無線通信装置および無線通信システム

本発明は、無線通信装置および無線通信システムに関する。

近年、線路脇の信号機を廃止し、無線を用いて列車制御を行う無線式列車制御システムの導入が進んでいる。本システムは速度や停止位置など列車の安全運行に直接かかわる情報を伝送するため、無線方式に極めて高信頼な通信性能を要求する。特に、列車制御用に専用の周波数が確保できない等の理由により、ISM(Industry Science Medical)帯を用いてシステムを構築する場合、制御不可能な干渉信号により無線伝送が妨害されることが考えられ、大きな干渉信号存在下でも確実に情報を届ける機能を実現する必要がある。

妨害耐性に優れる通信方式として、DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)を用いる方式が提案されている(例えば、非特許文献1)。また、複数の周波数チャネルが使用できる場合には、FHSS(Frequency Hopping Spread Spectrum)による干渉回避手法についても提案がなされている(例えば、非特許文献2)。特にFHSSを用いる通信方式は干渉回避性能が高く、高信頼が求められる通信システムに広く使用されている。例えば、特許文献1では伝送に使用するフレームを、基地局により制御された非衝突アクセス部分と、衝突が生じるランダムアクセス部分とに時間的に分けて効率的な通信を実現するFHSSシステムが開示されている。また、特許文献2ではFHSSと同一データを複数回送信する「連送」により信頼性を高める方法が開示されている。

特公平8−13155号公報

特開平9−214403号公報

SIEMENS著、「Siemens Transportation Systems」、ETSI(European Telecommunications Standards Institute) 2008年11月会合資料、2008年12月

IEEE標準802、「Part 11:Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications」、14章、2012年3月

しかしながら、上記従来の技術によれば同一のシステム、あるいは単一基地局の制御下にある場合に耐干渉性を向上させることができるが、例えばISM帯のように全く異なるシステムが共存する環境においては、十分な耐干渉性の向上が得られないという問題があった。特に、近年ではISM帯を用いる無線LAN(Local Area Network)(IEEE(Institute of Electrical and Electronic Engineers)802.11b,IEEE802.11g,IEEE802.11n)が増加しており、無線LANと同一のアクセス方式を採用する非特許文献2の方式などでは高信頼通信の実現は困難である。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、干渉源が存在する環境においても、高信頼通信を実現することができる無線通信装置および無線通信システムを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、切替周期を単位として通信に使用する周波数チャネルを指示するホッピング制御部と、前記切替周期を分割した割当て単位について前記使用する周波数チャネルのキャリアセンスを実施するキャリアセンス部と、前記キャリアセンスの結果に基づいて、前記割当て単位における送信タイミングを決定する干渉回避タイミング制御部と、送信データを複製して複数の同一データを生成する連送制御部と、前記切替周期を分割した割当て単位を1以上の通信相手のそれぞれに通信時間帯として割当てるスケジューラと、を備え、前記スケジューラによる通信時間帯の割当て結果と、前記送信タイミングと、前記ホッピング制御部による指示とに基づいて、同一の送信データから生成された前記同一データをそれぞれ異なる前記切替周期に前記通信相手へ送信し、前記割当て結果をそれぞれの前記切替周期に前記通信相手へ通知することを特徴とする。

本発明にかかる無線通信装置および無線通信システムは、干渉源が存在する環境においても、高信頼通信を実現することができるという効果を奏する。

図1は、実施の形態1の無線通信システムの構成例を示す図である。

図2は、実施の形態1で用いるフレームフォーマットの一例を示す図である。

図3は、実施の形態1の基地局の構成例を示す図である。

図4は、実施の形態1の移動局の構成例を示す図である。

図5は、干渉と基地局からのパケット送信との関係の一例を示す図である。

図6は、実施の形態2の基地局の構成例を示す図である。

図7は、実施の形態2のFHパターンの一例を示す図である。

図8は、実施の形態3の周波数チャネルの選択方法の一例を示す図である。

図9は、実施の形態4の基地局の構成例を示す図である。

図10は、実施の形態4における2つの基地局のフレームおよびスロット開始タイミングの一例を示す図である。

図11は、実施の形態5の送信タイミングの一例を示す図である。

以下に、本発明にかかる無線通信装置および無線通信システムの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態1. 図1は、本発明にかかる無線通信システムの実施の形態1の構成例を示す図である。本実施の形態の無線通信システムは、線路脇に設置された無線通信装置である基地局1−1〜1−3と、線路上を走行し、無線通信装置である移動局を備えるそれぞれ有する列車4,5と、で構成される。基地局1−1〜1−3は、線路を走行する列車との通信が連続して維持できるように、ある程度の間隔で配置される。基地局1−1〜1−3同士は、バックボーン回線(基地局間ネットワーク)2により接続され、指令センター3とバックボーン回線2経由で情報の送受が可能である。本実施の形態の無線通信システムは、列車制御システムを構成し、列車の運行等の制御のための情報の送受信を行う。

基地局1−1〜1−3は、それぞれ自セル内の列車との無線通信を実施し、列車から受信した情報を指令センター3へ送信し、指令センター3から送信された情報を列車へ送信することにより、指令センター3と当該列車間の情報伝送を実現する。列車4,5は、走行に伴い位置が変わるが、通信相手の基地局1−1〜1−3を切替えることにより、指令センター3との情報伝送を維持する。

図1では、列車5(列車5に搭載される移動局)と基地局1−1〜1−3の通信についての干渉源の例を示している。図1の例では、列車5の内部、列車5の周辺および基地局1−3周辺には、列車5と基地局1−1〜1−3の通信と同一の周波数帯を使用する干渉源が存在し、基地局と列車間の通信に妨害を与える。列車5と基地局1−1〜1−3の通信にISM帯を用いる場合、例えば無線LAN通信が干渉源となるが、干渉源はこれに限定されない。

図2は、本実施の形態で用いるフレームフォーマットの一例を示す図である。1つのフレームは基地局1−1〜1−3から列車への通信であるダウンリンクと、列車から基地局1−1〜1−3への通信であるアップリンクとに時間分割される。ダウンリンクとアップリンクはそれぞれ複数のスロット(割当て単位)に分割され、異なる情報が割り当てられる。フレーム先頭にはブロードキャストスロット(Bch)があり、ブロードキャストスロットでは報知情報やフレーム構成情報などを通知する。

図2において、Fr−1,Fr−2,Fr−3,…は、フレームを示し、D1,D2,…はスロットを示している。図2の例では、ダウンリンクの時間帯を示すダウンリンクスロットは、ブロードキャストスロットとD1〜D8のスロットで構成され、アップリンクの時間帯を示すアップリンクスロットは、U1〜U8のスロットで構成される。

一般的に列車制御に用いる情報量は少ないため、無線伝送のフレーム周期に比べて、列車制御情報の更新周期は長い。このため、列車制御情報更新の1周期(列車制御情報更新周期)の間に、複数のフレームを伝送することが可能である。図2の例では、1列車制御情報更新周期に5つのフレームを伝送可能である。なお、図2は、一例であり、1列車制御情報更新周期で伝送可能なフレーム数は、この例に限定されない。

列車制御情報の信頼度を向上させるため、同一の列車制御情報を複数のフレームで複数回送信を行う(連送)。図2では、一つの列車制御情報に対して5回送信する(5連送する)の例を示しているが、連送の回数はこれに限定されない。また、本実施の形態では、他システムとの干渉を回避するため、1フレームを周波数の切替周期とした周波数ホッピング(FH(Frequency Hopping))を実施する。このように、フレーム単位で周波数を切替え、フレーム単位で連送を行うことにより、複数の周波数チャネルで同一データを送信することになる。単一の周波数チャネルで送信する場合には、当該周波数チャネルに干渉信号が存在する場合、情報伝送に支障が生じるが、周波数チャネルを変えて連送を行う場合、干渉信号が存在する周波数チャネルがあっても他の周波数チャネルを用いた情報伝送ができ、信頼性を向上させることができる。

図3は、本実施の形態の基地局1−1〜1−3の構成例を示す図である。図3に示すように、基地局1−1〜1−3は、符号化部11,13、連送制御部12、タイミング制御部14、変調部15、FH制御部(ホッピング制御部)16、高周波部17、増幅器18、復調部19、キャリアセンス部20、誤り訂正部21、同一パケット削除部22、スケジューラ23およびアンテナ24を備える。

符号化部11は、自セル内の各列車への送信データS1を符号化して符号化データS2を生成する。連送制御部12は符号化データS2を複数の送信パケットS3に複製し、連送を制御する。スケジューラ部23は、時分割されたアップリングおよびダウンリンクの各スロットにデータを割り付け、報知情報/フレーム構成情報S4を生成する。フレーム構成情報は、フレームの構成を示す情報であり、スロットごとのデータの宛先の情報を含むとする。符号化部13はスケジューラ23により生成される報知情報/フレーム構成情報S4を符号化し、送信パケットS5を生成する。タイミング制御部14はスケジューラ23からのフレーム構成情報に基づいて、送信パケットS3、S5の送信タイミング(変調部15への出力タイミング)各スロットにおける送信パケット情報S6を変調部15へ出力する。また、タイミング制御部14は、フレーム構成情報に基づいて自局宛の受信パケットの受信タイミングを制御し、復調部19により生成された復調信号S12のうち、自局宛の受信パケットS13を誤り訂正部21へ出力する。

変調部15は、各スロットにおける送信パケット情報S6を変調し、キャリアセンス部11から入力されるキャリアセンス情報S11に基づいてベースバンド変調信号S7を出力する。高周波部17は、FH制御部16からの周波数制御情報S8に基づいて、送信時には、ベースバンド変調信号S7を周波数制御情報S8により指定されたRF(Radio Frequency)周波数の高周波信号S9aに変換し、受信時には、アンテナ24で受信した高周波信号S9bをベースバンド受信信号S10に変換する。増幅器18は、高周波信号S9aを増幅してアンテナ24へ出力する。アンテナ24は、増幅後の高周波信号S9aを電波として放射するとともに、電波を受信して高周波信号S9bとして高周波部17へ出力する。

復調部19はベースバンド受信信号S10を復調して復調信号S12を生成する。キャリアセンス部20は、ベースバンド受信信号S10を観測し、観測結果に基づき所定値以上の強度の信号が存在するかを表すキャリアセンス情報S11を生成する。誤り訂正部21は、受信パケットS13に誤り訂正を施して受信情報S14を生成する。同一パケット削除部22は、連送された受信情報S14の冗長部分を削除し、最終的な復調器出力S15を生成する。例えば、5連送された場合、5つの同一データのうち誤り訂正が正しく実施できたものを選択して復調器出力S15とし、他の4つの同一データを削除し、5つの同一データのうち誤り訂正が正しく実施できたものが複数ある場合は、そのうちの1つを復調器出力S15とし、他の同一データを削除する。

図4は、本実施の形態の移動局の構成例を示す図である。本実施の形態の移動局は、列車4,5に搭載される。図4において、図3に示した基地局1−1〜1−3と同一の機能を有する構成要素は、図2と同一の符号を付して重複する説明を省略する。図4に示すように、移動局は、図3の基地局1−1〜1−3の構成からスケジューラ23および符号化部13を削除し、報知チャネル解析部(解析部)25を追加した構成を有する。報知チャネル解析部25は、復調器出力S15のうち報知チャネルの情報を解析し、自局の送受信タイミング情報(通信時間帯の割当て結果)、およびFHの周波数情報S20を生成し、送受信タイミング情報をタイミング制御部14へ入力し、FHの周波数情報S20をFH制御部16へ入力する。

次に、本実施の形態の基地局1−1〜1−3の動作について説明する。まずスケジューラ部23は、自セル内に収容している各列車(各列車に搭載される移動局)に対してスケジューリングを行い、ダウンリンクおよびアックプンクについて、各列車が使用するスロットをそれぞれ決定してフレーム構成情報を生成するとともに、報知情報を生成する。すなわち、同一セル内の移動局ごとに対しては時分割で通信時間帯を割当てることにより、移動局間の干渉を防ぐ。また、報知情報には、FH制御部16が管理する周波数ホッピング情報(周波数ホッピングパターンと切替タイミング)を含むとする。次に、符号化部11は、バックボーン回線2経由で指令センター3から得た各列車向けの送信データS1の符号化を行い、連送制御部12は、連送用の複製処理を行い、送信パケットS3を生成する。タイミング制御部14は、スケジューラ23からのフレーム構成情報に基づき各列車向け送信パケットS3を各スロットに割り付けて、送信パケット情報S6として変調部15に送る。

ここで、無線LANからの干渉と基地局1−1〜1−3からの送信パケットの関係について説明する。図5は、干渉と基地局1−1〜1−3からのパケット送信との関係の一例を示す図である。無線LANからの送信が基地局1−1〜1−3の通信と同一周波数で行われている場合に、基地局1−1〜1−3が送信を行うと干渉が生じて情報伝送に支障が生じる。そこで、本実施の形態では、基地局1−1〜1−3が、割り当てられたダウンリンクの各スロット内において、キャリアセンスを実施し、無線LANの送信終了を確認(キャリアセンスクリア)後に列車向け情報を送信する。この際、例えば、一定時間に渡って他局からの送信(干渉)が無いことを確認した時点を、当該スロットの送信タイミングとして決定する。例えば、キャリアセンスクリア後、SIFS(Short Interframe Space)以上、かつPIFS(PCF(Point Coordination Function) Interframe Space)以下の時間長に渡って他局からの送信(干渉)が無いことを確認した時点で、自局の送信を実施する。これは、無線LANからの干渉を回避するとともに、他の無線LANの送信局に先だってチャネルの使用権を得るためである。SIFS、PIFSの値は無線LANシステムにより異なるため、この待機時間は周辺で使用される無線LANの種類を考慮して決定される。上記動作を実現するため、スロット長は送信パケット長に比べて長く設定される。SIFS、PIFSについては非特許文献2を参照されたい。なお、スロット内で送信パケットを送信可能な時間(スロットの終了時間から、送信パケットの送信に要する時間を減じた時間)を超過しても、一定時間に渡って他局からの送信が無いことを確認できない場合には、当該スロットでの送信を行わない。

具体的には、キャリアセンス部10は、キャリアセンスを実施してキャリアセンス情報S11を生成する。変調部15は、キャリアセンス情報S11を基に、上記のように他システムとの干渉を回避する送信タイミングで変調信号S7を生成し、高周波部17へ送る。なお、ここでは、FH制御部16では、基地局1−1〜1−3毎に使用すべき周波数ホッピングパターンと切替タイミングを管理しており、管理しているこれらの情報に基づいて、切替タイミングごとに高周波部17へRF周波数を指定する周波数制御情報S8を出力する。高周波部17は、周波数制御情報S8に基づいて、ベースバンドの変調信号S7を指定された高周波帯の高周波信号S9aに変換する。高周波信号S9aは、増幅部18で増幅され、アンテナ24から送信される。

また、本実施の形態では、変調部15が、キャリアセンス情報S11を基に、上記のように他システムとの干渉を回避する送信タイミングを求める機能を有している。すなわち、キャリアセンス情報S11を基に、上記のように他システムとの干渉を回避する送信タイミングを求める干渉回避タイミング制御部としての機能を変調部15が有している。これに限らず、干渉回避タイミング制御部を変調部15と別に備え、変調部15が干渉回避タイミング制御部からの指示に基づいて変調信号S7を高周波部17へ送るようにしてもよい。

アップリンクスロット期間においては、復調部19は、高周波部17により変換されたベースバンド受信信号S10を復調し、復調信号S12を生成する。タイミング制御部14は、フレーム構成情報に基づいて自局あての受信タイミングを決定し、受信タイミングに基づいて復調信号S12から自局あての受信パケットS13を選択して、誤り訂正部21に出力する。誤り訂正部21は、受信パケットS13に対して誤り訂正処理を施して受信情報S14を生成し、同一パケット削除部22は、受信情報S14から連送による冗長パケットを削除し、最終的な復調器出力S15を生成する。

次に、本実施の形態の列車4,5に搭載される移動局の動作を説明する。移動局の動作は、自局の送受信タイミング情報、およびFHの周波数情報S20を基地局1−1〜1−3からの報知情報から得る点を除き、基地局1−1〜1−3とほぼ同様の動作となる。すなわち、移動局では報知チャネル解析部25によって、基地局1−1〜1−3からの報知情報が解析され、自局に割り当てられたスロット番号、基地局1−1〜1−3が使用するFHパターンなどのFHの周波数情報S20が得られる。これらの情報に基づき、基地局1−1〜1−3と同様にキャリアセンスにより他システムとの干渉を回避し、基地局1−1〜1−3との送受信を行う。

なお、列車制御情報更新周期や、連送回数は全ての列車で同一である必要はなく、送信情報の緊急性や重大性に応じて列車ごとに適応的に変更してもよい。また、同一の列車についてリンクごとに異なる連送回数を設定してもよい。また、図3、図4は同一の符号化が実施された後に情報が連送される(複製される)例を示しているが、連送される情報は元の送信情報が同一であることを意味し、送信情報を複製した後に、複製した送信情報ごとに異なる符号化を適用してもよく、また複製した送信情報ごとに異なる変調方式を適用して送信しても良い。

なお、ここでは列車制御システムに本実施の形態の無線通信システムを適用する例について説明したが、本実施の形態の無線通信システムを、列車制御システム以外に適用することも可能である。

以上のように、本実施の形態では、基地局1−1〜1−3と移動局間の通信において、基地局1−1〜1−3は、自セル内の移動局には時分割で通信時刻を割当て、同一送信データを連送し、周波数ホッピングを行い、周波数ホッピングの切替周期内で、キャリアセンスを行いキャリアセンスクリア後に、自局の送信を実施するようにした。このため、ISM帯のように、制御不可能な干渉が存在する環境においても、干渉による情報の欠落を回避し、高信頼な無線通信回線を構築することが可能となる。また、送信する列車制御情報の更新周期や連送回数を情報の重要度に応じて変更することにより、1つの無線システムにおいて、複数の信頼度を持つ無線回線の構築が可能となる。

実施の形態2. 図6は、本発明にかかる基地局の実施の形態2の構成例を示す図である。図6に示すように、本実施の形態の基地局は、符号化部11、連送制御部12、タイミング制御部14、変調部15、FH制御部16、高周波部17、復調部19、キャリアセンス部20、誤り訂正部21および同一パケット削除部22をそれぞれ備える送受信モジュール30−1〜30−3と、スケジューラ23と、符号化部13と、合成部26と、増幅部18と、アンテナ24と、を備える。本実施の形態の無線通信システムは、基地局1−1〜1−3を本実施の形態の基地局とし、列車4,5に搭載される移動局を本実施の形態の移動局とする以外は、実施の形態1と同様である。実施の形態1と同様の機能を有する構成要素は、実施の形態1と同一の符号を付して重複する説明を省略する。以下、実施の形態1と異なる部分を中心に説明する。

実施の形態1では、単一のFHパターンにより通信を行うようにしたが、本実施の形態では、複数のFH(周波数ホッピング)パターンを用いて通信を実施することにより、通信容量増大を実現する。

図6の例では、3種類のFHパターンを用いるため、送受信モジュールを3つ備えている。FHパターンの数は、これに限定されず、何種類であってもよく、各FHパターンに対応するモジュールを備えればよい。

大容量な情報伝送が必要な場合には複数のFHパターンを使用することにより、高信頼かつ大容量な通信システムを実現できる。複数のFHパターンを用いる場合でも、連送数を増減させることにより、複数の信頼度を持つ無線回線の構築が可能となる。

図7は、本実施の形態のFHパターンの一例を示す図である。図7では、簡略化のため、FHパターンはパターンa,bの2種類としている。パターンaとパターンbでは、同時刻では互いに異なる周波数チャネルを用いるように定められる。このように、2種類のFHパターンを用いて、パターンa,bで異なる送信データを送信するようにすれば、伝送可能な通信容量は、単一のFHパターンを用いる場合の2倍に増加する。なお、FHパターンは同時刻では互いに異なる周波数チャネルを用いるように定められればよく、図2の例に限定されない。FHパターンが3つ以上の場合に、同様に同時刻では互いに異なる周波数チャネルを用いるように定められる。

次に、本実施の形態の動作を説明する。スケジューラ部23は、複数のFHパターンのそれぞれのフレームを実施の形態1と同様に複数のスロットに分割し、各列車に必要な情報量、重要度に応じて、自セル内の各列車にスロット番号とFHパターンの組合せを割り振り、割り振った結果をフレーム構成情報とし、報知情報/フレーム構成情報S4を符号化部13へ出力する。報知情報には、複数のFHパターンと切替タイミングの情報を含む。符号化部13は、報知情報/フレーム構成情報S4を符号化した送信パケットS5を送受信モジュール30−1,30−2,30−3へそれぞれ出力する。各送受信モジュール30−1,30−2,30−3は、3つのFHパターンにそれぞれ対応しており、この割振り情報S5に応じて送信タイミングを調整し、通信を行う。各送受信モジュール30−1,30−2,30−3内の動作は、実施の形態1と同様である。

各送受信モジュール30−1,30−2,30−3の高周波部17から出力される高周波信号S9aは、合成部26で合成され、増幅器18で増幅された後に、アンテナ24に送出される。また、受信時には、アンテナ24で受信された高周波信号S9bは3つに分岐され、各送受信モジュール30−1,30−2,30−3にそれぞれ入力される。

また、列車4,5に搭載される移動局は、図6に示した基地局の構成に、実施の形態1の図4と同様に、スケジューラ23および符号化部13の替わりに報知チャネル解析部25を備える構成とする。報知チャネル解析部25では、報知チャネルの情報(報知情報)を解析して、FHパターンごとに、フレーム構成情報を対応する送受信モジュール30−1〜30−3のタイミング制御部14へ出力し、FHパターンと切替タイミングを対応する送受信モジュール30−1〜30−3のFH制御部16へ出力する。具体的には、例えば、パターン#1,#2,#3が、それぞれ送受信モジュール30−1,30−2,30−3に対応する場合、報知チャネル解析部25は、パターン#1のフレーム構成情報を送受信モジュール30−1のタイミング制御部14へ出力し、パターン#1のFHパターンと切替タイミングを送受信モジュール30−1のFH制御部16へ出力する。

なお、各スロットでの送信タイミングについては全てのFHパターンで同一のタイミングとする必要がある。これは、送信タイミングがキャリアセンスのタイミングが異なり、あるFHパターンの送信により他のFHパターンのキャリアセンスがアクティブになる可能性があるためである。したがって、本実施の形態では、実施の形態1と異なり、全てのFHパターンで使用する周波数チャネルでSIFS以上の期間キャリアセンスにかからないことを確認した場合、FHパターン間で同一のタイミングで送信を行う。

また、図6では増幅器18およびアンテナ24を複数のFHパターンで共用し、高周波部17は各送受信モジュールで独立して具備する構成を示したが、複数の送受信モジュール30−1,30−2,30−3間で高周波部17についても共用し、送受信モジュール30−1,30−2,30−3の信号合成、分離をベースバンドのデジタル信号処理で行っても良い。

以上のように、本実施の形態では、複数のFHパターンを用いて、それぞれのFHパターンにおいて実施の形態1と同様の送受信動作を実施するようにした。このため、高信頼と大容量を両立した通信システムの構築が可能となる。また、時間方向(連送数、スロット数)に加え、周波数方向(FHパターン数)の割り当てが可能となるため、より多様な信頼度の無線回線が設定可能となる。

実施の形態3. 図8は、本発明にかかる実施の形態3の周波数チャネルの選択方法の一例を示す図である。本実施の形態の無線通信システムの構成は実施の形態2と同様であり、基地局および移動局の構成も実施の形態2と同様である。

実施の形態2では、複数のFHパターンを用いることで伝送速度の高速化が可能となるが、複数チャネルでキャリアセンスがクリアとなる必要があり、送信機会に制約がある。本実施の形態では、送信機会の減少を最小限にとどめる方法を開示する。

複数のFHパターンを用いることにより、複数の周波数チャネルを同時に使用する際に、送信機会の減少を最小化するためには、複数の周波数チャネルで同時に他システムの送信が行われる、相関の高い周波数を選択すればよい。例えば、ISM帯ではIEEE802系の無線LANが主要な干渉源となることから、無線LANの帯域幅である18M〜22MHz単位で干渉が生じる可能性は高い。よって、複数のFHパターンを使用する場合には、図8に示すように、同一時刻に一定帯域幅内(例えば、22MHz帯域幅内)の周波数チャネルが用いられるFHパターンを選択することで、送信機会減少の抑圧が実現できる。

特にIEEE802系無線LANが干渉源として予測される場合には、2.4GHz付近であるISM帯のチャネル番号1,6,11,14が中心周波数として使われることが多い。すなわち、ch1(2412MHz)、ch6(2437MHz)、ch11(2462MHz)、ch14(2484MHz)をそれぞれ中心とする22MHz以内の範囲のうち同一の範囲に複数のFHチャネルで同時刻に使用する複数の周波数チャネルが全て入るようにFHパターンを選択することが有効である。このように、構成することにより、同時刻では、複数のFHパターンのうち、いずれかのパターンで用いる周波数チャネルでキャリアセンスがクリアとなれば、全てのFHパターンでキャリアセンスがクリアとなる可能性が高くなり、実施の形態2に比べ送信機会を増加させることができる。

さらに、各FHパターンの時間的に隣接する周波数チャネルは、上記同一の22MHz帯域幅内にない(異なる22MHz帯域幅の)ようにFHパターンを選択することが効果的である。以上述べた以外の本実施の形態の動作は、実施の形態2と同様である。

以上のように、本実施の形態では、複数のFHパターンを用いる場合に、各FHパターンが同時刻に使用する周波数チャネルが一定の帯域幅内に入るようにFHパターンを選択するようにした。このため、実施の形態2に比べ送信機会を増加させることができる。

実施の形態4. 図9は、本発明にかかる基地局の実施の形態4の構成例を示す図である。図9に示すように、本実施の形態の基地局は、実施の形態1の基地局1−1〜1−3に、タイミング再生部27を追加する以外は、実施の形態1の基地局1−1〜1−3と同様である。本実施の形態の無線通信システムは、基地局1−1〜1−3を本実施の形態の基地局とする以外は、実施の形態1と同様である。実施の形態1と同様の機能を有する構成要素は、実施の形態1と同一の符号を付して重複する説明を省略する。以下、実施の形態1と異なる部分を中心に説明する。

FHを用いるシステムでは、基地局と移動局の通信を行うためにFHパターンの同期が必要となる。しかしながら、多数のFHパターンを用いてシステムの運用を行う場合、基地局で使用されるFHパターンとそのパターン開始タイミングを推定することは非常に困難である。特に、高速移動により次々と基地局のハンドオーバーが発生する列車制御システムでは、無線回線断を抑圧するために、ハンドオーバー時に高速にFHパターンを補足する機能が重要となる。

本実施の形態のタイミング再生部27は、基地局間をつなぐバックボーン回線2と接続し、バックボーン回線2からの時間同期信号S40を受信し、時刻同時信号S40に基づいて基地局の動作タイミングパルスS41を生成する。バックボーン回線2から送信される時間同期信号S40は、例えば、バックボーン回線2に接続する時刻同期サーバ(図示せず)から送信されるようにしてもよいし、指令センター3から送信されるようにしてもよい。

図10は、本実施の形態における2つの基地局(基地局aと基地局bとする)のフレームおよびスロット開始タイミングの一例を示す図である。各基地局a,bはバックボーン回線2から供給される時間同期信号S40を用いて、基地局a,b間で同一の、FHパターン開始タイミング、フレーム開始タイミング、スロット開始タイミングを含む動作タイミングパルスS41を生成する。このタイミングパルスS41に基づき、各基地局a,bは、図10に示すように、同一のFHパターン開始タイミング、フレーム開始タイミング、スロット開始タイミングを用いて、各セル内の移動局と送受信を行う。図10では、2つの基地局を例示しているが、実際には全ての基地局が、同様に時間同期信号S40に基づいて動作タイミングパルスS41を生成することにより、FHパターン開始タイミング、フレーム開始タイミング、スロット開始タイミングを同期させている。各移動局はそれぞれ独立して動作するため、各スロット内の送信タイミングは移動局間で独立である。なお、本実施の形態の列車4,5に搭載される移動局の構成は、実施の形態1と同様である。

列車制御システムにおいては、多くの場合、移動局の移動方向は1次元であり、各移動局はハンドオーバー先の基地局のFHパターンを保持しており、ハンドオーバー先の基地局のFHパターンを既知として動作する。また、列車制御システムの性質上、各列車は自分の瞬時の地理的位置を知っているため、現在位置情報をトリガとしたハンドオーバーが可能である。すなわち、システム設計時、置局時など事前にハンドオーバー地点を決定しておき、列車に搭載される移動局が、このハンドオーバー地点の情報を保持し、自車の現在位置情報に基づいてハンドオーバー地点に達したことを検出した場合にハンドオーバーを実施することができる。この際に、本実施の形態では、隣接する基地局間でFHパターン開始タイミング、フレーム開始タイミングおよびスロット開始タイミングが同期しているため、移動局は隣接基地局の次フレームの周波数チャネルを算出することができ、回線断(基地局からのビーコンサーチ)を生じることなくハンドオーバー先基地局からの信号を受信することができる。

本実施の形態により、無瞬断の基地局切替(ハンドオーバー)が可能となり、制御情報の伝送遅延を大幅に抑圧することができる。

なお、各基地局への時間同期信号S40はバックボーン回線2からの供給に限らず、GPS(Global Positioning System)など他の手段から供給されるようにしてもよい。また、基地局間のFHパターン開始タイミングは、必ずしも同一である必要はなく、タイミングずれ(単位:フレーム数)の量が既知であれば同等の効果が得られる。

また、ハンドオーバー時には移動局は報知情報から空きスロット情報を取得し、空きスロットをランダムアクセスチャネルとして使用し、新しい基地局に対してエントリ要求を送信する。以上述べた以外の本実施の形態の動作は、実施の形態1と同様である。また、実施の形態2または3で述べた各基地局が複数のFHパターンを用いる場合に、本実施の形態のタイミング同期を適用してもよい。

以上のように、本実施の形態では、各基地局において、タイミング再生部27が、バックボーン回線2からの時間同期信号S40に基づいて基地局の動作タイミングパルスS41を生成するようにした。このため、実施の形態1と同様の効果が得られるとともに、無瞬断の基地局切替が可能となり、制御情報の伝送遅延を大幅に抑圧することができる。

実施の形態5. 図11は、本発明にかかる実施の形態5の送信タイミングの一例を示す図である。本実施の形態の無線通信システムの構成は実施の形態1と同様であり、基地局および移動局の構成も実施の形態1と同様である。

近年、列車など公共交通機関内において無線LANによる乗客向け通信サービスが広がっている。ISM帯を用いて、列車制御システムを構成する場合、同一事業者が運用する乗客向け無線LANと列車制御システムが同一周波数帯で干渉を引き起こすことが考えられる。本実施の形態では、このような場合に、無線LANによる干渉を回避する手段を開示する。

本実施の形態では、無線LANと列車制御システムは同一事業者が運用する等により、列車制御システムだけでなく無線LANについても動作の制御が可能であるとする。図11に示すように、無線LAN(WLAN)とFHを用いる列車制御システムは同一の帯域(ただし瞬時の帯域幅は異なる)を共有する。無線LANと列車制御システムは同一のビーコン周期を有する。初めに無線LANのAP(Access Point)がビーコンを送信し、配下のSTA(Station)と通信を行う。一定時間後、APはRTS(Request To Send)もしくはCTS(Clear To Send)を送信することにより、無線LANシステム内の配下のSTAに対して所定時間(送信禁止時間)送信を禁止する。その後、列車制御システムが送信を開始し、RTSで予約された時間(送信禁止時間)内に送受信を完了する。

図11の送信タイミングは、一例であり、無線LANと列車制御システムを時分割で動作させる送信タイミングであればよく、図11の例に限定されない。本実施の形態の列車制御システムにおける基地局および移動局の動作は、図11のように各フレームの送信時間が定義されること以外は実施の形態1と同様である。また、実施の形態2〜4のいずれかの1つの動作を行う場合に、図11のように各フレームの送信時間を定義して本実施の形態の干渉回避を実現してもよい。

以上のように、本実施の形態では、無線LANと列車制御システムを時分割で動作させるようにした。このため、近距離で無線LANと列車制御システムを運用する必要がある場合でも、干渉による性能劣化を引き起こすことなくシステムの運用が実現できる。

以上のように、本発明にかかる無線通信装置および無線通信システムは、列車制御システムに有用であり、特に、ISM帯を用いる列車制御システムに適している。

1−1〜1−3 基地局、2 バックボーン回線、3 指令センター、4,5 列車、11,13 符号化部、12 連送制御部、14 タイミング制御部、15 変調部、16 FH制御部、17 高周波部、18 増幅部、19 復調部、20 キャリアセンス部、21 誤り訂正部、22 同一パケット削除部、23 スケジューラ、24 アンテナ、25 報知チャネル解析部、26 合成部、27 タイミング再生部。