CN106165307A - 用于有线多载波调制传输系统中优化数据传输的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于有线多载波调制传输系统中优化数据传输的方法和系统，是经由传输信道从发送器到一个或多个接收器进行的优化数据传输的方法，为所述发送器提供一个指定传输功率，用于传输数据的传输信号具有多个子载波，其中，所述数据与冗余信息一起分布到所述多个子载波，使得所述接收器可以使用所述子载波确定数据的分配，所述方法包括确定发送器上有线传输信道的发送频率及相关接入阻抗的步骤和基于所确定的频率及相关接入阻抗和受限的传输功率来调整各个子载波信号幅度的步骤。

Description

用于有线多载波调制传输系统中优化数据传输的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种用于有线多载波调制传输系统中优化数据传输的方法和系统。

背景技术

在现有技术中，使用用于交换最多样数据的传输系统。通常情况下传输信道并不恒定，而是具有变化的特性。这些数据传输系统的一个领域是有线传输系统领域。

一般情况下，这些数据传输系统包括（例如）数字用户线路（DSL）系统以及电力线通信（PLC）系统。

目前，对能量优化系统的需求日益增长。但是，现有系统及方法已不能满足需求。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种用于有线多载波调制传输系统中优化数据传输的方法和系统，是用在有线传输系统中，尤其在多载波调制（MCM）传输系统中的能量优化数据传输的方法和系统。

本发明通过提供一种用于在有线多载波（多载波调制—MCM）传输系统中经由传输信道从发送器到一个或多个接收器进行优化数据传输的方法来实现所述目的，其中仅为发送器提供一个指定传输功率，其中用于传输数据的传输信号具有多个子载波，其中所述数据与冗余信息以某一方式一起分布到所述多个子载波，以使得接收器可以使用所述子载波确定所述数据的分配。所述方法包括确定发送器上有线传输信道的发送频率及相关接入阻抗的步骤和基于所确定的频率及相关接入阻抗和受限的传输功率来调整各个子载波的信号幅度的步骤。

所述目的还借助于一种有线多载波调制传输系统中优化数据传输的系统来完成，即：一种用于在有线多载波（多载波调制—MCM）传输系统中经由传输信道从发送器到一个或多个接收器进行优化数据传输来实现的系统。所述系统包括：用于传输信号的传输单元，其中传输单元包括有发送器，所述发送器具有一个指定供应传输功率，其中，传输信号具有用于数据传输的多个子载波，所述数据与冗余信息一起分布到所述多个子载波，使得接收器可以通过子载波确定所述数据的分配；用于确定传输单元上有线传输系统的频率及相关接入阻抗的测量单元；和用于基于所测量的频率及相关接入阻抗和受限的传输功率来调整各个子载波的信号幅度的控制单元。

附图说明

下面将参照附图更详细描述本发明，其中：

图1示出了具有典型发送器设计的传输模型、线性时变信道模型和接收器的输入电阻的实例，

图2示出了用于计算的简化等效传输模型，

图3示出了包含本发明元件的调制解调器实例，

图4示出了根据本发明的各种实施例流程图实例，及

图5示出了通过信道模型实例或本发明实施例的顺序比较根据现有技术的和根据本发明的实施例的传输方法的实例。

具体实施方式

本实施例提供了一种用于有线多载波调制传输系统中优化数据传输的方法，是用在有线传输系统中，尤其在多载波调制（MCM）传输系统中的能量优化数据传输的方法，为所述发送器提供一个指定传输功率；用于传输数据的传输信号具有多个子载波，所述数据与冗余信息一起分布到所述多个子载波，以使得接收器可以使用所述子载波确定所述数据的分配。所述方法包括：

确定发送器上有线传输信道的发送频率及相关接入阻抗的步骤；

和基于所确定的频率及相关接入阻抗和受限的传输功率来调整各个子载波的信号幅度的步骤。

本实施例还提供了一种有线多载波调制传输系统中优化数据传输的系统，即：一种用于在有线多载波（多载波调制—MCM）传输系统中经由传输信道从发送器到一个或多个接收器进行优化数据传输的系统。所述系统包括：用于传输信号的传输单元，其中传输单元包括有发送器，所述发送器具有一个指定供应传输功率，其中，传输信号具有用于数据传输的多个子载波，所述数据与冗余信息一起分布到所述多个子载波，使得接收器可以通过子载波确定所述数据的分配；用于确定传输单元上有线传输系统的频率及相关接入阻抗的测量单元；和用于基于所测量的频率及相关接入阻抗和受限的传输功率来调整各个子载波的信号幅度的控制单元。

下文中将参照电力线通信（PLC），尤其是参照未来智能电网应用来描述本发明。因此，也可很容易考虑到其它有线系统以及其它应用。

首先应注意对于PLC系统的需求日益增长。其原因尤其是传输路径和连接通常是已经存在的并且现还可用于另一目的。为此，较低频率范围（即，低于约600 kHz）优选地在525 kHz以下进行使用。但是，以此方式使用的传输路径以及连接通常未被设计成用作数据传输系统。而且，特性随着时间而改变。不同干扰的类型和比例也构成问题。

迄今为止尚未解决的另一问题是频率及相关阻抗，所述频率及相关阻抗尤其是由发送器调制解调器的输出阻抗与传输介质的变化接入阻抗的不当调适所导致的。此外应注意的是时间相关耦合阻抗（即使其经调适）导致信道的非线性失真。为此，产生MCM系统载波间干扰。

下文中将参照所谓的多载波调制系统（MCM）。这类系统的一种实施为正交频分调制（OFDM）系统。

在这方面，下文中将仅参照OFDM系统，原因是这些系统提供特别高的带宽效率并且还能够很好地利用可用频率范围。由于PFDM系统的物理特性，即子载波彼此正交，所以原则上可以分别控制任何子载波。这种单独的独立控制包括传输功率。在本上下文中，信道容量是可以通过传输信道来安全地输送的最大信息量。在这种情况下，信道容量构成了这种传输系统的效能评估中的重要因素。但是，常规系统不利用此特性，如下文中将更详细说明。

在PLC系统中，可以注意到传输信道的巨大变动。在本上下文中，许多不同因素都起到了作用。一方面，传输信道由于开关操作而改变，因此传输信道受打开或关闭各个线路分支的影响。另一方面，开关模式的电源和其它非欧姆消耗体的数量增加对传输信道上的干扰以及对接入阻抗具有强烈影响。

迄今为止，仅在测量传输信号的电流方面实施了能量优化，在典型放大器结构中，所述电流与传输放大器的所消耗功率成比例。如果所述电流或所消耗功率超过阈值，那么完整的传输信号（即，所有子载波）经比例调整以便限制所消耗功率。信号的频谱形状在此无变化。图5的左手侧上关于借助于多个子载波经由信道从发送器TX到接收器RX进行正常数据传输来示出了这种情况。此处示出了仅可实现有限的信噪比（SNR）。

发明人现已认识到，仅仅小部分子载波与高电流有关，因为信道的接入阻抗针对不同频率采用不同值。遵守功率/电流限制的其它子载波的按比例调整是不必要的，相反，用于传输的子载波的按比例调整甚至是有害的。这一点可通过一些子载波甚至在噪音中消失的事实而见于图5的左手侧。

为了理解这种关系，首先，将更详细地说明传输模型。

实际上，借助于相应连接电路的发送器与到传输网络的接入点的连接以及接收器与到传输网络的另一接入点的连接构成传输信道，并且所述传输信道的特性可以通过实施关于这两个连接点的测量来实现。

通常，所述特性可以依据接入阻抗、传输函数和噪音来描述。图1在这方面示出了（PLC）传输系统的完整模型。在此，在左手侧上示出了发送器TX和其耦合。此外，在紧挨时变与频率相关接入阻抗和噪音源的中心示出了模型传输信道。通常，接入阻抗Z_A(f,τ)复杂并且具有时变特性。因此，不能假定接入阻抗是恒定的。要传输的信号受时间相关传输函数h(t,τ)的影响。因此而改变的信号还经受被示为额外干扰分量的干扰影响。这些噪音分量n(t,τ)可以具有不同性质。在右手侧，接着示出了接收器RX。

迄今为止，仅仅已研究了噪音函数n(t,τ)和传递函数的影响，而还未考虑到接入阻抗的影响。

为了能够更好地表示接入阻抗的影响，如图2所示，接入阻抗与传输信道模型的其它部分分离。这样，传输函数H(t,τ)和噪音被建模为加性白高斯噪音（AWGN）信道。为了简化起见，关于低频，可以进一步假设发送器和传感器的容量可以忽略，使得接入阻抗Z_A（f）可以以简化的方式表示。

通过根据本发明的方法或根据本发明的系统，现在有可能就传输以及为此使用的功率提供一种优化。

在根据本发明的用于在有线多载波调制（MCM）的传输系统中经由传输信道C从发送器或传输单元TX到一个或多个接收器RX₁，RX₂，...RX_n进行优化数据传输的方法或系统中，最初假设发送器或传输单元TX仅设置有一个指定的传输功率P_max。一方面，这可以以规范的方式来指定，例如通过规范，例如EN 50065-1，或者简单地由各能量供应的效能决定。EN 50065-1标准化了（例如）输出电压。在较高耦合阻抗的情况下，功率也将因而受到限制。在低耦合阻抗的情况下，如果使用标准化的电压，那么这远远超过了发送器的可用功率。

然后，用于传输数据的传输信号S将具有多个m个子载波T₁，T₂...T_m，其中m>= 2，通常甚至M >> 2。

该数据与冗余信息以某一方式一起分布到多个子载波T₁，T₂，...T_m，使得接收器RX可以由所述子载波确定数据的分配。

如图4的实例所示，在第一步骤S10中，至少在子载波T₁，T₂，...T_m使用的频谱中的两个或更多地方f₁，f₂，...f_l，在各种情况下有线传输信道C的一个频率及相关接入阻抗Z₁，Z₂，... Z_l在发送器或传输单元TX侧确定。必须注意的是，此类确定并不需要与子载波的频率相一致，即接入阻抗可以比子载波存在于更多地方，或者反之亦然，也可以在比子载波存在的更少地方进行确定。在本发明的有利实施例中，接入阻抗也在子载波的至少一些频率上确定。例如，此步骤由测量单元ME进行。这个步骤，例如，还可以实现为图5中的“正常传输”。

在另一步骤S20中，基于测量频率相关接入阻抗Z₁，Z₂...Z_l和指定供电功率P_max调整各个子载波T₁，T₂，...T_m的信号幅度A₁，A₂，...A_m。这个步骤可以，例如，被实现为图5中的“优化方法”。这可以通过，例如，如图3所示的控制单元CPU进行。例如，这样的控制单元可以是适当编程的数字信号处理器、微处理器、ASIC或FPGA，但是不限于此。

通过这样的方法或由发送器TX和接收器RX组成的相关系统，可以从能量角度和信道效率角度实现优化的数据传输。图5的右手侧关于通过多个子载波经由信道从发送器TX到接收器RX进行的优化数据传输来示出这种情况。这里示出可以实现改进的信噪比（SNR）。

在本发明的有利的实施例中，频率及相关接入阻抗Z₁，Z₂，...Z_l可以通过测量发送器中用于一个或多个子载波T₁，T₂...T_m的部分部件中的电流或电压降来确定， 这些部件位于发送器或传输单元TX内。例如，如图3所示，调制解调器的发送器或者传输单元TX可以在图3中所示的测量电阻器（该电阻器代表测量单元ME）上进行测量，并可以随后被提供以例如由处理器CPU进行处理。因此，系统的复杂性可以降低。例如，在数据传输的情况下，频率相关接入阻抗Z₁，Z₂，...Z_l可以直接确定，用于其它数据在时间上更加后续的传输。这意味着，在第一传输步骤S10中，数据被传输且同时也进行测量，该测量接下来可以用在步骤S20中以调整随后的其它数据传输步骤（再次）S10。

例如，在图3所示的调制解调器中，至少一个传输单元TX和一个接收单元RX被集成。因此，例如，如果调制解调器的传输单元TX当前正在传输，那么同一调制解调器的在那时通常不活动的接收单元RX可用于根据刚刚传输的信号测量接入阻抗。通常，传输单元TX以及接收单元RX将被统一为一个共同的单元，即所谓的收发器（发送器-接收器）。因此，不需要专门的测量单元元ME，这样传输单元TX的复杂性也降低。

就上述步骤S20而言，可进行幅度的调整，个别信号幅度A₁，A₂，...A_m的这种调整也可以是如下调整：与相邻子载波低被调整的信号幅度比较是较低信号幅度，或信号幅度被调整到0，即，发送器或传输单元TX的输出上完全不提供信号幅度。例如，在低频率及相关接入阻抗期间至少一个子载波不提供载波信号幅度。图5的右手侧关于通过多个子载波经由信道从发送器TX到接收器RX进行优化数据传输来示出了这种情况。这里示出了例如在各个子载波上的功率特别低，以致于功率低于干扰部件的功率，这样各个子载波上不提供信号，取而代之，功率分布到其它子载波，从而可以实现改进的信噪比（SNR）。

以特别有利的方式，本发明可在正交频分多路复用（OFDM）系统中使用，因为由于子载波T₁，T₂，...T_m的正交性，这些都可以相互独立地调整。

子载波的信号幅度A₁，A₂，...A_m的调整可以在这里不同地设计。随后，提供了至少一种可能性，即其它解决方案可以由本领域的技术人员直接推导出来。

例如，各个子载波的信号幅度A₁，A₂，...A_m可以以某一方式来调整，使得在传输信道的任一输入端的各个子载波的电压总和最大，或传送给接收器的信息最多。这意味着，通过选择相应的方法，可以更着重于信道容量或更着重于能量优化，或以（加权）混合的形式，着重于两个目标变量的优化上。

此外，根据本发明的方法或根据本发明的系统还允许，除了与频率相关接入阻抗Z_A(f)或Z_A(f,τ)或Z₁，Z₂，...Z_l外，对接入阻抗Z_A(f,τ)或Z₁(τ)，T₂(τ)，...（Z_l(τ)调整时间变化，使其与网络频率f_net同步，用于调整子载波T₁，T₂，...T_m的载波信号幅度A₁，A₂，...A_m。

介绍的系统和方法特别适用于低频率范围的系统，特别适用于使用525 kHz以下范围内频率的子载波的系统。

具体地，介绍的系统为电力线通信系统。

介绍的本发明特别适用于其中对供应电力的限制是通过限制发送器中的电流实现的这样一类系统。

由于该系统，智能电表、智能电网或智能家居系统领域的特定应用得到改善，因为这些只能以高信道效率并同时在高能量效率下操作。此外，本发明也可以在工业自动化系统，或管道领域的数据传输系统中使用。

所介绍的方法或所介绍的系统不再像以前一样用作减小发送器的总功率，而是，一个或多个子载波有针对性地作用，从而保证能量效率同时利用信道容量。这具体可以通过以下方式实现：一个或多个子载波的幅度被减小或甚至完全关闭。

所介绍的方法和所介绍的系统可以以自主的方式执行调适，即，不需要与对应站的任何通信。作为一种替代形式，所介绍的方法和所介绍的系统也可以在相应的对应站最初协商通信参数或在特定事件之后重新协商的系统中使用。为此，可以提供中间步骤，例如在步骤S10和S20之间，在该步骤中所涉及的对应站协商通信参数，例如所使用的子载波和/或所使用子载波的幅度。

Claims (18)

1.用于有线多载波调制传输系统中优化数据传输的方法，是经由传输信道从发送器到一个或多个接收器进行的优化数据传输的方法，为所述发送器提供一个指定传输功率，用于传输数据的传输信号具有多个子载波，其中，所述数据与冗余信息一起分布到所述多个子载波，使得所述接收器可以由所述子载波确定数据的分配，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

确定所述发送器有线传输信道的发送频率及接入阻抗，

基于所确定的频率及接入阻抗和指定传输功率，调整所述各个子载波的载波信号幅度。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过测量用于所述发送器中的一个或多个子载波的、位于所述传输单元内的部件中的电流或电压降来确定所述频率及接入阻抗。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在低频率及接入阻抗期间，至少有一个子载波不提供载波信号。

4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法是在正交频分多路复用（OFDM）系统中实现的方法。

5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，对所述子载波的所述信号幅度进行调整，使得在所述传输信道任一输入端的各个子载波的电压总和最大，或传输到所述接收器的信息最多。

6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过调整所述接入阻抗与网络频率同步的时间变化，调整所述子载波的载波信号幅度。

7.用于有线多载波调制传输系统中优化数据传输的系统，是经由传输信道从发送器到一个或多个接收器进行优化数据传输的系统；其特征在于，所述系统包括：

传输单元：用于传输信号，传输单元包括有发送器，所述发送器具有一个指定传输功率，其中，用于传输数据的所传输信号具有多个子载波，所述数据与冗余信息一起分布到所述多个子载波，使得所述接收器可以由所述子载波确定数据的分配，

测量单元：用于确定所述传输单元上有线传输的频率及接入阻抗，

控制单元：用于基于所测量的所述频率及接入阻抗和所述指定传输功率来调整所述各个子载波的信号幅度。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，由所述测量单元通过测量用于一个或多个子载波的、位于所述传输单元内部件中的电流或电压降来确定所述频率及接入阻抗。

9.如权利要求7或8所述的系统，其特征在于，所述控制单元调节的子载波，至少有一个子载波不提供低频率及接入阻抗的载波信号。

10.如前述权利要求7至9中任一项所述的系统，其特征在于，所述多载波调制传输系统是正交频分多路复用（OFDM）系统。

11.如前述权利要求7至10中任一项所述的系统，其特征在于，所述子载波的所述信号幅度的调整，使得在传输信道的任一输入端，各个子载波的电压总和最大，或传输到所述接收器的信息最多。

12.如前述权利要求7至11中任一项所述的系统，其特征在于，通过调整所述接入阻抗与网络频率同步的时间变化，调整所述子载波的所述载波信号幅度。

13.如前述权利要求7至12中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统使用525 kHz以下范围的子载波。

14.如前述权利要求7至13中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统应用于电力线通信系统。

15.如前述权利要求7至14中任一项所述的系统，其特征在于，所述传输单元是传输/接收单元（收发器）的一个部件，确定所述频率及接入阻抗的所述测量单元被集成在所述系统的所述接收单元中。

16.如前述权利要求7至15中任一项所述的系统，其特征在于，所述指定传输功率的指定是通过限制所述发送器中的电流实现的。

17.一种如前述权利要求7至16中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统使用在智能电表、智能电网或智能家居系统中。

18.一种如前述权利要求7至16中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统使用在工业自动化系统中。