JP5970064B2 - 電力線通信モデム、電力線通信システム及び電力線通信方法 - Google Patents

Description

本発明は、電力線通信モデム、電力線通信システム及び電力線通信方法に関する。

幹線（mains）通信、電力線送信（ＰＬＴ：power line transmission）、ブロードバンド電力線（ＢＰＬ：broadband power line）、電力バンド又は電力線ネットワーキング（ＰＬＮ：power line networking）とも呼ばれる電力線通信（ＰＬＣ：power line communication）は、データの同時配信のために配電線を用いるための方法を指す用語である。キャリアは、標準的な５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの交流電流（ＡＣ：alternating current）上にアナログ信号を重畳することによって、音声及びデータを通信することができる。屋内での適用について、ＰＬＣ機器は、家庭用電気配線を送信媒体として用いることができる。

電力線通信（ＰＬＣ）は、固定されたラジオ放送又は他の外部送信に干渉し得る。今日、ＰＬＣモデム又はＰＬＣデバイスは、アマチュア無線帯域についての固定ノッチフィルタを有する。固定ノッチについてのフィルタは、高い抑制効果及び非常に急な勾配を有して実装されることができる。

動的なノッチング又はスマートノッチングの概念は、３ＭＨｚから３０Ｍｈｚの間の短波周波数レンジ内における固定されたラジオ放送局の進入（ingress）をＰＬＣモデムが検出することを可能にする。刊行物ＥＴＳＩ ＴＳ １０５ ５７８；Power line Telecommunications；”Coexistence between PLT modems and short wave radio broadcasting services”；ＥＴＳＩ ２００８は、適応周波数ノッチング技法を説明している。当該技法は、一方では、データスループット及びＱｏＳ（Quality of Service）要件について最小限の影響を有し、他方では、ＰＬＴ（power line telecommunications）と短波ラジオ放送との間の干渉を拒む。

今日、ＰＬＣモデムは、非常に限定された電力スペクトル密度（ＰＳＤ：power spectral density）のみを有する３０ＭＨｚを超える周波数レンジを用いる。しかしながら、より高いデータレート又はカバレッジを達成するために、これらの周波数においてＰＬＣについてのより高い給電上限値を可能にすることが予期される。従って、ＰＬＣから周波数変調ラジオ放送への干渉を観察する高い可能性がある。

３０ＭＨｚを超える周波数レンジにおいて送信され及び受信される信号への影響を低減するために、従来技術の電力線通信モデム及びシステムを改良する必要がある。

上記目的は、それぞれ請求項１、１２及び１３に係る電力線通信モデム、電力線通信システム及び電力線通信方法によって達成される。

本発明の詳細は、添付の図面に関連して以下の実施形態の説明からより明らかとなるであろう。

一実施形態に係る電力線通信モデムを図示する概略ブロック図である。 さらなる実施形態に従って電力線通信システムを動作させるための方法の簡略化されたフローチャートである。 一実施形態に係る電力線通信システムを図示する概略ブロック図である。 ＦＭラジオ放送を受信するための従来技術のスーパーヘテロダイン受信機の概略ブロック図である。 ＦＭラジオ受信への帯域外ＰＬＣ干渉の影響を評価するためのテスト装置（arrangement）の概略ブロック図である。 ＦＭラジオ受信に干渉を引き起こす、図５のテスト装置において用いられる信号を表す周波数スキャンである。

以下において、本発明の実施形態が説明される。以下において説明される全ての実施形態は何らかの手法で組み合わされ得ること、即ち、説明されるある実施形態が他の実施形態と組み合わせられ得ないという限定は存在しないこと、に留意することが重要である。

図１において、電力線通信モデム１０５の概略ブロック図が図示される。電力線通信モデム１０５は、図示されないさらなる電力線通信モデムへ電力線１２０上で電力線信号を送信するように適合される送信器１１０を備える。当該電力線信号は、複数のキャリアのうちの少なくとも１つのキャリア上で送信される。

ＰＬＣシステムにおいて、電力線信号は、一般に、ＯＦＤＭ（orthogonal frequency division multiplex）変調される。即ち、複数のキャリア又はサブキャリアが、ペイロード信号を送信するために用いられる。ＯＦＤＭは、マルチキャリア変調スキームであり、当該スキームは、多数の密接して配置された直交キャリア又は直交サブキャリアを用いる。各キャリア又はサブキャリアは、（直交振幅変調（ＱＡＭ：quadrature amplitude modulation）などの）従来の変調スキームにより低シンボルレートで変調され、同じ帯域幅における従来のシングルキャリア変調スキームと同様のデータレートを維持する。実際には、ＯＦＤＭ信号は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ：fast Fourier transform）アルゴリズムを用いて生成される。シングルキャリアスキームと比較したＯＦＤＭの主な利点は、例えば、長い銅線における高周波数の減衰、マルチパス送信に起因する狭帯域干渉及び周波数選択性フェージングといった厳しいチャネル条件に複雑な等化フィルタ無しに対処するその能力である。複数のキャリアは、異なるチャネル条件を用いるために、異なるコンスタレーションにより変調され得る。高コンスタレーションは、良好なチャネル条件、例えば、高い信号対雑音比（ＳＮＲ：signal-to-noise ratio）が利用可能である場合に用いられ、低コンスタレーションは、より低いチャネル条件、例えば、低いＳＮＲについて用いられ得る。

電力線通信モデム１０５は、プロセッサ１３０をさらに備える。プロセッサ１３０は、複数のキャリアの個々のキャリアに送信電力を割り当てるように適合され、第１の周波数レンジ内に位置する個々のキャリアの送信電力の合計は、当該第１の周波数レンジについての第１の所定の電力最大値以下である。

第１の所定の電力最大値は、予め電力線通信モデム１０５において（例えば、別個のストレージユニットにおいて）記憶されていてもよく、及び、共に使用され又は同時に使用される個々のキャリアの送信電力の合計が、ＦＭ変調周波数レンジ、例えば、８７ＭＨｚから１０８ＭＨｚまでの間におけるラジオ放送の受信妨害が無視できることを確実にするほど充分に低くなるように選択される。

第１の周波数レンジは、いわゆる「帯域外（out-of-band）」干渉を考慮するために選択される。即ち、第１の周波数レンジは、一般に、妨害されるべきではない周波数レンジよりも大きい。例えば、第１の周波数レンジは、３０ＭＨｚを超え得る。この場合において、第１の所定の最大電力値は、３０ＭＨｚを超える周波数上の全てのキャリアの合計についての送信電力の上限値を提供するであろう。送信電力の合計は、第１の周波数レンジにおける「総（total）」送信電力又は送信電力の「総量（total amount）」とも呼ばれ得る。

さらなる実施形態において、プロセッサ１３０は、第２の周波数レンジ、第３の周波数レンジ、又はさらなる周波数レンジ内に位置する複数のキャリアの個々のキャリアに送信電力を割り当てるようにさらに構成され得る。ここで、第２の周波数レンジ、第３の周波数レンジ、又はさらなる周波数レンジ内に位置する個々のキャリアの送信電力の合計は、当該第２の周波数レンジ、当該第３の周波数レンジ、又は当該さらなる周波数レンジについての第２の所定の電力最大値、第３の所定の電力最大値、又はさらなる所定の電力最大値以下である。

例えば、第２の所定の最大値も、電力線通信モデム１０５において（例えば、図示されないストレージユニットにおいて）予め記憶されていてもよく、及び、第２の周波数レンジ内で共に又は同時に使用されるキャリアについて許可される送信電力の合計についての上限値を提供する。第２の周波数レンジは、例えば、ＦＭ変調ラジオ放送が位置する８７ＭＨｚから１０８ＭＨｚまでの間の周波数レンジであり得、それによって、この特定の領域について、非常に低い送信電力が保証され得る。

ただし、さらなる周波数レンジについてのさらなる所定の電力最大値は、当該さらなる周波数帯域における複数のキャリアの送信電力を割り当てるために、プロセッサ１３０によって定義され、記憶され及び考慮され得る。例えば、ある周波数レンジがより深刻な妨害をラジオ放送にもたらすことが既知である場合、この周波数レンジについての対応する所定の電力最大値は、より低い妨害を伴う他の周波数レンジよりも低くなるべきである。

対応する電力線通信方法についての簡単なフローチャートは、図２に図示される。

ステップＳ２００において、複数のキャリアの個々のキャリアへの送信電力が割り当てられ、第１の周波数レンジ内に位置する個々のキャリアの送信電力の合計は、当該第１の周波数レンジについての第１の所定の電力最大値以下である。

ステップＳ２０２において、ステップＳ２００において判定された送信電力を用いて、電力線信号が複数のキャリアのうちの少なくとも１つのキャリア上で電力線を介して電力線通信モデムへ送信される。

図３において、さらなる実施形態に係る電力線システム３００の概略ブロック図が図示される。当該電力線システムは、電力線モデム１０５と、電力線１２０を介して接続されるさらなる電力線通信システム３０５とを備える。当然ながら、電力線１２０又はさらなる電力線（図示せず）を介して接続されるさらなる電力線通信モデムも、同様に電力線システム３００の一部であり得る。

さらなる電力線通信モデム３０５も、電力線１２０を介して電力線信号を送信するように適合される送信器３１０と、電力線通信モデム１０５のプロセッサ１３０と同様にキャリアに送信電力を割り当てるように適合されるプロセッサ３３０と、を備える。

さらに、電力線通信モデム１０５は、さらなる電力線通信モデム３０５の送信器３１０から送信される電力線信号を受信するように適合される受信器１４０を備える。さらなる電力線通信モデム３０５は、電力線通信モデム１０５の送信器１１０から送信される電力線信号を受信するように適合される受信器３４０を備える。

電力線通信モデム、電力線通信システム及び電力線通信方法により、ＦＭラジオ放送の受信妨害を低減することが可能である。

今日、ＰＬＣ／ＰＬＴ／ＢＰＬアプリケーションは、同じ周波数を用いるデバイスへの如何なる干渉も生成しないように、給電ＰＳＤを一定の値に制限するように規制されている。今日、主として、２ＭＨｚから３０ＭＨｚまでの周波数がＰＬＣによって用いられている。割り当てられるＰＬＣスペクトルに静的なノッチ又は動的なノッチが挿入されて、ラジオサービスに特別な保護が提供される。３０ＭＨｚを超えるＰＬＣモデムについて割り当てられた周波数レンジを拡大する場合、ＦＭラジオサービスに干渉するリスクがある。ＦＭラジオ放送スペクトル（８７ＭＨｚから１０８ＭＨｚまでのバンドＩＩ）において深いノッチが存在したとしても、ＰＬＣからの干渉は発生し得る。

ＦＭラジオ放送は、一般に、図４に概略的に図示されるスーパーヘテロダイン受信器４００を介して受信される。スーパーヘテロダイン受信器４００は、アンテナ４１０、第１の増幅器４２０、局部発振器４３０、第１のミキサ４４０、フィルタ４５０、第２の増幅器４６０、復調器４７０及び第３の増幅器４８０を備える。

アンテナ４１０からの信号は、第１の増幅器４２０において増幅される。スーパーヘテロダイン受信器４００における局部発振器４３０は、サイン波を生成し、当該サイン波は、上記信号とミキサ４４０において合成され、当該信号を特定の中間周波数（ＩＦ：intermediate frequency）、通常、より低い周波数へシフトさせる。ＩＦ信号は、それ自体、フィルタ４５０によってフィルタリングされ及び第２の増幅器４６０によって増幅される。復調器４７０は、元の無線周波数ではなくＩＦ信号を用いて、（音声などの）元の変調のコピーを再生成し、当該コピーは、第３の増幅器４８０によって増幅され得る。

原則として、第１の増幅器４２０に先立って、イメージ周波数を遮断する（reject）ための単純なフィルタリングのみが実行され得るが、主要なフィルタリングステップは、中間周波数レンジにおいてフィルタ４５０によって実行される。そのため、第１の増幅器４２０及びミキサ４４０は、ＦＭラジオ放送受信のための周波数レンジの外部にある（「帯域外の」）信号を受信する。アンテナ４１０によってキャプチャされるそれら帯域外の信号は、第１の増幅器４２０又はミキサ４４０に過負荷をかけ、それによって、ＦＭラジオ放送の受信が妨害される。

ＦＭ周波数がＰＬＣによってノッチングされるとしても、ＦＭラジオ受信への干渉は顕著である。図５に図示される実験的な装置（setup）５００は、この効果を説明するために用いられることができる。

（ＰＬＣモデムを表す）雑音発生器５１０は、エネルギーを供給する。ＦＭバンドギャップフィルタ５２０は、ＦＭ周波数内の全てのエネルギーを除去する。帯域外エネルギーは、同軸Ｔコネクタ５３０においてラジオ放送信号に付加され及びＦＭラジオ受信器５４０の外部アンテナ入力へ転送される。第１のステップ減衰器Ｉ ５５０は、ＦＭバンドギャップフィルタ５２０と同軸Ｔコネクタ５３０との間に接続され、第２のステップ減衰器Ｓ ５６０は、ブロードバンド無線信号を受信するためのアンテナ５７０と同軸Ｔコネクタ５３０との間に接続される。

テストは、以下のように実行された：
・（８７ＭＨｚ＜ｆ＜１０８ＭＨｚ内の）任意のＦＭラジオサービスにチューニング
・センシティブな、殆ど受信できないＦＭサービスにステップ減衰器Ｓ ５６０を調節
・ＦＭサービスにおいて干渉が顕著になるまで、ステップ減衰器Ｉ ５５０を低減
・スペクトル分析器を用いて双方の信号のレベルを確認（verify）。

その結果、ＦＭバンド内に与干渉信号が存在しなくても、ＦＭラジオ品質の劣化はラジオ受信機において顕著である。

図６は、測定装置５００の信号において用いられるＦＭラジオ受信に干渉を引き起こす信号を概略的に示す。バンドＩＩ（８７ＭＨｚから１０７ＭＨｚ）がノッチングされる。

８０ＭＨｚ未満の又は１０８ＭＨｚを超える周波数における強い帯域外エネルギーは、ＦＭラジオ受信機５４０におけるフィルタリング無しの（unfiltered）受信ユニット又はブロードバンド受信ユニット（増幅器、ミキサ等）をオーバーフローさせる。

そのため、本発明の実施形態に係る電力線通信モデム、電力線通信システム及び電力線通信方法は、ＰＬＣからの帯域外放射の総エネルギーを制限する。

ＰＬＣ送信のＰＳＤを低い値に制限することは、ＰＬＣモデムがそれらの適用の範囲を著しく狭めてしまうため、充分ではない。家庭内の全てのコンセントに高確率で到達するためには、高いＰＳＤがＰＬＣによって必要とされる。周波数の大きな割り当ては、ＰＬＣデータの高いスループットレートを可能にする。

さらなる実施形態によれば、電力線通信モデム１０５、３０５のプロセッサ１３０、３３０は、それらの適用及び当該モデム間のチャネルに依存して、高いカバレッジとデータスループットとの間でバランスを取り得る。

（全てのチャネル上で最低限のスループットレートを保証する）優れたカバレッジを目標とする場合、電力線通信モデム１０５、３０５のプロセッサ１３０、３３０は、より高いＰＳＤを有する、より少ない周波数を割り当てる。

例えば家庭内の短い接続を介して高いデータレートを目標とする場合、電力線通信モデム１０５、３０５のプロセッサ１３０、３３０は、低減されたＰＳＤを有する全ての周波数を割り当てる。

供給電力の総量は、所与の上限値を超えないように制御される。即ち、所定の電力最大値Ｐ＝割り当てられる帯域幅＊ＰＳＤである。総電力の上限値Ｐは、割り当てられる帯域幅（ＢＷ：Bandwidth）にＰＳＤを乗じたものである。

電力線通信モデム１０５、３０５のプロセッサ１３０、３３０は、割り当てられる総スペクトル（全てのキャリア）をより低いＰＳＤに低減し、又は幾つかのキャリアのＰＳＤのみを低減し得る。

さらなる実施形態によれば、プロセッサ１３０、３３０は、対応する受信器１４０、３４０において受信電力線信号を評価することによって、ネットワーク内の電力線１２０上のキャリアについてのチャネル条件を判定し得る。チャネル条件は、例えば、信号対雑音比ＳＮＲ又は任意の他の取り得るチャネル条件（ビットエラーレート等）であり得る。

プロセッサ１３０、３３０は、電力信号を他の電力線通信モデムへ送信する際、送信電力をキャリアに割り当てるために、チャネル条件それ自体を用いることができる。さらに、チャネル条件は、電力線システム内の他の電力線通信モデムへ送信器を介してフィードバックされてもよく、それによって、それら他の電力線通信モデムは、フィードバックされたチャネル条件も考慮し得る。

さらなる実施形態において、プロセッサ１３０、３３０は、さらなる電力線通信モデム３０５において最大のＯＦＤＭコンスタレーションを受信するために必要であるよりも受信チャネル条件が良好であることを受信チャネル条件が示すキャリアの送信電力を低減するようにさらに構成される。取り得る最大のＯＦＤＭコンスタレーションニーズよりも良好なＳＮＲを有するキャリアは、データレートの損失無しに低減され得る。

さらなる実施形態において、プロセッサ１３０、３３０は、受信器における受信電力レベルがその他のキャリアについての受信電力レベルよりも高いことを受信チャネル条件が示すキャリアの送信電力を低減するようにさらに構成される。（フェージングチャネルの可変の減衰に起因して）受信器において高いレベルを有するキャリアは、受信器において平坦な周波数スペクトルを生成するために、送信側で低減され得る。その結果として、受信側ＰＬＣモデムは、受信側の増幅器の利得を増加させて、全てのキャリアについて増加されたＳＮＲを有するチャネルを取得し得る。受信器の自動利得制御（ＡＧＣ：automatic gain control）は、クリッピングを生成することなく、より高い値を用い得る。

さらなる実施形態において、プロセッサ１３０、３３０は、さらなる電力線通信モデム３０５において取り得る最小のＯＦＤＭコンスタレーションを受信するにはチャネル条件が不充分であることを受信チャネル条件が示すキャリアを除外する（omit）（即ち、それらのキャリアにゼロの送信電力を割り当てる）ようにさらに構成される。取り得る最小のコンスタレーションによって必要とされるよりもＳＮＲが低い、そのような低い信号レベルを有して受信されるキャリアは、除外され得る。これらのキャリアを除外することは、供給エネルギーを低減させるが、スループットレートを減少させない。

さらなる実施形態において、プロセッサ１３０、３３０は、チャネル条件が他のキャリアよりも不良であることを受信チャネル条件が示すキャリアを除外する（即ち、それらのキャリアにゼロの送信電力を割り当てる）ようにさらに構成される。その結果、より低いＳＮＲを有し、低いビットローディング及びスループットを提供するキャリアは、ハイビットローディングされたキャリアが除外されてデータスループットが最適化される前に、除外されるべきである。

供給されるべき総エネルギー又は総電力は、ラジオ受信機の受信品質に依存して、周波数帯域ごとに個別で（individual）あり得る。例えば、ラジオ受信機がＦＭラジオスペクトルにより近い周波数における帯域外干渉に対してより感度が高い（sensitive）場合、８０ＭＨｚから８７ＭＨｚまでの間の周波数帯域におけるキャリアは、７３ＭＨｚから８０ＭＨｚまでの間の周波数帯域におけるキャリアよりも低い割り当て総電力を有し得る。

ＦＭラジオスペクトルを超える周波数レンジ（ｆ＞１０７ＭＨｚ）で供給されるＰＬＣ信号には個別の上限値が存在し得る。

Claims (15)

1. 電力線通信モデムであって、
   さらなる電力線通信モデムへ電力線を介して複数のキャリアのうちの少なくとも１つのキャリア上で電力線信号を送信するように構成される送信器と、
   前記複数のキャリアの個々のキャリアに送信電力を割り当てるように構成されるプロセッサであって、第１の周波数レンジ内に位置する個々のキャリアの前記送信電力の合計が、当該第１の周波数レンジについての第１の所定の電力最大値以下である、プロセッサと、
   を備え、
   前記第１の所定の電力最大値は、共に使用され又は同時に使用される個々のキャリアの前記送信電力の合計が、ＦＭ変調周波数レンジにおけるラジオ放送の受信妨害が無視できることを確実にするほど充分に低くなるように選択される、電力線通信モデム。
2. 前記第１の周波数レンジは、３０ＭＨｚを超える、請求項１に記載の電力線通信モデム。
3. 前記プロセッサは、第２の周波数レンジ内に位置する前記複数のキャリアの個々のキャリアに送信電力を割り当てるようにさらに構成され、当該第２の周波数レンジ内に位置する個々のキャリアの前記送信電力の前記合計は、当該第２の周波数レンジについての第２の所定の電力最大値以下である、請求項１又は２のいずれか１項に記載の電力線通信モデム。
4. 前記第２の周波数レンジは、８７ＭＨｚから１０８ＭＨｚまでの間である、請求項３に記載の電力線通信モデム。
5. 前記プロセッサは、前記複数のキャリアの全てに同じ送信電力を割り当てるようにさらに構成される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力線通信モデム。
6. 前記プロセッサは、前記複数のキャリアの全てのうちの一部に低減された送信電力を割り当てるようにさらに構成される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力線通信モデム。
7. 前記さらなる電力線通信モデムから電力線信号を受信するように構成される受信器、
   をさらに備え、
   前記プロセッサは、受信される前記電力線信号に基づいて、前記複数のキャリアについてのチャネル条件を判定するようにさらに構成される、
   請求項６に記載の電力線通信モデム。
8. 前記プロセッサは、前記さらなる電力線通信モデムにおいて最大のＯＦＤＭコンスタレーションを受信するために必要であるよりも前記チャネル条件が良好であることを前記チャネル条件が示すキャリアの前記送信電力を低減するようにさらに構成される、請求項７に記載の電力線通信モデム。
9. 前記プロセッサは、前記受信器における受信電力レベルがその他のキャリアについての受信電力レベルよりも高いことを前記チャネル条件が示すキャリアの前記送信電力を低減するようにさらに構成される、請求項７又は８のいずれか１項に記載の電力線通信モデム。
10. 前記プロセッサは、前記さらなる電力線通信モデムにおいて取り得る最小のＯＦＤＭコンスタレーションを受信するためには前記チャネル条件が不充分であることを前記チャネル条件が示すキャリアを除外するようにさらに構成される、請求項７〜９のいずれか１項に記載の電力線通信モデム。
11. 前記プロセッサは、前記チャネル条件が他のキャリアよりも不良であることを前記チャネル条件が示すキャリアを除外するようにさらに構成される、請求項７〜１０のいずれか１項に記載の電力線通信モデム。
12. 請求項１〜１１のいずれか１項に係る電力線通信モデムを少なくとも２つ備え、当該少なくとも２つの電力線通信モデムは電力線を介して接続される、電力線通信システム。
13. 第１の周波数レンジ内に位置する個々のキャリアの送信電力の合計が、当該第１の周波数レンジについての第１の所定の電力最大値以下であるように、複数のキャリアの個々のキャリアに前記送信電力を割り当てることと、
    割り当てられた前記送信電力を用いて電力線通信モデムへ電力線を介して前記複数のキャリアのうちの少なくとも１つのキャリア上で電力線信号を送信することと、
    を含み、
    前記第１の所定の電力最大値は、共に使用され又は同時に使用される個々のキャリアの前記送信電力の合計が、ＦＭ変調周波数レンジにおけるラジオ放送の受信妨害が無視できることを確実にするほど充分に低くなるように選択される、電力線通信方法。
14. 第２の周波数レンジ内に位置する個々のキャリアの送信電力の合計が、当該第２の周波数レンジについての第２の所定の電力最大値以下であるように、第２の周波数レンジ内に位置する個々のキャリアに前記送信電力を割り当てること、
    をさらに含む、請求項１３に記載の電力線通信方法。
15. 前記電力線通信モデムからの前記個々のキャリアについてチャネル条件を判定することと、
    前記チャネル条件に基づいて、前記個々のキャリアに前記送信電力を割り当てることと、
    をさらに含む、請求項１３又は１４のいずれか１項に記載の電力線通信方法。

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