JP5787889B2 - ３相モードのｏｆｄｍ伝送方法 - Google Patents

Description

本発明の実施例は、全般的に通信システムに関し、更に特定して言えば、電力線を介する直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）通信の伝送に関連する。

信頼性の高い通信のコストを低減するための通信媒体として電力線の利用に非常に関心が高まっている。これは一般に電力線通信（ＰＬＣ）と呼ばれる。ＰＲＩＭＥ（Power line-Related Intelligent Metering Evolution）など、ＰＬＣの規格化の取り組みがなされてきている。殆どのＰＬＣ規格において、通信は３つの位相でサポートされる必要がある。これは、多くの国において３相伝送が電力線の特性であるためである。しかし、これらの位相間のカップリングのため、それぞれの位相で受信した信号は完全には独立していない。例えば、位相２の信号は、位相１の信号に対する干渉として作用し得る。この干渉を取り除くことが必要である。また、電力線伝送位相の各々は、トランスミッタからレシーバへの独立した経路として作用し得る。これらの独立した経路は、受信信号の品質を向上させるために用いられ得る。

図１３は、サブステーション１３０１を住居１３０２ａ〜ｎに接続する、典型的な電気的配電システムを図示する。サブステーション１３０１からの中電圧（ＭＶ）電力線１３０３は数十キロボルトの範囲の電圧を搬送する。変圧器１３０４が、このＭＶ電力を１００〜２４０Ｖの範囲のＡＣ電圧を搬送するＬＶ線１３０５上の低電圧（ＬＶ）電力まで降圧する。変圧器１３０４は、５０〜６０Ｈｚの範囲の非常に低い周波数で動作するように設計されるのが典型的である。変圧器１３０４は、１００ＫＨｚより高い信号などの高周波数は、ＬＶ線１３０５とＭＶ線１３０３の間に通さない。ＬＶ線１３０５は、典型的に住居１３０２ａ〜ｎの外側に搭載される、メーター１３０６ａ〜ｎを介して顧客に電力を供給する。パネル１３０７などのブレーカー・パネルが、メーター１３０６ｎと住居１３０２ｎ内の電気配線１３０８との間のインタフェースを提供する。電気的配線１３０８は、アウトレット１３１０、スイッチ１３１１、及び住居１３０２ｎ内の他の電気的デバイスに電力を届ける。

図１３に示す電力線トポロジーは、高速通信を住居１３０２ａ〜ｎに届けるために用いられ得る。電力線通信モデム１３１２ａ〜ｎが、メーター１３０６ａ〜ｎでＬＶ電力線１３０５に結合され得る。ＰＬＣモデム１３１２ａ〜ｎは、ＭＶ／ＬＶ線１３０３、１３０５を介してデータ信号を送信及び受信するために用いられる。このようなデータ信号は、通信システム、高速インターネット、電話通信、テレビ会議、映像配信、及び同様のサービスをサポートするために用いられ得る。テレコミュニケーション及びデータ信号を電力伝送ネットワークを介して搬送することにより、各利用者１３０２ａ〜ｎへの新たなケーブルを設置する必要がなくなる。このため、既存の配電システムを用いてデータ信号を搬送することにより、著しいコスト削減が可能となる。電力線を介してデータを搬送するための１つの方法は、電力信号の周波数とは異なる周波数を有するキャリア信号を用いる。このキャリア信号は、搬送されるべきデータによって変調される。代替として、これらのデータ信号を送信及び受信するために、ＰＬＣモデム１３１３が家庭用の電気配線１３０８を介してＭＶ／ＬＶ電力線に結合されてもよい。

住居１３０２ａ〜ｎのＰＬＣモデム１３１２ａ〜ｎは、付加的な配線を必要とすることなくコンセントレータ１３１４からの及びコンセントレータ１３１４へのデータ信号を搬送するためＭＶ／ＬＶ電力網（power grid）を用いる。コンセントレータ１３１４は、ＭＶ線１３０３又はＬＶ線１３０５のいずれかに結合され得る。モデム１３１２ａ〜ｎは、高速ブロードバンド・インターネット・リンク、ナローバンド制御アプリケーション、及び低帯域幅データ収集アプリケーションなどのアプリケーションをサポートし得る。一般家庭環境において、モデム１３１２ａ〜ｎは、冷暖房及び空調、照明、及びセキュリティのホーム・ビル・オートメーションを可能にし得る。一般家庭用以外では、電力線通信ネットワークは、街灯制御及び遠隔電力メーターデータ収集を提供する。

電力線ネットワークを通信媒体として用いることに関する問題点は、これらの電力線がノイズや干渉を受け易いことである。電力線ケーブルは、例えば、放送無線信号からの及びこれらの電力線に結合された電気的装置からのノイズの影響を受け易い。ノイズは、これらの電力線に沿って伝播して通信信号と組み合わさり、その通信信号を損傷させ得る。電力線ネットワークを用いることに関する他の問題点は、ケーブルの構造によって生じる。ＭＶ及びＬＶ電力線では、ケーブルの内部に一群の位相線を含み、各々が前記３つの供給位相のうちの１つを搬送する。無線周波数で、これらの個別の線間の静電容量は、１つの線上の信号をリークさせるか又は隣り合う線にカップリングさせる。位相線間のこのカップリングプロセスは、位相シフトや他の干渉を発生させ得る。従って、これらの線に沿った伝搬の後の各線上の通信信号の構成要素は、もはや互いに同相ではなく、異なる位相及び振幅となる。このようなカップリング及び干渉は、受信装置に関連する問題を生じ、この受信装置は、変更された受信信号を復号し、元の信号を再構築するよう試みる必要がある。

米国特許番号第６３７３３７７号は、電力線ネットワーキングのためのデジタルデータカップリング機能を備えた電源に関連する。本文献の電源は、コンピュータシステム内にあり、デジタル・カプラーによってネットワーク・インターフェース・カードに結合される。或る回路ブロックが、前記デジタル・カプラーからのデジタル信号をアナログ信号に変換する。アナログ・フロントエンドが、電力線への伝送のため前記アナログ信号を増幅する。米国特許番号第６３７３３７７号の電源は、電力線の異なる位相へデータ信号を分配する前に前記データ信号をスケーリング（scale）又は重み付けしない。

米国特許番号第６９８３０２７号は、ＯＦＤＭ信号を受信するように適合された受信装置に関連する。信号は、アンテナで受信され、中間周波数帯域信号に変換され、これがその後、デジタル信号に変換される。情報は前記デジタル信号内で検出される。差動検出回路の出力から信号対雑音比（ＳＮＲ）が生成される。このＳＮＲは前記ＯＦＤＭ信号の受信品質を示す。米国特許番号第６９８３０２７号の受信装置は、電力線の異なる位相へデータ信号を分配する前に前記データ信号をスケーリング又は重み付けしない。

米国特許番号第７０２７４８３号は、電力線を介する超広帯域通信のためのシステムに関連する。本文献は、超広帯域信号を用いた電力線を介するデータ伝送を、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）を用いる伝送と比較している。ＯＦＤＭシステムをチャネル特性に適合させることは、非常に複雑で費用がかかることに注意されたい。その代わりに、本文献は、電力線伝送のために最適化された、伝送電力、パルス包絡線形状、及びパルス繰り返し周波数を備えた超広帯域信号を用いることを提案している。米国特許番号第７０２７４８３号の超広帯域システムは、データ信号を前記電力線の異なる位相へ分配する前に前記データ信号をスケーリング又は重み付けしない。

米国特許公開番号第２００９／００６００６０号は、ＯＦＤＭ変調された信号を、電力線ネットワークを介してトランスミッタからレシーバへ伝送することに関連する。単一の信号がＭＩＭＯ（multiple input multiple output）モードでの伝送のため変調される。このシステムは、家庭用の電気システムの２つのチャネル又は２本の配線のみで信号を伝送することが可能である。単一のレシーバが、３本の配線及び同相（common mode）経路を含む４つのチャネルを介してＭＩＭＯ伝送を受信する。米国特許公開番号第２００９／００６００６０号の伝送システムは、電力線の異なる位相へデータ信号を分配する前に１つ又はそれ以上のデータ信号を同時にスケーリング又は重み付けしない。本文献は、ＰＬＣモデムによって用いられる位相を識別することを開示していない。

米国特許公開番号第２０１０／００５４３１４号は、ＯＦＤＭ伝送のためのモデムの初期化に関連する。ＯＦＤＭシンボルのガード・インターバル又はサイクリック・プレフィックスの長さ又は期間が各モデムスタートアップ時に新たに選択される。このモデムは、既定の線形周波数変調（ＬＦＭ）掃引信号又はチャネル上のすべての周波数をカバーする擬似雑音信号を受信する。このチャネルのための伝達関数は、前記受信信号から推定される。前記推定された伝達関数に基づいて入力フィルタが合成される。前記ガード・インターバルの多数のサンプルが前記通信チャネル上のインパルス応答に基づいて選択される。米国特許公開番号第２０１０／００５４３１４号のモデム初期化手法は、電力線の異なる位相へデータ信号を分配する前に１つ又はそれ以上のデータ信号を同時にスケーリング又は重み付けしない。

本発明の実施例は、３相電力線ネットワークを介するなどの、電力線通信のためのシステム及び方法を提供する。この電力線ネットワークの各位相に単一のデータストリームがカップリングされ得る、或いは各位相に複数の信号がカップリングされ得る。各位相は、伝送媒体として機能する個別の物理的電力線上で搬送される。前記の異なる電力線で搬送された信号は、相互干渉及び／又はカップリングされ得、それが前記信号に歪みを生じさせる。本発明の実施例は、前記電力線がどのように互いと干渉及び／又はカップリングするかを判定し、前記伝送媒体をモデル化する行列を作成する。この行列は、前記信号がレシーバで受信されるときに前記信号に対する前記伝送媒体の影響が相殺される（neutralized）ように、前記信号をそれらが送信される前にプリコード（precode）するために用いられ得る。

前記レシーバは、伝送信号をどのようにプリコードするかをトランスミッタが判定し得るように、伝送媒体に関する情報をトランスミッタに送信し得る。例えば、前記トランスミッタは既知の信号を前記レシーバに送信し得、これにより、前記伝送媒体の前記既知の信号に対する影響を前記レシーバが識別することが可能となる。代替として、前記トランスミッタ及びレシーバは、前記伝送媒体をモデル化するために共通のコードブックを用いることができる。前記レシーバは、適切なプリコードデータのためのコードブック・インデックスを送信することによるなど、前記信号をプリコードするためにどのコードブックエントリーを用いるかについて、前記トランスミッタに通知し得る。他の実施例において、前記トランスミッタは、前記レシーバにより送信された信号に基づいて前記伝送チャネルの影響を推定し得る。前記伝送媒体の影響は両方向で同様であると仮定すると、前記トランスミッタは、前記レシーバへ送信される信号のためどのプリコードを用いるべきかを判定するために、このような受信信号を用いることができる。

１度に前記伝送媒体を介して送信される独立した信号の数が、そのシステムの「ランク」を決める。ランク１のシステムは、前記伝送線の各位相にわたって拡散する単一の信号を送信する。本明細書に記載するように、ランク１のシステムは、前記電力線ネットワークを介して信号を伝送するためにビーム・フォーミングを用いる。ランク２又は３のシステムは、前記伝送線の各位相に各信号を拡散することにより、前記伝送媒体にわたって、それぞれ、２つ又は３つの独立した信号を送信する。本明細書に記載するように、ランク２又はそれより高いシステムは、多数の信号を各電力線位相に配送するために位相多重を用いる。

前記ビーム・フォーミング及び位相多重の場合の前記トランスミッタ及びレシーバ処理は、マイクロプロセッサ又は専用回路などの信号処理ユニット内で実行され得る。一実施例において、前記信号処理ユニットは、３つの個別の伝送信号を出力し、ここで、各信号は前記電力線位相の１つに対応している。前記信号処理ユニットは、デジタル・アナログ・コンバータ、フィルタ、及びライン・ドライバを含むアナログ回路によって前記電力線に結合され得る。前記アナログ回路／ライン・ドライバを前記電力線ネットワークに結合するために、変圧器及びカップリング・コンデンサが用いられてもよい。各電力線位相用の１つのアナログ回路、又は、各電力線位相に切り替え可能に接続される単一のアナログ回路があってもよい。受信信号は、前記信号処理ユニットへ前記それぞれの電力線位相に対する前記アナログ回路／ライン・ドライバを通って別個に受け渡しし得る。代替として、前記ビーム・フォーミングの場合、前記受信信号は、例えばサミングフィルタ内において、前記信号処理ユニットに供給される単一の受信信号に組み合わされてもよい。

図１は、３相電力線通信のためのシステムを図示する。

図２は、３相電力線通信のためのシステム内の信号処理を図示する。

図３は、３相電力線通信のためのシステムにおけるビーム・フォーミングを図示する。

図４は、３相電力線通信のためのシステムにおける位相多重を図示する。

図５は、３相電力線通信のためのシステムにおけるランク２伝送位相多重を図示する。

図６は、電力線通信ネットワークにおけるダイバーシティ伝送を図示する。

図７は、２位相モード・ダイバーシティ伝送のための例示のシステムを図示する。

図８は、３相ダイバーシティ伝送を実装するＯＦＤＭシステムの例示の実施例を図示する。

図９は、トランスミッタ及び／又はレシーバ回路と前記３相電力線との間の接続を図示する。

図１０は、トランスミッタ及び／又はレシーバ回路と前記３相電力線との間の代替の接続を図示する。

図１１は、トランスミッタ及び／又はレシーバ回路と前記３相電力線との間の別の代替の接続を図示する。

図１２は、例示の３相電力線ネットワークレシーバを図示する。

図１３は、サブステーションを住居に接続する典型的な電気的配電システムを図示する。 図１４は、実施例に従うパワーライン通信のためのモデムを図示するものである。

本発明は多くの異なる形式で具体化され得、本明細書に説明の目的で示す例示の実施例に限定されると解釈されるべきではない。

一般に、電力線伝送システムは、電力線ネットワークの一つ又はそれ以上の位相に接続されるトランスミッタ及びレシーバを含む。図１は、電力線ネットワーク１０３の３つの位相１１〜１３に接続されるトランスミッタ１０１及びレシーバ１０２を図示する。３つの個別の信号ｓ_１〜ｓ_３は異なる位相１１〜１３で送信され、各信号は、他の位相上の信号とカップリング及び／又は干渉し得る。その結果、レシーバ１０２は、電力線ネットワーク１０３の１１〜１３の各位相で前記送信された信号ｓ_１〜ｓ_３の異なる組み合わせを受信する。従って、各受信信号ｒ_１〜ｒ_３は、同一の位相で送信された前記元の信号ｓ_１〜ｓ_３に直接対応していない。このようなシステムは、トランスミッタ１０１とレシーバ１０２との間のＭＩＭＯ（multiple input multiple output）チャネルとしてモデル化することができる。

図２は、単一の信号ｓが、前記トランスミッタ２０によって電力線ネットワーク２０３のすべての利用可能な位相２１〜２３に結合される、電力線通信システム２００を図示する。トランスミッタ処理及び信号生成ブロック２０４はデータストリームｓを生成し、これは、カプラー２０５を介して各位相に結合される。レシーバ２０２で、前記位相のすべてから受信した信号ｒ_１〜ｒ_３は、ブロック２０７におけるレシーバ処理の前に、コンバイナー２０６で組み合わされる。図２に示したもののようなシステムは、実際の電力線ネットワークにおける位相間のカップリングの変化の度合いを考慮していない。前記受信信号ｒ_１〜ｒ_３は、各々、同一の位相で送信された元の信号ｓ_１〜ｓ_３に直接対応していない。むしろ、受信信号ｒ_１〜ｒ_３は、各々、位相間カップリング及び干渉により変更された、元の信号に対応している。前記伝送システムは、前記送信された信号を前記電力線ネットワーク２０３の実際の状態に基づいて変更する。

システム２００内の伝送チャネルは次のようにモデル化され得る。
（表記上の問題から明細書の文中では、上にバーが付されている文字は、文字の後に(上バー）として記す。）
ここで、ベクトルｓ（上バー）＝［ｓ_１ ｓ_２ ｓ_３］^T及びｒ（上バー）＝［ｒ_１ ｒ_２ ｒ_３］^Tは、それぞれ前記送信及び受信信号を表し、行列
は、前記トランスミッタのｊ番目の位相と前記レシーバのｉ番目の位相との間のカップリング係数ａ_ijで構成される。変数ｎ_iは前記ｉ番目の位相のノイズである。上述のチャネルモデル化において、符号間干渉（ＩＳＩ）は無視できるレベルであるが、本明細書に開示する発明は、チャネル間のＩＳＩが存在する電力線ネットワーク伝送の場合にも適用され得る。

数式１で示した前記チャネルモデルは、電力線伝送ネットワークに対する種々のエンハンスメントを判定するために用いることができる。これらのエンハンスメントは、前記チャネル（即ち、前記３つの個別の位相の各々）に多重化される独立した送信データストリームの数、及びこれらのストリームが前記トランスミッタでミキシングされる及び前記レシーバで処理される方式に従って分類され得る。

本明細書においてビーム・フォーミングと呼ぶ、本発明の一実施例において、単一のデータストリームが前記電力線ネットワークのすべての３相を用いて送信される。ビーム・フォーミングは、前記トランスミッタ又は前記レシーバのいずれかで実行され得る。一実施例において、前記異なる位相に前記信号を分配するために前記トランスミッタ及び／又はレシーバで適切な重み行列が用いられる。

図３は、トランスミッタ３０１及びレシーバ３０２の両方にビーム・フォーミングを備えた通信システム３００を図示する。送信信号プロセッサ３０４は、シンボル・ストリーム｛ｘ｝を生成する。各位相３１〜３３に適用された送信信号は、ミキサー３０５において対応する重みｕ_iでスケーリングされる。電力線ネットワーク３０３を介して送信されるとき、信号ｓ（上バー）は、次のように表され得る。

重みベクトルｕ（上バー）＝［ｕ_１ ｕ_２ ｕ_３］^Ｔは、（上記数式２に示す）行列Ａ（上バー）からのカップリング情報を用いて適切に設計され得る。例示の一実施例において、前記行列ｕ（上バー）は、Ａ（上バー）のドミナント左特異ベクトルとなるよう選択される。代替として、行列ｕ（上バー）が既定のコードブック内の最近ベクトルとして選択される。ベクトルｕ（上バー）は、前記ｕ（上バー）ベクトルのコードブック・インデックス値など、前記レシーバによって用いられるべき好ましいｕ（上バー）ベクトルを識別する明示的フィードバックに基づくか、或いは前記レシーバ又は前記送信と受信チャネルの間の相互関係（reciprocity）からのフィードバックを用いることによるなど、前記トランスミッタ３０１によって得られるチャネル推定によるか、のいずれかで選択され得る。

図３は受信ビーム・フォーミングも図示する。前記受信信号ｒ_１〜ｒ_３は、図２のシステム２００のような、先行技術のシステムで成されるように、コンバイナー３０６で組み合わされる。しかし、システム３００では、まず、ミキサー３０７において、重みベクトルｖ（上バー）＝［ｖ_１ ｖ_２ ｖ_３］^Ｔを用いて前記受信信号ｒ_１〜ｒ_３により重み付き統合（weighted combination）が実行される。信号
に、ブロック３０８のレシーバ処理が実行される。一実施例において、前記統合重みベクトルｖ（上バー）は、前記チャネル行列Ａ（上バー）のドミナント右特異ベクトルとなるよう選択される。

他の実施例において、前記重みベクトルｕ（上バー）及びｖ（上バー）は、何らかの適切な性能基準に基づいて選択され得る。例えば、一実施例において、前記重みベクトルｕ（上バー）は、最大受信信号対雑音比（ＳＮＲ）を得るように選択することができ、ここで、前記受信したＳＮＲは、次の式で求められる。

ここで、Ｅ_ｓ＝Ｅ｜ｓ｜^２である。関連する一実施例において、前記ベクトルｕ（上バー）及びｖ（上バー）は、前記３つの位相でのノイズレベルの相関に基づいて選択されてもよい。

送信電力制御については、ｕ（上バー）のノルム（norm）を固定することができる。ｕ（上バー）を設計するための一つの実行可能な方法は、ｕ（上バー）は、Ａ（上バー）^ＨＡ（上バー）の最大固有値に関連する最大固有ベクトルとして選択することができることである。この場合、正確なカップリング係数がレシーバ３０２から前記トランスミッタ３０１へフィードバックされる必要がある。代替として、前記カップリング係数は、前記トランスミッタで「受信した」信号から推定してもよい。前記トランスミッタ・レシーバ・ターンアラウンド時間が短い場合、ある時間の前記トランスミッタは、次の時間期間で前記レシーバとして作用し得る。前記カップリング係数が前記トランスミッタと前記レシーバの間で対称的であると仮定すると、前記トランスミッタは、レシーバ３０２からの前記トランスミッタ３０１で「受信した」信号を用いて前記カップリング係数を推定し得る。量子化ベクトルが用いられる場合、ｕ（上バー）は、ベクトル集合Ｕ＝｛ｕ_１（上バー）， ｕ_２（上バー），・・・，ｕ_２ ^Ｂ（上バー）｝、即ち、ｕ（上バー）∈Ｕから選択することができ、この場合、前記レシーバは、ｕ（上バー）_ｉに基づいて性能を計算し、前記性能を最適化するインデックス値を送信する。例えば、ｕ（上バー）_ｉの各々の受信ＳＮＲは、
であり、前記レシーバは、前記受信ＳＮＲを最大化するインデックスを送信する。この例において、フィードバック・ビットの数はＢ個のビットである。

ビーム・フォーミングに基づく実施例において、単一のデータストリーム｛ｘ｝が前記レシーバに送信され、前記電力線ネットワーク３０３を介するＳＮＲを改善するために前記ビーム・フォーミング重みが用いられる。別の実施例において、多数の並列ストリームがトランスミッタ３０１からレシーバ３０２へ送信され得る。これは、カップリング係数行列Ａ（上バー）が高ランクを有し、つまり、前記異なる位相３１〜３３の前記信号間の相関又はカップリングが小さいことを示唆する場合、実施可能となり得る。

本明細書において位相多重と呼ぶ、本発明の更なる実施例において、多数のデータストリームが、前記データストリームの各々が同時伝送のため前記電力線ネットワークのすべての３つの位相にわたって拡散する方式で送信される。

図４はシステム４００を図示し、このシステム４００において、３つの独立したシンボル・ストリーム｛ｘ_１｝、｛ｘ_２｝、及び｛ｘ_３｝がブロック４０４で生成され、プリコード行列Ｕ（上バー）４０５によって組み合わされて前記送信信号ｓ_１〜ｓ_３を得、それらがトランスミッタ４０１によって電力線ネットワーク４０３の３つの位相４１〜４３でレシーバ４０２へ送信される。レシーバ４０２は、前記チャネル行列Ａ（上バー）と前記プリコード行列Ｕ（上バー）の積（Ａ（上バー）・Ｕ（上バー））によって得られるｘ（上バー）とｒ（上バー）の間の有効（effective）チャネルを検出する。そのため、システム４００の有効チャネルは、下記のようにとしてモデル化される。
ここで、Ｕ（上バー）は３×３行列である。前記プリコード行列Ｕ（上バー）は下記のように選択され得る。

１. ｛Ｕ（上バー）｝の集合：一定の送信エネルギーを維持するため、Ｕ（上バー）のノルムは固定され得る。また、Ｕ（上バー）は、ユニタリー行列に制約されてもよい。更に別の実施例において、Ｕ（上バー）は、コードブックＵ＝｛Ｕ_１，Ｕ_２， ・・・，Ｕ_２ ^Ｂ｝、即ち、Ｕ（上バー）∈Ｕに量子化されてもよい。

２． 選択基準：すべての実行可能なＵの集合が与えられたとすると、前記プリコード行列は、チャネル容量又はビット誤り率（ＢＥＲ）など、異なる性能基準を最適化するように選択され得る。前記カップリング係数の全てが既知である場合、Ｕ（上バー）は、Ａ（上バー）の前記右特異行列として選択することができる。

３．選択及び信号方式：前記チャネル・パラメータが前記トランスミッタに既知である場合、Ｕ（上バー）の選択は前記トランスミッタで成され得る。代替として、Ｕ（上バー）は、前記レシーバから明示的に又は暗示的にフィードバックされてもよい。このような一実施例において、レシーバ４０２は、各Ｕ（上バー）_ｉに基づいて何らかの性能を計算し、前記システムの性能を最適化するインデックスを送信する。この場合、フィードバック・ビットの数はＢ個のビットである。

単位時間当たりに送信される独立したシンボルの数は、前記伝送システムのランクとして示される。このため、図４に示すようなフル３相の位相多重はランク３を有し、図３に示すようなビーム・フォーミングはランク１を有する。

図５は、位相多重を含むランク２伝送の場合を図示し、この場合において、トランスミッタの出力及び信号生成ブロック５０４で、３つのシンボルのうち２つは同一であり、３つのシンボルのうち１つが異なる。例えば、ｘ＝ｘ_１、ｘ_２が同一であり、ｘ_３はｘ＝ｘ_１、ｘ_２とは異なる。

ｘ＝ｘ_１、ｘ_２が同一であり、ｘ_３が異なるとき、受信信号は下記のようにモデル化され得る。
ここでＵ（上バー）は、３×２行列である。

伝送のランクは固定されてもよく、送信されるべきデータストリームの数に従って適合されてもよい。このシステムは、例えば、レシーバ・フィードバック又はトランスミッタ推定の何れかに基づく前に、プリコード行列Ｕ（上バー）５０５を用いて適合され得る。プリコード・デバイス５０５における変更の後、信号ｓ_１〜ｓ_３は、トランスミッタ５０１によって電力線ネットワーク５０３内の３つの位相５１〜５３を介してレシーバ５０２へ送信される。受信信号ｒ_１〜ｒ_３はジョイント検出レシーバ５０２によって処理されて元の信号ｘ＝ｘ_１、ｘ_２及びｘ_３を抽出する。

本発明の別の実施例は、送信ダイバーシティを提供する。前記ビーム・フォーミング／位相多重システムは、重み行列Ｕ（上バー）を用いて前記送信信号を整形する。前記重み行列Ｕ（上バー）を作るために用いられるカップリング係数は、前記レシーバからフィードバックされてもよく、前記トランスミッタで推定されてもよい。送信ダイバーシティは、前記トランスミッタでの前記カップリング係数の知識を必要としない電力線通信システムにおいて３相モードを利用する手法を提供する。前記送信ダイバーシティシステムは、現在時刻から送信された信号の「遅延された」コピーを後の時間期間に送信する。その後、前記レシーバは、位相の各々からコンストラクティブな方式で前記送信された信号をコヒーレントに組み合わせる。図６は、一般的なダイバーシティ・ブロック図を示す。トランスミッタ６０１は、元のデータストリームｓ｛ｘ_１｝、｛ｘ_２｝、｛ｘ_３｝から、例えば、プリコードを用いて、信号ｓ_１〜ｓ_３を生成する。前記プリコード行列は、単位行列であり得る。ダイバーシティ分配ブロック６０２は、時間Ｔに前記信号ｓ_１〜ｓ_３の第１のコピーを、時間２Ｔに前記信号ｓ_１〜ｓ_３の変更されたバージョンを送信する。ダイバーシティ・レシーバ６０３は、電力線ネットワーク６０４から時間Ｔ及び２Ｔに送信された信号を受信し、その後、それらを処理して元のデータストリームｓ｛ｘ_１｝、｛ｘ_２｝、｛ｘ_３｝を抽出する。

送信ダイバーシティの更に詳細な例を下記で説明する。図７は、２位相モード・ダイバーシティ伝送のための例示のシステムを図示する。所定の時間ｔ＝Ｔに、信号Ｓ（上バー）_Ｔ＝［ｓ_１，ｓ_２］^Ｔが、トランスミッタ７０１で電力線ネットワーク７０３の２位相電力線を通してレシーバ７０２へ送信される。時間ｔ＝２Ｔに、前記元の信号Ｓ（上バー）_Ｔがわずかに変更された信号Ｓ（上バー）_２Ｔ＝［−ｓ^＊ _２，ｓ^＊ _１］^Ｔが前記トランスミッタ７０１でレシーバ７０２へ送信される。図７の前記送信された信号は次のように表すことができる。
ここで、前記行列のｘ方向はサンプリング時間を表し、ｙ方向は前記信号が送信される位相を表す。前記レシーバで２位相受信であると仮定すると、前記２位相の配線から前記時間ｔ＝Ｔで受信した信号は、下記の数式により得られ、
前記時間ｔ＝２Ｔで受信した信号は、下記の数式により得られる。

数式１１は、カップリング係数は前記２Ｔ時間フレームでは頻繁には変化しないと仮定する。上述のチャネルモデルではＩＳＩはないと仮定したが、例えば、ＯＦＤＭ伝送を用いてシンボル間干渉を取り除くことによって、ＩＳＩにも適用することができる。

前記時間フレームＴ及び２Ｔで受信した信号の適切な変更が成される場合、前記受信信号は下記数式で表される。

Ａ（上バー）^H _4x2で乗算することにより、下記の数式が導き出される。

前記受信信号にこの変更が成される場合、前記レシーバは復号を実行する。上述で分かるように、復号には、前記レシーバで前記カップリング係数を推定することが必須である。この方法の利点は、たとえ前記複数経路のうち１つの信号品質が悪い場合でも、その経路上の信号は、前記他の経路から回復され得ることである。従って、前記独立したカップリング情報は、前記トランスミッタでカップリング情報を有することなく前記信号を送信するために用いることができる。図７に図示するように、数式９の正方行列Ｓ（上バー）は、レシーバ７０２への電力線ネットワーク７０３での伝送前に、ブロック７０４で前記信号を変更するために用いられ得る。

３相モード伝送の場合、前記正方行列Ｓ（上バー）は、生成するのが一層困難である。前記３相ダイバーシティ伝送モードのための行列の一実施例は、
であり、ここで、前記トランスミッタは時間ｔ＝Ｔに、Ｓ（上バー）_Ｔ＝［ｓ₁，ｓ₂，ｓ₃］^Ｔを送信し、前記トランスミッタは前記時間ｔ＝２Ｔに、Ｓ（上バー）_２Ｔ＝［−ｓ_２，ｓ_１，ｓ_４］^Ｔを送信する、といった具合である。信号ｓ_１、ｓ_２、ｓ_３、及びｓ_４は独立した信号である。当業者であれば他の構成も可能であることが分かるだろう。

３相ダイバーシティ伝送を実装するＯＦＤＭシステムの例示の実施例を図８に示す。トランスミッタ８０１は、例えば、プリコードを用いて、元のデータストリームｓ｛ｘ_１｝、｛ｘ_２｝、｛ｘ_３｝から信号ｓ_ｉ、ｓ_ｊ、ｓ_ｋを生成する。Ｓ行列構成ブロック８０２は、前記Ｓ（上バー）行列から信号ｓ_ｉ、ｓ_ｊ、ｓ_ｋを生成し、時間Ｔ及び２Ｔに前記適切な信号を送信する。前記信号は、ブロック８０３のシリアル−パラレル変換（Ｓ／Ｐ）、ブロック８０４の逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ）処理、及びブロック８０５のサイクリック・プレフィックス（ＣＰ）付加などのＯＦＤＭ送信処理にかけられる。前記信号はその後、電力線ネットワーク８０６の前記適切な位相で送信される。受信信号は、ブロック８０７での前記サイクリック・プレフィックスの除去、ブロック８０８の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）処理、ブロック８０９のデインターリビング及びビタビ復号などのＯＦＤＭ復号、及びブロック８１０のパラレル−シリアル（Ｐ／Ｓ）変換など、更なるＯＦＤＭ処理にかけられる。ダイバーシティ・レシーバ構成要素８０７〜８１０は、時間Ｔ及び２Ｔに送信された信号を受信し、それらを処理して元のデータストリーム｛ｘ_１｝、｛ｘ_２｝、｛ｘ_３｝を抽出する。

当業者であれば、本明細書に記載の前記電力線通信システムの前記構成要素は、前述のオペレーションの１つ以上を実行する、個別の回路又は個別の構成要素として、又は単一のデバイスとしてとして具体化されてもよいことが分かるであろう。例えば、一実施例において、本明細書に記載の前記トランスミッタ及びレシーバは、マイクロプロセッサ、中央処理装置（ＣＰＵ）、集積回路（Ｉ／Ｃ）、又は特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）として具体化され得る。ソフトウェア、ファームウェア、又は他の埋め込み命令（embedded instructions）は、前記トランスミッタ及びレシーバの前記オペレーションを制御し得、前記構成要素に本明細書に記載の前記機能を実行させ得る。このようなデバイスは更に、前記トランスミッタ処理及び信号生成、プリコード、レシーバ処理及び信号生成、電力線カップリング、信号組み合わせ、ダイバーシティ分配、Ｓ行列構成、Ｓ／Ｐ及びＰ／Ｓ変換、ＩＦＦＴ及びＦＦＴ処理、ＣＰ付加及び除去、ＯＦＤＭ復号、及び検出を実行し得る。

図９は、本発明の一実施例に従って、トランスミッタ及び／又はレシーバ回路と前記３相電力線との間の接続を図示する。信号処理ユニット（ＳＰＵ）９０１は、上述の前記実施例の前記トランスミッタ回路のように機能し得る。ＳＰＵ９０１は、前記電力線ネットワークを介する伝送のため３つのプリコードされた信号ｓ_１〜ｓ_３を生成する。デジタル信号であり得る各出力信号ｓ_１〜ｓ_３は、個別のアナログ回路／ライン・ドライバ９０２Ａ〜Ｃに供給される。アナログ回路／ライン・ドライバ９０２は、例えば、信号をＳＰＵ９０１から電力線９０３Ａ〜Ｃへ結合するデジタル・アナログ変換回路、フィルタ、及びライン・ドライバを含む。変圧器９０４及びカップリング・コンデンサ９０５が、各アナログ回路／ライン・ドライバ９０２をそれぞれの電力線９０３に連結する。従って、図９に示す実施例において、各出力信号は個別の専用電力線に独立して連結される。

図１０は、代替の実施例を図示し、この例では、ＳＰＵ１００１が単一のアナログ回路／ライン・ドライバ１００２に結合され、これが、単一の変圧器１００４により電力線１００３Ａ〜Ｃに結合される。前記出力信号は全てアナログ回路／ライン・ドライバ１００２及び変圧器１００４を介して送信される。スイッチ１００６は、どの電力線１００３Ａ〜Ｃが特定の信号ｓ_１〜ｓ_３を受信するかを選択する。スイッチ１００６はＳＰＵ１００１によって制御され得る。代替として、スイッチ１００６は、前記信号ｓ_１〜ｓ_３内のヘッダー又は他のデータなどの情報に基づいて、どの電力線１００３Ａ〜Ｃが特定の信号ｓ_１〜ｓ_３を受信すべきか判定してもよい。スイッチ１００６は、アナログ回路／ライン・ドライバ１００２及び変圧器１００４を、前記選択された電力線１００３Ａ〜Ｃ及び関連するカップリング・コンデンサ１００５に連結する。

図１１は、図１０に類似し、ＳＰＵ１１０１は、単一のアナログ回路／ライン・ドライバ１１０２に結合される。しかし、図１１の実施例において、電力線１１０３Ａ〜Ｃは各々、個別の変圧器１１０４及びカップリング・コンデンサ１１０５に結合される。アナログ回路／ライン・ドライバ１１０２は、スイッチ１１０６を介して各電力線１１０３用の前記変圧器１１０４に結合される。スイッチ１１０６は、どの変圧器１１０４、カップリング・コンデンサ１１０５、及び電力線１１０３Ａ〜Ｃが特定の信号ｓ_１〜ｓ_３を受信するかを選択する。スイッチ１１０６はＳＰＵ１１０１によって制御されてもよく、又はスイッチ１１０６は、前記信号ｓ_１〜ｓ_３内のヘッダー又は他のデータなどの情報に基づいて、どの電力線１００３Ａ〜Ｃが特定の信号ｓ_１〜ｓ_３を受信すべきか判定してもよい。

図１２は、例示の実施例に従ったレシーバを図示する。信号ｙ_１〜ｙ_３がそれぞれ電力線１２０３Ａ〜Ｃで受信される。一実施例において、前記受信信号の各々は、カップリング・コンデンサ１２０５、変圧器１２０４、及びアナログ回路／ライン・ドライバ１２０２を介して各信号の別々の検出及びレシーバ処理のためＳＰＵ１２０１へ個別に受け渡され得る。代替として、前記ビーム・フォーミングの場合、又は単一のデータストリームが全ての３つの位相にわたって拡散されるランク１伝送システムの場合、前記受信信号ｙ_１〜ｙ_３はサミングフィルタ１２０６に配信されて、サミングフィルタ１２０６が、前記受信信号の全てをレシーバ処理のためＳＰＵ１２０１に配信される１つの信号に組み合わされてもよい。

再び図１３を参照すると、本明細書に開示したようなデータ信号のスケーリング又は重み付けは、前記電力線ネットワークの異なる位相を介して前記データ信号を交換するために、コンセントレータ１３１４及びモデム１３１２ａ〜ｎ、１３１３によって用いられ得る。ＭＶ線１３０３及びＬＶ線１３０５は、３相電気電力線であってよい。従って、コンセントレータ１３１４は、単一のデータ信号を前記位相の一つ又はそれ以上にわたって分配してもよく、又は多数のデータ信号を複数の位相にわたって拡散してもよい。モデム１３１２ａ〜ｎ、１３１３は、コンセントレータ１３１４からのデータ信号を受信及び復号し、更に、信号をコンセントレータ１３１４に送信し得る。一実施例において、コンセントレータ１３１４は、データ信号を前記ＭＶ又はＬＶ電力線１３０３、１３０５上で２つ又はそれ以上の位相にわたって拡散し、モデム１３１２ａ〜ｎ、１３１３は単一の位相で前記信号を受信する。

図１４は、一実施例に従った電力線通信のためのモデム１４００を図示する。モデム１４００は、電力線インタフェース１４０４内のカップリング・コンデンサ１４０２及び変圧器１４０３を介し、直接又は電気メーターを介して、ＬＶ電力線１４０１に結合される。モデム・フロントエンド１４０５は、送信及び受信増幅器、フィルタ、及び他のインタフェース回路を含む。変調された信号は、フロントエンド１４０５の前記レシーバ段に入り、アナログ・デジタル・コンバータ（ＡＤＣ）１４０６でデジタル形式に変換され、その後、モデム・チップセット１４０７で処理される。マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、又は他の集積回路であり得るモデム・チップセット１４０７は、モデム１４００のオペレーションを制御し、本明細書に記載の信号処理ユニット（ＳＰＵ）として前記送信及び受信信号を処理する。チップセット１４０７が伝送のため信号を送信するとき、前記デジタル信号は、パルス幅変調器（ＰＷＭ）１４０８で変調され、その後、前記電力線１４０１を介する伝送のためフロントエンド１４０５へ送信される。モデム１４００は、無線インタフェース１４０９又は有線インタフェース１４１０を介して、コンピュータ、電話、又はテレビなどの外部デバイスへのインタフェースを提供し得る。チップセット１４０７は、前記外部デバイスと前記電力線との間のモデム１４００を介してデータ信号の交換を制御する。

モデム１４００は、電力線１４０１に結合されるゼロクロス検出器（ＺＣＤ）１４１１を含んでいてもよい。一実施例において、ＺＣＤ１４１１は、受信したＡＣ信号がゼロ電圧を交差するとき（時間）など、受信信号の位相を検出し、ＺＣＤ１４１１は、電力線１４０１の位相を識別し、位相情報をチップセット１４０７に提供する。一実施例において、モデム・チップセット１４０７は、前記位相情報を含むデータ信号を生成し、これらの信号をコンセントレータ１３１４（図１３）などの遠隔トランスミッタに送信する。これらの信号は、前記トランスミッタ又はコンセントレータに対しモデム１４００が信号を受信する可能性の高い位相を識別する。

前記コンセントレータは、電力線１４０１を介して送信される信号をどのように分配するか判定するためにこの情報を用いることができる。例えば、モデム１４００により送信されるゼロクロス／位相情報が、位相１をモデム１４００が接続される位相として識別する場合、前記コンセントレータは、データ信号を位相１のみでモデム１４００へ送信する。代替として、前記コンセントレータは、データ信号を各位相でモデム１４００へ送信し得るが、前記データ信号にまずスケーリング又は重み付けしてモデム１４００による位相１での前記信号の受信を最適化し得る。この位相識別情報は、どの位相が特定のデータ信号を受信するかを前記コンセントレータが選択する方法を制御するためにも用いられ得る。例えば、前記コンセントレータが図１０に示す前記電力線結合（coupling）回路を用いる場合、モデム１４００のための位相情報は、特定の信号を受信する前記電力線の位相を選択するスイッチ１００６を制御するために用いられ得る。

別の実施例において、前記コンセントレータは、複数のモデムから位相情報を受信してもよい。例えば、複数の住居１３０２ａ〜ｎのモデム１３１２ａ〜ｎ（図１３）は、どの位相が各モデム１３１２ａ〜ｎに結合されるかを識別するために、ゼロクロス検出情報を用いることができる。コンセントレータ１３１４は、その後、各住居のユーザへデータを送信するためにこの位相情報を用いることができる。前記コンセントレータ１３１４は、これらのモデムにより送信されるゼロクロス又は位相レポートから、ユーザＡ用のモデム１３１２ａが位相１にあり、ユーザＢ用のモデム１３１２ｂが位相２にあり、ユーザＮ用のモデム１３１２ｎが位相３にあることを知り得る。前記コンセントレータ１３１４は、その後、ユーザＡに位相１を、ユーザＢに位相２を、及びユーザＮに位相３を選択することによって、各ユーザに同時に送信し得る。各ユーザ用のデータ信号は、そのユーザのモデムの位相用に最適されるように重み付け又はスケーリングされ得る。例えば、特定のユーザへ送信されるシンボル・ストリームをスケーリングするために用いられる重みベクトルは、前記シンボル・ストリームを選択された位相での伝送又は受信のため最適化するように適合され得る。

また、コンセントレータ１３１４が他のユーザＣ（図示せず）も位相１にあることを知っている場合、前記コンセントレータは、それがデータ信号を位相１で同時にＡ及びＣに送信しないことを保証する。前記コンセントレータは、ユーザＡ、Ｂ、Ｃ、及びＮからフィードバックされるＺＣＤ情報を用いて、各ユーザの位相に特定のプリコードを用いることができる。このようにして、前記システムはマルチユーザ符号化を提供し得る。

以上の説明及び関連する図面において提示した教示の恩恵を有する当業者であれば、本発明の多くの変形及び他の実施例を思いつくであろう。従って、本発明は、開示された特定の実施例に限定されないことを理解されたい。本明細書において特定の用語を用いたが、これらは、一般的でかつ説明的な意味で用いられており、限定を意図するものではない。

Claims (6)

1. 電力線ネットワークでデータを送信するための方法であって、
   レシーバからユーザ位相識別を受信することと、
   前記レシーバへ前記電力線ネットワークで送信されるべき少なくとも１つのシンボル・ストリームを生成することと、
   複数のスケーリングされたシンボル・ストリームを生成するため重みベクトルを用いて前記少なくとも１つのシンボル・ストリームをスケーリングすることであって、前記重みベクトルが前記電力線ネットワークの位相に対応する複数の重みを含み、前記スケーリングが前記ユーザ位相を介する伝送のため前記シンボル・ストリームを最適化する、前記スケーリングすることと、
   前記スケーリングされたシンボル・ストリームの各々を前記電力線ネットワークの対応する位相で送信することと、
   第１の時間に、第１のスケーリングされたシンボル・ストリームを第１の位相で、及び第２のスケーリングされたシンボル・ストリームを第２の位相で送信することと、
   第２の時間に、前記第２のスケーリングされたシンボル・ストリームの負の共役転置（conjugate transpose）を前記第１の位相で、及び前記第１のスケーリングされたシンボル・ストリームの共役転置を前記第２の位相で送信することと、
   を更に含む、方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、
   前記第１及び第２の時間に送信される前記シンボル・ストリームを受信することと、
   レシーバ内で前記シンボル・ストリームを結合して変更された受信信号をつくることと、
   前記変更された受信信号を復号することと、
   を更に含む、方法。
3. 電力線ネットワークでデータを送信するための方法であって、
   レシーバからユーザ位相識別を受信することと、
   前記レシーバへ前記電力線ネットワークで送信されるべき少なくとも１つのシンボル・ストリームを生成することと、
   複数のスケーリングされたシンボル・ストリームを生成するため重みベクトルを用いて前記少なくとも１つのシンボル・ストリームをスケーリングすることであって、前記重みベクトルが前記電力線ネットワークの位相に対応する複数の重みを含み、前記スケーリングが前記ユーザ位相を介する伝送のため前記シンボル・ストリームを最適化する、前記スケーリングすることと、
   前記スケーリングされたシンボル・ストリームの各々を前記電力線ネットワークの対応する位相で送信することと、
   前記電力線ネットワークの送信端部の各位相と前記電力線ネットワークの受信端部の各位相との間のカップリング係数を含む電力線カップリング行列を生成することと、
   を含み、
   前記重みベクトルが前記電力線カップリング行列内のデータに基づいて選択される、方法。
4. 請求項３に記載の方法であって、
   トランスミッタが、前記電力線ネットワークにより前記トランスミッタに結合されるレシーバからのフィードバックに基づいて前記電力線カップリング行列を生成する、方法。
5. 請求項３に記載の方法であって、
   トランスミッタが、前記電力線ネットワークにより前記トランスミッタに結合されるレシーバから送信される信号に基づいて前記電力線カップリング行列を生成する、方法。
6. トランスミッタであって、
   １つ又はそれ以上のデータストリームをつくる信号生成回路と、
   前記１つ又はそれ以上のデータストリームを重みベクトルでスケーリングして複数のスケーリングされたデータストリームをつくるプリコード回路であって、前記スケーリングされたデータストリームの各々が、電源サイクル（mains cycle）の特定の位相でのレシーバへの伝送に適応されており、かつ、前記スケーリングされたデータストリームの各々を電力線ネットワークの指定された位相に供給する、前記プリコード回路と、
   前記プリコード回路に結合されるダイバーシティ分配回路と、
   を含み、
   前記指定された位相がレシーバから受信したユーザ位相に対応し、
   前記ダイバーシティ分配回路が、第１の時間に、第１のスケーリングされたデータストリームを電力線ネットワークの第１の位相に、第２のスケーリングされたデータストリームを電力線ネットワークの第２の位相に送信し、かつ、第２の時間に、前記第２のスケーリングされたデータストリームの変更されたバージョンを前記第１の位相で、前記第１のスケーリングされたデータストリームの変更されたバージョンを前記第２の位相で送信し、前記第１のスケーリングされたデータストリームと前記第２のスケーリングされたデータストリームの前記変更されたバージョンとが、前記第１のスケーリングされたデータストリームと前記第２のスケーリングされたデータストリームの共役転置とを含む、トランスミッタ。