JP2006523393A - 電力線を通してのデータ通信のためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

システムおよび方法は、家の接続ユニットおよび／または家の中の電気分配への低電圧変電所の領域を備えている電力線を通しての広帯域通信のために提案されている。この新しい方法は、それぞれのサブチャンネルにおける個々の伝送電力との、異なったサブチャンネルにおけるいくつかのパラレル非同期データ通信を許容する。サブチャンネル分離は、高い阻止域減衰を有する帯域通過フィルタを用いる。それぞれのサブチャンネルにおける高いデータ・レートは、離散的ウエーブレット・マルチトーン変調を用いることによって、達成される。それぞれのサブチャンネルにおける粗い同期と、時間領域等化器の係数の最適化とが、トレーニング・シーケンスを用いることで達成される。

Description

本発明は、低電圧変電所と家の接続ユニットおよび／または家の中の電気分配との間の領域を備えている電力線分配ネットワークを通しての広帯域データ通信のためのシステムおよび方法に関するものである。

例えば、低電圧変電所と家の接続ユニットおよび／または家の中との間の電力分配線を通してのデータ通信のための先行技術のシステムは、一般的に、少なくとも１つのマスタ・ステーションと、このマスタ・ステーションに記録されなければならないスレーブ・モデムとを用いる。また、同一のネットワーク・アーキテクチャが、上記家の中の電気分配を通して広帯域データ通信のためにも用いられる。

このようなシステムは、時分割多元接続（ＴＤＭＡ）に基づかれているか、あるいは、直交波周波数分割多重（ＯＦＤＭ）技術を用いているか、もしくは、その両方である。ＯＦＤＭ技術は、時分割多元接続よりも高いデータ・レートを許容するけれども、それらは、それらが阻止域減衰を有していることに、より大きな欠点を有している。

マスタ−スレーブ・アプローチの欠点は、マスタ・ステーションの伝送レベルが最も遠いスレーブ・モデムに到達するのを許容するように十分に高くなければならないことと、そして、通信帯域幅が幾つかのスレーブ・モデムの間で共有されなければならないこととである。

電力分配線を通してのデータ通信のための先行技術のシステムの主要な欠点は、つぎのとおりである：
・対応する電磁放射線放出の結果として、最も遠いスレーブ・モデムに到達するためには、高い伝送レベルが必要であること、
・スレーブ・モデムの伝送の許容をコントロールするために、複合的なランダム・アクセス計画が必要であること、
・マスタ・ステーションが故障の単一のポイントを表示すること、および
・もしもいくつかの電力線マスタ−スレーブ・システムが同時に使用されれば、進行中の同時の電力線通信の間における干渉を避けるために、異なるマスタ・ステーション間の時間同期化が必要であること。

これらの欠点は、電力線通信の広汎な発展への主要な障壁である。

本発明の１つの目的は、高いデータ通信レートを達成することを許容する、電力線を通してデータ通信のためのシステムおよび方法を提供することである。

本発明の別の１つの目的は、電力線モデム・データ伝送のためのいくつかの電力線モデムが電力分配ネットワークを通して同時にかつ非同期で生起することを許容する、電力線を通してのデータ通信のためのシステムおよび方法を提供することである。

本発明のさらに別の１つの目的は、電力線モデムの異なった伝送電力レベルの使用を許容する、電力線を通してのデータ通信のためのシステムおよび方法を提供することである。

本発明のさらに別の１つの目的は、パラレルに生起する異なる電力線通信の間におけるいかなる同期も必要としない、電力線を通してのデータ通信のためのシステムおよび方法を提供することである。

これらの目的は、それぞれの独立請求項と引用請求項によって与えられる種々の実施例との特徴を有するシステムおよび方法によって、達成される。

これらの目的は、複数のセンダから複数のレシーバ（これら複数のレシーバは、所定のデータ伝送チャンネル帯域幅を有する単一の電力ネットワークを通して接続されている。）へのデータ通信のための方法において、上記センダと上記レシーバとの間に確立される複数のピアツーピア伝送チャンネルを通してデータを同時に非同期伝送するステップを備えることによって、特別に達成され、また同様に、所定のデータ伝送チャンネル帯域幅を有する電力ネットワークを通してデータを送信および／または受信するための複数の通信装置を備えたデータ通信のためのシステムにおいて、上記通信装置のそれぞれが、それらの間に確立される複数のピアツーピア伝送チャンネルを通してデータを非同期伝送するようにデザインされているトランシーバ・システムを備えることによっても、特別に達成されることができる。

本発明によるデータ通信方法の１つの好ましい実施例によれば、電力線チャンネル帯域幅は、同一のまたは異なる帯域幅のｎ個（ｎは、２よりも大きい整数である。）のサブチャンネルに分割される。本発明の１つの好ましい実施例によれば、上記ｎ個のサブチャンネルは、例えば、高い阻止域減衰を有するデジタル・フィルタを用いることによって、分離される。

本発明による電力線モデムは、物理的チャンネルを通して送られるべきであるデータを伝送するための１つの自由なサブチャンネルを識別するために、例えば、ｎ個のサブチャンネルの予め選択された部分集合における通信アクティビティを検出するための手段を、好ましくは、含んでいる。データは、例えば、離散的コサイン変調されたフィルタ・バンクまたは離散的ウエーブレット変調を用いて変調される。レシーバは、例えば、離散的コサイン変調されたフィルタ・バンクまたは離散的ウエーブレット・フィルタ・バンクを用いてデータをリカバリするために、サブチャンネル・パルス応答の記号同期および時間領域等化を行い、そして、センダによって用いられるものに本発明による機能を実行する。

したがって、本発明は、電力線モデム・データ通信のための複数の電力線モデムにパラレルに生起することを許容し、そして、伝送電力がそれぞれのサブチャンネル通信のために個別に決定されることができ、サブチャンネル間の最高に減少された干渉を導く。本発明によれば、それらが分離されたサブチャンネルで生起するので、パラレルデータ通信の間での同期は必要ない。マスタ・ステーションおよび／または複合的なアクセス機構を必要としないので、どの故障の単一のポイントもない。

本発明のより良い理解は、本発明の実施例についてのつぎの詳細な説明が図面に関連して考慮されるときに、得られることができる。

図１は、本発明の１つの好ましい実施例に従った、電力線モデムに実施されたトランシーバ・システム１０のブロック図である。このトランシーバ・システムは、センダ１１（このセンダ１１は、例えば、離散的コサイン変調されたフィルタ・バンクまたはウエーブレット・パケット変調されたフィルタ・バンクに基づいている。）と、レシーバ１３（このレシーバ１３は、同様に、例えば、離散的コサイン変調されたフィルタ・バンクまたはウエーブレット・パケット変調されたフィルタ・バンクに基づいている。）とを、好ましくは、含んでいる。データ通信アクティビティ検出器１２は、レシーバ１３に接続されている。センダ１１およびレシーバ１３は、ハイブリッド回路１４（このハイブリッド回路１４を通してトランシーバ・システム１０が電力分配ネットワーク１６に接続されている。）に接続されている。

本発明の１つの好ましい実施例に従えば、本発明による上記電力線モデムに実施されている上記トランシーバ・システムは、センダ１１およびレシーバ１３を備えている。このために、データの送信と受信との両方を、できる限り同時に、そして、異なったサブチャンネルで、行うことができる。しかし、当業者は、データの送信または受信のいずれか一方のみが可能であるモデムのような通信装置を本発明の枠内で構成することができることを、認識するだろう。したがって、このような装置に実施される上記トランシーバ・システムは、それぞれ、センダ１１を備えているがレシーバ１３を備えていないか、あるいは、レシーバ１３を備えているがセンダ１１を備えていない。

図２は、本発明の１つの実施例に従って、電力線通信ネットワークの帯域幅が、異なった帯域幅のｎ個のサブチャンネルにいかにして分割されているのかを、示している。上記サブチャンネルの帯域幅は、例えば、４ＭＨｚ、２ＭＨｚ、１ＭＨｚまたは０．５ＭＨｚである。

本発明の１つの好ましい実施例に従えば、伝送することを欲している上記電力線モデムのレシーバ１３は、異なったかつ予備選択されたサブチャンネルをアクティビティ検出器１２によって交互に選択し、そして、データ通信アクティビティが上記サブチャンネルに存在しているか否かを、そのサブチャンネルにおける信号エネルギーを測定することによって、モニタする。アクティビティ検出器１２は、伝送のために用いられることができるサブチャンネルをこの方法で識別し、そして、この情報をセンダ１１に伝達する。もしも、１つよりも多いサブチャンネルが使用可能であれば、上記トランシーバ・システムは、例えば、サブチャンネルの帯域幅、周波数レンジ、減衰特性、ノイズなどのような、１つまたはそれよりも多い予め定められた基準に基づいて、最良のサブチャンネルを好ましくは選択する。

ついで、上記選択された自由な電力線サブチャンネルは、（例えば、サブチャンネル３２０が、図３ａに示すように、電力線モデムＢと電力線モデムＳとの間におけるデータ伝送のために用いられるように、）上記電力分配ネットワークを通してデータを伝送するために用いられる。このために、ピアツーピア・データ伝送チャンネルは、これら２つのモデムの間に確立される。図３ａおよび図３ｂは、３つの通信が電力線チャンネル帯域幅の異なったサブチャンネルをそれぞれ用いて３つのパラレル・ピアツーピア・データ伝送チャンネルを通していかにして同時に行われるのかを、さらに示している。これらのパラレル通信は、互いに完全に独立しており、このために、非同期で行われることができる。総ての電力線モデムＡ、Ｂ、Ｃ、Ｒ、ＳおよびＴは、好ましくは、図１に従って実施される。

したがって、本発明によるデータ通信方法は、電力分配ネットワークを通しての網目状になったデータ通信ネットワークの生成を可能にする。（上記電力分配ネットワークでは、それぞれの通信装置が上記ネットワークの任意の別の装置とピアツーピア通信を確立することができる。）それぞれのピアツーピア通信のための伝送電力は、上記２つの装置の間の伝送線の特性に好ましくは適応される。しかし、ネットワークの環境の外乱を回避するために、伝送電力は、或る限界内に保持されなければならない。本発明によるネットワークの網目状になったアーキテクチャのお陰で、１つまたはそれより多い通信装置が、例えば、相互に遠く離れて配置された２つの通信装置の間における中継器またはリレーとして用いられることができる。また、本発明によるネットワークの１つまたはそれよりも多い通信装置は、例えばインタネットのような別のネットワークに対するリレーまたはゲートウエイとして機能することができる。

より詳細にセンダ１１のブロック図を示している図４に示すように、伝送されるべきデータ１５は、インタリーバ４０１でまずインタリーブされ、そして、コンバータ４０２でシリアルからパラレルに変換され、ついで、コンステレーション・エンコーダ４０３を用いてコード化される。

コンステレーション・エンコーダ４０３のパラレル出力は、離散的コサイン変調されたフィルタ・バンクまたはウエーブレット・パケット変調されたフィルタ・バンク４０４に導かれる。フィルタ・バンク４０４の帯域幅は、例えば１ＭＨｚであり、そして、上記コサイン変調されたフィルタ・バンクまたは上記ウエーブレット・パケット変調されたフィルタ・バンクは、好ましくは、それぞれ高い阻止域減衰を有する例えば２４個または６４個のキャリアを有している。

フィルタ・バンク４０４のシリアル出力は、周波数発生器４０７を含むモジュレータ４０５によって、上記選択された自由なサブチャンネルの周波数にその周波数をデジタル的にアップ・シフトされる。モジュレータ４０５の出力は、上記電力分配ネットワークの上記選択されたサブチャンネルを通して伝送されるために、ＤＡコンバータ４０６に供給される。

図５に示すように、上記受信された信号は、好ましくは、まず帯域通過フィルタ５０１を用いて帯域通過濾波され、ついで、低ノイズ増幅器５０２を用いて増幅され、そして、モジュレータ５０３を用いて選択された中間周波数（ＩＦ）にアップ・シフトされる。ついで、上記信号は、デジタル化されかつできる限りオーバー・サンプリングされるためにＡＤコンバータ５０７に供給される前に、自動利得制御５０５を用いて再び増幅され、そして、帯域通過フィルタ５０６によって帯域通過濾波される。

本発明の１つの好ましい実施例によれば、上記放出するモデムのセンダとの粗い同期化は、レシーバ１３に知られたトレーニング記号を用いたマッチングされた濾波技術を用いる同期化ユニット５０８において、達成される。トレーニング記号は、好ましくは、それぞれ新たに確立されたピアツーピア・データ伝送のために、少なくとも一度、上記センダによって送られる。この送られたトレーニング記号の初めの部分は、ついで同期化手続を開始するであろう同期化ユニット５０８によって、検出される。また、これらのトレーニング記号は、時間領域再帰形等化器５０９の係数を決定するためにも、用いられる。センダ・サンプリング・クロックとレシーバのサンプリング・クロックとの間の周波数オフセットの補正とともに優れた同期化が、パイロット記号に基づいて、実行される。

上記送られたデータをリカバリするために、時間領域等化器５０９の出力は、フィルタ・バンク５１０（このフィルタ・バンク５０１は、例えば、離散的コサイン変調されたフィルタ・バンクまたはウエーブレット・パケット変調されたフィルタ・バンクから構成されている。）に供給される。フィルタ・バンク５１０のパラレル出力は、コンステレーション・デコーダ５１１に供給される。コンステレーション・デコーダ５１１の上記パラレル出力は、パラレルからシリアルへのコンバータ５１２に順次供給され、このパラレル−シリアル・コンバータ５１２の上記出力は、デインタリービング・ユニット５１３に供給される。このデインタリービング・ユニット５１３の上記出力は、上記送られたデータの概算値である。

図６ａは、１ＭＨｚの帯域幅の離散的コサイン変調されたフィルタ・バンク５１０の周波数応答を、１つの例として示している。横軸が正規化された周波数〔×２πｒａｄ／ｓ〕を示し、縦軸がｄＢで振幅を示している。上記変調されたデータ信号のエネルギーが非常に狭い周波数レンジに閉じ込められ、そして、それがそのレンジ以外では非常に強く減衰されていることを理解することができる。その特殊な特徴のお陰で、異なった周波数レンジを用いるこのような信号は、それぞれの別のものの間における著しいクロス・トークを生じることなしに、単一の伝送ラインで伝送されることができる。したがって、異なるデータ伝送が、相互の摂動のリスクなしに、隣接するサブチャンネルでパラレルに非同期で開始されることができる。

上記レシーバの側においては、上記送られる情報を検索するために、上記受信された信号が、図ｂ６に示すものと同様の周波数応答を有する帯域通過フィルタでもって、濾波される。図６ｂにおいて、横軸はＭＨｚで周波数を示し、縦軸はｄＢで振幅を示している。上記所望のサブチャンネルにフィルタの周波数応答を中心合わせすることによって、そのサブチャンネルに送られる上記信号のみが受信される。

本発明の１つの好ましい実施例によれば、トランシーバ・システム１０は、離散的コサイン変調されたフィルタ・バンクまたはウエーブレット・パケット変調されたフィルタ・バンク４０４でもって上記伝送されるべきデータを変調するセンダ１１を備えている。このために、トランシーバ・システム１０は、マルチ・キャリア・トランシーバ・システムであり、そして、上記伝送されるデータは、上記選択されるサブチャンネルにおいて使用可能な周波数帯域幅内の複数個（例えば、２４個）のサブキャリアを通して、変調される（図７）。図７において、横軸は上記正規化された周波数を示し、縦軸はｄＢで振幅を示している。好ましくは、トランシーバ・システム１０は、上記伝送する電力のレベルと、コード化されたデータ・ビットの数またはデータ・レートとが特殊なサブキャリア周波数帯域における所定のまたは測定される伝送特性に応じてそれぞれのサブキャリアのために異なって選定されるように、構成されることができる。伝送特性は、例えば、上記測定されたＳ／Ｎ比、使用可能な帯域幅、減衰などに依存することができる。したがって、トランシーバ・システム１０は、好ましくは、これらのサブキャリアの特定の特性を決定することおよび／または格納することのために、非表現装置および／またはメモリ記憶領域を含んでいる。

本発明の１つの好ましい実施例に従ったトランシーバ・システムの概念的なブロック図である。 本発明の１つの好ましい実施例に従った、サブチャンネルへの電力線チャンネル帯域幅の配分を示している。 本発明の１つの好ましい実施例に従った、電力線チャンネル帯域幅の異なったサブチャンネルを用いた、パラレルで生じる３つの同時の非同期データ伝送を示している。 電力分配ネットワークを通してパラレルで生じる図３ａの３つのデータ伝送を図示している。 図１のセンダのブロック図である。 図１のレシーバのブロック図である。 本発明の１つの実施例に従った、１ＭＨｚの帯域幅の離散的コサイン変調されたバンクの周波数応答を示している。 本発明の別の１つの実施例に従った、レシーバに用いられる４ＭＨｚのアナログ帯域通過フィルタの周波数応答を示している。 本発明の１つの好ましい実施例に従った、図６ａの０．７０〜０．１２５の正規化された周波数レンジ内に用いられる２４個のサブキャリアを示している。

Claims (22)

1. 複数のセンダ（１１）から複数のレシーバ（１１）（これら複数のレシーバ（１１）は、所定のデータ伝送チャンネル帯域幅を有する単一の電力ネットワークを通して接続されている。）へのデータ通信のための方法において、
   上記複数のセンダ（１１）と上記複数のレシーバ（１１）との間に確立される複数のピアツーピア伝送チャンネルを通してデータを同時に非同期伝送するステップを備えるデータ通信のための方法。
2. 上記チャンネル帯域幅が複数のサブチャンネルに分割され、
   上記パラレル・ピアツーピア伝送チャンネルが上記サブチャンネルの異なる１つを用いる請求項１に記載の方法。
3. 上記チャンネル帯域幅が高い阻止域減衰を有する帯域通過フィルタを用いて複数のサブチャンネルに分割される請求項２に記載の方法。
4. 複数の上記サブチャンネルにおけるデータ伝送アクティビティを検出することと、
   データを伝送するためにデータ伝送アクティビティがないサブチャンネルを選択することとの、上記センダによって行われるステップを備える請求項２または３に記載の方法。
5. 上記データ伝送チャンネル帯域幅が１．６ＭＨｚ〜４０ＭＨｚの周波数帯域に含まれる請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載の方法。
6. 離散的コサイン変調フィルタ・バンク（４０４）で上記データを変調するステップを備える請求項１〜５のうちのいずれか１項に記載の方法。
7. ウエーブレット・パケット・フィルタ・バンクで上記データを変調するステップを備える請求項１〜５のうちのいずれか１項に記載の方法。
8. 対応するセンダで上記レシーバのそれぞれを同期化するステップを備える請求項１〜７のうちのいずれか１項に記載の方法。
9. 上記同期化ステップが、上記レシーバから知られるトレーニング・シーケンスで行われ、そして、上記対応するセンダによって伝送される請求項８に記載の方法。
10. 上記ピアツーピア伝送チャンネルのそれぞれを通したデータ伝送が異なった伝送電力で行われる請求項１〜９のうちのいずれか１項に記載の方法。
11. 上記伝送電力が上記対応するピアツーピア伝送チャンネルに沿った信号減衰に適合される請求項１０に記載の方法。
12. パブリック−プライベート・キィー暗号法を用いて上記データを暗号化するステップを備える請求項１〜１１のうちのいずれか１項に記載の方法。
13. 所定のデータ伝送チャンネル帯域幅を有する電力ネットワークを通してデータを送信および／または受信するための複数の通信装置を備えるデータ通信のためのシステムにおいて、
    上記通信装置のそれぞれが、上記複数の通信装置の間に確立される複数のピアツーピア伝送チャンネルを通してデータを非同期伝送するようにデザインされるトランシーバ・システム（１０）を備えているデータ通信のためのシステム。
14. 上記トランシーバ・システム（１０）がセンダ（１１）および／またはレシーバ（１２）を備える請求項１３に記載のシステム。
15. 上記ピアツーピア伝送チャンネルのそれぞれが上記データ伝送チャンネルの異なったサブチャンネルを用いて確立される請求項１３または１４に記載のシステム。
16. 上記センダ（１１）および／または上記レシーバ（１２）が、複数のサブキャリアを用いて上記サブチャンネルを通して送信および／または受信されるべき上記データを変調および／または復調するためのフィルタ・バンク（４０４、５１０）を備える請求項１５に記載のシステム。
17. 上記トランシーバ・システム（１０）が、上記対応するサブキャリア周波数レンジにおける伝送特性に依存して、上記複数のサブキャリアのそれぞれの１つのために異なったデータ・レートおよび／または伝送電力レベルを伝送するように構成される請求項１６に記載のシステム。
18. 上記フィルタ・バンク（４０４、５１０）が離散的コサイン変調フィルタ・バンクである請求項１６または１７に記載のシステム。
19. 上記フィルタ・バンク（４０４、５１０）がウエーブレット・パケット・フィルタ・バンクである請求項１６または１７に記載のシステム。
20. 上記トランシーバ・システム（１０）が複数の上記サブチャンネルにおけるデータ伝送アクティビティを検出するためのアクティビティ検出器（１２）を備える請求項１５〜１９のうちのいずれか１項に記載のシステム。
21. 上記レシーバ（１１）が対応するセンダ（１２）とともに上記レシーバ（１１）を同期化するための同期化回路（５０７）を備える請求項１３〜２０のうちのいずれか１項に記載のシステム。
22. 上記レシーバが、上記レシーバから知られかつ上記対応するセンダによって伝送されるトレーニング・シーケンスの補助で同期化される請求項２１に記載のシステム。

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