EA008853B1 - Способ разрешения доступа множества узлов сети связи к средству передачи данных по электрической сети - Google Patents

Abstract

В изобретении описан способ разрешения доступа множества узлов сети связи к среде передачи данных по электрической сети. Описанный способ позволяет узлам получать равноправный доступ к коллективно используемой среде, такой как электрическая сеть. Кроме того, обеспечивается максимальная скорость доступа при условии отсутствия коллизий между запросами на занятие канала, а также возможность устойчивого обнаружения сигналов сосуществования в зашумленных средах. Предлагаемый способ отличается тем, что для его осуществления используют сигналы (5) занятия и сигналы (10) освобождения канала связи и произвольное время ожидания (время задержки) занятия электрической сети с предварительно установленными минимальным и максимальным значениями.

Description

Настоящее изобретение, как следует из его названия, относится к способу разрешения доступа множества узлов сети связи к средству передачи данных по электрической сети.

Предлагаемый в изобретении способ применим в системах связи, в которых электрическая сеть служит коллективно используемой средой для осуществления связи между узлами.

Задачей способа является создание системы эффективного, равноправного и связанного с минимальной затратой ресурсов доступа к электрической сети для узлов, использующих такой способ.

Предпосылки создания изобретения

В большинстве систем дальней связи процесс доступа к передающей среде должен осуществляться таким образом, чтобы разные узлы, которые ее используют, получали справедливый и равноправный доступ. В случае электрической сети данная задача является более сложной, поскольку при этом должны сосуществовать разные системы, использующие для передачи данных разные технологии. В предлагаемом в изобретении способе данные проблемы решены за счет применения определенных специфических сигналов, простых для генерирования и обнаружения, и процедуры занятия и освобождения канала. После того, как путем такой процедуры канал занят (зарезервирован) каким-либо узлом, передача данных может осуществляться любым известным из уровня техники способом.

В дальнейшем в описании использованы сокращения ОЧУ (ортогональное частотное уплотнение) и ДПФ (дискретное преобразование Фурье), которые известны из техники. Также использованы сокращения НП и КП, которые обозначают сигналы начала передачи и конца передачи, соответственно.

Из техники известно множество способов разрешения доступа к передающей среде, таких как протокол АТОНА, протокол АТОНА с сегментированной передачей, протокол С8МА (протокол коллективного доступа с опознаванием несущей) с обнаружением коллизий или протоколы С8МА с предотвращением коллизий, протоколы доступа с передачей маркера и многие другие. Также известно применение произвольного времени ожидания (времени задержки), которое увеличивается с ростом потерь при передаче, как в случае применения стандарта Национального института стандартов США (АЫ81)/Спецификации 1ЕЕЕ 802.11, опубликованной в ΙΕΕΕ διά 802.11-1997 Рай II: \Уйе1езз БАМ Мейшт Ассезз Сои1то1 (МАС) αηά Рйуз1са1 Баует (ΡΗΥ) 8рес1йсайоиз, но основной недостаток такого режима сосуществования заключается в том, что пользователи до передачи запроса на занятие канала должны знать объем информации для передачи. Это создает дополнительную проблему, поскольку, чтобы знать объем передаваемой информации, все узлы должны быть способны демодулировать сигналы занятия канала, что усложняет такие сигналы. В предлагаемом в настоящем изобретении способе данная задача решена при помощи сигналов освобождения, которые передают узел-отправитель и узел-получатель, чтобы сообщить о том, что канал может быть в любой момент снова занят другими пользователями.

Что касается сигналов занятия и освобождения канала, в патенте ϋδ 6111919 8упс11гошха1юп о£ ОЕЭМ 81диа1з описаны определенные сигналы, подобные сигналам, применяемым в способе, предлагаемом в настоящем изобретении, которые используют для синхронизации ОЧУ-сигналов путем сравнения с фиксированным эталонным сигналом, за счет чего несущие базового сигнала также имеют фиксированные значения, т. е. описано совершенно иное применение по сравнению с применением согласно настоящему изобретению. В предлагаемом в изобретении способе сигналы используют для обнаружения их приема, вообще не используя какой-либо привязки ко времени, поскольку момент приема отличается неопределимостью разных ОЧУ-символов и не имеет необходимой точности для синхронизации ОЧУсигналов. Чтобы улучшить передачу на частотно-избирательных каналах, также вычисляют суммарные значения фазовых приращений в поддиапазонах частот. Другое отличие состоит в том, что для обнаружения сигнала на приеме используют разные пороговые значения, если в результате нескольких последовательных измерений порог превышен, что аналогично осуществлению временной корреляции. Длительность сигналов также является переменной величиной, что позволяет повысить вероятность обнаружения за счет использования временной корреляции.

Согласно предлагаемому в изобретении способу информацию передают вместе с сигналами, поскольку различие можно провести между двумя типами сигналов: НП и КП, при этом их возможное число может быть увеличено за счет чередования знаков базового сигнала разным образом. В названном патенте также осуществляют фазовое смещение на выходе ДФТ, необходимое для синхронизации, но его не используют в способе, предлагаемом в настоящем изобретении.

Описание изобретения

Для решения задач и недостатков, рассмотренных выше, в изобретении предлагается способ доступа узлов сети связи по электрической сети к среде передачи данных, включающий обмен информацией между разными системами с использованием в качестве канала связи электрической сети, протокола доступа к передающей среде и сигналов для реализации такого протокола. Указанный протокол отличается тем, что для занятия и освобождения канала используют два разных сигнала: соответственно сигнал начала передачи и сигнал конца передачи (сигналы сосуществования в сети), обнаруживаемые (распознаваемые) всеми системами в сети. Когда тому или иному узлу необходимо получить доступ к каналу, он ожидает освобождения канала и затем устанавливает период конкуренции за канал, в течение которого узел ждет истечения произвольного отрезка времени, прежде чем отправить сигнал НП для занятия

- 1 008853 канала, либо отказывается от занятия канала, если до истечения своего времени ожидания он обнаружит сигнал НП. После занятия узлом канала при помощи сигнала НП у него есть максимальное время для передачи информации, после чего он должен передать сигнал КП.

Согласно предлагаемому способу узел рассматривает канал как освобожденный при получении им сигнала КП, или если время, прошедшее после сигнала НП для занятия канала, либо время, прошедшее с момента инициализации узла, превысило заданное максимальное время, известное как время занятости канала.

После освобождения канала узел выбирает время ожидания до передачи сигнала НП произвольным (случайным) образом на интервале от минимального до максимального значения в зависимости от приоритета подлежащих передаче данных, перегрузки канала и предыдущего использования канала этим узлом.

Если тот или иной узел пытался передать информацию и проиграл конкуренцию за канал, получив сигнал начала передачи в течение указанного выбранного времени ожидания, то время ожидания в течение периода, выбранного непосредственно после этого, будет не произвольным, а будет соответствовать времени, остававшемуся до окончания произвольно выбранного времени ожидания непосредственно предшествующего периода конкуренции за канал.

Чтобы обеспечить эффективное занятие канала для узлов, которые находятся в пределах взаимной доступности отправителя и получателя, оба узла, участвующих в обмене информацией, посылают сигналы НП (сигналы занятия канала) и сигналы КП (сигналы освобождения канала) по каналу, ранее занятому узлом-отправителем.

Кроме того, для предотвращения перерывов в связи в результате обнаружения возможных ложных сигналов освобождения канала, после того, как канал занят, сигналы КП, принимаемые в периоды передачи данных узлом-отправителем узлу-получателю и подтверждения приема данных узлом-получателем узлу-отправителю, подвергают фильтрации.

Помимо этого, произвольное значение времени ожидания в период конкуренции за канал получают при помощи одного или нескольких разрядов аналого-цифрового преобразователя, чтобы задать произвольное время ожидания при конкуренции, используют один или несколько битов аналого-цифрового преобразователя, что позволяет получить совершенно случайное значение, зависящее от отношения сигнал-шум в канале.

После того, как канал занят при помощи сигнала НП, узел передает узлу-адресату кадр запроса на передачу (ЗП).

При получении узлом-адресатом кадра ЗП он передает управляющий кадр готовности к передаче (готовности к передаче) при условии, что канал не был ранее занят в результате получения кадра ЗП.

В случае, если кадры ЗП разошлись, т.е. узел получает кадр ЗП от узла, которому он ранее передал кадр ЗП после занятия канала, этот узел передает управляющий кадр готовности к передаче (ГП) при условии, что его МАС-адрес (адрес для управления доступом к среде) меньше, чем МАС-адрес узла-адресата.

В любом случае, при получении узлом управляющего кадра ГП от узла, которому он передал кадр ЗП, этот узел осуществляет передачу кадра данных. Кроме того, при получении узлом кадра данных от узла, которому он передал управляющий кадр ГП, этот узел передает кадр подтверждения приема данных и сигнал конца передачи, завершая связь.

В случае обнаружения ошибки связи с узлом-получателем после занятия канала, т.е. если узел, с которым поддерживается связь, не отвечает или не дает согласия на передачу, максимальное время ожидания узла-отправителя при последующих конкуренциях за канал увеличивается.

В том случае, если занятие канала и связь с узлом-получателем завершились без ошибок, максимальное время ожидания для узла-отправителя устанавливают на исходное значение.

По окончании связи канал освобождают при помощи сигнала освобождения. Узел-отправитель передает сигнал КП при получении кадра подтверждения приема от узла, которому он передал данные после занятия канала, либо в определенный момент времени, предварительно рассчитанный таким образом, чтобы сигналы КП, переданные узлом-отправителем и узлом-получателем, совпали в предварительно заданном временном окне.

Сигнал занятия канала, т.е. сигнал НП, состоит из η повторов одного и того же базового сигнала, а сигнал освобождения канала, т.е. сигнал КП, - из η повторов одного и того же базового сигнала, но с чередованием знаков при каждом повторе. Аналогичным образом можно генерировать и другие сигналы с использованием разных схем повторения базового сигнала, например (+ - -), (+ + - -) и т.д., благодаря чему при необходимости можно использовать более двух сигналов сосуществования.

Чтобы улучшить обнаружение (распознавание) сигналов на приеме, в качестве базового сигнала используют ОЧУ-сигнал, несущие частоты которого устанавливают на произвольное значение, если эти частоты используют для передачи данных, а в противном случае эти частоты устанавливают на нуль.

Если два или более узла используют разные диапазоны частот, такие узлы могут получать доступ к передающей среде одновременно, поскольку сигнал занятия канала от одного из них не будет обнаружен другими узлами.

Таким образом, обнаружение сигналов НП и КП заключается в последовательном выполнении дис

- 2 008853 кретных преобразований Фурье (ДПФ) принятого сигнала, вычислении разности фаз несущей между одним ДПФ и предшествующим ему ДПФ и суммировании всех разностей фаз для несущих, занимающих частоты, используемые узлом-получателем, при этом условием обнаружения сигнала НП является недостижение указанной суммой определенного порогового значения, а условием обнаружения сигнала КП - превышение другого порогового значения.

Для оптимизации обнаружения сигналов суммирование разностей фаз проводят по частотным поддиапазонам в полосе частот, используемой узлом-получателем, при этом для обнаружения сигнала достаточно его обнаружения в одном поддиапазоне.

Чтобы максимально повысить вероятность обнаружения сигналов, для каждого сигнала используют разные пороговые значения, задаваемые при получении различных сумм идущих подряд разностей фаз для обнаружения соответствующего сигнала, при этом для обнаружения такого сигнала достаточно обнаружения одного порогового значения. Данный процесс аналогичен временной корреляции.

Кроме того, первый и последний отсчеты базового сигнала умножают во времени на окно приподнятого косинуса, а на приеме отсчеты, вводимые в ДПФ, умножают на окно Хэмминга или аналогичное.

Чтобы повысить гибкость системы, на передаче и приеме осуществляют преобразование частоты базового сигнала.

Сигнал НП, используемый для занятия канала, также используют в других устройствах, таких как автоматический регулятор усиления (АРУ). При его использовании для автоматической регулировки усиления система способна чередовать амплитуду сигнала, что не сказывается на вероятности распознавания сигналов, поскольку для обнаружения сигнала НП используют только фазовую составляющую.

В предлагаемом в изобретении способе достигается справедливое сосуществование всех узлов, желающих получить доступ к коллективно используемой среде, при этом обеспечивают максимальную скорость доступа при отсутствии коллизий между запросами на занятие канала. Кроме того, благодаря использованию сигналов освобождения канала (КП) узлу-отправителю при занятии канала не требуется заранее знать объем информации, которая будет передана. Для передачи данных всем узлам также необязательно использовать одну и ту же технику модуляции, что за счет применения предлагаемого в изобретении способа позволяет сосуществовать разным технологиям. Преимуществом изобретения также является способ формирования сигналов занятия и освобождения канала, благодаря которому такие сигналы могут быть безошибочно обнаружены в сильно зашумленных каналах или каналах с низким отношением сигнал-шум (ОСШ) за счет повторения одного базового сигнала и обнаружения сигналов с использованием нескольких пороговых значений.

С целью обеспечить лучшее понимание настоящего описания, к нему приложены являющиеся его неотъемлемой частью чертежи, на которых иллюстративно и без ограничения объема изобретения представлен объект изобретения.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлен реальный пример, в котором узлы подключены к разным участкам электрической сети низкого напряжения и находятся в пределах взаимной доступности, на фиг. 2 - диаграмма с указанием максимальных периодов ожидания в зависимости от необходимого количества повторных передач, на фиг. 3 - типичный случай передачи данных, после чего узел А ждет произвольное время и осуществляется передача кадров ЗП/ГП, на фиг. 4 - особый случай расхождения двух запросов на передачу от двух узлов и способ разрешения такого расхождения, на фиг. 5 - вариант формирования сигналов НП (сигналов занятия канала) и сигналов КП (сигналов освобождения канала) с использованием определенного базового сигнала, на фиг. 6 - используемая на приеме функциональная схема обнаружения сигналов, необходимых для сосуществования узлов, на фиг. 7 - умножение на взвешивающую функцию символов, принятых при помощи показанной на фиг. 6 функциональной схемы, на фиг. 8 - графическое представление формы суммы фаз принятого сигнала и положение пороговых значений для обнаружения сигналов сосуществования.

Описание варианта осуществления изобретения

Далее описан пример осуществления изобретения со ссылкой на позиции, приведенные на чертежах.

В рассматриваемом варианте осуществления изобретения коллективно используемой средой является электрическая сеть, с которой соединены все узлы системы. Каждый узел также имеет блок 1, обеспечивающий коллективное использование среды и конкурирование в соответствии со способом, предлагаемым в изобретении.

Это видно на фиг. 1, где показано, что узлы А, В, С, Ό, Ε, Е, С и I подключены к одному участку электрической сети низкого напряжения, перед которым установлен понижающий трансформатор 2 для электрических кабелей.

Каждый из показанных на фиг. 1 узлов имеет блок 1, реализующий предлагаемый в изобретении способ для получения соответствующего доступа к среде.

- 3 008853

Когда тому или иному узлу необходимо осуществить передачу данных, он дает команду своему блоку 1, отвечающему за конкурирование. В такой команде указан приоритет сообщения, которое намерен передать узел, при этом такой приоритет в данном примере имеет уровни от 0 до 7, где 0 означает высший приоритет, а 7 - низший приоритет. В изобретении предусмотрено, что передают сигнал начала передачи (НП) и другой сигнал конца передачи (КП), которые описаны далее, без необходимости указывать размер передаваемого пакета, поскольку благодаря таким сигналам данная информация не требуется для успешного занятия канала.

Если канал свободен, поскольку отвечающий за конкурирование блок узла получил сигнал КП или время, в течение которого не был получен сигнал НП, превысило определенное значение, заданное как максимальное время занятости канала, то есть максимальное время для осуществления узлом передачи по каналу с обязательной последующей передачей сигнала КП, начинается конкуренция за канал.

В этот момент блок, отвечающий за конкурирование, выбирает произвольное значение в интервале от минимального значения до максимального значения, которые определяются приоритетом. В рассматриваемом примере произвольное значение выбирают в пределах от 1 до 2^п-1, где η - параметр, значение которого зависит от приоритета и количества осуществленных повторных передач. Значение п ограничено минимальным и максимальным значениями каждого приоритета и исходно установлено в минимальное положение, чтобы гарантировать минимально возможную длительность конкуренции за канал при отсутствии коллизий с другими запросами на занятие канала.

В одном из вариантов осуществления изобретения зависимость значения п от приоритета задана в таблице, которая известна всем узлам, осуществляющим предлагаемый в изобретении способ, и которая в данном примере выглядит следующим образом.

		Приоритет
		0	1	2	3	4	5	6	7
Значение п”	Исходное	5	5	5	4	4	4	3	3
Минимальное	5	5	5	4	4	4	3	3
Максимальное	9	8	7	9	8	7	8	7

В данном примере исходное значение приравнено к минимальному, чтобы оптимизировать процесс доступа к каналу при отсутствии коллизий с другими узлами, а максимальное значение ограничено, чтобы время ожидания узлов при отказах узлов или каналов связи не было чрезмерно длительным.

Чтобы произвольное значение, выбранное блоком 1, отвечающим за конкурирование, было действительно случайным, а не псевдослучайным, его получают при помощи сдвигового регистра, который использует последний бит аналого-цифрового преобразователя, в наибольшей степени зависящий от теплового шума в канале связи. Простой способ получения максимального значения 2^п-1 заключается в том, что в одном из вариантов осуществления выбирают п битов такого сдвигового регистра.

Блок, отвечающий за конкурирование, ожидает в течение времени, равного произвольному значению, умноженному на временное окно, которое в данном примере равно размеру отсчетов сигнала НП. Если в течение такого периода времени блок, отвечающий за конкурирование, не получит сигнала НП, считается, что этот блок выиграл конкуренцию, и он передает сигнал НП. В то же время, если блок получает сигнал НП, считается, что он проиграл конкуренцию, и блок фиксирует оставшееся время ожидания.

Если позже начнется новая конкуренция с тем же самым приоритетом, вместо произвольного значения будет использоваться значение, соответствующее остававшемуся времени ожидания. Таким образом, чем больше совершено попыток передачи с одинаковым приоритетом, когда в течение времени ожидания получен сигнал НП, тем выше вероятность получения доступа к каналу.

Для исключения коллизий предполагаемого к передаче сообщения с существующими передачами канал необходимо занять как на приеме, так и на передаче. С этой целью и узел-отправитель, и узелполучатель передают сигналы занятия и освобождения канала. Чтобы исключить шумы в канале, приводящие к ошибочному обнаружению сигналов КП, после начала обмена данными между узлом-отправителем и узлом-получателем такие сигналы освобождения фильтруют, предотвращая их поступление в блок, отвечающий за конкурирование.

Возможна ситуация, когда узел-отправитель выиграл конкуренцию, а узел-получатель не способен ответить, поскольку он либо обнаружил другое сообщение-передачу, либо выключен. По этой причине после занятия канала при помощи сигнала НП выполняют процедуру передачи запроса на передачу и готовности к передаче. Такой сигнал НП также используют для осуществления автоматической регулировки усиления на приеме. Поскольку это делается вне процесса передачи данных, изменение амплитуды сигнала не влияет на вероятность обнаружения переданных данных.

Узел-отправитель передает узлу-получателю кадр запроса на передачу (ЗП), а узел-получатель, если он способен поддерживать связь, в свою очередь, передает такому узлу-отправителю кадр готовности к передаче (ГП). После подтверждения возможности передачи узел-отправитель начинает осуществлять

- 4 008853 передачу данных, после чего узел-получатель передает кадр подтверждения приема таких данных.

На фиг. 3 проиллюстрирована происходящая без сбоев процедура обмена кадрами запроса на передачу и готовности к передаче. Сначала на шаге 3 происходит освобождение канала либо в результате приема сигнала КП, либо превышения максимального времени занятости канала, в течение которого не был получен сигнал НП. В этот момент узел А ожидает возможности передать информацию узлу В, для чего узел А сделал произвольный выбор времени 4 ожидания в зависимости от приоритета и количества повторных передач пакетов с таким же приоритетом, как это описано выше. По истечении времени ожидания, в течение которого не был получен сигнал занятия канала, узел А передает сигнал 5 НП, а затем передает узлу В кадр 6 запроса на передачу (ЗП). Узел В принимает кадр 6 и подтверждает его, передавая узлу А сигнал 5 НП, чтобы канал оставался занятым, а также кадр 7 готовности к передаче (ГП). После получения кадра 7 ГП узел А передает кадр 8 данных, которому предшествует еще один сигнал 5 НП, а после приема данных узел В передает подтверждение 9, которому предшествует еще один сигнал 5 НП. Наконец, узлы А и В одновременно передают сигнал 10 КП (сигнал освобождения канала), чтобы предоставить возможность обмена данными узлам, способным принять такой сигнал.

В одном из вариантов осуществления, в котором использованы особенности сигнала НП, при инициировании каким-либо узлом передачи кадра любого типа узел, прежде всего, передает такой сигнал НП, на основании которого на приеме осуществляют автоматическую регулировку усиления, чтобы компенсировать затухание переданного кадра в канале.

Когда узел-отправитель занимает канал и передает кадр ЗП, а узел-получатель передает кадр ГП, оба узла осуществляют фильтрацию сигналов КП, чтобы в результате ошибочного обнаружения таких сигналов не прервалось установленное соединение. Фильтрация сигналов КП прекращается, когда оба узла освобождают канал путем передачи сигнала КП или в случае возникновения ошибки связи.

Использование протокола с кадрами ЗП/ГП для направления запроса на передачу и сообщения о готовности к передаче является совершенно необязательным, а после осуществления занятия при помощи описанных сигналов сосуществования может быть использован протокол другого типа или не использован ни один из протоколов. Данные и кадры ЗП и ГП могут быть модулированы любым способом, доступным для некоторых из узлов сети, независимо от использования описанных сигналов сосуществования.

Существует особый случай, когда за получение доступа к каналу конкурируют два узла, которым необходимо обменяться информацией друг с другом. При этом их кадры ЗП в канале разойдутся, и, если эти кадры будут приняты правильно, в ответ на них могут быть созданы два кадра ГП с возникновением нескольких коллизий. Во избежание этого в случае расхождения сигналов ЗП передачу кадра ГП выполнит тот принявший ЗП узел, который имеет меньший МАС-адрес, т.е. адрес управления доступом к среде, чем у узла-получателя.

Этот особый случай проиллюстрирован на фиг. 4. В данном случае расходятся кадры 6а и 6Ь ЗП от узлов А и В. В момент 11 из узла В в узел А поступает кадр 6Ь ЗП, а в момент 12 из узла А в узел В поступает кадр 6а ЗП. Оба узла ранее предпринимали попытки получить доступ к каналу и ожидают получения кадра 7 ГП от другого узла, поэтому узлы сравнивают свои МАС-адреса и, поскольку МАС-адрес узла А меньше МАС-адреса узла В, узел А передает кадр ГП, а занятие им канала отменяется. Узел В принимает кадр ГП и продолжает нормальную передачу, посылая сигнал 5 НП и данные 8.

При обнаружении ошибки связи и невозможности осуществить такую связь после занятия канала, иными словами, если узел-получатель в ответ на кадр ЗП не передаст кадр ГП, узел-отправитель устанавливает, что конкуренция проиграна, и увеличивает значение величины п для вычисления очередного времени ожидания с данным приоритетом. Названное значение п ограничено максимальным значением, зависящим от приоритета. Это проиллюстрировано на фиг. 2, где в каждом столбце указано максимальное время ожидания, которое может быть выбрано для заданного приоритета. Как следует из фиг. 2, такое максимальное значение возрастает по экспоненте в зависимости от числа повторных передач, необходимых для получения доступа к каналу.

Если при завершении связи без ошибок значение п для приоритета такой связи не было равно исходному значению, иными словами, в предшествующих случаях имели место ошибки связи, для величины п снова будет задано исходное значение, также в зависимости от приоритета.

Как указано выше, и узел-отправитель, и узел-получатель должны осуществлять передачу сигналов НП и КП. Сигнал НП передают до передачи кадров ЗП, ГП, данных и подтверждения приема, а для передачи сигналов КП существует две возможности: узел-получатель передает их после передачи кадра подтверждения приема, а узел-отправитель - после получения кадра подтверждения приема, либо для обоих участников связи заранее вычисляют определенный момент для одновременной передачи такого сигнала. Второй способ является более предпочтительным, поскольку в этом случае может происходить одновременное освобождение канала как для узлов, способных принимать сигналы только узла-отправителя, так и узлов, способных принимать сигналы только узла-получателя.

Как описано выше, для реализации такого способа осуществления доступа к среде необходимы два сигнала занятия (сигнал 5 НП) и освобождения (сигнал 10 КП) канала. Для использования таких сигналов в электрической сети они должны иметь определенные характеристики, в числе которых можно отметить высокую чувствительность к частотно-избирательным каналам, малую длительность, простоту

- 5 008853 генерирования и обнаружения и сопротивление шумам, присутствующим в электрической сети.

Для этого сигналы 5 НП и 10 КП формируют на основе базового сигнала 13, который повторяют К раз, как показано, например, на фиг. 5. В зависимости от знаков, которые используют при каждом повторе, генерируют сигналы 5 НП или 10 КП. Сигнал 5 НП соответствует К повторов сигнала с одинаковым знаком, а сигнал 10 КП соответствует К повторов сигнала, но с чередованием знака при каждом повторе, иными словами, базовый сигнал передают без изменений, а затем в инвертированном виде, и так до выполнения К повторов. Это позволяет генерировать сигналы во времени, используя память, в которой хранятся отсчеты базового сигнала и которую считывают К раз, чтобы генерировать сигналы. На фиг. 5 проиллюстрирован пример генерирования таких сигналов на основе базового сигнала, при этом для К выбрано значение 6.

Способ также позволяет осуществлять передачу других сигналов с использованием других схем повторения базового сигнала. Например, в одном из вариантов осуществления, в котором требуется различать более двух пользователей, некоторые схемы могут выглядеть следующим образом: (+ + - -) или (+ + + ^{- +)}.

Число повторов может быть задано таким образом, чтобы обеспечить компромисс между длительностью сигнала и вероятностью его обнаружения. Иными словами, чем большее повторов, тем выше чувствительность (она возрастает на 3 дБ при каждом удвоении длительности сигнала) за счет увеличения длительности сигнала, что означает увеличение времени, необходимого для выполнения протокола.

Базовый сигнал также генерируют по частоте в виде ОЧУ-сигнала. Преимущество данного способа заключается в возможности точно определять частоты, занятые сигналами НП и КП. Чтобы сгенерировать базовый сигнал, несущие на частотах, которые нежелательно использовать, должны быть обнулены и иметь произвольное значение на остальных частотах. Такое произвольное значение обычно формируется из постоянной амплитуды и произвольной фазы, поэтому все используемые несущие имеют одинаковую мощность. За этот счет сигналы НП и КП передают только на частотах, которые система использует для передачи данных. Это является значительным преимуществом, поскольку узел занимает канал только на частотах, которые он желает использовать, и два узла, которые используют не перекрывающиеся диапазоны частот, могут осуществлять одновременную передачу, коллективно используя среду путем частотного разделения, что максимально повышает эффективность использования канала. Если диапазоны частот полностью или частично перекрываются, узлы обнаруживают сигналы занятия и освобождения канала и получают доступ к среде согласно описанному в изобретении способу за счет временного разделения.

Чтобы быстрее подавить боковые лепестки сигнала, базовый сигнал умножают во времени на окно приподнятого косинуса. Таким способом уменьшают внеполосное излучение сигналов и предотвращают взаимное обнаружение сигналов узлами, которые используют разные диапазоны частот, делающее возможным одновременный доступ к среде, поскольку, если частоты, используемые обоими узлами, не разделены в достаточной мере, могут иметь место ошибочные обнаружения сигналов НП и КП, которые вызваны излучением по боковым лепесткам, тогда когда каждый из узлов не должен обнаруживать сигналы другого узла, поскольку они используют разные диапазоны частот. За счет использования окна уменьшают минимальное разделение частот, при котором узлы, использующие разные диапазоны частот, не способны осуществлять взаимное обнаружение сигналов занятия и освобождения канала.

С целью обнаружения сигналов на приеме принятый сигнал подвергают последовательным ДПФ. Для осуществления таких ДПФ не требуется синхронизация узла-отправителя и узла-получателя, поскольку не имеет значения, в какой момент начинается операция. Это ясно проиллюстрировано на фиг. 7, где показан принимаемый сигнал и обработка методом окна, которую осуществляют при помощи ДПФ. Такое умножение на взвешивающую функцию явно не соответствует осуществляемому на передаче, но свойства сигнала сохраняются, поскольку каждому ДПФ подвергают один и тот же сигнал, и не имеет значения, что он в точности не соответствует базовому сигналу, так как детектор сигналов сравнивает один сигнал со следующим. На фиг. 6 показана блок-схема приемного устройства, которое включает блок 14 ДПФ. Затем блок 15 вычисляет фазу на каждой из несущих, которую на шаге 16 вычитают из фазы предыдущего символа, который был сохранен в памяти 17. Далее вычисляют абсолютные значения таких разностей фаз и на шаге 18 суммируют, чтобы затем на шаге 19 сравнить с пороговым значением

20. Если был передан сигнал НП, разности фаз близки к нулю, поскольку ДПФ осуществляют, используя тот же сигнал, и, следовательно, сигнал обнаруживают, если сумма разностей фаз окажется меньше порогового значения. Если был передан сигнал КП, разности фаз близки к 180°, а сигнал обнаруживают, если сумма фаз превышает пороговое значение. Чтобы система действовала правильно, число повторов базового сигнала должно быть равным или большим 3, поскольку при этом один сигнал всегда подвергают двум ДПФ независимо от окна приема. Когда в детектор сигналов поступают шумы канала, разности фаз равномерно распределены в интервале от 0 до 180°, а при суммировании разностей получают гауссово распределение согласно теореме о центральном пределе со средним значением 90° и дисперсией, уменьшающейся с увеличением количества просуммированных фаз. Чтобы снизить вероятность ошибочного обнаружения сигнала и максимально повысить чувствительность, определяют пороговые

- 6 008853 значения. При этом обрабатывают только несущие, которые соответствуют частотам, используемым узлом-получателем.

Чтобы усовершенствовать работу детектора сигналов на частотно-избирательных каналах, несущие на выходе ДПФ делят на подгруппы в зависимости от их положения по частоте и вычисляют суммы фаз в каждой из таких подгрупп. Достаточно обнаружения сигнала лишь в одной из подгрупп, поскольку это соответствует случаю, когда сигнал с достаточным уровнем, превышающим уровень шума, принимают лишь на таких частотах.

Другое возможное усовершенствование заключается в том, что осуществляют временную корреляцию двух сумм разностей фаз. При условии, что базовый сигнал передан несколько раз подряд, при осуществлении ДПФ в узле-получателе сумма фаз будет отвечать условиям обнаружения на протяжении нескольких символов подряд. В других случаях пороговое значение не достигается, но сумма фаз приближается к нему на протяжении нескольких идущих подряд символов. Данный факт может быть использован для выбора второго порогового значения, которое несколько выше первого порогового значения в случае сигнала НП и несколько ниже его в случае сигнала КП, для обнаружения сигнала в том случае, когда пороговое значение достигнуто на протяжении двух символов подряд. Аналогичным образом, такую же операцию осуществляют в отношении трех символов подряд и т.д.

На фиг. 8 отображен результат суммирования фаз на протяжении нескольких символов подряд. Четыре линии 23, 24 отображают пороговые значения, две нижние 23 из которых относятся к сигналам НП, а две верхние 24 - к сигналам КП. Показано, что сумма фаз изначально равна промежуточному значению, лежащему между пороговыми значениями, указывая на то, что не принят ни один из двух сигналов, но между 10 и 15 символами она уменьшается, из чего следует, что принят сигнал НП, который в данном случае был бы обнаружен при помощи обоих пороговых значений. Далее, между 30 и 35 символами отмечен подъем, соответствующий сигналу КП. В данном случае он обнаружен как раз при помощи второго порогового значения, поскольку на протяжении двух символов подряд сумма фаз превышала это пороговое значение.

На приеме отсчеты, вводимые в ДПФ, умножают на окно Хэннинга или окно аналогичного типа, при помощи чего выравнивают вероятность ошибочного обнаружения сигналов НП и сигналов КП. На фиг. 6 блок умножения на окно показан позицией 22.

На передаче и приеме осуществляют преобразование частоты цифровых сигналов с переносом в другой диапазон, что отображено позицией 21 применительно к приемному устройству. Это делает систему более гибкой, так как сигнал может быть помещен в любой диапазон частот. Еще одно преимущество состоит в возможности поддержания симметрии сигналов после преобразования частоты или до него. В первом случае сигналы могут обнаруживать системы с переносом спектра сигнала в определенную полосу пропускания и системы с использованием основной полосы частот, а если симметрия не поддерживается, сигналы обнаруживают лишь системы с преобразованием частоты сигнала приеа, точно так же, как сигналы, переданные в основной полосе, обнаруживают лишь узлы, осуществляющие прием в основной полосе. Благодаря этому системы с преобразованием частоты и без него могут коллективно использовать канал при помощи способа, предлагаемого в настоящем изобретении, либо действовать как две независимые группы.

Как было показано, приемное устройство никогда не использует динамические данные ни на одной несущей, что позволяет принимать сигналы с одновременной коррекцией усиления в приемном устройстве. Такая коррекция затрагивает амплитуду несущих, но не их фазу. Усилитель приемного устройства должен быть рассчитан таким образом, чтобы фаза передаточной функции не менялась при разных коэффициентах усиления.

Claims (29)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Способ разрешения доступа множества узлов сети связи к средству передачи данных по электрической сети, включающий обмен информацией между разными системами с использованием в качестве канала связи электрической сети, протокола доступа к передающей среде и сигналов для реализации такого протокола, отличающийся тем, что для занятия и освобождения канала используют два разных сигнала: соответственно сигнал (5) начала передачи и сигнал (10) конца передачи, обнаруживаемые всеми системами в сети, узел, желающий получить доступ к каналу, ожидает освобождения канала (3) и затем устанавливает период конкуренции (4) за канал, в течение которого этот узел ждет истечения произвольного отрезка времени, прежде чем отправить сигнал (5) начала передачи для занятия канала, либо отказывается от занятия канала, если до истечения своего времени (4) ожидания он обнаружит сигнал (5) начала передачи, после занятия узлом канала при помощи сигнала (5) начала передачи устанавливают максимальное время для передачи информации, после чего передается сигнал (10) конца передачи.
2. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что узел рассматривает канал (3) как освобожденный при получении им сигнала (10) конца передачи.

   - 7 008853
3. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что узел рассматривает канал (3) как освобожденный, если время, прошедшее после сигнала (5) начала передачи для занятия канала, превысило заданное максимальное время занятости канала или если время, прошедшее с момента инициализации узла, превысило заданное максимальное время занятости канала, и при этом не было получено сигнала (5) начала передачи.
4. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что время (4) ожидания узла до передачи сигнала (5) начала передачи выбирают произвольным образом на интервале от минимального значения до максимального значения в зависимости от приоритета подлежащих передаче данных, перегрузки канала и предыдущего использования канала этим узлом.
5. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве времени (4) ожидания выбирают время, остававшееся до окончания выбранного произвольного отрезка времени непосредственно предшествующего периода конкуренции за канал, если узел пытался передать информацию и проиграл ту конкуренцию за канал, получив сигнал (5) начала передачи в течение указанного выбранного времени ожидания.
6. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что два узла, участвующие в обмене информацией, посылают сигналы (5) начала передачи и сигналы (10) конца передачи по каналу, ранее занятому узломотправителем.
7. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что после занятия канала сигналы (10) конца передачи, принимаемые в периоды передачи данных (8) узлом-отправителем узлу-получателю и подтверждения (9) приема данных узлом-получателем узлу-отправителю, подвергают фильтрации.
8. 8. Способ по п.1, отличающийся тем, что произвольное значение времени ожидания при конкуренции (4) за канал получают при помощи одного или нескольких разрядов аналого-цифрового преобразователя.
9. 9. Способ по п.1, отличающийся тем, что при получении узлом доступа к каналу после передачи сигнала (5) начала передачи этот узел передает узлу-адресату кадр (6) запроса на передачу.
10. 10. Способ по п.9, отличающийся тем, что при получении узлом кадра (6) запроса на передачу он передает управляющий кадр (7) готовности к передаче при условии, что канал не был ранее занят при получении кадра (6) запроса на передачу.
11. 11. Способ по п.9, отличающийся тем, что при получении узлом кадра запроса (6) на передачу от узла, которому он ранее передал кадр запроса (6) на передачу после занятия канала, этот узел передает управляющий кадр (7) готовности к передаче при условии, что его МАС-адрес (адрес для управления доступом к среде) меньше, чем МАС-адрес узла-адресата.
12. 12. Способ по п.10 или 11, отличающийся тем, что при получении узлом управляющего кадра (7) готовности к передаче от узла, которому он передал кадр запроса (6) на передачу, этот узел осуществляет передачу кадра данных (8).
13. 13. Способ по п.12, отличающийся тем, что при получении узлом кадра данных (8) от узла, которому он передал управляющий кадр (7) готовности к передаче, этот узел передает кадр подтверждения (9) приема данных и сигнал (10) конца передачи, завершая связь.
14. 14. Способ по п.4, отличающийся тем, что при обнаружении ошибки связи с узлом-получателем после занятия канала максимальное время ожидания узла-отправителя при последующих конкуренциях за канал увеличивается.
15. 15. Способ по п.14, отличающийся тем, что если занятие канала и связь с узлом-получателем завершились без ошибок, максимальное время ожидания узла-отправителя устанавливают на исходное значение.
16. 16. Способ по п.13, отличающийся тем, что узел-отправитель передает сигнал (10) конца передачи при получении кадра подтверждения (9) приема от узла, которому он передал данные (8) после занятия канала.
17. 17. Способ по п.13, отличающийся тем, что узел-отправитель передает сигнал (10) конца передачи в определенный момент времени, предварительно рассчитанный таким образом, чтобы сигналы (10) конца передачи, переданные узлом-отправителем и узлом-получателем, совпали в предварительно заданном временном окне.
18. 18. Способ по п.1, отличающийся тем, что сигнал (5) начала передачи состоит из η повторов одного и того же базового сигнала (13).
19. 19. Способ по п.1, отличающийся тем, что сигнал (10) конца передачи состоит из η повторов одного и того же базового сигнала (13) с чередованием знаков при каждом повторе.
20. 20. Способ по п.1, отличающийся тем, что помимо сигнала (5) начала передачи и сигнала (10) конца передачи генерируют другие сигналы с использованием разных схем повторения базового сигнала (13).
21. 21. Способ по пп.18, 19 или 20, отличающийся тем, что в качестве базового сигнала (13) используют сигнал, модулированный по схеме ортогонального частотного уплотнения (ОЧУ), несущие которого устанавливают на произвольное значение, если эти частоты используют для передачи данных, или устанавливают на нуль, если эти частоты не используют для передачи данных.
22. 22. Способ по п.21, отличающийся тем, что узлам, использующим разные диапазоны частот, предоставляют одновременный доступ к передающей среде.

    - 8 008853
23. 23. Способ по п.21, отличающийся тем, что обнаружение сигнала (5) начала передачи и сигнала (10) конца передачи заключается в последовательном выполнении дискретных преобразований Фурье (ДПФ) (14) принятого сигнала, вычислении разности (16) фаз (15) несущей между одним ДПФ и предшествующим ему ДПФ (17) и суммировании (18) всех разностей фаз для несущих, занимающих частоты, используемые узлом-получателем, при этом условием обнаружения (19) сигнала (5) начала передачи является недостижение указанной суммой предварительно установленного порогового значения (23), а условием обнаружения сигнала (10) конца передачи - превышение другого предварительно установленного порогового значения (24).
24. 24. Способ по п.23, отличающийся тем, что суммирование (18) разностей фаз проводят по частотным поддиапазонам в полосе частот, используемой узлом-получателем, при этом для обнаружения сигнала (5) начала передачи или сигнала (10) конца передачи достаточно его обнаружения в одном поддиапазоне.
25. 25. Способ по п.23 или 24, отличающийся тем, что для каждого типа сигнала: сигнала (5) начала передачи или сигнала (10) конца передачи, используют разные пороговые значения (23) и (24), задаваемые при получении различных сумм (18) идущих подряд разностей фаз для обнаружения соответствующего сигнала начала или конца передачи, при этом для обнаружения такого сигнала достаточно обнаружения одного порогового значения.
26. 26. Способ по п.21, отличающийся тем, что первый и последний отсчеты базового сигнала умножают во времени на окно приподнятого косинуса.
27. 27. Способ по п.23, отличающийся тем, что на приеме отсчеты, вводимые в ДПФ (14), умножают на окно (22) Хэмминга или окно аналогичного типа.
28. 28. Способ по п.21, отличающийся тем, что на передаче и на приеме осуществляют преобразование (21) частоты сигнала.
29. 29. Способ по п.1, отличающийся тем, что сигнал (5) начала передачи также используют для осуществления автоматической регулировки усиления.