专利名称：电力线家庭通信网络系统的制作方法
技术领域：
本发明是关于电力线通信及家庭通信网络的技术方案。背景技术：
电力线通信(Power Line Communication,以下简称PLC)是利用电力线来传输数据信号的一种通 信方式。而家庭通信网络系统是指，将家庭内所有的电器都连接起来形成网络，使其可以互相连接 及通信。通过网络可以实现对电器各种进行远距离遥控操作以及家庭内数据信息的传送接收共享 等，是网络无处不在时代所设想的家庭通信环境之一。
在各种家庭通信网络的方案中，以电力线做为载体构筑家庭网络具有如下优点
(1) 相比于其他的有线组网，它是利用现有的室内配电线网，无需新的布线，节约资源和 投资；
(2) 相比于无线组网方案，它具有频率资源占用少通信路经可控的安全可靠性高等优势；
(3) 通过家庭内遍布的墙上电源插座可以方便的实现任何地点的网络连接；
PLC的利用本身已有很长的历史。但由于当时的技术条件和应用市场的局限等因素很长一段时间 里并未有很大的突破。近年来随着LS1技术的发展和互联网的应用普及的要求，PLC技术在宽带网 络接入及家庭组网方面受到重视，技术开发上取得了飞速的发展。如美国的Intellon,以色列的 ITRAN,西班牙的DS2，日本的松下电器等公司己开发出各种高速PLC用芯片和模块，并己推出物 理速率可高达200Mbps的PLC网关和调制/解调器(或称PLC适配器)等产品。可用于互联网的宽 带接续或家庭内娱乐电器之间的文件传输。
发明内容
课题
使用上述的PLC网关和调制/解调器进行家庭组网时，是先将PLC网关插入家庭内任意一个电源 插座上，外部互联网的通过此PLC网关被变换成PLC高频信号进入家庭的电力网，而用户端的PC 或其他的电器制品则通过一个査在电源插座上PLC适配器来和PLC网关相连接的。因为PLC网关 和PLC适配器都是直接插在任何一个电源插座上，PLC的高频信号是通过配电盘的各相电线联接点 传向室内各个电力线分支的，整个家庭是共用一个PLC高频信号链路(如专利代号JP2004-56218, JP2004"2(U052， JP2005-354575, JP2006-11548I, US2006-0165054, CN1633038等的方案)。用这个方 式存在有以下的问题
(1) 当PLC网关的电源插座和连接电器制品的PLC适配器的所在不在同一个安全断路 器的电力线分支上时，PLC高频信号就要经过多个电力供电线路上的安全断路器和 线路分支才能达到。安全断路器和线路分支都会对PLC高频通信信号产生非常大的 衰减。测试数据显示相对同一支路下得两个电源插座之间的平均传输损为10-15dB 的情况下，不同支路下得两个电源插座之间的平均传输损高达40-50dB。为了使通 信信号可以到达家庭内电线路的各各角落就需要很大的送信功率。造成很大的辐射 电磁噪声。
(2) 因为PLC信号是无限制的沿着室内电力线传向各个方向的，因此也会沿着接入的电 力线向外部泄漏，除了造成通信内容的外泄之外家庭接入供电线路的不平衡构造会 引起很大的电磁波的辐射，而造成对其他的无线利用干扰。
(3) 各个分支线在高频信号链路的不隔离，所以每个支路上电器噪声都会传到别的支线 .上造成对整个线路上的噪声叠加，从而影响PLC通信。(4) 同时对于家庭通信网的组网需要考虑各种电器的接入要求，既在同一个电力线家庭 通信网平台上要支持各种各样电器的接入所要求的各种形态的通信方式，而上述 PLC适配器产品基本上针对某种特定的用途，比如互联网的宽带接入或者AV娱乐 电器之间的数据传输和相互接续等。采用的多单频域宽带的调制解调方式。而现在 各种PLC产品所使用的频率频段跨越lM 40MHz,是一个相对带宽非常宽的频域 段带。在如此广域的频率带内传输媒体电力线所呈现的衰落辐射特性变化很大，周 围环境的噪声分布也有很不均匀，使得宽带的均一的高速/高性能的数字的调制解调 的实现较为困难，频率使用效率低下。也有一些分频多信道的电力线通信系统的提 案，比如专利号JP平11-127092， JP2005-223609, US006590493, CN1564475等的方 案，多是使用复数个载频进行不同信道之间的频率变换以实现不同系统之间的中继 转接等，非为解决多种通信方式的共存和频率利用效率提高的课题。
(5) 另外，上述PLC产品。而且对PLC在实际的应用中所产生的线路对某个特定频率 产生共振的现象以及政策规制上的原因对某个频率段进行限制使用等问题，单频域 宽带的调制解调方式在处理上也比较困难。
针对上述的问题，本发明提出一个整体的电力线家庭通信网方案。其具体如下手段
针对上述课题(l)， (2)， (3)，本发明的第一个方面是在网络结构结构的设计上隔断各个电力线支路的 高频连接，使实效的PLC高频传播路径为最短；
家庭内的供电电线路是以配电盘为中心以树状结构延伸到家庭内的各个方面的。配电盘内各树状 分枝的源头都接有漏电保护的安全断路器。家庭电力线作为通信媒体使用的时候，当不同的分枝线 上的电器进行彼此连接通迅信号要跨越这些安全断路器时，安全断路器不仅仅是只对高频通信信号 产生很大的衰减外，各个断路器与多相电线的相接所形成多路分支也是电磁波的辐射主要原因。因 此隔断PLC高频信号在此区间的传播将能改善整个系统的传输性能。
本发明的网络构成设计如
图1所示，是在家庭的供电配电盘内设置家庭网络网关(gateway)，将 各电力线路末端安全断路器的输出线都通过网关然后接入室内电力线网。网关内部对每一路的安全 断路器的输出支线都接入一个PLC模块负担此分支线上的PLC高频通信链路收容。在PLC模块的 接入点的前端和安全断路器之间插入低通滤波器(LPF)以隔断此安全断路器支线上的PLC高频载 波信号通过安全断路器向上端的接入电力线的泄漏以及对其他的安全断路器支线串扰，使得各个安 全断路器以下的末端支线各自购成一独立的PLC链路。而位于不同的安全断路器输出支线上的电器 间的通信连接是在家庭网络网关(gateway)内的集线交换器进行的数据层面的连接(如图1，图2 所示)。因此每一个端到端的通信链路的实效PLC高频通信区间仅为安全断路器分支下的配电线长 度。 一般得家庭电力线末端的安全断路器分支下的电力线长度为仅为数米 数十米。在如此短的距 离上电力线线路的衰减和线路延迟都相对很小，使小功率高速的数据通信的实现较为容易。同时， 安全断路器以下的分支线上分歧相对较少，线路的平衡度及线路的品质变化也相对稳定，而且各个 安全断路器下的低通滤波器不仅可以隔断各支路间的PLC信号的串扰也可隔离各支路上的电器噪 声的相互影响。
针对上述课题(4), (5),本发明的第二个方面是在提高频率使用效率和多种通信方式的收容方式 本发明是将一个广域的宽带频带分割成复数个 数十个具有固定带宽的窄带频道。而每一个窄带频 道都可以作为一独立的通信信道被使用，每个频道设有独立的PLC调制解调模块。在窄带频域的条 件下可以根据各个频道带域的具体情况而采取合适与此频道状况的调制算法和手段以取得更为高 速/高效的数据调制解调方式和输出功率，以及对特定频率段的柔软控制管理等。分割后各个窄带频率段作为物理上独立的信道，由于每个频道都设置有独立的调制解调模块，使 单个的频段也可以单独的进行通信连接。对于小数据流的通信对象，如一些电器控制信号等，单个 频道即可；而对于大数据流的实时通信，如数字电视广播的传输连接需要大的带宽时，可以采用多 个频道的拼接构成一个大容量的信道，即以频道为单位对各种的通信分配专用的频带和频道。并且， 对于各种不同的通信协议的通信采取指定使用不同频道来传输，可以在不触动上层的协议的条件下 将各种各样的电器所有的各种通信方式方便的以频道复用多重的形式统合在一个电力线家庭通信 网络中。对于不同的电器所进行同类的通信连接将共享同一个通信信道。复数的通信对同一个通信 信道的共享是采用CSMA/CA的方式来实现。
由于将采取以频道为单位对通信对象分配专用的频道和频带，因此对某一个特定的电器所内置的 PLC模块可以有选择的装载PLC频道模块，也有利于减少不必要的噪声干扰源。
根据本发明的第三个方面是设置网络管理通信专用信道
本发明所设计的电力线家庭网络系统是一个以家庭网关为中心的网络(图2)。在上述的一个广域 的宽带频域分割成数十个相对独立的窄带频道后，为了强化家庭通信网络的管理机能和可靠性，单 独的设置一窄带频道作为专用的网络管理通信信道。主要提供家庭内各个联网电器与PLC网关之间 的信息交换和网关对网络的监控和管理。
网关与复数个的电器对网络管理专用频道的共同使用采用CSMA/CA的方式来实现。
发明的效果
从以上的说明中可以看出，使用本发明的提案可以获得下列的效果。
(1) 因为在每个安全断路器的分支上插入带有上层隔离低通滤波器LPF的PLC模块，在一 哥德家庭电力线网路上具有复数个的独立PLC链路，所以单一的PLC通信距离被限定 在末端的安全断路器分支下的电力线路区间内，PLC的通信距离很短，线路衰减等条件 较好，可以实现微小发送功率的高速PLC通信。
(2) 由于频带的分割，每各频道可以单独的进行调制解调，在一个窄带的频道上实现高速/ 高性能的数据调制解调，容易实现高速/高可靠性的PLC通信。
(3) 由于以频道为单位对各种的通信分配专用的频道可以容易的使各种具有不同的通信协 议的各种各样的电器之间的相互通信接续统合到同一个家庭通信网络上。
(4) 由于频道化的频带管理，能够对各频道进行单独的On/Off和输出调整，在实际的运用 上可以容易的对特定的频带的输出调整及控制等进行柔软的对应。
(5) 同时，由于以频道单位为各种通信功能分配通信频道，电器中内装的PLC模块里只需 装备与此电器所需的那份频道的调制解调模块，即可以节约制造成本也可以减少无用的 高频噪音的放出。
具体的实施方式的解说
以下，结合附图来说明本发明提案的实施方式。
图1是本发明在实施的时家庭电力线配电盘里设置家庭网关的接线示意图。
家庭配电盘(100)上的电力线末端的各个安全断路器(102， 103, 104)的输出支线(150)通过 LPF (低通滤波器)(2)与PLC模块(3)相能连接，在向室内内伸展的各个电力线支线(150)上形成 相对独立的PLC链路。因为在电力线支线(150)的顶端插入有LPF(2)，所以各支线上的PLC的高 频信号被限定在此支线(150)以下的区间，从而防止高频通信信号沿着电力线越过安全断路器
(102， 103， 104)向外部的泄漏以及防止对其他支线的串扰。
家庭网络网关器(10)上的每个PLC模块(3)的数据层可在集线交换器(5)里进行互相连接。同时， 因为做外部网络的连接通信端口(3a ，3b〉也与交换集线器(5)相连接，PLC模块(3)与外部通信连接端 口(3 a ，3b)的连接也经由集线交换器(5)来进行数据层的互相连接。
图2是本发明实施时所构筑的PLC家庭通信网络系统展开的示意图。
以家庭PLC网关(10)为中心，以家庭内树状展开的电力线(150)为传输媒体展开PLC家庭通信网络。 家庭内各种电器(200=200 a ，200b，200c等)使用一个AC插头通过供电插座与家庭通信网相连，并 且在PLC网关器(10)的中介和管理下实现与其他的电器的进行通信连接。当不同电力线支线(150) 上的电器(200)，譬如对200a和200b的电器进行通信连接的时，是经由家庭网络网关器(10)在数据 层上进行交叉连接。同一个PLC链路上的电器(200)，譬如200c电器之间的通信连接也需要家庭 网络网关器(10)来安排通信连接用的频道。通信连接频道的安装例子后面记述。
图3是本发明实施的时频带分割的示意图。
作为一个分割方式的举例，将一个跨越数十MHz带宽的广域的单频宽带的PLC频带段分割成数 十个具有数百KHz带宽的窄带频道。此实施案是以500KHz的频率带宽幅度把PLC常用的工作频 带1.5MHz 30MHz的频带做为57个窄带工作频道(50),并以SO， S1 S56顺序编号。
图4是本发明实施的时按通信的用途进行的频道分配的示意图。
以上述分割后的窄带频道为单位，按不同的通信应用来分配各自独立固定的通信信道，可以使各 种不同的通信协议的通信容易的以频分多重复用的方式共同使用同一个PLC家庭通信网平台。在此 实施例中，SO频道被定为网络管理专用信道，仅被用于网关和联网电器之间的通信使用；S1-S20 被指定为外部网(指互联网等)的接续用信道；而S21-S50则被分配为家庭内部各种电器间的接续 和数据传输，比如电视和数字调协器，电视与DVD以及PC与外设之间的连接等；S51-S56则被用 来为家庭监控和家庭自动化等用途。
图5是本发明实施的时在联网电器的内置PLC模块功能示意图。
在各种联网电器(200=2003, 200b， 200c等)的AC供电插头线(151)的引线上，AC/DC电源模块 (201)之前接入PLC模块(3)。而低通滤波器LPF(2)可阻断PLC高频信号进入电器的AC/DC电源 模块。因为PLC模块是在电器本体的供电电源模块之前，因此不管电器本体的电源开关的On/Off 与否一旦电器的AC插头插在室内的电源插座上时，就可以启动PLC模块实现电器的联网。
图6是本发明实施的时联网电器的内置PLC模块中复数个的窄带高速调制解调器单元的示意图。 基于上述的频段分割和频道的用途分配，在电器内置PLC模块里有选择的装载电器功能所需频道 的调制解调单元。因为在窄的频域带的条件下较为容易实现单位频宽下的高速/高性能的数据调制解 调，频率使用效率高。由多个窄带的高速调制解调器拼接在一起也可以容易地能构成一宽带的高速 调制解调器。因为用复数个高速调制解调器模块(6)将数据用不同得频道分开发送，需将数据流用 频道数据包装模块(7)来分割并装入频道数据包(51)。
图7是本发明实施的时家庭网络网关内的数据连接的示意图。
在不同的电力线支线(150)上的电器(200)之间的通信连接，以及复数个的通信连接如何在家庭网络 网关(IO)内的进行数据连接的图示。
图8是本发明实施的时信道共用碰撞防止的CSMA/CA机制的示意图。
复数个的电器(200)在同类的通信应用下共同使用同一的通信频道时如何利用碰撞防止的 CSMA/CA机制的图示。
图9是本发明实施的时PLC家庭通信网上各种电器(200)联网登录以及撤出的时序形态示意图。详 细如下所示。
(1) 当内置有PLC模块(6)的电器(200)被接入AC插座的同时，电器内置的家庭通信网络的 加入登录程序被自动启动。登录程序以一定的时序通过SO频道自动地向家庭网络网关 发出登录请求，并提交自身电器得相关信息，进行电器的家庭网络的加入登录。
(2) 家庭网络网关(10)在接受了电器(200)的加入登录请求和信息后，作为回应将网关所有的 当前家庭网络的电器登记表发送给电器，登录电器将接收到的家庭网络的电器登记表用 来更新自己所有的网络的登记电器表，并对网关送出信息收到了的回信。电器的登录完 成。
(3) 网关在收到新的电器登录后会更新当前的家庭网络电器的登记表，并定期的(譬如每10 秒)将此登记表发送给与网络相连接的电器。
(4) 与网络连接的电器(200)不管本体的电源的开关与否，将自动地接收家庭网络网关器(IO) 的送信信息来更新自己所有的网络的登记电器表，并对家庭网络网关器(10)回信表示收 到了信息。
(5) 家庭网络网关器(10)将用来自机器(200)的回答来确认此器仍连接在网络上。如果某电器 对连续3次的电器登记表的信息没有回答，由此而判断此电器已经脱离了网络，从而将 从电器登记表里删掉此电器。
(6) 已登记的机器(200)，当本体的电源On的时候网络登记电器名单将会在画面上被表示出 来。当从名单中选着所要连接的电器并决定后，电器(200)使用SO频道向家庭网络网关 器(10)发出连接要求。
(7) 家庭网络网关器(IO)，接收到的连接要求后，以一定的程序计算出连接用所需的频道数 并分配频道，通过SO频道将分配的频道编号送信给两侧的电器(200)。
(8) 接收了连接频道信息的两侧的电器开启被指定的频道段的调制解调器模块(6)，由此两 电器之间就可以直接连接了。
(9) 具有了直接连接通道的两电器，就像电器和电器之间接上了电缆一样，自动地按一定的 程序安装电器之间进行数据传送所必要的数据链接，进行数据的转送的频道设定(如上 行/下行所用频道和传送次序等)。
(10) 当电器切断连接的时候，只需自动地关闭所关联的接续频道的调制解调器模块(6)即 可。
(11) 当复数个的电器为同样的用途同时和同一个的电器相连接的时候，譬如复数个的PC同 时利用因特网时，各个电器将打开同样调制解调器模块，共用一个的通信频道。通信频 道的共同使用方式是与Ethernet同样的CSMA/CA机制。
在产业上使用的可能性
家庭通信网络，被视为网络无所不在时代所必有的家庭环境之一具有很大潜在市场，其本身就很 可能成为一个产业。本发明可以被家庭通信网络的产业所用。
电力线家庭通信网络系统因为利用现有的家庭内的电力线，不需新的室内线路工事能没有需要对 基础设施进行大的投资，用一个AC插头即可简便地在家庭内任何处进行连接，是最容易使用的网 络系统。
从技术的层面上来看，现在的调制解调器技术已可实现1比15以上的数据调制，在500kHz的带 宽上可传约8Mbps数据传输速率(例如，现在市场上的VDSL所用OFDM/DMT的调制方式，用125
个4kHz间隔的载波，在每个载波用15bit的数据调制)。因此以保守的计算，在1.5MHz-30MHz的 频带宽度上可以实现400Mbps以上的数据传输率。因此现在所能想象得到的绝大部分的家庭内的通 信及娱乐应用都可以利用电力线家庭通信网络的。
半导体IC技术的进步已可能在一个IC芯片组上面集积复数个的调制解调器模块，和在一个家庭 通信网络网关里嵌入复数个PLC通信模块，并可内置于家庭配电盘内。
由于以频道为单位把通信频道分割，以频道复用的方式将不同应用的复数个通信连接进行统合， 可以使用一个的家庭通信网络连接所有电器之事变得可能。
附图的简单说明
图1是本发明在实施的时家庭电力线配电盘里设置家庭网关的接线示意图。
图2是本发明实施时所构筑的PLC家庭通信网络系统展开的示意图。
图3是本发明实施的时频带分割的示意图。
图4是本发明实施的时按通信的用途进行的频道分配的示意图。
图5是本发明实施的时在联网电器的内置PLC模块功能示意图。
图6是本发明实施的时联网电器的内置PLC模块中复数个的窄带高速调制解调器单元的示意图。
图7是本发明实施的时家庭网络网关内的数据连接的示意图。
图8是本发明实施的时信道共用碰撞防止的CSMA/CA机制的示意图。。
图9是本发明实施时电器的接往登记及退出的序列的示意图。
符号说明
10 :家庭通信网络网关器，家庭网络的中心。负责安全断路器电力支线之间的通信链路的连
接和网络的管理等。 2: LPF二低通滤波器；阻隔高频通信信号沿着电力线向外部的泄漏
3: 1"1,12,..1^= 1^模块；
(一般的家庭配电盘装载的安全断路器约在10数个前后，因此家庭网络网关器装备的PLC
模块的数也为这个是数。)
10 =外部宽带因特网接续电路的终端模±央；
TS-外部CATV等动画类送信服务接续电路的终端模块；
TU二电器内置的PLC模块。 4: COM二控制单元； 5: Hub-Switch二集线交换器单元； 6:电器内置的PLC单元； 7:数据流频道数据包的分组/组装模块； 8:窄带频道调制解调器模块； 50:频道的频段；
51:频道的数据包；似一种MAC帧的数据包。
100:家庭配电盘；
102:安全断路器；
150:家庭内的配电线路；
151:电器的AC插头電線；
200 (200a、 200b、 200c):家庭电器制品
200g、 200f:家庭外部的网络的终端装置
权利要求
1.一种电力线家庭通信网络系统，其网络的结构特征在于在家庭配电盘(100)内设置电力线通信网关装置(10)，此网关装置在每一个安全断路器(102，103，104)的输出端的支线(150)上插入低通滤波器LPF(2)然后接入电力线通信的模块(3)，以使各个安全断路器支线上的高频信号链路彼此完全隔离，阻断通信信号通过安全断路器(102，103，104)向上端及外部的泄漏并防止各个安全断路器支线之间的信号及噪声的串扰，使得各个安全断路器以下的末端支线(150)各自购成一独立的电力线通信高频链路；而每一个电力线通信链路之间的数字信号的连接则由此网关内内置的二层集线交换机(5)来承担；因此形成在一个家庭电力线网上有复数个独立的电力线通信链路，从而实现各个电器(200)之间的实效电力线通信高频通信链路有最短的传播路径之目的。
2. —种电力线家庭通信网络系统，其通信频率利用特征在于-将电力线通信可用的数十MHz广域连续的宽带频率频带段分割为数个~#十个具有固定频带宽度的 窄带(Narrow-Band)的频道，每个窄带频道设置有独立的调制/解调装置，可以作为独立的通信通道使 用，并且真对于的各个信道的特性及使用目的可以采用各不相同的调制/解调的方式，以达到各个频 道工作在最为适合的条件而得到整个频率段的最优化高速数据传送的目的。
3. —种电力线家庭通信网络系统，其特征还在于在权力要求2项所述的概念的基础上，以窄带的频道为单位对通信对象分配所需要的通信带宽，以 复数个独立的窄带频道拼接为一个大容量的数据传送通道，以达到柔软的进行通信频率带域的分配 和管理之目的。
4. 一种电力线家庭通信网络系统，其特征还在于利用权力要求2或3项所述的概念及手段，将各种各样的电器制品联网所使用的各种通信格式可以 在频道复用的方式下共用一个电力线网络平台，以达到各种的电器制品使用家庭电力线可以方便的 联网之目的。
5. —种电力线家庭通信网络系统，其特征还在于将包含有权力要求2或3项所述的概念的电力线通信模块嵌入电器制品内，将电器制品的电力线通 信数据通信端口和电器控制器成为一体，以达到仅用一个电源线插头来实现电器的供电及通信网络 的连接之目的。
6. —种电力线家庭通信网络系统，其特征还在于利用权力要求2项所述的概念，设置独立的专用于网络管理的通信频道，使网络管理信道独立于网 络通信用信道而使网络管理信息不受网络通信流的影响，以达到高信赖稳定的网络管理之目的。
全文摘要
本发明提供一种电力线家庭通信网络系统的解决方案。其中包括在家用配电盘内设置家庭网关装置在每个安全断路器输出端接入带有上层隔离低通滤波器的PLC模块，以形成每个安全断路器的输出电力线支线构成为一独立的PLC链路，从而使家庭内PLC高频信号的实效传播路长仅为数～数十米，以实现以微小的功率和高速的PLC通信的网络结构；将一个广域宽带的PLC通信频带分割成数十个固定带宽的窄带频，对各窄带频道施用相对独立且最适合的数字调制方案以达到个单频道的最优和高速数据传输，并以窄带频道为单位为不同的通信应用分配通信信道，使各种不同的通信方式可以在频道多重复用下共用一个电力线家庭网络平台。
文档编号H04B3/54GK101373991SQ200710141470
公开日2009年2月25日 申请日期2007年8月21日 优先权日2007年8月21日
发明者黄礼丰 申请人:黄礼丰;陈志强