JP2005294991A - 電力線搬送通信装置および電力線搬送通信方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 電力線を通信線として用いた電力線搬送通信において、運転機器の機器状態データまたは機器制御データを含む伝送データの情報を、1MHz〜30MHzの周波数帯域の1つまたは複数の搬送波にスペクトル拡散等によって割り付けてより広い帯域を利用して通信する
【選択図】 図1
Description
〔電力線搬送通信装置〕
図1は、本発明の第1実施形態を示す構成を示す図である。この図1に示す第1実施形態は、同一建屋内あるいはビル内に敷設された電力線19に複数の電力線搬送通信装置1e,1f,1g,1h,1iが接続され、パソコン23に接続された一台の電力線搬送通信装置を親局とし、電力線19によって電力を供給される運転機器(エレベータかご28、エスカレータ34、空気調和器35、およびその他の産業機器38(例えば、薬品、鉄鋼、食品、産業機器の製造、加工に関わる機器))に設置された計測センサ29l,29m,29nおよび電力計、電力量計40dに、インターフェース27l,27m,27n,27oを介して接続された電力線搬送通信装置1e,1f,1g,1hを子局として、親局と子局が通信を行う態様を示す。
次に、通信線として用いる電力線19の特性について説明する。図10は、電力線の伝送路特性(減衰特性)を実験により測定した結果の例である。図10は、ある電源端子間の伝送路における減衰特性であり、実測値34(破線参照)とその実測値34を1次近似した結果35(実線参照)とを示してある。一般に、電力線19は、図10に示すように減衰が大きく、特に周波数が高くなるほどその傾向は顕著である。図10から周波数が30MHz以上になると、減衰量(マイナスの符号)は60dB以上にも及ぶことがわかる。これは、30MHz以上の高周波信号は電力線19によって十分に伝送できないことを示している。また、図11は、電力線19のノイズ特性であるが、30MHz付近ではノイズは30[dBμV]である。これに減衰特性を考慮した場合、例えば電力線搬送通信装置1aの送信端電圧が70[dBμV]だったとしても、SN比が−20dBとなる(30MHz付近では減衰が60dBあるため、70dBμVの送信端電圧が10dBμVにまで落ち、そこにノイズ30dBμVが加わるため)。仮に拡散等によるプロセスゲインでSN比の改善を試みても、30MHz以上の周波数帯域では、減衰により通信が困難となる。従って、30MHzまでの周波数帯域を使って通信をすると安定性が向上する。また、図11からわかるように、1MHz以下の周波数ではノイズが高いため、1MHz以上の周波数を使い、広い帯域を確保することで通信の安定性が増す。5MHz以上では、さらにノイズが低いため、より安定した通信ができる。
ここで、省電力モニタは、省電モニタあるいは消費電力監視装置(あるいは消費電力監視システム)とも称され、図15図においては、電力線搬送通信装置1a,1b,1c,1d、インタフェース27i,27j,27k,31、電力計/電力量計40a,40b,40c、表示装置25などから構成されるシステムであり、機器に設置した電力計/電力量計40a,40b,40cのデータをモニタリングするシステムを言う。
〔単一搬送波のスペクトル拡散〕
次に、より広い帯域を使用したスペクトル拡散方式または帯域割り付けについて説明する。なお、以下の実施例において入出力端子32には図1、図3、図4、図8、図9、図12ないし図16に示したいずれかの構成が接続されるものであり、説明を省略する。
図19は、拡散前帯域幅Waの単一搬送波47からなる情報信号を複数の搬送波48〜55に割り付け、複数の搬送波48〜55を少なくとも周波数1MHzから30MHzの間のいずれかの帯域に割り当てた図である。複数の搬送波48〜55は同一情報を持ち、全体として、より広い拡散後帯域幅Wbを利用して通信を行うことができる。
図21は、2つ以上の搬送波59、60、61に情報を分割して割り付けた例を示す図である。従って、搬送波59、60、61には、それぞれ異なる情報が割り付けられている。図22は、図21に示した搬送波59、60、61に対してそれぞれの搬送波を直接拡散している様子を示した図である。即ち、図22は、周波数1MHzから30MHzの間のいずれかの帯域を使用して、図21に示す搬送波59、60、61を、それぞれの搬送波59、60、61に対して同一又は異なる拡散符号を用いて拡散し、個々の搬送波62、63、64に割り付けた拡散情報信号が互いに干渉しないように周波数軸上に割り当てた例である。
図25は、図21に示す複数搬送波59,60,61に情報を分割して割り付け、同一情報が割り付けられている個々の搬送波70,71,72,73,74,75,76,77,78を互いに干渉することなく周波数軸上に割り当てた図である。
図28は、図21に示す複数搬送波59,60,61に情報を分割して割り付け、同一情報が割り付いている個々の搬送波を離隔して周波数軸上に割り当てた図である。図28において、例えば、図21で示した搬送波59に割り付けられた情報(データa)は、搬送波79,82,85に割り付けられている。そして、同一の情報を割り付けた複数の搬送波79,82,85は、搬送波同士が互いに干渉を起こさず、且つ、数十kHzから数百kHz以上の間隔をあけて任意の周波数に割り当てられている。従って、前記した図25との違いは、同一情報が割り付けられている搬送波79,82,85が、数十kHzから数百kHz以上の間隔をあけて割り付けられていることである。
図30は、図21に示す複数の搬送波59、60、61を、少なくとも周波数1MHzから30MHzの間のいずれかの帯域を使用して、拡散符号によって一括してスペクトル拡散を行う図である。拡散に使用される拡散符号は、PN符号(擬似ランダム符号)、M系列、ゴールド符号、バーカ符号、その他の直接拡散を行うことができる任意の符号長の符号系列を用いることができる。逆拡散の際には、送信時に使用した拡散符号系列と同一拡散符号による逆拡散処理を行う。
図31は、本発明に係る第10実施形態の電力線搬送通信装置1aの構成を示す図である。図1に示す構成と共通する部分については同じ符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。電力線搬送通信装置1aは、送信側は複数の送信系統(変調器100、DA変換器99、ミキサー98、送信アンプ97、BPF96)で構成され、受信側は複数の受信系統(復調器91、AD変換器92、受信アンプ93、検波回路94、BPF95)で構成される。また、データ分割装置90およびデータ合成装置89を備えている。
図36は、複数の搬送波113,114,115に分割して情報を割り付けた情報信号に用いる特殊な場合としてOFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplex:直交周波数分割多重)を適用した場合の周波数スペクトル概念図である。OFDMは互いのサブキャリアが直交するように周波数軸上に配列される変調方式である。
〔送信端電圧70[dBμV] (RBW=9kHz、準尖頭値)の電力線搬送通信装置〕
次に、電力線搬送通信装置1aの送信端電圧を70[dBμV](RBW=9kHz、準尖頭値)とした実施形態について説明する。(RBW=9kHz、準尖頭値)は、測定条件であり、RBW(Resonance Band Width)は測定の帯域幅である。準尖頭値は、準尖頭値検波方式によって得られる値で、人間の聴覚特性を考慮して、信号振幅の時間変化に時定数を考慮した減衰波形を組み合わせ、その時間平均で評価する方法によって得られる値である。
図44は、本発明に係る第11実施形態の電力線搬送通信装置1aの構成を示す図である。図1等と共通する部分については同じ符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。
再度、図44に戻り、受信処理(OFDM復調)について説明する。まず、電力線搬送通信装置1aは他の電力線搬送通信装置1b,1c,1dにより送信された送信信号を受信して、BPF17により不要な帯域外の信号を除去した後、受信アンプ129よりAD変換器140に適切な値が入力するように受信信号のゲイン調整を行う。同時にサンプリング同期回路141により有値の部分(図47のスイッチ144によりDA出力状態、即ち送信側におけるDA変換器132の出力状態の時間に相当する部分)とAD変換器140のサンプリングクロックとが合致するようにサンプリングクロックの同期を行う。この同期情報に基づいて、AD変換器140において、受信アンプ129を通過後の信号の有値部分のみのサンプリングを行う。サンプリング同期回路141により、有値部分にサンプリングクロックの同期を取るので、AD変換器140は、ベースバンド部分のみを処理することができる能力を持った動作周波数のものでよい。例えば、OFDMのベースバンド帯域幅が1MHzであれば、必要動作周波数は2MHz程度である。サンプリングされた信号はGI除去器139でガードインターバルを除去され、直並列変換器138を経て、高速フーリエ変換器137によるOFDM信号の復調が行われる。その信号(データ)を並直列変換器136によりシリアルデータ列に変換し、等化器5により信号等価が行われコンスタレーションデマッパー4でコンスタレーション配置に基づいてデマッピングされる。等化器5は通信線の通信路歪(伝送路歪ともいう)を補正するためのものであり、通信路歪が補正処理された信号が判定器により信号判定される。コンスタレーションデマッパー4と等化器5は処理順序が入れ替わることもある。その後、復号器6により誤り訂正復号を行い、復調ビット列を得る。この復調ビット列はアクセスコントローラー7に入力される。アクセスコントローラー7は、入力データを所定フォーマットの通信パケットに変換し、プロトコル変換器8に出力する。プロトコル変換器8は、この通信パケットを、制御端末や表示装置とのインタフェース(例えばイーサ(R)やUSB等)が取れるようにプロトコル変換して、制御端末や表示装置等に情報を出力する。電力線19は、電源供給線であるため、配電盤/ブレーカー21に接続されているので、電力線搬送通信装置1aの信号が配電盤/ブレーカー21を介して同一の外部配電線に接続されている建屋内の機器へ伝送される可能性がある。これを抑制する目的でブロッキングフィルタ20を、電力線19に設ける場合がある。
2 復調器
3 変調器
4 等化器
5 コンスタレーションデマッパー
6 復号器
7 アクセスコントローラー
8 プロトコル変換器
9 符号器
10 コンスタレーションマッパー
11 ディジタル/アナログ変換器(DA変換器)
12 ミキサー
13 送信アンプ
14,17 バンドパスフィルタ(BPF)
15 アナログ/ディジタル変換器(AD変換器)
16 受信アンプ
18 結合器
19 電力線
21 配電盤/ブレーカー
23 パソコン
25 表示装置
27a,27b,27c,27d,27e インタフェース
28 エレベータかご
29a,29b,29c,29d,29e,29f,29g,29h,29i,29j,29k 計測センサ
30a,30c,30d 運転制御装置
32 入出力端子
33 集線装置
34 エスカレータ
35,36 空調設備
40a,40b,40c 電力計あるいは電力量計
41 スペクトル逆拡散変調器
42 タイミング同期回路
43 拡散符号発生器
44 スペクトル拡散変調器
57 帯域合成装置
58 帯域割付装置
67 帯域合成装置
68 タイミング/同期回路
69 帯域割付装置
89 データ合成装置
90 データ分割装置
91 復調器
92 AD変換器
93 受信アンプ
94 検波回路
95,96 BPF
97 送信アンプ
98 ミキサー
99 DA変換器
100 変調器
117 直並列変換器
118 拡散符号乗積装置
119 高速逆フーリエ変換器(IFFT)
120 並直列変換器
129 受信アンプ
130 GI付加器
131 ホールド制御装置
132 DA変換器
133 並直列変換器
134 高速逆フーリエ変換器(IFFT)
135 直並列変換器
136 並直列変換器
137 高速フーリエ変換器(FFT)
138 直並列変換器
139 GI除去器
140 AD変換器
141 サンプリング同期回路
144 半導体スイッチング素子(スイッチ)
Claims (31)
- 電力線に接続され、前記電力線を通信線として用いて2つ以上の電力線搬送通信装置の間で通信を行う電力線搬送通信装置であって、
運転機器に取り付けられた監視手段によって計測あるいは検出された機器状態データまたは前記運転機器の運転を制御するための機器制御データを含むデータを送信または受信するに際して、少なくとも1MHz〜30MHzの周波数帯域を使用して、前記データを割り付けた搬送波をその搬送波よりも広い帯域幅を有する搬送波にスペクトル拡散するか、あるいは複数の搬送波に同一の前記データを割り付けてスペクトル拡散して形成される信号を用いて通信することを特徴とする電力線搬送通信装置。 - 前記電力線搬送通信装置は、前記電力線を介して接続された他の1つまたは1つ以上の電力線搬送通信装置から送信された送信信号を受信し、前記受信した信号を、前記送信信号のスペクトル拡散に使用された拡散符号と同じ拡散符号系列を基に逆拡散して復調、または複数受信される同一のデータを割り付けてスペクトル拡散して形成された信号を基にして送信時のデータを復元するダイバーシティ合成手段を備えることを特徴とする請求項1に記載の電力線搬送通信装置。
- 前記電力線搬送通信装置は、1つの搬送波にデータを割り付け、データが割り付けられた搬送波を拡散符号を用いてスペクトル拡散して通信することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電力線搬送通信装置。
- 前記電力線搬送通信装置は、前記電力線を介して接続された他の1つまたは1つ以上の電力線搬送通信装置から送信された送信信号を受信し、前記受信した信号を、前記送信信号のスペクトル拡散に使用された拡散符号と同じ拡散符号系列を基に逆拡散して復調することを特徴とする請求項3に記載の電力線搬送通信装置。
- 前記電力線搬送通信装置は、1つの搬送波に割り付けられたデータを、複数の搬送波に割り付けて通信することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電力線搬送通信装置。
- 前記電力線搬送通信装置は、前記電力線を介して接続された他の1つまたは1つ以上の電力線搬送通信装置から送信された送信信号を受信し、受信した信号に含まれる、同一のデータが割り付けられた複数の搬送波を基にして送信時のデータを復元するダイバーシティ合成手段を備えることを特徴とする請求項5に記載の電力線搬送通信装置。
- 前記電力線搬送通信装置は、複数の搬送波に異なるデータを割り付けて、前記異なるデータが割り付けられた複数の搬送波を拡散符号を用いてスペクトル拡散して通信することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電力線搬送通信装置。
- 前記電力線搬送通信装置は、前記電力線を介して接続された他の1つまたは1つ以上の電力線搬送通信装置から送信された送信信号を受信し、受信した信号を、前記送信信号に含まれる複数の搬送波のスペクトル拡散に使用された拡散符号と同じ拡散符号系列を基に逆拡散して復調することを特徴とする請求項7に記載の電力線搬送通信装置。
- 前記電力線搬送通信装置は、複数の第1搬送波のそれぞれに異なるデータを割り付けるとともに、個々の前記第1搬送波に割り付けたデータと同じデータを前記複数の第1搬送波とは異なる少なくとも2つ以上の第2搬送波にそれぞれ割り付け、同じデータが割り付けられた第1搬送波と第2搬送波とを周波数軸上に隣接するように配置した状態で通信することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電力線搬送通信装置。
- 前記電力線搬送通信装置は、複数の第1搬送波のそれぞれに異なるデータを割り付けるとともに、個々の前記第1搬送波に割り付けたデータと同じデータを前記複数の第1搬送波とは異なる少なくとも2つ以上の第2搬送波にそれぞれ割り付け、同じデータが割り付けられた搬送波同士を100kHz以上の周波数間隔で離隔して周波数軸上に配置した状態で通信することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電力線搬送通信装置。
- 前記電力線搬送通信装置は、前記電力線を介して接続された他の1つまたは1つ以上の電力線搬送通信装置から送信された送信信号を受信し、受信した信号に含まれる、同じデータが割り付けられている複数の搬送波を基にして送信時のデータを復元するダイバーシティ合成手段を備えることを特徴とする請求項9または請求項10に記載の電力線搬送通信装置。
- 前記電力線搬送通信装置は、複数の搬送波に異なるデータを割り付け、前記異なるデータが割り付けられた複数の搬送波を拡散符号を用いて一括してスペクトル拡散して通信することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電力線搬送通信装置。
- 前記電力線搬送通信装置は、前記電力線を介して接続された他の1つまたは1つ以上の電力線搬送通信装置から送信された送信信号を受信し、受信した信号を、前記送信信号のスペクトル拡散に使用された拡散符号と同じ拡散符号系列を基に逆拡散して復調することを特徴とする請求項12に記載の電力線搬送通信装置。
- 前記電力線搬送通信装置は、異なるデータが割り付けられた複数の搬送波からなるブロックを複数用意し、前記ブロックのそれぞれの搬送波に対して拡散符号を用いてスペクトル拡散して通信することを特徴とする請求項12に記載の電力線搬送通信装置。
- 前記電力線搬送通信装置は、前記電力線を介して接続された他の1つまたは1つ以上の電力線搬送通信装置から送信された送信信号を受信し、受信した信号を、前記ブロックごとに前記送信信号のスペクトル拡散に使用された拡散符号と同じ拡散符号系列を基に逆拡散して復調することを特徴とする請求項14に記載の電力線搬送通信装置。
- 前記電力線搬送通信装置は、複数の搬送波からなるブロックを複数用意し、前記ブロックのそれぞれに属する2以上の搬送波に対して同じデータを割り付け、データを割り付けられた各搬送波をスペクトル拡散して通信することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電力線搬送通信装置。
- 前記電力線搬送通信装置は、前記電力線を介して接続された他の1つまたは1つ以上の電力線搬送通信装置から送信された送信信号を受信し、受信した信号に含まれる、前記ブロックの同じデータが割り付けられている複数の搬送波を基にして送信時のデータを復元するダイバーシティ合成手段を備えたことを特徴とする請求項16に記載の電力線搬送通信装置。
- 前記電力線搬送通信装置は、前記データが割り付けられた複数の搬送波からなるブロックを複数用意し、前記全てのブロックに対して一括してスペクトル拡散して通信することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電力線搬送通信装置。
- 前記電力線搬送通信装置は、前記電力線を介して接続された他の1つ以上の電力線搬送通信装置から送信された送信信号を受信し、前記受信した信号を、前記ブロックごとに、前記送信信号に使用された拡散符号と同じ拡散符号系列を基に逆拡散して復調することを特徴とする請求項18に記載の電力線搬送通信装置。
- 前記電力線搬送通信装置は、各ブロックをそれぞれ異なる拡散方式によりスペクトル拡散して通信すると共に、受信信号に対して、各ブロックに使用されたスペクトル拡散方式に応じて、同じ拡散符号系列を用いた逆拡散により復調、または前記ブロックでの同じデータが割り付けられている搬送波ごとに、複数受信される同じデータを基に復元するダイバーシティ合成手段により復調することを特徴とする請求項14乃至請求項19のいずれか1項に記載の電力線搬送通信装置。
- 前記電力線搬送通信装置は、前記複数の搬送波として、複数の搬送波に直交関係を保って異なる情報を割り付けたサブキャリアで構成されるOFDM信号を用いて通信することを特徴とする請求項7乃至請求項20のいずれか1項に記載の電力線搬送通信装置。
- 前記ダイバーシティ合成手段は、選択合成方式、等利得合成方式又は最大比合成方式により復調を行うことを特徴とする請求項6、請求項11または請求項17のいずれか1項に記載の電力線搬送通信装置。
- 前記電力線搬送通信装置は、送信信号を高速逆フーリエ変換器によりOFDM変調してOFDM信号を生成する手段と、前記OFDM信号をディジタルアナログ変換器によりアナログ信号に変換する手段と、前記アナログ信号を一定間隔ごとにサンプリングして少なくともサンプリング間隔以上にならないようなホールド時間で個々のサンプリングをホールドするホールド制御手段と、さらに前記ホールド制御手段には、前記ホールド時間経過後に次のサンプリングまでサンプリングした振幅を所定値以下にする手段とを備えることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電力線搬送通信装置。
- 前記電力線搬送通信装置は、アナログディジタル変換器により受信信号のサンプリングを行ってディジタル信号に変換する手段と、前記ディジタル信号に対して高速フーリエ変換器によりOFDM復調を行う手段とを備えることを特徴とする請求項23に記載の電力線搬送通信装置。
- 前記電力線搬送通信装置は、送信端電圧の上限を70[dBμV](RBW9kHz、準尖頭値)以下として通信することを特徴とする請求項1乃至請求項24のいずれか1項に記載の電力線搬送通信装置。
- 前記電力線搬送通信装置は、一台の電力線搬送通信装置が前記データを含む送信信号の送信を行い、同一配電系統にある他の複数の電力線搬送通信装置の送信タイミングを制御し、前記制御に従ってデータを送信することを特徴とする請求項1乃至請求項25のいずれか1項に記載の電力線搬送通信装置。
- 前記運転機器が、エレベータ、エスカレータ、空気調和装置、消費電力監視装置または産業機器であることを特徴とする請求項1乃至請求項26のいずれか1項に記載の電力線搬送通信装置。
- 前記電力線搬送通信装置は、前記スペクトル拡散信号をバンドパスフィルタを通過させることによって、通信帯域以外の帯域の信号を抑制した信号によって通信することを特徴とする請求項1乃至請求項26のいずれか1項に記載の請求項電力線搬送通信装置。
- 前記電力線搬送通信装置は、前記電力線を介して接続された他の1つ以上の電力線搬送通信装置から送信された送信信号を受信し、前記受信した信号を、通信信号帯域外の信号を抑制するバンドパスフィルタにより抑制し、前記送信信号のスペクトル拡散に使用された拡散符号と同じ拡散符号系列を基に逆拡散して復調することを特徴とする請求項1乃至請求項26のいずれか1項に記載の電力線搬送通信装置。
- 電力線を通信線として、前記電力線に接続された2つ以上の電力線搬送通信装置の間で通信を行う電力線搬送通信方法であって、
運転機器に取り付けられた監視手段によって計測あるいは検出された機器状態データまたは前記運転機器の運転を制御するための機器制御データを含むデータを送信または受信するに際して、少なくとも1MHz〜30MHzの周波数帯域を使用して、前記データを割り付けた搬送波をその搬送波よりも広い帯域幅を有する搬送波にスペクトル拡散するか、あるいは複数の搬送波に同一の前記データを割り付けてスペクトル拡散して形成される信号を用いて通信することを特徴とする電力線搬送通信方法。 - 前記電力線搬送通信装置は、前記電力線を介して接続された他の1つまたは1つ以上の電力線搬送通信装置から送信された送信信号を受信時に、前記受信した信号を、前記送信信号のスペクトル拡散に使用された拡散符号と同じ拡散符号系列を基に逆拡散して復調、または複数受信される同一のデータを割り付けてスペクトル拡散して形成された信号を基にして送信時のデータを復元するダイバーシティ合成手段によって復調することを特徴とする請求項30に記載の電力線搬送通信装置。
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