專利名稱：無源光網(wǎng)絡結合電力線載波實現(xiàn)雙向通訊的方法、系統(tǒng)和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無源光網(wǎng)絡(PON，Passive Optical Network)接入領域和電力線載波 通訊(PLC，Power Line Communication)領域，具體為本發(fā)明實現(xiàn)了通過無源光網(wǎng)絡結合電 力線載波接入終端節(jié)點，實現(xiàn)終端節(jié)點與中央控制節(jié)點的雙向通訊。
背景技術：
近年來節(jié)能減排和對新能源的利用越來越被放到戰(zhàn)略地位。人們對風能、太陽能、 水利等可再生能源的利用也日益廣泛。人們也希望通過合理使用能源而避免不必要的浪 費。這些要求都促進對現(xiàn)有電網(wǎng)進行“智能化”改造而使之演進為智能電網(wǎng)。而這種演進 的關鍵就是實現(xiàn)發(fā)電、輸電、配電、用電等環(huán)節(jié)的信息通訊和及時監(jiān)控。這就需要在這些環(huán) 節(jié)實現(xiàn)信息的雙向通訊。如小區(qū)自動抄表，電動汽車有序充電，智能家電等具體應用，如何 實現(xiàn)這些智能終端與控制調度中心的雙向通訊成為建設智能電網(wǎng)的基礎。智能電網(wǎng)中終端節(jié)點與監(jiān)控中心的通訊具備以下特點，對帶寬要求較低，對安全 性、可靠性和實時性的要求較高。光纖通訊具備高帶寬，抗干擾能力強，保密性好，價格低廉 等特點被廣泛應用于骨干傳輸網(wǎng)和接入網(wǎng)中。今年來隨著光纖復合電纜技術的成熟和推 廣，電力通訊網(wǎng)絡越來越多的使用光纖作為通訊通道。而且光纖復合電纜使光纖隨著電線 一同部署，可以方便地采用無源光網(wǎng)絡PON方式實現(xiàn)光纖到小區(qū)和光纖到戶，這就為智能 電網(wǎng)終端的光纖接入創(chuàng)造了方便條件。但是PON接入的主要成本在于光收發(fā)器件，而智能 電網(wǎng)終端的數(shù)量非常多，如智能電表，電動汽車等等，這些終端如果直接通過PON接入會 大大增加網(wǎng)絡的建設成本。電力線載波通訊技術利用電力線作為傳輸媒介，因為電力線的普遍性而使它具有 很廣泛的使用場合。但電力線作為傳輸媒介會帶來諸如干擾和衰減等問題，使傳送帶寬 和距離受限。無源光網(wǎng)絡和電力線載波技術各自具備優(yōu)缺點，兩者互相結合具備互補優(yōu) 勢，即利用電力線載波接入智能電網(wǎng)終端，匯聚到無源光網(wǎng)絡的光網(wǎng)絡單元(ONU，Optical Network Unit)，利用PON實現(xiàn)多個智能電網(wǎng)終端的匯聚后接入，克服電力線載波通訊在帶 寬和傳送距離上的劣勢，而發(fā)揮電力線載波接入方便、價格低廉的優(yōu)勢實現(xiàn)智能電網(wǎng)終端 與控制中心的雙向通訊。目前在電力線載波通訊領域存在多種技術標準體制，如Hom印Iug聯(lián)盟，IEEE P1901, ITU G.hn，這些標準針對不同的細分應用場景，彼此有重疊又具有一些各自的特點， 而且都具備一定的應用規(guī)模。它們接入PON等寬帶網(wǎng)絡的方式如圖1和圖2所示，ITU G.hn 標準對電力線載波的相關標準作了標準化工作，相關標準G. 9960，G. 9961，G. 9972已經(jīng)完 成。其中G. 9960Appendix工對家庭網(wǎng)絡接入P0N/DSL等寬帶網(wǎng)絡的形式作了描述，圖1揭 示了本地網(wǎng)關(residential gateway)的具體框架結構。圖2是Hom印Iug標準組織提供 的家庭智能電網(wǎng)終端接入寬帶網(wǎng)絡的示意圖。圖1和圖2這兩種方式類似，它們都是需要 進行兩種通訊域的背靠背轉換，網(wǎng)關首先要實現(xiàn)電力線載波通訊節(jié)點的功能與終端節(jié)點互相通訊并協(xié)調控制，接收到的需要傳送到寬帶網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)再作為PON網(wǎng)絡的客戶信號傳遞 到控制中心。發(fā)明人通過對智能電網(wǎng)終端接入的特點進行研究發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術具備以下可改進 之處，網(wǎng)關部署的地點在具體應用中會不同，可能會被大量部署在室外環(huán)境。所以業(yè)務提供 者希望網(wǎng)關的成本低，低功耗，可靠性高，數(shù)據(jù)安全性好，而現(xiàn)有技術對網(wǎng)關的設計比較復 雜不利于成本、功耗、可靠性等性能的提高，而且在網(wǎng)關過多處理協(xié)議，包括加密解密，這些 環(huán)節(jié)都會增加數(shù)據(jù)安全的風險。另外由于電力線載波通訊標準的多樣性導致了現(xiàn)實部署的 復雜情況，網(wǎng)關處理過多協(xié)議，會導致很多種針對不同標準的網(wǎng)關類型，給實際應用帶來困 難。
發(fā)明內容
本發(fā)明為了克服現(xiàn)有技術的缺陷，揭示了一種電力線載波結合無源光網(wǎng)絡的系 統(tǒng)，該系統(tǒng)包括終端節(jié)點、網(wǎng)關、分光器、光線路終端、中央控制節(jié)點。所述終端節(jié)點通過電 力線連接到所述網(wǎng)關，無源光網(wǎng)絡光纖通過所述分光器連接所述網(wǎng)關和所述光線路終端， 所述中央控制節(jié)點連接所述光線路終端。無源光網(wǎng)絡傳輸電力線載波域中所述終端節(jié)點和 中央控制節(jié)點之間的通訊信號，所述網(wǎng)關對電力線載波域的模擬信號進行處理轉換為無源 光網(wǎng)絡域信號。所述網(wǎng)關對電力線載波域信號進行模擬前端處理和數(shù)模以及模數(shù)轉換。本發(fā)明提供了一種結合電力線載波和無源光網(wǎng)絡的網(wǎng)關裝置，所述裝置包括線 路耦合器201，線路驅動器202，可變增益放大器203，接收低通濾波器204，模數(shù)轉換205，無 源光網(wǎng)絡映射模塊206，數(shù)模轉換207，發(fā)送低通濾波器208，驅動放大器209，微處理器210， 該裝置中201連接電力線實現(xiàn)電力線載波信號的耦合和解耦，202連接201實現(xiàn)線路信號 的驅動。203連接202對接收的模擬信號進行放大，放大后的信號送給204進行濾波，濾波 后的信號送給205進行模數(shù)轉換，轉換后的數(shù)字信號通過206映射到無源光網(wǎng)絡中進行傳 輸。206解映射的電力線載波數(shù)字信號送給207進行數(shù)模轉換，轉換后的模擬信號送給208 進行濾波，濾波后的信號經(jīng)209進行驅動放大，驅動放大后的信號送給202、201耦合到電力 線上傳輸。本發(fā)明提供了一種電力線載波信號通過無源光網(wǎng)絡傳送進行通訊的方法，發(fā)送方向，電力線載波域終端節(jié)點通過電力線發(fā)送數(shù)據(jù)給網(wǎng)關，網(wǎng)關通過模擬前 端處理、模擬數(shù)字轉換，把轉換后的數(shù)字信號數(shù)據(jù)流映射到無源光網(wǎng)絡幀中從上行鏈路傳 送給光線路終端，光線路終端恢復所述數(shù)字信號數(shù)據(jù)流，送給電力線載波域的中央控制節(jié) 點，所述中央控制節(jié)點進行電力線載波通訊的物理層和上層協(xié)議處理。接收方向，電力線載波域的中央控制節(jié)點發(fā)送數(shù)字信號數(shù)據(jù)流給無源光網(wǎng)絡的光 線路終端，所述光線路終端映射數(shù)字信號數(shù)據(jù)流到無源光網(wǎng)絡幀，通過下行鏈路傳送所述 數(shù)字信號數(shù)據(jù)流到網(wǎng)關，所述網(wǎng)關解映射恢復所述數(shù)字信號數(shù)據(jù)流，對所述數(shù)字信號數(shù)據(jù) 流進行數(shù)字模擬轉換，對轉換后的模擬信號進行模擬前端處理，耦合所述模擬信號到電力 線，通過電力線傳送到電力線載波域的終端節(jié)點。所述終端節(jié)點處理電力線載波域的各層 協(xié)議。本發(fā)明簡化了網(wǎng)關橋接的處理過程，有利于網(wǎng)關減少成本，降低功耗，由于網(wǎng)關在 整個系統(tǒng)中的數(shù)量眾多，簡化網(wǎng)關能夠使整個系統(tǒng)的綜合成本下降，并使所述系統(tǒng)能夠兼容適應各種電力線載波通訊標準。
圖1G. hn寬帶接入本地網(wǎng)關功能示意2Hom印Iug智能電網(wǎng)寬帶接入示意3本發(fā)明接入系統(tǒng)示意4本發(fā)明接入系統(tǒng)協(xié)議棧層次示意5本發(fā)明PLC域與PON域關系示意6本發(fā)明網(wǎng)關裝置7GP0N映射轉換數(shù)據(jù)流示意8EP0N映射轉換數(shù)據(jù)流示意圖
具體實施例方式下面結合附圖詳細描述本發(fā)明采用的具體實現(xiàn)方式本發(fā)明為克服現(xiàn)有技術的缺陷簡化網(wǎng)關節(jié)點的設計，采用了新的網(wǎng)絡系統(tǒng)。如圖 3所示:101a, 101b, 102a, 102b分別為終端節(jié)點；101,102為網(wǎng)關，103為光網(wǎng)絡單元(0NU, Opticalnetwork unit)，104 為分光器，105 為光線路終端(OLT,Optical line terminal), 106為中央控制節(jié)點，107接入光纖，108電力線終端節(jié)點101a，IOlb通過電力線連接網(wǎng)關101，而102a，102b通過電力線連接網(wǎng)關 102。網(wǎng)關101，102—端連接終端節(jié)點，另一端通過光纖以無源光網(wǎng)絡方式連接OLT 105， 終端節(jié)點通過無源光網(wǎng)絡的轉換橋接與中央控制節(jié)點106實現(xiàn)通訊。網(wǎng)關101，102僅僅進 行電力線載波域信號的模擬前端(AFE，Analog Front-End)處理和模擬數(shù)字信號互轉換功 能，并映射適配電力線載波域信號到無源光網(wǎng)絡域，而不處理具體的電力線載波上層控制 協(xié)議，把所述協(xié)議處理功能統(tǒng)一集中到連接OLT的中央控制節(jié)點處理。光網(wǎng)絡單元103為 接入其他類型業(yè)務的接入節(jié)點，可以與網(wǎng)關共同處于同一無源光網(wǎng)絡域中。所述系統(tǒng)的協(xié)議棧示意圖如圖4所示，LLC 邏輯鏈路控制層，logic link controlMAC 媒質接入控制層，Media access controlAPC 應用協(xié)議融合層，Application protocol convergencePHY 物理層AFE 模擬前端處理，Analog Front-EndA/D 模擬數(shù)字相互轉換Adaptation 適配層如圖5所示，所述系統(tǒng)被劃分為兩個域，即電力線載波域(PLC Domain)和無源光 網(wǎng)絡域(PON Domain)，在PLC Domain中心控制節(jié)點的各協(xié)議層MAC，LLC, APC分別與終端 節(jié)點的各協(xié)議層建立邏輯連接。在PON Domain中OLT的各協(xié)議層也與各網(wǎng)關的PON協(xié)議
層建立邏輯連接。在電力線載波域APC子層與某些特定應用接口并協(xié)同適配。LLC子層在中央控制 節(jié)點的控制下，協(xié)調終端節(jié)點的發(fā)送。LLC子層負責建立、管理、重置或終止域內節(jié)點間的連接。LLC子層還負責完成數(shù)據(jù)流的服務質量管理(Q0S，Quality of service) 0 MAC子層 控制各節(jié)點接入傳送媒質，協(xié)調避免發(fā)送沖突，本發(fā)明系統(tǒng)中MAC域從邏輯上可劃分為如 圖5所示的兩個域，一個是由終端節(jié)點和中央控制節(jié)點組成的電力線載波域媒質控制(PLC Domain MAC)，另一個是網(wǎng)關與OLT組成的無源光網(wǎng)絡域媒質接入控制(PON Domain MAC), 在PLC Domain由中央控制節(jié)點協(xié)同控制各終端節(jié)點對媒質的占用，在PON Domain由OLT 通過DBA (Dynamic BandwidthAssignment)協(xié)議分配各個網(wǎng)關接入無源光網(wǎng)絡的帶寬。如 圖5所示的兩個域中，PLC DomainMAC是帶寬請求方，而PON Domain MAC根據(jù)網(wǎng)關節(jié)點 的通訊數(shù)據(jù)流量分配OLT與網(wǎng)關之間的上下行帶寬，以保證PLC Domain節(jié)點間通訊的需 要。PLC Domain PHY層完成物理層編碼，針對物理媒介的編碼，實現(xiàn)正交頻分復用(0FDM， Orthogonal frequency division modulation)的調制、解調，以及完成模擬信號的放大、 濾波和耦合。網(wǎng)關(GW，Gateway)起到把PLC域節(jié)點通訊信號轉換為PON域通訊信號傳送的功 能。網(wǎng)關中的適配層(Adaptation)介于PLC的PHY層和PON之間，負責實現(xiàn)把PLC域的模 擬信號經(jīng)過放大、濾波等模擬前端處理和數(shù)字化轉換后的數(shù)據(jù)流作為PON網(wǎng)絡的客戶信號 映射到PON的通訊幀中進行傳送，反之網(wǎng)關接收PON網(wǎng)絡傳遞的數(shù)據(jù)流經(jīng)過數(shù)模轉換放大 驅動等處理，使之轉換為可以在電力線上傳輸?shù)男盘?。網(wǎng)關僅僅起到物理信號在不同傳送 媒質(電力線和光纖)之間的轉換和傳輸，而不需要處理PLC Domain的MAC，LLC，APC等上 層通訊協(xié)議。在上述系統(tǒng)中，中央控制節(jié)點通過適配層連接0LT，上行方向，網(wǎng)關把轉換后的數(shù) 字信號通過OLT傳送給中央控制結點；下行方向OLT通過下行PON數(shù)據(jù)流把中央控制節(jié)點 的通訊信息傳送給網(wǎng)關。中央控制節(jié)點處理PLC Domain物理層的一部分功能包括0FDM 數(shù)字調制、解調，F(xiàn)EC (Forward Error Correction)編碼、解碼，以及MAC，LLC，APC等上層協(xié) 議。下面結合網(wǎng)關的裝置附圖6具體說明本發(fā)明實現(xiàn)的具體方法和網(wǎng)關裝置。如圖6 所示的網(wǎng)關裝置包括以下部分201線路耦合器，202線路驅動器，203可變增益放大器，204 接收帶通濾波器，205模數(shù)轉換，206無源光網(wǎng)絡映射模塊，207數(shù)模轉換，208發(fā)送帶通濾波 器，209驅動放大器，210微處理器201，202模塊實現(xiàn)高低壓信號的隔離、耦合和驅動。接收方向的信號進入203進行 放大，203的增益可以根據(jù)需要配置，配置由微處理器210完成，放大后的信號進入帶通濾 波器204過濾出需要的頻帶內的信號，而抑制其他不需要的頻帶的信號。濾波后的信號通 過205進行模數(shù)轉換，把模擬信號轉換為數(shù)字信號，數(shù)字信號數(shù)據(jù)流進入206映射到無源光 網(wǎng)絡的傳送幀中，經(jīng)過DBA分配帶寬，數(shù)字信號數(shù)據(jù)流發(fā)送給0LT，OLT解映射后恢復所述數(shù) 據(jù)流送給中央控制節(jié)點進一步處理。中央控制節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)流給0LT，OLT通過下行鏈路的 一部分帶寬發(fā)送所述數(shù)據(jù)流，相應的網(wǎng)關接收所述數(shù)據(jù)流，網(wǎng)關中206模塊把數(shù)據(jù)流從PON 通訊幀中恢復，恢復后的數(shù)據(jù)流送給207進行數(shù)模轉換，轉換后的模擬信號通過發(fā)送帶通 濾波器208過濾后經(jīng)過驅動模塊209，然后經(jīng)201，202耦合到電力線與連接到該電力線的終 端節(jié)點實現(xiàn)信息通訊。如前面背景技術所述，目前電力線載波通訊領域存在多種標準并存的局面。仔細 分析這些標準會發(fā)現(xiàn)他們在物理層的技術差別很小。由于電力線的干擾較強，而且頻率選擇性衰減比較嚴重。所以電力線載波通訊一般都采用OFDM調制方式作為物理層的基礎。電 力線載波領域的兩大主流標準Hom印Iug和G. hn標準的主要參數(shù)如表1所示表IPLC主要標準參數(shù)對比
權利要求
一種電力線載波結合無源光網(wǎng)絡的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括終端節(jié)點、網(wǎng)關、分光器、光線路終端、中央控制節(jié)點。所述終端節(jié)點通過電力線連接到所述網(wǎng)關，無源光網(wǎng)絡光纖通過所述分光器連接所述網(wǎng)關和所述光線路終端，所述中央控制節(jié)點連接所述光線路終端。無源光網(wǎng)絡傳輸電力線載波域中所述終端節(jié)點和中央控制節(jié)點之間的通訊信號，所述網(wǎng)關對電力線載波域的模擬信號進行處理轉換為無源光網(wǎng)絡域信號。所述網(wǎng)關對電力線載波域信號進行模擬前端處理和數(shù)模以及模數(shù)轉換。
2.根據(jù)權力要求1所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)的中央控制節(jié)點和終端節(jié)點組成電力線載波 域，所述終端節(jié)點在所述中央控制節(jié)點的協(xié)調控制下按照電力線載波域的協(xié)議棧實現(xiàn)雙向 通訊。
3.根據(jù)權力要求1所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)的網(wǎng)關和光線路終端組成無源光網(wǎng)絡域，所 述網(wǎng)關在所述光線路終端控制協(xié)調下實現(xiàn)帶寬分配和雙向通訊。
4.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)中所述網(wǎng)關的處理功能包括電力線線路驅 動和線路耦合，模擬信號的濾波放大，模擬信號和數(shù)字信號轉換，映射所述轉換后的數(shù)字信 號到無源光網(wǎng)絡幀中。
5.一種結合電力線載波和無源光網(wǎng)絡的網(wǎng)關裝置，所述裝置包括線路耦合器201，線 路驅動器202，可變增益放大器203，接收低通濾波器204，模數(shù)轉換205，無源光網(wǎng)絡映射模 塊206，數(shù)模轉換207，發(fā)送低通濾波器208，驅動放大器209，微處理器210，該裝置中201連 接電力線實現(xiàn)電力線載波信號的耦合和解耦，202連接201實現(xiàn)線路信號的驅動。203連接 202對接收的模擬信號進行放大，放大后的信號送給204進行濾波，濾波后的信號送給205 進行模數(shù)轉換，轉換后的數(shù)字信號通過206映射到無源光網(wǎng)絡中進行傳輸。206解映射的電 力線載波數(shù)字信號送給207進行數(shù)模轉換，轉換后的模擬信號送給208進行濾波，濾波后的 信號經(jīng)209進行驅動放大，驅動放大后的信號送給202、201耦合到電力線上傳輸。
6.根據(jù)權利要求5所述的裝置，所述裝置進一步包括微處理器210，210根據(jù)所述網(wǎng)關 處理的電力線載波標準配置所述網(wǎng)關的濾波器204、208的帶寬，并配置203、209的放大增 益倍數(shù)，配置205、207的采樣頻率。
7.一種電力線載波信號通過無源光網(wǎng)絡傳送進行通訊的方法，發(fā)送方向，電力線載波域終端節(jié)點通過電力線發(fā)送數(shù)據(jù)給網(wǎng)關，網(wǎng)關通過模擬前端處 理、模擬數(shù)字轉換，把轉換后的數(shù)字信號數(shù)據(jù)流映射到無源光網(wǎng)絡幀中從上行鏈路傳送給 光線路終端，光線路終端恢復所述數(shù)字信號數(shù)據(jù)流，送給電力線載波域的中央控制節(jié)點，所 述中央控制節(jié)點進行電力線載波通訊的物理層和上層協(xié)議處理。接收方向，電力線載波域的中央控制節(jié)點發(fā)送數(shù)字信號數(shù)據(jù)流給無源光網(wǎng)絡的光線路 終端，所述光線路終端映射數(shù)字信號數(shù)據(jù)流到無源光網(wǎng)絡幀，通過下行鏈路傳送所述數(shù)字 信號數(shù)據(jù)流到網(wǎng)關，所述網(wǎng)關解映射恢復所述數(shù)字信號數(shù)據(jù)流，對所述數(shù)字信號數(shù)據(jù)流進 行數(shù)字模擬轉換，對轉換后的模擬信號進行模擬前端處理，耦合所述模擬信號到電力線，通 過電力線傳送到電力線載波域的終端節(jié)點。所述終端節(jié)點處理電力線載波域的各層協(xié)議。
8.如權利要求7所述的方法，所述把轉換后的數(shù)字信號數(shù)據(jù)流映射到無源光網(wǎng)絡幀中 進一步包括，把所述數(shù)字信號數(shù)據(jù)流映射到吉比特無源光網(wǎng)絡(GPON)的吉比特無源光網(wǎng) 絡封裝方法(GEM)幀中。操作、管理、維護(OAM)信息通過物理層管理開銷(PLOAM)開銷傳 遞。
9.如權利要求7所述的方法，所述把轉換后的數(shù)字信號數(shù)據(jù)流映射到無源光網(wǎng)絡幀中 進一步包括，把所述數(shù)字信號數(shù)據(jù)流映射到以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(EPON)的以太網(wǎng)幀中。操 作、管理、維護(OAM)信息通過OAM幀傳遞。
全文摘要
本發(fā)明提供了結合電力線載波和無源光網(wǎng)絡實現(xiàn)終端節(jié)點和中央控制節(jié)點通訊的系統(tǒng)、裝置和方法，本發(fā)明通過簡化網(wǎng)關的協(xié)議處理層次，從而降低了網(wǎng)關的成本、功耗，提高了所述網(wǎng)關的可靠性和安全性。能夠使系統(tǒng)具有對不同電力線載波標準體制的廣泛兼容能力。
文檔編號H04Q11/00GK101945309SQ20101027111
公開日2011年1月12日 申請日期2010年9月2日 優(yōu)先權日2010年9月2日
發(fā)明者董子源 申請人:李淑英