HD-PLCアライアンス 高速電力線通信

HD-PLCアライアンス

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「HD-PLC」の基本技術について

1) 「HD‐PLC」の物理層について

1. 周波数利用効率が非常に高い「Wavelet-OFDM」方式を採用

高速電力線通信「HD-PLC」は、周波数利用効率が非常に高い「Wavelet-OFDM (Wavelet Orthogonal Frequency Division Multiplexing)」(注1)方式を採用しています。
「Wavelet OFDM」方式は、深いフィルタ特性をもち、ノッチフィルタを外部回路なしで実現することができる方式です(図1参照)。
また、本方式は、国際標準規格IEEE 1901 に正式に採用された技術です。

2. 「Wavelet OFDM」の特徴

  • GI(Guard Interval)を必要としないことやサブキャリアごとの適応変調を効率的に行われているので、高効率伝送が可能です。
  • フレキシブルノッチ形成技術(注2) (プログラマブルなノッチ挿入が可能)を採用。
    「Wavelet OFDM」は、各キャリアのサイドローブレベルが、低く最小2本のキャリアを不使用とすることで、任意の周波数帯域内に35dB以上の低サイドローブによる深いノッチを形成できます。これにより既存システム(短波放送やアマチュア無線)との干渉を抑え共存を可能としています。
  • 既存システムからの狭帯域干渉が存在した場合、その影響は数本のサブキャリアのみの影響に抑えることが可能で、ICI(Inter-Carrier Interference)も低く抑えることができます。
  • 変調方式の最大多値度は、32PAMを採用

avelet-OFDMによる既存機器への低減

図1:Wavelet-OFDM特性波形
Fig.1:Wavelet-OFDM waveform of the characteristic

3. 「HD-PLC」技術の変遷

市販時 世代 物理速度 使用周波数 技術仕様
2006年~2009年 第一世代 最大190Mbps (4MHz~28MHz) 「HD-PLC」
2009年~2011年 第二世代 最大210Mbps (2MHz~28MHz) 「HD-PLC」
2011年~2018年 第三世代 最大240Mbps (2MHz~28MHz) 「HD-PLC3」Complete , 「HD-PLC3」Inside
「HD-PLC3」Muti-hop, 「HD-PLC3」Inside Add-hock
2019年~ 第四世代 最大1GBps (2MHz~100MHz) 「HD-PLC」Quatro Core
  • 第1世代では、4~28MHzの通信帯域を利用した国内初の200Mbpsクラス高速電力線通信として開発されました。
  • 第2世代では、宅内接続性を向上させるために、通信帯域を2~28MHzに拡張し出力電力も見直す(従来比4.6倍)と共に接続端末16台までは、衝突なしに通信が可能となるDVTPという独自技術を開発し通信性能を向上しました。
  • 第3世代では、最大変調度を16PAM(Pulse Amplitude Modulation)から32PAMに変更することで、最大物理速度を1.25倍に向上させ最大240Mbpsの高速電力線通信を実現しています。
    加えて誤り訂正技術にLDPC-CCを採用することで、同じ符号化率(1/2~4/5)の連接符号(リードソロモン+畳み込み:RS+CC)と比べ約1.2dB~2.6dB向上することで、信号減衰領域を従来より10dB以上改善しPLC通信のカバレッジ率を大きく向上しました。

これらの改良により宅内の通信可能な宅内エリアカバー率(コンセント間の通信エリア接続率)は、第1世代に対し第3世代は、飛躍的に向上しました。
また、現在4K、8Kストリーミングにも対応可能な第四世代「HD-PLC」Quatro Core チップの開発が進んでいます。
(表1参照:「HD-PLC」技術進化と特徴)

表1.「HD‐PLC」技術進化と特徴
名称 第1世代 第2世代 第3世代 第4世代
「HD-PLC」 「HD-PLC」 「HD-PLC3」
Complete
「HD-PLC3」
マルチホップ
「HD-PLC4」
Quatro Core
使用帯域
(MHz)
4-28 2-28 2-28 2-28 2-100
最大速度
(PHY)
190Mbps 210Mbps 240Mbps 240Mbps 1Gbps
(4倍モード)
主な特徴・機能
  • イーサブリッジ
  • 簡単親子設定
  • 簡易速度表示機能
  • 接続台数;16台
  • 接続台数16台までは、パケット衝突させないDVTPを採用
  • 接続台数;128 台
    (接続台数16台までは、パケット衝突させないDVTPを採用
  • 高性能誤り訂正LDPC-CC搭載
  • 16PAMから32PAM化で速度1.25倍
  • 欧州CENELEC規格の動的ノッチ機能搭載
  • 接続台数最大
    1024台
  • ホップ数10段
  • 数Kmへ拡張
  • 現在Completeへ実装
  • 「HD-PLC3」を標準モード
    (互換性確保)
  • 最大4倍速から最小1/4倍の5段階切り替え可
  • 1:1の通信長距離化(1/2倍モードで最大1.5倍)
  • チャンネルあり
  • マルチホップ対応
備考
  • 世界初200Mbpsクラス
    宅内用アダプター
  • IEEE1901完全準拠
    (ISP搭載)
  • ITU-T
    G.9905準拠
  • IEEE 1901aドラフト認証

4. 使用周波数について

「HD-PLC」は、国内において高速PLCの使用帯域上限(30MHzまで)利用ではなく、28MHz を限度に使用しています。
この理由は、28MHz~30MHz帯域内の多くがアマチュア無線帯域であるため、高速電力通信推進協議会(PLC-J)のガイドラインに準拠すべくあらかじめ使用除外としています。

5. 分電盤内の異相超えが可能

「HD-PLC」は、同相関係(L1-N同相)にあるブレーカ間だけでなく、異相の関係(例:L1-N相とL2-N相)に接続されたコンセント間の接続性も更に高まり、高速通信が可能となっています。加えて、L1-N相あるいは、L2-N相の100VタイプのブレーカとL1-L2相の200Vタイプのブレーカ間でも高速通信性能は、向上しています。(図2:「HD-PLC」の国内出力電力スペクトラム、図3:通信速度(UDP)と信号減衰(ATT:dB 耐ノイズ性)の向上を示す静的特性グラフ)

図2:「HD-PLC」の国内出力電力スペクトラム

図2.国内出力電力スペクトラム(PSD)

図3:通信速度(UDP)と信号減衰(ATT:dB 耐ノイズ性)の向上を示す静的特性グラフ)

図3.速度と信号減衰(耐ノイズ静特性)

2) 「HD-PLC」のMAC(Media Access Control)層について

「HD-PLC3」completeのデータリンク下位副層(MAC)は、親機が、ビーコンフレームと呼ばれる制御フレームをネットワーク内の全端末へ定期的にブロードキャストする方式を採用しています。
これにより、ネットワーク内のメディアアクセス方式を統一し、QoS(Quality of Service)や各制御のための管理を行っています。
基本メディアアクセス方式には、CMSA-CA(Carrier Sense Multiple Access – Collision Avoid)とDVTP(Dynamic Virtual Token Passing)を搭載しています。
DVTPは、独自方式であり親機が、動的にネットワーク内の端末に送信権を付与し衝突を発生させない方式を搭載しています。
また、伝送効率を高めるサブフレーム連結機能や定期的な鍵更新をするセキュリティ機能を独自に持っています。

3) 新方式のノイズ耐性向上技術を搭載

電力線での複雑な伝送路周波数ノイズ特性に対し伝送路推定技術で通信の高速化、安定化を実現します。電力線のノイズ状況に合わせ適切な通信速度を保つ技術である伝送路推定技術は、S/N比に応じてキャリアごとの情報量を最適化して伝送することができるようになっています。電力線上のノイズには、長期的な変動を与えるもの(電子レンジなど)と、短周期的な変動を与えるもの(携帯電話のACアダプターなど)がありますが、この伝送路推定技術では、これらの伝送路の変動特性を学習しながら高速伝送を行うことが可能です。

具体的には、IEEE 1901 Completeでは、以下の新技術を新規に搭載しています。

1. ノイズ耐性向上技術(LDPC-CC)

ノイズ耐性向上のため、誤り訂正方式として符号化率特性の優れたLDPC-CCを採用し劣悪な電力線伝送路で強固な通信を可能とし、通信速速度も向上させています。

2. ダイバシティ技術

劣悪環境を考慮し、同じデータを複数本のサブキャリアに載せて伝送するダイバシティモードを搭載。ダイバシティモードはConvolution CodeとReed-Solomonの多重方式を基本としLDPC-CC多重方式を併用することで高速なダイバシティモードも備えています。

3. 伝送路変動耐性技術

電力線伝送路は、電力線に接続される家電機器の影響により、伝送路のインピーダンスが変化する場合があります。インピーダンスが変わると、受信端での受信レベルが変わる為、伝送路推定を再度行う必要があります。このため、「HD-PLC」では伝送路状態に応じて、パイロットシンボルを挿入し、伝送路変動に対する耐性を強化する仕組みを備えています。

4) 高度なセキュリティと簡単設定

「HD-PLC」方式のキーワードは、「パソコンでの操作が不要で簡単設定」(電源に挿し込むだけで動くようにする)というのが一番のポイントであり、家電機器との相性が良い点です。
また、高度な暗号化技術(AES128bit)(注3)を搭載し、「HD-PLC」アダプター同士を同一コンセントに挿して、両方のボタンを5秒以内に押すだけで設定と同時に暗号認証が完了するようになっていますのでユーザーによる暗号設定の必要がありません。

1. 強固なセキュリティ

「HD-PLC」は、無線LAN同様に強力なAES暗号方式を用いています。
これに加えて、伝送路推定技術という独自機能により物理層でのセキュリティ性が、更に向上する機構を持っています。
伝送路推定技術とは、各経路の伝送特性を評価し、受信信号とノイズ比(S/N比)に応じてサブキャリアごとに多重する情報量を最適化することで、安定に且つ高速に伝送する技術です。
まず、PLC通信を行う前に各PLC端末間で「伝送路推定」を行い通信するために必要なトーンマップを作成します。トーンマップとは、OFDM通信で使用している各サブキャリアに於ける変調度を表すマップのことです。
その結果、各PLC端末間の伝送路の状態に応じ、通信相手毎に異なるトーンマップが作成され最後にこのマップ情報をPLC端末間で交換することでお互いの通信が可能となっています。
しかし、コンセント毎の伝送路は、ノイズや減衰の影響で状態が異なるため、各コンセントで得られるトーンマップも異なってきます。
そこで、この伝送路推定機能により異なるコンセントにPLC端末を接続して、既定のPLCトポロジー内の端末として成りすますことが、非常に困難となるため、結果として無線方式に比べて物理層のレベルで高いセキュリティ性を持つことになります。

2. 簡単設定セキュリティ

簡単設定は、ユーザーによる認証鍵の入力設定が不要で、端末の登録、認証を実現する為の機構です。更に、ユーザーによるネットワーク鍵の入力設定が、不要であり、親機と認証が成功した端末間でネットワーク鍵を安全に共有します。以降、このネットワーク鍵を使った暗号化通信によって、PLCネットワーク内のセキュア通信を実現しています。

3. 動的鍵更新機能

通常のセキュリティ機能としては、親機がネットワーク鍵を管理し、ネットワークへの参加の認証を受けた端末に鍵を配布し、各端末は、この鍵を用いてフレームを暗号化し通信を行います。更に、セキュリティ機能を強化するため、認証時のみならず定期的な鍵の更新配布を行う機能を追加しています。

5) 簡易通信速度測定機能

この簡易通信速度測定機能によりユーザーは、簡単に使用したいコンセントの通信状態を把握することが出来ます。親子設定登録された子機を使用したい壁の電源コンセントに接続しSET UPボタンを押すことで、親子間で速度テストを開始し、通信速度の状態を3段階のLED表示することができます。

6) 「HD-PLC3」マルチホップと次世代「HD-PLC」Quatro Core

現在、長距離伝送を特徴とする第三世代「HD-PLC3」マルチホップが主力チップのひとつとして活躍しています。
社会インフラや集合住宅、商業施設などでIoTをキーワードとしたアプリケーションで利用されています。

更に、第四世代の「HD-PLC」Quatro Core も2018年度開発完了し、2020年度にはチップメーカーから上市される予定です。

  • 注1:「Wavelet OFDM 」方式
    周波数利用効率が非常に高い直交周波数分割多重=OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)
    各サブキャリアの直交化にWavelet変換を適用して、高効率な高速データ通信を実現する技術です。 Wavelet OFDMは、周波数領域および時間領域に直交性を備えた結果、冗長信号なしに各サブキャリアのサイドローブレベルを低減 しています。
  • 注2:フレキシブルノッチ形成技術
    電力線を使用した伝送において、同じ周波数帯域を使用する既存の無線システムへの干渉の影響を軽減できることが重要であり、Wavelet OFDMでは、FFT OFDMと比較して各サブキャリアのサイドローブレベルが低いという特長があるため、最小2本のサブキャリアを不使用とすることで、任意の使用周波数帯域内に深いノッチ(30dB以上の減衰)を簡単に形成できます。
  • 注3:AES (Advanced Encryption Standard)
    米国商務省標準技術局(NIST)によって選定されている米国政府の 次世代標準暗号化方式。