CN110149124B - 电力线通信汽车网络 - Google Patents

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Abstract

实施例是一种电力线通信(PLC)设备，包括实施了第一通信协议、由在交通工具的电力分布布线之上通信的收发器构成的通信接口。第一通信协议包括电力线通信汽车网络(PLCAN)定界符类型(DT)(PLCAN‑DT)，以及在帧控制中的PLCA变量长度字段，包括有效载荷长度、使用的符号数目、PHY组块大小、以及使用的副本数目，其中在网络中使用广播寻址以传输消息。

Description

电力线通信汽车网络
本申请是申请日为2014年12月17日、申请号为201410784863.2、发明名称为“电力线通信汽车网络”的发明专利申请的分案申请。
优先级和交叉引用
本申请要求享有于2013年12月19日提交的、主题为“Powerline CommunicationAutomotive Network”的序列号61/918,511的临时提交的美国专利申请的权益，该申请在此全文通过引用并入本文。
技术领域
本发明总体涉及一种用于利用交通工具中的电力分布网络在交通工具子系统之间进行通信的装置和设备。
背景技术
现代交通工具(包括但不限于汽车、公交车、火车和飞机)由组多元件构成，诸如传感器、开关、致动器、电动机、显示器和娱乐功能。例如，图1示出了示例性的交通工具组件，包括交通工具10、主布线线束(局部)20、镜面电动机30、驾驶员门控制器40、窗户电动机50、驾驶员门锁传感器节点和窗户开关节点(内侧)60、乘客门控制器70、窗户电动机80、乘客门锁传感器节点和窗户开关节点(内侧)90、镜面加热器100、前门120以及乘客门110。
在1983年中研发了CAN(控制器局域网络)总线以允许不同的交通工具模块通信。CAN总线使用四个专用布线，以及集电极开路接口，因此在电学上限制了其可以在总线上支持的装置的数目。在现代交通工具中，可以存在多于70个必须连接的节点，并且CAN总线需要多个桥接的CAN网络以便于超过电学限制。这导致额外的复杂性、花费和重量。
发明内容
一个实施例是包括实施第一通信协议的通信接口的电力线通信(PLC)设备，其包括通过交通工具的电力分布布线进行通信的收发器。第一通信协议包括电力线通信汽车网络(PLCAN)定界符类型(DT)(PLCAN-DT)，以及在框架控制中的PLCAN变量长度字段，其包括有效载荷长度、使用的符号数目、PHY组块(block)大小以及使用的副本数目，其中在网络中使用广播寻址以传输消息。
另一实施例是包括通过交通工具的电力分布布线以第一通信协议传输电力线通信(PLC)消息的方法。以第一通信协议传输电力线通信(PLC)消息包括传输PLC汽车网络(PLCAN)定界符类型，传输在交通工具的电力分布布线之上重复传输PLC消息的次数，向第一用户传输第一有效载荷，以及向第二用户传输第二有效载荷。
附图说明
为了更完整理解本发明及其优点，现在结合附图参考以下说明书，其中：
图1示出了包括交通工具组件的示例性交通工具；
图2示出了电力线通信(PLC)收发器体系结构的框图；
图3示出了根据一个实施例的电力线通信汽车网络(PLCAN)帧格式的示例；
图4示出了根据一个实施例的PLCAN MAC协议数据单元(MPDU)帧控制组块的示例；
图5示出了根据一个实施例的用于PLCAN MPDU帧控制组块的定界符类型的表格；
图6A和图6B示出了根据一个实施例的用于PLCAN MPDU帧控制组块的字段的表格；
图7示出了根据一个实施例的具有固定宽度有效载荷的多用户MPDU的示例；
图8示出了根据一个实施例的具有可变宽度有效载荷的多用户MPDU的示例；
图9示出了典型PLC信号的时序图；以及
图10示出了根据一个实施例的示出了多用户确认的PLCAN信号的时序图。
具体实施方式
以下详细讨论实施例的制造和使用。然而应该知晓的是本公开提供了可以实施在大量各种具体上下文中的许多可应用的创新性概念。所述的具体实施例仅是对于制造和使用本发明的具体方式的示意说明，并且并未限制本发明的范围。
将相对于具体上下文中的实施例描述本公开，也即用于经由交通工具的现有电力布线而在控制器之间通信的电力线通信(PLC)网络的方法和设备。
如上所述，现代交通工具包括需要相互通信的许多元件，诸如传感器、开关、致动器、电动机、显示器和娱乐功能。在一些情形中，这些装置可以根据功能和/或位置而在方便的组件中连接在一起。例如，所有门致动器(例如门锁致动器)、开关(例如窗户升/降开关90)、以及乘客门(例如110)的电动机(例如窗户电动机80)均方便地连接至乘客门组件控制模块(例如70)。乘客门组件控制模块(例如70)典型地由微处理器(包括CPU)、存储器、晶体、以及专用于子系统元件的接口/驱动器构成。门控制模块也包含用以在其他子组件之间通信的通信控制器。例如，用以打开和闭合乘客窗户的开关(例如60)可以位于驾驶员的门上并且由驾驶员门组件控制模块(例如40)控制。在该示例中，乘客门模块和驾驶员门模块必须相互通信以完成该动作。
根据本公开，电力线通信(PLC)网络用于经由交通工具现有的电力布线而在交通工具中所有控制器之间进行通信。在本公开中，网络协议称为电力线通信汽车网络(PLCAN)。
图2示出了PLC收发器体系结构的框图。用于PLC的普通技术在共存并且可共同操作的标准中规定，诸如HomePlug Green PHY规范，HomePlugTMAV规范和IEEE Std 1901-2010TM(“标准”)，其通过引用在此并入本文。HomePlug Green PHYTM规范用于插入式电动交通工具DC充电系统，并且标准也用于家庭中以及由公司实体使用。因此，PLCAN应该与所包含的标准共存并协作以避免任何潜在的不利相互作用并且最大化应用机会。
HomePlug Green PHY(HPGP)小型-强健正交频分多路复用(OFDM)(小型ROBO)模式限定了136八位帧控制PHY协议数据单元(PPDU)有效载荷，并且使用正交相移键控(QPSK)调制，917载波，7.56微秒的防护间隔，1/2涡轮卷积编码，并且重复消息五次(使用强健OFDM)ROBO交织器，有时称作“副本”功能)。指定该方式以提供最大的通信强健性并且噪音频道中最长的可能范围。因为其是小型以及强健的PPDU，其通常用于设置网络，交换网络管理消息，并且用于网络信标通信。因为PLC是联网技术，装置的数目受限于网络可寻址性，例如对于总共4,096个装置而言，HomePlug Green PHY可以局部地寻址28(或256)个装置和24(或16)个网络。如在任何网络中，局部节点的实际数目由于数据速率和延迟而受限于协议实际可以支持的业务量，但是这在汽车应用的范围内是良好的。
然而，交通工具应用具有这些标准并未预期的不同需求集合。在PLCAN应用中，没有隐藏的节点，网络大小和配置结构是高度稳定的，因此信道噪音特性和阻抗是高度稳定的，并且业务负载是高度可预测的。因此，展示了对于该应用优化了通信的创新性改变，并且也减小了每个汽车工业需求的成本和重量。
在优选实施例中，小型ROBO模式在合适的时刻由PLCAN使用以与标准PLC网络通话(相互操作)。然而，为了在交通工具控制模块之间通信，使用了由新MPDU帧控制定界符类型(DT)、PLCAN-DT(参见图4和图5)构成的PLCAN协议。PLCAN-DT并未与标准PLC协议兼容。如果需要，则交通工具可以在协议之间切换。例如，当交通工具停放时可以使用PLC可兼容协议，但是当交通工具移动时可以使用PLCAN。在一些实施例中，协议的选择可以取决于交通工具的位置，其可以基于交通工具的位置数据。协议自身也可以取决于交通工具的需求而改变。例如，如果后视相机需要传输图像，则可以需要更高性能的通信，这可以要求使用其他通信协议参数。网络也可以使用网络ID和/或时分多址(TDMA)或频分多址(FDMA)技术以建立具有不同的数据速率或延迟需求的独立网络。例如，具有其子组件的交通工具本体子系统、发动机控制子系统、娱乐子系统和防碰撞子系统可以具有不同的网络需求，通过在交通工具电力分布系统内建立它们自有的私用网络而最佳的寻址。
图3示出了根据一个实施例的PLCAN帧格式的示例。PLCAN帧格式包括帧控制组块和MDPU有效载荷。图4示出了根据一个实施例的PLCAN帧控制组块的示例。所示PLCAN帧控制组块包括五个字段。这些字段是定界符类型(DT_PLCAN)、访问字段(ACCESS)、短网络标识符(SNID)、变量字段(VF-PLCAN)以及PLCAN帧控制组块校验序列(FCCS_PLCAN)。图5示出了根据一个实施例的采用具有110的数值的新PLCAN-DT的用于PLCAN MPDU帧控制的定界符类型的表格。
PLCAN协议MPDU帧控制组块用于向接收器指定关于帧的独特信息，例如帧的类型为何种，这也影响了对依赖于帧类型的字段(变量字段)的定义。在一个优选实施例中，PHY组块大小和ROBO交织器重复均可以不同于136八位的小型ROBO大小(128八位PHY组块)。优选实施例使用两个副本以获得最高吞吐量。三个或四个副本减小了吞吐量并且增大了延迟，但是可以用于确保通信可靠性。
图6A和图6B示出了根据一个实施例的用于PLCAN MPDU帧控制的字段的表格。PLCAN MPDU帧控制包括与现有技术不同的字段。例如，有效载荷长度，使用的符号的数目，PHY组块大小，和/或使用的副本的数目。新字段进一步包括用于多用户通信的用户和ID的数目，有效载荷数据长度，以及对于每个用户的有效载荷数据类型。这些新字段可以对于PLCAN、PLCAN-DT的定界符类型而限定在帧控制的变量长度字段中。此外，设计PHY硬件以支持新定界符。也改变信道和ROBO交织器(以及接收器中的去交织器)以支持PLCAN应用中较少数目副本和更小的组块大小。设计涡轮编码器和解码器以得到在可变组块大小上的最佳可靠通信，并且更小的组块大小也使得小数据传输更有效。因为交通工具电力分布网络在物理上是小型并且预定的，并且并不随时间变化，没有隐藏节点。因此，所有业务可以使用广播模式传输。也即，所有消息可以广播至在网络上的所有PLCAN控制器。
如上所述，PLCAN应用也支持每个有效载荷的多用户或者乘客。也即，有效载荷可以划分为对于特定功能或装置而分配的区段，诸如具体开关的消息或子系统消息。其也可以由其消息内容而划分。在该后者情形中，数据包含了诸如来自哪个控制器、其目的地以及其目的或内容(类型)的数据的信息。MAC层用于算出如何使用数据。
图7示出了根据一个实施例的具有固定宽度有效载荷的多用户MPDU的示例，以及图8示出了根据一个实施例的具有可变宽度有效载荷的多用户MPDU的示例。如所示，每个PLCAN帧具有四个用户，其中每个用户具有它们各自的有效载荷。在其它一些实施例中，每个PLCAN帧可以具有多于或者少于四个用户。
在所引用的标准中，也具有在优先级解析时隙(PRS)中发送的用于确定哪个PLC节点具有最高优先级业务的优先级解析符号。节点通过发送包含了优先级数值的、对传输的请求而竞争。较低优先级的业务遵从较高优先级的请求，并且所有较高优先级的业务使用具有防碰撞的载波检测多路访问方法(CSMA/CA)而竞争访问。在该过程期间，数据有效载荷并未交换。数据仅在节点已经允许传输之后而交换。
图9示出了典型的PLC信号的时序图，以及图10示出了根据一个实施例的示出了多用户确认的PLCAN信号的时序图。在一个优选实施例中，PLCAN可以在响应帧间间隔(RIFS)期间(参见图9和图10)以及在对于每个用户确认(例如ACK)的竞争帧间间隔(CIFS)之前使用PRS符号。在一些实施例中，PLCAN可以对于每个用户的确认使用其他短消息类型。这与正常数据交换或使用竞争周期相比大大减少了对于单个消息的响应(延迟)时间。该方法不与所引用的标准兼容并且仅在PLCAN模式下可应用。
尽管已经参照示意性实施例描述了本发明，该说明书并非意在以限定性方式构造。一旦参考了说明书，示意性实施例以及本发明的其他实施例的各种修改和组合对于本领域技术人员是明显的。因此其意在所附权利要求包括任何这些修改或实施例。

Claims (47)

1.一种电力线通信设备，包括：
收发器，被配置为通过交通工具的电力分布布线进行通信；
通信接口，被配置为以第一通信协议携带第一电力线通信消息，所述第一通信协议包括：
用于第一用户的第一有效载荷；
电力线通信汽车网络定界符类型；
电力线通信汽车网络变量字段，包括用户的数目、用户标识、有效载荷长度、有效载荷数据以及重复数目，
其中所述重复数目与所述第一电力线通信消息要通过所述交通工具的所述电力分布布线进行传输的次数相对应；以及
处理器；以及
非暂时性计算机可读介质，存储用于由所述处理器执行的程序，所述程序包括用于以下的指令：
使用所述收发器传输所述第一电力线通信消息；
确定所述交通工具是否在运动；以及
基于所述交通工具是否被确定为在运动而在所述第一通信协议与第二通信协议之间切换，其中所述第二通信协议与所述第一通信协议不同，并且包括通过所述交通工具的所述电力分布布线进行传输的第二电力线通信消息。
2.根据权利要求1所述的电力线通信设备，其中所述程序进一步包括用于以下的指令：
确定所述交通工具的位置；以及
基于所述交通工具的所述位置，通过所述交通工具的所述电力分布布线而在所述第一通信协议与第三通信协议之间切换。
3.根据权利要求1所述的电力线通信设备，其中所述程序进一步包括用于传输所述第一电力线通信消息至少两次的指令。
4.根据权利要求1所述的电力线通信设备，其中所述第一通信协议进一步包括用于第二用户的第二有效载荷，并且其中所述第一有效载荷和所述第二有效载荷大小相同。
5.根据权利要求1所述的电力线通信设备，其中所述第一通信协议进一步包括用于第二用户的第二有效载荷，并且其中所述第一有效载荷和所述第二有效载荷大小不同。
6.根据权利要求1所述的电力线通信设备，其中所述第一通信协议进一步包括用于第二用户的第二有效载荷，其中所述电力线通信汽车网络定界符类型在电力线通信汽车网络帧控制组块中传输，并且其中所述第一有效载荷和所述第二有效载荷在介质访问控制协议数据单元有效载荷期间传输。
7.根据权利要求6所述的电力线通信设备，其中所述电力线通信汽车网络帧控制组块在所述介质访问控制协议数据单元有效载荷之前传输。
8.根据权利要求1所述的电力线通信设备，其中所述第一通信协议进一步包括用于第二用户的第二有效载荷，并且其中所述程序进一步包括用于以下的指令：
在已经在所述第一电力线通信消息中传输最后有效载荷之后、并且在下一个电力线通信消息的前同步码之前，从所述第一用户传输应答；以及
在已经在所述第一电力线通信消息中传输最后有效载荷之后、并且在下一个电力线通信消息的前同步码之前，从所述第二用户传输应答。
9.根据权利要求8所述的电力线通信设备，其中来自所述第一用户和所述第二用户的应答是优先级解析时隙符号。
10.一种电力线通信设备，包括：
收发器，被配置为通过交通工具的电力分布布线进行通信；
通信接口，被配置为以第一通信协议携带第一电力线通信消息，所述第一通信协议包括：
用于用户的有效载荷；
电力线通信汽车网络定界符类型；
电力线通信汽车网络变量字段，包括用户的数目、用户标识、有效载荷数据、有效载荷长度、符号的数目以及物理组块大小；以及
处理器；以及
非暂时性计算机可读介质，存储用于由所述处理器执行的程序，所述程序包括用于以下的指令：
使用所述收发器传输所述第一电力线通信消息；
确定所述交通工具是否在运动；以及
基于所述交通工具是否被确定为在运动而在所述第一通信协议与第二通信协议之间切换，其中所述第二通信协议与所述第一通信协议不同，并且包括通过所述交通工具的所述电力分布布线进行传输的第二电力线通信消息。
11.根据权利要求10所述的电力线通信设备，其中所述物理组块大小是从128位至136位。
12.根据权利要求10所述的电力线通信设备，其中所述程序进一步包括用于以下的指令：
确定所述交通工具的位置；以及
基于所述交通工具的所述位置，通过所述交通工具的所述电力分布布线而在所述第一通信协议与第三通信协议之间切换。
13.根据权利要求10所述的电力线通信设备，其中所述电力线通信汽车网络定界符类型在电力线通信汽车网络帧控制组块中传输，并且其中所述有效载荷在介质访问控制协议数据单元有效载荷期间传输。
14.根据权利要求13所述的电力线通信设备，其中所述程序进一步包括用于以下的指令：在已经在所述第一电力线通信消息中传输有效载荷之后、并且在下一个电力线通信消息的前同步码之前，从所述用户传输应答。
15.根据权利要求14所述的电力线通信设备，其中来自所述用户的应答是优先级解析时隙符号。
16.根据权利要求14所述的电力线通信设备，其中使用广播寻址传输所述第一电力线通信消息。
17.一种电力线通信设备，包括：
收发器，被配置为通过交通工具的电力分布布线进行通信；
通信接口，被配置为以第一通信协议携带第一电力线通信消息，所述第一通信协议包括：
电力线通信汽车网络定界符类型；
电力线通信汽车网络变量字段，包括用户的数目、用户标识、有效载荷长度以及有效载荷数据；以及
多个有效载荷，被配置为根据所述电力线通信汽车网络变量字段而在对应的多个用户处被接收到；
处理器；以及
非暂时性计算机可读介质，存储用于由所述处理器执行的程序，所述程序包括用于以下的指令：
使用所述收发器传输所述第一电力线通信消息；
确定所述交通工具是否在运动；以及
基于所述交通工具是否被确定为在运动而在所述第一通信协议与第二通信协议之间切换，其中所述第二通信协议与所述第一通信协议不同，并且包括通过所述交通工具的所述电力分布布线进行传输的第二电力线通信消息。
18.根据权利要求17所述的电力线通信设备，其中所述程序进一步包括用于以下的指令：在传输所述多个有效载荷中的每个有效载荷之前，将有效载荷划分到所述多个有效载荷中。
19.根据权利要求18所述的电力线通信设备，其中所述划分所述有效载荷根据与所述多个有效载荷中的每个有效载荷相对应的功能。
20.根据权利要求18所述的电力线通信设备，其中所述划分所述有效载荷根据与所述多个有效载荷中的每个有效载荷相对应的消息内容。
21.根据权利要求20所述的电力线通信设备，其中所述多个有效载荷中的每个有效载荷包含以下中的一项或多项的信息：数据控制器来源、数据目的地、数据目的或者数据内容。
22.根据权利要求17所述的电力线通信设备，其中所述多个有效载荷中的每个有效载荷具有可变宽度。
23.根据权利要求17所述的电力线通信设备，其中所述多个有效载荷中的每个有效载荷具有共同宽度。
24.根据权利要求17所述的电力线通信设备，其中所述程序进一步包括用于以下的指令：在已经在所述第一电力线通信消息中传输对应的有效载荷之后、并且在下一个电力线通信消息的前同步码之前，从所述多个用户中的每个用户传输应答。
25.根据权利要求24所述的电力线通信设备，其中来自所述多个用户中的每个用户的应答是优先级解析时隙符号。
26.根据权利要求17所述的电力线通信设备，其中所述有效载荷长度进一步包括多于一个有效载荷长度，所述多于一个有效载荷长度中的每个有效载荷长度与不同的用户标识相关联。
27.根据权利要求17所述的电力线通信设备，其中所述程序进一步包括用于以下的指令：
确定所述交通工具的位置；以及
基于所述交通工具的位置，通过所述交通工具的所述电力分布布线而在所述第一通信协议与第三通信协议之间切换。
28.一种用于在交通工具子系统之间进行通信的方法，所述方法包括：
通过交通工具的电力分布布线以第一通信协议传输电力线通信消息，其中以所述第一通信协议传输所述电力线通信消息包括：
传输电力线通信汽车网络定界符类型；
传输电力线通信汽车网络变量字段，所述电力线通信汽车网络变量字段包括用户的数目、用户标识、有效载荷数据、有效载荷长度、符号的数目以及物理组块大小；以及
向用户传输有效载荷；
确定所述交通工具是否在运动；以及
基于所述交通工具是否被确定为在运动而在所述第一通信协议与第二通信协议之间切换。
29.根据权利要求28所述的方法，其中所述物理组块大小是从128位至136位。
30.根据权利要求28所述的方法，进一步包括：
确定所述交通工具的位置；以及
基于所述交通工具的位置，通过所述交通工具的所述电力分布布线而在所述第一通信协议与第三通信协议之间切换。
31.根据权利要求28所述的方法，其中所述电力线通信汽车网络定界符类型在电力线通信汽车网络帧控制组块中传输，并且其中所述有效载荷在介质访问控制协议数据单元有效载荷期间传输。
32.根据权利要求31所述的方法，进一步包括：在已经在所述电力线通信消息中传输有效载荷之后、并且在下一个电力线通信消息的前同步码之前，从所述用户传输应答。
33.根据权利要求32所述的方法，其中来自所述用户的所述应答是优先级解析时隙符号。
34.根据权利要求28所述的方法，其中使用广播寻址传输所述电力线通信消息。
35.一种用于在交通工具子系统之间进行多用户通信的方法，所述方法包括：
通过交通工具的电力分布布线以第一通信协议传输电力线通信消息，其中以所述第一通信协议传输所述电力线通信消息包括：
传输电力线通信汽车网络定界符类型；
传输电力线通信汽车网络变量字段，所述电力线通信汽车网络变量字段包括用户的数目、用户标识、有效载荷长度以及有效载荷数据；以及
根据所述电力线通信汽车网络变量字段，向对应的多个用户传输多个有效载荷中的每个有效载荷；
确定所述交通工具是否在运动；以及
基于所述交通工具是否被确定为在运动而在所述第一通信协议与第二通信协议之间切换，其中所述第二通信协议包括通过所述交通工具的所述电力分布布线进行传输的第二电力线通信消息。
36.根据权利要求35所述的方法，进一步包括：在传输所述多个有效载荷中的每个有效载荷之前，将有效载荷划分到所述多个有效载荷中。
37.根据权利要求36所述的方法，其中所述划分所述有效载荷根据与所述多个有效载荷中的每个有效载荷相对应的功能。
38.根据权利要求36所述的方法，其中所述划分所述有效载荷根据与所述多个有效载荷中的每个有效载荷相对应的消息内容。
39.根据权利要求38所述的方法，其中所述多个有效载荷中的每个有效载荷包含以下中的一项或多项的信息：数据控制器来源、数据目的地、数据目的或者数据内容。
40.根据权利要求35所述的方法，其中所述多个有效载荷中的每个有效载荷的长度具有可变宽度。
41.根据权利要求35所述的方法，其中所述多个有效载荷中的每个有效载荷的长度具有相同宽度。
42.根据权利要求35所述的方法，其中所述电力线通信汽车网络定界符类型在电力线通信汽车网络帧控制组块中传输，并且其中所述多个有效载荷中的每个有效载荷在介质访问控制协议数据单元有效载荷期间传输。
43.根据权利要求35所述的方法，进一步包括：在已经在所述电力线通信消息中传输对应的有效载荷之后、并且在下一个电力线通信消息的前同步码之前，从所述多个用户中的每个用户传输应答。
44.根据权利要求43所述的方法，其中来自所述多个用户中的每个用户的所述应答是优先级解析时隙符号。
45.根据权利要求35所述的方法，其中所述有效载荷长度进一步包括多于一个有效载荷长度，所述多于一个有效载荷长度中的每个有效载荷长度与不同的用户标识相关联。
46.根据权利要求35所述的方法，进一步包括：
确定所述交通工具的位置；以及
基于所述交通工具的位置，通过所述交通工具的所述电力分布布线而在所述第一通信协议与第二通信协议之间切换。
47.根据权利要求35所述的方法，其中使用广播寻址传输所述电力线通信消息。
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