JP5339218B2 - 複数の導体によって形成される伝送媒体により通信する通信システムを動作させる方法 - Google Patents

Description

本明細書の発明の名称に示すように、本発明は、複数の導体によって形成される媒体上で、通信システムの性能を向上させる方法に関する。

任意の通信システムでは、通信媒体の最大の特性を利用して、最大の伝送容量、信頼性、カバレッジ（サービスエリア）などを達成する試みが行われている。通信媒体が複数の導体で形成されている場合、上記複数の導体を用いて、これらの目的の１つ又はいくつかを達成することができる。

英国特許第２３８３７２４号明細書。 米国特許出願公開第２００６／０２６８９６６号明細書。

T. Banwell and S. Galli, "A novel approach to the modeling of the indoor power line channel Part I： Circuit analysis and companion model", IEEE Trans. Power Delivery, volume 20, number 2, pp. 655-663, April 2005. S. Galli and T. Banwell, "A novel approach to the modeling of the indoor power line channel Part II： Transfer function and channel properties", IEEE Trans. Power Delivery, volume 20, number 3, pp. 1869-1878, June 2005. P. Amirshahi and M. Kavehrad, "High-frequency characteristics of overhead multiconductor power lines for broadband communications", IEEE Journal on Selected Areas in Communications, volume 24, number 7, pp. 1292-1303, July 2006. S. Tsuzuki, M. Yoshida, Y. Yamada, H. Kawasaki, K. Murai, K. Matsuyama, M. Suzuki, "Characteristics of Power-Line Channels in Cargo Ships", IEEE International Symposium on Power Line Communications and Its Applications, pp. 324-329, June 2007. G. Ginis and J. M. Cioffi, "Vectored transmission for digital subscriber line systems", IEEE Journal on Selected Areas in Communications, volume 20, number 5, pp. 1085-1104, June 2002. J. Cioffi et al., "GDSL (Gigabit DSL)", Submission to Working Group T1E1.4, T1E1.4/2003-487R1, 2004.

本発明で開示される方法は、複数の導体で形成される媒体で使用されて、アプリケーションの中でとりわけ、通信の性能を改善し、かつ使用された周波数の再使用を増加させ、又は中継（repetition）を改善する。

通信システムは、しばしば複数の導体で形成される信号のための伝送媒体を必要とする。これらの複数の導体の存在は、特に伝送容量又は雑音耐性などの通信システムの様々な特徴を改善するために使用されることができる。この問題は考慮されており、かついくつかのいくぶん妥当な解決方法が過去に発見されているが、本発明は、導体が複数個あることを最適に使用して、媒体での伝送の性能を向上させる新しい解決方法を提示する。

本発明で使用される標準の概念が、以下で説明される。「モード」は、複数の導体の選択的な組み合わせ、基準面、又はそれらの両方への電圧又は電流の注入として理解される。同様に、「直交の複数注入」は、互いに直交の複数のモードの注入として定義される。注入モードは、コモンモード、差動モード、及び擬似差動モードに分割される。コモンモードは、基準面を介した電流の循環をもたらすものである。差動モードは、ある導体を介した注入と、別の導体を介した帰還とからなる。一方、擬似差動モードは、１つ又はそれ以上の導体の間の電圧又は電流の注入と、注入に使用されたものとは異なる１つ又はそれ以上の導体を介した帰還とからなり、この場合に使用される導体の数は、２より多い。

特許文献１は、電力ネットワーク（又は、電気的なネットワーク）上の通信信号のために複数の経路を使用すること、及びデジタル処理アプリケーションにおいて、それぞれのノードで通信のための最良の時間期間及び周波数を識別することを説明している。さらに、この文献では、チャネルは、多重入力多重出力のシステムとして取り扱われており、信号が、異なる導体の間で結合されて、いくつかの経路を介してノードに到達する。この文献は、直交の複数の注入が多導体媒体で実行されず、異なる方法が、複数の導体間のクロストークを除去する代わりに、クロストークを使用しようとする通信を実行するために適用されるので、本発明の新規性又は進歩性に影響しない。

一方、非特許文献１及び非特許文献２は、住居における伝送媒体として、電力ネットワークによって形成されるチャネルを解析し、上記チャネルのための現実的なモデルを達成するために、それを多導体伝送線路（multi-conductor transmission line)（ＭＴＬ）理論に取り入れている。本発明は、チャネルのために使用されるモデルとは独立に、複数の信号の直交の複数注入を用いた通信システムの性能の向上に基づいているので、これは、本発明の新規性又は進歩性に影響しない。

最新技術のもう１つの文献として非特許文献３があり、非特許文献３は、オーバヘッド媒体電圧送電線における伝送媒体として、電力ネットワークによって形成されるチャネルのためのもう１つの先進的なモデルを示している。本発明の方法は、通信チャネル上で実行されるモデル化とは独立に適用されるので、上述したものと同一の理由のために、この文献は、新規性又は進歩性に影響しない。

一方、非特許文献４は、貨物船のケーブルの電力ネットワークを特徴付ける方法を説明しており、配線は、接地されたシールドを有する二本鎖のより線（double-stranded）である。このために、同一の信号が、コモン及び差動の方法（デュアルモード伝送）で注入され、差動の方法で受信される。これによって、クロストークによる信号変換が、差動の伝送のみの使用に対してより少ない減衰を達成するために使用される。言い換えれば、この文献は、いくつかのより線のシステムから単一の通信チャネルを有することを試みている。本発明は、Ｎ本のケーブルで複数の直交の注入モードを使用し、Ｎ個までの独立の通信チャネルを達成することを試み、上記直交性を用いて、通信システムの性能を向上させ、クロストークを強める代わりにクロストークを防止する。これは、この文献から当業者に予期できるものでもなく、明らかな結果でもない。

本発明に先行する最新技術はまた、非特許文献５を含み、非特許文献５では、ツイストペアの束で伝送速度を向上させる方法が説明されており、上記ツイストペアでの注入は、差動の方法で実行され、複数の伝送を協働させ、かつ多重入力多重出力（ＭＩＭＯ）のための技術を用いてクロストークを解消する。最新技術の他の文献でも発生するように、これは、Ｎ個の導体への複数の直交の注入に基づいて通信システムの性能を向上させる本発明の方法を予期するものではない。

解決されるべき問題に関係する技術的な背景からの文献は、特許文献２である。この文献は、ツイストペアの束に送信される信号に重ね合わせられるコモンモードを使用する（ファントムモードと呼ばれる。）。上記ツイストペアへの注入は、差動の方法で実行される。これは、このモードによって生成される放射を用いて、通信のための新しい経路を生成する。本発明は、新しいチャネルを生成するために直交の複数注入を使用するので、特許文献２は、本発明に影響しない。

最後に、非特許文献６がまた、最新技術に関係する。この文献では、帰還信号のための基準として選択された導体を用いたツイストペア上の差動の注入が使用される。本発明で述べられる方法は、差動の注入ではなく、Ｎ個の導体上の直交の複数注入に基づいて、通信システムの性能を向上させるので、上述した場合と同様に、この文献は、新規性又は進歩性に影響しない。

目的を達成し、かつ前章で示された欠点を回避するために、本発明は、複数の導体及び基準面によって形成される媒体上で通信システムの性能を向上させる方法からなり、導体の数は一般的にＮ個である。上記方法は、複数の通信信号が最大Ｎ個のモードで注入され、１つのモードは、複数の導体、基準面、又はそれらの両方の間の選択的な組み合わせへの電圧又は電流の注入であり、上記複数のモードは、互いに直交であることを特徴とする。

最大Ｎ個のモードが使用されてもよいが、上記基準面を介する電流の循環に起因するモードが存在する。このモードは、いわゆるコモンモードである。具体的な場合、例えば、放射が最小限に削減されるべきとき、コモンモードでの伝送に起因する注入の使用が停止され、したがって、差動モード、擬似差動モード、及びそれらの組み合わせのみが使用されるであろう。

一般的に、上記方法は、複数の導体を有する任意の媒体に適切であり、これらの媒体のうちの１つは、電力ネットワークである。

上記方法のアプリケーションは、通信処理において、上記差動モード、擬似差動モード、及びコモンモードの最大Ｎ個のモードを同時に注入し、上記通信システムの伝送容量が、追加のデジタル処理を使用することなく増加させられる送信機器からなる。

特定の場合、上記送信機器は、信号を同一の帯域幅又は周波数範囲に、同時に注入して、上記伝送容量の増加を達成する。

本発明の方法のもう１つの可能なアプリケーションは、複数の通信ネットワークの間の減衰を増大させ、かつ同一の媒体での上記複数のネットワークの共存を改善することである。この目的のために、同一の物理的な媒体に共存する複数の通信ネットワークのそれぞれは、上記複数の異なる通信ネットワークによって選択される注入モードの複数の集合が分離可能（disjunctive）となるように、上記Ｎ個の可能なモードの間からの注入モードの上記異なる集合を使用する。

複数の通信システムでは、ある機器からの信号が、（減衰の点で）他の遠隔の機器に到達できるように、複数の中継器を使用する必要がある。上記中継器は通常、周波数中継器であり、すなわち、それらは、ある周波数帯域を使用するノードのグループと通信し、かつ別の異なる周波数帯域を使用する別のノードのグループのために信号を中継する。このタイプの中継器は通常、共存フィルタ（coexistence filter）を用いて、中継のために使用される上記異なる周波数帯域の間の干渉を解消する。本発明の方法を適用することによって、上記複数の中継器は、上記Ｎ個の可能なモードの中から異なる注入モードを使用することができ、その結果、上記複数の中継器によって使用される上記異なる周波数帯域の間の干渉を削減するために必要な上記フィルタの仕様が緩和され、又は上記フィルタの必要性さえも除去される。

複数の周波数中継器を用いるときの別の干渉の場合が、上記通信システムを形成する機器が遠隔のリンクにおいて同一の周波数を再使用するときに発生する。この場合、干渉は、同一の周波数を使用する機器の間で発生し、上記複数の機器が（減衰の点で、）互いにあまり離れていない場合、ある機器によって送信された信号は、他の機器によって受信されたグランド雑音から区別されることができない。本発明の方法は、この場合を改善するために使用されることができ、したがって、上記通信システムを形成する複数の機器は、上記遠隔のリンクの通信機器で異なる注入モードを用いることによって、互いの間で干渉を発生させることなく同一の周波数を再使用し、その結果、より高い柔軟性が、通信ネットワークの計画での周波数範囲の再使用において可能になる。

上記方法はまた、上記通信の信頼性を改善するために使用されることができ、したがって、上記通信信号の複数のバージョンが、上記使用される複数の注入モードで送信されて、その後、受信においてそれらを組み合わせる。

送信及び受信での複数の注入モードの使用は、上記Ｎ個の可能なモードの中からの上記使用される複数の注入モードにおいて、通信信号の多重入力多重出力（ＭＩＭＯ）デジタル処理のための技術を適用することを可能にする。その結果、上記通信の性能を改善することができる。

適用されることができる上記ＭＩＭＯ技術の１つは、時空間符号化である。この場合、上記方法は、上記使用される複数の注入モードの間に上記通信信号を分配することからなる時空間符号化技術とともに適用され、その結果、符号化利得及びダイバーシティが同時に利用される。

もう１つの可能性は、チャネル固有ベクトルを用いる伝送（固有モード伝送）のための技術が、本発明の方法とともに送信及び受信で適用されて、受信機が上記使用される複数の注入モードのそれぞれを介して受信される信号を復号することを可能にすることである。

第３の可能性は、上記方法が、受信において上記使用される複数の注入モードの間の干渉又はクロストークを解消することを可能にするデジタル処理のための技術を含み、その結果、上記複数の注入モードのそれぞれで検出される信号対雑音比（ＳＮＲ）を増加させ、それによって、上記通信の性能を増大させることである。

上記方法のもう１つのアプリケーションは、双方向の通信を達成することである。上記通信システムが２つの機器によって形成される場合、これらの機器は、同時に双方向で通信され（全二重通信）、この目的のために、第１の機器は、上記Ｎ個の可能なモードの中からの注入モードの集合を使用して、第２の機器に送信し、かつ異なる注入モードの別の集合を使用して、上記第２の機器から信号を受信する一方、上記第２の機器は、上記第１の集合を使用して受信し、かつ上記第２の集合を使用して送信し、上記複数の集合は、分離可能である。

上記システムが複数の機器によって形成される場合、上記方法は、上記複数の機器のうちの１つの機器が、それぞれの受信機器への送信のための注入モードの集合を用いて他の複数の機器に同時に送信し、上記複数の集合は、分離可能であることを特徴とする。

同様に、上記方法のもう１つの可能なアプリケーションは、上記複数の機器のうちの１つの機器がそれぞれの送信機器からの受信のための注入モードの集合を用いて他の複数の機器から同時に受信し、上記複数の集合は、分離可能であることである。

異なる注入モードによって実行される伝送は、典型的に、減衰、干渉、雑音しきい値などの様々な方法でチャネル特性を経験する。特定の場合、通信のための最良の特性を有する上記複数の注入モードのみを使用することが可能であり、その結果、上記通信システムの堅牢性及び性能が改善される。

どの注入モードが適切なモードであるかを選択する多くの方法が存在する。上記複数の注入モードを選択することを可能にする上記通信の特性のいくつかの例は、上記注入モードに存在する雑音、上記注入モードに存在する干渉、上記注入モードにおけるチャネルの安定性、上記注入モードによって発生される放射、上記注入モードにおけるチャネルの減衰、及びそれらの組み合わせである。

上記通信システムがＯＦＤＭ変調及び直交の複数注入を使用する場合、デジタル処理のための異なる技術、異なる注入モード、又はデジタル処理及び注入モードのための技術の組み合わせが、１つ又はいくつかのＯＦＤＭ変調の搬送波によって形成される複数のグループにおいて使用されることができる。

本明細書のより良い理解を助け、本明細書と不可分な部分を形成するために、図面の集合が以下に添付され、その図面では本発明の目的が例示的でかつ非限定的な符号を用いて示される。

直交の注入モードを用いる２つの平行導体で形成される伝送媒体を介した伝搬のモードを示す。 直交の注入モードを用いる３つの平行導体で形成される伝送媒体を介した伝搬のモードを示す。 １２個の平行導体で形成される媒体で許容可能な直交の注入モードを示す。 Ｎ個の直交の注入モードがポイントツーポイントリンクにおいて同時に使用される一般的な送信機−伝送媒体−受信機の方法を示す。 ２つのネットワークがその中で共存しなければならない同一の物理的な媒体を共有する２つのネットワークの間の干渉の典型的な場合を示す。 周波数分割を伴うネットワークで複数のリンクの間の干渉の方法、及び信号のスペクトルの位置、及び干渉を防止するために必要な共存フィルタの伝達関数を示す。 ２つの機器の間の一般的な全二重通信方法を示す。 直交の複数注入の方法が使用される三相を有するオーバヘッド媒体電圧電力線上の全二重通信方法を示す。 ＭＩＭＯ処理が送信及び受信で使用される一般的な送信機−伝送媒体−受信機の方法を示す。 同一の信号が多導体媒体に直交に注入され、かつ注入されて異なるモードによって伝搬される信号と同一の数の信号が受信される一般的な送信機−伝送媒体−受信機の方法を示す。 時空間符号化技術が使用されたときの図１０の一般的な方法の詳細を示す。 チャネル固有ベクトルを用いた伝送技術が使用されたときの図１０の一般的な方法の詳細を示す。 複数注入チャネルの間のクロストークを最小化する試みが行われたときの図１０の一般的な方法の詳細を示す。 受信機が、受信された信号から、どの注入が通信に最も適しているかを選択する一般的な送信機−伝送媒体−受信機の方法を示す。 直交の複数注入の方法のためのＯＦＤＭ変調搬送波のクラスタの例を示す。

本発明のいくつかの実施形態が、図面で使用される符号を参照して、以下で説明される。

本発明の方法が解決しようとする問題は、理論的な観点からは、伝送媒体が複数の導体によって形成されているという性質を使用して、上記伝送媒体を用いて通信システムの性能を最大化する方法からなる。

本発明の方法を用いる通信システムのいくつかの実施形態を説明する前に、多導体媒体が理論的に解析され、この解析が本発明の方法の有効性を正当化することを可能にする。理論的な観点からは、ＭＴＬ（多導体伝送線路）理論を用いて、ソースと負荷との間で信号を伝導する、基準面に対してＮ個の平行導体を有する多導体媒体を数学的に記述することができる。これらの信号を伝搬する基本モードは、ＴＥＭ（transverse electromagnetic）モード（ＴＥＭ）であり、電界及び磁界の両方が、導体の軸に対して垂直な平面で直交に伝搬される。これらの構造は、直流（ゼロ周波数）から導体の断面のサイズに相当する波長を有する周波数までの信号を伝搬することができる。平行導体のためのＭＴＬ理論は、ＴＥＭモードがより支配的なときのモデル化のために、より信頼性が高く使用される。周波数が増大するとき、これらは、ＴＥＭよりもさらに貢献するモードとなり始め、したがって、ＭＴＬ理論によって実行されるアプローチは、もはや有効ではないであろう。ＴＥＭモードが支配的であるときでさえ、媒体は実際には均一ではなく、かつ空間的な形状又はその固有の特性は維持されず、それらを擬似ＴＥＭモードにし、注入の間の伝搬特性及び分離特性が損なわれる。任意の場合において、ＭＴＬ理論が、本発明の方法がサポートされる基礎を記述するために使用される。

媒体の異なる導体に注入される信号は、導体の間で信号結合をもたらす電磁界を発生し、いわゆるクロストークが発生される。ＭＴＬ理論の主な目的の１つは、上記クロストークを予測することである。

２つの導体の最も簡単な場合、ＭＴＬ理論は、信号の空間的な伝搬のための２つのモード、コモンモード及び差動モードを有するものに縮小される。実際のアプリケーション（例えば、電力ネットワークを介する通信）で伝送されるデータ信号のエネルギーを伝送するために使用されるものは、典型的に差動モードである。コモンモードは、両方の導体に注入され、かつ帰還は、基準面又はグランドを介するものであり、一方、差動モードは、１つの導体を介する注入と他の導体を介する帰還とからなる。コモンモードは、差動モードよりもより大きな損失、及び追加の放射の問題を有し、放射規制標準に適合するレベルでその使用をより制限する。コモンモードを回避することを試みるときでさえ、チャネルを介して伝搬される任意の差動信号は、チャネルの非対称性及び不均衡に起因するコモンモード変換要因を有するであろう。

使用される複数の注入モードが直交であるとき、ＭＴＬ理論によれば、それらの間の干渉が存在しないであろう。これは、それぞれの導体の電流又は電圧の連立方程式を考慮して、数学的に検証されることができる。Ｎ個の導体及び基準面について、Ｎ個の直交の注入モードが存在するであろう。特に、電流、及びＮ個の導体の電流を考慮することについて、以下のシステムに到達して得られる。

ここで、

（ｉ＝１．．Ｎ）は、導体ｉを流れる電流であり、Ｉ_ｃは、コモンモード電流であり、Ｉ_ｄｉ（ｉ＝１．．ｋ）は、差動モード電流であり、Ｉ_ｐｄｉ（ｉ＝１．．ｓ）は、擬似差動モード電流であり、ａ_ｉｊ（ｉ＝１．．Ｎ，ｊ＝１．．Ｎ）は、導体ｉを通る電流へのそれぞれのモードの電流の寄与因子である。任意の組み合わせを用いて、適切な差動モード又は擬似差動モードを生成することは、不可能である。使用される残りのモードに関して直交性を示すもののみが、（上述した連立方程式にしたがって）有効であろう。

ＭＴＬ理論によれば、それぞれのモードの電流を有する導体を通る電流に関するシステムは、直交である。すなわち、それは、独立の線形システムであり、さらに、それぞれのモードの電流ベクトルは、直交である。それは独立のシステムであるので、行列Ａの範囲は、Ｎに等しい。一方、モードは直交であるので、行列ＡとＡの転置との積は、対角行列である。

図１は、コモンモード（１）及び差動モード（２）で注入するときに電力ネットワークの特定の場合に存在する伝搬モードの例を示し、このとき、ネットワークは、２つのみの導体（３）及び基準面又はグランド回路（４）で形成される。コモンモード電流Ｉ_ｃは、複数の導体を介して分配され、基準面を介して戻る。一方、差動電流は、１つの導体を介して注入され、他の導体を介して戻る。

伝送媒体が３つの導体で作られているときは、伝搬モードは、２つの導体の場合と同一のものに加え、擬似差動モードと呼ばれるモードであり、擬似差動モードでは、電流は、２つの導体を介して循環し、第３の導体を介して戻る。差動モードと同様に、擬似差動は、チャネルにおいて低い減衰を有し、かつ数学的に示されるように他の２つと直交であるので、信号伝搬のための最適な特性を有する。

図２は、３つの導体（３）及び基準面（４）で形成される電力ネットワークの場合について直交の注入モードを示す。この場合、コモンモード（１）及び差動モード（２）に加え、注入は、擬似差動の方法（５）で実行されることができる。

これらの値から、ＭＴＬ理論を適用することによって、基準面を有するＮ個の平行導体のための注入モードを推定することができ、Ｎ個の可能な直交信号の注入が存在するであろう。以下の表は、導体の数に依存して、タイプ（コモン、差動、及び擬似差動）によってクラスタ化された直交信号の注入モードの数を示す。

例を用いて直交の注入を調べるために、図３に示すような１２個の導体（３）を有する媒体を仮定する。上記の図は、１２個の注入モードを含み、それらが直交であるかを知られることが望まれている。電流の行列の直交性は、以下の連立方程式を考慮することによって調べられるであろう。

このシステムは、（Ａの範囲が１２に等しいので、）独立の線形システムであり、Ａの転置（Ａ^ｔ）と行列Ａとの積は対角行列であり、それによって、選択された注入は、直交である。

実際のアプリケーションでは、電磁干渉の理由でコモンモード注入の使用を止めることが、しばしば適切であり、したがって、高々合計Ｎ−１個の注入モードを使用することが好ましい。一方、複数のモードの間のクロストーク、及び伝送媒体の不均衡の両方は、異なる信号が媒体を介して伝搬されるのでコモンモードのレベルを増大させ、放射、及びしたがって差動信号並びに擬似差動信号の損失を増大させる。信号の劣化にも関わらず、本発明の方法は、他のアプリケーションの間で、増大された使用される周波数スペクトルを有することなく、（コモンモードを使用しない）Ｎ−１までのファクタを乗算した媒体の帯域幅を有する可能性を使用するのに十分な実用的な信号レベルを維持することを可能にし、すなわち、チャネルで同一の帯域幅を用いて異なる信号を注入し、送信機と受信機との間、又は送信機といくつかの受信機との間の信号の数をＮ−１まで改善する。

通信システムのいくつかの実施形態が後述され、通信システムの中で、本発明の方法が上記通信の性能を向上させるために使用される。

本発明の方法の直接のアプリケーションは、追加のデジタル処理を必要としない利点を有し、かつ周波数範囲を広げることなく、送信機が可能なモード（差動モード、擬似差動モード、及びコモンモード）のうちのＮ個までの異なるモードを同時に注入して、システムの伝送容量を増加させる通信システムである。

ちょうど説明したポイントツーポイントリンクにおける同時の直交の多重伝送の例が、図４に示される。図４では、周波数ｆ１及びｆ２によって制限された帯域幅のＮ個の導体で形成された伝送媒体（１０）によって通信する送信ノード（１１）及び受信ノード（１２）が存在する。クロストークがまた、点線（３０）を用いて、図中に示されている。送信機の変調器／復調器（６）の出力は、デジタルからアナログに変換される（ＤＡＣ_１乃至ＤＡＣ_Ｎ）Ｎ個の異なる信号からなる。それぞれの信号は、アナログで増幅され（ＡＦＥモジュール）（７）（Ｓ_１乃至Ｓ_Ｎ）、結合器（８）を介して媒体（１０）に直交に注入される（ＴＸ_ｉ乃至ＴＸ_Ｎ）。したがって、伝送媒体上の信号は、同一の帯域幅のＮ個の信号によって形成された信号である（９）。反対の処理が受信で実行され、結合器（８）を用いて通信チャネル（Ｓ’_１乃至Ｓ’_Ｎ）の特性によって影響されるであろう信号を取得し、Ｎ個の信号（ＲＸ_１乃至ＲＸ_Ｎ）を取得し、ＡＦＥモジュール（７）を用いてそれらを増幅する。その後、信号は、デジタル領域に渡され（ＡＤＣ_１乃至ＡＤＣ_Ｎ）、最後に、変調器／復調器（６）に伝えられて、伝送された情報を検索する。

この実施形態における本発明の方法の使用は、単一の注入のためにすでに使用されている帯域と異なる他の周波数帯域を使用することなく、注入の数で乗算された通信帯域幅を有することを可能にする。

本発明の方法のもう１つの実施形態は、同一の伝送媒体を共有するネットワークの共存を改善する。任意の通信システムは、劣化の中でとりわけ、媒体の減衰、他のネットワークのノードの干渉、及び媒体に存在する雑音によって到達されることができる最大の距離に関して、最大動作範囲を有する。この範囲を超えて、複数のノードの間の通信は、実行されることができない。ノードの動作範囲を制限する要因が、媒体を共有する別の通信ネットワークに属する別のノードからの信号の存在であるとき、信号は、この干渉に起因してその性能の劣化を経験するであろう。上記ノードは、同一の媒体に共存しなければならず、かつ上記共存が、性能の可能な限り低い低下で実行されることが望ましい。

さらに、ある通信システムでは、通信範囲に位置する２つのノードが、異なる理由のために、互いに通信できないことが望ましい。これらの場合、信号干渉が非常に大きいので両方のノードの間の通信を可能にすることから、共存はさらなる困難を示す。これらの場合、メッセージ交換技術を適用して、干渉なしで両方のノードの伝送を可能にする時間、周波数、又は他の大きさを共有することができる。

このフレームワークでは、本発明の方法の使用は、通信範囲内の２つのノードが、それらの間の干渉に起因する性能への否定的な影響なしに、独立に動作することを可能にする。

時間多重化、周波数多重化から様々な符号化技術又は暗号化技術まで、ネットワークが共存することを可能にする様々な技術が存在する。一方、あるネットワークの、媒体を共有する他のネットワークでの干渉の電力が低いほど、共存することが簡単になり、かつ任意の場合、両方のネットワークの性能に対する影響が少ないであろう。

共存する複数の通信システムに方法を適用することによって、ネットワークのそれぞれが、同一の周波数帯域を使用しているときでさえ、異なる注入モードを使用するならば、同一の媒体に存在する複数のネットワークの間の減衰がより大きくなる。

図５は２つのネットワークを示し、ネットワークのそれぞれは、エリアにカバレッジを提供しなければならなず、ネットワーク１（１３）は、エリア１（１４）にカバレッジを提供し、一方、ネットワーク２（１５）は、エリア２（１６）にカバレッジを提供する。両方のネットワークは、物理的な媒体（１０）を共有し、かつカバーしなければならないエリアよりも広い動作エリアを一般に有するであろう。これは、複数のネットワークの間の干渉のための決定因子である。ネットワークによって伝送される電力が大きいほど、そのカバレッジ又は範囲が大きくなり、かつ他のネットワークとの干渉を有する可能性が高くなる。この場合、両方のネットワークの信号が混合される干渉エリア（１７）が存在する。ネットワークによって伝送される電力を削減することは、他のネットワークとの共存を改善するが、ほとんどの場合、それ自体のカバレッジエリアでの性能を損ない、したがって、実際には、実行可能な解決方法ではない。

この場合、直交の注入モードが、共存しなければならない異なるネットワークの間で使用されるならば、それぞれのネットワークに属するノードの間の減衰が増加し、その結果、それらの間の干渉が、伝送される電力を削減する必要なく減少する。

一方、信号の中継を有する通信システムでは、本発明の方法がまた、システムの性能を向上させるために適用されることができる。多導体によって形成される通信ネットワークでは、必要なカバレッジが到達されないことが可能であり、ネットワークのカバレッジエリアを増加させることを可能にする中継器を用いることが必要である。典型的に、中継器は、時分割技術（ＴＤＤ）又は周波数分割技術（ＦＤＤ）を使用する。ＴＤＤ技術の場合、複数注入が使用されると、チャネルの帯域幅が、使用される周波数を増加させることなく増加し、これは、ネットワークにおけるＴＤＤに関する性能の低下が、全体としてネットワークの性能を考慮するときに、最小化されることを意味する。

周波数分割（ＦＤＤ）の場合、２つの可能性が考慮される。一方では、ＦＤＤの主要な問題は、しばしば周波数帯域を再使用する必要があることであり、これは、同一の媒体で同一の周波数を使用する複数のリンクを有することを含み、それによって、それらのリンクの機器が互いに干渉する可能性がある。本発明で説明される複数注入は、これらの遠隔のリンクの間の減衰を増大させるために使用されることができ、それによって干渉の可能性を削減する。遠隔のリンクの間で直交の注入モードを使用することは、それらの間の干渉を減少させ、それによって、リンクの性能を個々に改善し、かつ一般的にネットワークの性能を改善する。

他方では、ＦＤＤ技術が、異なる周波数帯域を使用する隣接リンクにおいて干渉を防止するために使用されるとき、この干渉を防止する共存フィルタが適用される。本発明で説明される技術などの複数注入技術の使用は、異なる注入モードが隣接リンクの間で使用され、かつそれらの注入が、同一の注入モードが２つのリンクで使用される場合よりも、互いの間の大きい減衰を有するのであれば、これらのフィルタの仕様を緩和することに役立つことができ、かつそれらの必要性を削除することにさえ役立つことができる。

この実施形態は図６に示され、図６では、帯域Ａを使用する機器（１８）、及び帯域Ｂを使用する他の機器（１９）が存在する。これは、隣接リンク（２１）の間の干渉を引き起こし、この干渉は、共存フィルタ（２０）を用いることによって解決されることができ、かつ遠隔のリンク（２２）の間の干渉を引き起こす。同一の図はまた、帯域Ａ（３７）がスペクトルｆ１からｆ２までを占有し、一方、帯域Ｂ（３８）がスペクトルｆ３からｆ４までを占有するスペクトル表現（３６）を示す。共存フィルタ（２０）の伝達関数がまた示され、この場合、帯域Ａ（３７）のみを取得するフィルタ（３９）は、ｆ３を超える周波数を取り除き、一方、帯域Ｂ（３８）のみを取得するフィルタ（４０）は、ｆ２よりも低い周波数を取り除く。

方法の使用は、隣接リンクにおけるこれらの共存フィルタの特性を緩和することを可能にし、かつある条件の下でそれらを削除することさえ可能にする。

したがって、通信システムを形成し、かつ同一の周波数を再使用する複数の機器が、リンクのそれぞれで異なる直交の注入モードを使用することによって、互いの間の干渉を最小化することがまた可能である。したがって、通信システムの全体的な性能が向上し、ネットワークの計画がより簡単になる。

本発明の方法のもう１つのアプリケーションは、直交の複数注入を用いて、機器の間の全二重通信、すなわち機器の間で情報を同時に送信しかつ受信することを達成する能力である。

同一の媒体に２つの通信チャネルが存在するとき、チャネルの間の干渉が性能を維持することを可能にするならば、２つの機器の間の全二重通信を実装することができる。これは図７に示され、図７では、２つの機器（２３）が伝送媒体（１０）上で同時に送信しかつ受信する。

送信機と受信機との間に２つの通信経路を生成する場合に、この可能性が利用可能である。これは、３つの導体に本発明の方法を適用する場合であり、差動モード及び擬似差動モードが使用されることができ、一方がある方向で送信／受信し、かつ他方が他の方向で送信／受信する。

一例は、図８に示すような、広帯域通信機器を有する電力ネットワークの中電圧線である。ネットワークが三相ネットワークである場合、３つの導体に複数注入を実行することができ、差動モード（２）及び擬似差動モード（５）が注入され、したがって、全二重チャネルが、機器（２３）の間の同一の通信チャネルで同一の周波数帯域を用いて得られる。

本発明の方法は、ＭＩＭＯ（多重入力、多重出力）のための技術とともに適用されることができ、上記技術を用いて、通信システムの性能を改善することができる。実際、いくつかのより線を有する通信媒体は、ＭＩＭＯ（多重入力、多重出力）方法（Ｎ×Ｎ）に等しい。本発明の方法とともに、ダイバーシティ、時空間符号化、及び固有ビームフォーミング技術、又は他の同様の技術を適用することによって、より高い有効性及び収穫を達成することができる。直交の複数注入の使用は、より良く調整されたチャネル行列を得ることを可能にし、したがって、ＭＩＭＯのための技術のアプリケーションは、より効率的であろう。

図９は、システムがＭＩＭＯデジタル処理及び本発明の方法を使用する実施形態を示す。この実施例は、前の図に示された通信システムの一般的な方法を継続し、かつ複数の入力信号（ａ_１．．．ａ_Ｎ）及び複数の出力信号のデジタル処理のためのモジュール（２９）がそこに含まれる。ＭＩＭＯデジタル処理を用いて使用される又は削減される注入された信号の間のクロストーク又は干渉（３０）は、この場合、図に示されている。

一方では、遠隔通信の分野のダイバーシティ技術が、媒体を介して伝わる信号の信頼性の改善に関係し、異なる特性を有する２つ又はそれ以上の通信チャネルを用いる。これらの技術は、Ｎ個の通信チャネルの異なる特性を利用して、受信機の堅牢性を増大させ、連鎖ビット誤り（chain bit error）を防止し、かつ信号のフェージングを制御する。方法は、受信機で組み合わせられて、通信の信頼性を改善する信号の複数のバージョンを伝送することからなる。誤り訂正技術が、それぞれのチャネルのそれぞれのメッセージの様々な部分における様々な伝送された信号に組み込まれてもよい。図１０の実施形態は、本発明の方法が、使用される複数の注入モードで、同一の通信信号の複数のバージョンの伝送とともに用いられ、かつ結果が受信で組み合わせられるシステムを示す。したがって、通信の信頼性を改善することができる。図１０はこの実施例を示し、図１０では、伝送されるべきシンボル（２７）が、デジタルで処理され（６）、アナログ領域に渡されかつ適切に増幅され（７）、及び最後に結合され（８）、直交の注入モードのそれぞれをともなう同一の信号をもたらす。反対の処理が受信で実行され、それぞれの直交の注入の信号を取得し、それを増幅し、かつ最後に、得られた複数の信号を組み合わせる（２８）。この組み合わせは、それぞれの信号に（この実施形態では、直交の注入によって形成されるチャネルで知覚される信号対雑音比に依存する）重みを乗算し、結果を加算して、送信されたシンボルを得ることを試みることからなる。送信される信号の複製、及び受信でのその組み合わせは、雑音又は干渉に起因して極度に劣化した状況においてさえ、通信の信頼性を増大させることを可能にする。

他方では、複数注入の方法が、信号が同一の媒体の異なる経路を介して伝送される空間ダイバーシティに適用されることができる。ダイバーシティ合成技術は、信号処理の前に用いられてもよく、受信機に到達する最も強い信号を選択し、信号が最低限の性能を有しないときにチャネルを変更し、又は重みがそれぞれの信号の信号対雑音比（ＳＮＲ）に依存して受信された信号に適用され、その後受信を加算するＭＲＣ（最大比合成）を用いてすべての受信をコヒーレントに加算する。上述した技術は、拡張されることができ、時空間符号化技術を生じさせる。この符号化によって、情報及び冗長性は、Ｎ個の通信経路の間に均一に分配されて、ダイバーシティ及び決定された符号の符号化利得を同時に利用する。具体的な実施例が図１１に示され、図１１では、図９の複数の入力信号（ａ_１．．．ａ_Ｎ）を処理するデジタル処理モジュール（２９）、及び複数の出力信号（ＤＡＣ_１．．．ＤＡＣ_Ｎ）が、送信において、伝送されるべきシンボル（３１）が到達する時空間符号器（３２）に置き換えられている。受信では、デジタル処理が、送信機から送信されたデジタルシンボル（３１）を得る時空間復調及び復号モジュール（３３）に置き換えられる。

他方では、複数の直交の注入に起因する追加の分離から利益を得ることができる速度を最大化するＭＩＭＯのための技術が存在する。理想的な結果にアプローチする結果は、注入とデジタル処理とを組み合わせることによって、実際の状態で得られる。Ｎ個のチャネルの応答が送信機で既知である場合、チャネル固有ベクトルを用いる伝送（固有モード伝送）のための技術が、本発明の方法とともに使用されて、これを達成する。これらの技術は、送信及び受信において変換を適用し、受信機が受信した信号を最適に復号することを可能にする。対照的に、処理が受信機のみに任せられている場合、Ｎ個のチャネルの間の干渉（クロストーク）を解消する技術が、チャネルのそれぞれの信号対雑音比（ＳＮＲ）を増加させるために使用されてもよい。言い換えれば、複数の直交の注入によって提供される分離が、デジタル処理によって増大することができる。ＭＩＭＯ処理の具体的な実施形態は、（デジタル処理から得られる信号の積及び和によって）注入モードのそれぞれで送信されるべき信号、及び注入モードのそれぞれで受信される信号を線形的に組み合わせる、チャネル固有ベクトルを用いる伝送のための技術からなるであろう。図１２はこの実施形態を示し、図１２では、Ｎ個のシンボル（３１）がデジタル処理（６）に導入され、かつ出力が、（一般的に、送信機（４３）及び（４４）によって異なり、かつ受信機（４５）及び（４６）によって異なる）重みを用いて複数の乗算器（４１）及び複数の加算器（４２）によって線形的に組み合わせられる。重みの値は、アプリケーションの具体的な伝送媒体に依存して計算される。受信での処理は、送信で実行される処理と同一である。

他方では、ＭＩＭＯ処理はまた、チャネルの間のクロストーク（３０）を削減し、かつさらに除去するために使用されてもよい。この目的のために、図１３の実施例に示した方法が使用されてもよく、図１３では、受信機が、クロストークに起因するそれぞれの注入モード上の他の注入モードの干渉を削減するクロストークキャンセラ（３４）を含む。

本発明のもう１つの実施形態は、同一の信号が複数の直交の注入モードを用いてＮ個の導体を介して伝送されるように、通信システムにおいて本発明の方法を適用し、かつ受信において、最良の特性を有する注入モードのみが、通信のために使用されることからなる。図１４に示される具体的な実施形態では、より少ない雑音、より高いＳＮＲ、より少ない干渉などを有するこれらの注入モードが、適切なものとして選択される。この選択は、異なる注入モードを介して到着する複数の信号の選択された特性を解析し、それによって、どの結合器（８）が受信で動作させられるかを選択するモジュール（３５）を用いて、受信において実行される。このモジュールはまた、制御信号を送信機（１１）に送信することができ、その結果、直交の複数注入が、送信機（１１）の結合器（８）と通信するセレクタブロック（３５）によって選択されたチャネルにおいてのみ実行される。

最後に、アプリケーションのもう１つの例は、ＯＦＤＭ変調を用いる通信システムに本発明の方法を含めることである。この場合、デジタル処理又は異なる注入モードのための技術は、発生される搬送波のグループに依存して使用されてもよい。図１５に示されるような具体的な実施形態では、ＯＦＤＭ変調の搬送波は、３つのグループに分類される。第１のグループ（２４）の搬送波は、周波数において連続ではないことがまたわかる。この具体的な実施形態では、擬似差動の注入モードが第１のグループ（２４）で使用され、追加の信号処理は使用されない。第２のグループ（２５）では、差動モード及び擬似差動モードで同時に注入し、追加の信号処理がどちらのモードでも使用されず、複数の直交のモードの間の注入によって提供される分離は、受信において信号を分離するのに十分である。第３のグループ（２６）の搬送波では、差動モード及び擬似差動モードで同時に注入し、ＭＩＭＯのための技術が適用される。異なる搬送波が、それぞれの搬送波の周波数でのチャネルの特性に基づいて、又は他のアプリケーション依存の基準に基づいて、グループ（２４）、グループ（２５）、又はグループ（２６）のそれぞれに割り当てられる。

Claims (17)

1. 複数の導体によって形成される伝送媒体により通信する通信システムを動作させる方法であって、
   上記伝送媒体は、Ｎ個の導体及び基準面によって形成される電力ネットワークである方法において、
   上記方法は、
   −上記伝送媒体に適用され、互いに直交するＮ個のモードを識別するステップであって、１つのモードは、上記Ｎ個の導体、上記基準面、または両方の組み合わせから選択される媒体への、電圧の注入及び電流の注入から選択される注入モードであるステップと、
   −上記伝送媒体で識別された上記Ｎ個のモードの間から、上記通信システムで使用されるべき最大Ｎ個のモードを選択するステップと、
   −上記選択された複数のモードで複数の通信信号を注入するステップと、
   −上記複数の通信信号のそれぞれを、上記使用される複数のモードのそれぞれで伝送される同一通信信号の複数のバージョンとして送信するステップと、
   を含み、
   上記複数の通信信号の上記複数のバージョンは、受信において組み合わせられ、通信の信頼性を改善する方法。
2. 上記方法は、最大Ｎ個のモードを同時に注入することを含み、
   上記Ｎ個のモードは、差動モード、擬似差動モード、及びコモンモードを含み、追加のデジタル処理を使用することなく、上記通信システムの伝送容量を増加させる請求項１に記載の方法。
3. 上記方法は、最大Ｎ個のモードを同一の帯域幅又は周波数範囲に同時に注入することを含む請求項１に記載の方法。
4. 同一の物理的な媒体に共存する複数の通信ネットワークのそれぞれは、上記Ｎ個のモードから複数の注入モードの集合且つ互いに異なる集合を使用し、上記複数の通信ネットワークによって使用される注入モードの上記集合は分離可能であり、上記複数の通信ネットワークの間の減衰を増大させ、かつ同一の媒体での上記複数の通信ネットワークの共存を改善する請求項１に記載の方法。
5. 上記通信システムは、異なる帯域の間の干渉を解消するフィルタを有する複数の中継器を使用し、
   上記複数の中継器は、上記Ｎ個のモードの中からの異なるモードを用いて、上記フィルタの仕様を緩和し、又は上記フィルタの機能性を除去し、かつ上記複数の中継器によって伝送された信号の間の干渉を削減する請求項１に記載の方法。
6. 上記通信システムは、異なる注入モードを用いることによって、互いの間で干渉を発生させることなく、同一の周波数を再使用して、通信ネットワークの計画での周波数範囲の再使用においてより高い柔軟性を得る複数の機器を備える請求項１に記載の方法。
7. 上記方法は、上記複数の通信信号の多重入力多重出力（ＭＩＭＯ）デジタル処理を、上記Ｎ個のモードの中からの上記使用される複数のモードで適用することを含み、通信の性能を改善する請求項１に記載の方法。
8. 上記方法は、上記使用される複数のモードの間に上記複数の通信信号を分配することを含む時空間符号化技術を適用することをさらに含み、符号化利得及びダイバーシティを同時に利用する請求項７に記載の方法。
9. 上記方法は、チャネル固有ベクトルを用いる伝送のための技術を送信及び受信で適用することをさらに含み、受信機が上記使用される複数のモードのそれぞれを介して受信される信号を復号することを可能にする請求項７に記載の方法。
10. 上記方法は、上記使用される複数のモードの間の干渉を解消する技術を受信で適用することをさらに含み、上記複数のモードのそれぞれで検出される信号対雑音比ＳＮＲを増加させる請求項７に記載の方法。
11. 上記通信システムは、全二重通信により同時に双方向で通信する２つの機器を有し、
    第１の機器は、上記Ｎ個のモードの中からの第１の注入モードの集合を使用して第２の機器に送信し、かつ上記第１の注入モードの集合とは異なる第２の注入モードの集合を使用して上記第２の機器から信号を受信し、
    上記第２の機器は、上記第１の注入モードの集合を使用して信号を受信し、かつ上記第２の注入モードの集合を使用して信号を送信し、
    上記第１の注入モードの集合および上記第２の注入モードの集合は分離可能である請求項１に記載の方法。
12. 上記通信システムは複数の機器を有し、
    １つの機器は、複数のモードの集合を用いて他の複数の機器に同時に信号を送信し、
    上記複数のモードの集合は、分離可能である請求項１に記載の方法。
13. 上記通信システムは複数の機器を有し、
    １つの機器は、複数のモードの集合を用いて他の複数の機器から同時に信号を受信し、
    上記複数のモードの集合は、分離可能である請求項１に記載の方法。
14. 上記方法は、通信のための最良の特性を有する上記複数のモードのみを使用することを含み、上記通信システムの堅牢性及び性能を向上させる請求項１に記載の方法。
15. 上記複数のモードを選択することを可能にする通信特性は、
    −モードに存在する雑音、
    −モードに存在する干渉、
    −モードにおけるチャネルの安定性、
    −モードによって発生される放射、
    −モードにおけるチャネルの減衰、及び
    −それらの組み合わせ
    から選択されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）変調が使用され、
    上記方法は、少なくとも１つのＯＦＤＭ変調の搬送波によって形成される複数のグループにおいて、
    −それぞれのグループのためのデジタル処理のための異なる技術、
    −それぞれのグループのための異なる注入モード、及び
    −これらのオプションの組み合わせ
    からなるグループからのオプションを使用する請求項１に記載の方法。
17. 上記Ｎ個の導体のそれぞれで伝送される信号は、それぞれの導体に対する上記同一通信信号の上記複数のバージョンの各々からの寄与の総和で形成される請求項１に記載の方法。

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