用于电力线通信(PLC)的载波侦听多路访问(CSMA)协议

摘要

描述了用于电力线通信（PLC）的载波侦听多路访问（CSMA）协议的系统和方法。方法可以包括执行虚拟载波侦听操作，响应于虚拟载波侦听操作指示通信信道是空闲的，计算竞争窗口（602）。该方法还可以包括，在虚拟载波侦听操作之后执行物理载波侦听操作，物理载波侦听操作至少部分基于竞争窗口（604）。响应于物理载波侦听操作指示通信信道是空闲的，该方法然后可以包括在信道上传输数据（606）。另一个方法可以包括确定传输是单播传输，并且确认消息没有被接收（607、608）。该方法可以进一步包括增大退避参数（609），以及重复一个或更多个载波侦听操作（602、604）。

说明书

技术领域

实施例一般涉及电力线通信（PLC），更具体地，涉及用于PLC 的载波侦听多路访问（CSMA）协议。

背景技术

电力线通信（PLC）包括在也用于将电力传输到住宅、建筑物和其 它房屋上的相同介质上（即，导线或导体）传送数据的系统。一旦部 署，PLC系统能够有广泛的应用，例如，包括，例如自动读表和荷载 控制（即，实用类型应用）、汽车使用（例如，充电电动车辆）、家 庭自动化（例如，控制电器、照明等），和/或计算机网络（即，互联 网接入）。

近来全世界正进行各种PLC标准化工作，每个具有其自身的独特 特征。一般而言，可以依赖于本地规定、本地电力网络的特征不同地 执行PLC系统。竞争性PLC标准的实例包括IEEE1901、HomePlug AV、 电力线智能计量发展（PRIME）和ITU-T G.hn（例如，G.9960和G.9961）。

发明内容

描述了用于在电力线通信（PLC）中实施载波侦听多路访问 （CSMA）协议的系统和方法。在说明性实施例中，方法可以包括执行 虚拟载波帧听操作，以及响应于虚拟载波侦听操作指示通信信道是空 闲的，计算竞争窗口。该方法还可以包括在虚拟载波侦听操作之后， 执行物理载波侦听操作，物理载波侦听操作至少部分基于竞争窗口。 然后，响应于物理载波侦听操作指示通信信道是空闲的，该方法可以 包括在信道上传输数据。

在一些情况下，例如，计算竞争窗口可以包括设置竞争窗口的长 度，并且可以在竞争窗口内随机选择的时间实施物理载波侦听操作。 还有，该方法可以包括重复虚拟载波侦听操作，直到其指示通信信道 是空闲的。

另外或者可替代地，该方法可以包括，响应于物理载波侦听操作 指示通信信道不是空闲的，重复虚拟载波侦听操作，直到其指示通信 信道是空闲的，以及增加竞争窗口的长度，从而产生修改的竞争窗口。 例如，增加竞争窗口的长度可以包括以对应于传输数据的先前尝试的 数目的量增加竞争窗口的长度。该方法还可以包括在重复的虚拟载波 侦听操作之后，执行第二物理载波侦听操作，第二物理载波侦听操作 至少部分基于修改的竞争窗口。例如，可以在修改的竞争窗口内随机 选择的时间实施第二物理载波侦听操作。该方法可以进一步包括，响 应于第二物理载波侦听操作指示通信信道是空闲的，在通信信道上传 输数据。

在另一个说明性实施例中，方法可以包括：（a）响应于虚拟载波 侦听操作指示访问信道是空的，至少部分基于初始时间窗口，执行物 理载波侦听操作；（b）响应于物理载波侦听操作指示访问信道是空的， 在访问信道上开始数据传输；（c）响应于数据传输是单播传输，以及 确认消息没有被PLC装置接收，使退避计数器增量/递增并且增大初始 时间窗口；以及（d）响应于退避计数器具有比允许的退避操作的最小 数目小的值，使用增大的时间窗口重复至少（a）和（b）。

在一些实施中，增大初始时间窗口可以包括增加初始时间窗口的 长度。还有，可以在初始时间窗口内随机选择的时间，执行物理载波 侦听操作，并且可以在增大的时间窗口内随机选择的时间，执行重复 的物理载波侦听操作。

此外，该方法可以包括监视虚拟载波侦听操作的输出，直到其指 示访问信道是空的。另外或者可替代地，该方法可以包括，响应于物 理载波侦听操作指示访问信道忙碌，使退避计数器递增，维持初始时 间窗口，以及在第二虚拟载波侦听操作之后执行第二物理载波侦听操 作，第二物理载波侦听操作至少部分基于初始时间窗口。例如，可以 在初始时间窗口内随机选择的时间，实施第二物理载波侦听操作。该 方法还可以包括响应于第二物理载波侦听操作指示访问信道是空的， 在访问信道上传输数据。

在另一个说明性实施例中，该方法可以包括，响应于通过载波侦 听操作确定信道是可用的，在竞争窗口内选择的时间传输数据。该方 法还可以包括确定数据传输是单播传输，确定确认消息没有被接收， 以及增大竞争窗口。该方法可以进一步包括在增大的竞争窗口内选择 的时间再次传输数据。

该方法还可以包括，响应于重复的载波侦听操作又一次确定信道 是可用的，再次传输数据。在各种实施中，载波侦听操作可以是虚拟 载波侦听操作、物理载波侦听操作，或物理和虚拟载波侦听操作的组 合。

在一些实施例中，本文描述的方法中的一个或更多可以由一个或 更多PLC装置（例如，PLC调制解调器等）执行。在其它的实施例中， 有形电子存储介质可以具有储存在其上的程序指令，通过一个或更多 PLC装置内的处理器的执行，引起一个或更多PLC装置执行本文中公 开的一个或更多个操作。此类处理器的实例包括，但不限于数字信号 处理器（DSP）、专用集成电路（ASIC）、系统芯片（SoC）电路、现 场可编程门阵列（FPGA）、微处理器或微控制器。在其它的实施例中， PLC装置可以包括至少一个处理器和联接到至少一个处理器上的存储 器，存储器经配置从而储存至少一个处理器可执行的程序指令，从而 引起PLC装置执行本文中公开的一个或更多个操作。

附图说明

图1是根据一些实施例的PLC系统的图。

图2是根据一些实施例的PLC装置或调制解调器的框图。

图3是根据一些实施例的PLC网关的框图。

图4是根据一些实施例的PLC数据集中器的框图。

图5是现有CSMA技术的流程图。

图6是根据一些实施例的CSMA技术的流程图。

图7是根据一些实施例的集成电路的框图。

具体实施方式

关于图1，根据一些实施例描述了电力线通信（PLC）系统。来自 于变电站101的中等电压（MV）电力线103通常携带几十千伏范围内 的电压。变压器104将MV电力降低为LV线路105上的低电压（LV） 电力，其携带的电压在100-240V AC范围内。变压器104通常设计为 在范围为50-60的非常低的频率下操作。变压器104通常不允许高频率， 例如大于100KHz的信号在LV线路105和MV线路103之间穿过。 LV线路105经通常安装在住宅102a-n（虽然称为“住宅”，房屋102a-n 可以包括接收和/或消耗电力的任何类型的建筑物、设备或地点）外部 的计量表106a-n供应电力给客户。断路器面板，例如面板107，提供 计量表106n和住宅102n内的电线108之间的接口。电线108将电力 传送到输出端/插座110、开关111和住宅102n内的其他电力装置。

图1中说明的电路线拓扑结构可以用来将高速通信传送到住宅 102a-n中。在一些实施中，电力线通信调制解调器或网关112a-n可以 在计量表106a-n处联接到LV电力线105上。PLC调制解调器/网关 112a-n可以用于在MV/LV线路103/105上传输和接收数据信号。此类 数据信号可以用于支持例如，计量和电力传送应用（例如，智能电网 应用）、通信系统、高速互联网、电话、视频会议和视频传送。通过 在电力传输网络上传输电通信和/或数据信号，不需要安装新线缆到每 个用户102a-n中。因此，通过使用现存的电力分配系统携带数据信号， 显著的成本节约是可能的。

用于在电力线上传输数据的说明性方法可以使用具有的频率不同 于电力信号频率的载波信号。可以通过数据，例如使用正交频分多路 复用（OFDM）设计等等调制载波信号。

住宅102a-n中的PLC调制解调器或网关112a-n使用MV/LV电力 网络从而携带去往和来自于PLC数据集中器或路由器114的数据信号， 不需要附加的配线。集中器114可以联接到MV线路103或LV线路 105。调制解调器或网关112a-n可以支持应用，例如高速宽带互联网连 接、窄带控制应用、低带宽数据收集应用等等。在家庭环境中，例如， 调制解调器或网关112a-n可以在采暖和空调、照明和安全性上进一步 使家庭和建筑物自动化。还有，PLC调制解调器或网关112a-n可以使 电力车辆和其它电器AC或DC充电。AC或DC充电器的实例说明为 PLC装置113。在房屋外部，电力线通信网络可以提供街道照明控制和 远程电力计量表数据收集。

一个或更多个集中器114可以经网络120联接到控制中心130（公 用事业公司）。网络120可以包括，例如基于IP的网络、互联网、蜂 窝网络、WiFi网络、WiMax网络等等。同样地，控制中心130可以经 配置，从而通过一个或多个集中器114从一个或多个网关112和/或一 个或多个装置113收集电力消耗和其它类型的相关信息。另外或者可 替代地，控制中心130可以经配置从而通过经一个或多个集中器114 将此类规则传送到每个网关112和/或装置113，执行智能电网策略和 其它管理或市场规则。

图2是根据一些实施例的PLC装置113的框图。如图所示，以允 许PLC装置113使用转换电路等等关闭导线108a和108b之间连接的 方式，AC接口201可以联接到房屋112n内部的电线108a和108b。然 而，在其它实施例中，AC接口201可以连接到单个导线108上（即， 不将导线108分为导线108a和108b），并且不提供此类转换能力。在 操作中，AC接口201可以允许PLC引擎202在导线108a-b上接收和 传输PLC信号。一些情况下，PLC装置113可以是PLC调制解调器。 另外或者可替代地，PLC装置113可以是智能电网装置（例如，AC或 DC充电器、计量表等）的部分、电器或位于房屋112n内部或外部的 其它电气元件的控制模块（例如，街道照明等）。

PLC引擎202可以经配置，从而使用特定的频带，经AC接口201， 在导线108a和/或108b上传输和/或接收PLC信号。在一些实施例中， PLC引擎202可以经配置从而传输OFDM信号，不过可以使用其它类 型的调制方案。类似地，PLC引擎202可以包括或者另外经配置从而 与计量或监控电路（没有显示）通信，计量或监控电路依次经配置， 从而经导线108、108a和/或108b测量特定装置或电器的电力消耗特征。 PLC引擎202可以接收此类电力消耗信息，将其编码为一个或更多个 PLC信号，并且在导线108、108a和/或108b上将其传输到较高等级的 PLC装置（例如，PLC网关112n、数据集中器114等）中用于进一步 处理。相反地，PLC引擎202可以从此类较高等级PLC装置接收以PLC 信号编码的指令和/或其它信息，例如，从而允许PLC引擎202选择其 操作的具体频带。

图3是根据一些实施例的PLC网关112的框图。如在该实例中所 显示地，网关引擎301联接到计量表接口302、本地通信接口304和频 带使用数据库304。计量表接口302联接到计量表106，并且本地通信 接口304联接到各种PLC装置中的一个或更多个，例如PLC装置113。 本地通信接口304可以提供各种通信协议，例如，ZIGBEE、 BLUETOOTH、WI-FI、WI-MAX、ETHERNET等，其可以使网关112 与广泛的不同装置和电器通信。在操作中，网关引擎301可以经配置 从而从PLC装置113和/或其它装置，以及计量表106收集通信，并且 用作这些各种装置和PLC数据集中器114之间的接口。网关引擎301 还可以经配置，从而将频带分配给具体装置和/或从而将信息提供给此 类装置，以使此类装置能够自我指派其自己的操作频率。

在一些实施例中，PLC网关112可以布置在房屋102n内部或靠近 房屋102n，并且用作去往和/或来自房屋102n的所有PLC通信的网关。 然而，在其它实施例中，PLC网关112可以不存在，并且PLC装置113 （以及计量表106n和/或其它器具）可以直接与PLC数据集中器114 通信。当PLC网关112存在时，其可以包括数据库304，数据库304 具有例如房屋102n内的各种PLC装置113近来使用的频带记录。此类 记录的实例可以包括，例如装置身份信息（例如，序列号、装置ID等）、 应用简档、装置类别和/或当前分配的频带。类似地，网关引擎301可 以在分派、分配或另外管理分派到其各种PLC装置的频带时使用数据 库304。

图4是根据一些实施例的PLC数据集中器的框图。网关接口401 联接到数据集中器引擎402，并且可以经配置从而与一个或更多PLC 网关112a-n通信。网络接口403也联接到数据集中器引擎402，并且 可以经配置从而与网络120通信。在操作中，数据集中器引擎402可 以使用来，在将数据发送到控制中心130之前，从多个网关112a-n收 集信息和数据。在PLC网关112a-n不存在的情况下，网关接口401可 以用计量表和/或装置接口（没有显示）替代，装置接口经配置从而与 计量表116a-n、PLC装置113和/或其它电器直接通信。进一步，如果 PLC网关112a-n不存在，则频率使用数据库404可以经配置从而储存 类似于关于数据库304的上述记录的记录。

一般而言，在电力线或导线103、104和/或108上传输信号之前， PLC装置可以尝试检测给定的通信或访问信道（例如，频带）现在是 否是在使用中。例如，可以通过使用具有随机退避时间的冲突避免的 载波侦听多路访问（CSMA/CA）机制，实现信道访问。随机退避机制 可以分布PLC装置尝试传输的时间，因此降低了冲突的可能性。换句 话说，每当装置希望传输数据帧时，其可以等待随机期间。如果发现 信道是空闲或空的，则随机退避之后，装置可以传输其数据。如果发 现信道是忙碌的，则随机退避之后，在试着再次访问信道之前，装置 可以等待另一段随机期间。

在各种实施例中，可以使用不同的CSMA技术。例如，检测到前 导信号（preamble）后，可以通过物理层提供物理载波侦听（PCS）。 相反，可以通过追踪信道占用的预期持续时间，通过介质访问控制 （MAC）提供虚拟载波侦听（VCS）机制。例如，可以通过接收的信 息包的长度（或者冲突之后），设置虚拟载波侦听。在这些情况下， VCS追踪或估计介质“忙碌”状态的预期持续时间（即，当给定的PLC 装置在电力线或导线103、105和/或108上传输数据时）。

图5显示可以应用到例如IEEE820.15.4标准描述的非信标个人局 域网（PAN）的现有技术CSMA方法的流程图。使用该方法，随机退 避机制散布站点尝试传输的时间（因此降低了冲突的可能性）。在数 据或MAC命令帧传输之前，通常使用该CSMA算法，并且使用称为 “退避周期”的时间单位将其实施，其中一个退避周期等于单位退避 周期符号（unitBackoffPeriod symbol）。

如方框501中所说明，每个装置可以维持用于每个传输尝试的两 个变量：NB和BE。具体地，NB是要求CSMA算法退避同时尝试当 前传输的次数，在每个新传输尝试之前其可以初始化为“0”。另一方 面，BE是退避指数，其涉及在尝试访问信道之前，装置应该等待的退 避周期，其可以初始化为minBE的值。该方法可以初始化NB和BE， 然后前进到方框502。在方框502中，该方法可以产生用于随机数目的 完整退避周期（例如，在0至2^BE-1的范围内）的延迟，然后要求在方 框503中执行PCS操作。然后可以通过退避时间=随机（2^BE-1）×时隙 给出退避时间；其中时隙等于竞争窗口时隙的持续时间（例如，符号 的数目）。

在方框504中，如果评估信道是忙碌的，则在方框506中该方法 可以将NB和BE增加一，同时确保BE不会超过maxBE（对于高优先 级信息包，maxBE可以等于minBE）。在方框507中，如果NB的值 小于或等于maxCSMABackoffs（最大CSMA退避），则该方法返回方 框502。如果NB的值大于maxCSMABackoffs，该方法可以终止，例 如，其中信道访问为失败状态或指示）。返回方框504，如果评估信道 是空闲的，则在方框505中该方法可以立即开始传输帧。

关于图5中描述的方法，然而，如本文中发明者已经认识到，PCS 是过早侦听的。独立于VSC侦听结果，计算每个PCS时间间隔。如果 一个节点正在发送大的信息包，则由于不需要的PCS试验，竞争的节 点会容易地失败。另外或者可替代地，竞争窗口过早地增大。每当PCS 是忙碌的时，BE被增加。因此，如果节点在第一次PCS中失败，则由 于其增大的窗口，则其比其它节点在后面的PCS中失败的机会更大， 这产生了不公平问题。

为了解决这些和其它问题，本文中讨论的实施例提供用于使用一 个或更多个VCS操作的技术，从而节约一个或更多不需要的PCS操作。 还有，在一些实施中，当ACK消息或信息包丢失时，可以增大竞争窗 口，因此区分冲突事件和忙碌介质的检测。在各种实施例中，本文中 讨论的技术可以应用在具有随机介质访问的PLC网状网络中，不过也 可以使用其它类型的网络。此外，这些实施例可以使用各种PLC标准， 例如，作为实例，G3-PLC标准等等。

现在转到图6中，根据一些实施例描述了CSMA方法的流程图。 在各种实施例中，例如，可以通过PLC装置103、PLC网关112和/或 PLC数据集中器114，执行图6的方法。在方框601中，该方法可以包 括将一个或更多退避参数（例如，NB计数器和/或BE）设置为其初始 值。在方框602中，该方法可以执行VCS操作，例如，直到VCS操作 确定通信信道是空闲或空的。然后，在方框602和603中，该方法可 以产生延迟，并且要求与图5的方框501和502类似地执行PCS操作。 然而，在该情况下，与图5的方法相比，当VCS（虚拟载波侦听）不 忙碌时，尝试PCS。也就是说，在PCS之前考虑VCS。当VCS从忙 碌状态变为空闲时，所有节点（即，PLC装置）可以同时调整，用于 信道公平竞争。类似地，可以使用VCS和PCS，VCS节约不需要的 PCS，这样CSMA不会由于例如大的信息包传输而失败。

在方框605中，该方法可以基于PCS操作确定信道是否是空闲或 空的。如果是空闲的，则在方框606中该方法可以在信道上发送数据。 在方框607中，该方法可以确定数据传输是广播还是单播传输（后者 包括响应于成功的传输，接收确认消息，然而前者不是这样）。如果 数据传输是单播传输，则在方框608中该方法可以确定确认是否已经 被接收。如果数据传输是广播传输，或者如果对于单播传输，确认已 经被接收，则该方法可以以成功指示结束。否则，在方框609中，可 以增加NB和BE。

再返回方框605，如果信道是忙碌的，则仅仅可以增加NB（但是 不是竞争窗口的大小）。然后，在方框611中，如果已经达到退避的 最大数目，则该方法可以以失败指示结束。否则该方法可以返回方框 602。类似地，如果确认（ACK）消息或信息包没有被接收（在单播传 输的情况下），则可以增加BE。当PCS返回空闲，可以发送出数据帧。 否则，该方法可以等待VCS完成，并且BE维持相同的值。当发送出 数据而没有接收ACK消息时，增加BE。在来自于PCS操作的忙碌指 示之后，然而，节点或装置可以不增大其竞争窗口，这样所有节点能 够具有公平的CSMA竞争。也就是说，仅仅在ACK丢失之后，因此 而建议可能的信息包冲突和拥挤介质，节点可以增大竞争窗口从而与 其它装置竞争信道的使用。

应该理解，当ACK丢失时，潜在地存在两个最可能的原因。首先， 信道条件不好，在这种情况下，发送者可以尝试再次传输而不增大竞 争窗口大小。第二，存在发生的信息包冲突（由于信道正忙碌），在 这种情况下，竞争的发送者在尝试再次传输之前，可以增加其时间或 竞争窗口大小。在一些实施中，发送者和接收者可以使用NACK中附 加位（extra bit）（如果NACK能够被发送），或者一些附加信息交换， 关于（上一个）丢失的ACK彼此相互作用。接收者可以使用信息从而 帮助一个或更多发送者区分不好的信道条件和信息包冲突，这样当 ACK丢失时，发送者可以不同地响应。另外或者可替代地，如果接收 者发现接收的信息包具有低链路质量指示（LQI），则接收者还可以使 用ACK信息包中的附加位，警告发送者不好的信道。

图7是根据一些实施例的集成电路的方框图。一些情况下，可以 如图7所示实施图2-4显示的装置和/或设备中的一个或更多。在一些 实施例中，集成电路702可以是数字信号处理器（DSP）、专用集成电 路（ASIC）、系统芯片（SoC）电路、现场可编程门阵列（FPGA）、 微处理器、微控制器等等。集成电路702联接到一个或更多个外围设 备704和外部存储器703。一些情况下，外部存储器703可以用来储存 和/或保持图3和4中显示的数据库304和/或404。进一步，集成电路 702可以包括用于将信号传送到外部存储器703的驱动器，以及用于将 信号传送到外围设备704中的另一个驱动器。还提供了电源701，其将 供电电压供应到集成电路702，以及将一个或更多供电电压供应到存储 器703和/或外围设备704。在一些实施例中，可以包括超过一个集成 电路702的实例（还可以包括超过一个外部存储器703）。

外围设备704可以依赖于PLC系统的类型，包括任何需要的电路。 例如，在一个实施例中，外围设备704可以实施局部通信接口303，并 且包括用于各种类型无线通信的装置，例如WI-FI、ZIGBEE、 BLUETOOTH、蜂窝系统、全球定位系统等等。外围设备704还可以 包括附加存储器，其包括RAM储存器、固态存储器或磁盘存储器。有 时候，外围设备704可以包括用户接口装置，例如显示屏，其包括触 控式显示屏或多点触控式显示屏、键盘或其它输入装置、话筒、扬声 器等。

外部存储器703可以包括任何类型的存储器。例如，外部存储器 703可以包括SRAM、非易失性RAM（NVRAM，例如“闪速”存储 器）和/或动态RAM（DRAM），例如同步DRAM（SDRAM）、双倍 数据速率（DDR、DDR2、DDR3等）SDRAM、DRAM等。外部存储 器703可以包括存储器装置可以安装到其上的一个或更多存储器模块， 例如单列直插存储器模块（SIMM）、双列直插存储器模块（DIMM） 等。

应该明白，关于图6说明的各种操作可以同时和/或按顺序执行。 应该进一步明白，每个操作可以以任何顺序执行，并且可以执行一次 或反复执行。在各种实施例中，图2-4显示的模块可以表示成组的软件 程序、逻辑功能和/或数据结构，其经配置从而执行具体操作。虽然这 些模块显示为不同的逻辑块，在其它实施例中，这些模块执行的操作 中的一些可以结合到较少的组块（block）中。相反地，可以实施图2-4 显示的模块中任意给出的一个，使得在两个或更多逻辑块之间分开该 操作。此外，虽然用具体的构造将其显示，但是在其它实施例中，这 些各种模块可以以其它合适方式重新布置。

本文描述的操作中的许多可以在硬件、软件和/或固件和/或其任意 组合中实施。当在软件中实施时，代码段执行必须的任务或操作。程 序或代码段可以储存在处理器可读、计算机可读或机器可读介质中。 处理器可读、计算机可读或机器可读介质可以包括能够储存或转移信 息的任何装置或介质中。此类处理器可读介质的实例包括电子电路、 半导体存储器装置、闪速存储器、ROM、可擦除ROM（EROM）、软 盘、压缩磁盘、光盘、硬盘、光导纤维介质等等。

软件代码段可以储存在任何易失性或非易失性存储器装置中，例 如硬盘驱动器、闪速存储器、固态存储器、光盘、CD、DVD、计算机 程序产品，或其它存储器装置，其提供有形计算机可读或机器可读存 储器用于处理器或中间件容器服务。在其它实施例中，存储器是若干 物理存储器装置的虚拟化，其中物理存储器装置是相同或不同的类型。 代码段可以从存储器经内部主线下载或传送到处理器或容器，或经其 它有线或无线网络下载或传送到另一个计算机网络，例如互联网或内 部网。

本领域内技术人员应该理解，在请求的发明的范围内，可以对描 述的说明性实施例做出各种修改，并且可以实现许多其它实施例。