在低电压电力线上的宽带通信系统和方法

专利名称：在低电压电力线上的宽带通信系统和方法
技术领域：
本发明主要涉及电力线通信(PLC)，并特别涉及提供通过电力线的 低电压宽带通信领域。
背景技术：
通过电力分配系统，电能被提供给全球用户，其中典型的，电能 在电力产生设备通过使用发电机将某种形式的势能或动能转化为电而 产生。从电能产生设备中所产生的电能通过一系列使用典型地在 4-30KV电压的媒介电压(MV)电力线的子站被传送到很远的距离，并通 过使用连接MV电力线的变压器以产生110-600V电压范围的低电压 (LV)电到用户。
电力线通信(PLC)重新使用电力分配系统来传送信息。如现有技术 所知，PLC系统典型地将信息信号添加到MV电力线上，以向在用户 房屋(CP)内使用LV电力的用户传送信息。PLC的用户签订通信接入作 为接入因特网的方式或作为实施虚拟专用网的方式。
使用MV电力线来传送信息不是很理想。电力线环境，特别是当 使用高架线时，与很多窄带噪声源和明显宽带噪声电干扰。此外，将 RF信号加入到MV电力线以及从MV电力线中提取RF信号在技术上 是有挑战性的。此外，在MV电力线上隔离RF信号是困难的，因为该 媒介可能不会有益于高频信号的滤波。进一步，用于在MV电力线上 传送信息的设备安装非常昂贵，因为在MV电力线上工作需要专业的 和有经验的电工。由于这些挑战，通过低电压电力线提供宽带通信业 务是有优势且期望的。


本发明通过附图中的示例来说明，但不限于此，在附图中相近的附图标记表示相似的部件，其中
图1是根据本发明的一些实施例，说明LV PLC通信系统的简易方框图。
图2是根据本发明的一些实施例，说明LV PLC网桥的简易方框图。
图3是根据本发明的一些实施例，说明LV PLC客户端的简易方框图。
图4是根据本发明的一些实施例的LV PLC网桥认证过程的例子。
图5是根据本发明的一些实施例的LV PLC客户端检测过程的例子。
图6是根据本发明的一些实施例的LV PLC客户端认证过程的例子。
本领域技术人员应当注意，图中的各部件是为了简洁和清楚而说明，而并不必按比例画出。例如，图中一些部件的尺寸相对于其他部件来说被放大，以帮助改进对本发明的实施例的理解。
具体实施例方式
在详细描述本发明的实施例之前，应当注意，本发明主要在于方法步骤和涉及控制信道结构的装置部件的组合。因此，装置部件和方法步骤己经通过附图中常规符号来恰当表示，只示出与理解本发明相 关的特定细节，以便在此公开的说明的基础上，对于本领域普通技术人员来说明显的细节不会混淆公开。
在该文件中，关系术语例如第一和第二、顶部和底部等可以仅被
用来区别一个实体或动作和另一个实体或动作，而不必然需要或暗示该实体或动作之间的任何这种实际的关系或顺序。术语"包含"、"包括"或其变体意在概括非排外性的包括，因此包括一系列元素的过程、方法、项目或装置不仅仅包括那些元素，还可能包括其他这里没有列 出或对该过程、方法、项目或装置来说固有的元素。"包括..."之前的 元素，没有更多的约束，没有排除包含该元素的过程、方法、项目或 装置中的额外等同元素的存在。
参考图1，示出了根据本发明实施例的通过低电压(LV)电力线通
信(PLC)系统100的宽带。LVPLC系统100包括LV电力线102、因特 网接入104， LVPLC网桥106、 LVPLC客户端108、和LV PLC管理 器114。典型地，LV电力线102向用户，例如110，提供110-600V范 围内的电力。图1示出了 3个LVPLC客户端108，即LVPLC客户端 A， LVPLC客户端B和LVPLC客户端Z;然而， 一根LV电力线102 所支持的LV PLC客户端的数目由电力管理规范所确定，其超出了本发 明的公开范围。
因特网接入104向LV PLC系统IOO提供因特网112接入，为了 简洁用一方框示出。但是，因特网接入104可以包括回程运输 (backhaul)，接入点，路由器，网关和其他用于提供LVPLC系统100 接入到因特网112中所需的网络设备。例如，在一个实施例中，因特 网接入104包括与接入点无线通信的用户模块，其中该接入点连接到 有线网络(未示出)，例如因特网112。在一个实施例中，因特网接入104 中的无线通信是使用正交频分复用(OFDM)来进行通信的。在任何情况 下，因特网接入104通过以太网通信向LVPLC网桥106提供因特网112 接入。在一个示例性实施例中，因特网接入104包括摩托罗拉公司生 产的Qm叩y产品，以提供无线宽带接入。
LV PLC网桥106从因特网接入104接收以太网通信，并将所接收 的以太网通信加载到LV电力线102上，以便LV PLC客户端108能够 接收所加载的以太网通信。这样，LVPLC网桥106在因特接入104之 间对接。并连接到电力线102，即电力线的转换器。在一个示例性实施 例中，LV PLC网桥106具有因特网存在点(POP)并且是可以IP寻址的。在可选的实施例中，因特网POP位于因特网接入104中。在任何情况 下，LVPLC网桥106从因特网接入104接收以太网通信，并调制以太 网通信以在电力线102上传送。此外，LVPLC网桥106从LVPLC客 户端108接收所调制的以太网通信，并解调所调制的以太网通信以转 发到因特网接入104。在一个实施例中，以太网通信的调制与解调是根 据HomePlugl.O规范来进行的。这样，以太网通信的这种调制、解调、 发送、接收和成帧都在HomePlug 电力线联盟所定义的HomePlug规 范中被定义。
LVPLC客户端108从LV电力线102接收所调制的以太网通信， 并向用户IIO处的设备提供解调的以太网通信。这样，LVPLC客户端 108对所接收到的经调制的以太网通信进行解调，并将该以太网通信转 发到用户IIO处的设备。此外，LVPLC客户端108对从用户110处的 设备所接收的以太网通信进行调制，并将所调制的以太网通信传送到 电力线102。示例性设备包括计算机、笔记本电脑、无线路由器、使能 因特网协议(IP)的应用设备等等。在附加的实施例中，LV PLC客户端 108还提供以太网的通信业务质量的管理、用户的认证、和用作用户和 因特网和/或其他用户之间的防火墙。在一个实施例中，LVPLC客户端 108通过LVPLC客户端108上的LED灯指示电源、活动和以太网通 信的数据传输，来提供LVPLC系统100的性能的可视化认识。
LV PLC管理器114用作用于LV PLC系统100的带宽接入管理器 (BAM)。这样，LVPLC管理器114行用作LVPLC系统100的管理单 点。
图2所示的是LV PLC网桥106所提供的功能的示例框图。因特 网接入接口 202用于与因特网接入104对接，并可以被认为是因特网 POP。因特网接入接口 202 —般被描述为标准以太网接口，并通过 IEEE802.3标准来描述。此外，因特网接入接口 202接收预定用于LV PLC网桥106之内或预定用于LVPLC客户端108的以太网通信。
如果以太网通信被预定用于LV PLC客户端108，则用户数据路
由器204用于从因特网接入接口 202获取以太网通信，并确定IP数据
分组被指定到哪个LV PLC客户端108。该用户数据路由器204通过査
看来自因特网接入器104的以太网通信中的目的地地址，而用作软开
关，从而确定以太网通信试图指定的LVPLC客户端108。用户数据路
由器204将以太网通信路由到表示以太网通信所试图指定的LV PLC客
户端108的合适的虚拟LVPLC客户端206。如图2所示，虚拟LVPLC
客户端206是多于一个的实体，其中LV PLC网桥106中的虚拟LV PLC
客户端的数目等于LVPLC系统100中的LVPLC客户端108的数目。
因此，在虚拟LVPLC客户端206的数目和LV PLC客户端108的数目
之间是一一映射的。此外，每个虚拟LVPLC客户端206执行对以太网
通信的特定客户端的加密和解密。如这里所使用的，特定客户端意味 着为第一个客户端所加密的以太网通信不能被第二个客户端解密，以
及被第一个客户端所加密的以太网通信不能被第二个客户端解密。
最后，电力线接口 208对到达和来自电力线102的经加密的以太 网通信进行调制和解调。特别地，电力线接口 208接收由虚拟LV PLC206加密的以太网通信，并根据HomePlug规范调制经加密的以太 网通信。然后，经调制的加密以太网通信被广播到LV PLC系统100 中的每个LV PLC客户端108。
参考图2，如果LVPLC网桥接收指定用于LVPLC网桥106内的 以太网通信，那么LV PLC网桥106中的不同的步骤，即图2中的 210-220来处理以太网通信。网络服务器210提供LVPLC网桥106的 提供基于http的控制、配置和监控。此外，网络服务器210提供LV PLC 网桥106的远程配置、操作和管理。如现有技术所知，网络服务器210 是用于底层处理的可视化或图形化用户界面。在这种情况下，网络服 务器210是一个更新管理器212的可视化。
更新管理器212是用于LV PLC网桥106禾卩/或LV PLC客户端的 远程配置、操作和管理的底层处理。更新管理器212允许LV PLC管理 器114向LVPLC网桥106和/或LVPLC客户端108远程提供固件更 新。在固件更新被安装在LV PLC网桥106和/或LV PLC客户端108 中之前，更新管理器212用于接收固件更新并验证所接收固件更新的 正确性。
一个简单的网络管理协议(SNMP)管理器214监控以太网通信，来 采集和LVPLC网桥106操作相关的统计数据。例如，SNMP管理器214 采集统计数据，例如由LVPLC网桥接收的成功分组的数目、为网络服 务器210指定的分组的数目以及为特定LV PLC客户端108指定的分组 的数目。此外，SNMP管理器214保持LV PLC网桥106的配置。SNMP 管理器214能够选择性地控制特定LV PLC客户端108的操作。
认证器216用作对LVPLC系统100的本地认证处理，并与由LV PLC管理器114和LV PLC客户端108所执行的认证处理相对接。特 别地，认证器216用作LVPLC客户端108的代理服务器。这样，认证 器216通过电力线接口 208向客户端108发送认证消息，并从客户端 108接收认证消息8。如参考图4-6将进一步描述，在LV PLC网桥106 的认证器216和LV PLC客户端108之间交换的认证消息中的信息被传 送到LV PLC管理器114。
远程登录服务器218提供用于LV PLC网桥106的远程配置、操 作和管理的另一载体。远程登录服务器218是基于文本的用户界面， 而网络服务器210是图形的用户界面。文件传输协议(FTP)服务器是一 个主要由更新管理器212使用的文件传输工具，以向LV PLC管理器 114发送数据并从LV PLC管理器114接收数据。
此外，图2所示的是向LV PLC客户端108提供分组化通信并与 LVPLC客户端108的MME数据接口 320通信的MME数据接口 222。在一个示例性实施例中，MME数据接口 320符合HomePlugl.0规范。 MME数据接口 222探测新的LV PLC客户端108的出现以及现有LV PLC客户端108的消失。例如，当新的LVPLC客户端108被插入时， LVPLC网桥106的MME数据接口 320探测新LV PLC客户端108的 出现。然后，MME数据接口 222与认证器216对接，以确认新的LV PLC 客户端108。假设，与LVPLV管理器114通信的认证器216确认了新 的LV PLC客户端108可以在LV PLC系统100中通信，则MEE数据 接口 222从虚拟LV PLC客户端206向新的LV PLC客户端108提供 配置信息，以利用LVPLC系统100。此外，MME数据接口 222在LV PLC客户端108内协调与LVPLC网桥106的虚拟LVPLC客户端106 的加密/解密。
图3示出了由LVPLC客户端108提供的功能性的示例性方框图。 LV PLC客户端108从LV PLC网桥106接收调制的加密的以太网通信。 特别地，电力线接口 302调制和解调到达和来自电力线102的加密的 以太网通信。电力线接口 302接受被LVPLC网桥106的虚拟LVPLC 客户端206所加密的调制并加密的以太网通信，并向数据加密器/解密 器304发送该调制并加密的以太网通信。
数据加密器/解密器304对所述调制并加密的以太网通信进行解 调，以产生在用户110的设备处使用的以太网通信。如上所述，由于 调制和解调是对于特定客户端的，如果所接收的经调制和加密的以太 网通信并不旨在用于LVPLC客户端108，那么解调不能产生以太网通 信。但是，如果经调制和加密的以太网通信是旨在用于LVPLC客户端 108的，那么以太网通信可以被LVPLC客户端108的不同的功能，即 306-318处理。
设备控制器306用作LV PLC客户端108的智能模块 (intelligence)。设备控制器306管理LV PLC客户端108的操作。如 上所述，MME数据接口 320与LVPLC网桥106的MME数据接口 222通信。在一个示例性实施例中，MME数据接口 320符合HomePlug1.0规范。
仍然参考图3，如果LVPLC客户端108接收指定在LVPLC客户 端108中使用的以太网分组，则LVPLC客户端108的多个处理，即图 3中的306-316处理以太网通信。网络服务器310提供LV PLC客户端 108的基于http的控制、配置和监控。此外，网络服务器310提供用于 LVPLC客户端108的远程配置、操作和管理。如现有技术所知，网络 服务器310是用于底层处理的可视化或图形用户界面。在这种情况下， 网络服务器210是客户端更新管理器308的可视化。
客户端更新管理器308是用于LV PLC客户端10S的远程配置、 操作和管理的底层处理。客户端更新管理器308允许LV PLC网桥106 远程地向LV PLC客户端108提供固件更新。客户端更新管理器308 用于在固件更新被安装到LV PLC客户端108之前，接收固件更新以及 验证所接收到的固件更新的正确性。
节点统计管理器312监控以太网通信，以釆集与LV PLC客户端 108的操作相关的统计数据。例如，节点统计管理器312采集统计数据， 例如由LVPLC客户端108接收到的成功分组的数目、被指定到网络服 务器310的分组的数目、以及被指定到FTP服务器314的分组的数目。 此外，节点统计管理器312保持LVPLC客户端108的配置。
远程登录服务器316提供用于LVPLC客户端108的远程配置、操 作和管理的另一载体。远程登录服务器316是基于文本的用户界面， 而网络服务器310是图形的用户界面。FTP服务器314是主要被客户 端更新管理器308使用的文件传送工具，以接收来自LVPLC网桥106 的数据并且向LV PLC网桥106发送数据。
参见图4，在操作中，LVPLC网桥106通电并向LVPLC管理器114发送认证请求(消息402)，以允许加入LVPLC系统100。在一个示 例性实施例中，认证请求是符合Motorola标准的以太网数据分组，其 中数据分组被指定到LV PLC管理器114，并且具有LV PLC网桥106 的源IP地址。 一旦LVPLC管理器114接收到该认证请求(消息402)， LV PLC管理器114向LV PLC网桥106发送认证质询(challenge)(消 息404)。当LV PLC网桥106接收到该认证质询时，LV PLC网桥106 得知它被许可由LV PLC管理器114管理，并因而LV PLC网桥106 发送质询响应(消息406)。作为响应，LVPLC管理器114向LvPLC网 桥106发送会话许可(消息408)或会话拒绝(消息410)。如果LV PLC管 理器114确定LV PLC网桥106在LV PLC系统100中被允许，则LVPLC 管理器114向LV PLC网桥106发送会话许可(消息408)。否则，LV PLC 管理器114拒绝LV PLC网桥接入LV PLC系统100，并发送会话拒绝 (消息410)。
假定LVPLC网桥106已被认证，也就是说，LVPLC网桥106已 经从LVPLC管理器114接收到了会话许可(消息408)，则LV PLC网 桥106确定和LVPLC网桥106相关的LVPLC客户端。参见图5， LV PLC网桥106向电力线102上的所有LV PLC客户端108广播新的节 点查询(消息502)。在一个示例性实施例中，LV PLC网桥106周期性 地向电力线102上的所有LV PLC客户端108广播新节点査询(消息 502)。作为响应，每个LV PLC客户端108响应有一新节点响应(消息 504)。在一个示例性实施例中，该新节点响应(消息504)包括LV PLC 客户端108的MAC地址和配置信息中的至少一个。当LVPLC网桥106 从一个未知的LV PLC客户端108(即LV PLC客户端108没有与LV PLC网桥106进行认证)接收新节点响应(消息504)时，LVPLC网桥 106向所述新LV PLC客户端108发送特定节点查询(消息506)。在一 个示例性实施例中，特定节点查询请求关于新LV PLC客户端108的 更多信息。作为响应，所述新LVPLC客户端108响应有一特定的新节 点响应(消息508)。
当LV PLC网桥106从新的LV PLC客户端108接收该特定新节 点响应(消息508)时，LV PLC网桥106检验以查看前一个响应，即新 节点响应(消息504)是否和特定新节点响应(消息508)匹配。特别地， LV PLC网桥106检验以查看来自新LVPLC客户端108的新节点响应 (消息504)得先前接收的MAC地址和在特定新节点响应(消息508)中接 收的MAC地址是否匹配。如果匹配，则LVPLC网桥106通过执行认 证处理(消息510，以及消息604-610)来通知LV PLC管理器114所述新 的LVPLC客户端108。
参见图6，当LVPLC网桥106被告知有新LVPLC客户端108时 (消息602，以及消息502-508)，它通知LV PLC管理器114所述新的 LVPLC客户端108。用于认证新LVPLC客户端108所执行的处理与 图4中示出的为了在LV PLC系统IOO中操作而对LV PLC网桥106进
行认证的处理相同。
第一，LV PLC网桥106向LV PLC管理器114发送认证请求(消 息604)，用以允许新LVPLC客户端108加入LVPLC系统100。 一旦 LVPLC管理器114接收到该认证请求(消息604)， LVPLC管理器114 向LV PLC网桥106发送认证质询(消息606)，其中该认证质询(消息606) 具有用于新LVPLC客户端108的信息(即随机密钥)。当LVPLC网桥 106接收认证质询(消息606)时，LV PLC网桥106发送质询响应(消息 608)。作为响应，LVPLC管理器114向LV PLC网桥106发送用于许 可或拒绝新LV PLC客户端108的LV PLC业务的会话许可(消息610) 或会话拒绝(消息612)。如果LV PLC管理器114确定LV PLC客户端 108在LV PLC系统100中被允许(例如，LVPLC客户端108已经付费)， 则LV PLC管理器114向LV PLC网桥106发送会话许可(消息610)。 否则，LV PLC管理器114拒绝新LV PLC客户端108访问LV PLC系 统100，并发送会话拒绝(消息612)。最后，如果LV PLC管理器114 许可新LV PLC客户端108访问LV PLC系统100，则LV PLC网桥106 通知新LVPLC客户端108所述许可(消息612)。
应当理解，这里描述的本发明的实施例可能包括一个或多个常规 处理器和唯一存储的程序指令，该程序指令连同这里描述的特定非处 理器电路、 一些、多数或全部功能来实施一个或多个处理器以控制。 非处理器电路可能包括，但不限于无线电接收机、无线电发送机、信 号驱动器、时钟电路、电源电路以及用户输入设备。这样，这些功能 可以被解释为方法的步骤。可选的， 一些或所有功能可以通过没有存 储程序指令的状态机来执行，或在一个或多个特定应用集成电路(ASIC) 中，其中每一个功能或某些几个特定功能的组合实现作为定制逻辑。 当然，也可以使用两种方法的组合。因而，在这里已经描述了用于这 些功能的方法和装置。此外，当由这里所公开的概念和原则引导时， 虽然由例如可用时间、当前技术以及经济因素所推动的可能的重要成 果和多种设计选择，可以期望一个本领域普通技术人员将能很容易的 产生这种软件指令和程序以及具有最少试验的ic。
在前述的说明中，已经参考特定实施例描述了本发明和其好处和 优势。但是，本领域技术人员应当注意，在不脱离本发明下面权利要 求中阐明的范围内可以做出多种改进和改变。相应地，说明书和附图 被认为是说明性的而不是限制性的，并且所有的这些改进都旨在被包 含在本发明的范围内。对于问题的益处、优势和解决方案和其他任何 可能发生或变得更加显著的益处、优势或解决方案的元素不被解释为 任一或所有权利要求中重要的、需要的或必要的特性或元素。本发明 仅被所附的权利要求限定，其中的权利要求包括在审查中所作出的修 改以及这些权利要求的所有等同。
权利要求
1.一种在低电压电力线上提供宽带通信的电力线通信(PLC)系统，其包括管理器，为客户端控制对网桥的接入；网桥，与管理器通信，以提供客户端因特网接入，由此所述网桥调制从因特网接入到低电压电力线的以太网通信，以向客户端提供经调制的以太网通信；以及客户端，解调来自低电压电力线的经调制的以太网通信，以产生以太网通信；其中管理器和网桥与因特网接入通信，且其中网桥和客户端操作地连接到低电压电力线上。
2. 如权利要求1所述的PLC系统，其中因特网接入提供因特网通 信网络和网桥之间的无线因特网接入。
3. 如权利要求2所述的PLC系统，其中无线因特网接入使用正交 频分复用(OFDM)来进行通信。
4. 如权利要求1所述的PLC系统，其中网桥解调来自低电压电力 线的经调制的以太网通信。
5. 如权利要求1所述的PLC系统，其中网桥和客户端中的至少一 个根据HomePlug规范调制以太网通信。
6. 如权利要求1所述的PLC系统，进一步包括至少一个从客户端 接收以太网通信的设备。
7. 如权利要求1所述的PLC系统，其中网桥进一步包括客户端的 虚拟客户端，其中所述虚拟客户端执行以太网通信的特定客户端加密 和解密。
8. 如权利要求1所述的PLC系统，其中网桥进一步包括网络服务 器、用户数据路由器、低电压电力线接口、因特网接入接口、更新管 理器、简单网络管理协议(SNMP)管理器、远程登录服务器、ftp服务器 和MME接口中的至少 一 个。
9. 如权利要求1所述的PLC系统，其中网桥进一步包括与管理器 通信来对客户端认证的认证器。
10. 如权利要求1所述的PLC系统，其中客户端进一步包括设备控 制器、低电压电力线接口、数据加密器/解密器、以太网接口、客户端 更新管理器、网络服务器、节点统计管理器、远程登录服务器、ftp服 务器和MME接口中的至少一个。
11. 一种用于在低电压电力线上提供宽带通信的方法，包括 在网桥上调制用于在低电压电力线上传输的以太网通信； 从低电压电力线上接收经调制的以太网通信；和 解调经调制的以太网通信。
12. 如权利要求ll所述的方法，其中从因特网接入中接收以太网 通信。
13. 如权利要求12所述的方法，其中因特网接入器是无线通信网络。
14. 如权利要求11所述的方法，其中调制的步骤是根据HomePlug规范执行的。
15. 如权利要求ll所述的方法，进一步包括在调制步骤之前对以 太网通信进行加密。
16. 如权利要求15所述的方法，其中加密步骤是对特定客户端的。
17. 如权利要求ll所述的方法，进一步包括在解调步骤后，对所 解调的以太网通信进行解密。
18.如权利要求ll所述的方法，进一步包括以下步骤中的至少一个为网桥提供网络服务器、ftp服务器和远程登录服务器中的至少一个.允许网桥的远程配置、远程操作和远程管理中的至少一项； 监视由网桥所发送和接收的以太网通信，以采集和以太网通信有关的统计数据；和提供MME数据接口，以发送和接收来自网桥的客户端的分组化通信。
19. 如权利要求ll所述的方法，进一步包括提供客户端认证，其中所述认证包括从网桥的客户端接收客户端地址；向网桥的管理器发送认证请求，其中认证请求包括客户端地址；和从管理器接收通知网桥所述客户端是否被许可接入到网桥的消息，以便网桥能够向所述客户端提供因特网接入。
20. —种用于在低电压电力线上提供宽带通信的电力线通信(PLC) 系统，包括用于调制在低电压电力线上传输的以太网通信的装置； 用于从低电压电力线上接收经调制的以太网通信的装置；和 用于解调经调制的以太网通信的装置。
全文摘要
公开了一种在低电压电力线上提供宽带通信的电力线通信(PLC)系统和方法。该系统和方法包括为客户端控制接入网桥的管理器，其中网桥与管理器通信，以向客户端提供因特网接入。网桥调制从因特网接入到低电压电力线的以太网通信，以向客户端提供经调制的以太网通信，并且客户端解调来自低电压电力线的经调制的以太网通信，以产生以太网通信。
文档编号G05B11/01GK101203815SQ200680015557
公开日2008年6月18日 申请日期2006年4月14日 优先权日2005年5月7日
发明者保罗·奥克利兹科, 凯文·拉塞, 加里·D·舒尔茨, 大卫·G·帕吉特, 安杰伊·切恰克, 本杰明·G·罗伯托, 詹努兹·斯维亚特克 申请人:摩托罗拉公司