CN1299439C - 用于使用供电电网的多用户ofdm数字传输系统的通信优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于使用供电电网的多用户OFDM数字传输系统的通信优化方法。设备(1，2)的接收机监视通信质量并估计上行链路和下行链路信道载波的信噪比。与所述设备(2)是否是该传输的接收方无关，该设备(2)的用户部分都执行所述的监视。最佳传输模式是利用所述监视来选择的，所述监视包括逐个分组地修改每载波比特数、由FEC产生的误差纠正/检测码引入的冗余、实际FEC码和/或传输模式。以这种方式，网络可以在频率和时间上最佳地分开，并且可以使多个用户设备的传输容量最大化。本发明适用于跨越供电电网的点到多点双向通信。

Description

用于使用供电电网的多用户OFDM数字传输系统 的通信优化方法
发明技术领域
本发明涉及电信部分，特别地，本发明可应用于前端与不同用户设备之间的双向通信，同时优化从前端设备到不同用户设备的下行信道中的传输，本发明还可应用于优化从用户设备到前端的上行信道中的传输，并且借助于频分双工(FDD)和/或时分双工(TDD)在上行和下行信道之间共享供电电网，以便通过供电电网向用户提供多种业务。
发明目的
本发明的目的是提供一种通过持续监视上行和下行中的通信质量而使上行和下行信道在时间和频率上随时对供电电网进行最佳共享的新方法，其中所述监视是通过对所述上行和下行信道中的单独载波中的信噪比(S/N)加以估计而实现的。
在本发明中，对最佳传输模式的选择是通过监视来执行的，所述监视是通过逐个分组地修改每载波比特数、通过传统上发送这些的前向误差纠正/检测码FEC引入的冗余、FEC和/或传输模式来实现的，以便使在电力分配网上用于多个用户设备的传输容量最大化。
此外，本发明预见到：对于供电电网的传输特性，将传输同时优化至多个用户设备(多播模式)。
正如在关于“用于将数据通过供电电网进行点到多点的数字传输的系统和方法”的西班牙专利No.2.184.587中所描述的，已经明确地构想了本发明来优化上行和下行信道中的通信。
发明背景
如西班牙专利No.2.184.587中所描述的，为了能够随时在时间和频率上实现供电电网的最佳共享，并且为了使用于供电电网上的多个用户的传输容量最大化，必须持续监视信道特性，尤其是不同用户与前端设备之间的异相和衰减以及影响供电电网的各种噪声。
本系统使用具有在整个信道上使用很窄带宽传输的多个载波的OFDM调制。上面提及的专利提交没有描述这一传输优化方法。
文件WO 1223635描述了一种通信方法和通信设备，其中当通信保持稳定状态时监视传输线路，并且如果没有保护S/N比的预定值的音调则移动一个音调组。如果有至少两个音调保护该S/N比，则音调组不移动。如果有一个音调保护该S/N比并且判定可以通过在相同音调组中移动音调组来维持通信质量，则通过预定的方法来移动音调组。如果判定即使通过在相同音调组中移动音调组也不能维持通信质量，则移动该音调组。
文件WO 0038402公开了一种用于局域网的电力线路通信系统，该局域网包含多个设备和多个网络节点，每个网络节点耦合到相应的设备并被配置成利用多维协议在所述的相应设备与电力线路之间传递信息。
文件EP 1011235描述了多载波信号在电力线路上的接收。OFDM(正交频分复用)电力线路调制解调器接收器包含一个剪裁系统，该系统用于剪裁输入OFDM数据波形，它包含规则脉冲噪声分量以便降低该波形上的所述噪声电平。
发明描述
本发明已经开发出允许在包含通过供电电网进行双向传输的不同用户设备与前端设备的系统中进行传输优化的方法，其特征在于包含：
-通过估计上行和下行信道中的不同载波中的信噪比(S/N)来持续监视通信质量，该估计是分别借助于前端和用户设备中的接收器来实现的；
-由用户设备监视网络在每一时刻的状态，而与信息的目的地是否是该用户无关；
-通过监视来选择最佳传输模式，所述监视是通过逐个分组地修改每载波比特数、FEC引入的冗余、FEC和/或传输模式来实现的。
这些特性允许了用于在时间和频率上随时对供电电网进行最佳共享的方法，并且使得用于所述供电电网上的多个用户设备的传输容量最大化。
对于每载波比特数的修改与对于每个载波中所用的调制的修改相同，或者与对于调制中的星座密度的修改相同。在这种情况中，传输速度得到了提高。
此外，本发明中的方法包含这一特征：前端设备可利用供电电网的特性来向多个用户设备进行传输(多播模式)。
对于上行和下行信道中的信噪比(S/N)的估计从接收器解调器中的误差信号开始进行，这是由进入解调器的信号与所希望的信号之间的差异决定的(如果按照该载波中所用星座的可能点，每个载波中的星座的点已经处于最佳位置，则估计该信号已被发送)；其中如果误码率(BER)足够低以至不对噪声电平的估计方法产生影响，则从解调开始进行S/N估计就足够了。
对上行和下行信道中的通信质量的监视包括仅在所用调制已知的接收信号的载波中借助于用户和前端设备中的解调器来估计噪声功率(N)，以便从对始于解调器中的误差信号的噪声均方值估计和在某一数目个码元上平方后的噪声的加权开始获得噪声功率值，以便避免供电电网中的短时间噪声或脉冲噪声在估计接收中的噪声功率时产生误差。
在监视上行和下行信道中的通信质量时，相应的设备估计信号功率，有选择地在接收中采用归一化电平以补偿信道影响，该电平是先前建立的，并且是任意设备通过设计或通过测量接收信号的功率而已经得知的，其中优选地是已经执行了均衡处理来补偿信道对信号传输的影响。
上行和下行信道中的设备在对载波中的接收信号进行解调之后累计解调器中的误差信号，其中接收器知道用于执行监视的调制，优选地过滤该估计以避免在对不同载波中的噪声功率的所述估计中的振荡。
因此，对于S/N的计算是有选择地在持续M个码元的窗口(时间段)中在累计来自解调的误差采样之后或在其中至少已经在所有载波中执行了P次测量的窗口中执行的，以便使所获得的S/N计算更为可靠，其中M和P是所有设备已知的先前建立的值，并且避免通信优化中的不希望的变化。
在通过下行信道进行传输的情况中，使用所有设备已知的预先建立的固定调制来发送载波组内的某些载波，所述调制对S/N要求较低并且在每组中它的位置逐个码元地在时间上发生变化，以便在某一数目个码元之后该组中的所有载波已经被强制在某一时刻使用了固定调制(栅格(grid))，所有的这些使得用户设备即使在由前端发送的信息是指向另一用户设备时也监视通信质量，因为它知道被用于发送栅格载波的调制。
当监视上行信道时，前端仅当某一用户设备在上行发送数据时对该用户设备的S/N进行估计，以便在前端希望更新对用户设备的S/N的估计时有选择地执行下列动作之一：
a.命令用户设备发送特定信息以使前端可以测量S/N，并且因此监视不是盲目的，因为接收器知道由发射机发送的信息。
b.命令用户设备发送它希望发出的信息，在这种情况中，监视是盲目的，因为尽管前端知道已经借助于前端与用户设备之间的通信预先定义的、由通信中的载波使用的调制，但是不知道该用户发出的信息。
对由前端设备接收的、之前由相应用户设备发出的不同载波中的信噪比的估计实现了对下行信道中的通信的监视。
如前面指出的，传输优化包括了通过监视通信质量来改变信息传输模式的可能性，这是按照以下规则进行的：
-如果S/N足够高，则将会使用具有更大密度(每载波比特数更大)的调制，星座中的点的数目是通过比较S/N估计和一系列理论S/N阈值来选择的，伴有可变的FEC码，也就是说具有不同抗误差的保护能力的前向误差纠正和/或检测码，并且始终保持确定的误码率(BER)。这种传输形式被称作其中有密集或较不密集的星座的不同组合的标准模式传输，也就是说在S/N更大时具有星座的更多点，伴有可变的FEC码，也就是具有用于数据保护的不同模式的前向误差纠正和/或检测码，保持确定的BER率。该标准传输模式允许通过使用密集或较不密集的星座的组合和具有或高或低的误差纠正/检测能力的码来执行通信优化。多种组合都是可能的，例如使用最小FEC冗余和每载波比特数很少的星座或具有较大冗余的FEC码和更密集的星座。
-如果S/N很低，或者如果需要以更安全的形式向一个或多个用户发送信息，则在不同频率上和/或时间上多次发送相同的信息(HURTO(高度超级可靠OFDM)模式中具有分集的传输)。
如之前所描述的，传输优化是基于不同载波中的S/N的估计来执行的，但是必须指出，还要考虑分组丢失率(PLR)，即被正确接收的分组数与所发送的分组总数的比，还要考虑所要求的服务质量(QoS)以及待发送信息相对于OFDM码元容量的大小，按照这些参数，逐个载波地修改FEC码及其引入的冗余、每载波比特数和/或传输模式(标准或HURTO模式)，以便使每信息分组比特数连同冗余近似于而不超过在OFDM码元中发送的比特数的整倍数(whole multiple)。
此外，本发明预见到了在传输容量的优化中：
-引入了滞后余量以便从S/N与预先固定的S/N阈值的比较开始增加或减少所使用的每载波比特数，从而保持确定的BER，所有的这些被用于避免在S/N到达改变比特数的阈值时的振荡影响；
-只有在必须改变调制的载波的数目大于预先建立的确定值时才改变调制；
-通过相反的信道向用于估计的那一个发送对改变载波调制作出的决定，以便对于下行信道来说，用户设备监视不同载波的质量，并且如果它认为有必要改变调制，则向前端发出通知，并在使用新调制之前等待来自前端的确认，同时在上行中进行相同的处理，不过执行监视的是前端，而确认调制改变的是用户设备。在发送对载波调制改变作出的决定的两种情况中，优选地使用控制信道或控制消息。
在本发明的一个特定实施例中，当所估计的S/N低于预先建立的值时选择HURTO模式的传输，其中该值表示：即使具有较低S/N要求的调制伴有引入很大冗余的FEC码也不能被用于保证在离开FEC时获得确定的BER，或当等待发送信息到一个或多个用户设备时使得该用户设备正确接收该信息的概率较高，例如在控制消息的情况中，因此该传输模式是优选的。
以HURTO模式传输信息包括以具有较低S/N解调需求的调制发送所有被使用的载波，以及使用引入足够冗余以便在接收中纠正和或检测由供电电网上的传输产生的大量误差的前向纠错FEC码。最好使用的具有较低S/N要求的调制是QPSK调制。
当以HURTO模式进行传输时，从所估计的供电电网特性开始逐个分组地修改信息被重复的次数，也就是说所用的分集(diversity)水平，其中设备接收相同信息的次数与已经在HURTO模式中选择的分集相同。在这种情况中，执行组合不同的接收信号以便估计真正发送的信息的处理。
在本发明的一个实施例中，在HURTO模式中组合不同的接收信号以便估计真正发送的信息的这一处理包括有选择地执行分集接收信号的相干求和并根据载波的S/N将它们乘以一个系数，在解调前从该载波接收信息(最大率组合器)或独立地解调分集到达的信息并根据解调误差信号执行加权的投票(voting)。
只有当在执行组合处理或投票之前使用了频率分集时，才可以根据估计的S/N分布来选择载波组，或者可以使用所有的这些来优化对于分集接收的信息的估计方法。
当在供电电网中存在许多脉冲噪声时，由FEC引入的冗余被动态地修改以便保持误差率而不用改变调制，并且当存在影响传输的更多噪声时使用具有用于误差纠正的更大容量的码。
此外，本发明预见使用比那些可接受的星座更为密集的星座以便保持具有确定的S/N的确定的BER，为此修改了FEC以便引入更大的冗余，足以在接收中保持所述的BER，并且在使用更密集星座时获得传输容量的提升，同时保持确定的误差率。
在任一种情况中，FEC修改都是逐个分组执行的，以便提供不同的服务质量(QoS)，所有的这些的目的是通过分组中所使用的标题来向另一个末端指明FEC的当前配置，所述的FEC修改包括改变FEC在信号上产生的冗余，改变用于使信号避开线路上的噪声的FEC码，或改变这两方面。
在本发明的方法的一个实施例中，对每载波比特、冗余、FEC码、传输模式和分集的各种组合加以选择，并以一系列表的形式在用户和前端设备中存储这些组合。对这些组合加以选择以便在通信中提供不同的服务质量，例如使传输最大化、使等待时间最小化等等。在这种情况中，从所执行的估计、前面描述的各种参数、PLR和长度等等开始，逐个分组地选择组合，借助于优选地指向表中一个位置的参照来指明所选择的参数的组合，其中该参照是在消息标题中发送的。因此，与所要求的质量和所执行的S/N估计成函数关系，将表上的确定位置假如指明将要使用的不同参数(例如比特数、FEC等等)处。
在前端希望将相同信息发送至一组用户设备或发送至系统中的所有用户的情况中，它选择地使用：
-以HURTO模式进行的传输；
-以可以使用的最大每载波比特数调制的星座，假定该组中的所有用户设备都能解调这个保持确定的BER的最大每载波比特数；
-密集星座，但在FEC码中添加足够的冗余以便使该组中的所有用户都能恢复所发送的信息。
在第二个假设中，该组具有最小每载波比特数的用户设备对可在此载波的传输中使用的星座密度加以限制，除非增加了包含在该信号中的冗余，其中每载波比特的值是前端设备已知的，并且前端借助于发送给该组用户设备的消息标题来指明在每个载波中使用的每载波比特数。此外，该标题还通知属于该组的一个或多个用户是否必须对所发送的消息进行解调，也就是说，它们通知该用户组的动态重新指派。
因此，通过本发明的方法，可以根据信道条件和传输所要求的质量来随时对信息传输进行优化。
一张附图被提供以便于更好地理解本发明，同时构成细节描述和权利要求书的一个主要部分，它们对本发明的原理提供了解释性但不是限制性的表示。
附图的简单描述
图1显示了发送信息到多个用户的装置的例子，其中前端选择每个载波中的最小每载波比特数以便保证信息所指向的所有用户设备都能接收该信息。
本发明的优选实施例的描述
正如已经提到的，本发明可应用于这样的系统，即在这些系统中前端设备1借助于频分双工和/或时分双工通过供电电网与多个共享上行和下行信道的用户设备2进行双向通信，利用OFDM(正交频分复用)、利用不同调制的多个载波和利用前向误差纠正/检测码FEC并使用很窄的带宽来发送信号。
本发明中的方法包含持续监视通信质量，由此使前端设备1和用户设备2中的接收器估计上行和下行信道中的不同载波中的信噪比(S/N)。
由用户设备执行的监视是在任意时刻执行的，与它们是否是该信息的目的地无关，正如前面所述的，这是一个突出的优点，因为在所有的时刻都对信道的状态进行监视而不需要向每个用户发送信息。
此外，本发明中的方法包含从所执行的S/N监视开始来选择最佳传输模式，所述监视是借助于修改每载波比特数、由FEC在信息中引入的冗余、FEC码本身和/或传输模式来执行的，所述选择是在所有的接收载波中执行的。
因此，信道监视包含连续估计不同接收载波中的S/N，由于在通信中使用的带宽较窄这一事实，可以假设这些带宽中的响应是平坦的，因此S/N的估计可以简单地根据接收器的解调器中的误差信号得以执行。这个误差信号是在此时刻到达接收器的信号与所希望的信号(如果按照该载波中所用的星座的可能点，该星座的点是处于最佳位置，则是估计应当到达的信号)之间的差异。这个误差信号是噪声电平相对于在接收器中获得的信号的较好估计。
在所发送的信号中，功率信号电平被标准化，例如为S＝0，5。噪声功率(N)的电平可通过均方误差En进行估计，该均方误差En在数学上定义为当前采样中的噪声信号与当前采样中的共轭噪声信号的积的预期运算，因此可以证明：
En＝E{n[k]n*[k]
SNR = S N = 0.5 E n
接收器解调器补偿信道对接收信号的影响，并且在它的出口处，计算在接收信号与估计应该到达的信号之间的差异，也就是说，获得误差信号。
为了实现这个功能，所用的解调器可以是相干或微分的，因为可以使用这两种配置中的任一种来获得可被用于估计S/N的信号误差。该解调的一种可能的实现可以是利用在本技术领域中传统使用的算法(例如LMS、RLS等等)进行均衡。
不同的用户设备可能在不同频率使用相同OFDM码元中的信道，这样可能将无法估计所有载波中的S/N，而只能估计由每个用户设备所用的载波中的S/N。这不会对该方法造成伤害，因为如前面提到的，监视/修改处理是为两个通信信道逐个载波地执行的。
按照上面公式获得的S/N值是在S/N足够高时近似于信噪比的真实值的估计。这在决定在调制中使用更密集的星座(对于正确解调，这需要更高S/N)时带来了更好的精确度，并因此在该方法决定增加供电电网上的传输容量时提供了更好的精确度。
如前面指出的，用户即使在他们不是信息目的地时也能执行监视，这样，在传输时，前端发送一个栅格，包含将码元的载波分成载波组，在传统使用的同步序列之后，并且在每个组中，它们分成需要较低S/N用于解调的固定调制的载波组。这些载波逐个码元地改变它们在每组中的位置，以便在某一数目个码元之后，该组中的所有载波将已经被强制在一个时间上使用固定的调制，因此，任一用户设备可以对栅格载波执行S/N估计，因为它知道所用的调制。因此，当信息的目的地是另一用户时，不是该信息的目的地的用户设备可只对栅格载波执行监视，其中获得了在接收中在解调器内的误差信号。
在一个实际的例子中，栅格载波是以QPSK调制的，QPSK是具有较低S/N需求的调制，也就是说它在接收中的正确检测的概率非常高。
在任一种情况中，也就是说，当信息指向该用户设备时，以及当不是指向该用户设备时，对某一数目个帧中的噪声进行加权以避免供电电网上的脉冲噪声或短时间噪声在接收中产生误差。为了计算噪声，根据在接收器中的解调器内获得的均方误差来使用平均值估计。
根据该噪声计算，以前面指明的形式计算出S/N。
对于上行中的监视，前端负责监视线路质量，而用户设备进行发射。正如前面已经提到的，前端设备可以只为给定的用户设备测量当该用户在上行信道中进行发射时的S/N。因此，当前端设备希望更新它的对于用户设备的S/N估计时，它执行下列操作之一：
-命令用户设备发送特定信息以使前端可以测量S/N。在这种情况中，监视不是盲目的，因为接收器知道由发射机发送的信息；
-命令用户设备发送它期望的信息。在这种情况中，监视是盲目的，因为尽管接收器知道所用的调制，但是不知道所发出的信息。
在这种情况中，通过从信号误差的平方获得噪声并且从该噪声开始对上行信道中的载波中的S/N进行估计，估计S/N的方式与前面指明的用于下行信道的方式相同。
另一方面，在监视下行信道时，当用户是前端发出的信息的目的地时，在所有的载波中使用接收的信息以便利用解调器中的误差信号来估计S/N，因为用户知道每个载波中采用的星座，由于这是事先与前端设备商定的，正如传统地那样执行的。
在栅格载波中，不是必须发送固定的信息，因为接收器可以以盲模式执行监视，也就是说，事先不知道所发出的先验信息，这是由于以下事实造成的：任何用户设备都知道栅格载波的位置并可以解调该信息，因为在这些载波中，所用的调制是通过系统设计得以固定的。因此，解调误差信号用于估计栅格载波中的S/N。
如果在任一时间需要保密通信(例如利用控制信号产生的)，或者当所执行的监视显示即使具有较低S/N的调制伴有引入较大冗余的FEC码也不能保证保持确定的BER时，该系统将传输模式从标准模式改为HURTO模式(高度超可靠传输OFDM)。
这个传输模式包含利用频率和/或时间分集和调制中所用的所有载波以及前向误差检测/纠正码(由FEC引入)在通信信道中进行传输，所述频率和/或时间分集即在不同频率和/或时间时刻多次发送相同的信息，此外，该调制的相应解调具有较低S/N要求，例如是QPSK，该前向误差检测/纠正码引入了足够的冗余以便在接收中纠正和/或检测由通过供电电网的传输产生的大量误差。因此，接收器多次接收相同的信息，这将增加所发送的消息被正确解码的概率。
根据所估计的供电电网特性修改该信息被重复的次数，即所用的分集的程度。这个因素可以逐个分组地进行修改。存在这样的可能性，即该设备可具有已定义的配置，例如在一个表中，并且通过协议指明具有不同程度分集的一个配置或其它配置。这种指明优选地是通过消息标题执行的。
在本发明的一个实施例中，使用了总数为512个载波的8分集(diversity of 8)，并且仅为频率分集；在这种情况中，在以QPSK调制的载波k、k+64、k+128等等中发送信息。
作为结果，该用户接收相同信息的次数与已经在HURTO模式中选择的分集相同。因为通过供电电网进行传输，所以可能在接收的信息中存在误差，因此用户设备将必须确定哪条信息已被真正发送。有多种进行确定的方法，例如：
-从不同时间中选择已经到达的利用具有最大S/N的载波发送的相同信息(选择最大S/N)。
-在根据载波的S/N将携带相同信息的接收信号乘以加权之后对它们相干地进行相加，其中对该信号进行发送并解调所得的波形(最大率组合器)。
在已经监视了通信质量之后，本发明的方法按照以下可能性选择通信的最佳形式：
-如果S/N足够高，则使用更密集(当S/N更高时在星座中具有更多的点)的调制，伴有可变的FEC码，即具有数据保护的不同模式的前向误差纠正和/或检测码，以便将信息的传输增加到最大值同时保持确定的BER。存在多种组合的可能性，例如使用最小FEC的冗余和具有每载波很少比特的星座，或使用具有较大冗余的码并使用更密集的星座(每载波比特更多)。
-如果S/N很低，或者如果我们希望以更安全的形式向一个或多个用户进行发送，则由于如前面所述的HURTO模式的传输而利用频率和/或时间分集发送该信息。
因此，本发明中的传输优化引起传输容量的改变。从理论观点看，任何通信信道的传输容量都受到信道带宽和该信道中的信噪比值的限制。
利用香农公式，获得了这个容量的理论限制：
C = W . lo g 2 ( 1 + P WN 0 ) = W . lo g 2 ( 1 + SNR )
其中W是信道带宽，P是所用的功率，N0是噪声密度，SNR是信噪比(S/N)。
这个理论传输容量大于可以使用信息传输的一般编码和解码算法获得的传输容量，但是可以从前面的数学表达式分开获得一个标准用于优化传输：利用更大的S/N值，可以使用该信道发送更多信息，这证明了在本说明书的前面作出的陈述是正确的。
从信道质量的估计开始，该系统以自适应形式修改传输模式，其目标是达到最大传输容量同时继续保持安全。在本发明的一个实现中，如果使用星座m-QAM，则传输模式的修改将包含从质量估计开始修改“m”，m∈{0，2，4，8，16，32，64……。
根据不同载波中的S/N估计、根据分组丢失率(PLR)、根据所需的服务质量(QoS)、根据待发送信息的大小逐个分组地修改传输容量，这是从这些参数、FEC码和它应当引入的冗余以及每载波比特数和传输模式(标准模式或HURTO模式)决定的。
整个方法是按照安全传输标准执行的，该标准在本发明的一个实施例中包含保持在全部接收中的确定的误码率(BER)，或在另一个实施例中包含保持与一些错误FEC块一起接收的分组在全部接收中所占的确定的比率(PLR)。
可以允许的误差率取决于该系统在此时刻为特定应用提供的服务质量。
在下面，引入了关于通信系统中的误差率的一些概念以便于理解在本发明中使用的标准。这些概念是：
-粗略误码率(RBER)，即按照离开解码器的总数的错误比特数目。
-FEC块误差率(FER，)，即未被纠正的块(FEC)的数目(按照总数)。
-分组丢失率(PLR)，即所接收的包含一个或多个错误FEC块的分组的数目。
PLR是可变的，但是对于已确定的服务质量，它的值是已知的。因此，例如，在一个实现中，考虑PLR＝104，使得该信道上的传输将保证可接受的质量。
前面的参数可以以数学形式在它们自身之间进行联系。因此，例如，在FEC中使用里德-所罗门码，可以获得：
pb＝RBER
pB＝1-(1-pb)8
p F = 1 - Σ k = 0 t N k p B k ( 1 - p B ) N - k
FER＝PF
其中Pb是每比特的粗略误差率，PB是每字节的粗略误差率，PF是FEC块的误差率，t是可以通过误差纠正/检测码纠正的最大错误字节数，N是在借助于FEC增加冗余之后的字节数。
此外，分组丢失率(PLR)和FEC块误差率(FER)由下面的公式直接相联系：
PLR＝1-1(1-FER)m
其中m是数据分组中的FEC块的平均数。例如，对于1518字节的数据分组，如果所用的里德-所罗门码是(252，232)，则每个分组的块的平均数将是6,5431，近似＝7。
从前面的联系开始，为PLR选择的值为离开解调器的RBER产生最大值。
例如，如果指定PLR＝10-4，则：
FER = 1 - 1 - PLR m = 1 - 1 - 10 - 4 7 = 1.4286 . 10 - 5
并且为了保持这个FEC值，必须使PB＝8,556×10-3；这等同于Pb＝1,07347×10-3
可以使一个错误码元的概率与调制中的载波的S/N相联系。因此，在本发明的一个实施例中，如果使用具有m-QAM(m＝2k)的矩形星座，其中k为偶数，则该QAM星座可被分为两个正交的PAM调制，并且对星座的点作出正确决定的概率由下式确定：
P c = ( 1 - P M ) 2
P M = 2 ( 1 - 1 M ) Q ( 3 M - 1 . ( S N ) )
其中Q(x)是用于计算高斯概率密度函数的尾部之下区域的数学函数，其定义为：
Q ( x ) = 1 2 π ∫ x ∞ e - t 2 / 2 dt , x ≥ 0
并且，它与补余误差函数ERFC(统计中通常用到)相联系：
Q ( x ) = 1 2 erfc ( x 2 )
其中，此外，Pc是在具有M个星座点的QAM系统的接收中作出正确决定的概率。
Figure C0281478900196
是在具有 个点的PAM系统中的误差概率，其在每个正交信号中具有均衡QAM系统的平均功率的一半。
很明显，使用其它类型的星座，可以发现在接收中作出正确决定的概率与S/N值之间的相似或甚至是图形上的关联。
使用前面所述的方程式，可以获得一系列S/N阈值，足以获得用于Pb的值。这些阈值取决于所用的纠正/检测码。
从这些阈值开始，可以使用确定的每载波比特数(bpc)，因此在已经对讨论中的载波中的S/N进行估计之后修改调制。
在本发明的一个实施例中，使用每载波2、4、6和8比特的可变QAM调制，以及使用里德-所罗门码(252，232)和(40，20)的FEC，可以通过遵循前面描述的理论来获得S/N的接下来的阈值，从这开始可以使用下面的调制：
  里德-所罗门码(252，232)
  标称阈值  每载波比特(bpc)   调制
  9.7396dB  2   4-QAM
  16.479dB  4   16-QAM
  22.482dB  6   64-QAM
  28.343dB  8   256-QAM
  里德-所罗门码(40，20)
  标称阈值  每载波比特(bpc)   调制
  8.020dB  2   4-QAM
  14.642dB  4   16-QAM
  20.529dB  6   64-QAM
  26.279dB  8   256-QAM
可以使用相同的理论来提供不同的服务质量，这些服务质量被翻译为独特的PLR值。对于每个服务质量，以及对于所选择的每种纠正/检测码，找到一个独特的RBER值，并且从这些值开始获得S/N阈值，从中可以使用新的调制。
例如，如果在本发明的一个实现中有三个不同的服务质量被它们的分组丢失率定义：
  服务质量   分组丢失率
  QoS-1   10-2
  QoS-2   10-3
  QoS-3   10-4
因此，可从中获得VER阈值的RBER值是：
  QoS-1   QoS-2   QoS-3
  RS(252，232)   1.85×10-3   1.35×10-3   1.07×10-3
  RS(40，20)   9.7×10-3   7.5×10-3   5.87×10-3
要发送的信息的大小也可被用于优化通信，正如前面提到的。信息分组中的比特数目连同冗余必须近似于而不超过在OFDM码元中发送的比特数的整倍数。比较信息大小和(可通过OFDM码元发送的比特数的)最接近的倍数，可以得出是否能够发送更多冗余信息以及能够发送多少。这个冗余信息增加了在接收中获得正确信息的概率，这间接增加了用于传输信息的容量。
每载波比特数和关于信息发送形式的其它信息可以逐个分组地进行协商，正如前面指出的。
因此可以使用具有前端和用户设备已知的固定配置的表，并且根据修改算法的结果通过协议商定使用一个或其它模式。在本发明的一个优选实施例中，使用消息标题来指示对于配置表中的确定位置的使用。
因此，为了修改传输容量，可以使用每载波比特和由FEC码造成的冗余的多种组合，其目的始终是保持确定的BER。
作为结果并且通过本发明，使用估计的S/N值来计算它的每载波、码和由FEC引入的冗余的组合以便保持确定的RBER，优化传输容量，正如前面描述的。前面给出的决定阈值指示在使用确定FEC时应被选择的调制，即使也可以使用提供更好的抗误差保护的FEC码和应用具有更多比特数的调制，如果所引入的冗余足够，则由阈值推荐的那些获得相似的RBER值。
在用户设备中计算的任何改变都必须使用上行信道中用于该改变的部分传递到前端，以便在前端不通知用户设备它已经更改了在所指示的载波调制中使用的星座时，用户工具(user kit)不更新这些载波中的接收信号的解调形式。在上行信道中执行相似的处理，不过在这种情况中是前端确定调制的改变并等待在所涉及的用户部分上的确认。
为了避免在S/N达到阈值时的振荡影响，使得用于通信的传输容量不至丢失，因为由用户设备计算的任何改变必须使用部分上行信道传递给前端设备，该上行信道在这些时刻可被用于发送信息并且反之亦然，引入一些滞后的余地以便增加和减少每载波比特数。
在本发明的一个实施例中，对于RBER＝1.07×10-3，固定的FEC RS(252，232)和具有每载波2、4、6和8比特的调制QAM的情况，使用一个阈值表作为下面例子：
  标称阈值   向下的阈值   向上的阈值   每载波比特   调制
  9.6dB   8.6dB   11.6dB   2   4-QAM
  16.6dB   15.5dB   18.5dB   4   16-QAM
  22.5dB   21.5dB   24.5dB   6   64-QAM
  28.5dB   27.5dB   30.5dB   8   256-QAM
例如，如果在一个载波中使用16-QAM调制，则为了增加比特数到调制64-QAM，所估计的S/N必须大于25.4dB，而为了降低比特数到调制4-QAM，所估计的S/N必须小于15.5dB。
只有当不同载波必须改变调制时才改变调制。因此，载波可被组成块，并且只有当一个块中有确定数目个载波需要改变调制时才将这个需要传递到通信的另一个末端。对于改变载波中的调制的决定通过相反的信道发送到执行估计的那一个。
为此使用控制信道，优选地借助于发送控制消息以便在另一个末端通知这个改变。
为了更快地更新S/N测量值，可以假设两个相邻载波(k和k+1)中的S/N是相等的。利用多个载波重复这个处理，但是被假定具有相同S/N的载波越多，频率的分辨率越差。
正如前面所述的，从线路质量的监视开始，决定最佳的通信形式，以使得传输容量最大化同时在FEC输出上保持确定的BER为目的来选择所述通信形式。
正如前面所述的，这可以以各种形式实现：改变每载波比特数(即在每个载波中使用的星座)、被引入的用于在接收中执行误差纠正/检测的冗余以及甚至是用于在信号上产生冗余的FEC码。例如，可以发送具有较不密集的星座(具有较低的每载波比特数)以及引入极少冗余的FEC码的载波，或者具有更密集但使用具有更大冗余以避免接收中的可能误差的FEC码的星座的载波。
通过供电电网的传输的最大问题是：线路上的噪声不是静止的，也就是说，它不仅呈现白高斯噪声，还要受诸如脉冲噪声或作为电力分布的基本频率的倍数的其它噪声的影响，所述的基本频率在网络中是50Hz-60Hz，例如北美的基本频率。
通过动态地修改由FEC引入的冗余，可以保持误差率而无需改变调制(指派给每个载波的比特数)，当有更多噪声影响传输时纠正更多的误差。
在另一方面，可使用更密集的星座(以更快速度进行发送)，修改FEC以引入更大冗余，以便在接收中保持确定的BER，同时改善传输容量。
FEC修改可以如前面指示地逐个分组地执行，以便借助于分组中所用的标题而在另一个末端指示FEC(码和冗余)的当前配置。FEC修改不仅包括改变由FEC在信号上产生的冗余，还包括改变FEC码以便适合线路噪声的可能性。例如，在脉冲噪声的情况中，里德-所罗门码是适当的，而当线路上的背景噪声是通信恶化的主要起因时，卷积码是适当的。
如前面指出的，当前端设备希望将相同信息发送到一组用户时，或发送到系统中的所有用户时，它必须以HURTO模式进行发送，正如前面所述的，但是此外，它也可以使用已经利用所允许的最大每载波比特数调制的星座，其中假设所有的用户都能充分地进行解调，保持确定的BER。
此外，前端设备可应用更密集的星座，但要增加足够的纠正/检测误差的冗余以便使该组中的所有用户能够充分地复原所发送的信息。
前端设备根据其中的描述知道了它必须用于在下行信道中向每个用户发送信息的每载波比特数。在一个组中，具有最小每载波比特数的用户是限制该载波中星座密度的用户，除非包含在该信号中的冗余得到了增加。在这种情况中，关于在每个载波中使用的每载波比特数的信息是借助于发送至用户组的消息标题指明的。
图1显示了向多个用户设备2发送信息的这种装置的例子，其中可以观察到，前端1选择每个载波中的最小的每载波比特数(bpc)以便保证该组中的所有用户都能获得该信息。
前端动态地重新指派用户设备的组，即，每组的成员不是固定的，必须解调消息并且这些消息所属于的一个或多个组在消息标题中得以指明。

Claims (23)

1.一种用于为供电电网上的多用户正交频分复用OFDM数字传输系统优化通信的方法，其中不同的用户设备(2)通过供电电网与前端设备(1)进行双向通信，并且其中在被定义为从用户设备到前端设备的信道的上行信道和被定义为从前端到用户设备的信道的下行信道中进行传输优化；此外，借助于频分双工和/或时分双工在上行和下行信道中共享供电电网；并且其中利用多个载波、不同的调制和前向误差纠正/检测码发送OFDM调制的信号；所述信号在整个信道上利用很窄的带宽发送，并且其特征在于该方法包含：
-通过估计上行和下行信道中的不同载波中的信噪比来持续监视通信质量，该估计是分别借助于前端和用户设备中的接收器实现的；
-由用户设备监视网络在每一时刻的状态，而与信息的目的地是否是该用户无关；
-从监视通信质量，逐个分组地监视每载波比特数、通过FEC引入的冗余、FEC和/或传输模式开始来选择最佳传输模式。
2.根据权利要求1的用于为供电电网上的多用户OFDM数字传输系统优化通信的方法，其特征在于：对于信噪比的估计从接收器解调器中的误差信号开始进行，这是由进入接收器解调器的信号与所希望的信号之间的差异决定的；其中如果误码率低得足以不对噪声电平的估计方法产生影响，则来自解调的S/N估计就足够了。
3.根据权利要求2的用于为供电电网上的多用户OFDM数字传输系统优化通信的方法，其特征在于：对上行和下行信道中的通信质量的监视包括仅在所用调制已知的接收信号的载波中借助于用户和前端设备中的解调器来估计噪声功率，并且从始于解调器中的误差信号的噪声均方值估计和在某一数目个码元上平方后的噪声的加权来获得噪声功率值，以便避免供电电网中的短时间噪声或脉冲噪声在估计接收中的噪声功率时产生误差。
4.根据权利要求2的用于为供电电网上的多用户OFDM数字传输系统优化通信的方法，其特征在于：在监视上行和下行信道中的通信质量时，用户设备和前端计算信号的功率，在接收中使用补偿信道影响的标准电平来代表信号功率，其中该电平是预先建立的，并且是通过设计或通过测量接收信号的功率而已经得知的，其中已经执行了均衡处理来补偿信道对传输信号的影响。
5.根据权利要求4的用于为供电电网上的多用户OFDM数字传输系统优化通信的方法，其特征在于：在对载波中的接收信号进行解调后累计解调器中的误差信号，其中所用的调制为已知的，已经首先过滤了在不同载波中的噪声功率的估计，以便避免所述估计中的振荡。
6.根据权利要求5的用于为供电电网上的多用户OFDM数字传输系统优化通信的方法，其特征在于：对于S/N的计算是在已经于所有载波中进行了至少P次测量的窗口中或在持续M个码元的窗口，即时间段中已经总计了解调误差的采样之后执行的，其中M和P是所有设备已知的预先建立的值。
7.根据权利要求5的用于为供电电网上的多用户OFDM数字传输系统优化通信的方法，其特征在于：在通过下行信道进行的传输中，发送具有所有设备已知的预先建立的固定调制的某些载波，所述调制具有低的S/N要求并且其位置在时间，即栅格上变化，以便使知道用于发送栅格载波的调制的用户设备监视通信质量，包括当由前端发送的信息是指向另一用户设备时，此外，该方法包含即使在该用户不是传输的目的地时也累积噪声采样。
8.根据权利要求2-6中任何一项的用于为供电电网上的多用户OFDM数字传输系统优化通信的方法，其特征在于：当监视上行信道时，前端仅当某一用户设备在上行中发送数据时对该用户设备的S/N进行估计，以便在前端希望更新它对用户设备的S/N的估计时执行下列行为之一：
-命令用户设备发送特定信息以使前端可以测量S/N，并且因此监视不是盲目的，因为接收器知道由发射机发送的信息；
-命令用户设备发送它希望发出的信息，在这种情况中，监视是盲目的，因为尽管接收器知道用于其传输的调制，但是它不知道所发出的信息。
9.根据权利要求8的用于为供电电网上的多用户OFDM数字传输系统优化通信的方法，其特征在于：对于下行信道中的通信的监视是借助于估计由前端设备接收的不同载波中的S/N比来实现的。
10.根据权利要求1-7中任何一项的用于为供电电网上的多用户OFDM数字传输系统优化通信的方法，其特征在于：最佳传输模式的推选是从监视通信质量开始并且根据以下规则来选择的：
-如果S/N比高于一个定义的阈值，则将会使用具有更大密度的调制，即每载波比特数更大，星座中的点的数目是通过比较S/N估计和一系列预先定义的S/N阈值来选择的，伴有可变的FEC码以便将信息传输增加到最大，始终保持确定的误码率；
-如果S/N比低于一个定义的阈值，或者如果需要以更安全的形式向一个或多个用户发送信息，则在不同频率和/或时间上多次发送相同的信息，即以HURTO模式的分集进行传输，所述的HURTO模式是高度超可靠传输OFDM。
11.根据权利要求10的用于为供电电网上的多用户OFDM数字传输系统优化通信的方法，其特征在于：从不同载波中的S/N开始，根据分组丢失率，根据所要求的服务质量，以及根据待发送信息相对于OFDM码元容量的大小，FEC码，由FEC码引入冗余，每载波比特数，即每个载波中所用的星座，以及传输模式，即标准或HURTO模式被修改以便使每信息分组比特数连同冗余近似于而不超过在OFDM码元中发送的比特数的整倍数。
12.根据权利要求11的用于为供电电网上的多用户OFDM数字传输系统优化通信的方法，其特征在于在修改传输容量时发生：
-引入滞后余量，以根据S/N与保持确定的BER所需的预先固定S/N阈值的比较来增加或减少每载波比特数，所有的这些被用于避免在S/N到达阈值时的振荡影响；
-只有在必须改变其调制的载波数目大于预先建立的确定值时才改变调制；
-通过相反的信道向用于估计的那一个发送对改变载波中的调制作出的决定，并且使用控制信道或控制消息；
-在使用新调制之前等待关于已经改变了载波中的调制的指示已被接收的确认。
13.根据权利要求10的用于为供电电网上的多用户OFDM数字传输系统优化通信的方法，其特征在于：当所估计的S/N低于预先建立的值时选择HURTO模式的传输，其中该值表示即使具有低S/N要求的调制连同引入很大冗余的FEC码也不能被用于保证在离开FEC时获得确定的BER，或当等待发送信息到一个或多个用户设备时使得该用户设备正确接收该信息的概率较高，在控制消息的情况中，该传输模式是优选的。
14.根据权利要求13的用于为供电电网上的多用户OFDM数字传输系统优化通信的方法，其特征在于：以HURTO模式传输信息包括以具有低S/N解调需求的调制发送所有使用的载波，其中该调制为QPSK调制，以及使用引入足以在接收中纠正和或检测由供电电网上的传输产生的大量误差的冗余的前向纠错FEC码。
15.根据权利要求14的用于为供电电网上的多用户OFDM数字传输系统优化通信的方法，其特征在于：根据所估计的供电电网特性修改该信息被重复的次数，即所用的分集的水平，这个修改被逐个分组地进行；设备接收相同信息的次数与已经在HURTO模式中选择的分集相同，并且执行组合不同的接收信号以便估计真正发送的信息的处理。
16.根据权利要求15的用于为供电电网上的多用户OFDM数字传输系统优化通信的方法，其特征在于：在HURTO模式中组合不同的接收信号以便估计真正发送的信息的处理包括执行分集中的接收信号的相干求和并根据载波的S/N将它们乘以一个系数，在解调前从中接收信息，或独立地解调分集到达的信息并根据解调误差信号执行加权的投票。
17.根据权利要求16的用于为供电电网上的多用户OFDM数字传输系统优化通信的方法，其特征在于：只有在执行组合处理或投票之前使用了频率分集的情况中，才可以根据所估计的S/N分布来选择载波组，或者可以使用所有的载波来优化对于分集接收的信息的估计方法。
18.根据权利要求10的用于为供电电网上的多用户OFDM数字传输系统优化通信的方法，其特征在于：由FEC引入的冗余被动态地修改以便保持误差率而不用改变调制，指派给每个载波的比特数，并且当在存在许多脉冲噪声的情况中更多噪声影响传输时，使用具有用于误差纠正的更大容量的FEC码。
19.根据权利要求18的用于为供电电网上的多用户OFDM数字传输系统优化通信的方法，其特征在于：在传输中使用比那些可接受的星座更为密集的星座，并且用于以确定的S/N来保持确定的BER，修改了FEC以便引入更大的冗余，从而获得所述的BER并增加传输容量。
20.根据权利要求19的用于为供电电网上的多用户OFDM数字传输系统优化通信的方法，其特征在于：FEC修改是逐个分组地执行的，以便提供不同的服务质量；通过分组中所使用的标题来向另一个末端指明FEC的当前配置，其中FEC的这个修改包括改变FEC在信号上产生的冗余，或改变所用的FEC码以使其对于线路上的噪声来说是足够的，或改变这两方面。
21.根据权利要求1-7中的任一个的用于为供电电网上的多用户OFDM数字传输系统优化通信的方法，其特征在于：对每载波比特、冗余、FEC码、传输模式和分集的各种组合加以选择，并以一系列涉及所选择的各种组合的表的形式在用户和前端设备中存储这些组合；其中选择的目的是提供不同的服务质量；并且其中从一种组合到另一种组合的改变被逐个分组地传递，并且其中所选的参数的组合是借助于在消息标题中发送的、指向表中一个位置的参照来指明的。
22.根据权利要求10的用于为供电电网上的多用户OFDM数字传输系统优化通信的方法，其特征在于：当前端设备希望将相同信息发送到一组用户设备或发送到系统中的所有用户时，它使用：
-HURTO模式的传输；
-以可以使用的最大每载波比特数调制的星座，假定该组中的所有用户设备都能解调这个保持确定的BER的最大每载波比特数；
-密集星座，但在FEC码中添加足够的冗余以便使该组中的所有用户都能复原所发送的信息。
23.根据权利要求22的用于为供电电网上的多用户OFDM数字传输系统优化通信的方法，其特征在于：在该组中具有最小每载波比特数的用户设备限制了对于该组中所有用户的可在此载波的传输中使用的星座密度，除非增加了包含在该信号中的冗余，其中用于每载波比特的值是前端设备已知的，并且前端借助于发送给该组用户设备的消息标题来指明在每个载波中使用的每载波比特数，并且其中它还通知哪些用户属于该组，即，该用户组的动态重新指派。
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