多速率混合的電力線寬帶接入系統及其中繼器的制作方法

專利名稱：多速率混合的電力線寬帶接入系統及其中繼器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種通信系統，特別涉及一種通過電力線進行高速通信的系統及其中繼器。
背景技術：
電力線通信技術(Power Line Communication Technology)簡稱PLC或PLT(以下簡稱為PLC)，是指利用電力線傳輸數據和話音信號的一種通信方式。電力線通信并不是什么新技術，已經有幾十年的發展歷史，在中高壓輸電網(35kV以上)上通過電力載波機利用較低的頻率(9-490kHz)以較低速率傳送遠動數據或話音，就是電力線通信技術應用的主要形式之一。隨著國內城鄉配電網改造工作的日益深入，不少廠商開始研制用于中壓(10kV)配電網通信的配網載波機，數據傳輸速率可以達到1200bps。在低壓(220V)領域，PLC技術首先用于負荷控制、遠程抄表和家居自動化，其傳輸速率一般為1200bps或更低，稱為低速PLC。近幾年國內外開展的利用低壓電力線傳輸速率在1Mbps以上的電力線通信技術稱之為高速PLC。
近年來，隨著Internet技術的飛速發展，登錄上網的人數成倍增長。然而，采用何種通信方式使用戶終端連接到最近的寬帶網絡連接設備，成為長期困擾人們的難點之一，也是Internet普及的瓶頸之一，被業內人士稱為寬帶網絡接入的“最后一公里”問題。利用四通八達、遍布城鄉、直達用戶的220V低壓電力線傳輸高速數據的PLC技術以其不用布線、覆蓋范圍廣、連接方便的顯著特點，被業內人士認為是提供“最后三百米”解決方案最具競爭力的技術之一。目前高速PLC已可傳輸高達45Mbps的數據，而且能同時傳輸數據、語音、視頻和電力，有可能帶來“四網合一”的新趨勢。
同其他通信方式相比，高速PLC具有如下優點。
1)充分利用現有的低壓配電網絡基礎設施，無需任何布線，是一種“No New Wires”技術，節約了資源。無需挖溝、無需穿墻打洞，避免了對建筑物和公用設施的破壞，同時也節省了人力。
2)可以為用戶提供高速因特網訪問服務、IP話音服務，從而使用戶上網和打電話增加了新的選擇，有利于其它電信服務商改善服務、降低價格。
3)對家庭聯網提供支持，使人們可以盡享由PLC技術帶來的家庭音、視頻網絡，多人對抗游戲等娛樂。
4)是家居自動化的生力軍，通過遍布各個房間的墻上插座將智能家電聯網，提前享用數字化家庭的舒適和便利。
5)利用PLC的永久在線連接，構建的防火、防盜、防有毒氣體泄漏等的保安監控系統，讓上班族高枕無憂；構建的醫療急救系統，讓家有老人、孩子和病人的家庭倍感方便。
6)遠程自動讀出水、電、氣表數據，使公用事業公司節省大量費用，也方便了用戶。
7)為電力公司提供負荷控制、需求側管理的新手段，提高電力公司管理水平。
8)使電力公司以極低的投資就可以進入ISP、ICP和話音等電信服務市場，成為新的利潤增長點。電力公司能夠以低廉的價格為用戶提供電信服務，在電信市場上更具競爭力。
9)實現“四網合一”，創造巨大的經濟和社會效益。
英國聯合電力公司的子公司Norweb通訊公司在1990年開始對電力線載波通訊進行研究。1995年，該公司又與加拿大Nortel(北電網絡)公司聯手，共同開發這項新技術。1995～1997年的兩年間，Norweb和Nortel公司已經成功地在英國曼徹斯特對20個居民用戶進行了試驗，其中包括話音服務。1997年10月，這兩家公司聲稱已經解決了電力噪聲等問題，取得了電力線載波技術的重大突破，利用新開發的數字電力線載波技術DPL(Digital Power Line，數字電力線)實現了在低壓配電網上進行1Mbps的遠程通訊，從而將四通八達的電力線轉化為信息高速公路。1998年3月25日，成立合資公司NOR.WEB，進行該技術的市場推廣。
從此以后，許多國家的研究機構開展了高速電力線技術的研究和開發，如美國的Intellon、Inari(Intelogis)公司，以色列的ITRAN、Main.Net公司，韓國的Xeline公司，瑞士的ASCOM公司，德國的Polytrax公司，西班牙的DS2公司等，產品的傳輸速率也從1Mbps發展到2Mbps、14Mbps、24Mbps，甚至45Mbps。
45Mbps電力線高速數據通信系統是目前世界上傳輸速率最高的PLC系統，通過位于配電變壓器的主機(簡稱頭端設備)、用于信號放大和再生的中繼器(簡稱HG)以及終端(簡稱CPE)設備的組網，基本上可以滿足同一配變變壓器范圍內低壓電力網上高速數據信息的傳輸，并提供高速Internet訪問、IP電話、視頻點播、網絡游戲、網上聊天、網上購物等高速接入服務。
45Mbps系統的組網原理為將2～38MHz的整個頻段分為Link1、Link2、Link3、Link4共4個頻段使用，每個頻段的頻寬為6.3MHz，用戶可以使用其中的1個頻段傳輸數據。將頻率分段使用，便于進行信號中繼，具有一定的優越性。但是在現場安裝使用的中發現，在縱向主干電力線信道中產生的干擾相對較小，而橫向入戶時電力線信道中的干擾容易集中在45Mbps使用的某一頻段內，致使用戶端和主站之間通信性能變差。而美國Intellon公司開發的14Mbps系統，使用4～20MHz頻段進行數據傳輸，頻寬高達16MHz，一般的干擾源只能影響其中一部分頻段的數據傳輸，剩余的其他頻段仍然能夠支持用戶端與主站的通信，因此14M電力線高速通信系統在最后100米的用戶接入上具有一定的優勢。但是由于使用頻段過寬，該系統無法實現遠距離中繼傳輸。這樣，將這兩個系統混合組網應用，取長補短，是很有意義的。
另外，45Mbps芯片價格較高，基于DS2芯片的45Mbps電力線高速通信系統的成本過高。考慮到我國家庭目前寬帶上網設備支出的承擔能力，加之大部分小區的Internet出口僅能提供10Mbps帶寬，使用45Mbps系統直接入戶，既不可能也無必要。
基于上述成本及45Mbps和14Mbps系統各自優缺點考慮，我們研究開發了集45Mbps和14Mbps系統優點于的高速PLC混合組網系統。混合組網方式有效地降低了系統成本，在性能價格比上有一定的優勢，更符合我國PLC技術推廣應用的國情。

發明內容
在所接入的居民樓內，本發明使用45Mbps系統作為縱向主干，實現小區配電變壓器至大樓各樓層之間的通信，發揮該系統所具有的系統管理、頻分復用、多級中繼的優勢，實現信號的遠距離中繼；14Mbps系統用于樓層至用戶家庭內部的橫向接入，充分利用其適應電網能力強、成本低廉的特點。多速率混合接入系統大大減少了昂貴的45Mbps系統終端設備的使用量，提高了對電網波動的適應能力、抗噪聲能力以及系統的性能價格比。
針對兩個系統所使用的頻率相互重疊，技術體制和網絡結構完全不同的問題，該多速率混合接入系統解決了兩個系統頻率復用、高頻信號耦合和接續、數據鏈接等關鍵問題，很好實現了兩個系統在同一配電網中的綜合應用。
45Mbps電力線高速通信系統與14Mbps電力線高速通信系統是兩種完全不同的PLC系統。從物理層到媒體訪問控制(MAC)層，從組網結構到應用都存在很大的差異。
在物理層和MAC層實現兩個高速PLC系統的組網，由于頻段重疊和MAC層的差異，直接將兩個高速PLC系統混合組網是不能夠實現的。因此，直接通過兩PLC系統的調制解調設備之間的互連不能實現這兩個PLC系統之間的混和組網。
在物理載波通道上，由于傳輸高頻載波信號的低壓配電網信道的共享特性，在同一低壓配電網上同時應用不同的高速PLC系統，必然由于頻段的重疊而相互沖突，互相干擾而不能正常工作。解決這一個問題的辦法是應用頻分復用(FDM)技術，即兩個或多個不同的高速PLC系統分別使用不同的載波頻段，共享同一低壓配電網信道而相互不產生沖突。
為了實現上述目的，根據本發明的第一個方面，在此提供一種多速率混合的電力線接入系統，其中包括頭端設備，其與互聯網相連接并且接收來自互聯網的數據信號，把該數據信號調制為第一頻段內具有第一數據傳輸速率的第一載波信號，所述頭端設備還連接到電力線并且通過所述電力線傳輸該第一載波信號；中繼器，其中包括與電力線相連接的終端設備和通過數據線與所述終端設備相連接并且與所述電力線相連接的網橋，所述終端設備接收來自所述頭端設備的第一載波信號，把其解調為數據信號，通過該數據線把所述數據信號傳送到所述網橋，所述網橋把該數據信號調制為第二頻段內具有第二傳輸速率的第二載波信號，把所述第二載波信號通過電力線傳輸。
根據本發明的第二個方面，在此提供一種多速率混合的電力線接入系統，其中包括頭端設備，其與互聯網相連接并且接收來自互聯網的數據信號，把該數據信號調制為第一頻段內具有第一數據傳輸速率的第一載波信號，并通過電力線傳輸該第一載波信號；第一中繼器，其連接到電力線并接收通過電力線來自頭端設備的第一載波信號，對該第一載波信號進行放大并調制為與第一頻段不重疊的第二頻段內具有所述第一數據傳輸速率的第二載波信號，然后通過所述電力線傳輸所述第二載波信號；第二中繼器，其中包括與電力線相連接的終端設備和通過數據線與所述終端設備相連接并且與所述電力線相連接的網橋，所述終端設備接收所述第二載波信號，把其解調為數據信號，通過該數據線把所述數據信號傳送到所述網橋，所述網橋把該數據信號調制為第三頻段內具有第二傳輸速率的第三載波信號，然后把所述第三載波信號通過所述電力線傳輸。
根據本發明的第三個方面，在此提供一種用于連接不同速率的電力線接入系統的中繼器，其中包括終端設備，其與電力線相連接，接收來自第一速率的電力線接入系統的在第一頻段內第一載波信號，把其解調為數據信號并通過該數據線輸出；網橋，其通過數據線與所述終端設備相連接以及與所述電力線相連接，并且接收來自終端設備的數據信號，把所述數據信號調制為第二頻段內具有第二傳輸速率的第二載波信號，然后把所述第二載波信號通過電力線傳輸到第二速率的電力線接入系統。


下面結合

本發明的優選實施例，其中圖1為示出本發明的電力線寬帶接入系統中所用的中繼器的示意圖；圖2為示出本發明的電力線寬帶接入系統中所用的低通濾波器的電路圖；圖3為圖2中所示的低通濾波器的衰減-頻率特性的測試曲線圖；圖4為示出本發明的電力線寬帶接入系統中所用的高通濾波器的電路圖；圖5為圖4中所示的高通濾波器的衰減-頻率特性的測試曲線圖；圖6為示出本發明的多速率混合的電力線寬帶接入系統。
具體實施例方式
一般來說，低壓電力線高速PLC系統所使用的頻率范圍為1～38MHz，45Mbps電力線高速通信系統與14Mbps電力線高速通信系統在頻率上有較大的重疊部分。45Mbps電力線高速通信系統將整個頻段分成3個頻段，可以實現在整個系統中的頻分中繼；同理，在14Mbps電力線高速通信系統中也可以應用同樣的原理將整個頻段分成上下兩個頻段，分別為4.6MHz～13MHz及13MHz～20.7MHz，如此，不僅可以在14Mbps電力線高速通信系統內實現系統內的頻分中繼，也可以與45Mbps電力線高速通信系統實現兩個系統之間的頻分中繼。
PLC系統及其設備是實現高速網絡數據接入的一種數據傳輸系統。對數據終端設備(如PC機、網絡設備等)而言，PLC設備只是一個信號從數字到模擬調制解調的數據傳輸設備，其對數據終端設備提供通用標準的數據接口(如符合IEEE802.3以太網標準)，并將數據終端設備過來的以太網幀格式的數據包進行MAC層和物理層打包后調制到載波信道；在對端的PLC設備進行相反的過程，將解調并拆包后的以太網幀格式的數據包(透明)的傳輸給數據終端設備。這樣，在數據鏈路層上，由于高速PLC設備對數據終端設備數據包的透明傳輸，在該接口上可以實現不同PLC系統及其設備的數據傳輸。
通過上面的分析和研究可見，分別從數據鏈路層和物理層載波通道進行改造開發就可以實現兩PLC系統間的混合組網。下面是相應的技術方案及實現1.中繼器在數據鏈路層上用直連的RJ45以太網連接線將45Mbps電力線高速通信系統的CPE設備與14Mbps電力線高速通信系統的EPLC-14ME以太網橋設備相連，即可實現網絡數據包的傳輸。
如圖1中所示，其中示出本發明的電力線寬帶接入系統中所用的中繼器1的示意圖。該中繼器1把兩個不同速率的PLC系統相連接。圖1左側是45Mps的高速電力線通信系統，其中CPE設備11是常規的45Mps高速電力線通信系統中所用的終端，在本發明中用作為中繼器1的一部分，其包含一個以太網接口14。圖1的右側是一種14Mps高速電力線通信系統，其中14M網橋12是在常規的14Mps高速電力線通信系統中所用的以太網橋設備，可以使用EPLC-14ME來實現，其用于把來自以太網接口15的數據信號轉換為14Mps的載波信號，該載波信號在電力線2傳送到各個終端用戶。在本發明中，該14M網橋12被用作為中繼器1的一部分，通過以太網接口15經以太網連接線16與CPE設備11的以太網接口14相連接，用于傳輸IP格式的數據信號。從而實現了兩個高速PLC系統在數據鏈路層上的中繼。這種中繼看上去似兩個調制解調設備背靠背的連接，可稱其為背靠背中繼器。從邏輯組網角度區分，這兩個高速調制解調設備(CPE設備及EPLC-14ME設備)分屬兩個高速PLC系統。
2.線路濾波器在物理層上，要實現兩個不同的高速PLC系統的無沖突中繼連接，就必須在物理層載波頻率上采用頻分復用(FDM)技術。即兩個不同的高速PLC系統分別使用無頻率重疊的頻段，實現在同一配電網電力線上的中繼連接和混合組網。
45Mbps電力線高速通信系統本身已應用頻分復用(FDM)技術實現中繼的組網機制，因而，其與14Mbps電力線高速通信系統實現中繼混合組網時，只需對14Mbps電力線高速通信系統的設備進行頻率的分段改進，以便這兩個高速PLC系統實現無沖突中繼混合組網。
這樣，實現的關鍵是線路濾波器的設計和實現，以對14Mbps電力線高速通信系統及設備所使用的頻率進行分段。為此本發明在14M網橋12與電力線2的連接處增加一個濾波器17進行濾波。
1)混合組網中14Mbps電力線高速通信系統FDM方案14Mbps電力線高速通信系統使用的頻率為4.6MHz～20.7MHz，將其分為下上兩個頻段，即4.6MHz～13MHz(L下)和13MHz～20.7MHz(L上)，下頻段僅與45Mbps電力線高速通信系統的L1頻段有重疊，而與L2、L3頻段無重疊，這樣下頻段可以與L2、L3頻段作混合組網中繼；同樣，上頻段可以與L1、L3頻段作混合組網中繼。
2)低通濾波器的設計一種設計的fc＝11MHz、fs＝13MHz的低通濾波器電路如圖2所示。
該L-C低通濾波器3dB截止頻率為11MHz，在13MHz處衰減≥-40dB。用掃頻儀測試的衰減-頻率特性如圖3曲線所示。測試輸入信號電平為0dB，從測試曲線可見，與設計要求指標基本一致。
3)高通濾波器的設計一種設計的fc＝13MHz、fs＝11MHz的高通濾波器電路如圖4所示。
由圖4可見，該L-C高通濾波器3dB截止頻率為13MHz，在11MHz處衰減≥-40dB。用掃頻儀測試的衰減-頻率特性如圖5曲線所示。測試輸入信號電平為0dB，從測試曲線可見，與設計要求指標基本一致。
3)混合組網系統的實現應用上面介紹的中繼器和頻分復用原理，可以實現45Mbps電力線高速通信系統和14Mbps電力線高速通信系統在同一低壓配電網的混合組網。
在混合組網系統中，45Mbps電力線高速通信系統可以使用的頻段有L1、L2、L3 3個頻段；而14Mbps電力線高速通信系統僅做了L下、L上兩個頻段的劃分。
為了增強混合組網系統的有效性，更好的利用45Mbps電力線高速通信系統和14Mbps電力線高速通信系統的系統性能，混合組網方案將45Mbps高速PLC系統做為骨干接入網絡，應用其寬帶高速性能及其完善的網絡管理功能；而在用戶接入部分采用14Mbps電力線高速通信系統，14Mbps高速PLC系統通信能力強，設備體積小功耗低，適用于用戶終端，一種實際應用的混合組網系統如圖6所示。
在圖6中，互聯網3通過網線與路由器4相連接，路由器4通過網線與45Mbps系統的頭端設備5相連接，頭端設備5把來自路由器4的IP數據信號轉換為在頻段L1內的適合在電力線2上傳輸的載波信號并且輸出到電力線2，45Mbps系統中的HG 6也連接到電力線2，并且接收由頭端設備5發出的頻段為L1的載波信號，然后把該載波信號中繼放大并調制為L3頻段的載波信號在電力線2上繼續傳輸到中繼器1，中繼器1中的CPE設備11接收來自HG 6的載波信號并且把其解調為IP數據信號通過以太網連接線16傳送到中繼器1中的14M網橋12。請注意，圖6中所示的互聯網3、路由器4、頭端設備5、HG 6和CPE設備11構成45Mbps系統，在頻段L1、L3和以太網連接線16上傳輸數據的速率為45Mbps。L1和L3為45Mbps系統中所用的兩個不重疊的頻段，在這些頻段上傳輸的載波信號不會相互干擾。
14M網橋12接收來自CPE設備11的IP數據信號之后，把其放大和調制為在電力線2上以L上頻段和14Mbps的速率傳輸的載波信號并且在電力線2上傳送到終端用戶。在終端用戶處使用14Mbps系統的終端接收L上頻段的載波信號，并且解調為IP數據信號。從而實現一種廉價的多速率混合的電力線寬帶接入系統。
盡管上文已經對本發明進行了描述，但上述描述只是為了說明的目的，本領域普通技術人員可以對其進行不脫離本發明精神的各種改變。例如圖6中的HE 5可以被省略，從而L1和L3頻段合為一個頻段，另外在14M網橋12中可以使用高通濾波器或低通濾波器來把數據信號調制在不同的頻段內，如果14M網橋12把使用低通濾波器把數據信號調制在L下頻段內，則在45Mbps電力線高速通信系統應當選用與該L下頻段不重疊的L2和L3頻段。因此，本發明的保護范圍應當由后附的權利要求書來限定而不限于上述結合附圖的具體描述。
權利要求
1.一種多速率混合的電力線接入系統，其中包括頭端設備(5)，其與互聯網(3)相連接并且接收來自互聯網(3)的數據信號，把該數據信號調制為第一頻段內具有第一數據傳輸速率的第一載波信號，所述頭端設備(5)還連接到電力線(2)并且通過所述電力線(2)傳輸該第一載波信號；中繼器(1)，其中包括與電力線(2)相連接的終端設備(11)和通過數據線(16)與所述終端設備(11)相連接并且與所述電力線(2)相連接的網橋(12)，所述終端設備(11)接收來自所述頭端設備(5)的第一載波信號，把其解調為數據信號，通過該數據線(16)把所述數據信號傳送到所述網橋(12)，所述網橋(12)把該數據信號調制為第二頻段內具有第二傳輸速率的第二載波信號，把所述第二載波信號通過電力線(2)傳輸。
2.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述第一數據傳輸速率大于所述第二數據傳輸速率。
3.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述第一頻段與所述第二頻段不重疊。
4.根據權利要求1或3所述的系統，其特征在于，所述網橋(12)通過濾波器與電力線(2)相連接。
5.根據權利要求4所述的系統，其特征在于，所述濾波器為低通濾波器。
6.根據權利要求4所述的系統，其特征在于，所述濾波器為高通濾波器。
7.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，其中所述頭端設備(5)通過路由器(4)與互聯網(3)相連接。
8.根據權利要求1所述的系統，其特征在于所述系統中的各個裝置的信號處理過程以及信號流方向是可逆的。
9.根據權利要求1所述的系統，其中所述第二頻段為4.6MHz～13MHz或13MHz～20.7MHz。
10.一種多速率混合的電力線接入系統，其中包括頭端設備(5)，其與互聯網(3)相連接并且接收來自互聯網(3)的數據信號，把該數據信號調制為第一頻段內具有第一數據傳輸速率的第一載波信號，并通過電力線(2)傳輸該第一載波信號；第一中繼器(6)，其連接到電力線(2)并接收通過電力線(2)來自頭端設備(5)的第一載波信號，對該第一載波信號進行放大并調制為與第一頻段不重疊的第二頻段內具有所述第一數據傳輸速率的第二載波信號，然后通過所述電力線(2)傳輸所述第二載波信號；第二中繼器(1)，其中包括與電力線(2)相連接的終端設備(11)和通過數據線(16)與所述終端設備(11)相連接并且與所述電力線(2)相連接的網橋(12)，所述終端設備(11)接收所述第二載波信號，把其解調為數據信號，通過該數據線(16)把所述數據信號傳送到所述網橋(12)，所述網橋(12)把該數據信號調制為第三頻段內具有第二傳輸速率的第三載波信號，然后把所述第三載波信號通過所述電力線(2)傳輸。
11.根據權利要求10所述的系統，其特征在于，所述第一數據傳輸速率大于所述第二數據傳輸速率。
12.根據權利要求10所述的系統，其特征在于所述系統中的各個裝置的信號處理過程以及信號流方向是可逆的。
13.根據權利要求10所述的系統，其中所述第二頻段為4.6MHz～13MHz或13MHz～20.7MHz。
14.一種用于連接不同速率的電力線接入系統的中繼器，其中包括終端設備(11)，其與電力線(2)相連接，接收來自第一速率的電力線接入系統的在第一頻段內第一載波信號，把其解調為數據信號并通過該數據線(16)輸出；網橋(12)，其通過數據線(16)與所述終端設備(11)相連接以及與所述電力線(2)相連接，并且接收來自終端設備(11)的數據信號，把所述數據信號調制為第二頻段內具有第二傳輸速率的第二載波信號，然后把所述第二載波信號通過電力線(2)傳輸到第二速率的電力線接入系統。
15.根據權利要求14所述的中繼器，其特征在于所述第一速率高于所述第二速率。
16.根據權利要求14所述的中繼器，其特征在于，所述第一頻段與所述第二頻段不重疊。
17.根據權利要求14或15所述的中繼器，其特征在于，所述網橋(12)通過濾波器與電力線(2)相連接。
18.根據權利要求17所述的中繼器，其特征在于，所述濾波器為低通濾波器。
19.根據權利要求17所述的中繼器，其特征在于，所述濾波器為高通濾波器。
20.根據權利要求14所述的中繼器，其特征在于所述系統中的各個裝置的信號處理過程以及信號流方向是可逆的。
全文摘要
本發明提供一種多速率混合的電力線接入系統，其中包括頭端設備，其與互聯網相連接并且接收數據信號，把該數據信號調制為第一頻段內具有第一數據傳輸速率的第一載波信號，頭端設備還連接到電力線并且通過電力線傳輸該第一載波信號；中繼器，其中包括與電力線相連接的終端設備和通過數據線與終端設備相連接并且與電力線相連接的網橋，終端設備接收來自頭端設備的第一載波信號，把其解調為數據信號，通過該數據線把數據信號傳送到網橋，網橋把該數據信號調制為第二頻段內具有第二傳輸速率的第二載波信號，把第二載波信號通過電力線傳輸。本發明還提供一種用于上述系統中的中繼器。
文檔編號H04B3/54GK1564475SQ200410006280
公開日2005年1月12日 申請日期2004年3月23日 優先權日2004年3月23日
發明者李祥珍, 趙丙鎮, 李建岐, 王麗平, 劉家亮, 沈志民 申請人:中國電力科學研究院