通过地面电力线在交通工具与地面航站楼之间的通信的制作方法

本公开总体涉及通过电力线的宽带通信，并且更具体地，涉及通过地面电力线在飞机或其他交通工具与地面站之间的多输入、多输出(mimo)通信。

背景技术：

新型飞机配备有无线通信能力(例如，wifi)以促进在飞行器登机口转向时间期间在飞机与航空运营中心之间的大量的数据交换。然而，无线连接性在很多机场已经遭遇问题：受限的wifi基础设施和带宽以及来自乘客的支持wifi的设备的干扰。另外，存在与共享常见的无线信道相关的数据安全风险。

无线通信的一种替代是通过已经存在的机场地面电力线使用有线数据通信。然而，通过电力线的数据传输面临两个基本的挑战。第一，通过电力线的数据传输遭受电力线上大的瞬变、噪声和串扰。每次电负载开启/关闭或改变其功耗级别时，其将毛刺和不对称引入电力线。开关电源和功率逆变器产生不期望的谐波。发电机、压缩机、电动机、继电器、故障电路断流器、晶体管和整流器产生具有各自特征的噪声。如一个示例，商用飞机停在机场航站楼登机口并且从悬挂在登机道(载客桥)下方的地面电力单元(gpu)接收电力。该gpu提供730安培(a)的平均电流。由于负载变化(增加和减少)，该电流可上升到最大1100a，10毫秒(ms)内下降到500a，然后在130ms内衰退到260a的稳定状态。这样的干扰增加了宽带电力线(bpl)接收器看到的信号退化的可能性以及bpl发射器看到的信号衰减。由于连接器的线路阻抗和信号反射不匹配，bpl通信的性能也会退化。

为了克服电力线上大的瞬变和噪声，在其发射模式期间来自bpl设备的信号强度被增加以补偿下降的信噪比。增加传输电力增加了信噪比并且由此减少错误率。通常，期望错误率低于0.001％来端到端发射数据。增加传输电力足以获得可接受的信噪比(即，获得期望的低错误率)，然而，产生频率谐波、不需要的辐射能量和增加的与在相同频率范围操作的其它系统的电磁干扰。

用于通过地面电力线通信的第二个挑战是无线电干扰。基于homeplug音频-视频2(av2)标准的bpl调制解调器在1.8mhz到86mhz频带中操作，而基于国际电信联盟电信标准化部门(itu-t)的g.hn标准的bpl调制解调器在2mhz至100mhz频带中操作。根据这两个标准配置的设备在军用、航空、业余无线电和广播公司占用的高频(hf)和甚高频(vhf)范围中操作。与同轴线或双绞线不同，电力线没有被屏蔽，没有固有的噪声抑制，由此用作室外天线，用于其携带的2mhz至100mhz信号。bpl的广泛部署可能对军用hf无线电通信产生不利影响。

而且，来自靠近临近系统(如具有多个bpl室外设施的机场航站楼登机口区域)的干扰进一步引起信号退化，因为bpl调制解调器可能不能确定相同带宽中的其他信号中的具体频率。

当通信中的错误变得显著时，bpl设备变得效率更低(丢包和数据重传)、不起作用或以不期望的方式操作(数据损坏或被污染但未被检测到)。

技术实现要素：

本公开涉及用于当飞行器停在登机口时在飞行器与航站楼之间通信的方法和装置。当飞行器正被供电时，飞行器与航站楼之间的连接通过地面电力线进行。通过地面电力线的数据传输遭受电力线上大的瞬变、噪声和串扰，其引起信号退化。另外，因为地面电力线的导线通常是未被屏蔽的，所以通过地面电力线的数据传输产生不期望的无线电干扰。

本文描述的方法和装置使用mimo技术来对抗信号退化和无线电干扰。更具体地，在发射端，相同信号的多个副本相对于另一个被相位偏移并且同时通过地面电力线被发射。每个数据流耦合到地面电力线中的相应导线。在接收端，信号的多个副本从地面电力线的相应导线被提取并且被组合以生成具有改进的信噪比的组合信号。通过相位偏移的方式发射数据流来抑制无线电干扰，使得不需要的发射取消。

本公开的一方面包含用于通过具有多个未被屏蔽的导线的电力线在交通工具与地面站之间发射数据的方法和装置。一个或更多个电力线调制解调器从单个数据流生成多个相位偏移数据流并且同时通过电力线发射多个相位偏移数据流以减少无线电干扰。耦合电路将由一个或更多个电力线调制解调器输出的数据流耦合至电力线的相应导线。

根据一方面，电力线调制解调器生成和发射m个相位偏移数据流，其具有2π/m弧度的相位间隔。在一个示例中，单个电力线调制解调器生成并发射三个相位偏移数据流，其具有2π/3弧度的相位间隔。在另一个示例中，两个电力线调制解调器中的每个生成并发射相位偏移数据流，其具有2π/4或2π/2弧度的相位间隔。

根据另一方面，耦合电路利用电流变压器/电流互感器(currenttransformer)将每个数据流感应地耦合至电力线的未被屏蔽的导线中的相应一个。这种布置提供电气隔离并且减少电气危害。

本公开的另一方面包含用于通过具有多个未被屏蔽的导线的电力线接收数据的方法和装置。耦合电路从电力线的相应导线提取多个相位偏移数据流，多个相位偏移数据流从单个数据流中生成并且通过电力线被同时发射以减少无线电干扰。一个或更多个电力线调制解调器接收多个相位偏移数据流，并且组合多个相位偏移数据流以再生成单个数据流。

根据一方面，电力线调制解调器接收并组合m个相位偏移数据流，其具有2π/m弧度的相位间隔。在一个示例中，单个电力线调制解调器接收并组合三个相位偏移数据流，其具有2π/3弧度的相位间隔。在另一个示例中，两个电力线调制解调器中的每个接收并组合两个相位偏移数据流，具有2π/4或2π/2弧度的相位间隔。仍在另一个示例中，耦合电路利用感应地耦合至未被屏蔽的导线的变压器从电力线中的相应未被屏蔽的导线中提取相位偏移数据流中的每个。这种布置提供电气隔离并且减少电气危害。

根据本公开的另一方面，提供了一种用于通过地面电力线在交通工具与地面航站楼之间通信数据的方法。在该方法的一个示例中，第一电力单元检测指示第一电力单元与远程电力单元之间的连接的信号。响应于检测到该信号，与第一电力单元相关联的一个或更多个调制解调器自动地建立和与远程电力单元相关联的一个或更多个远程调制解调器的数据连接。在建立第一电力单元中的一个或更多个调制解调器与远程电力单元中的一个或更多个调制解调器之间的连接后，第一电力单元中的一个或更多个调制解调器通过电力线与远程电力单元中的一个或更多个调制解调器交换数据。

该方法的一个示例进一步包含在电气连接电力线中的导线的第二子集之前电气连接电力线中的导线的第一子集。第一电力单元检测指示连接导线的第二子集中的导线的一条的信号。

该方法的另一个示例进一步包含使用变压器将与第一电力单元相关联的一个或更多个调制解调器感应地耦合至导线的第一子集中的相应导线。

在该方法的一个示例中，第一电力单元包括设置在变压器与远程电力单元之间的接触器。地面电力单元响应于检测到第一电力单元与远程电力单元之间的连接而启用接触器，以及响应于检测到第一电力单元与远程电力单元之间的连接丢失而禁用接触器。

该方法的另一方面包含从第一电力单元中的电源电路向一个或更多个调制解调器供电。

该方法的另一方面包含响应于预定事件，临时中断机载电力单元中的一个或更多个调制解调器与地面电力单元中的一个或更多个远程调制解调器之间的数据交换，而机载电力单元和远程电力单元仍然连接。例如，预定事件可以包含发动机启动测试。

附图说明

与以下详细的说明相关联，参考附图，其中不同图中的相同数字表示相同的元件。

图1示出了用于在地面的飞行器与在机场航站楼之间通信的机场通信网络。

图2示出了飞行器机载的飞行器通信网络。

图3示出了飞行器通信网络的网关和其他方面。

图4示出了飞行器中的调制解调器，其用于使用常规的单流单输入、单输出(siso)调制解调器和电容耦合通过地面电力线与地面电力单元中的调制解调器通信。

图5示出了飞行器上用于连接到地面电力电缆的插座。

图6示出了用于连接到飞行器的插座的地面电力电缆的一端上的连接器插头。

图7示出了飞行器中的3x3mimo调制解调器，其通过地面电力线与地面电力单元中的3x3mimo调制解调器通信。

图8示出了飞行器中的4x4mimo调制解调器，其通过地面电力线与地面电力单元中的4x4mimo调制解调器通信。

图9示出了飞行器中的两个2x2mimo调制解调器，其通过地面电力线与地面电力单元中的两个2x2mimo调制解调器通信。

图10a和图10b示出了控制mimo调制解调器的示例性控制逻辑。

图11示出了地面电力线的阻抗模型。

图12示出了电流互感器与调制解调器和地面电力线的阻抗匹配。

图13示出了表示地面电力线的信道矩阵。

图14示出了根据本公开发射的信号之间的相位偏移。

图15示出了用于通过地面电力线发射数据的示例性方法。

图16示出了用于通过地面电力线接收数据的示例性方法。

图17示出了用于通过地面电力线在交通工具与地面航站楼之间通信数据的示例性方法。

具体实施方式

本公开的方面设涉及用于当飞行器在地面上时在飞行器与航站楼之间通信的方法和装置。在飞行器被供电的同时通过地面电力线进行飞行器与航站楼之间的连接。通过地面电力线的数据传输遭受电力线上大的瞬变、噪声和串扰，其引起信号退化。另外，因为地面电力线的导线通常是未被屏蔽的，所以通过地面电力线的数据传输产生不期望的无线电干扰。

本文描述的方法和装置使用mimo技术来对抗信号退化和无线电干扰。更具体地，在飞行器上或在航站楼的发射设备通过地面电力线发射相对于另一个相位偏移的相同信号的多个副本。每个数据流被耦合至地面电力线中的相应导线。在接收端，信号的多个副本从地面电力线的相应导线被提取并且被组合以生成具有改进的信噪比的组合信号。通过相位偏移的方式发射数据流来抑制无线电干扰，使得不需要的发射取消。

虽然本公开描述了在机场网络的背景下的方法和装置，但是本领域的技术人员将理解，这些方法更普遍适用于通过具有多个导线的电力线在任何交通工具(例如，火车、船、公共汽车等)与地面站之间的通信。

现在参考附图，图1示出了当飞行器在地面上时启用飞行器102与航站楼104之间的通信的示例机场通信网络100。飞行器102经由机场地面基础设施106连接到机场局域网(lan)110。机场地面基础设施106通常包括gpu550(见图4-图7)，其用于当飞行器102在地面上时通过地面电力线520向飞行器102供电。如下更详细地描述，gpu550被修改以包括通信装备，其用于与飞行器102通信。机场lan110包括与飞行器102通信的机场服务器112。机场lan110进而可以经由互联网118或其他广域网(wan)连接到航空公司lan122。航空公司lan122包括与飞行器102通信的航空公司服务器124。防火墙114和116防止未授权访问机场lan110和飞行器102，而防火墙120防止未授权访问航空公司lan122。

图2示出了飞行器102机载的示例性飞行器网络200。飞行器核心网络202可包括公共数据网络204、隔离型数据网络(idn)206和开放型数据网络(ond)208。odn208可经由总线209a与idn206连接，并且idn206可经由总线209b与公共数据网络204连接。公共数据网络204和idn206可经由路由器和交换机连接设备，并且odn208可经由例如网关连接设备。交换机经由lan使用媒体访问控制(mac)地址连接多个设备，路由器是利用互联网协议(ip)地址经由lan和wan连接设备的安全的方式，以及网关可包括处理器和存储器，其用于使用不同的架构、协议和波形在设备之间连接和转换数据。

图3是飞行器102的示例通信结构300的框图。odn208包括具有可调谐带通和防火墙的网关302、配置控制器304和(例如，用于确定波形、频率和框架结构的)通信协议306。基于在给定机场可用的连接性性能和服务费用，航空公司可以在无线(例如，wi-fi、蜂窝、机场服务网络、光的等)和有线链路之间预先选择链路中的一个，用于在飞行器102与航空公司服务器124之间交换数据。配置控制器304可配置与特定通信链路相关联的合适的波形、频率和框架结构，航空公司已经为机场航站楼104选择该特定通信链路。如果例如由于包括干扰、环境条件等各种原因链路性能下降或数据传输恶化，配置控制器304切换到在机场航站楼104可用的另一条链路。配置控制器304还可重新配置与该链路相关联的波形、频率和框架结构。配置控制器304还可调整网关302的带通滤波器以适应该被选择的链路的通信带宽和波形。

网关302与idn路由器和交换机308连接，例如其提供了图2的idn206。网关302可作为通信结构300中的中央网关来执行。网关302还可以与机组无线lan310、以太网或电力线通信(plc)调制解调器312、光收发器调制解调器314和航站楼无线lan316连接。为了将飞行器102与机场航站楼104连接，飞行器102可包括机组无线网络天线320用于发送信号到机组无线lan310/从机组无线lan310发送信号，电力线耦合电路322用于将调节解调器312连接到如本文后面描述的电力插座，光链路连接器324用于将信号与光收发器调制解调器314连接，和无线链路天线326用于将信号与航站楼无线lan316连接。

返回参考图2，与公共数据网络204连接的飞行器102的设备可包括飞行数据记录器210、通信设备212、导航和引导设备214、飞行管理装备216和航空电子线路可更换单元(lru)218。与idn206连接的设备可包括维护便携计算机220，例如经由以太网，驾驶舱打印机222、视频监视装备224、文件服务器管理设备226和电子飞行包228。文件服务器管理设备226和电子飞行包228还可与odn208连接，例如，以经由odn208发送和接收信息。与odn208连接的其他设备可包括卫星通信规定230、航站楼无线lan单元232、机组无线lan单元234、飞行中娱乐装备236、机组信息服务器238、第三方应用程序240和维护信息服务器242。

图4示出了用于当飞行器102在地面上时使用单个数据流在飞行器102与航站楼104之间通信的一个布置。在该布置中，飞行器机载的机载电力单元500通过地面电力线520耦合至gpu550。bpl调制解调器530、560在飞行器侧和航站楼侧电容耦合到地面电力线520。机载电力单元500和gpu550的细节对于通信方法不是重要的，但在下面对其进行总结，以提供本文描述的通信技术的背景。

机载电力单元500包括用于将地面电力线520连接到飞行器102的插座502或其他连接器，以及飞行器电源504，其通过地面电力线520从gpu550接收电力并且将电力分配给飞行器102上的各种负载。插座502与附接到电力线520的端部的插头522或(下面描述的)其他连接器接合。插座502被配置为使得电力线520的相位线a、b和c以及中性线n在控制线e和f之前电气连接。在一个示例中，图5中显示的插座502包括4个长引脚(即，a、b、c和n)以及2个短引脚(e和f)。当连接器522与插座502接合时，长引脚在短引脚之前电气接触。

飞行器电源504包含通过导线a、b和c接收三相电力的开关和传输总线506、分配ac电力至飞行器102上的各种负载的机载交流(ac)总线508、向插座上的引脚e提供28伏特的直流电(28vdc)的地面服务和电池总线510以及机载控制器512。机载控制器512监测三相ac电力的质量和引脚f上的电压以检测地面电力线的连接。

gpu550包含ac电源552、接触器554、gpu控制器556和电力线520。ac电源552包含向飞行器102提供干净的三相ac电力所需的部件(例如，逆变器、滤波器、变压器、断路器等)。接触器554将ac电源552耦合至地面电力线520，其包括经配置以与连接到机载电力单元500的插座502匹配的母插头522或其他连接器。母插头522被显示在图6中。当地面电力线520连接到飞行器102的插座502时，gpu控制器556检测引脚e和f上的信号(在这种情况下为28vdc)并且取决于信号的存在而启用/禁用接触器554。当远离插座502拔出插头522时，插座502的短引脚在长引脚之前断开，导致引脚e和f上的28v损失，并且gpu控制器556禁用接触器554以断开ac电力并防止当地面机组断开地面电力线520时发生电弧。

为了通过地面电力线520通信，第一bpl调制解调器530电容耦合到机载电力单元500处的地面电力线520，以及第二bpl调制解调器560电容耦合到gpu550处的地面电力线520。bpl调制解调器530、560均包括电源532、562，接口电路534、564用于通过地面电力线520进行通信，以及控制调制解调器530、560操作的控制电路536、566。电源532、562连接到地面电源。在一个示例中，bpl调制解调器530、560被配置为根据homeplugav2和/或itu-tg.hn标准操作，尽管可以使用其他通信标准。homeplugav2使用的频率范围为1.8mhz-86mhz。itu-tg.hn标准(在电力线、电话线和同轴电缆上)使用针对mimo的2mhz-50mhz频带和针对siso的2mhz-100mhz频带。

为了形成基尔霍夫(kirchhoff)回路，调制解调器530的两个输出分别连接到相(a、b或c)线和中性(n)线。在该布置下，机组人员手动连接地面上两个调制解调器的电源和数据。电容器故障可能导致触电-这尤其是在潮湿的地面上会对操作人员造成安全隐患。该布置在给定时间启用传输单个数据流。

图7-图9示出了当飞行器102在地面上时用于通过地面电力线520在飞行器102与航站楼104之间通信的替代性布置。如前所述，图7-图9中的地面电力线520包括与飞行器102上的插座502匹配的插头522或其他连接器522。图7-图9中的布置使用与图4中显示的布置相同的许多元件。因此，为了简洁起见，图4中的附图标记也用于图7-图9中以指示类似的部件，并且除了需要突出显示任何差异之外，这些元件的描述被省略。

参考图7，bpl调制解调器530、560分别被集成到机载电力单元500和gpu550中。类似于图4中显示的示例，数据通过将机载电力单元500连接到gpu550的地面电力线520在bpl调制解调器530和bpl调制解调器560之间传输。与图4显示的布置相反，飞行器电源504向bpl调制解调器530提供电力，以及gpu550中的ac电源552向bpl调制解调器560提供电力。而且，飞行器电源504中的机载控制器512被配置为命令bpl调制解调器530。而且，bpl调制解调器560由交换机或以太网路由器580连接到电力计量控制器585以监测电力使用并被连接到航站楼104中的登机门处的登机候机楼590。

bpl调制解调器530包括电源532、接口电路534和控制电路536。如上所述，电源532从飞行器电源504接收电力并向bpl调制解调器530供电。接口电路534执行由bpl调制解调器530发射和接收的数据信号的基带处理。基带处理尤其包括调制/解调、编码/解码以及发射和接收数据信号所需的其他数字信号处理任务。用于发射和接收数据信号的传输格式，即调制和编码方案(mcs)对于本发明不是重要的。在一个示例中，根据电气和电子工程师协会(ieee)802.11系列标准的正交频分复用(ofdm)被用于宽带通信。控制电路536控制bpl调制解调器530的操作。由控制电路536执行的控制功能包括响应于来自机载控制器512的信号打开和关闭bpl调制解调器530的电源，并且控制接口电路534当发射和接收数据时应用期望的相位偏移。

根据本公开的一方面，接口电路534被配置为使用mimo技术来同时发射和接收多个数据流。在该示例中，接口电路534被配置为同时发射和接收相位偏移2π/3弧度或120度的三个数据流。更一般地，相位偏移等于2π/m，其中m等于由bpl调制解调器530发射或接收的数据流的数量。

图14示出了相位偏移。通过相对于第一数据流移位两个数据流的相位，或者通过移位所有三个数据流的相位以实现期望的相位旋转，可以在发射器侧实现该相位偏移或相位间隔。相位偏移引起各导线的不需要的发射消除，使得减少无线电干扰。

耦合电路538将bpl调制解调器530的相应数据输入/输出(i/o)端口耦合至地面电力线520的相应导线。耦合电路538包含三条数据线542和返回线544。数据线542(标记为1、2和3)将bpl调制解调器530的i/o端口连接到地面电力线520的相应相位线a、b和c，尽管不需要使用用于数据传输的相位线。返回线544将bpl调制解调器530的接地端口g连接到地面电力线520的中性线n，并为数据线542提供通用返回。电流互感器540提供与地面电力线520的电气隔离，使得减少电气危险并提高机组的安全性。当bpl调制解调器530正在发射时，电流互感器540将由调制解调器530输出的数据信号叠加(superimpose)到相位线a、b和c的负载电流上，在该示例中，相位偏移2π/3弧度或120度以减少无线电干扰。当接收数据传输时，电流互感器540从地面电力线520提取各个数据流，其通过接口电路534组合，以生成具有改善的信号质量(例如，改善的信噪比)的组合信号。

在图7中显示的示例中，接触器554被设置在耦合电路568与插头522之间。这方面允许地面机组执行相同的例程而不需要附加的工作量或劳力来连接bpl调制解调器530、560。即，地面机组不需要连接或断开任何数据线或附加的电力线以便连接或断开bpl调制解调器530、560。

当地面电力线520被连接到飞行器102时，飞行器电源中的机载控制器512检测到引脚f上存在28vdc并且生成启用bpl调制解调器530的控制信号。响应于来自机载控制器512的控制信号，控制电路536打开bpl调制解调器530的电力并且在航站楼处建立与bpl调制解调器560的连接。一旦建立了与bpl调制解调器560的连接，数据传输和接收可以开始。

bpl调制解调器530通过地面电力线520与航站楼侧的bpl调制解调器560进行通信。bpl调制解调器560包括电源562、接口电路564和控制电路566。gpu550中的ac电源552向bpl调制解调器560提供电力。接口电路564执行由bpl调制解调器560发射和接收的数据信号的基带处理。基带处理尤其包括调制/解调、编码/解码以及发射和接收数据信号所需的其他数字信号处理任务。用于发射和接收数据信号的传输格式，即调制和编码方案(mcs)对于本发明不是重要的。在一个示例中，根据ieee802.11系列标准的正交频分复用(ofdm)被用于宽带通信。控制电路566控制bpl调制解调器560的操作。由控制电路566执行的控制功能包括响应于来自gpu控制器556的信号打开和关闭bpl调制解调器560的电源，以及控制接口电路564在发射和接收数据时应用期望的相位偏移。

根据本公开的一方面，接口电路564被配置为使用mimo技术同时发射和接收多个数据流。在该示例中，接口电路564被配置为同时发射和接收相位偏移2π/3弧度或120度的三个数据流。更一般地，相位偏移等于2π/m，其中m等于由调制解调器560发射或接收的数据流的数量。通过相对于第一数据流移位两个数据流的相位，或者通过移位所有三个数据流的相位以实现期望的相位旋转，可以在发射器侧实现该相位偏移或相位间隔。

耦合电路568将bpl调制解调器560的相应数据输入/输出(i/o)端口耦合至地面电力线520的相应导线。耦合电路568包含三条数据线572和返回线574。数据线572将bpl调制解调器560的i/o端口连接到地面电力线520的相应相位线a、b和c，尽管不需要使用用于数据传输的相位线。返回线574将bpl调制解调器560的接地端口连接到地面电力线520的中性线n，并为数据线572提供通用返回。电流互感器570提供与地面电力线520的电气隔离，使得减少电气危险并提高机组的安全性。在该示例性实施例中，接触器554被设置在耦合电路568和连接器522之间。当bpl调制解调器560正在发射时，电流互感器570将由调制解调器560输出的数据信号叠加到相位线a、b和c的负载电流上，在该示例中，相位偏移2π/3弧度或120度以减少无线电干扰。当接收数据传输时，电流互感器570从地面电力线520提取各个数据流，其由接口电路564组合，以生成具有改善的信号质量(例如，改善的信噪比)的组合信号。

当地面电力线被连接到飞行器102时，gpu550中的gpu控制器556检测到引脚e和f上存在28vdc并且生成启用bpl调制解调器560的控制信号。响应于来自gpu控制器556的控制信号，控制电路566打开bpl调制解调器560的电力并且在飞行器102上建立与bpl调制解调器530的连接。一旦建立了与bpl调制解调器530的连接，数据传输和接收可以开始。

图8示出了当飞机102在地面上时用于通过地面电力线520在飞行器102与航站楼104之间通信的替代性布置。除了bpl调制解调器530和560被配置用于4x4mimo之外，图8中显示的布置基本上与图7中显示的布置相同。在该布置中，bpl调制解调器530和560包括至少4个i/o端口，其通过相应数据线542、572被连接到地面电力线520的相应导线。三个i/o端口通过相应数据线542、572被连接到地面电力线520的相位线a、b、c。第四i/o端口通过相应数据线542、572被连接到地面电力线520的中性线n。接口电路534、564被配置为同时发射和接收相位偏移2π/4弧度或90度的四个数据流。如前所述，通过相对于第一数据流移位三个数据流的相位，或者通过移位所有四个数据流的相位以实现期望的相位旋转，可以在发射器侧实现该相位偏移或相位间隔。

图9示出了使用飞行器上的两个bpl调制解调器530和560以及航站楼104处的两个bpl调制解调器在飞行器102与航站楼104之间通信的替代性布置。在该布置中，bpl调制解调器530和560包括2个i/o端口，其通过相应数据线542、572被连接到地面电力线520的相应相位线。每个bpl调制解调器530、560中的接口电路534、564被配置为同时发射和接收两个数据流。在一个示例中，每个bpl调制解调器生成相位偏移2π/4弧度或90度的两个数据流。在该示例中，在每个端(end)处的第一bpl调制解调器530、560将0和π/2的相位偏移应用到相应的信号，并且在每个端处的第二bpl调制解调器530、560应用π和3π/2的相位偏移。在另一个示例中，每个bpl调制解调器生成相位偏移π弧度或180度的两个数据流。在该示例中，在每个端处的第一bpl调制解调器530、560将0和π的相位偏移应用到相应信号，并且在每个端处的第二bpl调制解调器530、560将π/2和3π/2的相位偏移应用到两个信号。每种情况下的结果都是相位偏移或相位间隔为2π/4的四个数据流。在发射器侧，多路复用器(未示出)将原始数据流分成两个流，并且每个bpl调制解调器530在输入数据流上执行2x2mimo。在接收器侧，每个bpl调制解调器执行2x2mimo以生成输出数据流。解复用器(未示出)接收并组合来自每个bpl调制解调器560的输出数据流。

图10a和图10b示出了如本文描述的用于通过地面电力线520的数据通信的过程600。当地面电力线被应用时，即地面电力线被连接(框602)时，飞行器102的机载控制器512检测到引脚f上的电压，并且打开bpl调制解调器530的电力(框604、608)。在航站楼侧，gpu控制器556检测到引脚e上的电压并且启用bpl调制解调器560(框606、610)。bpl调制解调器530和560然后执行认证过程。在一个示例中，bpl调制解调器560在其加电例程期间向飞行器102中的bpl调制解调器530发送认证请求(框612)。在预定时间内，飞行器102中的bpl调制解调器530发回认证响应(框614)。航站楼处的bpl调制解调器560验证认证响应，并且向飞行器102上的bpl调制解调器530发送随机生成的加密密钥(框616、618)。飞行器102上的bpl调制解调器530接受密钥并发回确认(ack)(框620、622)。该过程允许bpl调制解调器530、560具有相同的密钥进行通信。在bpl调制解调器530发送ack之后，连接被建立并且就绪指示被打开(框624、626)。此时，bpl调制解调器530和560准备好通过地面电力线520发射和接收数据(框628)。如果在数据交换期间，期望在地面上执行发动机起动测试或可能中断通信的其他程序，则数据流可由中断命令保持(框630)。在一个示例中，中断命令由机载控制器512发给机载电力单元500中的调制解调器530。在浪涌电流(inruchcurrent)消退之后，可以恢复数据交换。数据交换完成后，在典型的登机口转向时间内，待机状态开启(框632)。如果地面电力丢失，bpl调制解调器530和560存储安全设置。在飞机推回之前，必须远离飞行器插座502拔出地面电力插头(框634)。当地面电力插头被拔出时，飞行器102的机载控制器512检测到引脚f上的电压丢失，并关闭bpl调制解调器530的电力(636、638)。在航站楼侧，gpu控制器556检测到引脚e上的电压丢失，断开飞行器的电力并且同时禁用bpl调制解调器660(框640、642)。此时，bpl调制解调器530和560之间的连接终止(框644)。该程序允许地面机组引导连接和断开地面电力线520的相同例程操作，而没有用于连接和断开bpl调制解调器530、560的额外程序。

根据本公开的一方面，电流互感器540、570与地面电力线520和bpl调制解调器530、560阻抗匹配。图11示出了地面电力线的阻抗模型。通过调整电流互感器540、570的初级和次级绕组的匝数来实现阻抗匹配，如图12所示。为了获得调制解调器操作的频带内的阻抗匹配，电流互感器540、570的初级和次级绕组的匝数根据下式来调整：

zp/zs＝(np/ns)²(公式1)

其中zp是地面电力线520的阻抗，zs是调制解调器输入/输出端口的阻抗，np是初级绕组上的匝数，以及ns是次级绕组上的匝数。在一个示例中，初级绕组具有单匝以提供电流隔离，并且选择次级绕组的匝数以提供最可能的阻抗匹配。

如上所述，示例性布置使用mimo技术同时发射和接收相同数据流的多个副本。传统的bpl调制解调器使用单输入、单输出(siso)技术，其包含一次发射和接收一个数据流。对于通过电力线的通信，单独的电力线之间的电容引起一条线路上的信号耦合到相邻的线路上。相位线之间的耦合过程引入相移。因此，在沿着线路传播之后，每条线路上的通信信号的分量将不再彼此同相，和/或以不同的幅度到达。这种耦合和串扰引起接收装备的问题，接收装备必须尝试解码接收的信号并重建原始数据。

mimo是一种改进的无线通信技术，其通过利用信道的空间属性能够在相同无线信道上同时发射和接收多个信号。mimo增加了信道容量，即在更高的信噪比下提供带宽。本公开的一方面认识到地面电力线520可以被建模为多路径信道，其中地面电力线520中的每条导线对应于一个传播路径。mimo信道可由接收端处的bpl调制解调器530、560来表征和利用，以检测每条导线上携带的信号。

图13示出了表示携带三个数据流的未被屏蔽的地面电力线520的物理环境的信道矩阵。信道矩阵h的每个元素hx,y是一个信道系数，其对发射器和接收器之间的信道的失真进行建模。信道系数(其中x＝y)对由相应导线引起的失真进行建模。信道系数(其中x≠y)对导线之间的串扰进行建模。

接收bpl调制解调器530、560使用给定地面电力线520的信道矩阵h来去除不期望的反射、失真和串扰以恢复原始数据流。虽然mimo通常用于发射和接收两个或更多个不同的数据流，但是本文描述的通信系统使用mimo发射相同信号的多个副本，其可由接收bpl调制解调器530、560组合以减轻信号退化。信道矩阵h考虑由发射器应用的相位偏移。组合相同信号的多个副本还允许发射端处的bpl调制解调器降低其发射功率，这也减少无线电干扰。相位偏移引起每条单独的导线的任何不需要的发射取消，从而减少无线电干扰。

在只需要低的数据速率的情况下，发射器侧的输入数据流可以被分成多个流并被发射。在一个示例中，多个数据流是部分冗余的，即重叠。在另一个示例中，多个数据流是完全非冗余的，即非重叠。每个数据流将遭受更大的信号退化，这意味着将需要更多的重传，从而产生较低的数据速率。

图15示出了被实施用于通过具有多个未被屏蔽的导线的地面电力线520发射数据的方法700。一个或更多个bpl调制解调器530、560从单个数据流生成多个相位偏移数据流，并通过电力线同时发射多个相位偏移数据流以减少无线电干扰(框705、710)。耦合电路538、568将由一个或更多个bpl调制解调器输出的数据流耦合到电力线的相应导线(框715)。

在方法700的一个示例中，bpl调制解调器530、560生成并发射具有2π/m弧度的相位间隔的m个相位偏移数据流。

在方法700的另一示例中，单个bpl调制解调器530或560生成并发射具有2π/3弧度的相位间隔的三个相位偏移数据流。

在方法700的另一示例中，两个bpl调制解调器530、560中的每个生成并发射具有2π/4或2π/2弧度的相位间隔的相位偏移数据流。

在方法700的另一示例中，耦合电路538、568利用变压器将每个数据流感应地耦合到电力线的未被屏蔽的导线中的相应一条。

图16示出了用于通过具有多个未被屏蔽的导线的地面电力线520接收数据的方法800。耦合电路538、568从电力线的相应导线提取多个相位偏移数据流，该多个相位偏移数据流从单个数据流生成并且通过电力线同时发射以减少无线电干扰(框805)。一个或更多个bpl调制解调器530、560接收多个相位偏移数据流(框810)，并组合多个相位偏移数据流以再生成单个数据流(框815)。

在方法800的一个示例中，bpl调制解调器530、560接收和组合具有2π/m弧度的相位间隔的m个相位偏移数据流。

在方法800的另一示例中，单个bpl调制解调器530或560接收并组合具有2π/3弧度的相位间隔的三个相位偏移数据流。

在方法800的另一示例中，两个bpl调制解调器530、560中的每个接收和组合具有2π/4或2π/2弧度的相位间隔的两个相位偏移数据流。

在方法800的另一示例中，耦合电路538、568利用感应地耦合到未被屏蔽的电线的变压器从电力线的相应未被屏蔽的导线提取每个相位偏移数据流。

图17示出了由飞行器102中的机载电力单元500或地面电力单元550实施的另一方法900。在该方法的一个示例中，机载电力单元500(即，第一电力单元)上的机载控制器512检测指示机载电力单元500与地面电力单元550(即，远程电力单元)之间的连接的信号(框905)。响应于检测到该信号，与机载电力单元500相关联的一个或更多个调制解调器530自动建立和与地面电力单元550相关联的一个或更多个调制解调器560(即，一个或多个远程调制解调器)的数据连接(框910)。在建立机载电力单元500中的一个或更多个调制解调器530与地面电力单元550中的一个或更多个调制解调器560之间的连接之后，机载电力单元500中的一个或更多个调制解调器530与地面电力单元550中的一个或更多个调制解调器560通过电力线520交换数据(框915)。

在图17显示的方法的另一示例中，地面电力单元550(即，第一电力单元)中的gpu控制器556检测指示地面电力单元550与机载电力单元500(即，远程电力单元)之间的连接的信号(框905)。响应于检测到该信号，与地面电力单元550相关联的一个或更多个调制解调器560自动建立和与机载电力单元500相关联的一个或更多个调制解调器530(即，一个或更多个远程调制解调器)的数据连接(框910)。在建立地面电力单元550中的一个或更多个调制解调器560与机载电力单元500中的一个或更多个调制解调器530之间的连接之后，地面电力单元550中的一个或更多个调制解调器560与机载电力单元500中的一个或更多个调制解调器530通过电力线520交换数据(框915)。

该方法的一个示例进一步包含在电气连接电力线520中的导线的第二子集(例如导线e和导线f)之前电气连接电力线520中的导线的第一子集(例如导线a、b、c和n)。机载电力单元500中的机载控制器512或地面电力单元550中的gpu控制器556检测指示导线的第二子集中的导线中的一条上连接的信号。

该方法的另一示例进一步包含使用变压器将与第一电力单元相关联的一个或更多个调制解调器感应地耦合到导线的第一子集中的相应导线。在由机载电力单元500实施的一个示例性方法900中，机载电力单元500中的一个或更多个调制解调器530通过变压器540被感应地耦合到电力线520。在由地面电力单元550实施的另一示例性方法900中，地面电力单元550中的一个或更多个调制解调器560通过变压器570被感应地耦合到电力线520。在由地面电力单元550实施的方法900的一个示例中，地面电力单元550包括布置在变压器570与飞行器102中的机载电力单元500之间的接触器554。地面电力单元550响应于检测到地面电力单元550与机载电力单元500之间的连接而启用接触器554，并且响应于检测到地面电力单元550与机载电力单元500之间的连接丢失而禁用接触器554。

该方法的另一方面包含从第一电力单元中的电源电路向一个或更多个调制解调器供电。在由机载电力单元500实施的一个示例性方法900中，机载电源504向机载电力单元500中的一个或更多个调制解调器530供电。在由地面电力单元550实施的另一示例性方法900中，ac电源552向地面电力单元550中的一个或更多个调制解调器560供电。

该方法的另一方面包含响应于预定事件临时中断机载电力单元500中的一个或更多个调制解调器530与地面电力单元550中的一个或更多个远程调制解调器560之间的数据交换，而机载电力单元500与远程电力单元550仍然连接。预定事件可以例如包含发动机起动测试。

本文描述的机场通信网络100提供了在飞行器102与航空公司服务器124之间的端到端数据连接性，同时保持了数据通信的安全性。通过使用电流互感器540、570将数据流耦合到地面电力线520上，机组安全性得到改善，特别是在潮湿条件下。而且，不需要附加的人力或工作量来连接和断开bpl调制解调器530、560，当地面电力线520插入飞行器102时，bpl调制解调器530、560自动连接和断开。

进一步，本公开包含根据以下实施例的实施例：

实施例1：一种用于交通工具或地面航站楼的第一电力单元，包含：连接器，其被配置为通过具有多条导线的电力线将第一电力单元连接到远程电力单元；电源电路，其被配置为通过电力线从远程电力单元接收电力或者向远程电力单元提供电力；控制器，其被配置为检测第一电力单元和远程电力单元之间的连接；以及一个或更多个调制解调器，其被配置为当第一电力单元连接到远程电力单元时通过电力线发射和接收数据，一个或更多个调制解调器被配置为：响应于由控制器检测到第一电力单元与远程电力单元之间的数据连接，自动建立与远程电力单元中的一个或更多个远程调制解调器的数据连接；以及在建立与一个或更多个远程调制解调器的数据连接之后，通过电力线与一个或更多个远程调制解调器交换数据。

实施例2：根据实施例1所述的第一电力单元，其中控制器被配置为在电气连接电力线中的导线的第二子集之前电气连接电力线中的导线的第一子集。

实施例3：根据实施例2所述的第一电力单元，其中控制器被配置为检测导线的第二子集中的导线上的信号并且由一个或更多个调制解调器启动数据连接。

实施例4：根据实施例3所述的第一电力单元，进一步包含一个或更多个变压器，其被配置为将一个或更多个调制解调器感应地耦合至导线的第一子集中的相应导线。

实施例5：根据实施例4所述的第一电力单元，进一步包含接触器，其被放置在变压器与连接器之间，其中控制器进一步被配置为：响应于检测到第一电力单元与远程电力单元之间的连接而启用接触器；以及响应于检测到第一电力单元与远程电力单元之间的连接丢失而禁用接触器。

实施例6：根据实施例1所述的第一电力单元，其中电源电路向一个或更多个调制解调器供电。

实施例7：根据实施例1所述的第一电力单元，其中控制器被进一步配置为：响应于预定事件，临时中断一个或更多个调制解调器与一个或更多个远程调制解调器之间的数据交换，而第一电力单元仍然连接到远程电力单元。

实施例8：根据实施例6所述的第一电力单元，其中预定事件包含发动机启动测试。

实施例9：根据实施例1所述的第一电力单元，其中第一电力单元包含交通工具中的机载电力单元，其被配置为从地面电力单元接收电力。

实施例10：根据实施例1所述的第一电力单元，其中第一电力单元包含地面电力单元，其被配置为向交通工具中的机载电力单元供电。

实施例11：一种由交通工具或地面航站楼的第一电力单元实施的通过连接交通工具与地面航站楼的电力线通信数据的方法，该方法包含：检测指示第一电力单元与远程电力单元之间的连接的信号；响应于检测到该信号，通过电力线自动建立与第一电力单元相关联的一个或更多个调制解调器和与远程电力单元相关联的一个或更多个远程调制解调器之间的数据连接；在建立与第一电力单元相关联的调制解调器和与远程电力单元相关联的一个或更多个远程调制解调器之间的数据连接之后，在与第一电力单元相关联的调制解调器和与远程电力单元相关联的一个或更多个远程调制解调器之间交换数据。

实施例12：根据实施例11所述的方法，进一步包含在电气连接电力线中的导线的第二子集之前电气连接电力线中的导线的第一子集。

实施例13：根据实施例12所述的方法，其中检测指示第一电力单元与远程电力单元之间的连接的信号包含检测导线的第二子集中的一条导线上的信号。

实施例14：根据实施例13所述的方法，进一步包含使用变压器将一个或更多个调制解调器感应地耦合至导线的第一子集中的相应导线。

实施例15：根据实施例14所述的方法，其中第一电力单元包含放置在变压器与远程电力单元之间的接触器，该方法进一步包含：响应于检测到第一电力单元与远程电力单元之间的连接而启用接触器；以及响应于检测到第一电力单元与远程电力单元之间的连接丢失而禁用接触器。

实施例16：根据实施例11所述的方法，其中第一电力单元包含电源电路，该方法进一步包含从电源电路向一个或更多个调制解调器供电。

实施例17：根据实施例11所述的方法，进一步包含响应于预定事件，临时中断一个或更多个调制解调器与一个或更多个远程调制解调器之间的数据交换，而第一电力单元仍然连接到远程电力单元。

实施例18：根据实施例17所述的方法，其中预定事件包含发动机启动测试。

实施例19：根据实施例11所述的方法，其中第一电力单元包含交通工具中的机载电力单元，其被配置为从地面电力单元接收电力。

实施例20：根据实施例11所述的方法，其中第一电力单元包含地面电力单元，其被配置为向交通工具中的机载电力单元供电。