低压配电网扩频通信网络系统及其通信方法 【技术领域】
一种低压配电网扩频通信网络系统及其通信方法属于低压电力线通信技术领域。背景技术
以电力线作为信号传输媒介实现通信是各国电力、通信、网络等研究与产业部门一直致力研究开发的技术。电力线通信通常以电力网络的电压等级划分，可以分为高压电力线通信(100KV以上)、中压电力线通信(1KV~100KV)和低压电力线通信(1kV以下，380V/220V)。就电力线通信信道特性而言，高压电力线通信环境最好，其次是中压电力线环境，最差的是低压电力线通信环境。低压电力线通信又称作低压配电网通信。从所应用的通信技术角度划分，电力线通信技术分为窄带调制技术与宽带(扩频)调制技术。
在低压配电网通信技术的研究开发方面，英国、德国、美国、日本、比利时、以色列等国的研究机构先后从不同角度对该项技术进行过研究。
国际上现有的低压配电网电力线通信技术主要有两类：欧洲标准类与非欧洲标准类。
欧洲标准类：泛指采用欧洲CENELEC标准EN50065-1(工作频带范围在3～148.5kHz，最大功率25W)的配电网通信技术。由于该频带范围较窄(最大带宽145.5kHz)，所以适于采用窄带调制技术(如ASK，FSK，PSK)进行数据传输。传输速率除了与带宽有关外，还与该频率范围配电网地噪声有关。根据国际上公开发表的研究成果和清华大学电机系在中国实际配电网的工业试验结果，在该频带内配电网的噪声水平在-40~-80dBmW/Hz，呈较高水平。所以只能实现较低的传输速率(一般为2.4kbit/s或更低)。如果在该频段采用扩频技术，因为带宽较小，扩频所能够获得的处理增益值为18左右，扩频优越性的效果并不明显。
非欧洲标准类：泛指采用非欧洲CENELEC标准EN50065-1的配电网通信技术。典型的非欧洲标准有美国的FCC标准(100~450kHz，最大功率25W)。清华大学电机系在中国实际配电网的工业试验结果表明在该频率范围内的配电网的噪声为白噪声，噪声水平在-90dBmW/Hz，远低于欧洲标准频段的噪声水平，同时由于FCC频段的带宽为CENELEC带宽的两倍多，所以可以在FCC频段达到较高的传输速率(一般为9.6kbit/s以上)和更大的扩频处理增益(接近44)。
基于欧洲标准或FCC标准，一些公司生产有满足标准的调制解调器芯片(或称MODEM)。如满足欧洲标准的MODEM芯片ST7536，ST7537；如满足FCC标准的MODEM芯片LM1893，AN192，SSCP200等；
这些商业化调制解调器芯片具有对标准的输出数字信号调制为连续时间信号功能，或将接收到的已调制信号解调为数字信号功能。
在低压配电网上实现通信所面临的主要问题是(1)信道的变化衰减—不同接入点、不同时间变化范围大，并且与网络上的负载投切关联性较大，经常有传输零点；(2)随机干扰与噪声—来自各种用户的谐波污染、背景噪声等使线路上的干扰与噪声的峰—峰值可达20V上下。
最近几年的研究表明采用宽带电力线扩频通信技术可以在一定程度上克服低压电力线通信的恶劣通信环境，与窄带通信方式或窄带扩频方式相比具有明显的优越性。
采用扩频通信方式在低压配电网上进行组网通信时，由于低压配电网信道的复杂性，网络上任意两点直接通信的距离一般小于500米，特殊情况下即便是距离较近，由于配电网的分岔等原因，也无法保证通信的可靠性；这样就需要对配电网进行规划，在关键节点放置路由器。这些路由器在集中器的控制管理之下，与用户通信终端一起构成完整的配电网扩频通信网。发明内容
本发明的目的在于提供一种通信稳定可靠，范围大且调试，维护，使用三者都方便灵活的低压配电网扩频通信网络系统及其通信方法。
本发明所提出的低压配电网扩频通信网络系统其特征在于：它是一种自顶向下依次由计算机，集中器，路由器和用户终端构成的“金字塔”式主从通信系统，其中：
计算机是系统的顶点，它既是通信信息发出的地点又是用户终端反馈信息的终点；
集中器是把计算机的数据包变成载波通信包后传递到电力线的设备，也是处理并接收来自用户终端的载波数据包并反馈给计算机的设备，它与计算机用通信线通信；
路由器是在不同网段间交换数据包用的，所述的网段是一个一系列相对位置靠近且是具有指定的网络地址的设备经抽象化后被称之为“网络节点”的集合，所述的网络地址是由相互之间用符号“.”隔开的“高位地址”和“地位地址”两部分组成的，而同一网段内的各网络节点具有同一个“高位地址”且有一个唯一的路由器，该路由器除了能够和本网段内的所有网络节点直接通信外，还至少能和一个相邻网段的路由器直接通信，而且通过这种相邻的直接通信，一个路由器至少能够找出一条连接集中器的通信途径，使整个通信系统所含盖的区域划分成一个一个由路由器直接连通的网段，它再经低压配电网和集中器通信；
用户终端是接收路由器或集中器的载波数据和向他们反馈本地数据的上述设备，它连接着一个以上的用户，它经低压配电网和路由器通信。
所述的高位地址和低位地址都是一个在0到255之间的数字。
本发明所提出的低压配电网扩频通信网络系统的通信方法，其特征在于：它是自顶向下的“金字塔”式的主从式通信方式，它依次含有下列步骤：
(1)初始化
(1.1)在集中器和路由器内各存入一张可按照需要灵活改变且对于同一网段而言内容和格式都相同的路由表，它依次分别由用高位地址表示的目的网段，投递网段，投递网段内的低位地址及其所在的用A，B，C表示的所在相位构成，以便当集中器或路由器获得一个数据包时，通过检索路由表，了解到应该通过哪一个投递网段所在的路由器向目的网段的路由器投送，路由表内的每一条记录表示的是可能的投递路径；
(1.2)在集中器和路由表内各存入一张对同一网段而言内容和格式都相同的“网段节点低位地址——所在相位对应表”，它依次由用户节点的低位地址和分别用A，B，C表示的所在相位构成，以便在集中器或路由器在接收到目的地址是本网段的节点时直接把数据包按所在相位发至该节点；
(2)计算机把数据包要投递到哪一个节点的信息以目的地址的形式连同该数据包一起经通信线传给集中器；
(3)集中器把数据包变成载波通信包后，通过检索路由表得知目的地址所要经过的路由器的投递网段和需要投递的网段的路由器低位地址，以便把数据包交给投递网段的路由器转发；
(4)投递网段的路由器收到后检索本网段的路由表，得知目的地址所要经过的路由器的投递网段和需要投递的网段的路由器低位地址，把数据包交给下一级投递网段的路由器转发；最终目的网段的路由器收到数据包后，检索该网段的“网段节点低位地址——所在相位对应表”，该路由器便按所在相位把数据包投递到目的地址所在的网络节点。
在所述的初始化阶段，在严格区分用户的网络中，要在集中器中建立一张“用户ID(Identification，即标识)——地址对照表”，它依次由用两个0到255之间的数字组成的对每个用户而言也是一个唯一且长期不变的标识号ID以及该用户所在的网络节点地址两部分组成，以便集中器通过用户ID信息得知用户所在的网络节点地址。
使用证明：它达到预期目的。附图说明
图1.低压配电网扩频通信网络系统的网络结构示意图。
图2.一个典型的网络分布图。
图3.把图2调整后的网络拓扑图。
图4.集中器和路由器处理数据包的程序流程图。具体实施方法
请见图1。1是计算机，用的是联想开天P41.5G，外带ATEN光电隔离232-485转换器一个；2是485通信线；3是载波通信集中器，4是路由器，5是用户终端。
图2是一个典型的网络分布即网段划分示意图。61～64表示网段。这种统一管理网络节点的地址分配简化了路由器对网络节点分配所需的“先验知识”，如网络内地址的安排是杂乱的，集中器3需要把一个数据包发到地址为64.18的地址，集中器3(61网段的路由器)需要了解到达64.18的具体路径，当网络节点很多时，这将是不现实的。现在统一以后，集中器3可经由网段63来投递到网段64，再由网段64的路由器直接发送到64.18；也可如图3所示，把数据包通过62网段的路由器转发给64网段的路由器，在下一步就可以到达目的地址。集中器和路由器处理数据包的流程框图请见图4，不再重复。
表1～表3分别是集中器和路由器的路由表，用户低位地址——所在相位表，用户ID——地址即网络节点地址对照表的实例。以下将结合一个实例对本发明提出的通信方法予以说明。
某时刻，抄收用户ID是00.14的用户的用电量：
首先计算机将用户ID的信息通过485线传给集中器；
集中器检索用户ID——地址对照表，得到用户所在网络节点的地址64.05；
集中器通过检索路由表，得知64网段的数据包需要通过63路由器转发，将用户ID和目的地址通过A相交给63路由器低位地址为2的相；
63路由器接收后检索路由表，得知64网段的数据包需要通过64路由器转发，将用户ID和目的地址通过A相交给64路由器低位地址为2的相；
64路由器接收后首先判断是本网段地址，检索用户低位地址—相位对照表，得知用户终端在C相，将用户ID信息通过C相传给用户终端；
用户终端得到用户ID信息，判断是本网络节点的用户，则将本地的该用户用电量信息存放到一个目的地址为集中器地址的数据包中，返还给64路由器。
64路由器接收后检索路由表，得知61网段的数据包需要通过63路由器转发，将用电量信息和目的地址通过B相交给63路由器低位地址为1的相；
63路由器接收后检索路由表，得知61网段的数据包需要交给61集中器(即61网段的“路由器”)，将用电量信息和目的地址通过B相交给61集中器低位地址为1的相；
集中器接收后将用电量信息返还给计算机，完成了一次用户用电量的抄收。
集中器用户ID——地址对照表，集中器路由表，63，64路由器的路由表及64路由器的用户低位地址——所在相位对照表列出如下：
集中器用户ID-地址对照表如下：
集中器路由表如下：
63路由器路由表如下：
64路由器路由表如下：
64路由器的用户低位地址—相位对照表如下：
由此可见，本发明的通信范围大而且稳定可靠。