JP2006525705A - 電力線ネットワークのための直交周波数分割多重（ｏｆｄｍ）により変調される信号のスペクトル構成方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、電力線ネットワークのための直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）により変調される信号のスペクトル構成方法に関する。本発明は、送信機のディジタル−アナログ変換器及び受信機のアナログ−ディジタル変換器のサンプリング周波数を維持しながら、ＯＦＤＭ信号の帯域幅、スペクトル位置、送信されるＯＦＤＭ信号のスペクトル形状、送信されるＯＦＤＭ信号のスペクトルレベル、又はこれらの任意の組み合わせを、送信経路及び受信経路で選択的かつ独立に変更することを特徴とする。これにより、帯域幅と周波数における位置と送信される電力とに関して、様々な国の規則に適合化されまた電力線ネットワークの異なるセクションにあるチャンネルに適合化されるように、ＯＦＤＭ信号のスペクトルを構成することができる。これらの変更はすべて、システムのアナログ構成要素に影響を与えることなく実行される、言い替えれば同じ物理的な実施例で実行される。

Description

本明細書の発明の名称に記載したように、本発明は、電力線ネットワークを伝送媒体として利用する通信システムに適用することのできる、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）によって変調される信号のスペクトル構成手順に関する。本発明による上記手順により、信号は、チャンネルの複数の特性に対して適合化され、また、様々な国における電力線ネットワークを介した信号伝送に関して施行されている法律により制定された複数の規則に適合化される。

大部分の通信システムでは、信号のスペクトル特性を、様々な国における将来の規則又は施行中の規則に対して適合化されるように、またチャンネルの複数の特性に適合化されるように構成する（又は設定する）ための手段を有することが１つの優位点となる。

本発明の目的である手順は、当該技術の現状において知られた直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）によって変調される信号に使用するように特に設計されたものである。

ＯＦＤＭ信号のためのスケーリング可能な変調手順に関する当該技術の現状では、米国特許第６１７５５５０号「動的にスケーリング可能な動作パラメータを使用する直交周波数分割多重システムとその方法（Orthogonal frequency division multiplexing system with dynamically scalable operating parameters and method thereof）」の明細書に記載されているもののような従来例が存在していて、その明細書では、受信機により行われる測定に基づいて動的に、ＯＦＤＭシンボルの時間を変化させ、又はそれに等価なこととして信号の帯域幅及びサイクリック（巡回）プレフィックスを変化させるＯＦＤＭシステムが記載されている。問題は、シンボル時間を変えるために変換器における信号のサンプリング周波数が変更され、これにより、従来は送信機のディジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）より後段であってかつ受信機のアナログ−ディジタル変換器（ＡＤＣ）より前段に設けられていたアナログ構成要素の設計を変更することが必要になる点にある。これは、信号及びその応答のスペクトル位置はサンプリング周波数に依存するという事実に起因し、このことは、周波数が変われば必要なフィルタリング特性が異なることを意味する。本発明の目的である手順はこの問題を解決するものであり、変換器の周波数を変化させないことによりアナログ構成要素の設計を変えることなくＯＦＤＭシンボルの継続時間の変更が達成されるように管理する。

上記目的を達成しかつ上述の欠点を回避するために、本発明は、電力線ネットワークのための直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）によって変調される信号のスペクトル構成手順を含み、本手順は、電力線ネットワークを介してＯＦＤＭ変調により信号を送信しまた受信することを含み、ＯＦＤＭ信号の帯域幅及びスペクトル位置、送信されるＯＦＤＭ信号のスペクトルの形状及びレベル、又はこれらの任意の組み合わせが、送信経路及び受信経路について独立して変更されるという事実を特徴とする。これらのパラメータはすべて、送信機のアナログ−ディジタル変換器及び受信機のディジタル−アナログ変換器のサンプリング周波数を変えることなく変更される。このようにして、通信システムは、周波数範囲と、注入電力又は放射電力との双方に関する各国の規則に適合化され、またチャンネルのタイプに適合化されることが可能である。

送信における信号の帯域幅の変化は、必要な変化の関数である構成可能な補間係数を用いた補間（インターポレーション）によって達成され、受信においてこれは、同様に構成可能である係数を用いた間引き（デシメーション）によって達成される。

信号のスペクトルを所望の位置に位置決めするために、本手順は、所望の位置の関数である値を有する可変な周波数を用いて、ディジタル帯域変換を実行する。

本発明の手順は、電力マスクを用いて各搬送波（搬送波毎）の信号レベルを選択することをもたらし、このことは、チャンネルの減衰が予め補償されることと搬送波が除去されることとを可能にし、このことは次いで、信号の帯域幅を狭めかつ信号のスペクトルにギャップを生成し、各国で定められた規則によりそのスペクトルに所望される形状及びレベルが達成される。

信号のサイドローブ（２次ローブ）を減衰させるとともにより急激なスペクトルのギャップを達成するために、時間領域におけるＯＦＤＭシンボルには、２乗余弦のウィンドウが乗算される。

本発明の手順は、送信及び受信のために、信号の帯域幅、スペクトル位置、形状及びレベルに関してＯＦＤＭ信号とは独立なスペクトルによって通信が行われる、電力線ネットワークを介した通信システムを達成することを可能にする。

また、帯域幅、スペクトル位置、形状及びサイズが異なる信号を使用する様々な独立システムが、周波数分割多重によりチャンネルを共用して、それらの同じ通信システムに従う複数の機器と同時に通信することも可能である。

最後に、慣習的にはＯＦＤＭ信号の各シンボルに先行するものであるサイクリックプレフィックスの継続時間を、システムがチャンネルのタイプに適合化され得るように変化させることもできる。

これらすべてにより、電力線ネットワークを介する通信システムは、システムの物理的な実施形態を変えることなく、様々な国の規範及び規則に対して、また異なるタイプ及びトポロジーのチャンネルに対して首尾良く適合化される。

以下、本明細書のより良い理解を促進するために、かつ本明細書の重要な部分を形成するように、本発明の目的を限定的でなく例示的に表示しているいくつかの図面について説明する。

以下、図面に採用されている付番を参照して本発明の一例を説明する。

電力線ネットワークを介する通信システムの設計に際しては、各サービスに使用可能な周波数範囲と、電力線に注入されることが可能な電力スペクトル密度とに関する共通の規範のないことに直面する。これらの規範は国によって変わり、未だ規範が定義されていない場合すらある。他の場合では、アクセス、ローカルエリアネットワーク、もしくはトランスポート又はトランクネットワーク等の異なる使用法のシナリオに適合化されるシステムを設計することが必要である。ここで、上記各シナリオは、ニーズもまた異なったものである。これらすべての問題点を解決するために、本発明の手順は、構成のディジタルパラメータのみを変化させることにより、言い替えれば同じ物理的実施形態のシステムを用いることにより、電力線ネットワークを介する伝送システムの信号特性を特定の各場合に適合させることのできる方法を提案する。

本手順は、信号スペクトルの形状及びレベルと、送信におけるＯＦＤＭ信号のサイクリックプレフィックスとともに、ＯＦＤＭ信号の帯域幅及び位置を、送信及び受信に関して独立して変化させることを可能にする。

送信においてこのプロセスを実行するために、図１に示すようなブロック図が使用される。図１において観察されるブロック（１８）は、信号に対して電力マスクを適用し、その後、慣習的にはＯＦＤＭ変調の実行に使用されるものである逆フーリエ変換（ＩＤＦＴ）を実行するブロック（１）と、サイクリックプレフィックスを挿入しかつ信号に２乗余弦のウィンドウを乗算するブロック（１９）が現れる。このブロックからの出力において、可変な係数（５）により信号の補間（２）が実行され、帯域幅が変更される。本発明の手順はディジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）（４）のサンプリング周波数（７）に影響を与えないので、言い替えれば、これは一定のままであるので、補間係数（５）が大きくなるほどシンボル当たりのサンプル数は増大するが、これは、シンボル時間がより大きくなることと、信号に占有される帯域幅がより小さくなることとを意味し、それとは逆に、補間係数が小さくなればより大きい帯域幅が得られる。可変な係数によってこの補間を実行するためには、異なる係数による複数の様々な補間器が使用可能であり、これらはさらに、他の係数を得るためにともに組み合わされることが可能である。所望される帯域幅を有する信号が取得されると、これは適切なスペクトル位置へ位置決めされる必要がある。これを達成するために、ディジタル帯域において、必要な変換を実行するための可変な変換周波数（６）を有するブロック（３）により変換が実行される。この後、ディジタル信号は、固定された周波数（７）の変換器（４）によってアナログ信号に変換される。

受信時には、逆のプロセスが実行される。ＯＦＤＭアナログ信号が受信されて、アナログ−ディジタル変換器（８）によりディジタル信号に変換されるが、上記アナログ−ディジタル変換器（８）は、本実施例では、送信機で使用されるものと同じ固定された周波数（７）で信号をサンプリングする。この後、帯域変換が実行されて、帯域通過で受信された信号を、所定の変換周波数を有するブロック（３）によってベースバンドに送るが、上記ブロック（３）の変換周波数は、本実施例では、送信機で使用される変換周波数（６）に一致する。その後、信号は可変な係数によって間引き処理される（１０）が、上記可変な係数は、本実施例では、送信に使用される補間係数（５）に一致し、その値は、フーリエ変換（ＤＦＴ）を実行しているブロック（１１）に各シンボル毎に同数のサンプルが到達するように選択される。

このプロセス全体において、同じノードにおける送信パラメータ及び受信パラメータは、等しいものである必要はない。

送信する信号の電力レベル又は電力スペクトル密度を構成する（設定する）ためには、搬送波毎に１つの電力マスクが使用される。図１では、これは、ブロック（１８）において適用される、言い替えればブロック（１）により信号を時間領域へ送る前に適用される。言い替えれば、ＯＦＤＭ信号が周波数で生成されるとき、各搬送波には、その搬送波の電力を決定する値が乗算される。この電力は他の搬送波に関連するものであり、最終的な信号電力を決定するものはアナログ構成要素となるので、この値はゼロと１との間にあり、ただし、ゼロは搬送波を除去することに対応し、１は最大電力に対応しているが、これらの値又は他の任意の中間の値を使用することができる。

場合によっては、所定の搬送波を除去してスペクトルにギャップを生成することが興味深いという可能性もある。これらのギャップは、例えばアマチュア無線愛好者等の、同じ周波数を使用する他の通信サービスに干渉しないためには必要である可能性がある。また、これらのギャップの周波数は異なる国では変化するとも言える可能性がある。また、信号の帯域幅を削減するために帯域の端から複数の搬送波が除去される場合もある。チャンネルの影響を補償するために、電力マスクの中間の値が使用可能である。大部分のチャンネルは、より低い周波数よりも高い周波数の方をより大きな程度で減衰させる。電力マスクは、すべての搬送波が同等の電力で受信機に到達するように、高い搬送波へさらなる電力を与えるために使用可能である。図３は、任意の形状を備えて生成されたスペクトルを示し、ここでは、各周波数に異なるレベルの電力が注入されていることが分かる。

帯域内の複数の搬送波の除去は、隣接する搬送波のサイドローブに起因する電力が存在するので、これらの周波数において注入される電力がゼロであることを含意するものではない。これらのサイドローブは、ＯＦＤＭ信号のシンボル間遷移に起因して出現するが、これらを削減するために、時間領域における各ＯＦＤＭシンボルには、２乗余弦のウィンドウが乗算されることが可能である。図１において、このことは、サイクリックプレフィックスを構成可能な方法で挿入しかつ送信されるべき信号に対して２乗余弦のウィンドウを乗算するブロック（１９）により実行される。図４は、連続する２つの信号に関するそのウィンドウの形状を示す。１つのシンボルの有効継続時間は時間（１２）であり、シンボル間には所定の重なり（１３）のあることが分かる。このように、２乗余弦のウィンドウを適用することにより、より少ない数の搬送波を除去するだけで、スペクトルに特定の深さのギャップを達成することができる。

本発明の手順は、所定の周波数を用いて送信しかつ他の周波数を介して受信するノードが保有されることを可能にする。明らかに、このノードとの通信を希望する任意のノードは、上記第１のノードとは逆の送信周波数及び受信周波数を用いて機能する必要がある。これは、図５に示すもののようなツリー型チャンネルのトポロジーにおいては優位点である。ツリー型チャンネルのトポロジーは低電圧電力線ネットワークでは一般的であり、ここでは、単一の分岐からぶら下がるすべてのノードがその分岐の基部と通信する。ツリーの２つの分岐にサービスを提供することが要求される場合、このことは、分岐の各々の基部にノード（１６）を配置することにより達成可能である。これらのノードは、互いに通信することはできないが、互いに干渉することもないように、ある周波数範囲で送信しかつ別の周波数範囲で受信する。各々の分岐では他の複数のノード（１７）がぶら下がっていて、それらノード（１７）は、それらのマスタ（１６）と通信する。スレーブ（１７）の送信信号はそのマスタによって受信され、また別のマスタによって受信されるが、後者の場合、電力線ケーブルの長さに関してより遠距離にあることに起因してより減衰されて到着する。この減衰が十分なものであれば、スレーブノードの送信は他のマスタの受信に影響せず、よって２つのノードグループは両者間の干渉なしにチャンネルを共用することができる。

もう１つの可能な構成では、いくつかのノードは所定の周波数を用いて通信し、かつ別のノードグループは他の異なる周波数を用いて、２つのノードグループ間に通信も干渉も存在しないようにする。

大部分のＯＦＤＭシステムにおいては、シンボルの最後のサンプルをその開始部で繰り返すことよりなる、サイクリックプレフィックスの使用が知られている。これは、チャンネルの遅延拡散に起因するシンボル間干渉（ＩＳＩ）を防止するために行われ、そのためサイクリックプレフィックスの長さをその遅延拡散より大きくする必要がある。各チャンネルはその固有の遅延拡散を有し、よって大部分のチャンネルにとって十分な大きさのサイクリックプレフィックスを使用することが一般的である点は明らかである。システムのアプリケーションに依存して、統計的に異なる遅延拡散を提示する、中電圧又は低電圧チャンネル、アクセスチャンネル、もしくはインホーム（inhome）チャンネル等の異なるタイプのチャンネルを見出だすことができる。

典型的には、電力線ネットワークにおける遅延拡散は、アクセスセクションにおける場合よりも、中電圧の電力線における場合及び同一家庭内の接続における場合の方が少ない。これらすべてに起因して、サイクリックプレフィックスの継続時間を変更することが可能でありかつこれによって各チャンネルの特性をより良く利用することのできるシステムを保有することは優位点となる。従って本発明の手順は、本発明のこの実施例においては、サイクリックプレフィックスを構成可能な方法で挿入しかつ信号に対して２乗余弦のウィンドウを乗算するためのブロック（１９）を使用することによって、この変更が達成可能になるということをもたらす。

本発明の手順に従って機能する送信機のブロック図を示す。 本発明の手順に従って機能する受信機のブロック図を示す。 送信される信号の電力スペクトル密度（ＰＳＤ）を示す図である。 連続する２つのシンボルにおいて使用される、２乗余弦のウィンドウを示す図である。 送信及び受信において異なるパラメータを用いた周波数分割多重を利用する２組のノードを示す図である。

Claims (8)

1. 電力線ネットワークのための直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）により変調される信号のスペクトル構成方法であって、
   上記電力線ネットワークを介するＯＦＤＭ変調による信号の送信及び受信を含み、
   送信機のディジタル−アナログ変換器及び受信機のアナログ−ディジタル変換器のサンプリング周波数を維持しながら、ＯＦＤＭ信号の帯域幅、スペクトル位置と、送信されるＯＦＤＭ信号のスペクトル形状と、送信されるＯＦＤＭ信号のスペクトルレベルと、これらの任意の組み合わせとから選択されるパラメータを、送信経路及び受信経路で選択的かつ独立に変更することにより、信号の周波数範囲と、注入されまた放射される電力とから選択されるパラメータを各国の規則に適合化し、またチャンネルのタイプに適合化することを特徴とする方法。
2. 上記信号の帯域幅の変更は、送信においては補間によって達成され、受信においては間引きによって達成され、
   補間係数及び間引き係数は構成可能であって、各場合において要求される変更に依存することを特徴とする、請求項１記載の電力線ネットワークのための直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）により変調される信号のスペクトル構成方法。
3. 上記信号のスペクトルの所望の位置に位置決めすることは、所望の位置に依存する値を有する可変なシフト周波数を用いたディジタル帯域シフトによって達成されることを特徴とする、請求項１記載の電力線ネットワークのための直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）により変調される信号のスペクトル構成方法。
4. 上記信号の各搬送波のレベルは、上記信号の帯域幅を狭めることと、上記信号のスペクトルにギャップを生成することと、上記チャンネルの減衰を予め補償することとから選択される処理を達成するために電力マスクによって調節されることを特徴とする、請求項１記載の電力線ネットワークのための直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）により変調される信号のスペクトル構成方法。
5. 時間領域におけるＯＦＤＭシンボルは、上記信号の２次ローブを減衰させかつより急激なスペクトルギャップを達成するために２乗余弦のウィンドウによって乗算されることを特徴とする、請求項４記載の電力線ネットワークのための直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）により変調される信号のスペクトル構成方法。
6. 送信及び受信のために、上記信号の帯域幅、スペクトル位置、形状及びレベルに関して上記ＯＦＤＭ信号とは独立なスペクトルが使用されることを特徴とする、請求項１記載の電力線ネットワークのための直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）により変調される信号のスペクトル構成方法。
7. 帯域幅、スペクトル位置、形状及びサイズが異なる信号を使用する複数の様々な独立システムは、周波数分割多重により上記チャンネルを共用し、それらの同じ通信手順に従う複数の機器と同時に通信することを特徴とする、請求項１記載の電力線ネットワークのための直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）により変調される信号のスペクトル構成方法。
8. 上記信号を上記チャンネルのタイプに適合させるために上記ＯＦＤＭ信号のサイクリックプレフィックスを変更することを含むことを特徴とする、請求項１記載の電力線ネットワークのための直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）により変調される信号のスペクトル構成方法。
   

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