JP3133620U - 電力線ホームネットワークシステム - Google Patents

Abstract

【課題】ブロードバンドインターネットのアクセスや電気機器間の相互接続など多様な通信がホーム電力線を利用するための、小電力且つ高速のデータ通信が可能なホームネットワーク構築手段や多様な通信形態を一本の電力線上に多重化できる複数通信チャンネルが有するシステムを提供する。
【解決手段】ホーム分電盤にホームゲートウエイを設置し、各安全ブレーカの出力線に独立のPLCポートを挿入して、複数のPLCセクションが有するホームネットの構築で、実効的な高周波通信区間は安全ブレーカ配下の電力線長さ（数メトル〜数十メトル）となり、放射が少ない微小電力でPLC通信を実現する。広い通信周波数帯域を500kHz幅にセグメント化し、セグメント毎に独立のデータ変調／復調器を設ける。ノールバンドで高速データ変調／復調性能を実現する。
【選択図】図１

Description

本発明は電力線でホームネットワークの構築に関するものである。

ホームネットワークとは、家庭内のあらゆる電気製品が通信機能を持ち、相互に接続可能となり、家庭内で電気機器同士がネットワークに接続され、遠隔で機器のON/OFFなど制御や映像・音楽エンターテインメントコンテンツの送受信ができ、ユビキタス時代に想定される家庭環境の一つである。

現在考案中のホームネットワークの構築案は大きく分けると、ケーブルが接続媒体とする有線方式と無線での接続による無線方式がある。有線方式に使う通信ケーブルは様々の種類があり、現在多数の有線ホームネットワークは、電話ケーブルや同軸回線のHomePAN提案、又はLANケーブルでのHomeLAN提案などがあるが、そのホームネットワークの構築に当たって、ホーム内に新たの配線工事が必要で、コスト面の問題がある。無線案の場合には、電気機器に無線の通信モジュールの搭載が必要で、現実的に使える無線周波数帯域が少ないや無線ネットワークの盗聴防止が難しいなどの点がある。

一方、電力線を利用するインタネットアクセス技術、即ち電力線通信（PLC）が開発され、既設の給電電力線でホームネットワークを構築する提案もいくつがある。

現在提案されたの電力線ホームネットワークは、主にインタネットへのアクセス用やホーム内エンタープライズ機器間のデータ伝送用などに対象としたもので、その基本はPLCモデム（又はPLCアダプタ）方式である。即ち、PLCモデム（又はPLCアダプタ）が給電コンセントに差し込み、電気機器はPLCモデムで電力線を使って情報を送受信する。PLCモデムが給電コンセントに差込みしたので、高周波数PLC信号は電力線を沿ってホーム内全ての電気配線に伝播していく。この方式で以下のような課題がある。
（１） ホームの電気配線上にはブレーカがあり分岐も多く、高周波数通信信号に対して減衰が非常に大きいため、ホーム内電気配線の隅から隅まで配信するために一定の送受信パワーが必要である。しかしながら、ホームの電気配線が不平衡な線路の構造であるので、高周波電磁波の放射が大きい、他の無線利用への干渉を抑えるため、単純に送受信電力のレベルを高くすることができない。
（２） 電気機器間の相互接続は機器の種類と用途によって、使用する通信方式と接続形態が異なる。異なる接続形態の通信は同じの電力線で同時にできるためには、複数の独立な通信チャンネルが必要である。複数通信チャンネルの設定とその多重方法が一つの課題である。
（３） 電力線通信可用の周波数帯域（1.5M〜30MHz）は非常に広く、この広い帯域内において電力線の減衰や放射特性が均一的ではないので、一個のワイドバンドのデータ変調では高速／高性能のデータ伝送の実現が技術的に困難である。
（４） 上記の周波数帯域はいくつかの無線利用と短波放送用の帯域と重なっている。また、電力線の特性や使用環境によって周波数トラップもあるので、実際のシステムを運用するときには特定周波数帯域をカットや塀蔽する（ノッチバンド）ことが必要である。柔軟な周波数帯域制御と効率的な利用管理が課題である。
（５） 多種の電気機器の接続で、多種の通信形態があるため、接続の制御や通信チャンネルと容量の動態的な配分などのホームネットワーク管理用通信が多い、他のデータ通信と衝突せずに確実な管理通信チャンネルの確保が必要である。

本発明は、上記課題の解決ために提案した電力線ホームネットワークシステムである。

ホームの給電電気配線はホーム分電盤を中心としてツリー状でホーム内のコンセントに延伸している。各ツリー枝の元に漏電保護のため安全ブレーカがつけられている。ホーム電力線が通信媒体として使われるときに、異なる枝線上にある機器はお互い通信を行うときに安全ブレーカを通ることになる。安全ブレーカは高周波通信信号に対して大きな減衰だけではなく、相電線との分岐による不平衡も大きく電磁波の放射もしやすくなる。

本提案は、ホーム分電盤内にホームゲートウエイを設置し、各安全ブレーカの出力線にPLCポートを挿入する。電力配線の末端安全ブレーカの出力線に挿入した通信ポートはその枝出力線上の高周波通信リンクを終端し、各々安全ブレーカの出力枝線は独立のPLCセクションになる。異なる安全ブレーカ出力線上の機器間の通信はゲートウエイを経由してデータリング層で接続されるので、実効的な高周波通信区間は安全ブレーカ配下の電力線長さとなる。一般のホーム電力線の配線では末端の安全ブレーカ配下の電力線長さが数メートル〜数十メートルで、比較的に短い距離で線路ロースと線路遅延が少ないので、微小の電力で高速なデータ通信が可能になる。また、安全ブレーカは給電システムの末端ブレーカで、その下の配線は比較的に分岐が少なく、線路の平衡度及び線路の変化も比較的に少ないので、高周波信号の放射も少ない。

PLCに使用可能の周波数は1.5MHz〜30MHzまでで、周波数に対して非常にワイドな周波数バンドである。一般できには、ノールバンドと比較してワイドバンドの均一の高速／高性能の変調技術が難しい、単位周波数あたりのデータ変調率が低く、周波数帯域の有効利用が悪くなる。

また、実際のPLCの使用上に特定の周波数帯に放射電力レベルの規制や電力線自身の特性による周波数トラップが有るため、運用時に特定の周波数帯の送信電力レベルを制御するまたは塀蔽することが必要になり、ワイドバンドで一括使用することも困難である。

ワイドバンドの周波数帯域を一定帯域幅で複数のノールバンド周波数帯域にセグメンドして、セグメント毎独立な通信チャンネルとして使用されることで、ノールバンドの高速／高性能のデータ変調率が実現しやくなり、特定周波数の送信電力の調整及び特定帯域の塀蔽などの柔軟な帯域制御も容易になる。

本提案は、500kHzの固定周波数幅でPLC可用の周波数帯域をセグメントする。1.5MHz-30MHzの周波数帯域をとし、57個のノールバンドの周波数セグメントが得られる。

各周波数セグメントは物理的に独立なチャンネルとし、セグメント毎に独立のデータ変調／復調を設け、シングルのセグメントバンドでも単独の通信が可能である。ホームゲートウエイのPLC通信ポートには全てのセグメント変調モジュールが必要であるが、電気機器に搭載するPLCポートには、器機のアプリケーションと制御用に必要とするのセグメントチャンネル数の変調／復調モジュールを装着すればよいである。PLCポートの出力はセグメントバンド多重（周波数多重）である。

セグメントでの通信チャンネルの分割と多重は本質的には周波数多重の一種である。セグメント単位で各種の通信に専用のチャンネルを配分し、異なるプロトコルの通信は物理的に独立のチャンネルを通す。上位のプロトコルを触ることがなく異種通信方式を持つ様々な電気機器は一つのホームネットワークに統合されることできる。ホームネットワークの管理機能と信頼性を強化するために管理専用のセグメントチャンネルが設けられる。

S0周波数セグメントはホームネットワーク管理専用チャンネルに指定されている。ネットワークの管理メッセージ交信専用のチャンネルであるので、機器とゲートウエイの通信に使用されるが、機器と機器の間の通信には使わない。CSMA/CDの方式でゲートウエイと複数機器のマルチアクセスが実現する。

以上の説明から明からように、本提案にあっては次のような効果が得られる。
（１） 末端の安全ブレーカ毎にPLCポートを挿入して、複数のPLCセクションが有することで、シングルのPLC通信距離が末端の安全ブレーカ配下の電力配線区間に限定され、PLCの通信距離が短く、減衰と線路条件もよくなるので、微小の送信電力で高速通信ができる。
（２） 周波数帯域のセグメント化し、セグメント毎に単独の変調／復調を行うことで、ノールバンドでの高速／高性能のデータ変調／復調技術の施すことがしやく、より高速と高信頼性のPLC通信の実現が容易である。
（３） セグメント単位で各種の通信に専用のチャンネルを配分することで異なるプロトコルを持つ様々な電気機器の通信は一つのホームネットワークに容易に統合できる。
（４） セグメント化で帯域を管理することで、各セグメントが単独のOn/Offや出力の調整ができ、実際の運用上に特定の周波数帯に対するレベルの制御やカット及び塀蔽などの柔軟の対応も容易になる。
（５） また、通信機能毎にセグメント単位で通信チャンネルを分けることで、電気機器に内蔵するPLCポートはその機器の特性に沿って、ネットワーク機能に必要だけ分のセグメント変調／復調モジュールを装備することができ、製造コストの節約や不要な高周波ノイズの放出も抑える。例えば、冷蔵庫と言った白い家電機器は遠隔制御だけのネットワーク機能にするときに、一個のセグメントチャンネルが十分であるので、管理セグメントのS0と制御セグメントのS51のト変調／復調モジュールだけを装備する。
（６） また、周波数セグメントの多重で複数の通信チャンネル有することで、現在多様の接続ケーブルが必要なエンタテイメント器機の接続は一つのACプラグでまとめることができる。

以下、図面に示す本提案を実施するための最良の形態により本発明を説明する。

図１は本案を実施するときに、ホームゲートウエイ（10）がホーム分電盤（100）内に設置するの形態図である。安全ブレーカ（102、103、104）の出力電力線（150）がLPF（低域通過濾波器）(2)を通して、PLCポート(3)と繋げ、ホーム内に伸ばしていく枝の電力配線150でPLCセクションを作る。PLCポート（3）が各々の（150）に挿入され、ホーム内伸ばしていく枝の電力線（150）は独立のPLCセクションになる。枝の電力線（150）の元にLPF（2）があるため、PLCの高周波信号は枝の電力線（150）に限定され、高周波通信信号は電力線を沿って安全ブレーカ（102、103、104）を越え外部への漏れ及び他のPLCセクションへの干渉を防ぐ。

ホームゲートウエイ上の各PLCポート（3）のデータリンクはスイッチハーブ（5）で相互接続ができる。また、外部通信を終端する通信ポート（3a, 3b）もスイッチハーブ（5）と繋がっているので、PLCポート（3）は外部通信終端ポート（3a, 3b）との接続もスイッチハーブ（5）を経由してデータリンクの相互接続となる。

図2は上記ホームゲートウエイ（10）を中心とした、ホーム内PLCネットワーク展開の形態図である。ツリー型で伸ばしていく電力線（150）に電気器機（200＝200a, 200b, 200cなど）が一本のACプラグで給電コンセントを通してホームゲートウエイ（10）と接続され、他の器機との通信接続は全てホームゲートウエイ（10）の管理で行う。異なる電力線（150）上にある電気機器（200）、例えば200aと200bの電気機器と通信接続時に、必ずはホームゲートウエイ（10）でデータリングのクロスコネクションが必要になるが。同じPLCセクションにあるの電気機器（200）、例えば200cの器機間の通信接続もホームゲートウエイ（10）の通信チャンネルの管理が必要である。通信チャネルのセットアップの例は実施例に記述している。

図3は本案を実施するときに、電気器機（200＝200a, 200b, 200cなど）内蔵のPLCユニット（6）の形態図である。電気機器（200）のAC給電プラグ線（151）上、AC/DC電源モジュール（201）の前にPLCポート（3）が挿入され、器機本体の電源On/Offに影響せず、電力線線路上PLC信号が取り出させる。LPF（2）はPLC高周波信号を器機のAC/DC電源モジュールへの漏れを遮断する。

図4は本案を実施するときに、ブロードなPLC周波数帯域をセグメント化するの形態図である。500KHzの周波数幅で1.5MHz〜30MHzの帯域を57個の周波数セグメント（50）にし、S0、S1〜S56順で番号を付く。

上記の周波数セグメント化でセグメント帯域幅でのノールバンド高速／高性能のデータ変調／復調の実現が容易にでき、それぞれの周波数セグメントの変調／復調モジュールを束ねって一つワイドバンドの高速データ変調器が容易に構成できる。図5はPLCポート（3）に複数のノールバンドセグメント変調／復調モジュール（6）を装着するの形態図である。複数の変調／復調モジュール（6）でデータが複数のセグメントチャンネルに分けって送信するので、データストリームはセグメントパケットモジュール（7）でパケットセル（51）にすることが必要になる。

各々の通信アプリケーションで異なるプロトコルが使用されているため、周波数セグメント（50）で物理的な独立の通信チャンネル割り出し、各種のアプリケーションに固定の通信チャンネルを配分する形態図は図6に示す。

図7には本発明の実施案で、異なる電力線（150）にある電気機器（200）の間に通信または複数の通信があるときにホームゲートウエイ（10）のデータハンドルの形態図を示している。

図8は本発明の実施案で、複数の電気機器（200）が同じアプリケーションで同じ通信チャンネルを共同利用するの際に衝突防止のCSMA/CDを利用する形態図を示す。

図9は本発明の実施案で、電気器機（200）がネットワークに繋ぐときにその接続登録及び外すシーケンスの形態である。その詳細は以下のようになる
（１） ホームゲートウエイ（10）はホーム分電盤（100）に設置し、各安全ブレーカ（101）の出力電力線（150）にPLCポート（3）を挿入する。
（２） PLCモジュール（6）が内蔵された電気機器（200）は、ACコンセントに差し込まれた同時に、ホームネットワークへの加入登録プログラムが起動され、決まった手順でS0のセグメントチャンネルを通して自動的にホームゲートウエイ（10）と交信し、機器（200）のホームネットワークの加入登録を行う。
（３） ホームゲートウエイ（10）は電気機器（200）の加入登録情報に基づき、ホームネットワークの電気機器（200）登録テーブルを更新し、定期的 (例えば1秒毎) にネットワークと接続している電気機器（200）に配信する。
（４） ネットワークに接続している電気機器（200）は本体の電源がOn/Offと関わらず、ホームゲートウエイ（10）の配信情報を受信し、自分が持っているネットワークの登録機器テーブルを更新して、ゲートウエイ（10）に対して配信が受けたというの返答パケットを送る。
（５） ゲートウエイ（10）はその機器（200）からの返答で、機器がネットワークに継続接続されていることを確認する。もし、ある機器から連続3回の機器登録テーブル情報の配信に対して返答がなければ、その機器はネットワークから既に離れていると判断し、機器登録テーブルからその機器を削除する。
（６） 登録した機器（10）は、本体の電源がOnにされた時にネットワーク登録機器リストが画面に表示される。接続しよう対象の機器をリストから選んで決定すれば、機器（200）はS0のセグメントチャンネルを使って対象機器への接続要求をゲートウエイ（10）に送信する。
（７） ホームゲートウエイ（10）は、接続要求が受信されると、一定の手順で接続用のセグメント数とチャンネル番をアサインし、S0のセグメントチャンネルを通して両側の電気機器（200）に配信する。
（８） 接続のアサイン情報を受信した両機器は指示されたセグメントの変調／復調ポートを起動し、両機器間は直接接続チャンネルができた。
（９） 直接接続チャンネルができた両機器は、機器と機器の間に直接ケーブルが有ったように。自動的に一定の手順でこれから行う機器間のデータ転送に必要なデータリンクをセットアップし、データの転送のチャンネル設定（上り／下りや転送手順など）を行う。
（１０） 機器は接続チャンネルを切断(リリース)するときに、自動的に関連のセグメント変調／復調ポートをOffする。
（１１） 複数の機器が同じのアプリケーションで同時に同じ機器と接続するときに、例えば、複数のPCは同時にインタネットを接続する場合、各機器は同じセグメントの変調／復調ポートをオーペンし、一個の通信チャンネルを共用する。通信チャンネルの共有はEthernet（登録商標）と同じCSMA/CDの利用である。

ホームネットワークは、ユビキタス時代に想定される家庭環境の一つで大きな市場があり、その自体もひとつの産業になる可能性がある。本発明は電力線ホームネットワークを構築する産業で利用される。

電力線ホームネットワークシステムは既存のホーム内の電力線を利用するので、新たの配線工事がなくインフラへの投資が殆どなく、一つのACプラグでホーム内何処でも簡単に接続が可能で、最も使えやすいネットワークシステムである。

技術の面から見ると、現在の変調技術では500kHzの周波数帯域幅で約8Mbpsのデータ伝送速度（OFDM/DMTの変調で125個の4kHz間隔キャリアをたて、ビン毎16bitデータを割り当たられる）が可能であるので、計算上は1.5MHz−30MHzの周波数帯域幅は400Mbps以上のデータ伝送レートが可能である。現在想定されている殆どのホーム通信とエンタプライスのアプリケーションは電力線ホームネットワークの利用が可能である。

半導体IC技術の進歩で、一つのICチップセットの上に複数の変調／復調モジュールを集積する事が可能で、複数PLC通信ポートを一個のホームゲートウエイに作り、ホーム分電盤に内蔵することも可能である。

セグメント単位で通信チャンネルを分け、セグメント多重で異なるアプリケーションでの複数通信が統合できることで、あらゆる電気機器を一個のホームネットワークに接続されることが可能になる。

本発明を実施するためのホームゲートウエイの構成・設置形態図である。 本発明を実施するためのホームネットワーク接続形態図である。 本発明を実施するための電気機器内蔵電力線通信ポートの形態図である。 本発明を実施するための電力線通信周波数帯域をセグメント化するイメージ形態図である。 本発明を実施するためのセグメント毎変調・復調モジュールを配置する電力線通信ポートの形態である。 本発明を実施するためのアプリケーション別に周波数セグメントを配分・多重するの形態イメージ図である。 本発明を実施する時に異なる安全ブレーカ間のデータコネクトの形態イメージ図である。 本発明を実施する時に通信チャンネルの共同利用に衝突防止の形態イメージ図である。 本発明を実施するための電気器機の接続登録及び外すシーケンスの形態イメージ図である。

符号の説明

10：ホームゲートウエイ、ホームネットワークの中心である。安全ブレーカ間の通信パースの接続とネットワークの管理など機能を担当する。
2：LPF＝高周波数遮断フィルター；高周波数通信信号が電力線に沿って外部への漏れを遮断する。
3：T1,T2,.. Tn＝PLCポート；
（一般のホーム分電盤には安全ブレーカの数が約10個前後で、ホームゲートウエイに装備されるPLCポートの数もこれに合わせるの数である。）
TO＝外部のブロードバンドインタネットの終端ポート；
TS＝CATVなど外部からのストリーム配信の終端ポート
TU＝電気機器内蔵のPLCポート
4：COM＝コントローラユニット；。
5：Hub-Switch＝ハーブスイッチボード；
6：電気製品内蔵のPLCモジュール；
7：データストリームをセグメントデータセルにパケット・デパケットモジュール
8：ノールバンドセグメント変調／復調モジュール；
50：周波数セグメント；
51：セグメントデータパケットセル；一種のMACフレームである。
100：ホーム分電盤；
102：安全ブレーカ；
150：ホーム内の給電線；
151：ACプラグ付きの電気機器のAC給電線；
200 （200a、200b、200c）：電気機器
200g、200f：ホーム外部のネットワークの終端する装置；

Claims (6)

1. ホーム分電盤にPLCゲートウエイ装置を設置し、末端の安全ブレーカ毎にPLCポートを挿入し、安全ブレーカ以下の末端電力配線区間は単独のPLCセクションとして終端され、ゲートウエイと電力線コンセントに繋がっている電気機器間の実効的な高周波伝播ルートの最短化目的で、一つのホーム内に複数の独立PLCセクションが有することを特徴とする電力線ホームネットワークシステム。
2. PLCに使用する数十MHzの広い通信周波数帯域を数百KHzの固定周波数幅 にセグメントされ、セグメント別に最適なノールバンド（Narrow-Band）のPLC変調手段を施し、周波数セグメント変調方式の独立化でデータ転送の高速化と最適化を実現することを特徴とする電力線ホームネットワークシステム。
3. 通信対象に必要な通信帯域を請求項２のセグメント単位で配分し、複数のセグメントチャンネルを束ねって、一つのデータ転送チャンネルにする柔軟な周波数帯域アレンジの特徴とするの電力線ホームネットワークシステム。
4. 請求項２と請求項３の手段を使ったPLCポートを電気機器に埋め込み、電気機器
   の独自のデータ通信ポート及び機器コントローラと一体化して、一つの電源線プラグで電気機器の給電とネットワーク接続及びに使用される請求項１に記載する電力線ホームネットワークシステム。
5. 請求項２と請求項３の手段で異なる電気機器の異なる通信アプリケーションは異なる周波数セグメントチャンネルに通させ、周波数セグメントの多重で複数の通信を統合する請求項１に記載する電力線ホームネットワークシステム。
6. 請求項２と請求項３の手段で上記ネットワークの管理に専用の通信チャンネルが有する請求項１に記載する電力線ホームネットワークシステム。
   

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