JP5758360B2 - 通信方法、及び電力線通信システム - Google Patents

Description

本発明は、一般的にいえば、電力線通信（ｐｏｗｅｒｌｉｎｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ：以下、ＰＬＣという。）システムの分野に関する。本発明は、特に、多数のＰＬＣノードを相互に接続した電力供給網（ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｎｅｔｗｏｒｋ）のＡＣ又はＤＣ（自動車用機器等）電源線（ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｌｉｎｅ）を用いたＰＬＣシステムに使用可能な周波数帯域を定める方法であって、電源線を介して伝送されるＰＬＣ信号により生じる電磁放射が、同じ周波数帯域で放射されている放送ＲＦ信号に干渉しないようにする方法に関する。

ＰＬＣ技術では、データの伝送チャンネルとして電源線を用いる（図１参照）。電力線通信は、特にブロードバンドインターネットアクセス、ＶｏＩＰ（Ｖｏｉｃｅ ｏｖｅｒ ＩＰ）、マルチメディアサービス、ホームオートメーション及びエネルギ管理等、広範囲のアプリケーション及びサービスをエンドユーザに提供する。

従来の電力線通信の適応範囲はホームオートメーションであり、これには、単純なオン／オフや状態変更機能を電力線装置の主な役割とするアプリケーションが含まれる。図２ａに示すような従来の無線ホームネットワークシステムは、例えば、ビデオカセットレコーダ、ホームセキュリティ又は警報装置を遠隔制御するための、見通し内、赤外線を用いた一方向の携帯コントローラとしてのアプリケーションの範囲内で展開されていた。このような電力線通信ネットワークのラストメータネットワーク（ｌａｓｔ−ｍｅｔｅｒ ｎｅｔｗｏｒｋ）の形態の具体例を図２ｂに示す。

しかしながら、従来の電力供給網は通信を目的として設計されていないため、ＰＬＣ伝送チャンネルは、伝達関数が周波数選択性であり、周波数が高くなるにつれて減衰が大きくなり、狭帯域干渉及びインパルス雑音が激しい等、好ましくない伝送品質を示すのが一般的である。

図３に示すように、広帯域電力線通信チャンネルにおける加法性雑音は５種類に分類することができる。

・有色背景雑音：この種の雑音は、電力スペクトル密度が比較的低く、周波数によって変動する。これは、主として多数の低電力雑音源から雑音の総和である。

・狭帯域雑音：この種の雑音は、主に振幅変調された正弦波信号により構成される。これは、中波及び短波放送用の帯域内における放送局からの信号の侵入により生じる。受信レベルは、昼間では変動する。

・周期性インパルス雑音（商用周波数に非同期）：多くの場合、これらのインパルス雑音の繰返し率は、５０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚであり、この結果、繰返し率に応じた周波数間隔の離散スペクトルとなる。この種の雑音は主にスイッチング電源により生じる。

・周期性インパルス雑音（商用周波数に同期）：これらのインパルス雑音の繰返し率は、５０Ｈｚ又は１００Ｈｚであり、商用電源周波数に同期している。継続時間が短く（数μｓ）、電力スペクトル密度は周波数が高くなるに従って減少する。この種の雑音は、商用周波数に同期して動作している電源により生じる。

・非同期インパルス雑音：この種の雑音は、ネットワークにおけるスイッチングの過渡応答により生じる。これらのインパルス雑音の継続時間は数μｓ〜数ｍｓであり、その間隔はランダムである。この種の雑音の電力スペクトル密度は、背景雑音よりも５０ｄＢ以上高い値に達することがある。

なお、本発明は、特に狭帯域雑音に関して発生する問題に注目するが、それに限定されるものではない。

最初の３つの種類の雑音は、通常、数秒間又は数分間は継続するので、まとめて背景雑音と考えることができるが、後の２つの種類の雑音は、数μｓ又は数ｍｓ単位で時間的に変化する。このようなインパルス雑音の発生中は、電力スペクトル密度が明らかに高くなり、伝送データにビット又はバースト誤りが生じることがある。

電源線を介したデータ伝送技術のひとつに、直交周波数分割多重（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：以下、ＯＦＤＭという。）がある。ＯＦＤＭの基本概念は、使用可能なスペクトルを、幾つかの狭帯域低データレートの副搬送波に分割することである。この点では、ＯＦＤＭは、離散マルチトーン（ＤｉｓｃｒｅｔｅＭｕｌｔｉ−Ｔｏｎｅ：ＤＭＴ）変調の一種である。

狭帯域の各副搬送波は、様々な変調方式を用いて変調することができる。副搬送波間隔Δｆが狭くなるように選択することにより、伝送チャンネルの伝達関数は、各副搬送波の帯域幅内で単純な一定値となる。このように、周波数選択性伝送チャンネルを幾つかのフラットフェージングなサブチャンネルに分割することにより、高性能な等化器を必要としなくなる。ＯＦＤＭは時間分散の影響を緩和するとともに、帯域内における狭帯域干渉の影響を最小にする。

さらに、ＯＦＤＭは、帯域利用効率が高く、高いデータレートも実現可能である。ＯＦＤＭは、柔軟性があり、適応的に設計することができ、チャンネル間干渉（ｉｎｔｅｒ−ｃｈａｎｎｅｌ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ：ＩＣＩ）性能が優れているので、複雑なチャンネル等化を必要としない。

国際公開公報ＷＯ０１／９３４４９Ａ１は、高い伝送容量を維持しながら、異なるユーザ間でのデータ交換時の誤動作を防止するために以下の構成要素からなるＰＬＣシステムに関する。すなわち、通信を希望しているユーザ間でデータ交換を行う多数のワーキングチャンネル（所謂「チムニー（ｃｈｉｍｎｅｙ）」）（図４参照）に加えて、通信を希望しているユーザに通常のアクセスを提供し、これらのユーザ間の接続を確立又は切断するとともに、通信を互いに同期させるように機能する、特別に設定された放送チャンネルを備える。

米国特許６，００６，０７１号には、ＡＣ電源線によって電力が供給される反復的な干渉源（例えば、電子レンジ）がある所で動作する無線ＲＦ通信システムが開示されている。この無線ＲＦ通信システムでは、少なくとも１つの装置によって正しく受信されることを保証するために、電源線に同期した冗長な伝送を行っている。

このＲＦ通信システムは、ＡＣ電源線によって電力が供給される第１の装置を備え、この第１の装置は、反復的なＲＦ干渉源にも電力を供給する。第１の装置は、好ましくは、反復的なＲＦ干渉源の周波数帯域において送信を行うＲＦ送信機と、電力線センサと、データ送信コントローラとを備えている。データ送信コントローラは、それぞれ誤り検出部を有する複数のデータパケットを生成する。また、データ送信コントローラは、ＲＦ送信機を動作させて、電力線センサに応じて、同じデータパケットを反復的に２回送信する。

したがって、２回の送信のうちの少なくとも１回は、反復的なＲＦ干渉源の非導通期間に行われる。また、第２の装置は、好ましくは、反復的に２回伝送されてくる同じデータパケットを受信し、誤り検出部に基づいて、反復的なＲＦ干渉源により生じた干渉を避けるように一方のデータパケットを選択するデータ受信コントローラを備えている。

周知のＰＬＣシステムでは、電磁波信号を外部環境に放射し、これと同じ周波数帯域内の放送無線信号の受信を妨害してしまうという大きな問題がある。通常、ＰＬＣは、例えば５０ＭＨｚ以上までの周波数帯域において動作し、ＡＭ放送は、長波（１５０ｋＨｚ）から、中波、短波（１５０ｋＨｚ〜３０ＭＨｚ）までの周波数帯域を使用する。

ＰＬＣ信号を搬送するために使用される従来の電源ケーブルは、いくらかの雑音を発生し、そのシールドされていない部分から雑音を放出し、この雑音は、同じ領域に配されたラジオ受信機がＡＭ及びデジタルラジオモンディアル（ＤｉｇｉｔａｌＲａｄｉｏＭｏｎｄｉａｌｅ：ＤＲＭ）の放送信号を受信することを妨害する可能性がある。また、電力供給網に接続された様々な種類の機器も雑音源となる。さらに、電源線のスペクトルにおいて使用できるそれぞれの周波数帯域は制限されているため、達成可能なデータレートにも限界がある。

このように、ＰＬＣシステムは、多くの雑音を広い周波数スペクトルに亘って放出する。そのため、ＰＬＣモデムの近くでは、短波ラジオ放送は受信することが難しい。さらに、ＰＬＣシステムによって発生される電磁放射により、無線サービスの品質は大幅に低下する可能性があることが懸念される。

国際公開公報ＷＯ０１／９３４４９Ａ１ 米国特許６，００６，０７１号

従来技術における問題に鑑み、本発明の目的は、ＰＬＣシステムと、同じ周波数帯域で放射されている放送信号との潜在的な干渉を検出する技術を提供することである。

この目的は、独立請求項の特徴により達成される。また、有利な特徴については従属請求項に定義する。本発明の更なる目的及び利点については、以下の詳細な説明において明らかになる。

本発明は、基本的に電力線通信（ＰＬＣ）システムに使用可能な周波数帯域を定める方法に関し、電力供給線を介して伝送されるＰＬＣ信号により発生する電磁放射が、同じ周波数帯域で放射される放送ＲＦ信号に干渉しないようにする方法に関する。このために、ＰＬＣセッションに加わるＰＬＣノードは、電力線通信用に指定された周波数範囲全体を走査して、放送サービスによって占有されている周波数帯域を検出する。

これに加えて、あるいはこれに代えて、電力線通信中に、干渉雑音を避けるために、電力線通信用に指定された周波数範囲全体を選別して（ｓｃｒｅｅｎｉｎｇ）、電力線通信中に外すべき関連した放送帯域を検出することにより、放送ＲＦ信号の発生を定期的に確認することができる。その後、電力線通信用の新たな周波数帯域を、最終的に、これらの新たな周波数帯域が検出された無線サービスのいずれによっても占有されていない場合に限り、上述の周波数範囲内に割り当てることができる。

ＰＬＣシステムの環境内の無線ＲＦ受信機による受信が可能な放送ＲＦ信号は、無線ＲＦ受信機とＰＬＣシステムとの通信リンクを必要とせずに、ＰＬＣシステムによって自動的に検出することができる。この技術により、動作中の電力線通信セッションを中断せずに、電力線通信に必要な全ての周波数範囲を選別することができる。

本発明の更なる利点及び考えられる適用例については、従属請求項及び以下の図面に示すような本発明の実施形態の説明から明らかとなる。

以上説明したように本発明によれば、ＰＬＣシステムと、同じ周波数帯域で放射されている放送信号との潜在的な干渉を検出することが可能になる。

典型的な電力線通信環境の具体例を示す図である。 建物内に設置され、この建物内で使用される多数のオフィス及び家庭用の、家庭用娯楽機器、マルチメディア及び／又は通信装置を相互接続する電力線通信システムの具体例を示す図である。 電力線通信ネットワークのラストメータネットワークの具体例を示すブロック図である。 典型的な電力線通信ネットワークの環境における干渉を示す図である。 電力線通信ネットワークを介した通信を希望しているユーザ間のデータ交換を行う多数の使用可能なワーキングチャンネル（ＰＬＣチムニー）間のスペクトルギャップを示す図である。 本発明に係る電力線通信システムの環境における放送信号の検出及び監視処理の時間スケジュールを示す図である。 電力線通信ネットワークを介したデータパケットの伝送に使用される時分割多重（ＴＤＭ）ベースの伝送システムの時間フレームに挿入された多数の時間ギャップであり、干渉雑音を避けるために電力線通信中に外すべきタイムスロットを表す時間ギャップを示す図である。 電力線通信ネットワークを介したデータパケットの伝送に使用される周波数分割多重（ＦＤＭ）ベースの送信システムの周波数領域に挿入されたスペクトルギャップであり、干渉雑音を避けるために電力線通信中に外すべきサブチャンネルを表すスペクトルギャップを示す図である。

以下、本発明の実施例について、図面を参照して詳細に説明する。図１〜図６ｂ中の参
照番号及び記号により指示される符号の意味を、表１〜表３に示す。

本発明の一実施例では、電力線通信セッションに参加している各ノード３０２、３０６は、受信装置と、ＰＬＣケーブルとを備え、これらは、検出器として機能し、各ノード（３０２又は３０６）の環境において受信可能な放送信号であって、ＰＬＣシステム１０１の電源線を介して伝送されているＰＬＣ信号（ｓ（ｔ））が発生する電磁放射により干渉されてはならない放送信号があるか否か、及び電力線通信中はどの周波数帯域を外さなければならないかを確認／検出（ｃｈｅｃｋｉｎｇ／ｌｉｓｔｅｎｉｎｇ）する。図５に示すように、既存の放送信号の検出は、任意に又は追加的に２段階で行うことができる。

１．初期走査：
自身のＰＬＣ動作を開始する前に、使用可能な周波数帯域全体を初期走査して、既存の無線サービスを検出する。使用可能な周波数リソースの付加を始めに知っておくことにより、既存の無線サービスに対する妨害を最初から避けることができるという利点がある。ＰＬＣシステム１０１が初期走査により既存の無線サービスを知ることにより、関連する周波数帯域を除外することができる。したがって、稼働中の無線サービスに対するＰＬＣシステム１０１の悪影響は生じない。

２．サービス中の監視：
ＰＬＣシステム１０１の通常動作中に放送信号の出現（ｏｃｃｒｒｅｎｃｅ）を確認するために、時間フレーム（図６ａ参照）又は周波数帯域（図６ｂ参照）においてギャップ６０２ａ、６０２ｂが存在するようにＰＬＣ信号（周波数及び／又は時間）構造を定めることができ、この間、ＰＬＣノード３０２、３０６は、いずれの種類の干渉雑音ｎ（ｔ）をも避けるために、電力線通信中に外すべき占有放送帯域を選別（ｓｃｒｅｅｎ）（「検出」）することができる。

例えば、ＴＤＭ方式においては、（「無信号（ｓｉｌｅｎｔ）」）のタイムスロットからなるギャップが他の目的で既に存在し、これらのタイムスロットを用いることにより、ＰＬＣシステムの全体的な性能を低下させることはない。特に周波数ギャップは、選別／検出の目的のみで導入することができる。各ノードからの検出情報は、ＰＬＣシステム１０１の次の周波数割当ステップを定める際に考慮される。通常、ＰＬＣ伝送は同期しているので、ギャップ６０２ａも同期している。

実際には、伝送帯域を選別するための無信号の期間は短い。使用する放送受信機の感度によって、ＰＬＣシステム１０１によって行われるギャップ６０２ａ、６０２ｂ中の放送の伝送帯域の選別処理は、ＰＬＣシステム１０１の受信装置を用いた低コストの手法又は特別な受信装置を用いて行わなければならない。これにより、ＰＬＣシステム１０１全体のシームレスな再構成が必要である。さらに、ＰＬＣシステム１０１のデータ伝送を中断せずに、新たな周波数帯域の割当が可能でなければならない。動作中のＰＬＣシステムが複数ある場合、これらのシステムは、互いを認識している間は、同期している。

本発明の一実施例では、上述の電力供給網１０４ａの電源線を介して搬送するＰＬＣ信号ｓ（ｔ）の伝送は、時分割多重（ＴＤＭ）の技術に基づいており、ＴＤＭ伝送チャンネルは、周期的に繰り返される所定の数のタイムスロットからなるフレームに分割されており、これらのタイムスロットは、様々なコントロール及びトラフィックチャンネルを搬送するために用いられ、ＴＤＭ伝送チャンネルは、同時に複数のデータストリームを伝送する。ＴＤＭ伝送チャンネルに関しては、時間軸上においてギャップ６０２ａを設ける、あるいは挿入することができ（Ｓ４ａ）、これらのギャップは、ＰＬＣデータの伝送には使用されず、選別／検出処理に使用される。

本発明の更なる実施例では、上述の電力供給網１０４ａの電源線を介して搬送するＰＬＣ信号ｓ（ｔ）の伝送は、周波数分割多重（ＦＤＭ）の技術に基づいており、ＦＤＭ伝送チャンネルは、複数のデータストリームを同時に伝送するのに使用される所定の数のサブチャンネルに分割されている。ＦＤＭ伝送チャンネルに関しては、スペクトル上において少なくとも１つのギャップ６０２ｂを選別／検出処理のために確保することができる。

ＰＬＣモデムは、一般的に、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）等のマルチキャリア変調技術を用いている。例えば、４０９６ポイントの逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ）によるＯＦＤＭを用いた場合、３０ＭＨｚの周波数帯域において、搬送波間隔が７．３ｋＨｚで等間隔の４０９６個のサブチャンネルが得られる。周波数帯域から干渉がない、すなわちＤＲＭ又はＡＭラジオ信号用のチャンネルを設けるために、２波又は３波の副搬送波を停止する必要がある。同様に、特定の副搬送周波数を用いた他のサービスの検索は、この副搬送周波数におけるサブチャンネルを停止したときに行わなければならない。このサブチャンネルを介して伝送される信号は、別の副搬送波で搬送される。

電力線のアンテナ感度が低い電界レベルのＡＭ／ＤＲＭ信号の検出に適しているときは、伝送されるＰＬＣ信号の時間フレーム又は周波数帯域におけるギャップ６０２ａ／ｂは、ＰＬＣシステム１０１自体又は特別な受信装置を用いて受信可能な放送信号を検出するのに役立つ。検出メカニズムを向上させるために、更に特別な自己相関法を用いることもできる。一般家庭で最大１００の放送番組を受信できるとすると、これらの放送番組は、ＰＬＣ通信に使用される２５ＭＨｚ帯域のうちの１〜２ＭＨｚを占めるのみなので、電力線通信には十分な周波数帯域が残されている。

Claims (13)

1. 複数のＰＬＣノード（３０２，３０６）を相互接続する信号伝送線として電力供給網（１０４ａ）の電力供給線を使用する電力線通信システム（１０１）を用いた通信方法であって、
   電力線通信セッションに参加するそれぞれのＰＬＣノード（３０２，３０６）が、
   前記電力線通信システムにおいて電力線通信動作を始める前に、電力線通信に割り当てられた周波数範囲を走査し、各ＰＬＣノード（３０２，３０６）からの検出情報を考慮して、既存の無線サービスによって占有された周波数帯域を検出し、
   前記占有された周波数帯域を、その後の電力線通信の間は除外する
   ことを特徴とする通信方法。
2. 複数のＰＬＣノード（３０２，３０６）を相互接続する信号伝送線として電力供給網（１０４ａ）の電力供給線を使用する電力線通信システム（１０１）を用いた通信方法であって、
   電力線通信セッションに参加するそれぞれのＰＬＣノード（３０２，３０６）が、
   前記電力線通信セッションの実行中に、放送信号を周期的にスクリーニングして、電力線通信中の干渉雑音（ｎ（ｔ））を避けるために使用を避けるべき放送帯域を検出するステップと、
   各ＰＬＣノード（３０２，３０６）からの検出情報をも考慮して検出された放送帯域を、その後の電力線通信の間は除外するステップと
   を実行し、
   前記スクリーニングのステップにおいて、スクリーニングは、電力線通信に割り当てられた周波数帯域にわたって実行されることを特徴とする通信方法。
3. ＰＬＣ信号（ｓ（ｔ））の伝送は、時分割多重（ＴＤＭ）技術に基づき、
   ＴＤＭ伝送チャンネルは、複数のデータストリームを同時にそれぞれ伝送する種々のコントロールチャンネル及びトラフィックチャンネルを搬送するのに用いられる周期的に反復した所定数のタイムスロットからなるフレームに分割され、
   該ＴＤＭ伝送チャンネルの時間フレームにおける一時的なギャップが前記スクリーニングのステップのために確保される、請求項２に記載の通信方法。
4. ＰＬＣ信号（ｓ（ｔ））の伝送は、周波数分割多重（ＦＤＭ）技術に基づき、
   ＦＤＭ伝送チャンネルは、所定数のサブチャンネルに分割され、
   電力線通信に使用される伝送チャンネルの周波数範囲における少なくとも１つのスペクトルギャップが、前記スクリーニングのステップのために確保される、請求項２に記載の通信方法。
5. ＰＬＣ信号（ｓ（ｔ））の伝送は、周波数分割多重（ＦＤＭ）技術に基づき、
   ＦＤＭ伝送チャンネルは、所定数のサブチャンネルに分割され、
   占有された周波数範囲に対応する搬送周波数に位置する１または複数のサブチャンネルがスイッチオフされて前記ＦＤＭ伝送チャンネルにギャップが挿入される、請求項１、２または４に記載の通信方法。
6. 前記スイッチオフされたサブチャンネルで伝送される信号は、別のサブチャンネルで搬送される、請求項５に記載の通信方法。
7. 前記電力供給網（１０４ａ）の電力供給線を介して相互接続された、第１のＰＬＣ送信機（３０２）と第１のＰＬＣ受信機（３０６）との間の第１のＰＬＣセッション、および第２のＰＬＣ送信機（３０２’）と第２のＰＬＣ受信機（３０６’）との間の第２のＰＬＣセッションの少なくとも２つのＰＬＣセッションが同時に起動され、
   前記第２のＰＬＣセッションが前記第１のＰＬＣ送信機（３０２）および／または前記第１のＰＬＣ受信機（３０６）によって認識可能であり、かつ前記第１のＰＬＣセッションが前記第２のＰＬＣ送信機（３０２’）および／または前記第２のＰＬＣ受信機（３０６’）によって認識可能である限りにおいて、これら２つのＰＬＣセッションのデータ伝送を同期させるステップ（Ｓ５）を特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の通信方法。
8. 電力線通信のために新たな周波数帯域を割り振ることをさらに含み、
   前記新たな帯域は、電力線通信に割り当てられた周波数範囲の中にあり、各種の検出された周波数範囲によって占有されていない、請求項２〜７のいずれか１項に記載の通信方法。
9. 電力線通信に使用される伝送チャンネルの周波数範囲における少なくとも１つのスペクトルギャップが、前記スクリーニングのステップのために挿入される、請求項４に記載の通信方法。
10. 前記ＴＤＭ伝送チャンネルの時間フレームにおける一時的なギャップが前記スクリーニングするステップのために挿入される、請求項３に記載の通信方法。
11. 前記電力線通信セッションに参加する少なくとも１つのＰＬＣノード（３０２，３０６）が、前記電力線通信システムにおいて電力線通信動作を始める前に電力線通信に割り当てられた周波数範囲を走査して既存の無線サービスによって占有された周波数帯域を検出し、前記占有された周波数帯域をその後の電力線通信の間は除外する、請求項２〜１０のいずれか１項に記載の通信方法。
12. ＰＬＣノードのＰＬＣ受信部を、ＰＬＣ信号構造の空白周波数および／または時間ギャップにおいて占有ＲＦ放送帯域をスクリーニングするために用いる、請求項２〜１１のいずれか１項に記載の通信方法。
13. 複数のＰＬＣノードを接続する電力線通信システムであって、
    前記各ＰＬＣノードは、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の通信方法を実行するように設計される電力線通信システム。
    

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