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HD-PLCの最新技術
HD-PLC4技術とその活用分野
1. HD-PLC4 誕生の背景
昨今のIoTアプリケーションの多様化に伴い、HD-PLC3では通信距離や通信速度が課題となる場合があります。（図1）
通信距離に関しては、BEMS（Building Energy Management System）やFEMS（Factory Energy Management System）、スマートメーターなどの大規模ネットワークへ適用しようとする場合、機器間の距離が長くなります。その一方、大規模とは言えないHEMS（Home Energy Management System）においても、住宅設備・家電・センサーなどのさまざまな機器が接続されるため、端末同士の接続に高いロバスト性が求められます。マルチホップ技術が一つの有効な解決手段となりますが、場合によっては端末を通信品質の観点で最適な場所に設置することができず、長距離化が困難となります。
一方、通信速度に関しては、主にセキュリティやエンターテインメントの分野において、カメラ映像の高画質化（4K/8K）が進んでいます。それらを伝送する技術にも高速化が求められており、HD-PLC3をこのようなアプリケーションへ適用すると、速度不足となる懸念があります。
これらの課題を解決するため、HD-PLC4が考案されました。
図1. 高速化と長距離化
2. HD-PLC4 における高速化と長距離化
通信の長距離化（高ロバスト性）には、通信帯域内のSNR（Signal to Noise Ratio）が高いこと、すなわち伝送路の減衰およびノイズが小さいことが求められます。
一般的に、電力線の伝送路は、分岐が多数存在し、不特定多数の負荷（電気機器）が接続される劣悪な環境にあるため、減衰あるいはノイズが少ない帯域を選択して通信を行う必要があります。電力線の単線ケーブルの伝送路特性を測定すると、高周波ほど減衰が大きくなります。単線VVF（Vinyl insulated Vinyl sheathed Flat type）ケーブルを使用した時のPLC信号の受信スペクトルは、ケーブル長が長くなるほど高域側の信号が大きく減衰しています（図2）。
また、Wavelet OFDM方式では、サブキャリアベースで102本以上の可用帯域を確保できない場合には端末間のリンクが確立しない仕様となっています。そのため、低域側に信号が残っていても、通信帯域内の信号の大部分が減衰して可用帯域を確保できない場合には、通信ができません。
したがって、通信の長距離化を実現するには、低域側に十分な数のサブキャリアを確保するため、サブキャリア間隔を変更できるような機能が必要となります。
一方、高速化の用途において、その伝送路は主に同軸線や制御線になります。これらの線は通信の専用線ですので、通信帯域内の減衰とノイズは電力線より十分に小さくなります。高速通信を実現する方法として、長距離化と合わせて1つのIPコアで実現可能な観点から、サブキャリア間隔を変更し広帯域化を図る方式が採用されました。
図2. 受信スペクトル（単線VVFケーブル使用時）
3. 通信のモードとチャネル
HD-PLC4の動作モードを図3に示します。HD-PLC3と互換性のある標準モードが基準となり、高速化については、帯域を2倍または4倍に拡張することで、通信速度も同様に2倍・4倍となり、4倍モードでは最大1Gbps（PHY）での通信が可能です。
一方、長距離化については、通信帯域の狭帯域化を行っています。前述のように、距離が長くなるにつれて高域の減衰が大きくなり、低域の信号しか通らなくなるため、低域に信号のエネルギーを集約することで、より遠くまで伝送が可能となります。1/2倍と1/4倍の2つのモードがあり、1/4倍モードでは標準モードに対し、約2倍の長距離化を実現します。
また、環境によっては必ずしも低い周波数が通りやすいとは限らない場合もあるため、狭帯域のチャネルを複数用意し、ロバスト性の向上も行っています。
図3. 通信のモード
IEEE 1901の中で規定されているチャネルIDが図4になります。
x-1からx-15までの15のチャネルがあり、x-1がHD-PLC3と互換性のあるチャネルになります。x-1を基準とし、帯域幅が1/2倍・1/4倍のチャネル、および2倍・4倍のチャネルがあり、同じ帯域幅で使用周波数の異なるチャネルを複数用意することで、ロバスト性を向上しています。
長距離化・ロバスト性向上に寄与するx-1からx-7のチャネルがIEEE 1901の中でMandatoryとなっており、高速化に寄与するチャネルについてはOptionalとなっています。
伝送路の状態に応じて最適なチャネルを選択することが可能です。
図4. チャネル一覧
技術の詳細については、ホワイトペーパーを参照下さい。
4. 活用分野
HD-PLC4を用いることで、住宅から社会インフラまでの幅広い分野（図5）におけるHD-PLC技術の適用が容易になっていくと確信しています。
長距離化では、スマートメーターのデータ収集やストリートライトの状態監視・制御、さらには、ビル／工場において太陽光発電や蓄電池などの創エネ・蓄エネ機器と空調・照明機器の制御を組み合わせるエネルギーマネジメントシステムなどへの適用が有効となります。
一方，高速化では，高画質化（4K/8K）が進む監視カメラの映像伝送や高容量が求められるWi-Fi機器の幹線ネットワークなどへの適用が有効となります。
HD-PLC技術がその進化によりあらゆる分野に展開され，今後爆発的に増加するIoT機器を繋ぐ重要技術として大いに役立つことを期待しています。
図5. 想定する活用分野
