電力線通信を用いた複数機器遠隔制御における同期符号分割多元接続の適用

2020/02/08

合同修士論文発表会

情報・通信工学専攻 片山研究室長谷川 充

電力線通信(PLC)を用いた複数機器遠隔制御

2

Controller

Commands

State Info.

• スマートグリッド• ファクトリーオートメーション

等

フィードバック制御系

⇒周期的に機器台数分の双方向通信

商用電源電圧を制御クロックとして用いる

(10～50 ms)

先行研究

時分割多元接続(TDMA)の利用[1]

3

#0 #1 #3#2 #0 #1 #3#2

Time

・・・・・・

スロット

Machines

Controller

状態情報制御命令

各機器は周期的に状態情報と制御命令を交換

制御周期TC = 電源電圧周期TACの半周期

[1]S. Sawada, el, IEEE Int. Symp. ISPLC, pp.1-6, Apr. 2017.

制御周期TC

PLC雑音の時間特性

通信路雑音が電源電圧の絶対値に同期して変動[2]

✓周期定常性

✓雑音周期TN=電源電圧周期TACの半周期

44[2] M. Katayama, et al, IEEE J. Sel. Areas in Commun., vol. 24, No. 7, pp. 1267-1275, 2006

Time

Voltage

電源電圧

雑音周期TN

PLC雑音

雑音と各スロットの関係

5

#0 #1 #3#2 #0 #1 #3#2

Time

・・・・・・

制御周期TC

Machines

Controller

雑音大

特定の機器(#1,#2)の通信品質が低下

⇒システム全体としての制御品質が低下

雑音周期TN

雑音大雑音小 雑音小雑音小

スロット毎に異なる雑音電力

各周期で同じ雑音電力

従来手法の課題

6

特定の機器の通信品質が低下⇒システム全体としての制御品質が低下

全機器の通信品質を均一化しシステム全体の品質を向上する手法を提案

従来手法(TDMA)

本研究

同期符号分割多元接続(SCDMA)の提案

本研究の目的

7

PLCを用いた複数機器遠隔制御におけるシステム全体の制御品質向上

同期符号分割多元接続(SCDMA)の提案・適用

電源電圧によるシステム同期を利用

符号分割に直交符号を採用

TDMAと同じ周波数利用効率

制御品質評価[業績C-H]

[A] 電子情報通信学会，RCC研究会，2018年12月[B] IEICE Communication Express, 2019年7月[C] 電子情報通信学会，RCC研究会，2019年1月[D] 電子情報通信学会，ソサイエティ大会，2019年9月[E] IEEE IECON 2019, 2019年10月[F] ICMaSS 2019 , 2019年11月[G] 電子情報通信学会，RCC研究会，2020年1月[H] IEEE Open Journal of the Industrial Electronics Society(投稿予定)

通信品質評価[業績A,B]

システムモデル

8

PowerLine

Channel

Rx

Tx

Rx

Tx

Rx

Tx

Rx

Tx

𝐮m[𝑖]ෝ𝐮0[𝑖]

ෝ𝐮m[𝑖]

ෝ𝐮M−1[𝑖]

𝐱0[𝑖]

𝐱m[𝑖]

𝐱M−1[𝑖]

𝐱m[𝑖]:送信状態情報

ො𝐱m[𝑖]:受信状態情報

𝐮m[𝑖]:送信制御命令

ෝ𝐮m 𝑖 :受信制御命令

Controller

#0

#m

#M-1

ො𝐱m[𝑖]Σ

Σ

システムモデル

9

Rx

Tx

Rx

Tx

Rx

Tx

Rx

Tx

ෝ𝐮0[𝑖]

ෝ𝐮m[𝑖]

ෝ𝐮M−1[𝑖]ො𝐱m[𝑖]

𝐱0[𝑖]

𝐱m[𝑖]

𝐱M−1[𝑖]

#0

#m

#M-1

ΣController

𝐮m[𝑖]Σ

Time

Controller

Machines全機器が同時に状態情報をコントローラに送信

システムモデル

10

Rx

Tx

Rx

Tx

Rx

Tx

Rx

Tx

𝐮m[𝑖]ෝ𝐮0[𝑖]

ෝ𝐮m[𝑖]

ෝ𝐮M−1[𝑖]

𝐱0[𝑖]

𝐱m[𝑖]

𝐱M−1[𝑖]

Controller

#0

#m

#M-1

ො𝐱m[𝑖]Σ

Σ

Time

Controller

Machinesコントローラが各機器への制御命令を同時に送信

SCDMA送信機モデル(1/5)

11

Rx

Tx

Rx

Tx

Rx

Tx

Rx

Tx

ෝ𝐮0[𝑖]

ෝ𝐮m[𝑖]

ෝ𝐮M−1[𝑖]ො𝐱m[𝑖]

𝐱0[𝑖]

𝐱m[𝑖]

𝐱M−1[𝑖]

#0

#m

#M-1

ΣController

𝐮m[𝑖]ΣMod. Spread

Orthogonalcodes

Chip levelInterleave

SCDMA送信機モデル(2/5)

12

Rx

Tx

Rx

Tx

Rx

Tx

Rx

Tx

ෝ𝐮0[𝑖]

ෝ𝐮m[𝑖]

ෝ𝐮M−1[𝑖]ො𝐱m[𝑖]

𝐱0[𝑖]

𝐱m[𝑖]

𝐱M−1[𝑖]

#0

#m

#M-1

ΣController

𝐮m[𝑖]ΣMod. Spread

Orthogonalcodes

Chip levelInterleave

・・・

Packet

t

1 -1 1 1-1

状態情報を±1のビットからなるパケットとして送信

Bit

SCDMA送信機モデル(3/5)

13

Rx

Tx

Rx

Tx

Rx

Tx

Rx

Tx

ෝ𝐮0[𝑖]

ෝ𝐮m[𝑖]

ෝ𝐮M−1[𝑖]ො𝐱m[𝑖]

𝐱0[𝑖]

𝐱m[𝑖]

𝐱M−1[𝑖]

#0

#m

#M-1

ΣController

𝐮m[𝑖]ΣMod. Spread

Orthogonalcodes

Chip levelInterleave

・・・

Packet

tBit

-1 1 -11

直交符号 #0

t・・・

×

機器毎に固有の直交符号を用いて拡散

SCDMA送信機モデル(4/5)

14

Rx

Tx

Rx

Tx

Rx

Tx

Rx

Tx

ෝ𝐮0[𝑖]

ෝ𝐮m[𝑖]

ෝ𝐮M−1[𝑖]ො𝐱m[𝑖]

𝐱0[𝑖]

𝐱m[𝑖]

𝐱M−1[𝑖]

#0

#m

#M-1

ΣController

𝐮m[𝑖]ΣMod. Spread

Orthogonalcodes

Chip levelInterleave

Packet

±1のチップレベルのシンボル列に拡散

Bit

-1 1 -11

t・・・

1

chip

拡散されたパケット #0

SCDMA送信機モデル(5/5)

15

Rx

Tx

Rx

Tx

Rx

Tx

Rx

Tx

ෝ𝐮0[𝑖]

ෝ𝐮m[𝑖]

ෝ𝐮M−1[𝑖]ො𝐱m[𝑖]

𝐱0[𝑖]

𝐱m[𝑖]

𝐱M−1[𝑖]

#0

#m

#M-1

ΣController

𝐮m[𝑖]ΣMod. Spread

Orthogonalcodes

Chip levelInterleave

Packet

各ビットの雑音レベルを均一化を図る

Bit

t・・・

chip

・・・ ・・・

SCDMA受信機モデル

16

Rx

Tx

Rx

Tx

Rx

Tx

Rx

Tx

ෝ𝐮0[𝑖]

ෝ𝐮m[𝑖]

ෝ𝐮M−1[𝑖]ො𝐱m[𝑖]

𝐱0[𝑖]

𝐱m[𝑖]

𝐱M−1[𝑖]

#0

#m

#M-1

ΣController

𝐮m[𝑖]Σ Chip levelDe-Interleave

De-SpreadDe-SpreadDecision

Orthogonal codes

De-Mod.

逆順処理により信号を復調

逆拡散により各機器からの情報を識別

SCDMAを用いたときの制御周期構成

17

Controller

Time

・・・・・・

制御周期TC=TAC/2

Machines #0 #1 #3#2 #0 #1 #3#2

全機器と同時に状態情報と制御命令を交換

機器固有の直交符号を用いて多重化

#0

本研究の目的

18

PLCを用いた複数機器遠隔制御におけるシステム全体の制御品質向上

同期符号分割多元接続(SCDMA)の提案・適用

電源電圧によるシステム同期を利用

符号分割に直交符号を採用

TDMAと同じ周波数利用効率

制御品質評価[業績C-H]

[A] 電子情報通信学会，RCC研究会，2018年12月[B] IEICE Communication Express, 2019年7月[C] 電子情報通信学会，RCC研究会，2019年1月[D] 電子情報通信学会，ソサイエティ大会，2019年9月[E] IEEE IECON 2019, 2019年10月[F] ICMaSS 2019 , 2019年11月[G] 電子情報通信学会，RCC研究会，2020年1月[H] IEEE Open Journal of the Industrial Electronics Society(投稿予定)

通信品質評価[業績A,B]

TDMAとSCDMAの通信品質評価

1制御周期内のパケットの誤り率(PER)より評価

19

共通諸元

電源周波数 1/𝑇𝐴𝐶 60 [Hz]

制御周期 𝑇𝐶 1/120 [s]

制御台数 4 [台]

変調方式 BPSK

パケット長 40 [bits]

TDMA

SCDMA

制御周期𝑻𝑪

#1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8

#1 #2

TDMAとSCDMAの通信品質評価

1制御周期内のパケットの誤り率(PER)より評価

20

TDMA

SCDMA

制御周期𝑻𝑪

#1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8

#1 #2

TDMAとSCDMAは同じ周波数利用効率

TDMA諸元

スロット数 8

パケット時間 1/960 [s]

ビット時間 1/38400 [s]

SCDMA諸元

拡散符号 Walsh

符号長 4

スロット数 2

パケット時間 1/240 [s]

ビット時間 1/9600 [s]

チップ時間 1/38400 [s]

電力線通信路諸元

⚫ 時変雑音電力の数式モデル[2]を利用

⚫ 雑音電力は各受信機で共通

21[2] M. Katayama, et al, IEEE J. Sel. Areas in Commun., vol. 24, No. 7, pp. 1267-1275, 2006

𝑙 𝐴𝑙 𝜃𝑙 𝑛𝑙

0 0.230 - 0

1 1.38 -6 1.91

2 7.17 -35 1.57×105

𝑎 =1.2×10-5

雑音モデルのパラメータ

生成された雑音波形例

TN

雑音周期TN

電力線雑音電力

Time [ms] Time [ms]

Pow

er [

W]

Volt

age

[V]

生成

PER特性(TDMA & SCDMA)

22

Perf

orm

ance

Good

Bad

#1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 #1 #2

TDMA SCDMA

SNR=3dB

SNR=5dB

SNR=7dB

SNR=3dB

SNR=5dBSNR=7dB

w/o interleaving

PER特性(TDMA & SCDMA)

23

Perf

orm

ance

Good

Bad

#1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 #1 #2

TDMA SCDMA

Slot#4-6を用いて送信する機器より通信品質向上

本研究の目的

24

PLCを用いた複数機器遠隔制御におけるシステム全体の制御品質向上

同期符号分割多元接続(SCDMA)の提案・適用

電源電圧によるシステム同期を利用

符号分割に直交符号を採用

TDMAと同じ周波数利用効率

制御品質評価[業績C-H]

[A] 電子情報通信学会，RCC研究会，2018年12月[B] IEICE Communication Express, 2019年7月[C] 電子情報通信学会，RCC研究会，2019年1月[D] 電子情報通信学会，ソサイエティ大会，2019年9月[E] IEEE IECON 2019, 2019年10月[F] ICMaSS 2019 , 2019年11月[G] 電子情報通信学会，RCC研究会，2020年1月[H] IEEE Open Journal of the Industrial Electronics Society(投稿予定)

通信品質評価[業績A,B]

制御対象モデル

制御対象：回転型倒立振子

25

倒立振子の物理パラメータ

A voltage to the arm’s DC motor

振子の重さ 0.016 kg

振子の長さ 0.1 m

アームの長さ 0.2 ｍ

アームの慣性モーメント 0.0048 kgm2

モータ直流抵抗 8.3 Ω

モータトルク定数 0.023 Nm/A

ギア比 7.5

制御目標

振子の倒立状態を維持しながら、アームを目標角度に向かって前後

26

• 𝝋 𝒊 = 0⇔π 5 s間隔

• 外乱： 𝝈𝟐 = 𝟏𝟎−𝟔

• シミュレーション時間 : 25 s• 試行回数 : 1000

目標値

𝝋 𝒊 = 𝛑

目標値

𝝋 𝒊 = 𝟎

制御品質評価指標

27

転倒

𝜋/6振子の転倒率転倒した試行数 / 全試行振子の角度が±𝜋/6[rad]を超えた場合転倒と判定

アームの位置誤差理想動作（パケット誤り、外乱なし）のアーム角度との差の二乗平均値の平方根(RMSE:Root Means Square Error)

制御シミュレーション結果

28

Good

Bad SCDMA

TDMA

slot#1,2

slot#7,8

Slot#3,4

Slot#5,6

✓TDMA:機器毎で転倒率が不均一✓SCDMA:全機器が同一の転倒率

制御シミュレーション結果

29

Good

Bad

TDMA

slot#1,2

slot#7,8

Slot#3,4

Slot#5,6

✓TDMA:機器毎で転倒率が不均一✓SCDMA:全機器が同一の転倒率

ワースト値が改善⇒システムが保証する制御品質向上

SCDMA

本発表のまとめ

通信品質⚫TDMA：タイムスロット毎で異なる

⚫SCDMA：全符号チャネルで均一

制御品質⚫TDMA：特定の機器の制御品質が悪い

⚫SCDMA：全機器の制御品質が均一

30

同期符号分割多元接続(SCDMA)を提案

PLCを用いた複数機器遠隔制御におけるシステム全体の制御品質向上

SCDMAの適用によりシステム全体としての品質向上

業績

論文誌➢IEICE Communication Express 2019年7月

➢IEEE Open Journal of the Industrial Electronics Society(投稿予定)

国際会議(2件)➢IEEE IECON 2019 2019年10月

➢ICMaSS 2019 2019年11月

国内学会(4件)➢電子情報通信学会 RCC研究会 2018年12月

➢電子情報通信学会 RCC研究会 2019年1月

➢電子情報通信学会 ソサイエティ大会 2019年9月

➢電子情報通信学会 RCC研究会 2020年1月 31

補足スライド

32

BER特性(TDMA)

33制御周期𝑻𝑪

#1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8

SNR=3dB

SNR=5dB

SNR=7dB

Perf

orm

ance

Good

Bad

BER特性(SCDMA)

34

#1 #2

制御周期𝑻𝑪

SNR=3dB

SNR=5dB

SNR=7dB

w/ interleaving

w/o interleaving

スロット毎の誤り率(4台, 𝑻𝑪 = 𝑻AC/𝟐)

35

TDMA

SCDMA

𝑻𝑪 = 𝑻AC/𝟐

#0 #0 #1 #1 #2 #2 #3 #3

#0,1,2,3 #0,1,2,3

PLCnoise

#0 #0 #1 #1 #2 #2 #3 #3

#0,1,2,3 #0,1,2,3

シミュレーション結果(4台, 𝑻𝑪 = 𝑻AC/𝟐)

36

振子の転倒率 アームの位置誤差

SCDMA

TDMA

TDMA:機器毎に転倒率、位置誤差にバラつき SCDMA:全機器が同一の転倒率、位置誤差

Slot#3,4

Slot#5,6

SCDMA

TDMA

Slot#3,4

Slot#5,6

slot#7,8

slot#1,2

slot#1,2 slot

#7,8

𝑻𝑪 =𝑻AC𝟐

𝑻𝑪 =𝑻𝐀𝐂𝟐

スロット毎の誤り率(4台, 𝑻𝑪 = 𝑻AC)

37

TDMA

SCDMA

𝑻𝑪 = 𝑻AC

PLCnoise

#0 #0 #1 #1 #2 #2 #3 #3

#0,1,2,3 #0,1,2,3

シミュレーション結果(4台, 𝑻𝑪 = 𝑻AC)

38

振子の転倒率 アームの位置誤差

SCDMA

TDMA

slot#3,4

slot#5,6

SCDMA

TDMA

slot#3,4

slot#5,6

𝑻𝑪 = 𝑻AC 𝑻𝑪 = 𝑻𝐀𝐂

slot#7,8

slot#1,2

slot#1,2

slot#7,8

SCDMAはTDMAに比べて振子の転倒率低下アームの位置誤差減少

スロット毎の誤り率(4台, 𝑻𝑪 = 𝟑𝑻AC/𝟐)

39

TDMA

𝑻𝑪 = 𝟑𝑻AC/𝟐

#0 #0 #1 #1 #2 #2 #3 #3

#0,1,2,3 #0,1,2,3

SCDMA

シミュレーション結果(4台, 𝑻𝑪 = 𝟑𝑻AC/𝟐)

40

振子の転倒率 アームの位置誤差

SCDMA

TDMA

slot#3,4

slot#5,6

SCDMA

TDMA

slot#3,4

slot#5,6

slot#7,8

slot#1,2 slot

#1,2

slot#7,8

𝑻𝑪 =𝟑𝑻AC𝟐

𝑻𝑪 =𝟑𝑻𝐀𝐂𝟐

SCDMAはTDMAに比べて振子の転倒率低下アームの位置誤差減少

シミュレーション結果(𝑻𝑪 = 𝑻AC/𝟐,𝑻𝐀𝐂, 𝟑𝑻𝐀𝐂/𝟐)

41

振子の転倒率 アームの位置誤差

振子の転倒率低下 SNR＜6ｄBではアームの位置誤差減少⇒通信品質向上の影響大

Good

Good

𝑻AC𝑻AC𝟐𝟑𝑻AC

𝟐

𝑻AC𝑻AC𝟐𝟑𝑻AC

𝟐

シミュレーション結果(𝑻𝑪 = 𝑻AC/𝟐,𝑻𝐀𝐂, 𝟑𝑻𝐀𝐂/𝟐)

42

振子の転倒率 アームの位置誤差

SNR＞6ｄBではアームの位置誤差増加⇒制御命令入力頻度の低下による外乱の影響大

Bad

𝑻AC𝑻AC𝟐𝟑𝑻AC

𝟐

𝑻AC𝑻AC𝟐𝟑𝑻AC

𝟐

振子の転倒率(8台, 𝑻𝑪 = 𝑻AC/𝟐, 𝑻𝐀𝐂, 𝟑𝑻𝐀𝐂/𝟐)

43

SCDMA

TDMA

SCDMA

TDMA

SCDMA

TDMA

✓制御周期が長いと転倒率低下✓SCDMAがTDMAより振子の転倒率小✓制御周期に依らずTDMAは機器毎に大きくばらつく

𝑻𝑪 =𝑻AC𝟐

𝑻𝑪 = 𝑻AC 𝑻𝑪 =𝟑𝑻𝐀𝐂𝟐

アームの位置誤差(8台, 𝑻𝑪 = 𝑻AC/𝟐,𝑻𝐀𝐂, 𝟑𝑻𝐀𝐂/𝟐)

44

SCDMA

TDMA

SCDMA

TDMA

SCDMA

TDMA

✓SCDMAがTDMAよりアームの位置誤差小✓制御周期が長いとき

✓低SNRではアームの位置誤差少✓高SNRではアームの位置誤差大

✓制御周期に依らずTDMAは機器毎に大きくばらつく

𝑻𝑪 =𝑻AC𝟐 𝑻𝑪 = 𝑻AC 𝑻𝑪 =

𝟑𝑻𝐀𝐂𝟐

回転型倒立振子1台の転倒率特性

45

Good

Bad

8台

Pendulu

mfa

llra

te

𝑻𝑵 =𝟏

𝟏𝟐𝟎= 𝟖. 𝟑 𝐦𝐬

回転型倒立振子1台の転倒率特性

46

Good

Bad

8台

Pendulu

mfa

llra

te

制御周期＞3.6TN

において振子は全転倒

𝑻𝑪 = 𝑻𝑵, 𝟐𝑻𝑵, 𝟑𝑻𝑵を検討

𝑻𝑵 =𝟏

𝟏𝟐𝟎= 𝟖. 𝟑 𝐦𝐬

先行研究における制御品質向上手法

47

Time

制御周期を雑音周期の非整数倍に設定[1]

#0 #1 #3#2 #0 #1 #3#2

・・・・・・

制御周期TC

Machines

Controller

制御周期毎に機器の通信品質が変化

⇒機器間の制御品質が均一化

雑音周期TN

雑音大 雑音大雑音小雑音小 雑音小 雑音大

スロット毎に異なる雑音電力

周期毎に雑音電力が変動

[1]S. Sawada, el, IEEE Int. Symp. ISPLC, pp.1-6, Apr. 2017.

スロット割り当ての順序入れ替え手法

48

Controller

例）制御台数4台

制御周期の変動→制御品質劣化

#0 #1 #3#2 #0#1 #3#2

Time

・・・・・・

平均的には各機器の通信品質がある程度均一化

制御周期

・・・○ ×通信品質 ○ ○×

雑音周期TN

× ×○

制御周期

パケット送信タイミング

49

Voltage

(a)

(b)

(c)

(d)

Time

制御周期開始時点

・・・

・・・

・・・

・・・

制御周期開始位置による制御品質変動

50

安定性(振子の転倒率) 追従性(アームの位置誤差)

a

dc

b

ab

c

d

𝑻𝑪 =𝑻AC𝟐

𝑻𝑪 =𝑻AC𝟐

シミュレーション諸元

通信部諸元

電源周波数 60 Hz

変調方式 BPSK

パケット長 40 bits

拡散符号 Walsh

符号長 451

制御諸元

制御機器台数 4台

試行時間 25 s

試行回数 1000回

システム外乱 σ2 = 10−6

制御周期 𝑇𝑁 =1

120s

制御モデル

52

ෝ𝐮 𝑖 = ቊ𝐮 𝑖0

Reception

Packet Error𝐮 𝑖 =𝐊(𝐫 𝑖 − ො𝐱 𝑖 )

𝐫 𝑖 : Target value𝐊: Feedback gain

LQR (linear quadratic regulator)で制御命令生成

Controller

Rx Tx

Tx Rx

ො𝐱 𝑖 = ቊ𝐱 𝑖

𝐴𝑑 ො𝐱 𝑖 − 1 + 𝐵𝑑𝐮 𝑖 − 1

ReceptionPacket Error

チップレベルインターリーブを用いない場合

1パケット内の各ビットの誤り率が不均一

53

ビット誤り率(BER)

Time

1ビット

○○○△△× × × × ×

1 パケット

BER大 BER小

各ビットを直交符号により拡散し順次送信する

PLC雑音

チップレベルインターリーブを用いる場合

1パケット内の各ビットの誤り率を均一化 54

ビット誤り率(BER)

Time

1ビット

○○○△△× × × × ×

1 パケット

PLC雑音

1bit

チップレベルインターリーブ

1チップ

Time

××××××××××××

××× △△△ ○○○

送信するチップの順番を変更

複数機器遠隔制御システム

⚫スマートグリッド✓蓄電池の充放電制御

✓直流電源の定電圧制御

✓交流電源の周波数安定化

⚫ファクトリーオートメーション✓ベルトコンベアの駆動

✓ロボットアームの制御

55

電力管理コントロール

街・オフィス 住宅

風力 太陽光

一定周期:10～50[ms]の制御周期が求められる[1]

[1]W. Hamper, el, Proceedings of the IEEE, vol.107, no.6, pp.1053-1073, June 2019

Vo

ltag

e

PLCノイズモデル

⚫電源の半周期に同期した周期定常ガウス過程

⚫特に重要な３つの雑音の分散の和で表現✓𝑙 =0: 定常雑音

✓𝑙 =1: 周期定常の連続的な雑音

✓𝑙 =2: 周期定常インパルス性雑音

56

PLCチャネルの周波数特性

⚫通信路品質が周波数により異なる[2]

✓低周波ほど雑音大

✓高周波ほど電波損失大

5757[2] M. Katayama, et al, IEEE J. Sel. Areas in Commun., vol. 24, No. 7, pp. 1267-1275, 2006

電力線雑音の電力密度スペクトル

通信品質評価(数値計算)

各スロットのPER特性の数値計算

58

(TDMA)

(SCDMA)

P 受信搬送波電力

ො𝜎2(t) 電力線雑音電力

Np1スロットのビット数

[4]

[4]

[4] 長谷川充，他,電子情報通信学会技術研究報告., no.RCC2018-81, pp. 125-129, 2018

同期CDMA

#1 #2

想定されるシミュレーションと実験のちがい

制御対象の外乱⚫振動・摩擦等

他の電気機器の状況・それに対応する通信路の状況⚫チャネル応答やインピーダンスの変動

⚫単発性インパルス雑音の発生

実在するプロトコルへの対応⚫ヘッダ等が未考慮

⚫ただし現状はCSMA/CAが主流

59

参考：G3－PLC

狭帯域PLC規格のひとつ

国際標準規格の候補

変調方式：OFDM

通信速度：最大300kbps

符号化：畳み込み符号，リードソロモン符号⚫ロバストモードではさらに反復符号化

多元接続：CSMA/CA

60

制御器設計

最適制御のアルゴリズムに従う⚫誤りのない状況を仮定

⚫評価関数

を最小化するゲインKを計算

⚫Q，Rは設計パラメータ

61

広帯域と狭帯域の比較

広帯域⚫周波数帯：2-30MHz

⚫通信速度：最大数百Mbps

⚫通信距離：数10m程度（短距離）

⚫屋外使用に制限有り

狭帯域（本研究で利用）⚫周波数帯：10-490kHz

⚫通信速度：最大数百kbps

⚫通信距離：数km程度（長距離も可能）

⚫屋外使用可

62

機械制御

63[1]三菱電機FA, <http://www.mitsubishielectric.co.jp/fa/>

PLCで遠隔制御できればライン組み換えが

容易

Walsh符号

⚫再帰的に生成される行列

⚫同期通信により相互相関値0(直交)

64

H0 = 1

H𝑙 =H𝑙−1 H𝑙−1

H𝑙−1 −H𝑙−12𝑙:符号長，符号数

例）制御対象4台

𝑙 = 2

H2 =

1 1 1 1

1 − 1 1 − 1

1 1 − 1 − 1

1 − 1 − 1 1

1ビットを4チップに拡散

クロック生成

65

HL𝜃

−𝜃

閾値θのハードリミッタにより生成

クロック生成

66

HL

閾値θのハードリミッタにより生成

𝜃

システム同期手法

制御周期：電源電圧周期=N:2Mのとき⚫AC電圧の絶対値をM乗

⚫M倍の周波数成分をフィルタ取り出し

✓AC周期のM倍のクロック生成

⚫Nカウンタ回路を用いて制御クロック生成

67

⚫制御周期と電源の半周期の比が5/4(=1.25)の場合

✓ACの絶対値を4乗

✓4倍の周波数成分をフィルタ取り出し→周波数4倍のクロック生成

✓カウンタ回路(5カウントで１パルス)を用いて制御クロック生成

パケット構成

68

32 bit 8bit

制御情報

CRC

8 bit 8bit

CRC

各状態情報

状態情報制御情報

8 bit 8 bit 8 bit

𝐮m 𝑖 = 𝐊(𝐫m 𝑖 − 𝐱m 𝑖 − 1 ) 𝐱m 𝑖 = [𝜃𝑚 𝑖 , 𝜑𝑚 𝑖 , ሶ𝜃𝑚 𝑖 , ሶ𝜑𝑚[𝑖]]