CN1251957A - 在低和中电压电力线路上双向数据交换的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于双向和以高比特率在包括一个常规的低和中电压交流电力网络的通信系统中在服务提供者和客户之间交换业务,信息和数据的方法和设备。本发明的特征在于信号调制和传输技术(COFDM技术),根据技术发展水平,到目前为止仅仅用于在无线电信道或者在用户回路和利用新的接入技术进行通信。

Description

在低和中电压电力线路上双向数据交换的方法和设备

本发明涉及信息和数据双向传输领域。特别地它涉及在包括常规的低(或者中)电压交流电力网络的通信系统上在服务提供者和客户之间双向高比特速率交换业务，信息和数据的方法和设备。

电力线通常用于分配电力到建筑物(住处房子，工厂等等)，但是近年来它们也作为交换不同类型电信号的装置。首先，电力线提供者利用该网络从远程地区进行轮询电表，然后它们想到使用它给顾客提供交互式业务。关于这方面，NORWEB的结果是已知道的，利用在唯一的载波上的常规的信号调制技术，但是调节该网络，和在非常有限的客户数上，保证每客户大约1Mb/s的数据下载速率。

电力线通常是由直接达到客户和连接用于通过测量消耗的电力的电表的一般的无屏蔽的线对或者三铜线组构成。上述调节NORWEB系统的实现的网络企图在与中-低的降压变压器连接的所有客户的房子中安装所谓的调节单元，即能够分开50Hz的信号的高通滤波器和低通滤波器，以保证来自保证与服务提供者通信的高频低功率信号的电力供给，以及显然的、适当的发送器/接收器。

因此，实质上，虽然现有的技术允许利用电力线发送数据和信息，但是对于交换多媒体业务等等下载速率太低。而且，每个客户和每个时间单位传送比特数是连接到相同的信源的客户数目的函数，因此感觉到该网络结构的影响。

因此，本发明的主要目的是提供处理在普通的电力线上传送的数字信号的一种方法，允许在客户和服务提供者之间或者在几个客户之间以高比特率双向交换大量的信息。

因此本发明的另一个目的是提供在低电压电力线上双向交换数据的设备，允许在客户和服务提供者之间或者在几个客户之间以高比特率双向的交换大量的信息。

上面的和另外的目的通过以下很好地实现了，即：利用电力线路通过从一个中心数字或者数字化的数据源传送数字信号到客户的一种方法，正如在权利要求1中提出的，利用电力线路从中心的数字或者数字化数据源接收传送到客户的数字信号的一种方法，正如在权利要求2中提出的，根据权利要求3利用电力线从客户传送数字信号到中心单元的一种方法，根据权利要求4利用电力线路接收从客户传送到中心单元的数字信号的一种方法和正如权利要求9和10提出的在电力线路上发送/接收的一种设备。本发明的更多的有利的特征在相应的从属权利要求中提出。

现在在下面仅仅以举例说明和非限制的例子详细的描述本发明，该描述应该参见附图阅读，其中：

图1通过一个非常示意的视图说明一般的低或者中电压电力分配系统；

图2仍然用示意图说明使用电力线路双向传送信号的网络；

图3是OFDM信号产生的基本的图；

图4是调制器的主要功能的方框图；

图5用示意图说明主要变电所的典型图；

图6用示意图说明辅助变电所的典型图；

图7用示意图说明耦合设备；

图8根据本发明的技术说明接入图；和

图9表示已知的调节单元。

图9表示已知的调节单元CU。本质上，它包括能够从用于在服务提供者和顾客之间通信的较高频率和较低功率的通信信号中分开用于电源供给的50Hz频率的电源信号的高通滤波器(HPF)或者低通滤波器(LPF)。

图1说明一般的低电压电力分配系统的一般图，但是相同的考虑容易适用于中电压分配网络。在这样的图中有：降压的中电压到低电压变压器(方框标记MV/LV)，它分开两个分配网络，中间的一个服务提供者和面向着客户的最后的一个服务提供者；一个配电干线ML，也称为“分配脊线(ridgeline)”，各个客户并行连接到该配电干线ML；和多个并行连接的客户，即没有任何分段的连接到该分配脊线，并且每个客户由方框标记US表示。

在文献中很容易得到的几个研究著作论证在这些网络上传输参数如何大地依赖于随机地和与电负荷变化一致出现的阻抗失配，即由顾客使用的电器材的数目，类型与连接位置(例如见Masaoki Tanaka的“在日本有关建筑物内电力线通信的电力线的高频噪音功率谱，阻抗和传输损耗”，1988年5月，IEEE Transactions on Consumer Electronics，34卷2期)。限制这些难以预料的和不希望的影响的第一想法是以在最后的使用点能够分开业务分配的设备(多模式分配器)替换普通的客户表，以便获得从客户房子的干扰隔离和网络与其它网络(提供者网络和客户网络)的阻抗匹配。在图2中WBSD表示宽带业务分配器，LVDC表示低压配电所，HPF表示高通滤波器，LPF表示低通滤波器，PL为电源线，UA为客户装置(例如电话装置或个人计算机)，TR&A为发送机-接收机&耦合器块，PP表示插座。客户终端又包括在下文描述的OFDMA接入方式中用于根据OFDM技术数据交换的一个发射机以及/或者接收机TX/RX。第一“类型”的客户以US1指示，不需要接收/发送数据以及/或者信息的第二“类型”的客户以US2指示。

如已知道的，取决于它是否依据频率、在业务供给点输入阻抗(例如在住宅公寓的入口)或者传输损耗的函数的噪音电源进行分析，在危险中的网络具有几个信号传输的问题。假设在给定的客户网络的入口(提供缩短分辨力(contract definition)和因此安装多个模式分配器的点)提供该业务，因此已经解决该阻抗失配问题，至少在确定的频率范围内，仍然存在如何消除因为季节现象或者在接近特别重要的信源如工业源通常出现的随机噪声现象的问题。从已经实现的资源，例如见上面引用的文章，人们注意到确定该现象的统计特点模型无论如何是可能的：对噪音功率和它出现的频率范围可以检测上和下极限。

典型地出现在低电压电力线的噪音由干扰构成，短波长(转储瞬变(dumped transients)过程)和长波长(50Hz或者100Hz谐波和具有比10kHz低的重复频率的脉冲信号)的宽频带，和窄波段(未调制的和具有有关谐波的调制载波)。

为了克服不匹配、失真、脉动或者展开噪声，随机和确定的噪音以及宽带信号传输中的延迟回波问题，本发明的基本的发明原理提供利用编码的正交频分多路复用技术(COFDM技术)在低电压或者中电压电力线上进行信息信号的编码，调制以及传输。利用这个技术，在几个载波上划分该位流，因此确定这样获得的系统对在信道上存在的干扰的坚韧性。特别地，可以选择可放置结果信号的频谱的不同部分。

在广播或者无线电移动通信著作中广泛描述的COFDM技术(例如见ETS 300744“数字视频广播(DVB)；用于数字陆地电视(DVB-T)的成帧结构信道编码以及调制”，ETSI，1997年3月)用于本发明，虽然它的特定和新的应用是相对于迄今已知的用途。

这个技术在于生成一组部分地重叠和互相正交的光谱，在频域中为sin(x)/(x)类型，并相应地在时域中为矩形脉冲。它是一个多频音系统，大大地受益于由傅里叶变换生成传送的信号的事实，傅里叶变换组合调制，多路复用和脉冲整形为单个操作。根据从xPSK或者xQAM系列(例如根据信道特性，QPSK，16QAM，64QAM等等)中选择的固定常规的构象调制每个载波。进入OFDM调制器(即在这个系统中的发射机)的比特序列以每个时间间隔Ts分段为N个m比特块，每块与表示固定构象符号的复数X_i，k相关。一旦一个比特流已经映射入一个符号序列，每个符号与副载波之一相关，以使2k+1个连续符号的向量与2k+1不同载波的系统一致。载波的和组成与所谓的OFDM符号相关的信号，它可以定性地写成： $x_i\left(t\right)={\mathrm{\Σ}}_{k=-K..+K}{X}_{i,k}{e}^{j2\mathrm{\πfkt}}{\mathrm{rect}}_{\mathrm{Ts}}(t-{\mathrm{iT}}_s)$ 根据下列关系，整个信号由传送的OFDM符号的和给出： $x\left(t\right)={\mathrm{\Σ}}_{i=-\∞..+\∞}{\mathrm{\Σ}}_{k=-K..+K}{X}_{i,k}{e}^{j2\mathrm{\πfkt}}{\mathrm{rect}}_{\mathrm{Ts}}(t-{\mathrm{iT}}_s)$ 为了减少频谱占用，载波必须是彼此正交的，因此满足下列分析条件：

对于h≠k    $\∫e^{j2\mathrm{\πfkt}}{e}^{-j2\mathrm{\πfht}}\mathrm{dt}=0$

这意味着选择载波频率等于OFDM符号持续时间Ts的倒数的整数倍：

    f_k＝f₀+k/T_s，k＝-K..+K

f₀是中心载波频率。

这样获得的信号以取样间隔T＝T_s/N取样，在此N＝2K+1，N是载波数。因此获得信号x(nt)： $x\left(\mathrm{nt}\right)={\mathrm{\Σ}}_{i=-\∞..+\∞}{\mathrm{\Σ}}_{k=-K..+K}{X}_{i,k}{e}^{j2\mathrm{\πkn}/N}{\mathrm{rect}}_{\mathrm{Ts}}({\mathrm{nT}}_s/N-{\mathrm{iT}}_s)$

数字模拟变换代替这些取样生成一个连续的信号，该信号调制射频载波。刚刚考察的表达式相当于复数X_i，k的离散傅里叶逆变换(IDFT)，除了因素1/N之外。

这建议在实践中实现OFDM调制的一种方法：在发送中实现符号X_i，k的IDFT，而在接收中实现逆运算，即直接的离散傅里叶变换或者DDFT。

然后选择将被传送的N＝2K+1个复数符号的向量，OFDM符号的N个取样x_n将如下传送： $\left\{x_n\right\}=\mathrm{IDFT}\{X_{-K}..X_{+K}\}$ $x_n=(1/N){\mathrm{\Σ}}_{k=-K..+K}{X}_k{e}^{j2\mathrm{\πkn}/N},n=\mathrm{0,1},...,N-1,N\≥2K+1$ 而在接收中：

           DFT{x_n}＝{X_-k..+k}

的确，因为传输信道的特点，在时间T_s内获得保护时间T_g，时间T_s是传送该OFDM符号可用的时间，以使在接收中落入这个间隔的回声或者信号反射以建设性(constructive)的方式用于还原该主信号。因此，我们获得

 T_s＝T_u+T_g

在此T_u是该传送信号的有用的部分，T_g是保护时间而T_s是传送的OFDM符号的整个长度。

称P为构成一个帧的传送的OFDM符号数，人们发现发出的OFDM信号具有下列表达式： $s\left(t\right)=\mathrm{Re}\left\{e^{j2\mathrm{\πfct}}{\mathrm{\Σ}}_{m=0..+\∞}{\mathrm{\Σ}}_{l=0..+P-1}{\mathrm{\Σ}}_{k=K\min ..K\max }{c}_{m,l,k}{\mathrm{\ψ}}_{m,l,k}\left(t\right)\right\}$ 式中，对于(1+P*m)*T_s≤t≤(1+P*m+1)*T_s ${\mathrm{\ψ}}_{m,l,k}\left(t\right)=e^{j2\mathrm{\π}(k^{\′}/T_u)(1-\mathrm{\Δ}-l*T_s-p*m*T_s)}$ 否则，

               ψ_m，l，k(t)＝0k是当前载波数l是在该帧中当前OFDM符号数m是当前帧数K是传送的载波数T_s是OFDM符号的长度T_u是两个相邻的载波之间距离的倒数Δ是保护间隔的长度f_c是射频信号的中心频率k′是与该频率中心有关的载波索引并且定义为：

      k′＝k-(k_max+k_min)/2c_m，0，k是在该帧N°m中用于OFDM符号N°1的载波k的复数符号；c_m，j，k是在帧N°m中用于OFDM符号N°2的载波k的复数符号；c_m，P-1，k是在帧N°m中用于OFDM符号P-1的载波k的复数符号。

这样定义的OFDM信号可以使用传送实际的信息数据的可用载波的一部分，均衡该信道(静态的载波，即在固定位置和在适当的电平的载波，以及动态的载波，即在连续地变化位置但是已知的并且具有适合的电平)的一部分，用于传送例如有关传送装置配置的业务信息的一部分。

依据这种技术，因此在几个载波上划分该原始信号，因此确定这样获得的系统对于该信道中存在的干扰的坚韧性。

干扰载波丢失的信息可以从该编码技术和从在其它载波接收的信号重建，虽然在已知的信道上存在干扰并且随着时间是恒定的，″关断″落在其上的载波或者选择对于这些载波更坚固的构象是可能的。

图3和4分别是OFDM信号产生的示意表示法和构成该调制器的主要的功能方块图。在这些图中，BS指示要传送的存储的比特序列，C&M代表映射和编码部件，D/A代表数字/模拟转换器，它变换从各个载波的和乘以对应的编码信息获得的信号。在实践中，强调指出，图3描述OFDM信号如何假想地产生；然而在实践中，它是利用在市场上容易得到的和能够以较高的速度和可靠性以很少维数做相同的工作的一芯片(见图4中的部件IFFT)产生的。在图4中，FA指示用于数据处理的帧适应部件，IFFT代表执行逆快速离散傅里叶变换的信号产生部件，S/P代表执行串行-并行转换的部件，P/S代表执行反运算的部件和GI代表保护插入。

在传输中由下列设计方案保证载波之间相互垂直：1)载波由每隔一定间隔Δf变为零的sin(x)/x类型的信号表示，因此载波的无效位置是另外一个载波的最大值。它遵循在每个无效点有另外一个载波的唯一的一个最大值；2)在N点执行完整的IFFT可用的时间精确地是T_u，即N乘以基本周期T＝T_u/N(N和T_u是预先定义的)，而在载波之间的间隔等于Δf＝1/T_u；3)假设″guard″定义N的减少设置，即由IFFT产生的N的最后的″guard(保护)″值，该guard插入在于在IFFT的N值设置的首位的插入正如在上面所述的所获得的guard值的副本。然后这样获得的N+guard值的设置被串行化和传送，正如在图4中指示的。因此guard时间T_g是：T_g＝guard^*T＝guard^*T_u/N，和OFDM符号的整个长度是T_s＝T_u+T_g＝T^*(N+guard)＝(T_u/N)^*(N+guard)。

在图4中突出显示的帧适配器准备提供给IFFT的N个复数值。N是二的幂并且传输信息数据的载波数小于N。帧适配器由W个依次编号的时间(帧)构成一组N值，在此在静态的或者动态的位置的数据载波之间以已知的规则插入业务载波。一些载波是在不同于数据载波的功率电平，其它的载波传送涉及发射机配置的信息。所有的载波的位置和它们的含意接收机总是知道的，该接收机使用它们进行信道的判断和随后的频率均衡，以便执行帧同步，频率同步，时间同步，该传送模式和传送装置的标识。

取决于该干扰的静止和它在该频谱中的位置，当然能够假定每个载波不同维度的构象：例如在不太干扰区域，可使用1024 QAM，在非常干扰区域使用QPSK，和在完全干扰区域，在IFFT之前通过在它的对应的位置中插入零值使该载波无效。

因此正如在上面描述的，使用多载波技术的主要优点在于在该频率而不在该时间中执行信道均衡，也用于非常远的回波的延迟。另外一个优点在于它能够在受任何干扰影响的信道上静态地和动态地以确定的和随机的两种方法传送信息，能够从未恶化的载波或者由于保护机构还原该发送信息。使用OFDM技术还有另一个优点是利用OFDMA接入技术的可能性。

关于服务提供者连接区域的选择，必须记住，配电网络一般包括两个电压级：中电压(MV)级(10-20kV)和低电压(LV)级(220/380V)，与此对应的分别是所谓的中电压和低电压网络。中电压配电网络通常由安装在主要变电所的两个HV/MV变压器馈送，其原理图示于图5中，包括汇流条系统，由图5中的粗线表示，通过装备保护和控制设备的开关SW馈送许多中电压线路MVL。取决于各个组成部分的操作转换，网络连接状况显著地随着时间变化。而且，出自主要变电所的大部分线路到达其它主要变电所的汇流条，因此MV配电网络是网状的。从图5也是清楚的，每条线路仅仅通过连接到主要变电所的汇流条的一个开关SW馈送直到边界点，在边界点提供通常保持打开的一个控制部件。

同样地，低电压配电网络由安装在辅助变电所的MV-LV变压器馈送，该辅助变电所通过装备磁性-termal保护的开关SW′馈电给连接许多低电压线路LVL的相应的低电压汇流条系统。类似于中电压网络，由低电压汇流条馈电的大部分线路通到其它辅助变电所的LV汇流条系统。最后，也在这个网络中，该连接状况是随着时间变化的。

服务提供者的耦合模式的概观确认从衰减和串音的观点来看相位-相位模式比相位-地模式更有利，因此相关电容耦合是更有效的，即使与电感耦合比较它要求更复杂的安装。而且，实现相位-相位耦合模式的电容耦合器根本不影响地方向的保护。

为了识别在这些网络的传输结构进一步的考虑如下：a)在MV网络上，连接到相同的主要变电所的辅助变电所的设置构成″岛″，该″岛″可以定义为传送地自治的，即可能以同时的和不相关的方式出现传输活动；b)在LV网络，连接到相同的辅助的变电所的LV客户设置构成″子岛″(前述的岛的小岛)，该子岛可以被定义为传送地自治的，和c)需要将直接连接到该网络的硬件部件减到最少。

上面的考虑导致用于该业务提供者的两个可能的接入点的标识：1)在MV网络上，直接在主要变电所的MV一半汇流条，以及在MV辅助的变电所的MV汇流条或者在MV/LV变压器上传输的情况下；2)对于在LV网络，直接在辅助变电所的LV汇流条上的传输。可能的相位-相位和完全无源耦合设备示于图7。在这个图中，其中传送-接收侧是在左边，线路侧是在右侧的，C表示电容器的电容量，L表示调谐电感，T1表示隔离变压器，Sc表示放电器，X1和X2表示补偿电抗，T2表示阻抗转换器和S表示保护屏幕。通频带定义的部分可由用于通过感兴趣波段的设备替换。

这样设备的基本的图示可适于在MV网络和LV网络两者的并行连接，并且它以这样的方式接收，一旦在发送-接收机侧在已知的阻抗装入，它能够与在耦合点的线路侧阻抗匹配(利用转换器T2)，该阻抗大约是MV或者LV线路(架空线路，电缆线路，混合线路，主要变电所一半汇流条等等。)特性阻抗的5至10倍。在收发信机和耦合设备之间的物理间隔是由于两个部件位置的不同需要，同时遵守安全规则。

客户与该中心的通信方式提供：用于上行链路通信即从客户到中央站通信的任何频带BW(不同的波段将认为是下行链路)，这样的通信是通过分配所有的可用的时分波段(时分多址联接或者TDMA)给每个客户或者同时通过分配从整个波段BW的划分得到的它自己的特定波段给每个客户实现。

根据本发明的系统提供：可得到的整个波段BW应该认为是两个不同波段的联合，BW1用于上行链路和BW2用于下行链路，则OFDMA(正交频分多址联接)技术被用于上行链路和常规的OFDM或者OFDMA技术还被用于上行链路。OFDMA技术是与从OFDM技术得到的属性集成的FDMA(频分多址联接)技术的发展。OFDM多载波信号的不同成分，即副载波，由不同的源产生，在物理上不同并彼此隔开，但是它们是与中心接收机同步的。每个客户以OFDM多载波技术传送，仅仅一个分配的副载波组和该接收机考虑对准和同步来自所有客户的输入成分，以便保持在副载波和所有必需的之间的相互垂直，以使这个信号可以被解调。

实际上，虽然常规的FDMA技术要求N个不同的接收机解调由N个客户发送的信号，利用OFDMA技术仅仅使用能够在N点上实现离散傅里叶变换运算的一个接收机就足够了。因此，在OFDMA系统中从指定给特定客户的可变数目的副载波的分配获得灵活性。从该需要得到主要的限制，以便保持在通过具有色散度特征和时间变化量特性的信道到达从不同的和彼此隔开的点分组的接收机的几个副载波之间的相互垂直。在图8所示的接入图中，有一系列已知的一起或分别使到中央接收机的载波之间的正交关系丢失的原因。最重要的是副载波组之间相对频率偏差，传输中的符号时间调整的丢失，接收中符号同步的丢失和传送或者传输装置的非线性。

在图8的上行链路图中，输入数据(I)输入部件C&M，该部件C&M编码比特和以构象的符号匹配，部件S/P并联变换连续地到达的数据，一个部件计算它的快速傅里叶逆变换(IFFT)；这个部件的输出加到该guard，从串行变换为并行(G&P/S)，从数字变换为模拟并滤波(D/A&F)，频率变换(FUC，Freq.Up Conv.)和发送给经受噪音和干扰(N&l)的普通的信道(CHN)，频率再变换(FDC，Freq.Down Conv.)，通过模拟数字转换器并被滤波(A/D&F)，通过串行并行和保护部件(S/P&G)，执行快速傅里叶变换(FFT)，通过并行串行变换器P/S，进入执行关联该符号与位流和解码获得的数据的逆运算的解映象和解码(DEC & DEM)，直到取得输出数据(O)。在下行链路的情况情况下，所有的客户接收相同的OFDM信号，但是指定给每个客户传输该要求信息的一个精确的副载波组。取决于客户的数目以及/或者类型以及/或者传送的信息量，许多载波将分配给每个客户。

在图8底部可容易地辨别的是发射机1和2的偏置载波(它是根据任何和方便的法则的偏移)。

此时，本发明获得的主要优点是明显的，即根据该要求和提供的业务该载波动态分配的自由度，使用电力线作为接入网络的可能性，高数据交换速率；交换多媒体业务的可能性，智能家庭，远程工作(teleworking)，快速互联网络和视频点播等，无需安装适当的电缆；和租用网络给第三方用于提供业务的可能性。

最后，很显然，以功能等效部件来修改，变化和替换部件是可能的，仍然遵守上面概述的特性，本发明的范围仅仅由下列权利要求书定义。

Claims (12)

1.一种使用电力线从中心数字或者数字化数据源传送数字信号给客户的方法，其特征在于：它提供OFDM或者OFDMA调制来自所述数字或者数字化数据源的数据的步骤。

2.一种接收使用电力线从中心数字或者数字化数据源传送给客户的数字信号的方法，其特征在于：它提供利用OFDM解调器解调接收信号的步骤，其中通过使用专用于该目的的载波实现信道均衡。

3.一种利用电力线路从客户传送数字信号给中心单元的方法，其特征在于：它提供调制利用OFDMA接入技术传送的数据的步骤。

4.一种接收利用电力线路从客户传送给中心单元的数字信号的方法，其特征在于：它提供通过OFDM解调器解调该接收信号的步骤，其中利用专用于该目的的载波实现信道均衡，和在于该接入是OFDMA，因此接收信号是时间和频率同步的，并且由该接收机构成从不同客户来的载波组之间的相互垂直。

5.根据权利要求1-4的任何一个权利要求的方法，其特征在于：它包括滤波该调制信号或者将被调制的信号的另外步骤。

6.根据权利要求1-5的任何一个权利要求的方法，其特征在于：它提供预先调节电力线的另外步骤，以便使得它们与阻抗变化无关。

7.根据权利要求6的方法，其特征在于调节该电力线路的步骤保证分开来自数据交换的馈送。

8.根据权利要求1-7的任何一个权利要求的方法，其特征在于：根据在每个载波的xQAM或者xPSK系列中选择的固定构象，使用多载波OFDM技术和调制，在低或者中交流电压电力线路上出现发送/接收，不同的载波能够利用不同的构象调制。

9.一种用于通过电力线路从数据源传送数字信号的设备，所述设备包括至少一个调制器，其特征在于：所述调制器利用一种多载波OFDM技术，具有或者不具有许多载波和每个载波的任何构象的OFDMA接入。

10.一种用于通过电力线路接收数字信号的设备，所述设备包括至少一个解调器，其特征在于：所述至少一个解调器利用具有任意个载波和每个载波的任何构象并且没有或者有OFDMA接入的多载波OFDM技术，在此情况下该接收机能够同步和解调从不同的客户收到的信号。

11.根据权利要求9或者10的设备，其特征在于它还包括滤波装置。

12.根据权利要求9-11的任何一个权利要求的设备，其特征在于它还包括调节装置，能够分开来自该数据交换的馈送。

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