JP2016503617A - Ｐｌｃネットワークにおけるメッセージを中継するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

中継ノードと、前記中継ノードにアタッチされた少なくとも２つのエンドノードとを備えたＰＬＣネットワークにおけるメッセージを中継する方法であって、前記中継ノードにおいて、前記少なくとも２つのエンドノードからそれぞれの第１のプローブメッセージを受信することと、それぞれの第１のフィードバックメッセージを発生するために、前記それぞれの第１のプローブメッセージを処理することと、前記それぞれの第１のフィードバックメッセージを、前記少なくとも２つのエンドノードにブロードキャストすることとを含み、前記第１のプローブメッセージは直交信号として形成され、第１のタイムスロット内で実質的に同時に受信され、前記第１のフィードバックメッセージは直交信号として形成され、第２のタイムスロット内で実質的に同時にブロードキャストされる、方法。

Description

本発明はホームネットワーキングの分野に関し、特に、電力線通信（ＰＬＣ）ネットワークにおいて用いられるフィードバックプロトコルに関する。

ホームネットワークにおいては、特にＨｏｍｅＧｒｉｄ標準、ＨｏｍｅＰｌｕｇ標準、またはＩＴＵ−Ｔによって開発された勧告のＧ．ｈｎファミリー（ＩＴＵ−Ｔ Ｒｅｃ．Ｇ．９９６１を参照）に従うものなどの電力線通信（ＰＬＣ）ネットワークにおいては、リピータまたは中継器によってネットワークセグメント間の通信の範囲を拡大することが知られている。このような中継器は、典型的には受信された信号を増幅し、再送信する。

このアーキテクチャはスケーラビリティが限られており、セグメントまたはドメインにまたがる真の双方向相互作用を可能にすることはできない。この問題は相互作用の総数が、関係するノードの数の２乗に比例する、マルチポイントツーマルチポイントフィードバックプロトコルの関連において特に有害となる。

さらに技術的な制約（例えば電池寿命）により、または自主的に（例えば自主的エネルギー効率標準の遵守）エンドポイントの処理能力が制限されるときは、中継器を通じた高ビットレートの通信は不可能となり得る。

ＩＴＵ−Ｔ Ｒｅｃ．Ｇ．９９６１

これらの欠点を少なくとも部分的に克服する方法および装置を提供することが、本発明の実施形態の目的である。

本発明の一態様によれば、中継ノードと、中継ノードにアタッチされた少なくとも２つのエンドノードとを備えたＰＬＣネットワークにおけるメッセージを中継する方法が提供され、方法は中継ノードにおいて：少なくとも２つのエンドノードからそれぞれの第１のプローブメッセージを受信することと、それぞれの第１のフィードバックメッセージを発生するために、それぞれの第１のプローブメッセージを処理することと、それぞれの第１のフィードバックメッセージを、少なくとも２つのエンドノードにブロードキャストすることとを含み、第１のプローブメッセージは直交信号として形成され、第１のタイムスロット内で実質的に同時に受信され、第１のフィードバックメッセージは直交信号として形成され、第２のタイムスロット内で実質的に同時にブロードキャストされる。

本発明は、中継器ベースのＰＬＣ通信、特にこのような通信に関するフィードバックプロトコルを、処理タスクをエンドノードから離して中継器の方に移動し、エンドノードと中継器の間のメッセージングを最適化することによって、より効率的にするという利点を有する。したがってエンドノードは、エネルギー効率をより良くすることができ、それらがより高いデータレートおよび／またはより長い電池寿命を持続することを可能にする。

一実施形態では、本発明による方法は、中継ノードにおいて：第３のタイムスロット内で、第２のプローブメッセージを少なくとも２つのエンドノードにブロードキャストすることと、少なくとも２つのエンドノードから、それぞれの第２のフィードバックメッセージを受信することとをさらに含み、第２のフィードバックメッセージは直交信号として形成され、第４のタイムスロット内で実質的に同時にブロードキャストされる。

本発明のこの変形形態では、メッセージングの最適化は、両方向においてプローブ／フィードバックプロトコルに適用される。

本発明による方法の一実施形態では、プローブメッセージはパイロットメッセージであり、フィードバックメッセージはビットローディングテーブルを備える。

本発明はこのタイプのメッセージに対して特に有用であり、なぜならこれは最新のＰＬＣ伝送標準の主要部分であり、このプロセスは従来、リンク設定時にかなりの時間がかかるからである。

本発明による方法の一実施形態では、第１のプローブメッセージは、相対位相／周波数シフトを適用することによって直交信号として形成される。

本発明による方法の一実施形態では、第１のフィードバックメッセージは、相対位相／周波数シフトを適用することによって直交信号として形成される。

これらの実施形態は、同じタイムスロットの間に、同じ媒体上を異なる方向に進むメッセージを多重化する特に効率的な方法をうまく利用する。

本発明による方法の別の実施形態では、第１のフィードバックメッセージは、それぞれの拡散符号を適用することによって直交信号として形成される。

特定の実施形態では、拡散符号の個々の符号は、２つのエンドノードの組に割り当てる。

これらの実施形態は、中継器にアタッチされた２つより多いエンドノードが存在する状況に、本発明の利点を拡張することを可能にする。方法は、全体の組から選択することができるエンドノードの各ペアに対して、実質的に独立に適用される。異なるペアに関係するそれぞれの伝送の独立性は、符号分割多重化によって確実にされ、それにより用いられるタイムスロットの総数は増加しない。

本発明の一態様によれば、プロセッサに上述の方法を行わせるように構成されたコード手段を備える、コンピュータプログラム製品が提供される。

本発明の一態様によれば、ＰＬＣネットワークによってメッセージを交換するためのインターフェースと、インターフェースに動作可能に接続されたプロセッサとを備える中継装置が提供され、プロセッサは上述の方法を実行するように構成される。

本発明の一態様によれば、上述の方法において使用するように構成されたＰＬＣエンドノードが提供される。

本発明によるコンピュータプログラム製品、中継器、およびＰＬＣエンドノードの技術的効果および利点は、必要な変更を加えて本発明による方法の対応する実施形態に対応する。

次に本発明の実施形態による装置および／または方法のいくつかの実施形態について、例示のみとして、添付の図面を参照して説明する。

ＰＬＣ送信器における適応的ビット割り当てのための従来のシナリオを示す図である。 図１のシナリオにおいて用いられるものなどの、フィードバックプロトコルのために必要なシグナリングチャネルを表す図である。 従来のマルチノード通信におけるフィードバックプロトコルのために必要なシグナリングチャネルを表す図である。 本発明の一実施形態における、従来のマルチノード通信でのフィードバックプロトコルのために必要なシグナリングチャネルを表す図である。 中継ノードにおいて行われる処理と共に、本発明の一実施形態によるビット割り当て手順を概略的に示す図である。 本発明の一実施形態による方法のフローチャートである。

本明細書で述べられるＰＬＣ通信システムは、関連のある標準に詳細に規定されているように、別々のタイムスロット内で通信することを前提とする。本出願の全体にわたって、「実質的に同時」なメッセージの送信とは、これらのメッセージの送信を同じタイムスロットの間に指定することと理解されるであろう。

多くのタイプの通信システムは、通信のパラメータを確立するために、リモートピアからのフィードバック情報に依存する。この情報は、リソース割り当て情報（ビットローディング）、チャネル状態情報、符号化方式、変調レベルなどを含むことができる。これらのすべての情報は、効率的な２方向通信を可能にするために送信器に供給されなければならない。この目的のために用いられるフィードバックプロトコルは、十分に効率的でロバスト性が高くなければならない。この関連において効率とは、リンク設定待ち時間を最小にするために、できるだけ最も少ない送信で済ませることと理解される。特有の問題は、マルチノード（中継器支援型）通信で、特にマルチポイントツーマルチポイント通信で生じる。

ホームネットワークでは、利用可能なネットワークリソース（例えば周波数スペクトル）は選択された、家の中の媒体およびネットワークの構造の特性によって制限される。電力線通信の場合は、媒体はブロードキャストチャネルと見なすことができ、すべてのデバイスは同じ利用可能なネットワークリソースを共有する。したがってリソースは、すべての電力線通信（ＰＬＣ）デバイスにわたって最適に、および効率的に割り当てられなければならない。

マルチホップ環境（中継を用いた）では、リソース割り当ては、チャネルのいくつかが低い平均パワーを有する場合は達成できる性能を著しく低下させ得る、中継器と送信元／宛先端末の間のマルチチャネルセグメントを考慮に入れなければならない。

適応的ビット割り当てのための従来のシナリオは図１に示され、必要なシグナリングチャネルは図２に表される。図２および３では、これらの図を簡潔にするために肯定応答信号は示されていないことに留意されたい。

推定された信号対雑音比（ＳＮＲ）、または推定されたノイズおよびチャネル周波数応答に応じて、サブキャリアのそれぞれに対する変調レベルを決定するビット割り当てアルゴリズムによって用いられるものなどの、従来のポイントツーポイントフィードバックプロトコルは、図１を参照して以下の要約によって例示することができる。

１．デバイスＢは、チャネル推定を求める要求をデバイスＡに送出する。

２．デバイスＡは、チャネル推定のためのパイロット信号をデバイスＢに送信する。

３．デバイスＢは、ノイズおよびチャネル利得を推定し、次いで各サブキャリア／周波数に対するＳＮＲ値を計算する。推定されたＳＮＲは、所定の閾値に基づいて各サブキャリアに対するビットローディングを計算するために用いられる。ビットローディング情報はデバイスＡに送出される。

４．デバイスＡは情報の正しい受信について肯定応答し、両方のデバイスは計算されたビットローディング情報を用いる。

５．双方向通信チャネルを得るために、デバイスＢからＡに同じ処理が行われる。

マルチノード通信では、従来のフィードバックプロトコルは、チャネルリンクのすべてに対して個々に、別々に適用される。これはかなりのフィードバック問題をもたらし、より大きな待ち時間を生じることになる。このシナリオのために必要なシグナリングチャネルは、図３に表される。

中継ポイントにおいて双方向にデータ中継を実行することによって、ネットワークリソースがより効率的に用いられ得ることが本発明の利点である。

本発明はとりわけ、送信器は組み合わされた送信からピアのメッセージを抽出するために送信されたメッセージのそれ自体のコピーをフィルタとして用いることができるので、異なる信号の同時送信は必ずしもメッセージの内容を不明瞭にすることはないという洞察に基づく。

本出願の時点では公開されていない、本出願人の名前での欧州特許出願第１１３０５５８６７号は、ホームネットワークのセグメント間の双方向通信をもたらすための方法および装置について述べている。ホームネットワークのセグメント間の双方向通信をもたらすための述べられた方法は、中継器においてドメイン間ブリッジの機能を実現することによって本発明に応用することができ、第１の時間間隔の間にドメイン間ブリッジの第１のインターフェースにおいて第１の通信信号を受信することと、前記第１の時間間隔の間に前記ドメイン間ブリッジの第２のインターフェースにおいて第２の通信信号を受信することと、前記第１の通信信号および前記第２の通信信号の重畳された信号を発生することと、前記重畳された信号を第２の時間間隔の間に前記第１のインターフェースおよび前記第２のインターフェースを通して送信することとを含み、前記第２の時間間隔は前記第１の時間間隔の後に生じる。

本発明はまた、中継器ベースのＰＬＣ通信プロセスにおけるエンドノードは、リソース消費型のプロセスを中継器に集中させることにより、軽減され得るという発明者の洞察に基づく。これはユーザデータの交換のために、エンドノードにおいて、利用可能なより多くの処理能力および／または電池寿命を残す効果がある。

本発明の実施形態はさらに、所与の中継器にまたがるマルチポイントツーマルチポイント通信において生じる交換は、各交換に関わるノードのペアに従って、ペアのどちらのメンバが送信器でどちらが受信器であるかに関係なくグループ化することができるという本発明者の洞察に基づく。リピータに接続されたＮ個のノードを有するネットワークでは、Ｎ（Ｎ−１）／２個のこのようなペアが識別され得る（同じ２つのノードの間を異なる方向に通過するメッセージが区別された場合に必要なＮ（Ｎ−１）個のペアではなく）。中継器においてはこれらのＮ（Ｎ−１）／２個の会話は、知られている手段（例えば周波数分割多重化または符号分割多重化）のいずれかによって、それぞれのメッセージの方向に関係なく媒体上で多重化することができ、なぜなら各会話内ではエンドポイントは、それらがそれらのピアに送出したメッセージについての完全な知識を有し、したがって当該の会話を表す重畳された信号から着信メッセージを抽出することができるからである。

次に図４および５を参照して本発明の一実施形態について述べる。本発明について一般性を失うことなく、ビットローディングアルゴリズムとの関連において述べる。当業者は、同じ考察が他のフィードバックプロトコルに当てはまることを理解するであろう。

２つのデバイスＡおよびＢが、ホームネットワーク環境において中継器Ｒを通して通信するＰＬＣシステムについて考察する。本出願の時点では公開されていない、本出願人の名前での欧州特許出願第１１３０６１７６６号は、マルチドメインネットワークにおける通信チャネルの品質を評価するための方法および装置を述べている。方法は必要なチャネル、および電力線チャネル内のノイズ推定を得るために用いることができ、前述の出願の内容は、本発明のその態様を開示する目的でこの引用によって明示的に組み込まれる。

次に様々な段階についてより詳細に説明する。

［段階１］
第１の段階ではデバイスＡおよびＢは、それらのパイロット信号ＰＡおよびＰＢをそれぞれ中継器に、同じ予約されたタイムスロット内で（このために時間予約プロトコルを用いることができる）送出する。両方のデバイスからのパイロット信号ＰＡおよびＰＢは、両方のデバイスが同時にチャネルにアクセスするので、第１の段階の間に中継器における干渉を避けるように設計される。パイロット信号は、パイロットの１つ（例えばＰＢ）を、ＰＡに対して位相／周波数シフトすることによって設計することができ、それらの時間領域推定は重ならないようになる。適切なフィルタリングを用いて２組のチャネル情報は時間領域において分離することができ、さらなる信号処理のために用いることができる（すなわちパイロットＢは、パイロットＡに直交するように選択される）。当業者は、他の適用可能なＰＬＣチャネル推定方法も用いられ得ることを理解するであろう。

ＳＮＲは、サブキャリアのそれぞれに対して、推定されたチャネルおよびそれらの対応するノイズ推定に基づいて計算され得る。ビットローディングテーブルは、より高いＳＮＲ領域はより大きな数のビットを伝達するように、計算されたＳＮＲに基づいて構築される。分かりやすくするために図示の例は簡単な手法を表し、推定されたＳＮＲ Ａ、およびＳＮＲ Ｂは水平の破線によって領域に分割され、各領域に対して平均電力レベルに応じて複数のビットが割り当てられる。このプロトコルによって、より複雑なアルゴリズムも用いられ得る。

中継器は最初に、２つのビットローディングテーブルＡＲおよびＢＲに対応する、直交する２つの組から構成される信号を形成する。これは、ユーザの対応する直交符号によってまたは段階１に示されるようにスペクトルシフトによって、ユーザが分離される、マルチユーザ無線ダウンリンクにおけるのと同じやり方で行われ得る。登録されたノードを有する符号テーブルは、ネットワーク内のすべてのデバイスによって知られており、交換される。

［段階２］
中継器はロバスト性のある変調方式を用いて、組み合わされた信号を符号化し、すべてのノードがリスンしている媒体を通して信号をブロードキャストする。ノードのそれぞれにおける複合信号は、他方のエンドノードからのビット割り当てテーブルを抽出し復号するように処理される。

［段階３］
この段階では中継器は、そのパイロット信号を媒体内にブロードキャストする。パイロット信号は、ネットワークに接続されたすべてのノードによって受信され、ノイズを有する対応するチャネルが推定される。この場合のチャネルおよびノイズ推定のためには、簡単な逆変調で十分である。これは、他のノードからの干渉はない（すべてのノードはＲブロードキャストをリスンしている）ので、受信された信号から直接行われる。次に、段階１の最後のパラグラフにおけるのと同じ手順が行われる。

［段階４］
この段階では、段階１におけるのと同じ手順が行われるが、ＡおよびＢから送信される信号は、それぞれ符号化されたビットローディングテーブルＲＡおよびＲＢである。違いは、ノードの一方で符号化された信号は、Ｒにおける信号スペクトルの重なりを避けるような時間で処理されることである。中継器での処理は、ビットローディングテーブルＲＡおよびＲＢに対応する信号を「ノイズ除去（ｄｅ−ｎｏｉｓｅ）」し、分離するように行われる。受信された信号のノイズ除去は、ＲＡおよびＲＢリンクからのノイズによる不確定性を低減するために必要である。そうでなければフィードバックチャネル内に大きなエラーが生じ得る。その後に、段階２において行われたように（すなわち符号を用いて、または直交により）新しい複合信号が発生され、媒体を通してブロードキャストされる。

［段階５］
最後に、ノードＡおよびＢは複合信号を受信し、それぞれビットローディングテーブルＲＢおよびＲＡを抽出する。この段階における手順は、段階２におけるものと同様である。

図６には、フローチャートのステップ６１０−６３０によって本発明がさらに示され、これらのステップは中継ノードにおいて行われるものであると理解される。簡単にするためであるが一般性は失わずに、２つのエンドノードが仮定される。第１のタイムスロットを表す第１のステップ６１０では、中継ノードは、実質的に同時に両方のエンドノードからそれぞれの第１のプローブメッセージを受信する。干渉を避けるように設計されたこれらの第１のプローブメッセージは、それぞれの第１のフィードバックメッセージを発生するために処理（６２０）される。第２のタイムスロットを表す第３のステップ６３０では、それぞれの第１のフィードバックメッセージは、少なくとも２つのエンドノードに実質的に同時に（直交信号を用いて）ブロードキャストされる。

オプションとしてのさらなるステップ６４０−６６０では、プロセスはリバースチャネルに対して繰り返される。第２のプローブメッセージは、第３のタイムスロット内でエンドノードにブロードキャスト（６４０）される。エンドノードはそれらのフィードバックを発生し（図示せず）、それぞれの第２のフィードバックメッセージは、第４のタイムスロット内で実質的に同時に中継器においてエンドノードから受信（６５０）される。この場合もやはり第２のフィードバックメッセージは、直交信号として形成される。これは中継器が、これらのメッセージを多重分離化（６６０）し、それらに含まれた情報を取り出すことを可能にする。

図示のフローチャートは、上述のビットローディングアルゴリズム、および他のフィードバックプロトコルに適用することができる。

方法および装置について、本明細書において別々の実施形態として上述されたが、これは分かりやすくするためのみに行われたものであって、方法の実施形態との関連のみにおいて述べられた特徴は、同じ技術的効果および利点を得るように、本発明による装置に適用され得ることが留意されるべきであり、逆も同様である。

「プロセッサ」として名前が付けられたいずれの機能ブロックを含む、図に示される様々な要素の機能は、専用ハードウェア、ならびに適切なソフトウェアに関連してソフトウェアを実行することができるハードウェアを使用することによって実現され得る。プロセッサによって実現されるときは、機能は、単一の専用プロセッサによって、単一の共有プロセッサによって、またはその一部が共有され得る複数の個々のプロセッサによって実現され得る。さらに「プロセッサ」または「コントローラ」という用語の明示的な使用は、ソフトウェアを実行することができるハードウェアを排他的に指すものと解釈されるべきではなく、非限定的にデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）ハードウェア、ネットワークプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、ソフトウェアを記憶するためのリードオンリメモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、および不揮発性記憶装置を暗黙に含むことができる。他の従来型および／またはカスタムのハードウェアも含まれ得る。同様に、図に示されるいずれのスイッチも概念的のみである。それらの機能は、プログラムロジックの動作を通して、専用ロジックを通して、プログラム制御と専用ロジックの相互作用を通して、さらには手動で実行することができ、より具体的に状況から理解されるように実施者によって特定の技法を選択可能である。

当業者なら様々な上述の方法は、プログラムされたコンピュータによって行われ得ることが容易に理解されよう。本明細書では一部の実施形態はまた、機械可読またはコンピュータ可読であり機械実行可能またはコンピュータ実行可能な命令のプログラムをコード化し、前記命令が前記上述の方法のステップの一部またはすべてを行う、プログラム記憶装置、例えばデジタルデータ記憶媒体を包含することが意図される。プログラム記憶装置は、例えばデジタルメモリ、磁気ディスクおよび磁気テープ、ハードドライブなどの磁気記憶媒体、または光学的読み出し可能デジタルデータ記憶媒体とすることができる。実施形態はまた、上述の方法の前記ステップを行うようにプログラムされたコンピュータを包含することが意図される。

Claims (10)

1. 中継ノードと、前記中継ノードにアタッチされた少なくとも２つのエンドノードとを備えたＰＬＣネットワークにおけるメッセージを中継する方法であって、前記中継ノードにおいて、
   前記少なくとも２つのエンドノードからそれぞれの第１のプローブメッセージを受信することと、
   それぞれの第１のフィードバックメッセージを発生するために、前記それぞれの第１のプローブメッセージを処理することと、
   前記それぞれの第１のフィードバックメッセージを、前記少なくとも２つのエンドノードにブロードキャストすることと
   を含み、前記第１のプローブメッセージが直交信号として形成され、第１のタイムスロット内で実質的に同時に受信され、前記第１のフィードバックメッセージが直交信号として形成され、第２のタイムスロット内で実質的に同時にブロードキャストされ、実質的に同時とは、第１のプローブメッセージ／第１のフィードバックメッセージが同じタイムスロットの間に送信されるという意味を含む、方法。
2. 前記中継ノードにおいて、
   第３のタイムスロット内で、第２のプローブメッセージを前記少なくとも２つのエンドノードにブロードキャストすることと、
   前記少なくとも２つのエンドノードから、それぞれの第２のフィードバックメッセージを受信することと
   をさらに含み、前記第２のフィードバックメッセージが直交信号として形成され、第４のタイムスロット内で実質的に同時にブロードキャストされる、請求項１に記載の方法。
3. 前記プローブメッセージがパイロットメッセージであり、前記フィードバックメッセージがビットローディングテーブルを備える、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記第１のプローブメッセージが、相対位相／周波数シフトを適用することによって直交信号として形成される、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記第１のフィードバックメッセージが、相対位相／周波数シフトを適用することによって直交信号として形成される、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記第１のフィードバックメッセージが、それぞれの拡散符号を適用することによって直交信号として形成される、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記拡散符号の個々の符号が、２つのエンドノードの組に割り当てられる、請求項６に記載の方法。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の方法をプロセッサに行わせるように構成されたコード手段を備える、コンピュータプログラム製品。
9. ＰＬＣネットワークによってメッセージを交換するためのインターフェースと、前記インターフェースに動作可能に接続されたプロセッサとを備える中継装置であって、前記プロセッサが、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法を実行するように構成される、中継装置。
10. 請求項１から７のいずれか一項に記載の方法において使用するように構成されたＰＬＣエンドノードであって、
    前記少なくとも２つのエンドノードからそれぞれの第１のプローブメッセージを受信することであって、前記第１のプローブメッセージが直交信号として形成され、第１のタイムスロット内で実質的に同時に受信される、第１のプローブメッセージを受信すること、
    それぞれの第１のフィードバックメッセージを発生するために、前記それぞれの第１のプローブメッセージを処理すること、
    前記それぞれの第１のフィードバックメッセージを、前記少なくとも２つのエンドノードにブロードキャストすることであって、前記第１のフィードバックメッセージが直交信号として形成され、第２のタイムスロット内で実質的に同時にブロードキャストされる、ブロードキャストすること
    を行うように構成され、
    実質的に同時とは、第１のプローブメッセージ／第１のフィードバックメッセージが同じタイムスロットの間に送信されるという意味を含む、ＰＬＣエンドノード。

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