多速率混合的电力线宽带接入系统及其中继器 【技术领域】
本发明涉及一种通信系统，特别涉及一种通过电力线进行高速通信的系统及其中继器。
背景技术
电力线通信技术(Power Line Communication Technology)简称PLC或PLT(以下简称为PLC)，是指利用电力线传输数据和话音信号的一种通信方式。电力线通信并不是什么新技术，已经有几十年的发展历史，在中高压输电网(35kV以上)上通过电力载波机利用较低的频率(9-490kHz)以较低速率传送远动数据或话音，就是电力线通信技术应用的主要形式之一。随着国内城乡配电网改造工作的日益深入，不少厂商开始研制用于中压(10kV)配电网通信的配网载波机，数据传输速率可以达到1200bps。在低压(220V)领域，PLC技术首先用于负荷控制、远程抄表和家居自动化，其传输速率一般为1200bps或更低，称为低速PLC。近几年国内外开展的利用低压电力线传输速率在1Mbps以上的电力线通信技术称之为高速PLC。
近年来，随着Internet技术的飞速发展，登录上网的人数成倍增长。然而，采用何种通信方式使用户终端连接到最近的宽带网络连接设备，成为长期困扰人们的难点之一，也是Internet普及的瓶颈之一，被业内人士称为宽带网络接入的“最后一公里”问题。利用四通八达、遍布城乡、直达用户的220V低压电力线传输高速数据地PLC技术以其不用布线、覆盖范围广、连接方便的显著特点，被业内人士认为是提供“最后三百米”解决方案最具竞争力的技术之一。目前高速PLC已可传输高达45Mbps的数据，而且能同时传输数据、语音、视频和电力，有可能带来“四网合一”的新趋势。
同其他通信方式相比，高速PLC具有如下优点。
1)充分利用现有的低压配电网络基础设施，无需任何布线，是一种“No New Wires”技术，节约了资源。无需挖沟、无需穿墙打洞，避免了对建筑物和公用设施的破坏，同时也节省了人力。
2)可以为用户提供高速因特网访问服务、IP话音服务，从而使用户上网和打电话增加了新的选择，有利于其它电信服务商改善服务、降低价格。
3)对家庭联网提供支持，使人们可以尽享由PLC技术带来的家庭音、视频网络，多人对抗游戏等娱乐。
4)是家居自动化的生力军，通过遍布各个房间的墙上插座将智能家电联网，提前享用数字化家庭的舒适和便利。
5)利用PLC的永久在线连接，构建的防火、防盗、防有毒气体泄漏等的保安监控系统，让上班族高枕无忧；构建的医疗急救系统，让家有老人、孩子和病人的家庭倍感方便。
6)远程自动读出水、电、气表数据，使公用事业公司节省大量费用，也方便了用户。
7)为电力公司提供负荷控制、需求侧管理的新手段，提高电力公司管理水平。
8)使电力公司以极低的投资就可以进入ISP、ICP和话音等电信服务市场，成为新的利润增长点。电力公司能够以低廉的价格为用户提供电信服务，在电信市场上更具竞争力。
9)实现“四网合一”，创造巨大的经济和社会效益。
英国联合电力公司的子公司Norweb通讯公司在1990年开始对电力线载波通讯进行研究。1995年，该公司又与加拿大Nortel(北电网络)公司联手，共同开发这项新技术。1995～1997年的两年间，Norweb和Nortel公司已经成功地在英国曼彻斯特对20个居民用户进行了试验，其中包括话音服务。1997年10月，这两家公司声称已经解决了电力噪声等问题，取得了电力线载波技术的重大突破，利用新开发的数字电力线载波技术DPL(Digital Power Line，数字电力线)实现了在低压配电网上进行1Mbps的远程通讯，从而将四通八达的电力线转化为信息高速公路。1998年3月25日，成立合资公司NOR.WEB，进行该技术的市场推广。
从此以后，许多国家的研究机构开展了高速电力线技术的研究和开发，如美国的Intellon、Inari(Intelogis)公司，以色列的ITRAN、Main.Net公司，韩国的Xeline公司，瑞士的ASCOM公司，德国的Polytrax公司，西班牙的DS2公司等，产品的传输速率也从1Mbps发展到2Mbps、14Mbps、24Mbps，甚至45Mbps。
45Mbps电力线高速数据通信系统是目前世界上传输速率最高的PLC系统，通过位于配电变压器的主机(简称头端设备)、用于信号放大和再生的中继器(简称HG)以及终端(简称CPE)设备的组网，基本上可以满足同一配变变压器范围内低压电力网上高速数据信息的传输，并提供高速Internet访问、IP电话、视频点播、网络游戏、网上聊天、网上购物等高速接入服务。
45Mbps系统的组网原理为：将2～38MHz的整个频段分为Link1、Link2、Link3、Link4共4个频段使用，每个频段的频宽为6.3MHz，用户可以使用其中的1个频段传输数据。将频率分段使用，便于进行信号中继，具有一定的优越性。但是在现场安装使用的中发现，在纵向主干电力线信道中产生的干扰相对较小，而横向入户时电力线信道中的干扰容易集中在45Mbps使用的某一频段内，致使用户端和主站之间通信性能变差。而美国Intellon公司开发的14Mbps系统，使用4～20MHz频段进行数据传输，频宽高达16MHz，一般的干扰源只能影响其中一部分频段的数据传输，剩余的其他频段仍然能够支持用户端与主站的通信，因此14M电力线高速通信系统在最后100米的用户接入上具有一定的优势。但是由于使用频段过宽，该系统无法实现远距离中继传输。这样，将这两个系统混合组网应用，取长补短，是很有意义的。
另外，45Mbps芯片价格较高，基于DS2芯片的45Mbps电力线高速通信系统的成本过高。考虑到我国家庭目前宽带上网设备支出的承担能力，加之大部分小区的Internet出口仅能提供10Mbps带宽，使用45Mbps系统直接入户，既不可能也无必要。
基于上述成本及45Mbps和14Mbps系统各自优缺点考虑，我们研究开发了集45Mbps和14Mbps系统优点于的高速PLC混合组网系统。混合组网方式有效地降低了系统成本，在性能价格比上有一定的优势，更符合我国PLC技术推广应用的国情。
【发明内容】
在所接入的居民楼内，本发明使用45Mbps系统作为纵向主干，实现小区配电变压器至大楼各楼层之间的通信，发挥该系统所具有的系统管理、频分复用、多级中继的优势，实现信号的远距离中继；14Mbps系统用于楼层至用户家庭内部的横向接入，充分利用其适应电网能力强、成本低廉的特点。多速率混合接入系统大大减少了昂贵的45Mbps系统终端设备的使用量，提高了对电网波动的适应能力、抗噪声能力以及系统的性能价格比。
针对两个系统所使用的频率相互重叠，技术体制和网络结构完全不同的问题，该多速率混合接入系统解决了两个系统频率复用、高频信号耦合和接续、数据链接等关键问题，很好实现了两个系统在同一配电网中的综合应用。
45Mbps电力线高速通信系统与14Mbps电力线高速通信系统是两种完全不同的PLC系统。从物理层到媒体访问控制(MAC)层，从组网结构到应用都存在很大的差异。
在物理层和MAC层实现两个高速PLC系统的组网，由于频段重叠和MAC层的差异，直接将两个高速PLC系统混合组网是不能够实现的。因此，直接通过两PLC系统的调制解调设备之间的互连不能实现这两个PLC系统之间的混和组网。
在物理载波通道上，由于传输高频载波信号的低压配电网信道的共享特性，在同一低压配电网上同时应用不同的高速PLC系统，必然由于频段的重叠而相互冲突，互相干扰而不能正常工作。解决这一个问题的办法是应用频分复用(FDM)技术，即两个或多个不同的高速PLC系统分别使用不同的载波频段，共享同一低压配电网信道而相互不产生冲突。
为了实现上述目的，根据本发明的第一个方面，在此提供一种多速率混合的电力线接入系统，其中包括：头端设备，其与互联网相连接并且接收来自互联网的数据信号，把该数据信号调制为第一频段内具有第一数据传输速率的第一载波信号，所述头端设备还连接到电力线并且通过所述电力线传输该第一载波信号；中继器，其中包括与电力线相连接的终端设备和通过数据线与所述终端设备相连接并且与所述电力线相连接的网桥，所述终端设备接收来自所述头端设备的第一载波信号，把其解调为数据信号，通过该数据线把所述数据信号传送到所述网桥，所述网桥把该数据信号调制为第二频段内具有第二传输速率的第二载波信号，把所述第二载波信号通过电力线传输。
根据本发明的第二个方面，在此提供一种多速率混合的电力线接入系统，其中包括：头端设备，其与互联网相连接并且接收来自互联网的数据信号，把该数据信号调制为第一频段内具有第一数据传输速率的第一载波信号，并通过电力线传输该第一载波信号；第一中继器，其连接到电力线并接收通过电力线来自头端设备的第一载波信号，对该第一载波信号进行放大并调制为与第一频段不重叠的第二频段内具有所述第一数据传输速率的第二载波信号，然后通过所述电力线传输所述第二载波信号；第二中继器，其中包括与电力线相连接的终端设备和通过数据线与所述终端设备相连接并且与所述电力线相连接的网桥，所述终端设备接收所述第二载波信号，把其解调为数据信号，通过该数据线把所述数据信号传送到所述网桥，所述网桥把该数据信号调制为第三频段内具有第二传输速率的第三载波信号，然后把所述第三载波信号通过所述电力线传输。
根据本发明的第三个方面，在此提供一种用于连接不同速率的电力线接入系统的中继器，其中包括：终端设备，其与电力线相连接，接收来自第一速率的电力线接入系统的在第一频段内第一载波信号，把其解调为数据信号并通过该数据线输出；网桥，其通过数据线与所述终端设备相连接以及与所述电力线相连接，并且接收来自终端设备的数据信号，把所述数据信号调制为第二频段内具有第二传输速率的第二载波信号，然后把所述第二载波信号通过电力线传输到第二速率的电力线接入系统。
【附图说明】
下面结合附图说明本发明的优选实施例，其中：
图1为示出本发明的电力线宽带接入系统中所用的中继器的示意图；
图2为示出本发明的电力线宽带接入系统中所用的低通滤波器的电路图；
图3为图2中所示的低通滤波器的衰减-频率特性的测试曲线图；
图4为示出本发明的电力线宽带接入系统中所用的高通滤波器的电路图；
图5为图4中所示的高通滤波器的衰减-频率特性的测试曲线图；
图6为示出本发明的多速率混合的电力线宽带接入系统。
【具体实施方式】
一般来说，低压电力线高速PLC系统所使用的频率范围为1～38MHz，45Mbps电力线高速通信系统与14Mbps电力线高速通信系统在频率上有较大的重叠部分。45Mbps电力线高速通信系统将整个频段分成3个频段，可以实现在整个系统中的频分中继；同理，在14Mbps电力线高速通信系统中也可以应用同样的原理将整个频段分成上下两个频段，分别为4.6MHz～13MHz及13MHz～20.7MHz，如此，不仅可以在14Mbps电力线高速通信系统内实现系统内的频分中继，也可以与45Mbps电力线高速通信系统实现两个系统之间的频分中继。
PLC系统及其设备是实现高速网络数据接入的一种数据传输系统。对数据终端设备(如PC机、网络设备等)而言，PLC设备只是一个信号从数字到模拟调制解调的数据传输设备，其对数据终端设备提供通用标准的数据接口(如符合IEEE802.3以太网标准)，并将数据终端设备过来的以太网帧格式的数据包进行MAC层和物理层打包后调制到载波信道；在对端的PLC设备进行相反的过程，将解调并拆包后的以太网帧格式的数据包(透明)的传输给数据终端设备。这样，在数据链路层上，由于高速PLC设备对数据终端设备数据包的透明传输，在该接口上可以实现不同PLC系统及其设备的数据传输。
通过上面的分析和研究可见，分别从数据链路层和物理层载波通道进行改造开发就可以实现两PLC系统间的混合组网。下面是相应的技术方案及实现：
1.中继器
在数据链路层上用直连的RJ45以太网连接线将45Mbps电力线高速通信系统的CPE设备与14Mbps电力线高速通信系统的EPLC-14ME以太网桥设备相连，即可实现网络数据包的传输。
如图1中所示，其中示出本发明的电力线宽带接入系统中所用的中继器1的示意图。该中继器1把两个不同速率的PLC系统相连接。图1左侧是45Mps的高速电力线通信系统，其中CPE设备11是常规的45Mps高速电力线通信系统中所用的终端，在本发明中用作为中继器1的一部分，其包含一个以太网接口14。图1的右侧是一种14Mps高速电力线通信系统，其中14M网桥12是在常规的14Mps高速电力线通信系统中所用的以太网桥设备，可以使用EPLC-14ME来实现，其用于把来自以太网接口15的数据信号转换为14Mps的载波信号，该载波信号在电力线2传送到各个终端用户。在本发明中，该14M网桥12被用作为中继器1的一部分，通过以太网接口15经以太网连接线16与CPE设备11的以太网接口14相连接，用于传输IP格式的数据信号。从而实现了两个高速PLC系统在数据链路层上的中继。这种中继看上去似两个调制解调设备背靠背的连接，可称其为背靠背中继器。从逻辑组网角度区分，这两个高速调制解调设备(CPE设备及EPLC-14ME设备)分属两个高速PLC系统。
2.线路滤波器
在物理层上，要实现两个不同的高速PLC系统的无冲突中继连接，就必须在物理层载波频率上采用频分复用(FDM)技术。即两个不同的高速PLC系统分别使用无频率重叠的频段，实现在同一配电网电力线上的中继连接和混合组网。
45Mbps电力线高速通信系统本身已应用频分复用(FDM)技术实现中继的组网机制，因而，其与14Mbps电力线高速通信系统实现中继混合组网时，只需对14Mbps电力线高速通信系统的设备进行频率的分段改进，以便这两个高速PLC系统实现无冲突中继混合组网。
这样，实现的关键是线路滤波器的设计和实现，以对14Mbps电力线高速通信系统及设备所使用的频率进行分段。为此本发明在14M网桥12与电力线2的连接处增加一个滤波器17进行滤波。
1)混合组网中14Mbps电力线高速通信系统FDM方案
14Mbps电力线高速通信系统使用的频率为4.6MHz～20.7MHz，将其分为下上两个频段，即4.6MHz～13MHz(L下)和13MHz～20.7MHz(L上)，下频段仅与45Mbps电力线高速通信系统的L1频段有重叠，而与L2、L3频段无重叠，这样下频段可以与L2、L3频段作混合组网中继；同样，上频段可以与L1、L3频段作混合组网中继。
2)低通滤波器的设计
一种设计的fc＝11MHz、fs＝13MHz的低通滤波器电路如图2所示。
该L-C低通滤波器3dB截止频率为11MHz，在13MHz处衰减≥-40dB。用扫频仪测试的衰减-频率特性如图3曲线所示。测试输入信号电平为0dB，从测试曲线可见，与设计要求指标基本一致。
3)高通滤波器的设计
一种设计的fc＝13MHz、fs＝11MHz的高通滤波器电路如图4所示。
由图4可见，该L-C高通滤波器3dB截止频率为13MHz，在11MHz处衰减≥-40dB。用扫频仪测试的衰减-频率特性如图5曲线所示。测试输入信号电平为0dB，从测试曲线可见，与设计要求指标基本一致。
3)混合组网系统的实现
应用上面介绍的中继器和频分复用原理，可以实现45Mbps电力线高速通信系统和14Mbps电力线高速通信系统在同一低压配电网的混合组网。
在混合组网系统中，45Mbps电力线高速通信系统可以使用的频段有L1、L2、L3 3个频段；而14Mbps电力线高速通信系统仅做了L下、L上两个频段的划分。
为了增强混合组网系统的有效性，更好的利用45Mbps电力线高速通信系统和14Mbps电力线高速通信系统的系统性能，混合组网方案将45Mbps高速PLC系统做为骨干接入网络，应用其宽带高速性能及其完善的网络管理功能；而在用户接入部分采用14Mbps电力线高速通信系统，14Mbps高速PLC系统通信能力强，设备体积小功耗低，适用于用户终端，一种实际应用的混合组网系统如图6所示。
在图6中，互联网3通过网线与路由器4相连接，路由器4通过网线与45Mbps系统的头端设备5相连接，头端设备5把来自路由器4的IP数据信号转换为在频段L1内的适合在电力线2上传输的载波信号并且输出到电力线2，45Mbps系统中的HG 6也连接到电力线2，并且接收由头端设备5发出的频段为L1的载波信号，然后把该载波信号中继放大并调制为L3频段的载波信号在电力线2上继续传输到中继器1，中继器1中的CPE设备11接收来自HG 6的载波信号并且把其解调为IP数据信号通过以太网连接线16传送到中继器1中的14M网桥12。请注意，图6中所示的互联网3、路由器4、头端设备5、HG 6和CPE设备11构成45Mbps系统，在频段L1、L3和以太网连接线16上传输数据的速率为45Mbps。L1和L3为45Mbps系统中所用的两个不重叠的频段，在这些频段上传输的载波信号不会相互干扰。
14M网桥12接收来自CPE设备11的IP数据信号之后，把其放大和调制为在电力线2上以L上频段和14Mbps的速率传输的载波信号并且在电力线2上传送到终端用户。在终端用户处使用14Mbps系统的终端接收L上频段的载波信号，并且解调为IP数据信号。从而实现一种廉价的多速率混合的电力线宽带接入系统。
尽管上文已经对本发明进行了描述，但上述描述只是为了说明的目的，本领域普通技术人员可以对其进行不脱离本发明精神的各种改变。例如图6中的HE 5可以被省略，从而L1和L3频段合为一个频段，另外在14M网桥12中可以使用高通滤波器或低通滤波器来把数据信号调制在不同的频段内，如果14M网桥12把使用低通滤波器把数据信号调制在L下频段内，则在45Mbps电力线高速通信系统应当选用与该L下频段不重叠的L2和L3频段。因此，本发明的保护范围应当由后附的权利要求书来限定而不限于上述结合附图的具体描述。