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Technisches
Gebiet
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Diese Erfindung bezieht sich auf
die Übertragung
von Daten über
eine Netzleitung.
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Hintergrund
der Erfindung
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Es ist bekannt, Telekommunikationssignale über ein
Elektrizitätsverteilungs-
oder Energieübertragungsnetz
zu transportieren. Die Lieferung eines Telekommunikationsdienstes
auf diese Weise ist attraktiv, weil hierdurch die Notwendigkeit
der Installation einer neuen Verkabelung zu jedem Teilnehmer vermieden wird.
Durch die Verwendung einer vorhandenen Elektrizitätsverteilungs-Verkabelung zur Übertragung
von Telekommunikationssignalen sind erhebliche Kosteneinsparungen
möglich.
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Es gibt, im wesentlichen zwei bekannte
Verfahren zur Übertragung
von Daten über
netzleitungen. Ein erstes Verfahren verwendet das Leistungssignal
selbst, wobei die Form des Leistungssignals an bestimmten bekannten
Punkten in Abhängigkeit
von den Daten modifiziert wird, die zu übertragen sind. Ein Beispiel
hierfür ist
in dem UK-Patent GB 1 600 056 gezeigt. Ein zweites Verfahren verwendet
ein Trägersignal
mit einer anderen Frequenz als die des Leistungssignals, wobei das
Trägersignal
mit den Daten moduliert wird.
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Netzleitungen sind erheblichen Pegeln
von Rauschen und Störungen
ausgesetzt. Eine erste Art von Störung ergibt sich daraus, daß die Kabel
Hochfrequenzsignale wie z. B. amplitudenmodulierte Rundfunksignale
und Amateurfunkband-Sendungen auffangen. Freileitungen neigen besonders
zu dieser Art von Störungen.
Eine zweite Art von elektrischen Störungen ergibt sich aufgrund
von mit den Netzleitungen gekoppelten elektrischen Ausrüstungen.
Elektromotoren, Thermostaten und Gasentladungs- oder Leuchtstofflampen
neigen besonders zur Erzeugung von Störungen. Die Störungen breiten
sich entlang der Netzleitungen aus und werden mit Kommunikationssignalen
kombiniert. Der Rausch- oder Störpegel
ist häufig
hoch genug und dauert lange genug an, um Kommunikationssignale zu
verfälschen.
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Das Rauschen und die Störungen ergeben
mehrere Zwangsbedingungen, wenn die Netzleitung zur Übertragung
von Daten verwendet wird. Zunächst
erfordern durch die Störungen
verfälschte
Daten eine erneute Aussendung. Zweitens muß jede Übertragung einen großen Fehlerdetektions-
und Korrektur-Zusatzteil aufweisen, um sicherzustellen, daß verfälschte Daten
erkannt und falls möglich,
an der Empfangseinheit korrigiert werden. Beide diese Faktoren verringern
den Durchsatz über
das Übertragungsmedium,
was dazu führt, daß Teilnehmer
längere Übertragungszeiten
und eine höhere
Blockierwahrscheinlichkeit wahrnehmen, wenn sie einen Zugriff auf
das Kommunikationsmedium versuchen.
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Ein bekanntes Protokoll, das als
"X-10" bezeichnet wird, überträgt kurze
Bursts oder Abschnitte eines 120 kHz-Tones an regelmäßigen Stellen
in einem Wechselspannungs-Leistungssignal. Das X-10-Protokoll ist für eine hausinterne
Signalisierung zur Steuerung der Beleuchtung und elektrischer Ausrüstungen
bestimmt und weist eine langsame Datenübertragungsrate auf. Eine binäre "1" ist
durch einen kurzen Burst des 120 kHz-Tones dargestellt, während eine
binäre
"0" durch das Fehlen des 120 kHz-Tones dargestellt ist, wobei die Töne kurz
nach den Nulldurchgangspunkten des Netzleistungssignals übertragen
werden. Ein einzelnes Datenbit wird nach jedem Nulldurchgangspunkt übertragen.
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Die japanische Offenlegungsschrift
(A) JP-07-226 778 beschreibt ein Übertragungssystem, bei dem Daten
kontinuierlich über
eine elektrische Leistungsverteilungsleitung mit einer niedrigen
Datenrate übertragen werden
und eine Abtastung des Datensignals in der Nähe eines Nulldurchgangspunktes
der Leistungsversorgungsspannung durchgeführt wird.
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Die US-A-4 988 972 beschreibt ein
Verfahren zur Übertragung
von Daten in einem Netzleitungs-Kommunikationssystem, das eine Netzleitung
umfaßt,
auf der sich der Störpegel
mit der Zeit ändert,
wobei eine Vielzahl von Teilnehmerstationen mit den Netzleitungen
gekoppelt ist und das Verfahren folgendes umfaßt: Feststellung ruhiger Perioden,
wenn die Störungen
auf der Netzleitung einen reduzierten Pegel aufweisen; und Übertragen
von Datenpaketen über
die Netzleitung zu den Teilnehmerstationen, wobei jedes Paket innerhalb einer
der festgestellten ruhigen Perioden übertragen wird. Die US-A-4
988 972 beschreibt weiterhin ein entsprechendes Netzleitungs-Kommunikationssystem
und eine Vorrichtung.
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Die US-A- 4 514 719 beschreibt einen
Sender, der mit irgendeiner Phase eines 3-Phasen-Wechselstromsystems verbunden
ist, das Daten nachfolgend zu einem Verriegelungssignal in Synchronisation
mit den Perioden der Phase überträgt. Ein
mit irgendeiner Phase des 3-Phasen-Systems verbundener Empfänger empfängt ein
Verriegelungssignal. Der Empfänger
empfängt
alle Daten nachdem der Empfänger
mit dem Sender unter Verwendung des Verriegelungssignals synchronisiert
wurde.
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Die vorliegende Erfindung ist auf
die Schaffung eines verbesserten Datenübertragungsschemas gerichtet.
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Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden
Erfindung wird ein Verfahren zur Übertragen von Daten in einem
Netzleitungs-Kommunikationssystem geschaffen, das eine Netzleitung
umfaßt,
auf der sich der Störpegel
mit der Zeit ändert,
wobei eine Vielzahl von Teilnehmerstationen mit der Netzleitung
gekoppelt ist, wobei die Netzleitung eine Anzahl von unterschiedlichen
Phasenleitungen umfaßt,
mit denen die Teilnehmer gekoppelt sind, wobei das Verfahren folgendes
umfaßt:
Feststellen ruhiger Perioden, zu denen die Störungen auf der Netzleitung
einen verringerten Pegel aufweisen; und Übertragen von Datenpaketen über die
Netzleitung für Teilnehmerstationen
an jeder Phasenleitung, wobei jedes Paket innerhalb einer der festgestellten
ruhigen Perioden auf der Phasenleitung übertragen wird, mit der die
Teilnehmerstation gekoppelt ist; dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren
weiterhin die sequentielle Übertragung
zu der mit unterschiedlichen Phasenleitungen gekoppelten Teilnehmerstation,
eine zu jeder Zeit, in einer zyklischen Weise umfaßt.
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Die Übertragung während einer
ruhigen Periode hat die Vorteile, daß die Menge an Daten, die eine erneute Übertragung
erfordern, verringert wird und ein kleinerer Fehlerdetektions- und
Fehlerkorrektur-Zusatzaufwand in jedem Paket ermöglicht wird, wodurch der Datendurchsatz über die
Netzleitung verbessert und die Blockierung anderer Benutzer verringert
wird. Die Übertragung
eines in sich abgeschlossenen Datenpaketes während einer ruhigen Periode
anstelle eines einzelnen Datenbits, das einen Teil einer längeren Nachricht bildet,
ergibt weiterhin einen vergrößerten Datendurchsatz
und ermöglicht
eine bessere Ausnutzung der ruhigen Perioden, die auf der Leitung
auftreten. Jede ruhige Periode, die auf der Leitung auftritt, kann
zur Übertragung
von Daten zu einem bestimmten Teilnehmer unabhängig von der Verwendung anderer
ruhiger Perioden verwendet werden.
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Es wurde festgestellt, daß ruhige
Perioden dazu neigen, unabhängig
voneinander derart aufzutreten, daß bei einer Phasenleitung eine
ruhige Periode auftritt, während
die anderen Phasenleitungen hohe Störpegel aufweisen. Vorzugsweise
ermöglicht
die Übertragung
an Teilnehmerstationen während
ruhiger Perioden auf den Phasenleitungen, mit denen die Stationen
gekoppelt sind, einen hohen Datendurchsatz über die Netzleitung, während eine Übertragung
an Teilnehmerstationen zu einer Zeit erfolgt, die für jede Station
am besten ist. Das Verfahren umfaßt die sequentielle Übertragung
zu Teilnehmern, die mit unterschiedlichen Phasenleitungen gekoppelt
sind, eine zu jeder Zeit, in einer zyklischen Weise. Die Übertragung
zu einem Teilnehmer lediglich während
einer ruhigen Periode auf seiner Leitung vergrößert weiterhin den Datendurchsatz
und ist besonders dann geeignet, wenn der Übertragungsbedarf gleichzeitig
auf Teilnehmer auf den Phasenleitungen aufgeteilt ist. Wenn jedoch
der Übertragungsbedarf
ungleichförmig
zwischen Teilnehmerstationen auf den Phasenleitungen verteilt ist,
so können
einige Pakete zu Teilnehmerstationen zu einer anderen Zeit übertragen werden,
als während
der ruhigen Periode auf der Phasenleitung mit der die Station gekoppelt
ist.
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Wenn jedes Leistungssignal eine Periode
T hat, so kann der Schritt der Übertragung
die Übertragung über eine
bestimmte Phasenleitung innerhalb der ruhigsten Dauer T/n auf dieser
Leitung umfassen. Diese ruhigste Dauer T/n kann auf zwei oder mehr
ruhige Fenster in Abhängigkeit
von der Frequenz der Störungshüllkurve
verteilt werden.
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Vorzugsweise führt die Netzleitung ein periodisches
Leistungssignal, wobei die ruhigen Perioden um einen charakteristischen
Punkt des Leistungssignals liegen und wobei der Schritt der Feststellung
einer ruhigen Periode die Feststellung der ruhigen Periode auf der
Grundlage der Zeitlage des charakteristischen Punktes umfaßt.
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In vorteilhafter Weise ist das Leistungssignal
ein Wechselspannungs-Leistungssignal,
das eine Vielzahl von Nulldurchgangspunkten aufweist, wobei sich
die ruhigen Perioden auf jeder Seite der Nulldurchgangspunkte erstrecken,
und wobei der Schritt des Übertragens
die Übertragung
des Datenpaketes derart umfaßt,
daß sich
dieses zeitlich auf jeder Seite des Nulldurchgangspunktes erstreckt.
Dies hat den Vorteil, daß die
ruhige Periode am besten ausgenutzt wird.
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Das Datenpaket kann derart übertragen
werden, daß es
sich ungleichförmig
auf jeder Seite des Nulldurchgangspunktes erstreckt, beispielsweise
wenn ein bestimmter Teil des Paketes wichtige Daten, wie z. B. eine
Sendeberechtigungsmarke enthält.
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Vorzugsweise umfaßt der Schritt der Feststellung
ruhiger Perioden die Vorhersage von zukünftigen ruhigen Perioden auf
der Grundlage der periodischen Eigenart des Leistungssignals. Der
Störpegel
auf der Leitung kann ebenfalls überwacht
werden, und die ruhige Periode kann auf der Grundlage der Zeitlage
des charakteristischen Punktes und der überwachten Störung festgestellt
werden.
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Eine Basisstation kann die Phasenleitung,
mit der eine Teilnehmerstation gekoppelt ist, dadurch bestimmen,
daß:
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- – der
Teilnehmerstation ein Befehl zur Aussendung eines Testsignals gegeben
wird, und
- – die
Qualität
des Testsignals überwacht
wird, das auf jeder Phasenleitung an der Basisstation empfangen wird.
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Wenn die Netzleitung eine Anzahl
von Phasenleitungen umfaßt,
die jeweils ein Leistungssignal übertragen,
wobei die Leistungssignale gegeneinander durch eine vorgegebene
Phasenbeziehung versetzt sind, können
die ruhigen Perioden durch Überwachen
einer ersten Phasenleitung festgestellt und ruhige Perioden auf
anderen Phasen entsprechend der Überwachung
der ersten Phasenleitung und der vorgegebenen Phasenbeziehung festgestellt
werden. Dies vermeidet die Notwendigkeit für eine Überwachung für jede Phasenleitung.
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In Fällen, in denen das Datenpaket
eine Sendeberechtigungsmarke (Token) enthält, kann das Paket derart übertragen
werden, daß die
Sendeberechtigungsmarke während
des ruhigsten Teils der festgestellten ruhigen Periode übertragen
wird.
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Während
der festgestellten ruhigen Periode kann ein netzabwärts gerichtetes
Paket von einer ersten Station zu einer zweiten Station übertragen
werden, und ein netzaufwärts
gerichtetes Paket kann von der zweiten Station zu der ersten Station übertragen
werden. Dies ermöglicht
es, daß die
Mehrzahl der Ausrüstungen, die
für das
Verfahren erforderlich ist, an der ersten Station angeordnet ist.
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Eine ruhige Periode kann durch Überwachen
des Störpegels
auf der Netzleitung bestimmt werden. In vorteilhafter Weise kann
das Verfahren aus der überwachten
Störung
ein periodisches Störmuster
identifizieren und zukünftige
ruhige Perioden auf der Grundlage des identifizierten Musters vorhersagen.
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Ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung
ergibt ein Verfahren zum Betrieb einer Kammunikations-Sendestation
in einem Netzleitungs-Kommunikationssystem, das eine Netzleitung
umfaßt,
auf der sich der Störpegel
mit der Zeit ändert,
wobei eine Vielzahl von Teilnehmerstationen mit der Netzleitung
gekoppelt ist, wobei die Netzleitung eine Anzahl von unterschiedlichen
Phasenleitungen aufweist, mit denen die Teilnehmer gekoppelt sind,
wobei das Verfahren folgendes umfaßt: Feststellung ruhiger Perioden,
zu denen die Störung auf
der Netzleitung einen reduzierten Pegel aufweist; und Aussenden
von Datenpaketen über
die Netzleitung für
Teilnehmerstationen auf jeder Phasenleitung, wobei jedes Paket innerhalb
einer der festgestellten ruhigen Perioden auf der Phasenleitung übertragen
wird, mit der die Teilnehmerstation gekoppelt ist; dadurch gekennzeichnet,
daß das
Verfahren weiterhin die sequentielle Übertragung an die mit unterschiedlichen
Phasenleitungen gekoppelte Teilnehmerstation, eine zu jeder Zeit,
in einer zyklischen Weise umfaßt.
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Ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung
ergibt eine Sendestationsvorrichtung zur Verwendung in einem Netzleitungs-Kommunikationssystem,
das das vorstehende Verfahren ausführt.
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Ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung
ergibt ein Netzleitungs-Kommunikationssystem,
das folgendes umfaßt:
eine Netzleitung, auf der sich der Störpegel mit der Zeit ändert; eine
Vielzahl von Teilnehmerstationen, die mit der Netzleitung gekoppelt
sind, wobei die Netzleitung eine Anzahl von unterschiedlichen Phasenleitungen
umfaßt,
mit denen die Teilnehmer gekoppelt sind; Einrichtungen zur Feststellung
einer ruhigen Periode, zu der die Störung auf der Netzleitung einen
reduzierten Pegel aufweist; und Einrichtungen zur Übertragung
von Datenpaketen über
die Netzleitung für
Teilnehmerstationen auf jeder Phasenleitung, wobei jedes Paket innerhalb
einer der festgestellten ruhigen Perioden auf der Phasenleitung übertragen
wird, mit der die Teilnehmerstation gekoppelt ist; dadurch gekennzeichnet,
daß die
Vorrichtung weiterhin Einrichtungen zur sequentiellen Übertragung
an die mit unterschiedlichen Phasenleitungen gekoppelte Teilnehmerstation,
eine zu jeder Zeit, in einer zyklischen Weise umfaßt.
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Bevorzugte Merkmale können kombiniert
werden, wenn die sinnvoll ist, und sie können mit irgendeinem der Gesichtspunkte
der Erfindung kombiniert werden, wie dies für einen Fachmann ersichtlich
ist.
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Der Ausdruck "Störung" soll einen weiten Bereich
von unerwünschten
Signalen abdecken, unter Einschluß von Funkenstörungen,
Impulsstörungen,
Störspitzen
und Störsignalen.
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Die Daten, die in diesem System übertragen
werden, können
für Computeranwendungen
verwendet werden, wie z. B. Heimarbeit, Dateiübertragung, Internet-Zugang
und einen weiten Bereich von anderen Anwendungen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Zum besseren Verständnis der
Erfindung und um in Form eines Beispiels zu zeigen, wie sie ausgeführt werden
kann, werden nunmehr Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 ein
Netzleitungs-Kommunikationssystem zeigt;
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2A und 2B eine Netzsignalspannung
bzw. ein Beispiel der Störleistung
auf einer Phasenleitung des Systems nach 1 über
eine Zeitperiode zeigen;
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3A und 3B eine Netzsignalspannung
bzw. ein weiteres Beispiel der Störleistung auf einer Phasenleitung
des Systems nach 1 über eine
Zeitperiode zeigen;
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4 ein
Beispiel einer asymmetrischen Aussendung eines Datenpakets um einen
Nulldurchgangspunkt herum zeigt;
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5 ein
Beispiel der Berechnung der Zeitlage ruhiger Perioden auf der (Grundlage
von Nulldurchgangspunkten zeigt;
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6A drei
Netzphasensignale zeigt und die 6B, 6C, 6D die Störleistungen auf jeder der Phasenleitungen über eine
Zeitperiode zeigen;
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7A ein
Beispiel eines Datenpaketes zeigt und 7B ein
Beispiel der Aussendung eines netzabwärts gerichteten Paketes und
eines netzaufwärts
gerichteten Paketes zusammen während
einer ruhigen Periode zeigt;
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8 die
Basisstation nach 1 mit
weiteren Einzelheiten zeigt;
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9 eine
alternative Ausführungsform
der Basisstation nach 8 zeigt;
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10 ein
Verfahren zum Betrieb des Netzleitungs-Kummunikationssystems unter Verwendung
der Basisstation nach 9 zeigt;
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11 ein
Beispiel eines Schemas zur Zuteilung eines Teilnehmerzuganges an
das Verteilungskabel zeigt;
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12 eine
typische Teilnehmerstations-Ausrüstung
mit weiteren Einzelheiten zeigt.
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Beschreibung
bevorzugter Ausführungsformen
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1 zeigt
ein Elektrizitätsverteilungsnetz,
das zur Übertragung
von Telekommunikationssignalen ausgebildet ist. Die Netzelektrizität tritt
in das Netz von einer 11 kV- oder 6,6 kV-Übertragungsleitung 105 ein und
wird von einer Unterstation 100 in eine 400 V-Versorgung
transformiert, die über
ein Verteilungskabel 120 an Teilnehmerstationen S1 bis S6 geliefert
wird. Die Teilnehmerstationen befinden sich typischerweise in Häusern oder
Geschäftsgebäuden. Das
Verteilungskabel 120 umfaßt blaue, rote und gelbe Phasenleitungen
und eine neutrale Leitung. Ein vollständiges System schließt üblicherweise
mehr als die hier gezeigten sechs Teilnehmerstationen ein und schließt typischerweise
ein komplizierteres Baum- und Zweig-Verteilungsnetz ein. Die Teilnehmerstandorte
können
eine Einphasen-Elektrizitätsversorgung
(230 V) oder eine 3-Phasen-Elektrizitätsversorgung (400 V) empfangen.
Hausstandorte von Teilnehmern empfangen üblicherweise eine Einphasenversorgung,
und benachbarte Teilnehmerstandorte sind üblicherweise mit unterschiedlichen
Phasenleitungen gekoppelt. In 1 ist
der Teilnehmer S1 bei Kopplung mit der roten Phasenleitung
gezeigt, während
der Teilnehmer S2 mit der gelben Phasenleitung gekoppelt
ist. Dies trägt
dazu bei, die Last des Netzes gleichmäßig auf die drei Phasen zu
verteilen.
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Eine Basisstation BS koppelt
Datensignale auf das Verteilungskabel 120. Die Kommunikationssignale breiten
sich über
das Kabel zu Sendeempfänger-Einheiten
an den Teilnehmerstandorten S1 bis S6 aus. Die Teilnehmer
sind an einer Phasenleitung des Verteilerkabels 120 über eine
Zweitleitung 150 angekoppelt. In der Netzaufwärts-Richtung
werden Kommunikationssignale von den Teilnehmer-Sendeempfänger-Einheiten zu der Basisstation
ausgesandt. Kommunikationssignale werden vorzugsweise zwischen einer
Phasenleitung und dem neutralen oder Erdleiter übertragen. Daten können unter
Verwendung einer Vielzahl von Leitungscodierungen oder Modulationstechniken übertragen
werden. Der Anmelder verwendet eine Frequenzumtast- (FSK-) Modulation
um eine Mittenfrequenz von 2,9 MHz. Andere Frequenzbänder in
dem Bereich von beispielsweise 2 bis 30 MHz können verwendet werden, obwohl
es bevorzugt wird, die niedrigeren Frequenzen zu verwenden, weil
die Dämpfung über die
Verteilungskabel niedriger ist. Die netzaufwärts und netzabwärts gerichteten Übertragungen
können
zeitmultiplexiert werden, wobei die Netzaufwärts- und Netzabwärtsübertragungen
ein gemeinsames Frequenzband gemeinsam nutzen, oder sie können frequenzmultiplexiert
werden, wobei die netzaufwärts
und netzabwärts
gerichteten Übertragungen
unterschiedliche Frequenzbänder
belegen.
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2A ist
eine Kurve einer typischen Netzschwingungsform, die eine der Phasenleitungen
führt,
wobei die Spannung gegenüber
der Zeit gezeigt ist. 2B ist
eine Kurve eines Beispiels der Störleistung gegenüber der
Zeit, die während
des entsprechenden Zeitintervalls auftritt. Die Störleistung
ist nicht konstant, sondern ändert
sich mit der Zeit. Es wurde festgestellt, daß sich die Störleistung
auf der Leitung entsprechend der Spannung des Netzsignals ändert. Es
gibt Perioden τ,
zu denen die Störleistung
auf der Leitung erheblich verringert ist, und zu derartigen Zeiten
kann die Verringerung der Störleistung
P0 in der Größenordnung von 20 dB sein.
Es wurde festgestellt, daß ein
großer
Teil der Störungen
durch Funkenbildung entlang von Kontakten hervorgerufen wird. Die
Funkenbildung ist ein Effekt, der von der Spannung abhängt, und
der unterhalb bestimmter Spannungen beträchtlich verringert wird. Thermostate,
Schalter und Elektromotoren sind Beispiele von Ausrüstungen,
die diese Form von Störungen
erzeugen. Andere Arten von elektrischen Ausrüstungen haben ihre eigenen
charakteristischen Schwellenwertpegel, unterhalb derer die Funkenbildung
normalerweise nicht auftritt, und die Störleistung auf einer Leitung
ist die Summierung der einzelnen Quellen der Störung, die alle mit dem Netz
gekoppelten Ausrüstungen
beitragen. Weiterhin ist es bekannt, daß thyristorgesteuerte Helligkeitsregelschalter
und Leuchtstofflampen Impulsstörungen
zu bestimmten Zeiten während
des Wechselspannungszyklus erzeugen.
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Bei einem Wechselspannungs-Netzsignal
können
sich regelmäßige periodische
Zeitperioden τ ergeben,
zu denen die Störleistung
einen minimalen Pegel aufweist. Diese ruhigen Perioden erstrecken
sich auf jeder Seite der Punkte, an denen die Netzspannung den Nullpegel
durchquert, wie dies bei t0 in 2A gezeigt ist. Diese Punkte
werden nachfolgend als Nulldurchgangspunkte bezeichnet. Die periodische
Eigenart dieser ruhigen Perioden ermöglicht es, die Zeit zukünftiger
Perioden auf der Grundlage der Zeitlage vorher festgestellter Perioden
vorherzusagen. Für
eine Wechselspannung von 50 Hz treten Nulldurchgänge in Intervallen von 10 ms
auf. Die Form der Störhüllkurve
kann sich in Abhängigkeit
von den zu einer bestimmten Zeit mit dem Netz gekoppelten Ausrüstungen ändern. In 2B hat die Störleistungs-Hüllkurve
eine Frequenz von 100 Hz, d. h. dem Doppelten der Netzfrequenz.
Unter anderen Bedingungen, beispielsweise dann, wenn die Störung von
der Polarität
des Netzsignals abhängt,
kann die Störleistungs-Hüllkurve eine Frequenz haben,
die gleich der Netzfrequenz ist. Unter anderen Bedingungen kann
die Störhüllkurve
irgendeine andere Frequenz haben.
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Datenpakete haben eine Dauer, die
gleich der ruhigen Periode oder geringfügig kleiner als diese ist, und
sie werden so übertragen,
daß sie
in die ruhige Periode passen.
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Unter manchen Bedingungen hat die
ruhige Periode keine scharf definierten Grenzen, an denen sich der
Störpegel
abrupt ändert,
sondern der Störpegel
steigt stattdessen progressiv auf jeder Seite des Nulldurchgangspunktes
der Netzspannung an, wie dies durch die Hüllkurve 200 in 3B gezeigt ist. Diese grafische Darstellung
ist eine tatsächliche
Kurve der Störung,
die von einem fehlerhaften Thermostaten erzeugt wird. Es ergeben
sich immer noch Vorteile bei der Übertragung von Daten während des
ruhigsten Teils der Störhüllkurve.
Wenn drei Phasenleitungen vorliegen, die jeweils ein Netzleistungssignal
führen,
das hinsichtlich der Phase gegenüber
den anderen verschoben ist, wird es bevorzugt, Daten auf einer bestimmten
Phasenleitung während
dem ruhigsten Drittel der Periode des Netzsignals zu übertragen,
wie dies in 3B gezeigt
ist. Bei einer Netzfrequenz von 500 Hz und einer Störhüllkurve,
die eine Frequenz von 100 Hz hat, entspricht dies zwei ruhigen Perioden,
die jeweils 3,3 ms während
jeder Wechselspannungsperiode andauern.
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Ein Datenpaket kann derart übertragen
werden, daß es
um den Nulldurchgangspunkt des Netzsignals symmetrisch ist, oder
es kann so übertragen
werden, daß es
unsymmetrisch um den Nulldurchgangspunkt ist. Eine asymmetrische Übertragung
hat besonderen Nutzen, wenn der Zugang an das Netz durch ein Token- oder
Sendeberechtigungs-Protokoll gesteuert wird. In einem Sendeberechtigungs-Protokoll
ist es besonders wichtig, daß die
Sendeberechtigung, die von Datenpaketen übertragen wird, nicht verfälscht wird
oder verlorengeht. Die Sendeberechtigung umfaßt üblicherweise ein spezielles
Bitmuster, das in einem Zugangsburst übertragen wird, und eine Adresse
der Teilnehmerstation, für
die das Paket bestimmt ist. Durch Zeitsteuern der Übertragung
der Datenpakete derart, daß der
Teil des Paketes, der die Sendeberechtigungsmarke einschließt, einer
Zeit entspricht, zu der die Störung
nahe an ihrem minimalen Pegel ist, kann die Gefahr eines Verlustes der
Sendeberechtigungsmarke zu einem Minimum gemacht werden. Wenn beispielsweise
die Sendeberechtigungsmarke zu Beginn eines Paketes übertragen
wird, kann das Paket so zeitgesteuert werden, daß der größte Teil des Paketes nach dem
Nulldurchgangspunkt übertragen
wird, derart, daß die
Sindeberechtigungsmarke während
der Zeit übertragen
wird, zu der sich die Störung
nahe an ihrem minimalen Pegel befindet. 4 zeigt ein Beispiel der Übertragung
eines Datenpaketes 220 in asymmetrischer Weise um den Nulldurchgangspunkt
t0, derart, daß die Sendeberechtigungsmarke 230 zu
einer Zeit übertragen
wird, zu der sich die Störleistung
auf ihrem minimalen Pegel befindet.
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Wenn es bekannt ist, daß ruhige
Perioden um ein charakteristisches Merkmal des Leistungssignals herum
liegen, wie z. B. die Nulldurchgangspunkte, so ist es zweckmäßig, festzustellen,
wann die ruhigen Perioden auftreten, indem das Auftreten der Nulldurchgangspunkte überwacht
wird. Nulldurchgangspunkte können
unter Verwendung eines Spannungsvergleichers festgestellt werden,
der dauernd die Netzspannung mit einer Bezugsspannung von Null Volt
vergleicht. Wenn sich die ruhige Periode auf jeder Seite des Nulldurchgangspunktes
erstreckt und es erwünscht
ist, die ruhige Periode vollständig
auszunutzen, so ist es erforderlich, vorherzusagen, wann zukünftige Nulldurchgänge auftreten,
und aus dieser vorhergesagten Zeit unter Kenntnis der Dauer des
ruhigen Fensters die Zeit vorherzusagen, zu der das zukünftig ruhige
Fenster beginnt. Dies wird anhand der 5 beschrieben.
Ein 50 Hz-Netzsignal hat Nulldurchgänge t0,
die alle 10 ms auftreten. Unter der Annahme, daß ein ruhiges Fenster für 3 ms andauert,
die gleichmäßig um den
Nulldurchgangspunkt verteilt sind, ist zu erkennen, daß ein ruhiges
Fenster 1,5 ms vor jedem Nulldurchgangspunkt oder 8,5 ms nach einem
Nulldurchgangspunkt beginnt. Daher kann durch Feststellen eines
Nulldurchgangspunktes t0 und Warten über 8,5
ms ein Datenpaket zu Beginn der nächsten ruhigen Periode ausgesandt
werden.
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Es ist möglich, den tatsächlichen
Störpegel
auf der Leitung zu messen und diese Messung dazu zu verwenden, die
Länge des
ruhigen Fensters zu ändern.
Die Messungen der Störleistung
können
durch Techniken analysiert werden, wie z. B. das Suchen von Ausschlägen über bestimmte
Schwellenwertpegel der Störleistung
hinaus.
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6A ist
eine Kurve der Spannung gegenüber
der Zeit für
Leistungssignale, die auf den drei Phasenleitungen rot, gelb und
blau übertragen
werden. Das Leistungssignal auf jeder Phasenleitung weist einen gegenseitigen
Abstand von 120° auf.
Die 6B, 6C und 6D zeigen
eine Kurve der typischen Störleistung
gegenüber
der Zeit für
die roten, gelben und blauen Phasenleitungen für das entsprechende Zeitintervall.
Ruhige Perioden auf den verschiedenen Phasenleitungen sind zeitlich
gegeneinander um 120° versetzt,
was dem Auftreten der Nulldurchgangspunkte auf den Leitungen entspricht.
Es ist zu erkennen, daß die
ruhigen Perioden aufeinanderfolgend auf jeder Phasenleitung auftreten;
in dem in den 6B bis 6D gezeigten Beispiel ist
die Folge der ruhigen Perioden blau, gelb, rot, blau, gelb, rot.
Diese ruhigen Perioden können
durch aufeinanderfolgende Übertragung über jede
der Phasenleitungen synchron zu den ruhigen Perioden ausgenutzt
werden.
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Eines der Merkmale eines elektrischen
Verteilerkabels besteht darin, daß bei Funkfrequenzen (RF) die Kapazität, die zwischen
unterschiedlichen Phasenleitungen in dem Kabel vorhanden ist, dazu
führt,
daß Signale,
die auf einer Phasenleitung entstehen, auf die benachbarte Phasenleitung
gestreut werden. Gemäß den 6B und 6C bewirkt dieser Effekt, daß ein Teil
der Störleistung
auf der gelben Phase auf die rote Phasenleitung gestreut oder gekoppelt
wird. Das Ausmaß,
in dem dieses auftritt, hängt
von der Frequenz des für
die Übertragung
verwendeten Trägers
und von der speziellen Struktur des Kabels ab. Selbst bei dieser
Streuung bietet die ruhige Periode auf einer Leitung immer noch
einen beträchtlich
verringerten Störpegel.
Es sei weiterhin bemerkt, daß obwohl
Störquellen
in kurzer Entfernung von einem Empfänger Störpegel mit der höchsten Leistung
hervorrufen, die Kopplung zwischen Phasenleitungen bei kurzen Entfernungen
relativ schwach ist.
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7A zeigt
ein Beispiel der Struktur eines Datenpaketes. Die Dauer des Paketes
ist mit 3,3 ms angegeben, um einer Dauer einer ruhigen Periode von
3,3 ms zu entsprechen, wie dies weiter oben erläutert wurde, doch kann es eine
andere Dauer haben. Das Paket umfaßt einen Hinweisburst (ALERT),
der ein spezielles Bitmuster einschließt, das den Teilnehmerstationen
bekannt ist, eine Adresse einer Teilnehmerstation, für die das
Paket bestimmt ist (DEST.ID) und eine Datennutzinformation (DATA)
sowie eine Übertragungsende-Flagge
(EOT).
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Bisher wurde die ID der Übertragung
während
ruhiger Perioden ohne Bezugnahme auf die netzaufwärts- oder
netzabwärts-gerichteten Übertragungsrichtungen
beschrieben, weil sie auf beide Richtungen in gleicher Weise anwendbar
ist. Im Hinblick darauf, daß ein
Datensystem üblicherweise
asymmetrisch in dem Sinne ist, daß der netzabwärtsgerichtete
Verkehr wesentlich größer als
der netzaufwärtsgerichtete
Verkehr ist, ist es wirtschaftlich, die Verarbeitungsausrüstungen
an der Basisstation zur Verwendung mit Netzabwärts-Übertragungen einzuschließen. 7B zeigt eine Möglichkeit,
wie ein Netzabwärts-Paket
von einer Basisstation zu einer bestimmten Teilnehmerstation und
ein Netzaufwärts-Paket
von einer Teilnehmerstation zu der Basisstation hintereinander innerhalb
einer ruhigen Periode ausgesandt werden können. Das Netzabwärts-Paket
wird zu Beginn der ruhigen Periode ausgesandt und schließt einen
Hinweisburst (ALERT), die Adresse der Teilnehmerstation (DEST.ID),
eine Sendeaufforderungs-Flagge (ITT) und eine Übertragungsende-Flagge (EOT)
ein. Nach einem kurzen Schutzabstand (G) antwortet die Teilnehmerstation
mit einer Netzaufwärts-Übertragung,
die einen Hinweisburst (ALERT), die Adresse der Basisstation (DEST.ID),
eine Daten-Nutzinformation
(DATA) und eine Übertragungsende-Flagge
(EOT) umfaßt.
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8 zeigt
die Basisstation BS nach 1 mit
weiteren Einzelheiten. Eine Abzweigung wird von jeder der Phasenleitungen
(rot, gelb, blau) und der neutralen Leitung abgenommen. Jede Phasenleitung
ist mit einer Medium-Anpassungseinheit MAU gekoppelt, die ein Hochpaßfilter
zur Weiterleitung von Signalen in dem für die Kommunikation verwendeten
Band und zur Blockierung des Fließens der Netzelektrizität bei 50
Hz oder 60 Hz umfaßt.
Jede MAU schließt
weiterhin Verstärker
zur individuellen Einstellung des Pegels eines Netzaufwärts-Signals,
das von dem Kabel 120 empfangen wird, und eines Netzabwärts-Signals
vor der Übertragung über das
Kabel 120 ein. Ein Kombinierer 310 kombiniert
ein empfangenes Signal von jeder MAU zur Zuführung an einen LAN-Netzknoten- Sendeempfänger, und
ein Teiler 302 teilt ein von dem LAN-Netzknoten-Sendeempfänger abgegebenes
Signal auf drei Wege auf, um einen Teil jeder MAU zur Übertragung über jede
Phasenleitung zuzuführen.
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Der LAN-Netzknoten-Sendeempfänger lenkt
Datenpakete auf das Telekommunikationsnetz. Der Sendeempfänger bewirkt
eine Kopplung mit dem externen Übertragungsnetz 320 und
transportiert Telekommunikationssignale zu und von dem Netz 320.
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Die Blöcke 340 und 350 bilden
die Hauptausrüstungen,
die erforderlich sind, um die Übertragung
während
ruhiger Perioden zu realisieren.
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Es ist möglich, jede Phase einzeln dadurch
zu überwachen,
daß jede
der Phasenleitungen angezapft wird, wie z. B. durch eine Anzapfung
an dem Punkt gerade vor der MAU. Die Kenntnis der Versetzung zwischen
jeder Phasenleitung (120°)
ermöglicht
es jedoch, eine einzige Phasenleitung zu überwachen, und die anderen
ruhigen Perioden können
hieraus berechnet werden. Eine zweckmäßige Möglichkeit zur Überwachung
einer einzelnen Phasenleitung besteht in der Einfügung eines
Nulldurchgangsdetektors 340 in die Basisstations-Leistungsversorgungseinheit
PSU einzufügen,
die eine Einphasen-Versorgung von dem Verteilerkabel ableitet.
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Ein Ausgangssignal von dem Detektor 340 wird
dem Steuergerät 351 zugeführt. Das
Steuergerät
berechnet die Zeit, zu der zukünftige
ruhige Perioden auf jeder der Phasenleitungen auftreten, auf der
Grundlage der bekannten periodischen Natur des Wechselspannungssignals
und der bekannten Beziehung zwischen den Phasenleitungen. Aktualisierungen
von dem Detektor 340 über
Zeiten, zu denen die Nulldurchgänge
tatsächlich
auftreten, ermöglichen
es dem Steuergerät,
genaue Vorhersagen aufrechtzuerhalten. Zusätzlich zu oder anstelle des
Nulldurchgangsdetektors 340 kann ein Stördetektor 345 vorgesehen
sein, um die tatsächlichen
Störungen
auf der Leitung zu überwachen
und Informationen an das Steuergerät 351 zur Verwendung bei
der Änderung
der Zeitlage der ruhigen Perioden zu liefern. Der Stördetektor 345 kann
in Kombination mit dem Steuergerät 351 so
angeordnet werden, daß die überwachten
Störungen
auf der Leitung analysiert werden, um ein periodisches Störmuster
festzustellen und um zukünftige
ruhige Perioden auf der Grundlage des identifizierten Musters vorherzusagen.
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Eine Abfrage-Folgeschaltung 352 koordiniert
die Reihenfolge, in der Datenteilnehmer unter Bezugnahme auf eine
Teilnehmer-Nachschlagetabelle 353 abgefragt werden. Die
Nachschlagetabelle ist ein Speicher mit einer Liste jedes Datenteilnehmers
und der Phasenleitung, mit der sie gekoppelt sind.
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Zwei Möglichkeiten zur Aufstellung
der Liste in der Nachschlagetabelle 353 sind wie folgt:
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- (i) manuelle Eingabe: ein Ingenieur prüft (anhand von Plänen des
Netzes oder einer Überprüfung der
Installation eines Teilnehmers), mit welcher Phase ein neuer Teilnehmer
an dem Datendienst verbunden ist, und fügt diese Information der Nachschlagetabelle 353 hinzu.
Die Aktualisierung kann durch einen die Basisstation aufsuchenden
Ingenieur oder durch einen Herunterladevorgang von einem entfernt
angeordneten Endgerät
erfolgen.
- (ii) Leistungsmessung: die an der Basisstation erforderlichen
Modifikationen zur Realisierung dieser Messung sind in 9 gezeigt und das Verfahren,
mit dem die Basisstation die optimale Phasenleitung auswählt, ist
in dem Ablaufdiagramm nach 10 gezeigt.
Im Schritt 500 sendet die Basisstation ein Signal aus, das anfordert,
daß eine
bestimmte Teilnehmerstation ein Testsignal aussendet. Die Teilnehmerstation
antwortet im Schritt 501 mit der Aussendung eines Testsignals. Eine
Bank von Leistungsdetektoren 400, ein Detektor pro Phasenleitung,
ist mit den Ausgängen
der MAU's an der Basisstation gekoppelt. Im Schritt 502 vergleicht
ein Vergleicher 401 die Ausgänge der Detektoren während des
Empfangs eines Testsignals von einem neuen Teilnehmer. Im Schritt
503 bestimmt die Basisstation aus den Ausgängen der Detektoren, welche
Phasenleitung das stärkste
Signal liefert, und damit, mit welcher Phasenleitung der Teilnehmer
gekoppelt ist. Dies wird unter der Steuerung des Steuergerätes 351 in
die Nachschlagetabelle 353 eingegeben. Es kann eine andere
Messung als die der Signalstärke
bei der Bestimmung der besten Phasenleitung verwendet werden, mit
der der Teilnehmer gekoppelt ist; beispielsweise können Größen, wie
die Bitfehlerrate (BER) verwendet werden. Damit dieses Verfahren
in zuverlässiger
Weise verwendet werden kann und korrekt die Leitung identifiziert,
mit der ein Teilnehmer gekoppelt ist, sollte sich das Testsignal
an dem unteren Ende des für
die Übertragung
verwendeten Frequenzbereiches befinden. Dies ergibt sich daraus,
daß eine
Kopplung zwischen den Phasenleitungen allgemein mit der Übertragungsfrequenz
abnimmt.
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Die Betriebsweise der Abfrage-Folgeschaltung
wird nunmehr ausführlicher
beschrieben. Die Abfrage-Folgeschaltung paßt die Art und Weise an, wie
Datenteilnehmer entsprechend dem Bedarf von den Benutzern abgefragt
werden. Einige mögliche
Szenarien werden nunmehr betrachtet.
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- 1.) Hoher Bedarf, gleichmäßig auf die Datenteilnehmer
auf jeder Phase verteilt.
- – Die
Folgeschaltung teilt Zeitschlitze vorzugsweise zu Teilnehmern während ruhiger
Perioden auf der Phasenleitung zu, mit der sie verbunden sind. 11 zeigt, wie sechs Teilnehmer S1 bis S6,
die in der in 1 gezeigten
Weise angekoppelt sind, abgefragt werden. Die Teilnehmer S1 und S4 sind
mit der roten Phasenleitung gekoppelt. Während der ruhigen Perioden 601, 602, 603 auf
der roten Leitung werden die Teilnehmer S1 und S4 dadurch
abgefragt, daß Datenpakete übertragen
werden, die an diese Teilnehmer adressiert sind. Ruhige Perioden
werden gemeinsam von den Teilnehmern auf dieser Phase verwendet.
In diesem Beispiel werden abwechselnde ruhige Perioden auf der roten
Leitung einen bestimmten Teilnehmer zugeteilt, beispielsweise werden
dem Teilnehmer S1 die Zeitschlitze 601 und 603 zugeteilt.
- 2.) Niedriger Bedarf – gleichförmig auf
Datenteilnehmer auf jeder Phase verteilt.
- – Die
Folgeschaltung teilt Zeitschlitze vorzugsweise Teilnehmern während der
ruhigen Periode auf der Phasenleitung zu, mit der sie verbunden
sind, wie im Fall (1).
- 3.) Hoher Bedarf – ungleichförmig auf
die Phasen aufgeteilt.
- – Die
Folgeschaltung teilt vorzugsweise Zeitschlitze so zu, daß diese
ruhigen Perioden auf der Phasenleitung entsprechen, mit der Teilnehmer
verbunden sind, teilt jedoch auch nicht optimale Zeitschlitze zu.
Ein Beispiel erläutert
diese Technik. Es sei ein Bedarf von zwei Datenteilnehmern betrachtet: S1 auf
der roten Phase, S2 auf der gelben Phase und kein Bedarf
von Teilnehmern auf der blauen Phase. Eine mögliche Abfragefolge ist wie
folgt:
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Den Teilnehmern S1 (Rot)
und S2 (Gelb) werden ruhige Perioden auf der Phasenleitung
zugeteilt, mit der sie verbunden sind, und zusätzlich werden die nicht-optimalen
Perioden auf der blauen Phasenleitung abwechselnd S1 und S2 zugeteilt.
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12 zeigt
eine typische Installation an einer Wohnung, die einen Teilnehmer
an den Datendienst bildet. Ein Zweigkabel 150 stellt ein übliches
Netzabzweigkabel dar, das mit einer der drei Phasenleitungen in dem
Verteilerkabel 120 gekoppelt ist. Eine Koppeleinheit 700 koppelt
Kommunikationssignale zu und von dem Kabel 150, wobei die
Netzversorgung hindurchlaufen kann. Eine Medium-Adaptereinheit 710 kann
einen oder mehrere Verstärker
zur Einstellung des Pegels der Signale in dem Netzaufwärts- (Sende-)
und Netzabwärts- (Empfangs-)
Richtungen einschließen.
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Ein Sendeempfänger 720 empfängt Datenpakete
und wandelt sie in einen Ausgangsdatenstrom zur Ankopplung an Ausrüstungen
im Haus des Teilnehmers um, wie z. B. einen Personalcomputer, der
einen Zugriff auf das Internet oder einen Fernbankdienst ausführt. Der
Sendeempfänger
wandelt weiterhin einen ankommenden Datenstrom in Datenpakete um,
die zu der Basisstation übertragen
werden. Eine Vielzahl von üblichen
lokalen Datennetz-Protokollen kann auf dem Netz verwendet werden.
Ein bevorzugte Protokoll ist das Sendeberechtigungs(Token-) Busprotokoll,
wie z. B. IEEE 802.4, ANSI 878,1 oder der universelle serielle Bus (USB).
Dies ist eine einer Disziplin unterworfene Zugangstechnik, bei der
eine Sendeberechtigungsmarke (Token) das Zugangsrecht auf das Übertragungsmedium
steuert. Die Sendeberechtigungsmarke wird rotierend von einem Teilnehmer
zu einem anderen weitergeleitet. Wenn ein Teilnehmer die Sendeberechtigungsmarke in
einem Paket empfängt,
das eine Adresse überträgt, die
der eigenen Adresse des Teilnehmers entspricht, so identifiziert
der Teilnehmer, daß er
die Sendeberechtigungsmarke hat und antwortet der Basisstation.
Die typische Spitzen-Datenrate des Systems liegt in dem Bereich
von 1 Mbit/s.