CN108696300A - 电力线通信装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电力线通信装置及方法。该电力线通信装置用以利用一电力线在一宽频中以一电力线通信信号与另一电力线通信装置进行通信。该电力线通信信号包含有至少一帧。该至少一帧包含一前导、一帧控制标头以及一载荷。该前导包含：多个同步符元，用以供该电力线通信引擎进行同步；多个前导码符元，用于指定一子频道及一调变机制的至少其一；及多个通道估测符元，用以供该电力线通信引擎进行通道估测。本发明可让多种调变机制在电网中共存，充分利用不同调变机制的优点。

Description

电力线通信装置及方法
技术领域
本发明是关于一种电力线通信装置及方法，尤其关于一种能够进行频道选择及调变机制选择的电力线通信装置及方法。
背景技术
电力线通信(PLC)是一种在住宅、建筑物和其他房屋传输电力的介质(例如电线或导线)上，进行传输数据的系统。美国专利第9172431号提出一种用于电力线通信的电力分布系统。图1显示已知的电力分布系统的示意图。如图1所示，接收变电站101的中压(MV)电力的中压线路103，通常承载上万伏范围内的电压。仪表106a-106n安装在接收或消耗电力的任何类型的住所102a-102n。变压器104将中压电力转换成低压(LV)电力并传送至低压线路105其承载的电压在100-240VAC范围内。变压器104通常设计为在50-60Hz范围内的很低的频率下操作，而且通常不允许例如大于100KHz的高频信号，在低压线路105和中压线路103之间通过。低压线路105通过仪表106a-106n向用户供电。面板107能够作为仪表106n和住所102n内的电线108之间的介面。电线108将电力传送给输出口110、开关111和住所102n内的其他电力装置。
电力线通信闸道(或数据机)112a-112n设于住所102n处，并通过低压线路105及中压线路103处理来自或送去电力线通信数据集中器114的数据信号，而不需要额外的接线。集中器114可以耦合到中压线路103或低压线路105。电力线通信闸道112a-112n可以支援多个应用程序，例如高速宽频网际网络连结、窄带控制应用程序、低频宽数据收集应用程序等等。电力线通信闸道112a-112n可以使电力设备进行AC或DC充电。电力线通信装置113为一种AC或DC充电器的示例。前述电力线通信网络，可以提供街道照明控制或远端电力仪表的数据收集等。
集中器114可以经网络120耦合到控制中心服务器130。网络120可以包括网际网络、蜂窝网络、WiFi网络、WiMax网络等等。同样，服务器130可以通过至少一集中器114从多个闸道112a-112n和多个电力线通信装置113，收集电力消耗和其它类型的相关信息。
目前电力线通信系统已广泛的应用于智能电网(Smart Grid)中，现行的电力线通信协议可以概分为两种，第一种采用窄频OFDM为调变机制，第二种采取宽频OFDM。窄频OFDM的电力线通信协议包含G3、PRIME、IEEE1901.2及G.hnem等，使用的频宽从200～600KHz。宽频OFDM协议目前仅有IEEE1901.1且仍在制定中，使用的信号频宽高达12.5MHz，为窄频OFDM的20倍。
窄频OFDM的协议中并无频道切换机制，而宽频OFDM的IEEE1901.1已有制定频道切换机制，主要由集中器(Concentrator)114通过信标(Beacon)控制达成。OFDM调变充分利用频宽达到高速的传输，对于多重路径通道有非常好的耐受力，但是在讯杂比(SNR或S/N(SIGNAL-NOISE RATIO))非常低的状况下，仍无法达到像展频通信(Spread Spectrum)一样的稳定传输。
频道切换机制的需求，源自于每个子频道的通道品质不一，因此若能选择最好的子频道传输，能让通信更加的快速与稳定。G3、PRIME、IEEE1901.2、G.hnem等窄频OFDM通信协议，由于频道太窄，因此没有规范频道切换机制。IEEE1901.1在v0.1版中所制定的频道切换机制，是由集中器通过信标统一切换，这种方式有以下的缺点。
1、在50Hz的电力线系统，集中器114的信标的周期为40ms，因此每40ms才能做一次切换。
2、由于频道切换由集中器114统一管理，因此电力线网络中的每个电表在同一个时间点必须使用相同的频道，但事实上每个电表所适用的频道不尽相同，所以这种切换方式无法达到优化。
3、当电网户数多时，有些电表距离集中器114甚远，集中器114所发出的信标，有些电表可能没有办法收到，形成隐藏节点(hidden node)。这会造成电表离线而必须重新与集中器114连结，影响整个电网的整体表现。
4、频道切换的时间点必须统一，若切换时间点有误差，会造成封包丢失(packetloss)。当电表的制造厂商不同时，切换时间点的误差将更为严重。
OFDM调变充分利用频宽达到高速的传输，对于多重路径通道有非常好的耐受力，但是在讯杂比非常低的状况下，仍无法达到像展频通信(Spread Spectrum)一样的稳定传输，所以只有OFDM调变的智能电网涵盖范围较窄，在户数多达上千户的大型社区，容易产生无法传输的电表。
图2显示已知帧的示意图。如图2所示，传统的帧120其格式包含有前导(Preamble)121、帧控制标头(Frame Control Header)122以及载荷(Payload)123。前导121包含多个同步(SYNC)符元P1-P6及M1，该些同步符元P1-P6及M1用以作为信号的同步使用。此外，于G3、PRIME、IEEE1901.2、G.hnem及IEEE1901.1等这些电力通信协议的前导，均只有同步(SYNC)符元。
为达到有利频宽选择的目的，美国专利第9172431号同时提出一种利用信标来达成电力线通信中的频宽选择技术。更具体而言，该方法可包括定义多个帧，并在每个帧之间形成多个时隙，随后再于每个帧之间的每个时隙内组装一对信标(beacon)。并利用扫描该些帧及该些信标选择频道。然而该专利的技术，依然存在前述的问题。因此需要一种新的解决方案。
发明内容
本发明一实施例目的在于，提供一种能够进行频道选择及调变机制选择至少其一的电力线通信(PLC)装置及方法。
依据本发明一实施例，一种电力线通信(PLC)装置用以利用一电力线在一宽频中以一电力线通信信号与另一电力线通信装置进行通信。电力线通信装置包含一电力线通信引擎其构成能够编码或解码该电力线通信信号的结构。该电力线通信信号包含有至少一帧。该至少一帧包含一前导、一帧控制标头以及一载荷。该前导包含：多个同步符元用以供该电力线通信引擎进行同步；多个前导码符元，用于指定该宽频中的多个子频道的至少其一及多个调变机制其一的至少其一；及多个通道估测符元用以供该电力线通信引擎进行通道估测。
于一实施例中，该些调变机制包含一第一调变机制及一第二调变机制。该前导的该些前导码符元指定该第一调变机制。该电力线通信引擎接收来自该另一电力线通信装置的该电力线通信信号，解调该电力线通信信号的该至少一帧，其中该电力线通信引擎依据该些前导码符元选择该第一调变机制，并使用该第一调变机制来解调该帧控制标头以及该载荷。
于一实施例中，该宽频的该些子频道包含一第一子频道及一第二子频道。该前导的该些前导码符元更指定该第一子频道。该电力线通信引擎更依据该些前导码符元选择该第一子频道，并且使用该第一子频道来解调该帧控制标头以及该载荷。
于一实施例中，该宽频的该些子频道更包含一第三子频道。该前导的该些前导码符元更指定该第三子频道。该电力线通信引擎依据该些前导码符元更选择该第三子频道，并且使用该第一子频道及第三子频道来解调该帧控制标头以及该载荷。
于一实施例中，该些同步符元以及该些前导码符元被传输于全部该些子频道。于一实施例中，该些通道估测符元所被传输的子频道，相同于该帧控制标头以及该载荷所被传输的子频道。于一实施例中，该宽频更包含一保留频道，该些同步符元以及该些前导码符元不被传输于该保留频道，而且该前导的该些前导码符元不指定该保留频道。于一实施例中，该第一调变机制为一正交分频多工(OFDM)，而该第二调变机制为一展频通信。
依据本发明一实施例，一种电力线通信(PLC)方法，用以利用一电力线在一宽频中以一电力线通信信号，使包含一电力线通信引擎的一电力线通信装置与包含另一电力线通信引擎的另一电力线通信装置进行通信，该电力线通信方法包含以下步骤。利用该另一电力线通信装置的该另一电力线通信引擎形成该电力线通信信号，以使该电力线通信信号包含有至少一帧，其中，该至少一帧包含一前导、一帧控制标头以及一载荷，而且该前导包含：多个同步符元用以供该电力线通信装置的该电力线通信引擎进行同步；多个前导码符元，用于指定该宽频中的多个子频道的至少其一及多个调变机制其一的至少其一；及多个通道估测符元用以供该电力线通信装置的该电力线通信引擎进行通道估测。
于一实施例中，该些调变机制包含一第一调变机制及一第二调变机制。该前导的该些前导码符元更指定该第一调变机制。该电力线通信方法更包含：利用该电力线通信装置的该电力线通信引擎接收来自该另一电力线通信装置的该电力线通信信号，解调该电力线通信信号的该至少一帧，依据该些前导码符元选择该第一调变机制，且使用该第一调变机制来解调该帧控制标头以及该载荷。
于一实施例中，该宽频的该些子频道包含一第一子频道及一第二子频道。该前导的该些前导码符元指定该第一子频道。该电力线通信方法更包含：利用该电力线通信装置的该电力线通信引擎接收来自该另一电力线通信装置的该电力线通信信号，解调该电力线通信信号的该至少一帧，并依据该些前导码符元选择该第一子频道，并且使用该第一子频道来解调该帧控制标头以及该载荷。
于一实施例中，该另一电力线通信装置的该另一电力线通信引擎使用全部该些子频道传输该些同步符元以及该些前导码符元。于一实施例中，该另一电力线通信装置的该另一电力线通信引擎使用相同于该帧控制标头以及该载荷所被传输的子频道，来传输该些通道估测符元。于一实施例中，该第一调变机制为一正交分频多工(OFDM)，而该第二调变机制为一展频通信。
依据本发明一实施例，进行频道切换机制是由每个帧独立进行，由每个帧的该些前导码符元个别控制，非由集中器传送信标进行统一切换，能够使频道切换更容易控制。于一实施例中，该些前导码符元还能够指定调变机制，而能够在多种调变机制进行切换。
附图说明
从以下的详细说明及附图，其仅是用以说明而非本发明所限定，能够更全面地理解本发明。
图1显示已知的电力分布系统的示意图。
图2显示已知帧的示意图。
图3显示本发明一实施例的频率分割的示意图。
图4显示本发明一实施例的电力线通信装置的方块图。
图5显示本发明一实施例的帧的示意图。
附图标号
101 变电站
102a-102n 住所
103 中压线路
104 变压器
105 低压线路
106a-106n 仪表
107 面板
108 电力线
110 输出口
111 开关
112a-112n 电力线通信闸道
113 电力线通信装置
114 集中器
120 网络
121 前导
122 帧控制标头
123 载荷
130 服务器
201 交流电介面
202 电力线通信引擎
213 电力线通信装置
220 帧
221 前导
222 帧控制标头
223 载荷
C1-C5 前导码符元
CE1-CE5 通道估测符元
CH0-CH4 子频道
M1 同步符元
P1-P6 同步符元
具体实施方式
依据本发明一实施例，利用前导码(Preamble code)达到频道切换与多重调变机制共存的功能。以下将参照附图，详细地说明本发明的实施例，其中相同的标号将用于识别多个视点的相同或近似的元件。应注意的是，图式应以标号的取向方向观看。
图3显示本发明一实施例的频率分割的示意图。于一实施例中，先将宽频BAND切成几个子频道CH0-CH4，如图3所示，在本实施例的频道分割的范例中，宽频BAND的整体频宽为12.5MHz，分成5个子频道CH0-CH4，每个子频道CH0-CH4的频宽为2MHz。未使用的频率是受限于法规限制以及保护频带(guard band)的需求。
于本实施例中，使用两种调变机制，第一为正交分频多工(Orthogonal frequencydivision multiplexing，OFDM)，另一种为展频通信(SS)。正交分频多工属于多载波(multi-carrier)传输技术，其将可用的频谱分割成多个子载波，每个子载波可以载送一低速数据流。OFDM调变可以达到高速的传输，适合未来智能城市的应用，而展频通信则可提供比OFDM更广的电网涵盖率。有若干种展频通信可供选择，例如包含有DSSS、FHSS、CSS以及CFS-OFDM展频技术。
图4显示本发明一实施例的电力线通信装置的方块图。如图4所示，于一实施例中，电力线通信装置213包含一交流电(AC)介面201及一电力线通信引擎202。AC介面201可以连接到一导线108。电力线通信引擎202可以配置为使用宽频带通过AC介面201在导线108传送或接收电力线通信信号。在本实施例中，电力线通信引擎202可以传输OFDM信号，于一实施例中也可以更使用一展频调变信号。
电力线通信引擎202可以作为传送端，其将一数据(例如指令或信息)编码为一个或多个电力线通信信号，并且在导线108传输至其他的电力线通信装置或图1所示的数据集中器114(其可以为一电力线通信装置)，供其处理该信息。相反地，电力线通信引擎202亦可以接收来自其他的电力线通信装置或数据集中器114所编码的电力线通信信号，并进行解码以取得前述数据，电力线通信引擎202再依据前述数据来选择其运行的子频道CH0-CH4；以及调变机制。
图5显示本发明一实施例的帧的示意图。如图5所示，于一实施例中，每一个帧220包含前导221、帧控制标头222以及载荷223。前导221的格式包含同步码SYNC、前导码(Preamble code)PC以及通道估测(Channel Estimation)码CE。应了解的是，此前导格式仅为一范例，并非前导码唯一的具体实现方式。只要在帧控制之前能利用前导码判断所用的频道以及调变机制，均属本发明的实现方法。而且，该范例并非用以限定本发明，本发明所属技术领域中相关技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的变更与修饰。
如图5所示，同步码SYNC包含6个SYNCP同步符元P1-P6与1个SYNCM同步符元M1，其中SYNCM的波形相反于SYNCP的波形，可用来检测该些同步符元SYNC的边界。同步码SYNC用来检测帧220的存在(packet detection)，自动增益控制(Automatic gain control)，时偏与频偏检测，以及符元边界(symbol boundary)检测。此外，同步码SYNC的该些同步符元的特性是功率峰均比(Peak to average power ratio)极低，因此可以用更高的平均功率传输，提高帧220检测的准确率。
前导码符元C1-C5可以选择与同步符元相同的波形，以具备低功率峰均比的特性。前导码符元C1-C5可以利用正向与反向来编码。于本实施例中前导码PC有5个前导码符元C1-C5，正向可用SYNCP的波形传送，而反向则用SYNCM的波形传送，亦可以判断与前一个符元的极性颠倒与否来代表0与1。表1为前导码PC的编码范例。如表1所示，C5C4C3C2C1为01100时，指定帧控制与载荷符元采用OFDM调变，并且指定子载波CH1至CH2频道传输帧控制与载荷符元，而10101指定帧控制与载荷符元采用展频调变(SS)技术，指定子载波CH1至CH4频道进行传输。其他以此类推。
表1
C5C4C3C2C1 Mode CH0 CH1 CH2 CH3 CH4
00000 OFDM v
00010 OFDM v
00100 OFDM v
01000 OFDM v
10000 OFDM v
00110 OFDM v v
01100 OFDM v v
11000 OFDM v v
01010 OFDM v v
11011 SS v v v v
10101 SS v v v v
11111 SS v v v v v
其他 保留
如上述，帧控制与载荷符元使用前导码符元C1-C5所指定的子频道进行传输，相异于此，同步符元P1-P6与同步符元M1；以及前导码符元C1-C5皆使用所有的子载波CH0至CH4频道，来进行传输。这样就可确保所有的电网节点都能收到同步符元P1-P6与同步符元M1；以及前导码符元C1-C5。于一实施例中，宽频更包含一保留频道，保留频道可以为法规限定或保护频带(guard band)，并且不使用保留频道来传输前述任何符元。
电力线通信装置213作为接收端且在收到前导码PC后，便能够利用该5个前导码符元C1-C5确定帧控制以及载荷符元的调变方式，且选择该些前导码符元C1-C5所指定的调变机制或子频道来进行解调。在本实施例中，通道估测码CE包含符元CE1-CE3，该三个通道估测符元CE1-CE3用以作为通道估测的功能，并且作为后续帧控制与载荷符元解调之用。接收端进行操作时，依据前导码符元C1-C5的信息决定帧控制与载荷符元的频道。由于帧控制与载荷符元均只使用前导码PC所指定的频道，因此通道估测符元CE1-CE3的频道与帧控制及载荷符元的频道相同。由上述可知，本发明通过宽频的前导码PC来执行频道切换与调变选择，由于同步码SYNC的同步符元的检测错误率极低，非常适合作为前导码编码之用。
依据本发明一实施例，进行频道切换机制是由每个帧220独立进行，由每个帧220的前导码PC个别控制，非由集中器传送beacon进行统一切换，解决了IEEE1901.1V0.1版所制定的频道切换机制的各种缺点。更具体而言，本发明一实施例的优点包含如下至少其中之一。
1、每一个帧220均可选择不同的频道，没有IEEE1901.1协议中利用信标(beacon)进行时，需要每40ms才能切换一次的缺点。
2、电网中的每个节点可以随时选择不同的频道，没有IEEE1901.1协议中在40ms内所有节点都必须使用相同频道的缺点。
3、频道切换并非由集中器统一控制，所以没有隐藏节点因为频道切换造成离线的缺点。
4、频道切换不需要所有节点同一时间切换，所以没有因此造成封包丢失(packetloss)，也没有不同厂商间频道切换时间误差的问题。
5、通过前导码PC，可让多种调变机制在电网中共存，充分利用不同调变机制的优点。例如节点间距离短时，可采用高速的OFDM调变，减少占用通道的时间。当节点间的距离长时，可选择用展频技术来增加涵盖率。
已详细地说明本发明，相同的方法还能够用很多种方法来改变，这是很明显的。该些变形不应视为脱离本发明的精神和范围。所有该些对于本领域相关技术人员为明显的修正，皆包含在本说明书的权利要求中。

Claims (14)

1.一种电力线通信装置，用以利用一电力线在一宽频中以一电力线通信信号与另一电力线通信装置进行通信，其特征在于，该电力线通信装置包含：
一电力线通信引擎，构成能够编码或解码该电力线通信信号的结构，
其中，
该电力线通信信号包含有至少一帧，
该至少一帧包含一前导、一帧控制标头以及一载荷，而
该前导包含：
多个同步符元用以供该电力线通信引擎进行同步；
多个前导码符元，用于指定该宽频中的多个子频道的至少其一及多个调变机制其一的至少其一；及
多个通道估测符元用以供该电力线通信引擎进行通道估测。
2.根据权利要求1所述的电力线通信装置，其特征在于，
该些调变机制包含一第一调变机制及一第二调变机制，
该前导的该多个前导码符元指定该第一调变机制，
该电力线通信引擎接收来自该另一电力线通信装置的该电力线通信信号，解调该电力线通信信号的该至少一帧，其中该电力线通信引擎依据该多个前导码符元选择该第一调变机制，并使用该第一调变机制来解调该帧控制标头以及该载荷。
3.根据权利要求2所述的电力线通信装置，其特征在于，
该宽频的该多个子频道包含一第一子频道及一第二子频道，
该前导的该多个前导码符元更指定该第一子频道，
该电力线通信引擎更依据该多个前导码符元选择该第一子频道，并且使用该第一子频道来解调该帧控制标头以及该载荷。
4.根据权利要求3所述的电力线通信装置，其特征在于，
该宽频的该多个子频道更包含一第三子频道，
该前导的该多个前导码符元更指定该第三子频道，
该电力线通信引擎依据该多个前导码符元更选择该第三子频道，并且使用该第一子频道及第三子频道来解调该帧控制标头以及该载荷。
5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的电力线通信装置，其特征在于，该多个同步符元以及该多个前导码符元被传输于全部该多个子频道。
6.根据权利要求5所述的电力线通信装置，其特征在于，该多个通道估测符元所被传输的子频道，相同于该帧控制标头以及该载荷所被传输的子频道。
7.根据权利要求5所述的电力线通信装置，其特征在于，该宽频更包含一保留频道，该多个同步符元以及该多个前导码符元不被传输于该保留频道，而且该前导的该多个前导码符元不指定该保留频道。
8.根据权利要求2至4中任一权利要求所述的电力线通信装置，其特征在于，该第一调变机制为一正交分频多工，而该第二调变机制为一展频通信。
9.一种电力线通信电力线通信方法，其特征在于，用以利用一电力线在一宽频中以一电力线通信信号，使包含一电力线通信引擎的一电力线通信装置与包含另一电力线通信引擎的另一电力线通信装置进行通信，该电力线通信方法包含：
利用该另一电力线通信装置的该另一电力线通信引擎形成该电力线通信信号，以使该电力线通信信号包含有至少一帧，其中，该至少一帧包含一前导、一帧控制标头以及一载荷，而且该前导包含：
多个同步符元用以供该电力线通信装置的该电力线通信引擎进行同步；
多个前导码符元，用于指定该宽频中的多个子频道的至少其一及多个调变机制其一的至少其一；及
多个通道估测符元用以供该电力线通信装置的该电力线通信引擎进行通道估测。
10.根据权利要求9所述的电力线通信方法，其特征在于，
该多个调变机制包含一第一调变机制及一第二调变机制，
该前导的该多个前导码符元更指定该第一调变机制，
该电力线通信方法更包含：
利用该电力线通信装置的该电力线通信引擎接收来自该另一电力线通信装置的该电力线通信信号，解调该电力线通信信号的该至少一帧，依据该多个前导码符元选择该第一调变机制，且使用该第一调变机制来解调该帧控制标头以及该载荷。
11.根据权利要求10所述的电力线通信方法，其特征在于，
该宽频的该多个子频道包含一第一子频道及一第二子频道，
该前导的该多个前导码符元指定该第一子频道，
该电力线通信方法更包含：
利用该电力线通信装置的该电力线通信引擎接收来自该另一电力线通信装置的该电力线通信信号，解调该电力线通信信号的该至少一帧，并依据该多个前导码符元选择该第一子频道，并且使用该第一子频道来解调该帧控制标头以及该载荷。
12.根据权利要求9至11中任一权利要求所述的电力线通信方法，其特征在于，该另一电力线通信装置的该另一电力线通信引擎使用全部该多个子频道传输该多个同步符元以及该多个前导码符元。
13.根据权利要求12所述的电力线通信方法，其特征在于，该另一电力线通信装置的该另一电力线通信引擎使用相同于该帧控制标头以及该载荷所被传输的子频道，来传输该多个通道估测符元。
14.根据权利要求11所述的电力线通信方法，其特征在于，该第一调变机制为一正交分频多工，而该第二调变机制为一展频通信。
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