JP2017098643A - 光給電システム及び光給電装置及び光給電方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 簡易な構成で省電力化が可能な光給電システム及び光給電装置及び光給電方法を提供すること。【解決手段】 Ｎ個（Ｎは２以上）の子機１２７を備える光給電システムにおいて、親機１２０から送信される下り通信光を一定時間間隔の時間フレーム１３４で構成し、時間フレーム内に子機識別情報１３３と子機１２７への通信情報１３４を格納する。光給電システムは、他の子機１２７と互いに排他的に親機１２０と上り及び下りの通信を行う。子機１２７は、自機の識別情報１３３に対応する時間フレーム１３４中に、親機１２０と上り下りの通信を行う。【選択図】 図２
Description
本発明は、光給電システム及び光給電装置及び光給電方法に係り、特に、光ファイバを用いて電力伝送を行う光給電技術に関するものである。
光ファイバは細いガラス線中に光を伝送する媒体であり、電気ケーブルに比べて長さあたりの高周波信号の伝送損が極めて少ないという特徴から、例えば、数１００ｍから数１０００ｋｍに及ぶ高速光通信に広く用いられている。このような通信用の光ファイバを、少量の電力伝送の利用に用いる光給電という技術も開発されている。光給電においては、送電側となる親機では大出力光源（半導体レーザなど）によって電力を光信号に変換して光ファイバに入力して伝送し、受電側となる子機では光ファイバからの出力光をフォトダイオードなどの光検出器を用いて受光し、再び電力に変換する技術である。
本来、光ファイバはエネルギー伝送に用いられる直流成分については、電気ケーブルよりも伝送損失が大きい、光信号と電気信号の変換効率が低い（２０〜３０％程度）などの点から電力伝送には必ずしも適していないことが想定される。特に通信用の光ファイバは光を伝送する中心コアの径が数ミクロンと小さく、強い光を入射するとコア部分が融解してしまう場合があるため、大電力伝送に用いるのは容易ではなく、光給電技術はさほど広く用いられていない。一方で、光ファイバは電気的に絶縁されているため防爆性が極めて高い、電磁的な干渉を受けにくいなどの特徴を持ち、光給電はこのように電気ケーブルの利用が困難な場合や、遠隔地やへき地などで他に適当な電源が無い場合などの給電技術として利用されている。光給電技術の利用例としては、例えば、遠隔センシングや遠隔制御などがあり、パイプラインやプラント、橋梁・鉄道などのインフラにおけるセンシングデータの収集や遠隔制御、カメラによる遠隔監視などが挙げられる。
光給電の実用上の課題のひとつには、給電電力が小さく、給電対象となる子機を増加するのが必ずしも容易ではない点が挙げられる。例えば、給電光の最大電力を１Ｗとした場合でも、給電・受電部の光／電気変換の効率をそれぞれ２５％とすると、供給電力は６２．５ｍＷに過ぎない。実際には伝送距離や光部品の増加によってこの値はさらに小さくなる。原理上は、一本の光ファイバを複数の光ファイバに分岐し複数の装置に同時に光給電を行うことも可能ではあるが、装置の数Ｎに連れて給電電力も１／Ｎに低下するため実際にはあまり用いられていない。
図１は、従来の光給電技術の説明図である。この図は、「光伝送方法、光受信装置及びこれを用いたＰＯＮシステム及び光通信システム」（特許文献１）に開示された構成例を示しており、上記のように多数のノードに給電を行う従来例を示す。本例は、特許文献１、図１、段落００３２〜００３８に記載されているように、概略、ひとつの局側装置１００に２個の宅側装置１０１−１、１０１−２が接続された１：２の光給電システムであり、局側装置１００の内部に配置された給電制御部１０２から出力される光信号１０８（波長λ１）を波長合分波器１２４を介して光ファイバ１２５に出力し、これを途中に配置された光スプリッタ１２６で２分岐し、２台の宅側装置１０１−１、１０１−２に同時に給電を行う。宅側装置１０１−１の内部では波長合分波器１２８で、波長λ１の給電光を分離し、これを給電受信部１０３に入力することで宅側装置１０１−１の動作電力を得る。本例では、宅側装置１０１−１の内部には他に計測送信部１０５が配置されており、宅側装置内部に配置されたセンサ計測の結果等を局側装置１００に波長λ２を用いて送信し、局側装置１００ではこれを計測受信部１０４で受信する。また宅側装置１０１−１の内部にはＰＯＮ（Ｐａｓｓｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ）となるサービス部１０７も配置されており、波長λ３の信号を用いて親機の内部のサービス部１０６と上下双方向の通信を行い、ユーザ情報のネットワーク情報の配信などを行う。
本従来例では、図２、段落００３６、００３９に記載されているように、波長λ１の光信号１０８によって給電及び制御信号を各宅側装置に供給し、光ファイバに送出される光信号１０８の変調期間は、給電用の第１光信号１０９を送出する変調期間である給電期間と、制御用の第２光信号１１０を送出する変調期間である制御期間とを含んでいる。
本従来例では、図２、段落００３６、００３９に記載されているように、波長λ１の光信号１０８によって給電及び制御信号を各宅側装置に供給し、光ファイバに送出される光信号１０８の変調期間は、給電用の第１光信号１０９を送出する変調期間である給電期間と、制御用の第２光信号１１０を送出する変調期間である制御期間とを含んでいる。
本発明では、光給電システムに複数の子機を配置する際に、特に，子機の省電力モードへの移行を簡易な構成で実現することを企図したものである。
本発明のひとつの課題は、子機の省電力モードへの移行と下り信号の受信についての課題である。光給電システムにおいては、子機の電力は親機からの光給電に頼っており、利用できる電力が限られている。特にＮ個（Ｎ＞２）の子機が用いられる多ノード構成においては、限られた給電光をＮ個のノードに分割する必要があるため、特に省電力動作が重要となる。省電力化の手法のひとつとして、不要な時間に子機の電源を遮断して省電力モードに移行させることが有効かもしれないが、省電力モードに移行すると、その間は子機は親機からの通信を受信できなくなってしまう場合が想定される。これを避けるには、常時下り通信の受信回路の電源をオンとし必要な信号を受信した際に子機を通常の動作に復帰などの手法があるが、特殊な回路を必要とし構成が複雑になったり、省電力化に限界があるなどの課題がある。
図１に示すような例では、宅側装置１０１−１、１０１−２における省電力モードへの移行は考慮されていない。
本発明のひとつの課題は、子機の省電力モードへの移行と下り信号の受信についての課題である。光給電システムにおいては、子機の電力は親機からの光給電に頼っており、利用できる電力が限られている。特にＮ個（Ｎ＞２）の子機が用いられる多ノード構成においては、限られた給電光をＮ個のノードに分割する必要があるため、特に省電力動作が重要となる。省電力化の手法のひとつとして、不要な時間に子機の電源を遮断して省電力モードに移行させることが有効かもしれないが、省電力モードに移行すると、その間は子機は親機からの通信を受信できなくなってしまう場合が想定される。これを避けるには、常時下り通信の受信回路の電源をオンとし必要な信号を受信した際に子機を通常の動作に復帰などの手法があるが、特殊な回路を必要とし構成が複雑になったり、省電力化に限界があるなどの課題がある。
図１に示すような例では、宅側装置１０１−１、１０１−２における省電力モードへの移行は考慮されていない。
そこで、本発明の目的は、以上の点に鑑み、簡易な構成で省電力化が可能な光給電システム及び光給電装置及び光給電方法を提供するものである。
本発明の第１の解決手段によると、
光給電システムであって、
親機と、
前記親機と１本ないしは複数の光ファイバを介して接続されたＮ個（Ｎは２以上の整数）の子機と
を備え、
前記親機は、いずれか一本の光ファイバに給電光を送出してＮ個の前記子機に電力を供給し、
前記親機は、いずれか一本の光ファイバを利用してＮ個の前記子機に向けて下り通信光を送信して情報伝送を行い、
前記親機は、下り通信光をＭ個（ＭはＮ以上の整数）ごとに繰り返す一定時幅又は略一定時間幅の時間フレームで構成し、Ｍ個の時間フレーム中のＮ個の時間フレームのいずれかひとつ又は複数に、少なくともいずれか一つの前記子機に対応した子機識別情報及び前記子機に対応した通信情報を含め、
いずれか一つの前記子機は、自身に対応した子機識別番号を含む時間フレームを受信した時間だけ動作状態又はＲＵＮ状態とし、他の時間は非動作状態又はＳＬＥＥＰ状態とする
ことを特徴とした光給電システムが提供される。
光給電システムであって、
親機と、
前記親機と１本ないしは複数の光ファイバを介して接続されたＮ個（Ｎは２以上の整数）の子機と
を備え、
前記親機は、いずれか一本の光ファイバに給電光を送出してＮ個の前記子機に電力を供給し、
前記親機は、いずれか一本の光ファイバを利用してＮ個の前記子機に向けて下り通信光を送信して情報伝送を行い、
前記親機は、下り通信光をＭ個（ＭはＮ以上の整数）ごとに繰り返す一定時幅又は略一定時間幅の時間フレームで構成し、Ｍ個の時間フレーム中のＮ個の時間フレームのいずれかひとつ又は複数に、少なくともいずれか一つの前記子機に対応した子機識別情報及び前記子機に対応した通信情報を含め、
いずれか一つの前記子機は、自身に対応した子機識別番号を含む時間フレームを受信した時間だけ動作状態又はＲＵＮ状態とし、他の時間は非動作状態又はＳＬＥＥＰ状態とする
ことを特徴とした光給電システムが提供される。
本発明の第２の解決手段によると、
光給電装置であって、
１本ないしは複数の光ファイバを介してＮ個（Ｎは２以上の整数）の子機と接続され、
いずれか一本の光ファイバに給電光を送出してＮ個の前記子機に電力を供給し、
いずれか一本の光ファイバを利用してＮ個の前記子機に向けて下り通信光を送信して情報伝送を行い、
下り通信光をＭ個（ＭはＮ以上の整数）ごとに繰り返す一定時幅又は略一定時間幅の時間フレームで構成し、Ｍ個の時間フレーム中のＮ個の時間フレームのいずれかひとつ又は複数に、少なくともいずれか一つの前記子機に対応した子機識別情報及び前記子機に対応した通信情報を含め、
いずれか一つの前記子機を、自身に対応した子機識別番号を含む時間フレームを受信した時間だけ動作状態又はＲＵＮ状態とさせ、他の時間は非動作状態又はＳＬＥＥＰ状態とさせる
ことを特徴とした光給電装置が提供される。
光給電装置であって、
１本ないしは複数の光ファイバを介してＮ個（Ｎは２以上の整数）の子機と接続され、
いずれか一本の光ファイバに給電光を送出してＮ個の前記子機に電力を供給し、
いずれか一本の光ファイバを利用してＮ個の前記子機に向けて下り通信光を送信して情報伝送を行い、
下り通信光をＭ個（ＭはＮ以上の整数）ごとに繰り返す一定時幅又は略一定時間幅の時間フレームで構成し、Ｍ個の時間フレーム中のＮ個の時間フレームのいずれかひとつ又は複数に、少なくともいずれか一つの前記子機に対応した子機識別情報及び前記子機に対応した通信情報を含め、
いずれか一つの前記子機を、自身に対応した子機識別番号を含む時間フレームを受信した時間だけ動作状態又はＲＵＮ状態とさせ、他の時間は非動作状態又はＳＬＥＥＰ状態とさせる
ことを特徴とした光給電装置が提供される。
本発明の第３の解決手段によると、
光給電方法であって、
１本ないしは複数の光ファイバを介してＮ個（Ｎは２以上の整数）の子機と接続し、
いずれか一本の光ファイバに給電光を送出してＮ個の前記子機に電力を供給し、
いずれか一本の光ファイバを利用してＮ個の前記子機に向けて下り通信光を送信して情報伝送を行い、
下り通信光をＭ個（ＭはＮ以上の整数）ごとに繰り返す一定時幅又は略一定時間幅の時間フレームで構成し、Ｍ個の時間フレーム中のＮ個の時間フレームのいずれかひとつ又は複数に、少なくともいずれか一つの前記子機に対応した子機識別情報及び前記子機に対応した通信情報を含め、
いずれか一つの前記子機を、自身に対応した子機識別番号を含む時間フレームを受信した時間だけ動作状態又はＲＵＮ状態とさせ、他の時間は非動作状態又はＳＬＥＥＰ状態とさせる
ことを特徴とした光給電方法が提供される。
光給電方法であって、
１本ないしは複数の光ファイバを介してＮ個（Ｎは２以上の整数）の子機と接続し、
いずれか一本の光ファイバに給電光を送出してＮ個の前記子機に電力を供給し、
いずれか一本の光ファイバを利用してＮ個の前記子機に向けて下り通信光を送信して情報伝送を行い、
下り通信光をＭ個（ＭはＮ以上の整数）ごとに繰り返す一定時幅又は略一定時間幅の時間フレームで構成し、Ｍ個の時間フレーム中のＮ個の時間フレームのいずれかひとつ又は複数に、少なくともいずれか一つの前記子機に対応した子機識別情報及び前記子機に対応した通信情報を含め、
いずれか一つの前記子機を、自身に対応した子機識別番号を含む時間フレームを受信した時間だけ動作状態又はＲＵＮ状態とさせ、他の時間は非動作状態又はＳＬＥＥＰ状態とさせる
ことを特徴とした光給電方法が提供される。
本発明によると、簡易な構成で省電力化が可能な光給電システム及び光給電装置及び光給電方法を提供することができる。
以下、本実施例の幾つかの実施例を図面を参照して説明する。
Ａ．概要
本実施例では、光給電システムに複数の子機を配置する際に、特に、「（１）子機の省電力モードへの移行」、「（２）上り通信衝突の回避」、「（３）下り通信の成分の検出」、「（４）通信容量の拡大」を簡易な構成で実現することを企図したものである。
Ａ．概要
本実施例では、光給電システムに複数の子機を配置する際に、特に、「（１）子機の省電力モードへの移行」、「（２）上り通信衝突の回避」、「（３）下り通信の成分の検出」、「（４）通信容量の拡大」を簡易な構成で実現することを企図したものである。
（１）子機の省電力モードへの移行
発明が解決しようとする課題で説明したように、子機の省電力モードへの移行と下り信号の受信の課題に対しては、例えば、Ｎ個の子機を持つ光給電システムにおいて、下り通信光をＭ個（ＭはＮ以上）ごとに繰り返す一定時間幅の時間フレームで構成し、上記Ｍ個の時間フレーム中のＮ個の時間フレームには少なくともいずれか一つの子機に対応した子機識別情報及び該子機に対応した通信情報を含むことで解決できる。すなわち、親機から特定の子機に送信される通信情報はＭ個のタイムフレームごとに一定周期で間歇的に送信される時間フレームに収容されるため、子機は自身に対応した子機識別情報を含む時間フレームのみを受信すればよく、他の時間は親機からの通信の待ち受けが不要となり、必要に応じて省電力モードに移行して電力を節減することが可能となる。
本構成を実現するには、親機に下り通信光を送出する光送信機とＮ個の子機の識別情報および各子機に送信する通信データを時間多重して時間フレームを生成する時間フレーム生成回路を備え、時間フレーム生成回路から送出される時間フレームデータを光送信機に入力して下り通信光を変調する構成とすればよい。上記に用いる子機としては、下り通信光を受信する光受信器と次回の起動時間を指定する起動タイマ回路、次の自身の識別情報を含む時間フレームの先頭時間に起動するように設定する起動時刻設定回路を備えて、該タイマ回路と該起動時刻設定回路にて次回起動時刻を設定後に非動作状態に移行すればよい。
上述の構成を実現するにあたっては、親機と子機の動作タイミングが厳密には一致しておらず、徐々に子機の起動時間がずれる場合が想定される。これを防ぐには親機の下り通信の特定タイミングを抽出しと自機の起動タイミングと比較するタイミング比較回路を備え、両者のタイミングのずれが略ゼロとなるように自機の起動時刻ないしはタイマ係数を微調整する機能を備えればよい。
発明が解決しようとする課題で説明したように、子機の省電力モードへの移行と下り信号の受信の課題に対しては、例えば、Ｎ個の子機を持つ光給電システムにおいて、下り通信光をＭ個（ＭはＮ以上）ごとに繰り返す一定時間幅の時間フレームで構成し、上記Ｍ個の時間フレーム中のＮ個の時間フレームには少なくともいずれか一つの子機に対応した子機識別情報及び該子機に対応した通信情報を含むことで解決できる。すなわち、親機から特定の子機に送信される通信情報はＭ個のタイムフレームごとに一定周期で間歇的に送信される時間フレームに収容されるため、子機は自身に対応した子機識別情報を含む時間フレームのみを受信すればよく、他の時間は親機からの通信の待ち受けが不要となり、必要に応じて省電力モードに移行して電力を節減することが可能となる。
本構成を実現するには、親機に下り通信光を送出する光送信機とＮ個の子機の識別情報および各子機に送信する通信データを時間多重して時間フレームを生成する時間フレーム生成回路を備え、時間フレーム生成回路から送出される時間フレームデータを光送信機に入力して下り通信光を変調する構成とすればよい。上記に用いる子機としては、下り通信光を受信する光受信器と次回の起動時間を指定する起動タイマ回路、次の自身の識別情報を含む時間フレームの先頭時間に起動するように設定する起動時刻設定回路を備えて、該タイマ回路と該起動時刻設定回路にて次回起動時刻を設定後に非動作状態に移行すればよい。
上述の構成を実現するにあたっては、親機と子機の動作タイミングが厳密には一致しておらず、徐々に子機の起動時間がずれる場合が想定される。これを防ぐには親機の下り通信の特定タイミングを抽出しと自機の起動タイミングと比較するタイミング比較回路を備え、両者のタイミングのずれが略ゼロとなるように自機の起動時刻ないしはタイマ係数を微調整する機能を備えればよい。
（２）上り通信衝突の回避
つぎに、上り通信の衝突に関しては、複数の子機が親に向かう上りの通信信号を送信した場合に、信号同士が重なって受信できなくなってしまう場合が想定される。衝突を避けるためには、例えば無線通信を用いるセンサネットワークでは互いに異なる周波数チャネルを使うなどの手法により通信の衝突を避けることが可能である。これに対し光給電システムにおいては、通信にも光ファイバを利用することが構成上最も簡易であり、この際に用いる光ファイバ通信はレーザの強度を情報伝送に利用する光強度変調であることが省電力化の課題となる。光強度変調において、無線通信同様に複数の子機に異なる周波数チャネルを割り当てようとすると、まず子機のレーザ光源を一定の強度で点灯しその上に正弦波変調を加えることが必要となる。しかしながら光ファイバ通信に広く用いられている半導体レーザ光源では、レーザを一定強度で点灯するためには一定電圧（一般に２Ｖ程度）で、一定の電流（一般にレーザ閾値電流の数倍、数１０ｍＡ程度）を流す必要があり、通信に必要な所用電力が大となってしまう。また多くの無線・有線ネットワークでは、干渉が生じて情報が受信できなかった場合にはデータを再送する手法が取られるが、衝突の検出・親機からの再送要求など複雑な手続きが必要となり、消費電力も大となる。またＰＯＮ（Ｐａｓｓｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ）などに代表される光ネットワークにおいては、互いに衝突が生じないようにタイムスロットを動的に割り当てる手法が取られるが、一般には子機側は常時電源がオンとなっており、タイムスロットの割り当てに複雑な手続きが必要となる場合が想定される。図１に示す従来例においても、宅側装置１０１−１、１０１−２においては従来のＰＯＮの利用が例示されており、上り信号の衝突回避において特別な手法は示されていない。
このような上り通信の衝突に対しては、さらにそれぞれの子機は自身に対応した子機識別情報を含む時間フレーム内にのみ、他の子機と互いに排他的に親機と上り及び下りの通信を行うことによって、他の子機の上り信号との衝突が生じなくなる。このためには、受信した下り通信光中の時間フレームから子機識別情報を分離する分離回路、自機の識別情報を保存するメモリ回路、分離回路から出力された時間フレーム中の識別情報とメモリ回路中の自機の識別情報を照合する照合回路を備え、両者が一致した場合にのみ上り通信動作を行うようにすればよい。
つぎに、上り通信の衝突に関しては、複数の子機が親に向かう上りの通信信号を送信した場合に、信号同士が重なって受信できなくなってしまう場合が想定される。衝突を避けるためには、例えば無線通信を用いるセンサネットワークでは互いに異なる周波数チャネルを使うなどの手法により通信の衝突を避けることが可能である。これに対し光給電システムにおいては、通信にも光ファイバを利用することが構成上最も簡易であり、この際に用いる光ファイバ通信はレーザの強度を情報伝送に利用する光強度変調であることが省電力化の課題となる。光強度変調において、無線通信同様に複数の子機に異なる周波数チャネルを割り当てようとすると、まず子機のレーザ光源を一定の強度で点灯しその上に正弦波変調を加えることが必要となる。しかしながら光ファイバ通信に広く用いられている半導体レーザ光源では、レーザを一定強度で点灯するためには一定電圧（一般に２Ｖ程度）で、一定の電流（一般にレーザ閾値電流の数倍、数１０ｍＡ程度）を流す必要があり、通信に必要な所用電力が大となってしまう。また多くの無線・有線ネットワークでは、干渉が生じて情報が受信できなかった場合にはデータを再送する手法が取られるが、衝突の検出・親機からの再送要求など複雑な手続きが必要となり、消費電力も大となる。またＰＯＮ（Ｐａｓｓｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ）などに代表される光ネットワークにおいては、互いに衝突が生じないようにタイムスロットを動的に割り当てる手法が取られるが、一般には子機側は常時電源がオンとなっており、タイムスロットの割り当てに複雑な手続きが必要となる場合が想定される。図１に示す従来例においても、宅側装置１０１−１、１０１−２においては従来のＰＯＮの利用が例示されており、上り信号の衝突回避において特別な手法は示されていない。
このような上り通信の衝突に対しては、さらにそれぞれの子機は自身に対応した子機識別情報を含む時間フレーム内にのみ、他の子機と互いに排他的に親機と上り及び下りの通信を行うことによって、他の子機の上り信号との衝突が生じなくなる。このためには、受信した下り通信光中の時間フレームから子機識別情報を分離する分離回路、自機の識別情報を保存するメモリ回路、分離回路から出力された時間フレーム中の識別情報とメモリ回路中の自機の識別情報を照合する照合回路を備え、両者が一致した場合にのみ上り通信動作を行うようにすればよい。
（３）下り通信の成分の検出
つぎに、各子機における下り通信成分の検出については、上記のような各子機が短時間の動作で省電力モードに移行する構成で省電力化の効果を高めるには、子機は起動後に短時間で親機からの下り信号を受信できるようにする必要がある。しかしながら子機が動作を停止している間にも親機のレーザの劣化や光ファイバ伝送路の曲げなどにより下り通信光の受信強度が大きく変化してしまう場合、子機の再起動直後は下り通信光が正常に受信できなくなってしまう可能性がある。これを防ぐにはあらかじめ一定時間、下り信号の受信回路を動作させて受信光の識別レベルを正しく設定する必要があるが、動作が複雑になったり起動時間が長くなることで電力が無駄になる場合が想定される。図１に示す従来例においては、本文中に下り信号をＡＣ的に分離することが示されているが、本課題に示すような子機の電源断については考慮されていないため、受信光の識別レベルの設定について特段新しい技術は必要としていない。
このような下り通信の成分の検出に対しては、本システムにおいては、給電光と下り通信光に同一の光源の出力光を共用し、給電光に前記の時間フレームを割り当てて変調することによって下り通信を行うことで、さらに構成を簡素化できる。この際には、親機はＮ個の子機の識別情報および各子機に送信する通信データを時間多重して時間フレームを生成する時間フレーム生成回路を備えて、時間フレーム生成回路から送出される時間フレームデータをパルス化して該給電光信号の駆動電流に直流的に加算して給電光を変調すればよい。給電光と下り通信光を共有する場合、本実施例の子機装置においては、給電光の平均受信強度を測定する平均受信強度検出回路を備えて、該平均受信強度回路の出力信号を基準にして下り通信信号の識別レベルを算出することによって、起動直後から下り通信を正しく受信することが可能となる。
つぎに、各子機における下り通信成分の検出については、上記のような各子機が短時間の動作で省電力モードに移行する構成で省電力化の効果を高めるには、子機は起動後に短時間で親機からの下り信号を受信できるようにする必要がある。しかしながら子機が動作を停止している間にも親機のレーザの劣化や光ファイバ伝送路の曲げなどにより下り通信光の受信強度が大きく変化してしまう場合、子機の再起動直後は下り通信光が正常に受信できなくなってしまう可能性がある。これを防ぐにはあらかじめ一定時間、下り信号の受信回路を動作させて受信光の識別レベルを正しく設定する必要があるが、動作が複雑になったり起動時間が長くなることで電力が無駄になる場合が想定される。図１に示す従来例においては、本文中に下り信号をＡＣ的に分離することが示されているが、本課題に示すような子機の電源断については考慮されていないため、受信光の識別レベルの設定について特段新しい技術は必要としていない。
このような下り通信の成分の検出に対しては、本システムにおいては、給電光と下り通信光に同一の光源の出力光を共用し、給電光に前記の時間フレームを割り当てて変調することによって下り通信を行うことで、さらに構成を簡素化できる。この際には、親機はＮ個の子機の識別情報および各子機に送信する通信データを時間多重して時間フレームを生成する時間フレーム生成回路を備えて、時間フレーム生成回路から送出される時間フレームデータをパルス化して該給電光信号の駆動電流に直流的に加算して給電光を変調すればよい。給電光と下り通信光を共有する場合、本実施例の子機装置においては、給電光の平均受信強度を測定する平均受信強度検出回路を備えて、該平均受信強度回路の出力信号を基準にして下り通信信号の識別レベルを算出することによって、起動直後から下り通信を正しく受信することが可能となる。
（４）通信容量の拡大
さらに、通信容量の拡大に関しては、本実施例の対象の一例とする遠隔監視・モニタリングシステムにおいては、監視対象の異常や特別なイベントが発生した際に、一部の子機においてのみ監視項目の増加や、データ・画像の取得頻度又は情報精度を上げる場合があり、このような際には上り通信に通常より多くの通信容量を割り当てることが望ましい。また、子機の故障やメンテナンス時などには、ソフトウェアダウンロードなどで通常より多くの下りの通信容量が必要となる場合もある。これに対し下り通信をもたないような多くのセンシングシステムでは、上り送信帯域は固定であり、上述のようなニーズに対応することができなかった。また多くのネットワークでは、通信帯域を可変とすると複雑な機構や折衝が必要となったり、データの衝突が発生しやすくなるなどの場合が想定される。本観点についても図１に示す従来例においては、解決法は示されていない。
このような通信容量の拡大に対しては、本実施例によると、子機の数Ｎが時間フレームの数Ｍを下回る場合には、どの子機も利用しない空き時間フレームが存在するため、この時間フレームを親機と特定の子機間の通信に一時的に割り当てることによって、特定の子機との上り下りの通信容量を一時的に増大することが可能となる。
さらに、通信容量の拡大に関しては、本実施例の対象の一例とする遠隔監視・モニタリングシステムにおいては、監視対象の異常や特別なイベントが発生した際に、一部の子機においてのみ監視項目の増加や、データ・画像の取得頻度又は情報精度を上げる場合があり、このような際には上り通信に通常より多くの通信容量を割り当てることが望ましい。また、子機の故障やメンテナンス時などには、ソフトウェアダウンロードなどで通常より多くの下りの通信容量が必要となる場合もある。これに対し下り通信をもたないような多くのセンシングシステムでは、上り送信帯域は固定であり、上述のようなニーズに対応することができなかった。また多くのネットワークでは、通信帯域を可変とすると複雑な機構や折衝が必要となったり、データの衝突が発生しやすくなるなどの場合が想定される。本観点についても図１に示す従来例においては、解決法は示されていない。
このような通信容量の拡大に対しては、本実施例によると、子機の数Ｎが時間フレームの数Ｍを下回る場合には、どの子機も利用しない空き時間フレームが存在するため、この時間フレームを親機と特定の子機間の通信に一時的に割り当てることによって、特定の子機との上り下りの通信容量を一時的に増大することが可能となる。
Ｂ．第１の実施例
図２は、第１の実施例における光給電システムを示す構成図である。本図は、親機１２０と３台の子機１２７−１、１２７−２、１２７−３が光ファイバ１２５と光分岐器１２６を介してスター状に接続された構成である。親機１２０中には給電用レーザ光源１２１（送信波長λｐ）、下り通信用光送信機１２２（送信波長λｄ）、上り通信用光受信機１２３（受信波長λｕ）が配置されており、これらは波長合分波器１２４によって低損失で一本の光ファイバに合波／分波される。またそれぞれの子機１２７中には、給電光受光器１２９（受信波長λｐ）、下り通信用光受信機１３０（受信波長λｄ）、上り通信用光送信機１３１（送信波長λｕ）が配置されており、おのおの送信光・受信光は波長合分波器１２４によって一本の光ファイバに合波／分波される。
給電用レーザ光源１２１から出力された強い給電光は、光分岐器１２６でほぼ等しい強度に３つに分割されて３台の子機中の給電光受信器１２９−１、１２９−２、１２９−３で受信され、各子機の動作電力として用いられる。なお、光分岐器１２６では、子機１２７の動作電力に応じて、特定の子機１２７に対する分岐比をあらかじめ定めた値に増減してもよい。また子機から親機に向かう上り通信は、子機から測定したセンサ情報などを親機に転送するために用いられる。各子機内の上り通信用光送信機１３１−１、１３１−２、１３１−３は、各子機から親機への通信情報を含む上り通信光を送信し、これらは光分岐器１２６で合成されて親機で一括して受信される。
本実施例においては、親機から子機に向かう下り通信光が親機から子機への情報伝送と共に、子機の動作タイミングを指定するために利用されている。親機内の下り通信用光通信機１２２で生成された下り通信光１３２は給電光と同様に光分岐器１２６で３つに分岐されて各子機内に配置された下り通信用光受信機１３０−１、１３０−２、１３０−３で受信される。図中に示すように下り通信信号１３２は一定時間幅の時間フレーム１３４の繰り返しで構成されており、各時間フレーム中には子機識別情報１３３が記入されている。
図２は、第１の実施例における光給電システムを示す構成図である。本図は、親機１２０と３台の子機１２７−１、１２７−２、１２７−３が光ファイバ１２５と光分岐器１２６を介してスター状に接続された構成である。親機１２０中には給電用レーザ光源１２１（送信波長λｐ）、下り通信用光送信機１２２（送信波長λｄ）、上り通信用光受信機１２３（受信波長λｕ）が配置されており、これらは波長合分波器１２４によって低損失で一本の光ファイバに合波／分波される。またそれぞれの子機１２７中には、給電光受光器１２９（受信波長λｐ）、下り通信用光受信機１３０（受信波長λｄ）、上り通信用光送信機１３１（送信波長λｕ）が配置されており、おのおの送信光・受信光は波長合分波器１２４によって一本の光ファイバに合波／分波される。
給電用レーザ光源１２１から出力された強い給電光は、光分岐器１２６でほぼ等しい強度に３つに分割されて３台の子機中の給電光受信器１２９−１、１２９−２、１２９−３で受信され、各子機の動作電力として用いられる。なお、光分岐器１２６では、子機１２７の動作電力に応じて、特定の子機１２７に対する分岐比をあらかじめ定めた値に増減してもよい。また子機から親機に向かう上り通信は、子機から測定したセンサ情報などを親機に転送するために用いられる。各子機内の上り通信用光送信機１３１−１、１３１−２、１３１−３は、各子機から親機への通信情報を含む上り通信光を送信し、これらは光分岐器１２６で合成されて親機で一括して受信される。
本実施例においては、親機から子機に向かう下り通信光が親機から子機への情報伝送と共に、子機の動作タイミングを指定するために利用されている。親機内の下り通信用光通信機１２２で生成された下り通信光１３２は給電光と同様に光分岐器１２６で３つに分岐されて各子機内に配置された下り通信用光受信機１３０−１、１３０−２、１３０−３で受信される。図中に示すように下り通信信号１３２は一定時間幅の時間フレーム１３４の繰り返しで構成されており、各時間フレーム中には子機識別情報１３３が記入されている。
図２の構成では親機・子機から出入りする光ファイバはそれぞれ一本のみであり光給電、上り通信光、下り通信光に同一の光ファイバを共用する構成を示したが必要に応じて一部ないしは全部に異なる光ファイバを用いてもかまわず、またマルチコアファイバの異なるコアを用いてもかまわない。また各子機を分岐する構成も図２に示すスター型に限らず、２重スター型、トーナメント型、梯子型、逐次分岐型、リング型など光ネットワークなどに用いられる接続構成を広く利用することが可能である。また光ファイバも、伝送距離や損失などに応じてシングルモード型、マルチモード型などを適宜利用することが可能である。
本図では子機数Ｎ＝３、時間フレーム数Ｍ＝３としているが、Ｎは２以上、ＭはＮ以上であればよく、原理上は子機数Ｎを数１０〜数１００個としても本質的な問題はない。
また図２では、光給電、上り通信光、下り通信光の波長をそれぞれ異なる波長λｐ、λｄ、λｕを割り当てているがこれらの波長は光ファイバの損失やレーザ光源の特性などを鑑みて配置すればよい。例えば、給電光源の波長には大出力のレーザを安価で入手可能な１．４８μｍや０．９８μｍ、あるいは、光ファイバ損失の少ない１．５μｍ近辺などを適宜割り当てればよく、また、光通信波長には０．８５μｍ、１．３μｍ、１．５μｍなどを適宜割り当てればよく、さらに、上り下りの通信などに同一の波長を利用してもかまわない。
本図では子機数Ｎ＝３、時間フレーム数Ｍ＝３としているが、Ｎは２以上、ＭはＮ以上であればよく、原理上は子機数Ｎを数１０〜数１００個としても本質的な問題はない。
また図２では、光給電、上り通信光、下り通信光の波長をそれぞれ異なる波長λｐ、λｄ、λｕを割り当てているがこれらの波長は光ファイバの損失やレーザ光源の特性などを鑑みて配置すればよい。例えば、給電光源の波長には大出力のレーザを安価で入手可能な１．４８μｍや０．９８μｍ、あるいは、光ファイバ損失の少ない１．５μｍ近辺などを適宜割り当てればよく、また、光通信波長には０．８５μｍ、１．３μｍ、１．５μｍなどを適宜割り当てればよく、さらに、上り下りの通信などに同一の波長を利用してもかまわない。
図３は、第１の実施例における下り通信信号１３２と子機の動作タイミングを示す説明図（横軸は時間）である。図は、子機数Ｎ＝３、フレーム数Ｍ＝３の例であり、下り通信信号１３２は３個（Ｍ＝３）の時間フレーム１３４−１、１３４−２、１３４−３を１サイクルとして繰り返し送信されており、１サイクル中の３つの時間フレーム中には子機識別情報として子機１２７−１〜１２７−３に対応する子機番号１〜３が記入されている。
時間フレーム１３４−１、１３４−２、１３４−３の白地の部分にはそれぞれ親機から子機１２７−１、１２７−２、１２７−３に送信される通信データが含まれる。このため子機１２７−１〜１２７−３はそれぞれ自機に対応した子機番号を含む時間フレーム１２７−１〜１２７−３を受信する時間だけ動作状態（又は、ＲＵＮ）とすればよく、他の時間は非動作状態（又は、ＳＬＥＥＰ）に移行するものとした。これにより各子機の動作時間は１サイクル中の１／Ｍで済み、下り通信及び上り通信の無駄な待ち受けが不要となり、簡易に省電力化を実現できる。
時間フレーム１３４−１、１３４−２、１３４−３の白地の部分にはそれぞれ親機から子機１２７−１、１２７−２、１２７−３に送信される通信データが含まれる。このため子機１２７−１〜１２７−３はそれぞれ自機に対応した子機番号を含む時間フレーム１２７−１〜１２７−３を受信する時間だけ動作状態（又は、ＲＵＮ）とすればよく、他の時間は非動作状態（又は、ＳＬＥＥＰ）に移行するものとした。これにより各子機の動作時間は１サイクル中の１／Ｍで済み、下り通信及び上り通信の無駄な待ち受けが不要となり、簡易に省電力化を実現できる。
また各時間フレームの白地部分には最初から最後まで連続してデータ伝送を行う必要はない。親機からの下り通信量が少ない場合または子機からの上り通信量が少ない場合などには時間フレームの途中で親機からのデータ通信を終了してもよい。この場合、図３中の子機１２７−２の動作に示すように時間フレーム１３４−２の途中で動作状態（又は、ＲＵＮ）を打ち切って、非動作状態（又は、ＳＬＥＥＰ）に移行してさらなる電力の節減を行ってもかまわない。また各子機は対応する時間フレームの終了とともに必ず非動作状態に移行する必要はなく、必要に応じて子機の全動作や一部のセンシング処理を継続してもかまわない。この場合、他の子機に対応する時間フレーム中の受信データは単に無視すればよい。
また、図では上り通信信号１３５は、各子機１２７−１、１２７−２、１２７−３の上り通信時間が、各子機の通信量に応じた時間幅となっている場合が示されている。なお、通信データが無い場合は、ｎｕｌｌデータや予め定めたデータを挿入する等により、時間フレーム全体を用いてデータ伝送を行うようにしてもよい。
本例では子機識別情報は１〜３の整数を用いたが、実際に存在する子機との対応が識別できれば他の記号や数字を用いてもかまわない。例えば、飛び飛びの数字や任意の文字列、親機が各子機に割り当てた識別番号、子機のシリアル番号などを任意に利用することが可能である。
また、図では上り通信信号１３５は、各子機１２７−１、１２７−２、１２７−３の上り通信時間が、各子機の通信量に応じた時間幅となっている場合が示されている。なお、通信データが無い場合は、ｎｕｌｌデータや予め定めたデータを挿入する等により、時間フレーム全体を用いてデータ伝送を行うようにしてもよい。
本例では子機識別情報は１〜３の整数を用いたが、実際に存在する子機との対応が識別できれば他の記号や数字を用いてもかまわない。例えば、飛び飛びの数字や任意の文字列、親機が各子機に割り当てた識別番号、子機のシリアル番号などを任意に利用することが可能である。
図４は、第１の実施例の光給電システムにおける親機の構成図である。本例では、親機１２０は、給電用レーザ光源１２１は給電光源駆動回路１４８によって一定光強度の給電光を出力する。下り通信部においては、各子機１２７−１〜１２７−３に送信される通信情報（ＤＡＴＡ）がそれぞれデータバッファとなる送信用ＦＩＦＯ（Ｆｉｒｓｔ Ｉｎ Ｆｉｒｓｔ Ｏｕｔ）回路１４１−１〜１４１−３に入力され、時間フレーム生成回路１４２でそれぞれの子機識別情報とともに時間多重されて時間フレーム信号が生成される。本信号は下り通信用光送信機１２２内部の下り通信信号変調回路１４４に入力され、下り通信用レーザ光源１４５の変調信号として利用される。
上り通信部は、波長合分波器１２４で分離された上り通信光（波長λｕ）は上り通信用光検出器１４７で電気信号に変換され、上り通信識別判定回路１４６に入力される。本実施例では各子機からの上り通信も各子機に対応した時間フレーム内で送信されるため、復号された上り通信信号を時間フレーム分離回路１４３に入力することで、簡易に対応する子機の上り通信情報を分離することが可能となる。分離された上り通信情報信号は、対応する子機ごとに上り通信受信用ＦＩＦＯ回路１４１−１に入力される。
上り通信部は、波長合分波器１２４で分離された上り通信光（波長λｕ）は上り通信用光検出器１４７で電気信号に変換され、上り通信識別判定回路１４６に入力される。本実施例では各子機からの上り通信も各子機に対応した時間フレーム内で送信されるため、復号された上り通信信号を時間フレーム分離回路１４３に入力することで、簡易に対応する子機の上り通信情報を分離することが可能となる。分離された上り通信情報信号は、対応する子機ごとに上り通信受信用ＦＩＦＯ回路１４１−１に入力される。
図５は、第１の実施例の光給電システムにおける子機の構成図である。子機１２７内の波長合分波器１２８で分離された給電光（波長λｐ）は、給電光受光器１２９で電気信号に変換され、その電力は蓄電回路１５４に蓄積されて子機の主電力として利用される。下り通信用光受信機１３０では、分離された下り通信光（波長λｄ）が下り通信用光検出器１５０で電気信号に変換され、下り通信識別判定回路１５１で情報信号が復元され下り通信受信用ＦＩＦＯ回路１５６に蓄積され、通信制御部１６４で処理される。また通信制御部１６４で生成された上り通信信号は、上り通信送信用ＦＩＦＯ回路１５５に入力された後に、上り通信用信号変調回路１５３にて変調信号に変換され、上り通信用レーザ光源１５２の変調信号として利用され、上り通信光（波長λｄ）として出力される。このように各子機は他の子機との信号衝突などを考慮する必要が無いため、簡易な構成が可能である。
また、図５の子機には子機識別情報分離回路１６２が配置されている。本回路は下り通信受信用ＦＩＦＯ回路１５６から得られた下り通信信号の時間フレームから子機識別情報（ＩＤ）を取り出す機能を持つ。起動時刻設定回路１６５は、取り出された子機識別情報（ＩＤ）と、子機内のメモリ回路１６１に記憶された自機の識別情報（＃ｉ）を利用して、次回の起動時刻を算出し起動タイマ１６６を設定する（詳細は後述）。
また本構成では子機の内部に識別情報照合回路１６３が配置されている。本回路は、現在受信中の時間フレームから取り出された子機識別情報（ＩＤ）と、子機内のメモリ回路１６１に記憶された自機の識別情報（＃ｉ）を比較し、両者が一致する場合にのみ通信制御部１６４に許可信号を送り、上り通信信号の出力を許可している。
また本構成では子機の内部に識別情報照合回路１６３が配置されている。本回路は、現在受信中の時間フレームから取り出された子機識別情報（ＩＤ）と、子機内のメモリ回路１６１に記憶された自機の識別情報（＃ｉ）を比較し、両者が一致する場合にのみ通信制御部１６４に許可信号を送り、上り通信信号の出力を許可している。
図６は、上述の子機の機能を説明するフローチャートである。ＳＴＡＲＴは子機が起動した時点であり、ステップＳ６１では、起動時刻設定回路１６５は、次回の起動時刻を算出し、起動タイマ１６６に設定する。本回路は、特に光給電システムの導入直後や子機のリセットなどで、子機が自機に割り当てられていない異なるタイミングで起動した場合に次回の起動時刻が正常なタイミングとなるように修正する機能持っている。繰り返し時間フレームの正常な受信が成立している場合には、起動時刻設定回路１６５の設定値は一定値でよく、略１サイクル時間後とすればよい。これは時間フレームの長さをＴｆと１サイクル中のフレーム数Ｍの積であり、本例では、Ｍ＝３であり、（時間フレーム数Ｍ）ｘ（時間フレーム長Ｔｆ）＝３Ｔｆとなる。異なるタイミングで起動した場合には、正しい時間フレームの位置を算出する必要があるがこれにはいくつかの手法が考えられる。本例では、時間フレームに記載されている子機識別番号が１〜３のようにひとつずつ増加する自然数であるため、時間フレームの位置は、受信した時間フレーム中の子機識別情報ＩＤ、自機の識別番号＃ｉと、フレーム数Ｍを用いて単純な計算（Ｍ−ＩＤ＋＃ｉ）ｘＴｆで算出することが可能である。すなわち、両者が一致している場合にはタイマ設定時間は前述のようにＭｘＴｆとなり、受信した時間フレームのＩＤが自機の識別番号が異なる場合にはその差分だけ、起動する時間フレームを前後にずらせばよい。
なお、時間フレーム数Ｍはあらかじめ固定値としても、定期的に親機から各子機に通知しても構わない。また上述と違うアルゴリズムで起動時間の設定を行うことも可能である。簡単な手法としては例えば、時間フレームに記載された子機識別情報（ＩＤ）と自機の識別情報（＃ｉ）が異なる場合には１つないしは一定値ｘ時間フレーム長（Ｔｆ）だけ次回の起動時間をずらすことを繰り返せばよい。
また起動時刻設定回路の設定時間１６５は、正常な動作中であっても厳密に上述の値（３Ｔｆ）や時間フレームの開始時刻と完全に一致する必要はなく必要な範囲で前後してもかまわない。一般に用いられるＣＰＵのスリープ状態からの起動には、ＣＰＵ中のタイマによる割り込み起動が利用されるが、起動後の動作開始までには、例えば数１０マイクロ秒などの余分な時間がかかることが想定される。また送受信回路なども電源再投入後の正常な動作には若干の準備時間が必要になるため、これを考慮して起動時刻設定を多少短めにして早めに起動する方が望ましい。
また起動時刻設定回路の設定時間１６５は、正常な動作中であっても厳密に上述の値（３Ｔｆ）や時間フレームの開始時刻と完全に一致する必要はなく必要な範囲で前後してもかまわない。一般に用いられるＣＰＵのスリープ状態からの起動には、ＣＰＵ中のタイマによる割り込み起動が利用されるが、起動後の動作開始までには、例えば数１０マイクロ秒などの余分な時間がかかることが想定される。また送受信回路なども電源再投入後の正常な動作には若干の準備時間が必要になるため、これを考慮して起動時刻設定を多少短めにして早めに起動する方が望ましい。
ついでステップＳ６３では、識別情報照合回路１６３は、受信中の時間フレームに記載された子機識別情報（ＩＤ）と自機の識別情報（＃ｉ）を比較し、両者が一致する場合にのみ、ステップＳ６５で、通信制御部１６４に許可信号を送り、通信制御部１６４が、上り通信を実行する。このように受信した時間フレームに記載された子機識別情報を自身の識別情報と照合した上で通信を行うことによって、間違ったタイミングで起動した場合でも、他の子機に割り当てられた時間フレーム中に上り信号を送信してしまうことを確実に防止でき、簡易な機構で上り通信の衝突を防ぎ信頼性と安定性を高めることができる。なお子機の識別情報量を時間フレームの先頭付近に配置しておけば、子機側では時間フレームの受信開始直後から上り通信が可能となり無駄時間を減らすことが可能となる。なお一旦繰り返し時間フレームの正常な受信が成立している場合には、上述のように必ずしも再起動の都度に識別情報の照合を実施する必要はない。
また本例の構成図中では、起動時刻設定回路１６５や識別情報照合回路１６３などの機能要素を子機内部のＣＰＵ１６０の内部の回路として実現した例を示したが、これらは同一の機能を持つ要素であれば実現形態を制限するものではなく、例えば外部の回路やＦＰＧＡなどのデバイス、もしくはＣＰＵ内部のプログラムなどで実現してもかまわない。
また本例の構成図中では、起動時刻設定回路１６５や識別情報照合回路１６３などの機能要素を子機内部のＣＰＵ１６０の内部の回路として実現した例を示したが、これらは同一の機能を持つ要素であれば実現形態を制限するものではなく、例えば外部の回路やＦＰＧＡなどのデバイス、もしくはＣＰＵ内部のプログラムなどで実現してもかまわない。
Ｃ．第２の実施例
図７は、第２の実施例の光給電システムにおける親機の構成図であり、給電光（波長λｐ）を給電と下り光通信に共用する構成である。本例では下り通信信号変調回路１４４から出力された変調電気信号は電流信号として出力され、給電光源駆動回路１４８から出力される給電電流分（電流値Ｉｂ）と電流加算回路１４９で直流的に加算され、給電用レーザ光源１２１の駆動信号として用いられている。
一般に光給電用に用いられるレーザ光源は高速変調には不向きであるが、例えば、数〜数１００ＭＨｚ程度の低速変調であれば通信にも利用することが可能である。
図７は、第２の実施例の光給電システムにおける親機の構成図であり、給電光（波長λｐ）を給電と下り光通信に共用する構成である。本例では下り通信信号変調回路１４４から出力された変調電気信号は電流信号として出力され、給電光源駆動回路１４８から出力される給電電流分（電流値Ｉｂ）と電流加算回路１４９で直流的に加算され、給電用レーザ光源１２１の駆動信号として用いられている。
一般に光給電用に用いられるレーザ光源は高速変調には不向きであるが、例えば、数〜数１００ＭＨｚ程度の低速変調であれば通信にも利用することが可能である。
図８は、親機内の下り通信信号と給電用レーザの駆動信号を示す説明図である。図８（ａ）は下り通信信号１３２の時間フレーム表記であり、時間フレーム１３４−１〜１３４−３には子機識別情報と各子機への通信情報が収容される。図８（ｂ）は下り通信信号１３２を電気信号である変調信号に変換したものであり、時間フレームのデータはパルス列に変換されている。親機からの通信情報が少ない場合には時間フレーム全体を使う必要はなく、本例ではパルス列は時間フレームの先頭部分に配置し通信終了後は不要な情報伝送を行わないことで、子機側での時間フレームの先頭点の識別や電力節減を容易な構成としている。
図８（ｃ）は給電用レーザ光源１３２の駆動電流であり、給電電流分Ｉｂに図８（ａ）の通信成分を直流的に加算することで生成している。このように直流的な加算を行うと、上述のように時間フレーム末尾などで下り通信データを止めても信号レベルの低周波変動が発生せず、受信側でのレベル識別を容易になり受信機の回路や動作が簡易化できる。
図８（ｃ）は給電用レーザ光源１３２の駆動電流であり、給電電流分Ｉｂに図８（ａ）の通信成分を直流的に加算することで生成している。このように直流的な加算を行うと、上述のように時間フレーム末尾などで下り通信データを止めても信号レベルの低周波変動が発生せず、受信側でのレベル識別を容易になり受信機の回路や動作が簡易化できる。
図９は、第２の実施例の光給電システムにおける子機の構成図（１）である。本例では、光給電と下り通信の受信に用いる光検出器を共用することで構成の簡素化を図った例である。給電光（波長λｐ）は給電光受光器１２９に入力され、出力される光電流の大部分は蓄電回路１５５に入力されて電力として利用される。その一部は、下り通信識別判定回路１５１に入力され、基準電圧源１５７の出力する判定電圧Ｖｔｈと比較されて下り通信成分が識別・判定される。
図１０は、子機（識別情報＃１）内の下り通信信号の検出を示す説明図である。判定電圧Ｖｔｈは、給電光受光器１２９から出力される給電光成分の直流レベルよりやや上の予め定められた値に設定することで変調成分の２値判定が可能となる。子機の動作時間は図１０（ｂ）に示すように断続的であるが、給電光受光器１２９と基準電圧源１５７は常時動作させるものとすれば子機が起動状態（ＲＵＮ）に移行した直後から安定した識別動作が可能であり、下り通信識別判定回路１５１から図１０（ｃ）のように自機に対応した時間フレーム内の下り通信信号１３２を抽出し、図１０（ｄ）の時間フレームが再生できる。
図１５は、第２の実施例の光給電システムにおける子機の構成図（２）である。
上述のように、図９には、光給電と下り通信の受信に用いる光検出器を共用する例を示したが、両者を別々の光検出器で検出しても構わない。図１５のように、このような構成では、波長λｐの給電光の一部を光分岐器１６９で分離し、図５と同様な構成で一方を給電光受光器１２９、他方を下り通信用光検出器１５０に入力すればよい。
上述のように、図９には、光給電と下り通信の受信に用いる光検出器を共用する例を示したが、両者を別々の光検出器で検出しても構わない。図１５のように、このような構成では、波長λｐの給電光の一部を光分岐器１６９で分離し、図５と同様な構成で一方を給電光受光器１２９、他方を下り通信用光検出器１５０に入力すればよい。
なお、以上では、主に、親機が、変調した通信データを給電光に加算することによって下り通信を行う場合について説明したが、これに限らず、親機が、変調した通信データを給電光から減算することによって下り通信を行い、子機が、識別判定回路により、給電光成分の直流レベルよりやや下の予め定めた判定電圧と比較することで下り通信信号を識別するようにしてもよい。
Ｄ．第３の実施例
図１１は、第３の実施例における光給電システムを示す構成図であり、２つの子機１２７−１と１２７−２から出力された上り通信信号１７０−１及び１７０−２が光分岐器１２６で多重化され、多重化後の上り通信信号１７１が生成される様子を示している。本実施例では、各子機の上り通信時間を互いに排他的としているため、上り通信の衝突が起こらず簡易に上り通信信号が多重化が実現される。
図１１は、第３の実施例における光給電システムを示す構成図であり、２つの子機１２７−１と１２７−２から出力された上り通信信号１７０−１及び１７０−２が光分岐器１２６で多重化され、多重化後の上り通信信号１７１が生成される様子を示している。本実施例では、各子機の上り通信時間を互いに排他的としているため、上り通信の衝突が起こらず簡易に上り通信信号が多重化が実現される。
図１２は、第３の実施例における上り通信信号と子機の動作タイミングを示す説明図である。本例は、時間フレーム数Ｍ＝４、子機数Ｎ＝２の例であり、１サイクルを構成する４つの時間フレームには１３４−１、１３４−２、１３４−３、１３４−４には子機識別情報として１〜４の４つの値が記入されている。これに対し２つの子機は識別番号として１と２が割り当てられており、通常は両子機はそれぞれ時間フレーム１、２中で動作し、時間フレーム３、４は対応する子機のいない空き時間となっている。親機は空き時間中にも時間フレームを送信しているが、これによってシステムの初期立ち上げ時などに子機が空き時間フレーム中に起動した場合でも、子機側で親機が動作していることが検出できたり、空き時間フレーム中の子機識別情報を手がかりに次回の起動時刻を変更することが可能となる。
本例では、子機１２７−２は空き時間フレーム３、４を利用して親機との通信を行っている例である。すなわち図中２段目に示すように、親機は、子機１２７−２とあらかじめ折衝をして、空き時間フレーム３及び４の利用権を確保し、空き時間フレーム３、４を利用して親機と子機１２７−２との通信に割り当てる。これにより、動作時間や通信時間を延長することが可能となり、本例では通常よりも３倍の大容量の通信が可能となる。
本例では、各ノードは上り通信の先頭に自機の識別情報を記入しているが、これによって親機は正しい子機と通信が行えていることを確認することが可能である。また本例では、子機１２７−２から送信される時間フレーム１７０−２においては、３つの連続する時間フレームをひとつの時間フレームとして合成して利用しているが、３つの時間フレームとして利用しても構わない。また、各３つの時間フレームにそれぞれ子機１２７−２の子機
識別情報１３３を含めてもよい。
本例では、子機１２７−２は空き時間フレーム３、４を利用して親機との通信を行っている例である。すなわち図中２段目に示すように、親機は、子機１２７−２とあらかじめ折衝をして、空き時間フレーム３及び４の利用権を確保し、空き時間フレーム３、４を利用して親機と子機１２７−２との通信に割り当てる。これにより、動作時間や通信時間を延長することが可能となり、本例では通常よりも３倍の大容量の通信が可能となる。
本例では、各ノードは上り通信の先頭に自機の識別情報を記入しているが、これによって親機は正しい子機と通信が行えていることを確認することが可能である。また本例では、子機１２７−２から送信される時間フレーム１７０−２においては、３つの連続する時間フレームをひとつの時間フレームとして合成して利用しているが、３つの時間フレームとして利用しても構わない。また、各３つの時間フレームにそれぞれ子機１２７−２の子機
識別情報１３３を含めてもよい。
Ｅ．第４の実施例
図１３は、第４の実施例の光給電システムにおける子機の構成図であり、下り通信信号の判定電圧Ｖｔｈの自動設定機構と起動時刻の微調機構とを備えた例である。
図１３は、第４の実施例の光給電システムにおける子機の構成図であり、下り通信信号の判定電圧Ｖｔｈの自動設定機構と起動時刻の微調機構とを備えた例である。
前者においては、図１０（ａ）に示す給電光受光器１２９の出力信号は２つに分岐されその一方が下り通信識別判定回路１５１に、他方が平均受信強度検出回路１６８に入力される。平均受信強度検出回路１６８は給電光受光器１２９の出力信号を平均化し、その大部分を占める図１０（ａ）の給電光成分を正確に検出する機能を持つ。その出力信号は基準電圧源１５７に入力され、基準電圧源１５７は入力された給電光成分よりあらかじめ決められた一定比率（例えば１０％）又はあらかじめ決められた一定値だけ高い電圧信号を出力し、これを判定電圧Ｖｔｈとして利用する。このような構成にすることにより、子機１２７が非動作中にファイバの損失の変動や親機内の給電用レーザの出力強度が変動する、給電光受光器１２９が劣化するなどの不慮の事態が起こり給電光受光器１２９の出力信号の受信強度が大きく変動したとしても、給電光に重畳された下り通信成分の判定レベルが受信強度の変動に追従して変化するため、常に正確に下り信号を受信することが可能となる。
後者の起動時刻の微調機構を実現するため、図１３中には新たにタイミング比較回路１６７が配置されている。タイミング比較回路１６７は、下り通信用光受信機１３０から親機から送信された上り時間フレームの先頭タイミングを検出し、自機の起動タイマ１６６の出力する自機の起動タイミングとの時間差Ｔを抽出する機能を持つ。
後者の起動時刻の微調機構を実現するため、図１３中には新たにタイミング比較回路１６７が配置されている。タイミング比較回路１６７は、下り通信用光受信機１３０から親機から送信された上り時間フレームの先頭タイミングを検出し、自機の起動タイマ１６６の出力する自機の起動タイミングとの時間差Ｔを抽出する機能を持つ。
図１４は、第４の実施例における子機の動作タイミングを示す説明図である。本例では、親機からの時間フレームを正確に受信するため、子機は時間フレームの先頭時刻よりわずかな時間Ｔｐだけ早く立ち上がるものとしている。図１４（ｂ）は、子機起動時間が正しい（Ｔ＝Ｔｐ）である場合であり、この場合は次回起動が丁度一サイクル後となるよう起動タイマにはサイクル超（ＭｘＴｆ）を設定すればよい。親機と子機の動作タイミングは完全には合致していない場合が想定されるため、ある程度の動作後には両者の立ち上がり時間にずれを生じる可能性がある。図１４（ｃ）は子機が所定時間よりわずかに早く立ち上がってしまった例であり、この場合には、タイミング比較回路１６７回路からはＴ−Ｔｐに相当する信号が出力される。本出力信号は、起動時刻設定回路１６５に入力されて次回の起動時刻をおよそＴ−Ｔｐだけ遅延させるために用いられる。また逆に図１４（ｄ）のように、子機が所定時間よりわずかに遅く立ち上がってしまった場合には、タイミング比較回路１６７回路からはＴｐ−Ｔに相当する信号が出力され、起動時刻設定回路１６５に入力されて、次回の起動時刻をおよそＴｐ−Ｔだけ早めるために用いられる。本構成によって、親機と子機のタイマやクロックにわずかな精度の差があっても、常に起動時間を正確に調整し、本実施例の動作を保証することが可能となる。
Ｆ．実施例の効果
本実施例では、親機と複数の子機の存在する光給電システムにおいて、簡易な構成で親機からの下り通信の無駄な待ち受け時間を削減し、子機を省電力モードに移行して電力を節減できるという効果がある。また、本実施例は、簡易な構成で上り通信の衝突を回避し、子機からの再送処理をなくすことで、子機の動作を単純化して動作信頼性を高め、子機の動作時間と電力を節減できるという効果がある。
さらに、本実施例は、下り通信と給電光を共用することで、親機及び子機の構成を簡素化するとともに、子機における下り通信の成分の閾値検出精度を高め、子機の下り通信受信器の立ち上げ時間を短縮できるという効果がある。また、本実施例は、空き時間フレームを必要な子機に割り当てることで、簡易な構成で上下の通信容量の増大、帯域増大が可能になるという効果もある。また、本実施例は、親機からの通信情報と給電情報を直流合成することで、下り通信を停止した場合のレベル変動を防ぎ、子機側での受信を容易にするとともに、時間フレームの先頭点の識別や電力節減を可能にするという効果もある。
本実施例では、親機と複数の子機の存在する光給電システムにおいて、簡易な構成で親機からの下り通信の無駄な待ち受け時間を削減し、子機を省電力モードに移行して電力を節減できるという効果がある。また、本実施例は、簡易な構成で上り通信の衝突を回避し、子機からの再送処理をなくすことで、子機の動作を単純化して動作信頼性を高め、子機の動作時間と電力を節減できるという効果がある。
さらに、本実施例は、下り通信と給電光を共用することで、親機及び子機の構成を簡素化するとともに、子機における下り通信の成分の閾値検出精度を高め、子機の下り通信受信器の立ち上げ時間を短縮できるという効果がある。また、本実施例は、空き時間フレームを必要な子機に割り当てることで、簡易な構成で上下の通信容量の増大、帯域増大が可能になるという効果もある。また、本実施例は、親機からの通信情報と給電情報を直流合成することで、下り通信を停止した場合のレベル変動を防ぎ、子機側での受信を容易にするとともに、時間フレームの先頭点の識別や電力節減を可能にするという効果もある。
Ｇ．付記
本実施例は、光ファイバ給電技術を用いて親機から遠隔地に配置された複数の子機に向かって同時に給電と上下の光通信を行い、多点での監視やデータ収集・情報通信などを行う光給電システムに対して適用することが可能である。
本実施例は、光ファイバ給電技術を用いて親機から遠隔地に配置された複数の子機に向かって同時に給電と上下の光通信を行い、多点での監視やデータ収集・情報通信などを行う光給電システムに対して適用することが可能である。
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれている。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
１２０：親機、１２１：給電用レーザ光源、１２２：下り通信用光送信機、
１２３：上り通信用光受信機、１２４：波長合分波器、
１２５：光ファイバ、１２６：光分岐器、
１２７：子機、１２８：波長合分波器、１２９：給電光受光器、
１３０：下り通信用光受信機、１３１：上り通信用光送信機、
１３２：下り通信信号、１３３：子機番号、１３４：時間フレーム、
１４０：下り通信送信用ＦＩＦＯ回路、１４１：上り通信受信用ＦＩＦＯ回路、
１４２：時間フレーム生成回路、１４３：時間フレーム分離回路、
１４４：下り通信信号変調回路、１４５：下り通信用レーザ光源、
１４６：上り通信識別判定回路、１４７：上り通信用光検出器、
１４８：給電光源駆動回路、１４９：電流加算回路、
１５０：下り通信用光検出器、１５１：下り通信識別判定回路、
１５２：上り通信用レーザ光源、１５３：上り通信用信号変調回路、
１５４：蓄電回路、１５５：上り通信送信用ＦＩＦＯ回路、
１５６：下り通信受信用ＦＩＦＯ回路、１５７：基準電圧源、
１６０：ＣＰＵ、１６１：メモリ回路、１６２：子機識別情報分離回路、
１６３：識別情報照合回路、１６４：通信制御部、
１６５：起動時刻設定回路、１６６：起動タイマ、１６７：タイミング比較回路、
１６８：平均受信強度検出回路、
１７０：上り通信信号、１７１：多重化後の上り通信信号
１２３：上り通信用光受信機、１２４：波長合分波器、
１２５：光ファイバ、１２６：光分岐器、
１２７：子機、１２８：波長合分波器、１２９：給電光受光器、
１３０：下り通信用光受信機、１３１：上り通信用光送信機、
１３２：下り通信信号、１３３：子機番号、１３４：時間フレーム、
１４０：下り通信送信用ＦＩＦＯ回路、１４１：上り通信受信用ＦＩＦＯ回路、
１４２：時間フレーム生成回路、１４３：時間フレーム分離回路、
１４４：下り通信信号変調回路、１４５：下り通信用レーザ光源、
１４６：上り通信識別判定回路、１４７：上り通信用光検出器、
１４８：給電光源駆動回路、１４９：電流加算回路、
１５０：下り通信用光検出器、１５１：下り通信識別判定回路、
１５２：上り通信用レーザ光源、１５３：上り通信用信号変調回路、
１５４：蓄電回路、１５５：上り通信送信用ＦＩＦＯ回路、
１５６：下り通信受信用ＦＩＦＯ回路、１５７：基準電圧源、
１６０：ＣＰＵ、１６１：メモリ回路、１６２：子機識別情報分離回路、
１６３：識別情報照合回路、１６４：通信制御部、
１６５：起動時刻設定回路、１６６：起動タイマ、１６７：タイミング比較回路、
１６８：平均受信強度検出回路、
１７０：上り通信信号、１７１：多重化後の上り通信信号
Claims (15)
- 光給電システムであって、
親機と、
前記親機と１本ないしは複数の光ファイバを介して接続されたＮ個（Ｎは２以上の整数）の子機と
を備え、
前記親機は、いずれか一本の光ファイバに給電光を送出してＮ個の前記子機に電力を供給し、
前記親機は、いずれか一本の光ファイバを利用してＮ個の前記子機に向けて下り通信光を送信して情報伝送を行い、
前記親機は、下り通信光をＭ個（ＭはＮ以上の整数）ごとに繰り返す一定時幅又は略一定時間幅の時間フレームで構成し、Ｍ個の時間フレーム中のＮ個の時間フレームのいずれかひとつ又は複数に、少なくともいずれか一つの前記子機に対応した子機識別情報及び前記子機に対応した通信情報を含め、
いずれか一つの前記子機は、自身に対応した子機識別番号を含む時間フレームを受信した時間だけ動作状態又はＲＵＮ状態とし、他の時間は非動作状態又はＳＬＥＥＰ状態とする
ことを特徴とした光給電システム。
- 請求項１に記載の光給電システムにおいて、
それぞれの前記子機は、いずれか一本の共通の光ファイバを利用して前記親機に向けて上り通信光を送信して情報伝送を行い、
それぞれの前記子機は、自身に対応した子機識別情報を含む時間フレーム内に、他のひとつ又は複数の前記子機と互いに排他的に前記親機と上り及び下りの通信を行う
ことを特徴とする光給電システム。
- 請求項１に記載の光給電システムにおいて、
前記親機は、給電光と下り通信光とに同一の光源の出力光を共用し、変調した通信データを給電光に加算ないしは給電光から減算することによって下り通信を行うことを特徴とした光給電システム。
- 請求項１に記載の光給電システムにおいて、
前記親機は、前記子機の数Ｎが時間フレームの数Ｍを下回る場合に、どの前記子機とも子機識別情報が対応しない時間フレームを、前記親機と特定の前記子機との通信に一時的に割り当てることを特徴とした光給電システム。
- 請求項１に記載の光給電システムにおいて、
前記親機は、特定の前記子機と予め折衝をして確保したひとつ又は複数の空き時間フレームを、前記親機と特定の前記子機との通信に割り当てることを特徴とした光給電システム。
- 請求項１に記載の光給電システムであって、
前記親機は、前記光ファイバを用いてＮ個の前記子機に向けて下り通信光を送出する光送信機と、
Ｎ個の前記子機の子機識別情報および各前記子機に送信する通信データを時間多重して時間フレームを生成する時間フレーム生成回路と、
前記時間フレーム生成回路から送出される時間フレームデータを前記光送信機に入力して下り通信光を変調する変調回路と、
を備えたことを特徴とした光給電システム。
- 請求項３に記載の光給電システムにおいて、
前記親機は、Ｎ個の前記子機の子機識別情報および各前記子機に送信する通信データを時間多重して時間フレームを生成する時間フレーム生成回路と、
前記時間フレーム生成回路から送出される時間フレームデータをパルス化する変調回路と、
前記変調回路から出力される変調信号を給電光の駆動電流に直流的に加算して給電光を変調する加算回路と、
を備えたことを特徴とした光給電システム。
- 請求項１に記載の光給電システムにおいて、
前記親機、又は、ひとつ又は複数の前記子機は、時間フレームの途中でデータ通信を終了すること、又は、時間フレームの途中で動作状態又はＲＵＮを打ち切って非動作状態又はＳＬＥＥＰに移行すること、を特徴とした光給電システム。
- 請求項１に記載の光給電システムにおいて、
前記子機は、
下り通信光を受信する光受信機と、
前記子機の次回の起動時間を指定する起動タイマと、
次の自身の子機識別情報を含む時間フレームの先頭または略先頭の時間に起動するように起動時刻を設定する起動時刻設定回路
を備え、
前記起動タイマと前記起動時刻設定回路にて次回起動時刻を設定後に非動作状態に移行することを特徴とした光給電システム。
- 請求項９に記載の光給電システムにおいて、
前記子機は、
受信した下り通信光中の時間フレームから子機識別情報を分離する分離回路と、
自機の子機識別情報を保存するメモリ回路と、
前記分離回路から出力された時間フレーム中の子機識別情報と前記メモリ回路に保存された自機の子機識別情報を照合する照合回路と
を備え、前記照合回路により両者の子機識別情報が一致した場合にのみ通信動作を行うことを特徴とした光給電システム。
- 請求項９に記載の光給電システムにおいて、
前記子機は、
前記親機の下り通信の特定タイミングを抽出して自機の起動タイミングと比較するタイミング比較回路
を備え、
両者のタイミングのずれがゼロ又は予め定めた閾値以下又は略ゼロとなるように自機の起動時刻又はタイマ係数を調整することを特徴とした光給電システム。
- 請求項３に記載の光給電システムにおいて、
前記子機は、給電光成分の直流レベルよりやや上ないしはやや下の予め定めた判定電圧と比較することで下り通信信号を識別する識別判定回路を備えたことを特徴とする光給電システム。
- 請求項３に記載の光給電システムにおいて、
前記子機は、
給電光の平均受信強度を測定する平均受信強度検出回路
を備え、
前記平均受信強度検出回路の出力信号を基準にして下り通信信号の識別レベルを算出することを特徴とした光給電システム。
- 光給電装置であって、
１本ないしは複数の光ファイバを介してＮ個（Ｎは２以上の整数）の子機と接続され、
いずれか一本の光ファイバに給電光を送出してＮ個の前記子機に電力を供給し、
いずれか一本の光ファイバを利用してＮ個の前記子機に向けて下り通信光を送信して情報伝送を行い、
下り通信光をＭ個（ＭはＮ以上の整数）ごとに繰り返す一定時幅又は略一定時間幅の時間フレームで構成し、Ｍ個の時間フレーム中のＮ個の時間フレームのいずれかひとつ又は複数に、少なくともいずれか一つの前記子機に対応した子機識別情報及び前記子機に対応した通信情報を含め、
いずれか一つの前記子機を、自身に対応した子機識別番号を含む時間フレームを受信した時間だけ動作状態又はＲＵＮ状態とさせ、他の時間は非動作状態又はＳＬＥＥＰ状態とさせる
ことを特徴とした光給電装置。
- 光給電方法であって、
１本ないしは複数の光ファイバを介してＮ個（Ｎは２以上の整数）の子機と接続し、
いずれか一本の光ファイバに給電光を送出してＮ個の前記子機に電力を供給し、
いずれか一本の光ファイバを利用してＮ個の前記子機に向けて下り通信光を送信して情報伝送を行い、
下り通信光をＭ個（ＭはＮ以上の整数）ごとに繰り返す一定時幅又は略一定時間幅の時間フレームで構成し、Ｍ個の時間フレーム中のＮ個の時間フレームのいずれかひとつ又は複数に、少なくともいずれか一つの前記子機に対応した子機識別情報及び前記子機に対応した通信情報を含め、
いずれか一つの前記子機を、自身に対応した子機識別番号を含む時間フレームを受信した時間だけ動作状態又はＲＵＮ状態とさせ、他の時間は非動作状態又はＳＬＥＥＰ状態とさせる
ことを特徴とした光給電方法。
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|---|---|
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