Transcript 4-通信路 - 片山研究室

日本テクノセンター
2011.08.05
制御のための通信路
無線，可視光，電力線
名古屋大学 エコトピア科学研究所 情報・通信科学研究部門
（大学院 工学研究科 電子情報システム専攻 兼担）
片山 正昭
無線系

微弱以外免許が必要(自由度が低い)

無線LAN等



2.4GHz (ISM)
5.2GHz
:
920MHz (950MHz)
電子情報通信学会 ソサイエティ大会 （2010.9.16）
可視光無線通信
ＬＥＤ面発光パネルを用いたシステム例
可視光無線通信
波長
100km
100um
780nm
380nm 1nm
光
電波
赤外線
X線
可視光
紫外線
照明機器・表示機器の
可視光源の光強度を変調して情報を伝送
•
•
照明・表示機能と通信機能を両立
サービスエリアがわかり易い
可視光源にLEDパネルを用いた情報提供サービスの実現*
大辻太一 他,”LED面発光パネルを用いた可視光無線通信システムに関する基礎実験,” 信学技報,OCS 2007-14.
石田大介 他,”LED面発光パネルを用いた可視光無線通信におけるチャネルの特性評価,”信学技報,OCS 2007-15.
舟橋明伸 他,” LEDパネル可視光無線通信システムにおける背景光の影響軽減,” 信学ソ大, A5-17, 2010.
LEDパネル

構造


役割


樹脂による導光板の端面を白色LEDで照らすことにより面発光
駅、店、地下街などの公共空間での案内や広告
LEDによる特長



低消費電力・低発熱・長寿命→省資源・省メンテナンス
薄型・軽量→設置容易
高速応答→高速な可視光無線通信が可能
展示場、駅構内、街角等で急速に普及
LEDパネル可視光無線通信システム
LEDパネルに可視光無線通信を適用
• 携帯端末への情報送信
–
–
•
•
•
•
•
送信側：LEDパネル
受信側：フォトダイオード（PD）
通信形態・・・単方向、1対n
広告・案内機能と通信機能の両立
受信情報の蓄積・持ち運び可能
パネルごとに異なる情報を送信可能
任意時刻からのサービス開始
MOD
信号変調
Panel
PD
DEM
信号復調
想定サービス例
写真：名古屋市栄駅ホームにおけるLED面発光パネル設置例
・位置情報、アクセス情報、商業情報を提供
・視覚障がい者への音声読み上げ用データを提供
経産省 地域イノベーション創出研究開発事業
「可視光通信による視覚障がい者向け
情報灯台システムの研究開発」（H.22-23年度）
・（株）Green Utility
・（福）名古屋ライトハウス
・（株）NEC通信システム
・（財）名古屋産業科学研究所
・（国）名古屋大学
写真：飲食店での設置例
・顧客への追加情報や副次サービスを提供
写真：ハンガリー共和国大使館浜松名誉総領事館での設置例
・展示パネル等を利用して，視覚情報に追加する
音声情報を提供
システム実現への問題点

周囲の照明光（背景光）の影響が大きい


信号光 小：直視し続けられる明るさ
背景光 大：見続けられない明るさ
背景光
パ
ネ
ル
背景光の影響で誤り易くなり
通信範囲が狭くなる
背景光の特徴

蛍光灯（インバータ）

蛍光灯
（インバータ）
インバータで高周波に変換して点灯
APD
オシロ
スコープ
約1/240s
約100kHzの高周波を含んだ
周期約240Hzで時間変動
約1/100ms
蛍光灯（インバータ）のスペクトル特性
Fsa=10MHz
FFTサイズ＝218
高周波数では約100kHzの
スペクトルが最も大きい
約100kHz
約240Hz
全体では約240Hzの
スペクトルが最も大きい
送信信号のスペクトル特性
入力
データ
マンチェスタ
符号化
D/A
＋
AMP
FPGAボード
Bias
バイポーラ電源
理論値
実測値
マンチェスタ符号（1Mbps）の正規化スペクトル
LED
パネル
全体のシステムモデル
入力
データ
マンチェスタ
符号化
D/A
LED
パネル
＋
AMP
Bias
バイポーラ電源
FPGAボード
背景光
＋
背景光の影響軽減
出力
データ
・直流成分カット
・重み付け
復調
PC
A/D
APD
実験諸元
入力データレート
１フレーム長
プリアンブル長
データ長
総フレーム数
同期方法
符号
A/D変換器のサンプリング周波数
背景光雑音
1 Mbps
4 シンボル/フレーム
200 シンボル/フレーム
200フレーム
フレーム同期
マンチェスタ符号
10 MHz
蛍光灯（インバータ）
バイアス電圧値
14V
入力信号振幅値
±0.8V
送受信機間距離
0.1 m ～ 1.5 m
プリアンブル：同期用の系列
1フレーム長（プリアンブル長+データ長）
データ
実験環境
蛍光灯（インバータ）
[32W×3本]
1.5m
APD
0.5
1.0
1.5 [m]
X=1.0mのとき
SNR=5dB
背景光が大きい帯域のカット(BRF)
APD
A/D
F
F
T
重
み
付
け
I
F
F
T
出力
データ
復調
背景光の最も大きい
周波数帯域（75～125kHz）を
部分的にカット
直流カット後の
蛍光灯（インバータ）のスペクトル
帯域制限(BRF)の効果
APD
A/D
F
F
T
重
み
付
け
I
F
F
T
復調
出力
データ
20cm
部分的にカットすることで
信号分への影響が小さく
背景光の影響軽減によって特性改善
3dB
帯域制限(BRF)による伝送距離特性改善
信号光+背景光
信号光のみ
重み付けによって誤り率10 において伝送距離約20cmの特性改善
電子情報通信学会 ソサイエティ大会 （2010.9.16）
電力線通信
Comparison of PLC
Narrow Band
Low Data Rate
Narrow Band
High Data Rate
Broad Band
Frequency
9 – 148.5 kHz
9 – 500 kHz
1.5 – 30 MHz
Data Rate
< 20 kbps
> 50 kbps
< 1 Mbps
> 10 Mbps
Technology
FSK, BPSK, FFH,
dual FSK
no or low FEC
MCM / OFDM
diff. coding,
strong FEC
MCM / OFDM
Bit loading
FEC
Applications
AMR, EIB
AGLAS,
Energy Manag.
Last mile Telecom
IP, VoIP, AV
Companies
Busch Jaeger,
Echelon, Görlitz,
Landis & Gyr
iAd, REMPLI
Homeplug, DS2,
Xeline, Amperion,
Spidcom, Mainnet
by Gerd Bumiller@iAd presented in ISETS2005
有線上の「無線」信号

無線周波数信号の有線上伝送



CATV --- エネルギーは，同軸構造に閉じ込められている
ADSL --- エネルギーは，平衡線路の「周辺」．
PLC --- エネルギーは，不平衡分岐線の「周辺」



平衡でも不可．（ダイポールアンテナも平衡）
インピーダンスが変動
電離層の存在（信号減衰指数が小さい）
電力線通信の技術的課題

電力線通信路の理解
＊伝搬特性，雑音は，いずれも
時変（短期間では周期定常）かつ周波数選択性
＊通信の立場からの測定不足
＊簡単で正確な数学モデルが必要

電力線の特徴を理解した通信方式
＊周波数・時間依存性に対応できる変調方式（OFDM)
＊非ユークリッド距離特性に基づく復調方式
＊隠れ端末・見逃しに耐える多元接続方式（MC-CDMA)
電力線の伝達関数例（広帯域システム）
静的な特性しか考慮し
ていない．
電力線雑音の波形例
電源電圧波形
雑音成分
Cyclo-stationary Gaussian noise model
Cyclo-stationary Gaussian noise model：
• Variance of noise change synchronous with TAC/2
• Noise amplitude in each time is Gaussian
Variance Background
noise
Cyclic stationary
continuous noise
Cyclic impulsive
noise
time
TAC/2
Generate the noise
time
PDF of PLC Noise (1)

PLC Noise is Impulsive


Lower Probability
for Low-level noise
Higher Probability
for High-level noise
than Gaussian Noise

Observation based on
Stationary-Noise
Assumption

Samples are taken at
random timings
PDF of PLC Noise (2)

PLC Noise is Gaussian


if sampled
synchronously with
mains AC
If Gaussian

only (time-dependent)
variance
(instantaneous power)
 2 (iTS )  E[ 2 (iTS )]
is necessary.
an Example of
Instantaneous Noise Power
Noise Waveform
 (iTS )
Cyclic Averaged Noise Power
1 2 m1 2
 (iTS ) 
 (iTS  jT C)

2m j 0
2
m
Instantaneous Noise Power
Assumption: Cyclic-Stationary Process

Instantaneous Normalized Noise Power

Requires ensemble average
 2 (iTS )  E[ 2 (iTS )]

If Noise is Cyclic-Stationary Process

Cyclic-Average of m/2 cycles of AC
2 m 1
1
2
 m2 (iTS ) 

(iTS  jT C)

2m j 0
 2 (iTS )  lim  m2 (iTS )
m 
an Example of
Instantaneous Noise Power
Noise Waveform
 (iTS )
Cyclic Averaged Noise Power
1 2 m1 2
 (iTS ) 
 (iTS  jT C)

2m j 0
2
m
Approximation of
Instantaneous Power of PLC Noise
Approximated Instantaneous
2
Power of PLC Noise ˆ (t )
Cyclic Averaged Instantaneous
2
Power of PLC Noise  m (iTS )
L3
L 1
ˆ (t )   Al sin( t
2
l 0
TC l )
nl
l
0
1
2
Al
0.23
1.38
7.17
l
[deg]

6
 35
nl
0
1.91
1.57 105
Convergence of the Derived Parameters
0
10
20
30
40
about 40-50 cycles (1 second)
is enough
Power Spectrum Density of PLC Noise
Approximation of
Power Spectrum Density

Noise Power for a given
time-frequency
 2 (t ,

f )  2 (t ) ( f )
Linear Approximation of
PSD in dB
ln  ( f )  af  C
for  f
Computer Simulated PLC Noise
L  3 a  1.2 105
l
0
1
2
Al
0.23
1.38
7.17
l
[deg]

6
 35
nl
0
1.91
1.57 105
Robustness of Parameters
Measured
Parameters
Simulated
?
Parameters
Summary

Approximations



Simple Mathematical Representation of
Narrow-Band PLC noise



Cyclostationary Gaussian
Linear Function for PSD in dB
8-parameters
Necessary Observation: about 1second
Benefits


Benchmark for Design/Evaluation of PLC Systems
Better Understandings of PLC Noise
Noise amplitude distribution in time-frequency domain
・Noise spectrum is non-white.
・Noise spectrum is concentrated in lower frequency band.
・Noise characteristics change synchronous
with a period TAC/2.
TAC
Instantaneous Power of Band-Limited Noise
Measured at 22:00 on Nov. 25 2002.
(3.197MHz,54kHz)
(3.305MHz,54kHz)
•Cyclo-Stationary with a period TAC/2.
•Instantaneous noise power in different frequency looks alike.
Future Works

Detailed Analysis in Frequency Domain

Measurement Campaign in Various
Environment



Data-base of Parameters
Standard Parameter Sets
Noise/Propagation of PLC as MIMO
Channel
特性改善技術の例
雑音の瞬時電力の推定値を利用した最適受信

人工雑音は時間方向や周波数方向で雑音に相関が存在

OutbandよりCommunication bandの瞬時電力を推定
受信側で復号に利用
特許(特願2003-367970)
雑音環境適応デジタル受信装置
Communication
Band
（通信で用いる帯域）
Outband
（通信で用いない帯域）
特性改善技術の例
システムモデル
送信機
受信機
特性改善技術の例
数値例（電力線通信への適用例）
従来方式
K=10
提
案
方
式
に
よ
る
改
善
電力線通信システムの潜在能力
電話モデム： > 30kbps/3kHz
・帯域幅
狭帯域 >400kHz(10-450kHz)
狭帯域でも
数Mbps?!
広帯域 ≒30MHz (例 1-30MHz）
Blootooth：100mW/100m
・線路と電力
短距離（<500m) 有線
無線系：熱雑音
350mW(PSK)/440mW(SS) （エントロピ最大のガウス分
布）
・雑音
インパルス性（エントロピー小）
Narrow-Band PLC Renaissance

Control / Remote Sensing in Wide Area



Low Speed
High Reliability
Reserved Seat for PLC



10Mbps < 802.11abg... , xDSL, FTTH, PLC
100Mbps < 802.11abg... , xDSL, FTTH, PLC
10kbps > 802.11abg... , xDSL, FTTH, PLC
電力線通信の用途 例
電力線通信の用途 例