专利名称：使用低压电力布线的网络拓扑及包路由方法
技术领域：
本发明通常涉及包数据网络，并且特别涉及使用电力线载波(PLC)技术实现的局域网(LAN)中的拓扑及包路由方法。
背景技术：
建筑内的LAN一般使用IEEE 802.3接入方法和物理层规范在双绞线缆上实现。利用这种方法，一个或多个集线器或交换机被安装在建筑中的中心位置，典型地是在布线柜中。双绞线缆从该柜延伸到每个用户位置，每用户一线缆。所有集线器/交换机然后使用相同类型的线缆而连接到一起。
这种布线方法的一个优点是双绞线缆提供能抵制外部干扰的可靠通信介质。另一优点是，倘若交换机被用作互连接，每个用户可使用该介质的全部容量而不必与他人分享该容量。
双绞线缆敷设的主要缺点是线缆安装的费用。如果线缆在建筑构建时安装，任务是相当简单的。然而，很多现存建筑不具有这种在构建时安装的线缆。翻新这些建筑是惊人的大而复杂的任务。
在双绞线缆的安装不现实的情形下，PLC是有吸引力的替代方法。电力线作为通信介质向系统设计者提出挑战，包括随频率和时间变化的阻抗以及来自连接到网络的设备的噪声源。但是，已经显示，先进的调制技术如正交频分复用(OFDM)连同错误控制编码，可利用高于1MHz的相对静频谱(quiet spectrum)来克服这些挑战并使低压AC电力线可用作通信通道。
图1描述用于小到中等大小商用建筑的典型电布线安装的实例。粗线代表高-电流3-相布线而细线代表较低电流(15-20A)布线。阴影框代表出口，其是用户可经由UT接入网络的位置。
在PLC所感兴趣的频率，该布线网络不呈现受控阻抗。阻抗不连续存在于每个布线终结点(termination point)，包括出口和面板连接。例如，出口A和出口B之间的路径包含9个阻抗不连续(A1、A2、A3、子面板1、主面板、子面板2，B3、B2、B1)。一旦到达这些不连续的每一个，一些信号功率朝发射器反射回而损害该通道。
电面板引入损害通道的另一机制。当信号遇到面板时，一些功率通过连接到该面板的每个线流出。以此方式，所述面板起到功率分配器的作用。因为仅发送到面板中的功率的一部分去向预期的目的地，所述面板衰减所述信号。功率的其余部分事实上损失了。
可以看到，试图与子面板2出口上的用户直接通信的子面板1出口上的用户遭遇大量通道损失。例如，从出口A到出口B的路径包含9个分离的通道损失源。其中的6个是出口终端，其主要引入阻抗不连续。其他3个是面板，除了阻抗不连续之外，其引入衰减。
尽管图1中所描述的电安装中使用120V/220V布线以在建筑中分配电功率，使用如480V的较高电压用于长距离(long)高-功率传播(run)并且然后降压到120V用于局部分配也是通用的。较高电压使电流降低，其允许使用较小规格的布线。图2描述这样的安装。在这些应用中通常所使用的功率变压器在PLC频率范围中对信号呈现显著的障碍，进一步减少了节点可与不同子面板上的节点直接通信的可能性。
发明内容
本发明是一种网络拓扑和包路由方法，用于在建筑内AC电力布线上提供LAN连通性。所述网络由一个或多个AP、一个或多个UT以及电力布线(介质)组成。AP安装在代表整个建筑内布线网络的逻辑中心或其部分的中心的位置上。UT仅与其对应的AP通信，AP又将包路由向其目的地。
本发明的目的是，通过在一个或多个电面板处安装AP并在双绞线缆上使用标准以太网链路将这些AP连接到一起，来提供使用电力线载波用于网络通信的系统。为了网络管理，理想的是指定AP中的一个作为主要的(primary)而其它的为次要的(sencondary)。因此，该网络包含三种类型的装置主要AP(primaryAP)、次要AP(sencondary AP)和UT。
清楚的是，通过在主面板处插入接入点(AP)并将所有包路由通过该AP，任何两个用户之间的通道的最坏情况的情形得到显著改善。出口A上的用户可经由每个具有5个损失(3个出口和2个面板)的2跳到达出口B上的用户，而不是经由具有9个损伤(6个出口和3个面板)的单跳(single hop)。在足够大小的建筑中，插入一个或多个AP将使得以前不能彼此通信的用户之间能够通信。
在多-AP安装中，给定的UT能够在某种程度上与多于一个的AP通信。在这种情况下，所述UT通过估计其可与每个AP通信的速度并选择其可以最快速率与之通信的AP来选择最适当的AP以便于使用。
利用本发明的节点称为端点(endpoint)。端点可能通过一个或多个标准以太网集线器或交换机而连接到AP或UT的以太网接口。本发明提供从源端点到一个或多个目的地端点的以太网帧的传输。
本发明的其它目的、优点及新颖特征将从以下结合附图而考虑的本发明的详细描述中变得明显。
图1具有用于小到中等大小商用建筑或多居住者单元的典型的电布线安装；图2具有使用中压馈送和降压变压器的类似于图1的安装；图2a说明不同子面板的接入点(AP)之间的连接；图3示出在本发明中组成主要接入点(PAP)、次要接入点(SAP)和用户终端(UT)硬件的架构；图4是说明用户终端硬件环境的实例的示意性说明；
图5a示出接收自或发射到用户终端且具有根据IEEE 802.3格式的标准以太网帧结构的帧的结构；图5b说明在电力布线(PLC)上传递的帧的结构；图5c示出在主要接入点(PAP)和次要接入点(SAP)之间传递的帧的结构；图6a是具有SAP索引(indexing)的存储在PAP中的表；图6b是索引所述用户终端(UT)的PAP中的代理服务器表；图6c是所有端点(UT)的PAP表；图6d是UT以太网端点表中条目的列表；图7是PAP包处理的流程图；图8a是到UT的帧发射的流程图；图8b是电力线广播方法的流程图；图9是SAP处理流的流程图；及图10是UT处理流的流程图。
具体实施例方式
图2a详细说明子面板10和16内的接入点11和17的设置。用户终端20和20′通过电力线载波连接到相应的接入点11和17。接入点11和17之间的通信通过由集线器15所导引的以太网连接来实现。随后将讨论的由集线器15所接收的所有信号在收到这些信号时基于地址被引至所有接入点，使得信号未以其为目的地的接入点将不被接受。尽管结构15作为集线器被示出，在其它实施例中装置15可以是所使用的以太网交换装置，由此信号不发送到所有接入点(AP)而是仅发送到预期的接入点(AP)。
主要AP(PAP)、次要AP(SAP)和UT硬件都共享图3中所示的通用架构。
平台20可看作具有两个接口的微处理器一个以太网和一个PLC。以太网接口如下工作。以太网MAC(介质接入协议)，使用以太网物理层(PHY)收发器来发送和接收IEEE 802.3以太网帧，所述收发器又连接到双绞线介质。在双绞线上所接收的帧由所述PHY解调，前转到MAC上用于帧同步及错误-校验，并且然后放置于共享RAM中以由微处理器读取。在双绞线上待发射的帧被写入共享RAM，由MAC读取，并且然后经由PHY发射到所述介质上。
PLC接口类似于以太网接口的方面在于其发送和接收类似格式的帧且数据路径相同。主要差别在MAC和PHY的本质。由PHY所使用的调制方法是适于在电力布线网络上使用的一种方法。类似地，由MAC所使用的介质接入协议是被优化以便在电力布线网络中所建立的通道条件下良好执行的一种协议。
根据图3所构造的用户终端UT是图4所示类型的端点结构的部分，在图4中用户终端20显示为接收来自具有其相关输入键盘37的PC 30的以太网卡35的输出。用户终端20的输出被馈送到具有2个端子的普通电力线连接点40。所述端子之一被连接作为PC的电源，而另一个承载来自用户终端的输出以准备PLC(电力线载波)上的发射。尽管所述用户终端显示为在所述PC的外部，在另一实施例中其可另外或作为以太网卡的部分而设置在所述PC的内部。
当在PLC或以太网接口上收到帧时，该帧被写入RAM并且通知微处理器该帧的到达。所述微处理器检验帧头，并基于该头及存储于RAM中的桥接(bridging)表的内容，在一个或两个接口上重传该帧，可能首先修改所述头。在双绞线以太网上传递的帧可以是以太网帧或AP-到-AP帧。外部帧是接收自或发射到端点的标准以太网帧，并且具有图5a中所示的标准IEEE 802.3格式(410)。
目的地地址(DA)(411)是48-比特以太网地址，代表作为帧预期接受者的站的ID。源地址(SA)(412)是48-比特以太网地址，代表作为帧发起者的站的ID。这些字段(field)作为通过以太网-到-以太网MAC层桥的帧来保存。TYPE(413)字段是16-比特标识符，也称作协议ID。该字段指示该帧属于哪个较高-层协议，并限定可变长度DATA部分(414)的格式。CRC(循环冗余度校验)(415)是16-比特字段，用来验证帧的完整性。
在电力布线上传递的帧具有图5b中所示的(420)的格式。接收器地址(RA)(421)是代表所述帧被立即导向的PLC接口ID的地址。发射器地址(TA)(422)代表发射所述帧的PLC接口ID。剩余字段具有与(410)中相同的含义。
AP-到-AP帧在PAP和SAP之间传递并具有图5c中所示的(430)的格式。RA(431)代表所述帧的即时接收器，且将依赖于所述帧的方向而是PAP或SAP的地址。AP-到-AP帧可为下行(downstream)或上行(upstream)。下行帧发起于脱离PAP的以太网接口的非-AP节点并终止于连接到UT的节点。上行帧发起于连接到UT的节点并终止于脱离PAP的以太网接口的非-AP节点。代理服务器地址(PA)(433)字段代表对于所述DA节点其是“代理服务器”的UT的地址。对于下行帧，SAP将所述帧前转到其地址是PA(433)的UT，而该UT又将所述帧前转到其以太网接口，在该以太网接口所述帧到达具有地址DA(434)的端点。对于上行帧，所述PA(433)由PAP使用以允许它维持其UT以及经由每个可到达的端点的表。
PAP、SAP和UT装置类型之间的差别是帧在所述两个接口之间被路由的方式。多数路由判定进行在PAP完成，所述PAP在判定过程中使用其RAM中存储的表。这些表之一是图6a的SAP表(510)，其是PAP所知道的SAP的索引表。零的SAP IDX(512)被保存以代表PAP。
同样在PAP中的是图6b的代理服务器表(520)，其是PAP所知道的UT的索引表。零的代理服务器IDX(522)被保持以代表PAP以太网接口。SAP IDX(526)代表在其中UT可通过到达的SAP(512)的索引。零的SAP IDX(526)意指经由PAP的PLC接口可直接到达的UT。
第三PAP表是图6c的端点表(530)，其是PAP所知道的所有端点的表。
PAP包处理流在图7的(600)中说明。在所述PLC接口上所接收的帧只能来自UT(代理服务器)并且是以(420)的格式。TA(422)是代理服务器地址，并且如果对应条目还不存在，则其被添加到所述代理服务器表(624)。对应于该条目的SAP IDX字段(526)被设置为零以指示所述代理服务器从PAP直接可到达。SA(424)是发送所述帧的端点的源地址，且如果该端点还不存在，则其被添加(626)到所述端点表(530)。对应于所述端点的代理服务器IDX(534)被设置为对应于TA(422)的代理服务器表(522)中的代理服务器的索引。DA字段(423)然后被检验(628)以确定所述帧是否为广播类型。如果是，RA(421)和TA(422)字段从所述帧中被移除，剩余帧在以太网接口上发射(636)。同样，借助于图8b中所示的PL广播方法(720)，所述帧被广播到所有电力线节点。如果所述帧不是广播，DA(423)与端点表(530)中的所有节点相比较以确定目的地节点的位置是否已知。如果DA(423)不匹配端点表(530)中的任何节点，控制传递到块(536)并且所述帧被发送出到所述以太网接口和所有代理服务器。如果DA(423)匹配所述端点表(530)条目，用于该条目的代理服务器索引字段(534)被检验(632)，以确定目的地端点的位置。如果代理服务器IDX(534)等于零，所述端点位于所述以太网接口上并且所述帧在那里发射(640)。如果代理服务器IDX(534)是非零，所述端点位于代理服务器之外并且控制传递到图8a所示的代理服务器Xmit方法(700)。
检验PAP的以太网接口上所接收的帧以确定其是来自SAP还是端点(604)。如果它是来自SAP，则它是以(430)的格式并且RA(431)与SAP表(510)的ADDR字段(514)相比较，并且如果所述SAP还不存在，则其被添加到所述表(616)。然后PA字段与代理服务器表(520)的ADDR字段(524)相比较，并且如果其还不存在，则新代理服务器表以ADDR＝PA被添加(618)。控制然后传递到点(627)。如果所述帧来自端点，则它是以(410)的格式并且SA(412)与端点表(530)中所有条目的ADDR字段(532)相比较，并且如果未找到匹配则创建新条目(606)。然后检验DA(411)以确定所述帧是否为广播类型(608)。如果它是广播，控制传递到图8b所示的PL广播方法(720)。否则，DA(411)在端点表的ADDR字段(532)中被搜索(610)。如果DA(411)未被找到，控制传递到所述PL广播方法(720)。如果有匹配，所述代理服务器IDX字段(534)被检验(612)以确定所述目的地端点的位置。如果代理服务器IDX字段(534)等于零，所述端点位于所述以太网接口上并且因为其已经到达其目的地，所述帧被丢弃。如果代理服务器IDX(534)非零，所述端点位于代理服务器之外并且控制传递到代理服务器Xmit方法(700)。
代理服务器Xmit方法(700)直接在PLC接口上或间接通过SAP发射帧到UT。检验(702)代理服务器表中的SAP IDX字段(526)以确定到达所述代理服务器的路由。如果SAP IDX(526)等于零，所述帧以(420)的格式在所述PLC接口上发送。TA(422)字段被设置为PAP地址(712)，RA字段(421)被设置为代理服务器地址(714)，并且所述帧在PLC接口上发射(716)。如果SAP IDX(526)非零，所述帧以(430)的格式在所述以太网接口上发送。PA字段(433)被设置为代理服务器地址(704)，TA字段(432)被设置为PAP地址(706)，RA字段(431)被设置为对应于SAP IDX(526)的SAP的地址(708)，并且所述帧在以太网接口上发送(710)。
PL广播方法(720)如此发送帧使得其经由UT到达所有可到达的端点。为完成此事，所述帧以(420)的格式在PLC接口上广播，并以(430)的格式在所述以太网接口上广播到所有SAP。为便于所述PLC发射，TA(422)设置为PAP地址而RA(421)设置为广播地址(722)，并且所述帧在PLC接口上被发送(724)。为便于所述以太网发射，PA字段(433)设置为广播地址(726)，TA(432)设置为PAP地址，而RA(431)设置为广播地址(728)，并且所述帧在所述以太网接口上被发射(730)。
SAP处理流(800)在图9中说明。在所述以太网接口上所接收的帧是以(430)的格式，并且以(420)的格式在所述PLC接口上重传。RA字段(421)设置为输入帧(incoming frame)的PA字段(433)而TA字段(422)设置为SAP地址(804)。在所述PLC接口上所接收的帧是以(420)的格式，并且以(430)的格式在所述以太网接口上重传。PA字段(433)设置为输入帧的TA字段(422)，TA字段(432)设置为所述SAP地址，而RA字段(431)设置为PAP地址(806)。因为PAP周期性地广播宣布其自己为PAP的以(410)的格式的帧，每个SAP知道所述PAP的地址。
UT处理流(900)在图10中说明。当帧在所述以太网接口上被接收时，其SA(412)与具有图6d的(540)格式的UT以太网端点表中的所有条目相比较(904)，并且如果不存在匹配则添加新条目(542)。然后，DA(411)与相同表(540)中的条目相比较(906)。如果DA(411)存在，所述帧被抛弃(908)。如果DA(411)不存在，所述帧以(420)的格式在所述PLC接口上被发送出。TA字段(422)设置为UT地址(910)而RA字段(421)设置为AP地址(912)。该AP地址可以依赖于UT选择哪个AP作为其AP而是PAP地址或SAP地址。当帧在所述PLC接口上被接收时，RA(421)和TA(422)字段被剥离(916)并且所述帧以(410)的格式在所述以太网接口上发送(918)。以下过程由每个UT使用以选择其AP。所述PAP和所有SAP在其PLC接口上周期性地广播以(410)的格式的帧，宣布它们自己为AP。能加入所述网络的任何UT将能从一个或多个AP接收这些帧。如果UT能从仅一个AP接收这些帧，它选择该AP。如果所述UT能从两个或更多AP接收这些帧，它估计其与每个AP的连接速度，并选择具有最高速度的一个。该连接速度可经由几种方法获得。该计量可由所述PLC MAC功能产生并向上传递到所述包路由功能。否则，所述包路由功能可以发送特殊帧类型到每个AP，所述帧类型被所述AP立即发送回所述UT。所述UT测量发送和接收该包之间所流逝的时间，并选择以最短时间从其接收回所述帧的AP。
前述公开已被陈述，其仅为说明而不是限制本发明。由于对本领域的技术人员可能发生引入本发明精神和实质的公开实施例的修改，本发明应该被解释为包括在所附权利要求及其等价形式的范围之内的任何情况。
权利要求
1.一种用于局域网通信的系统，包括低压AC电力布线结构，包括多个逻辑布线中心，所述多个布线中心的每个与相应的多个电出口相关联；多个通信接入点，每个安装在所述多个逻辑布线中心的相应的一个中；多个用户终端，每个通过通信信号线连接到所述多个电出口之一，以便提供与所述用户终端的另一个的通信；其中所述多个通信接入点的每个通过以太网标准连接与所述多个通信接入点的其它那些相关联。
2.如权利要求1的系统，其中所述多个通信接入点中的一个是主要接入点，来自所述多个用户终端的所有信号通过其而通过。
3.如权利要求1的系统，其中所述多个用户终端每个包括微处理器及包括至少一个以太网接口和一个电力线载波接口的至少两个接口。
4.如权利要求1的系统，其中所述多个接入点的每个通过以太网集线器结构与所述接入点的其它那些相关联。
5.如权利要求1的系统，其中所述多个接入点的每个通过以太网交换装置与所述接入点的其它那些相关联。
6.一种用于局域网通信的方法，包括以下步骤在低压AC电力布线结构的对应多个逻辑布线中心中提供多个通信接入点；提供多个用户终端，每个连接到所述低压AC电力布线结构的多个电出口的相应那些，以便在所述用户终端间提供通信；及提供以太网标准连接，以便将所述多个通信接入点的每个与所述多个通信接入点的其它那些相关联。
7.如权利要求6的方法，包括进一步的步骤将所述多个通信接入点中的一个作为主要接入点提供，来自所述多个用户终端的所有信号通过其而通过。
8.如权利要求6的方法，包括以下步骤为每个所述用户终端提供微处理器以及包括至少一个以太网接口和一个电力线载波接口的至少两个接口。
9.如权利要求6的方法，包括以下步骤将以太网集线器结构作为以太网标准连接来提供。
10.如权利要求1的方法，包括以下步骤将以太网交换装置作为所述以太网标准连接来提供。
11.一种用于在低压AC电力布线结构之上的局域网通信的系统，所述低压AC电力布线结构包括多个逻辑布线中心，其每个与多个电出口相关联，所述系统包括多个通信接入点，每个安装在所述多个逻辑布线中心的相应的一个中，所述逻辑布线中心利用以太网标准连接而彼此连接；多个用户终端，通过连接将通信信号输出到所述多个电出口的相应的一个，以通过所述通信接入点的至少一个来提供与所述信号所指定的至少一个所述用户终端的通信；
12.如权利要求11的系统，其中所述多个通信接入点中的一个是主要接入点，来自所述多个用户终端的所有信号通过其而通过。
13.如权利要求11的系统，其中所述多个用户终端的每个及所述多个通信接入点的每个包括微处理器以及包括至少一个以太网接口和一个电力线载波接口的至少两个接口。
14.一种用于在低压AC电力布线结构的多个端点间通信的方法，所述方法包括以下步骤将电通信信号插入所述端点的发起的一个中以发送到至少一个目的地端点；使所述信号通过到与用于所述低压AC电力布线结构的第一组所述端点的布线中心相关联的至少一个中间点。在所述第一中间点和与用于所述低压AC电力布线结构的至少第二组端点的至少第二布线中心相关联的至少第二中间点之间提供以太网标准通信；由此，当所述电通信信号目的地为仅所述第一组的端点时，所述通信作为所述低压AC电力布线结构的电力线上的载波信号而被完全通过。
全文摘要
一种网络拓扑及包路由方法，用于使用低压(120/240VAC)电力布线作为传输介质来实现局域网(LAN)。具有电力线载波(PLC)接口及一个或多个IEEE 802.3以太网接口的接入点(AP)经由其PLC接口连接到电力线介质的逻辑中心。多个用户终端(UT)向其相关AP发送并从其相关AP接收，所述AP又将数据包路由向适当的目的地。大网络可包括多于一个的AP，在这种情况下每个UT基于表示UT和AP之间连接质量的度量来选择其AP。
文档编号H04L12/28GK1774888SQ200480009942
公开日2006年5月17日 申请日期2004年5月6日 优先权日2003年5月7日
发明者安德鲁·波兹盖伊 申请人:泰尔科内公司