延迟扩展函数移位到选择的中心时间，使得信道延迟扩展函数的非零值的间隔基本上关于中心时间对称；
(c3)将在选择的长度的间隔外的零值的窗函数应用于信道延迟扩展函数，其中选择的长度的间隔基本上关于中心时间对称；
(c4)将加窗的信道延迟扩展函数移位到时间原点；
(c5)将加窗的信道延迟扩展函数转换到频域，以获得计算的信道增益估计；
(c6)通过应用度量函数来比较计算的信道增益估计和信道增益函数，以用于导出差的量度。
优选地，应用于比较计算的信道增益估计和信道增益函数的度量函数是基于计算的信道增益估计的均方误差，该计算的信道增益估计作为“真值”的信道增益函数的估计量。通常，也可以应用对于本领域技术人员来说适宜的任意其他度量函数。
通过导出计算的信道增益估计和信道增益函数之间的差的量度，可以获得用于网络信道增益函数的相位关系的校正的估计。
在另一个实施例中，步骤(c3)到(c6)以不同选择的间隔长度来连续地执行，以获得对于选择的间隔长度的每个间隔长度的差的量度，其中等效的估计的信道延迟扩展函数通过从对于差的量度应用预定的准则、选择窗函数的间隔长度来确定。优选地，预定准则可以是用于计算的信道增益估计和信道增益函数之间的均方误差。因此，计算的信道增益估计可以以期望的精确性近似于信道增益函数。
在网络信道增益的相位关系是先验已知的情形下，步骤(c1)到(c6)当然可以被省略，并且已经包括关于相位关系的信息的估计的信道延迟扩展函数可以用于进一步的识别。
在另一个实施例中，从包括误比特率、装置身份、时间戳、信道增益、域身份和数据率的一组参数中选择与估计的盲网络拓扑相关的至少一个家庭网络参数。将这些参数的任意与估计的盲网络拓扑相关可以改进关于家庭网络拓扑所获得的信息的可靠性，并且可以缩短识别过程所需的处理时间。
在进一步的优选实施例中，收集的家庭网络参数被转发到被提供以执行该方法的远端管理中心装置。通过此，家庭网络的成本可以被显著地减小并且可以避免努力将服务人员送到家庭网络的现场。该实施例也允许更为频繁的分析家庭网络，提供预防性维护的选项。优选地，可以收集家庭网络参数并且通过住宅网关向远端管理中心装置转发。
在另一个优选的实施例中，家庭网络基本上是电力线网络。如本申请中所使用的术语“基本上是电力线网络”应该被理解为基于电力线缆的网络，并且其中被用于在家庭网络内进行数据传输的所有介质的至少70％形成为电力线缆。由于这些在家庭中通常能够获得，该方法可以应用于大百分比的现有家庭网络。
如果在方法的步骤(d)中，仅考虑信道延迟扩展函数的主要反射，则家庭网络拓扑识别所需的处理时间可以有利地保持短的时间。理论上，可以存在有限数目的反射，从而筛选出不相关的那些将显著地减小处理时间。如本申请中所使用的术语“主要反射”应该被具体理解为包括对应于根据大小筛选的幅度的上部70％、优选地为对应于上部60％以及最为优选地幅度的上部50％的那些反射。
在另一个方面中，提供管理中心装置，其远离于具有多个网络装置，并且在它们之间具有住宅网关的家庭网络，其中提供管理中心装置以执行所述方法的步骤(1a)到(1e)。这允许以减小的成本和高可靠性来频繁地、自动化地分析家庭网络。
本发明的这些和其他方面将从下面描述的实施例变得明显并且阐明。
附图说明
图1示意性地示出分别包括一个支路和三个支路的家庭网络拓扑；
图2示出根据图1的家庭网络的测量的信道增益函数；
图3示意性地示出家庭网络的进一步例子；
图4示出家庭网络拓扑识别方法的一个实施例的步骤的流程图；
图5示意性地示出根据图4的步骤的结果；
图6示出从根据图1的家庭网络的估计的信道延迟扩展函数获得的反射的距离；
图7示出该方法的一个实施例的功能性框图。
具体实施方式
家庭网络10、10’、11、11’的例子已经在背景技术部分进行了介绍。在下文中，将描述将家庭网络拓扑识别方法的一个实施例应用于图1中示出的家庭网络10和10’。
图1的下部示出家庭网络10，其具有多个网络装置27、28和29以及住宅网关23，提供该住宅网关23以将家庭网络10与例如因特网的广域网WAN进行连接。家庭网络10被设计为具有9个节点1-9和三个支路12、13和14的电力线网络。
远离家庭网络10并且经由住宅网关23连接到家庭网络10的是具有管理中心装置25(图7)的管理中心24。提供软件模块来执行如下文所述的家庭网络拓扑识别方法的步骤。步骤15-22(图4、5和7)被转换成软件模块的程序代码，其可以实现在管理中心装置25内并且可以由管理中心装置25来执行，从而家庭网络拓扑识别方法的步骤15-22由远端管理中心装置25来执行。
在家庭网络拓扑识别方法的第一步骤中(图7)，经由家庭网络10内的管理协议TR(技术报告)-069、通过住宅网关23从网络装置收集家庭网络参数。收集的参数包括所有连接的网络装置27、28和29的装置身份和传输时间戳。通常，它们可以从包括误比特率、装置身份、时间戳、信道增益、域身份和数据率的一组参数选择。
在第二步骤中，通过住宅网关23从网络装置27、28和29之一获得家庭网络10的网络信道增益函数CGF。在步骤15和16中(图7)，收集的家庭网络参数和网络信道增益函数CGF经由住宅网关23向远端管理中心装置25转发。
在下一步骤17中，提供管理中心装置25以通过应用反向快速傅里叶变换(iFFT)将信道增益函数CGF转换到时域，以获得等效的信道延迟扩展函数CDS(图5，上部)。
由于信道增益函数CGF的先验未知相位，信道延迟扩展函数CDS的准确开始和结束并不知道，并且因此必须在另一步骤18中估计。为此，信道延迟扩展函数CDS被移位到选择的中心时间26，使得信道延迟扩展函数CDS的非零值的间隔基本上关于中心时间26对称，如图5中的中部所示。接着，向信道延迟扩展函数CDS应用在选择的长度间隔α外为零值的窗函数，其中选择的长度间隔α基本上关于中心时间26对称(图4和图5，中部)。在图5的下部左处绘出从步骤18得到的加窗的估计的信道延迟扩展函数CDS。
在方法的另一步骤19中，加窗的估计的信道延迟扩展函数CDS被移位到时间原点(结果在图5中未示出)，并且加窗的估计的信道延迟函数CDS被转换到频域，以获得计算的信道增益估计CCG，如图5下部右处所示出的。
通过应用度量函数来比较计算的信道增益估计CCG和信道增益函数CGF，以用于导出差的量度(图4)。度量函数包括将计算的信道增益函数CCG考虑为估计量并且将信道增益函数CGF考虑为“真”值的均方误差MSE计算，并且对在相同频率处所获得的计算的信道增益估计CCG和信道增益函数CGF的值之间的平方的差进行求和，其中求和在图2下部所示的频率范围上执行，按等距的频率步长。
在管理中心装置25的存储器单元(未示出)中存储关于差的量度的预定准则。在下一步骤20中，提供管理中心装置25来对计算的信道增益估计CCG和信道增益函数CGF之间的获得的差的量度应用预定准则。
如果获得的差的量度未能满足预定准则，则在另一步骤21中(图4)，提供管理中心装置25以增加选择的窗函数的间隔长度α并且重新执行下面的步骤18-20：
-向信道延迟扩展函数CDS应用窗函数，其中选择的长度间隔α基本上关于中心时间26对称；
-向时间原点移位加窗的信道延迟扩展函数；
-将加窗的信道延迟扩展函数CDS转换到频域，以获得计算的信道增益CCG的新的估计；以及
-通过应用度量函数来比较计算的信道增值CCG的新的估计和信道增益函数CGF，以导出新的差的量度。
这些步骤18-20由管理中心装置25以不同的选择的间隔长度α来连续地执行，以获得针对于选择的间隔长度α的每个的差的量度，如图4中所示，直到获得的差的量度之一满足预定的准则。接着，方法停止并且通过选择窗函数的间隔长度w(对于该间隔长度，满足关于差的量度的准则)，确定信道延迟扩展函数CDS的先验未知开始和结束。
一旦已经确定加窗信道延迟扩展CDS函数，提供管理中心装置25以通过使用下面的公式来从加窗的信道延迟扩展函数CDS和网络的传播速度获得估计的盲网络拓扑。
距离＝传播速度×估计的延迟
对于距离的估计，仅考虑理论上有限数目的反射中的信道延迟扩展函数CDS的主要反射，如图6中所示。具有相应的距离的家庭网络大小和其分段被标识为不同的反射(“事件”)，例如峰值和/或衰减，如图6上部针对一个支路网络10’所示，并且下部针对三个支路网络10所示(变量X表示距离)。由此，估计盲网络拓扑，即仅距离。
盲网络拓扑作为方法的最终步骤22的起始点(图7)，其中估计的盲网络拓扑与收集的家庭网络参数相关，该参数包括所有连接的网络装置27、28、29的装置身份和传输时间戳，以获得至少一个结构的网络拓扑参数，例如识别的家庭网络支路12、13和14。例如，特定装置的传输时间戳和装置身份可以用于标识具有特定主装置和从网络装置的支路12、13、14。因此，相关的步骤22实现家庭网络拓扑的可靠和有效的识别。
对于本领域的技术人员来说明显的是所述方法也可以应用于存在于家庭网络10、11的支路12、13、14之一中的子网络，从而通过将估计的盲网络拓扑与识别的子网络参数和/或拓扑相关来识别复杂的家庭网络。
尽管在附图和上面的描述中详细地示出和描述了本发明，此类的说明和描述将被理解为仅仅是说明性或示例性的；本发明不限于所公开的实施例。
对所公开的实施例的其他改变可以由本领域技术人员理解并且在实践所要求保护的发明中从对于附图、公开和所附权利要求的学习。在权利要求中，单词“包括(“comprising”)”并不排除其他的元素或步骤，并且不定冠词“a”或“an”并不排除多个。事实上在彼此不同的从属权利要求中记载的某些度量并不指示这些度量的组合不能用于获益。在权利要求中的任何参考编号不应该被解释为限制范围。

Claims (8)

1.一种家庭网络拓扑识别方法，其中所述家庭网络(10；11)具有多个网络装置(27，28，29)和在所述多个网络装置之间的住宅网关(23)，所述方法包括下面的步骤：
(1a)从所述网络装置(27，28，29)中的至少一个网络装置获得至少一个家庭网络参数；
(1b)从所述网络装置(27，28，29)中的一个网络装置获得所述家庭网络(10；11)的网络信道增益函数(CGF)；
(1c)将所述信道增益函数(CGF)转换到时域，以获得等效的估计的信道延迟扩展函数(CDS)；
(1d)从估计的信道延迟扩展函数(CDS)和网络的传播速度来获得估计的盲网络拓扑；以及
(1e)将所述估计的盲网络拓扑与所述至少一个家庭网络参数相关，以获得至少一个结构网络拓扑参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述网络信道增益函数(CGF)的相位关系是先验未知的，并且其中步骤(1c)包括下面的步骤：
(c1)将所述信道增益函数(CGF)转换到时域；
(c2)将所述信道延迟扩展函数(CDS)移位到选择的中心时间(26)，使得所述信道延迟扩展函数(CDS)的非零值的间隔基本上关于所述中心时间(26)对称；
(c3)将在选择的长度的间隔(α)外的零值的窗函数应用于所述信道延迟扩展函数(CDS)，其中选择的长度的所述间隔(α)基本上关于所述中心时间(26)对称；
(c4)将加窗的信道延迟扩展函数(CDS)移位到时间原点；
(c5)将加窗的信道延迟扩展函数(CDS)转换到频域，以获得计算的信道增益估计(CCG)；
(c6)通过应用度量函数来比较计算的信道增益估计(CCG)和信道增益函数(CGF)，以用于导出差的量度。
3.根据权利要求2所述的方法，其中步骤(c3)到(c6)以不同的选择的间隔长度(α)来连续地执行，以获得对于选择的间隔长度(α)的每个间隔长度的差的量度，并且其中所述等效的估计的信道延迟扩展函数(CDS)通过从对于差的所述度量应用预定的准则、选择所述窗函数的间隔长度(w)来确定。
4.根据权利要求1所述的方法，其中从包括误比特率、装置身份、时间戳、信道增益、域身份和数据速率的一组参数中选择所述家庭网络参数。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述家庭网络(10；11)的收集的家庭网络参数和所述网络信道增益函数(CGF)被转发到远端管理中心(23)，并且其中所述方法由所述家庭网络(10；11)的远端的管理中心装置(25)来执行。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述家庭网络(10；11)基本上是电力线网络。
7.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤(1d)中仅考虑所述信道延迟扩展函数(CDS)的主要反射。
8.一种管理中心装置(25)，其远离具有多个网络装置(27，28，29)并且在所述多个网络装置之间具有住宅网关(23)的家庭网络(10；11)，其中提供所述管理中心装置(25)以执行根据权利要求1所述的方法的步骤(1a)到(1e)。
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