WO2014045401A1 - 無線通信装置および無線通信システム - Google Patents

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WO2014045401A1
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transmission
unit
communication
timing
control unit
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PCT/JP2012/074223
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平　明徳
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三菱電機株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a wireless communication device and a wireless communication system.
  • Patent Document 1 discloses an FHSS system that realizes efficient communication by temporally dividing a frame used for transmission into a non-collision access part controlled by a base station and a random access part where a collision occurs.
  • Patent Document 2 discloses a method for improving reliability by “continuous transmission” in which the same data as FHSS is transmitted a plurality of times.
  • interference resistance can be improved in the same system or under the control of a single base station.
  • an environment in which completely different systems coexist such as the ISM band.
  • wireless LAN Local Area Network
  • IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers 802.11b, IEEE 802.11g, IEEE 802.11n
  • the present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to obtain a wireless communication apparatus and a wireless communication system capable of realizing highly reliable communication even in an environment where an interference source exists.
  • the present invention controls frequency hopping for changing a frequency channel for each predetermined switching period, and indicates hopping for instructing a frequency channel to be used for communication for each switching period.
  • a control unit a carrier sense unit that performs carrier sense of a frequency channel to be used for each allocation unit obtained by dividing the switching period, and interference avoidance that determines transmission timing in the allocation unit based on the result of the carrier sense
  • a timing control unit a continuous transmission control unit that duplicates transmission data to generate a plurality of identical data, and a scheduler that allocates a different communication time zone to each communication partner for each of the allocation units.
  • Communication time zone allocation result, transmission timing, and hopping control unit Based on instructions and, the same data generated from the same transmission data transmitted to the communication partner, respectively in different said switching period, and notifies the allocation result to the communication partner.
  • the wireless communication apparatus and the wireless communication system according to the present invention have an effect that highly reliable communication can be realized even in an environment where an interference source exists.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a wireless communication system according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a frame format used in the first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration example of the base station according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration example of the mobile station according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a relationship between interference and packet transmission from the base station.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration example of a base station according to the second embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example of the FH pattern according to the second embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a frequency channel selection method according to the third embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a wireless communication system according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a frame format used in the first embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration example of a base station according to the fourth embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating an example of frame and slot start timings of two base stations in the fourth embodiment.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating an example of transmission timing according to the fifth embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a first embodiment of a wireless communication system according to the present invention.
  • the radio communication system according to the present embodiment includes base stations 1-1 to 1-3 that are radio communication devices installed beside a track, and trains that each have a mobile station that runs on the track and is a radio communication device. 4 and 5.
  • the base stations 1-1 to 1-3 are arranged at a certain interval so that communication with a train traveling on the track can be continuously maintained.
  • the base stations 1-1 to 1-3 are connected to each other via a backbone line (inter-base station network) 2 and can send and receive information via the command center 3 and the backbone line 2.
  • the wireless communication system of the present embodiment constitutes a train control system, and transmits and receives information for control such as train operation.
  • Each of the base stations 1-1 to 1-3 performs wireless communication with a train in its own cell, transmits information received from the train to the command center 3, and transmits information transmitted from the command center 3 to the train. By doing so, information transmission between the command center 3 and the train is realized.
  • the trains 4 and 5 change their positions as they travel, but maintain information transmission with the command center 3 by switching the communication partner base stations 1-1 to 1-3.
  • FIG. 1 shows an example of interference sources for communication between the train 5 (mobile station mounted on the train 5) and the base stations 1-1 to 1-3.
  • interference sources that use the same frequency band as the communication between the train 5 and the base stations 1-1 to 1-3 are located inside the train 5, around the train 5, and around the base station 1-3. Exists and interferes with communication between the base station and the train.
  • wireless LAN communication is an interference source, but the interference source is not limited to this.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a frame format used in the present embodiment.
  • One frame is time-divided into a downlink that is communication from the base stations 1-1 to 1-3 to the train and an uplink that is communication from the train to the base stations 1-1 to 1-3.
  • the downlink and uplink are each divided into a plurality of slots (allocation units), and different information is allocated.
  • Bch broadcast slot
  • the downlink slot indicating the downlink time zone is composed of a broadcast slot and slots D1 to D8, and the uplink slot indicating the uplink time zone is composed of slots U1 to U8.
  • the update period of train control information is longer than the frame period of wireless transmission. For this reason, it is possible to transmit a some flame
  • five frames can be transmitted in one train control information update cycle.
  • FIG. 2 is an example, and the number of frames that can be transmitted in one train control information update cycle is not limited to this example.
  • the same train control information is transmitted multiple times in multiple frames (continuous transmission).
  • FIG. 2 shows an example in which one train control information is transmitted five times (five continuous transmissions), the number of continuous transmissions is not limited to this.
  • frequency hopping FH (Frequency Hopping)
  • FH Frequency Hopping
  • the same data is transmitted using a plurality of frequency channels.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration example of the base stations 1-1 to 1-3 according to the present embodiment.
  • the base stations 1-1 to 1-3 include encoding units 11 and 13, a continuous transmission control unit 12, a timing control unit 14, a modulation unit 15, an FH control unit (hopping control unit) 16, A high frequency unit 17, an amplifier 18, a demodulation unit 19, a carrier sense unit 20, an error correction unit 21, the same packet deletion unit 22, a scheduler 23, and an antenna 24 are provided.
  • Encoder 11 encodes transmission data S1 to each train in its own cell to generate encoded data S2.
  • the continuous transmission control unit 12 duplicates the encoded data S2 into a plurality of transmission packets S3 and controls continuous transmission.
  • the scheduler unit 23 allocates data to the time-divided uplink and downlink slots, and generates broadcast information / frame configuration information S4.
  • the frame configuration information is information indicating a frame configuration, and includes data destination information for each slot.
  • the encoding unit 13 encodes the broadcast information / frame configuration information S4 generated by the scheduler 23 to generate a transmission packet S5.
  • the timing control unit 14 Based on the frame configuration information from the scheduler 23, the timing control unit 14 outputs the transmission packet information S6 in each slot to the transmission timing of the transmission packets S3 and S5 (output timing to the modulation unit 15) to the modulation unit 15. Further, the timing control unit 14 controls the reception timing of the received packet addressed to the own station based on the frame configuration information, and corrects the received packet S13 addressed to the own station out of the demodulated signal S12 generated by the demodulator 19. To the unit 21.
  • the modulation unit 15 modulates the transmission packet information S6 in each slot, and outputs a baseband modulation signal S7 based on the carrier sense information S11 input from the carrier sense unit 11.
  • the high frequency unit 17 Based on the frequency control information S8 from the FH control unit 16, the high frequency unit 17 converts the baseband modulation signal S7 into a high frequency signal S9a having an RF (Radio Frequency) frequency designated by the frequency control information S8 during transmission, At the time of reception, the high frequency signal S9b received by the antenna 24 is converted into a baseband reception signal S10.
  • the amplifier 18 amplifies the high frequency signal S9a and outputs it to the antenna 24.
  • the antenna 24 radiates the amplified high-frequency signal S9a as a radio wave, receives the radio wave, and outputs it as a high-frequency signal S9b to the high-frequency unit 17.
  • the demodulator 19 demodulates the baseband received signal S10 to generate a demodulated signal S12.
  • the carrier sense unit 20 observes the baseband received signal S10, and generates carrier sense information S11 indicating whether a signal having a strength of a predetermined value or more exists based on the observation result.
  • the error correction unit 21 performs error correction on the reception packet S13 to generate reception information S14.
  • the same packet deletion unit 22 deletes the redundant portion of the continuously received reception information S14 and generates a final demodulator output S15. For example, when five consecutive transmissions are made, the data that has been correctly corrected among the five identical data is selected as the demodulator output S15, the other four identical data are deleted, and the error among the five identical data is detected. When there are a plurality of corrections that have been correctly performed, one of them is used as a demodulator output S15, and the other identical data is deleted.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration example of the mobile station according to the present embodiment.
  • the mobile station of this embodiment is mounted on trains 4 and 5.
  • 4, constituent elements having the same functions as those of the base stations 1-1 to 1-3 shown in FIG. 3 are assigned the same reference numerals as those in FIG.
  • the mobile station has a configuration in which the scheduler 23 and the encoding unit 13 are deleted from the configuration of the base stations 1-1 to 1-3 in FIG. 3, and a broadcast channel analysis unit (analysis unit) 25 is added.
  • the broadcast channel analysis unit 25 analyzes broadcast channel information in the demodulator output S15, generates transmission / reception timing information (communication time zone allocation result) of the own station, and FH frequency information S20, and transmits the transmission / reception timing information.
  • the scheduler unit 23 performs scheduling for each train (mobile station mounted on each train) accommodated in its own cell, and determines the slot used by each train for the downlink and the acknowledgment.
  • broadcast information is generated. That is, interference between mobile stations is prevented by assigning a communication time zone to each mobile station in the same cell in a time division manner.
  • the broadcast information includes frequency hopping information (frequency hopping pattern and switching timing) managed by the FH control unit 16.
  • the encoding unit 11 encodes the transmission data S1 for each train obtained from the command center 3 via the backbone line 2, and the continuous transmission control unit 12 performs a duplication process for continuous transmission and transmission.
  • a packet S3 is generated.
  • the timing control unit 14 allocates the transmission packet S3 for each train to each slot based on the frame configuration information from the scheduler 23, and sends the transmission packet information S6 to the modulation unit 15.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of the relationship between interference and packet transmission from the base stations 1-1 to 1-3.
  • the base stations 1-1 to 1-3 perform carrier sense in each assigned downlink slot and confirm the end of wireless LAN transmission (carrier sense clear) before train Send information for.
  • a time point when it is confirmed that there is no transmission (interference) from another station for a certain time is determined as the transmission timing of the slot. For example, after clearing the carrier sense, when it is confirmed that there is no transmission (interference) from other stations over the time length of SIFS (Short Interframe Space) or more and PIFS (PCF (Point Coordination Function) Interframe Space) or less Execute transmission of own station. This is for avoiding interference from the wireless LAN and obtaining the right to use the channel prior to other wireless LAN transmitting stations. Since the values of SIFS and PIFS differ depending on the wireless LAN system, this standby time is determined in consideration of the type of wireless LAN used in the vicinity.
  • SIFS Short Interframe Space
  • PIFS PCF (Point Coordination Function) Interframe Space
  • the slot length is set longer than the transmission packet length.
  • Non-Patent Document 2 for SIFS and PIFS. Even if the time during which a transmission packet can be transmitted in the slot (the time obtained by subtracting the time required to transmit the transmission packet from the end time of the slot) is exceeded, there is no transmission from other stations for a certain period of time. If it cannot be confirmed, transmission in that slot is not performed.
  • the carrier sense unit 10 performs carrier sense and generates carrier sense information S11. Based on the carrier sense information S ⁇ b> 11, the modulation unit 15 generates a modulation signal S ⁇ b> 7 at a transmission timing that avoids interference with other systems as described above, and sends the modulation signal S ⁇ b> 7 to the high frequency unit 17.
  • the FH control unit 16 manages the frequency hopping pattern and switching timing to be used for each of the base stations 1-1 to 1-3, and the switching timing is based on the managed information. Every time, frequency control information S8 for designating an RF frequency is output to the high frequency unit 17.
  • the high frequency unit 17 converts the baseband modulation signal S7 into the designated high frequency band high frequency signal S9a based on the frequency control information S8.
  • the high frequency signal S ⁇ b> 9 a is amplified by the amplification unit 18 and transmitted from the antenna 24.
  • the modulation unit 15 has a function of obtaining transmission timing for avoiding interference with other systems as described above based on the carrier sense information S11. That is, based on the carrier sense information S11, the modulation unit 15 has a function as an interference avoidance timing control unit that obtains a transmission timing for avoiding interference with other systems as described above.
  • an interference avoidance timing control unit may be provided separately from the modulation unit 15, and the modulation unit 15 may send the modulation signal S 7 to the high frequency unit 17 based on an instruction from the interference avoidance timing control unit.
  • the demodulator 19 demodulates the baseband received signal S10 converted by the high frequency unit 17 and generates a demodulated signal S12.
  • the timing control unit 14 determines the reception timing for the local station based on the frame configuration information, selects the reception packet S13 for the local station from the demodulated signal S12 based on the reception timing, and outputs the received packet S13 to the error correction unit 21.
  • the error correction unit 21 performs error correction processing on the received packet S13 to generate reception information S14, and the same packet deletion unit 22 deletes redundant packets due to continuous transmission from the reception information S14, and the final demodulator An output S15 is generated.
  • the operation of the mobile station is almost the same as that of the base stations 1-1 to 1-3 except that its own transmission / reception timing information and FH frequency information S20 are obtained from the broadcast information from the base stations 1-1 to 1-3.
  • the operation is similar. That is, in the mobile station, the broadcast information from the base stations 1-1 to 1-3 is analyzed by the broadcast channel analysis unit 25, and the slot numbers assigned to the own station and the base stations 1-1 to 1-3 are used. FH frequency information S20 such as an FH pattern is obtained. Based on these information, similarly to the base stations 1-1 to 1-3, interference with other systems is avoided by carrier sense, and transmission / reception with the base stations 1-1 to 1-3 is performed.
  • the train control information update cycle and the number of continuous transmissions need not be the same for all trains, and may be adaptively changed for each train according to the urgency and severity of transmission information. Moreover, you may set different continuous transmission frequency for every link about the same train.
  • 3 and 4 show an example in which information is continuously transmitted (replicated) after the same encoding is performed, the original transmitted information is the same for the continuously transmitted information. After the transmission information is duplicated, different coding may be applied to each duplicated transmission information, or different modulation schemes may be applied to each duplicated transmission information for transmission.
  • the base stations 1-1 to 1-3 are time-shared to the mobile stations in the own cell.
  • the communication time is allocated, the same transmission data is continuously transmitted, frequency hopping is performed, carrier sense is performed within the frequency hopping switching period, and transmission of the own station is performed after the carrier sense is cleared.
  • uncontrollable interference such as in the ISM band
  • by changing the update period and the number of continuous transmissions of the train control information to be transmitted according to the importance of the information it is possible to construct a wireless line having a plurality of reliability levels in one wireless system.
  • FIG. FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration example of the base station according to the second embodiment of the present invention.
  • the base station of this embodiment includes an encoding unit 11, a continuous transmission control unit 12, a timing control unit 14, a modulation unit 15, an FH control unit 16, a high frequency unit 17, a demodulation unit 19, and a carrier.
  • Transmission / reception modules 30-1 to 30-3 each including a sense unit 20, an error correction unit 21, and an identical packet deletion unit 22, a scheduler 23, an encoding unit 13, a synthesis unit 26, an amplification unit 18, and an antenna 24 And comprising.
  • the base stations 1-1 to 1-3 are the base stations of the present embodiment
  • the mobile stations mounted on the trains 4 and 5 are the mobile stations of the present embodiment. Is the same as in the first embodiment. Components having the same functions as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals as those in the first embodiment, and redundant description is omitted. Hereinafter, a description will be given centering on differences from the first embodiment.
  • communication is performed using a single FH pattern.
  • communication capacity is increased by performing communication using a plurality of FH (frequency hopping) patterns. .
  • FH patterns since three types of FH patterns are used, three transmission / reception modules are provided.
  • the number of FH patterns is not limited to this, and any number of FH patterns may be used, and a module corresponding to each FH pattern may be provided.
  • a highly reliable and large capacity communication system can be realized by using a plurality of FH patterns. Even when a plurality of FH patterns are used, it is possible to construct a radio line having a plurality of reliability levels by increasing or decreasing the number of continuous transmissions.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example of the FH pattern according to the present embodiment.
  • two types of FH patterns patterns a and b, are used.
  • Pattern a and pattern b are determined to use different frequency channels at the same time. In this way, if two types of FH patterns are used to transmit different transmission data in patterns a and b, the transmittable communication capacity is doubled as compared with the case of using a single FH pattern.
  • the FH pattern may be determined so that different frequency channels are used at the same time, and is not limited to the example of FIG. Similarly, when there are three or more FH patterns, it is determined that different frequency channels are used at the same time.
  • the scheduler unit 23 divides each frame of a plurality of FH patterns into a plurality of slots as in the first embodiment, and assigns a slot to each train in the own cell according to the amount of information and importance necessary for each train.
  • the combination of the number and the FH pattern is allocated, the allocated result is used as frame configuration information, and broadcast information / frame configuration information S4 is output to the encoding unit 13.
  • the notification information includes a plurality of FH patterns and switching timing information.
  • Encoding section 13 outputs transmission packet S5 obtained by encoding broadcast information / frame configuration information S4 to transmission / reception modules 30-1, 30-2, and 30-3, respectively.
  • Each of the transmission / reception modules 30-1, 30-2, and 30-3 corresponds to each of the three FH patterns, and performs communication by adjusting the transmission timing according to the allocation information S5.
  • the operations in each of the transmission / reception modules 30-1, 30-2, 30-3 are the same as in the first embodiment.
  • the high frequency signal S9a output from the high frequency unit 17 of each of the transmission / reception modules 30-1, 30-2, 30-3 is synthesized by the synthesis unit 26, amplified by the amplifier 18, and then sent to the antenna 24.
  • the high-frequency signal S9b received by the antenna 24 is branched into three and input to the transmission / reception modules 30-1, 30-2, and 30-3, respectively.
  • the mobile station mounted on the trains 4 and 5 has the same configuration as the base station shown in FIG. 6, but the broadcast channel analysis unit instead of the scheduler 23 and the encoding unit 13 as in FIG. 4 of the first embodiment. 25.
  • the broadcast channel analysis unit 25 analyzes broadcast channel information (broadcast information) and outputs frame configuration information to the timing control unit 14 of the corresponding transmission / reception modules 30-1 to 30-3 for each FH pattern.
  • the pattern and switching timing are output to the corresponding FH control unit 16 of the transmission / reception modules 30-1 to 30-3.
  • the broadcast channel analysis unit 25 performs the frame configuration of the pattern # 1.
  • the information is output to the timing control unit 14 of the transmission / reception module 30-1, and the FH pattern of pattern # 1 and the switching timing are output to the FH control unit 16 of the transmission / reception module 30-1.
  • the transmission timing in each slot needs to be the same for all FH patterns. This is because the transmission timing is different from the carrier sense timing, and the carrier sense of another FH pattern may become active due to the transmission of a certain FH pattern. Therefore, in this embodiment, unlike Embodiment 1, when it is confirmed that carrier sense is not applied for a period longer than SIFS in the frequency channel used in all FH patterns, transmission is performed at the same timing between FH patterns. .
  • FIG. 6 shows a configuration in which the amplifier 18 and the antenna 24 are shared by a plurality of FH patterns, and the high-frequency unit 17 is provided independently in each transmission / reception module, but a plurality of transmission / reception modules 30-1, 30-2,
  • the high-frequency unit 17 may be shared between 30-3, and signal synthesis and separation of the transmission / reception modules 30-1, 30-2, and 30-3 may be performed by baseband digital signal processing.
  • a plurality of FH patterns are used, and a transmission / reception operation similar to that of the first embodiment is performed in each FH pattern. Therefore, it is possible to construct a communication system that achieves both high reliability and large capacity.
  • the time direction the number of continuous transmissions and the number of slots
  • it is possible to assign the frequency direction the number of FH patterns), so it is possible to set wireless lines with more various reliability.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a frequency channel selection method according to the third embodiment of the present invention.
  • the configuration of the radio communication system of the present embodiment is the same as that of the second embodiment, and the configurations of the base station and the mobile station are also the same as those of the second embodiment.
  • Embodiment 2 it is possible to increase the transmission speed by using a plurality of FH patterns, but it is necessary to clear the carrier sense in a plurality of channels, and there are restrictions on transmission opportunities.
  • a method for minimizing the decrease in transmission opportunities is disclosed.
  • the frequency of highly correlated signals that are transmitted from other systems simultaneously on multiple frequency channels Should be selected.
  • an IEEE 802 wireless LAN is a major interference source, so there is a high possibility that interference occurs in units of 18 to 22 MHz, which is the bandwidth of the wireless LAN. Therefore, when using a plurality of FH patterns, as shown in FIG. 8, transmission is performed by selecting an FH pattern that uses a frequency channel within a certain bandwidth (for example, within a 22 MHz bandwidth) at the same time. Suppression of opportunity reduction can be realized.
  • ISM band channel numbers 1, 6, 11, and 14 near 2.4 GHz are often used as the center frequency. That is, a plurality of frequency channels used at the same time by a plurality of FH channels in the same range among the ranges within 22 MHz centered around ch1 (2412 MHz), ch6 (2437 MHz), ch11 (2462 MHz), and ch14 (2484 MHz). It is effective to select the FH pattern so that all of. By configuring in this way, at the same time, if the carrier sense is cleared in the frequency channel used in any one of the plurality of FH patterns, the carrier sense may be cleared in all the FH patterns. The transmission opportunity can be increased as compared with the second embodiment.
  • the FH patterns are selected so that the frequency channels used by the respective FH patterns at the same time fall within a certain bandwidth. For this reason, the transmission opportunity can be increased compared with the second embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration example of the fourth embodiment of the base station according to the present invention.
  • the base station according to the present embodiment is the same as the base station 1 according to the first embodiment except that a timing recovery unit 27 is added to the base stations 1-1 to 1-3 according to the first embodiment. Same as -1 to 1-3.
  • the radio communication system of the present embodiment is the same as that of the first embodiment except that the base stations 1-1 to 1-3 are the base stations of the present embodiment.
  • Components having the same functions as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals as those in the first embodiment, and redundant description is omitted.
  • a description will be given centering on differences from the first embodiment.
  • the timing recovery unit 27 of the present embodiment is connected to the backbone line 2 that connects the base stations, receives the time synchronization signal S40 from the backbone line 2, and based on the time simultaneous signal S40, the base station operation timing pulse S41. Is generated.
  • the time synchronization signal S40 transmitted from the backbone line 2 may be transmitted from, for example, a time synchronization server (not shown) connected to the backbone line 2, or transmitted from the command center 3. Also good.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating an example of frame and slot start timings of two base stations (base station a and base station b) in the present embodiment.
  • the base stations a and b use the time synchronization signal S40 supplied from the backbone line 2, and the operation timing pulse S41 including the same FH pattern start timing, frame start timing, and slot start timing between the base stations a and b. Is generated.
  • the base stations a and b Based on the timing pulse S41, the base stations a and b perform transmission and reception with mobile stations in each cell using the same FH pattern start timing, frame start timing, and slot start timing as shown in FIG. .
  • FIG. 10 is a diagram illustrating an example of frame and slot start timings of two base stations (base station a and base station b) in the present embodiment.
  • the base stations a and b use the time synchronization signal S40 supplied from the backbone line 2, and the operation timing pulse S41 including the same FH pattern start timing, frame start timing, and slot start timing between the
  • a mobile station In a train control system, in many cases, the moving direction of a mobile station is one-dimensional, and each mobile station holds an FH pattern of a handover destination base station. Works as known.
  • each train knows its instantaneous geographical location, so that it is possible to perform handover using current location information as a trigger.
  • a handover point is determined in advance, such as when designing a system or at the time of station placement, and a mobile station mounted on a train retains information on this handover point and performs a hand based on the current position information of the own vehicle. When it is detected that the over point has been reached, a handover can be performed.
  • the mobile station calculates the frequency channel of the next frame of the adjacent base station. It is possible to receive a signal from the handover destination base station without causing line disconnection (beacon search from the base station).
  • the time synchronization signal S40 to each base station is not limited to being supplied from the backbone line 2, but may be supplied from other means such as GPS (Global Positioning System). Also, the FH pattern start timing between base stations is not necessarily the same, and the same effect can be obtained if the amount of timing deviation (unit: number of frames) is known.
  • the mobile station acquires empty slot information from the broadcast information, uses the empty slot as a random access channel, and transmits an entry request to a new base station.
  • the operations of the present embodiment other than those described above are the same as those of the first embodiment. Further, when each base station described in the second or third embodiment uses a plurality of FH patterns, the timing synchronization of the present embodiment may be applied.
  • the timing recovery unit 27 in each base station, the timing recovery unit 27 generates the operation timing pulse S41 of the base station based on the time synchronization signal S40 from the backbone line 2. For this reason, the same effects as in the first embodiment can be obtained, the base station can be switched without interruption, and the transmission delay of the control information can be greatly suppressed.
  • FIG. FIG. 11 is a diagram showing an example of transmission timing according to the fifth embodiment of the present invention.
  • the configuration of the radio communication system of the present embodiment is the same as that of the first embodiment, and the configurations of the base station and the mobile station are also the same as those of the first embodiment.
  • a wireless LAN AP Access Point
  • STA Service To Send
  • CTS Clear To Send
  • the train control system starts transmission, and transmission and reception are completed within the time reserved for RTS (transmission prohibited time).
  • the transmission timing in FIG. 11 is an example, and any transmission timing may be used as long as the wireless LAN and the train control system are operated in a time division manner, and the transmission timing is not limited to the example in FIG.
  • the operations of the base station and mobile station in the train control system of the present embodiment are the same as those of the first embodiment except that the transmission time of each frame is defined as shown in FIG. Further, when performing any one of the operations of Embodiments 2 to 4, the transmission time of each frame may be defined as shown in FIG. 11 to realize the interference avoidance of the present embodiment.
  • the wireless LAN and the train control system are operated in a time division manner. For this reason, even when it is necessary to operate the wireless LAN and the train control system at a short distance, the operation of the system can be realized without causing performance degradation due to interference.
  • the wireless communication device and the wireless communication system according to the present invention are useful for train control systems, and are particularly suitable for train control systems using the ISM band.

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Abstract

　フレームごとに周波数チャネルを変更する周波数ホッピングを制御するＦＨ制御部１６と、フレームを分割したスロットごとに、キャリアセンスを実施するキャリアセンス部２０と、キャリアセンスの結果に基づいて、当該スロットにおける送信タイミングを決定する変調部１５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１２と、スロットごとに各移動局にそれぞれ異なる通信時間帯を割当てるスケジューラ２３と、を備え、通信時間帯の割当て結果と、送信タイミングと、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同一データをそれぞれ異なるフレームで移動局へ送信し、割当て結果を移動局へ通知する。

Description

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、所定の切替周期ごとに周波数チャネルを変更する周波数ホッピングを制御し、前記切替周期ごとに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ごとに、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、前記割当て単位ごとに、各通信相手にそれぞれ異なる通信時間帯を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で前記通信相手へ送信し、前記割当て結果を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。

Claims (20)

  1. 　所定の切替周期ごとに周波数チャネルを変更する周波数ホッピングを制御し、前記切替周期ごとに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ごとに、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、
    　前記割当て単位ごとに、各通信相手にそれぞれ異なる通信時間帯を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で前記通信相手へ送信し、前記割当て結果を前記通信相手へ通知することを特徴とする無線通信装置。
  2. 　自装置と同様の機能を有する他の無線通信装置との間で時刻同期を行うタイミング再生部、
    　をさらに備え、
    　前記他の無線通信装置と周波数ホッピングパターンの開始タイミングおよび前記切替周期の開始タイミングを同期することを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
  3. 　無線ＬＡＮアクセスポイントとの間で、通信時間帯を時分割に割当てられることを特徴とする請求項１または２に記載の無線通信装置。
  4. 　前記無線ＬＡＮアクセスポイントは、配下の端末に対して、所定の送信禁止期間の間の送信禁止を指示し、
    　前記スケジューラは、前記送信禁止期間に通信を行うよう自装置の通信時間帯を割当てることを特徴とする請求項３に記載の無線通信装置。
  5. 　所定の切替周期ごとに周波数チャネルを変更する周波数ホッピングを制御し、前記切替周期ごとに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ごとに、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、
    　通信相手から受信した受信信号から、前記受信信号に含まれる前記切替周期を分割した割当て単位で自装置へ割当てられた通信時間帯を示す割当て結果を抽出する解析部と、
    　を備え、
    　前記解析部により抽出された前記割当て結果と、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で送信することを特徴とする無線通信装置。
  6. 　通信相手を複数とし、複数の前記通信相手は、周波数ホッピングパターンの開始タイミングおよび前記切替周期の開始タイミングを互いに同期されているとし、
    　前記通信相手ごとに当該通信相手との間で使用する周波数ホッピングパターンを保持し、自装置の位置に基づいて、通信相手を切替えるか否かを判断し、通信相手を切替えると判断した場合、切替先の通信相手に対応する保持している前記周波数ホッピングパターンを用いて通信を行うことを特徴とする請求項５に記載の無線通信装置。
  7. 　前記割当て単位をスロットとし、前記切替先の通信相手から空きスロットの位置を取得し、前記空きスロットを用いて、前記切替先の通信相手へ接続要求を送信することを特徴とする請求項６に記載の無線通信装置。
  8. 　無線ＬＡＮアクセスポイントとの間で、通信時間帯を時分割に割当てられることを特徴とする請求項５、６または７に記載の無線通信装置。
  9. 　前記干渉回避タイミング制御部は、前記キャリアセンスにより所定の閾値以上の信号が一定時間検出されなかった時点を前記送信タイミングとして決定することを特徴とする請求項１～８のいずれか１つに記載の無線通信装置。
  10. 　前記一定時間を、ＳＩＦＳ（Short　Interframe　Space）以上、かつＰＩＦＳ（ＰＣＦ（Point　Coordination　Function）　Interframe　Space）以下とすることを特徴とする請求項９に記載の無線通信装置。
  11. 　複数の周波数ホッピングパターンを同時に用いて送受信を行い、
    　前記送信タイミングを、同時に使用される全周波数チャネル間で同一とし、
    　同時に使用される前記キャリアセンスにより所定の閾値以上の信号が一定時間検出されなかった場合に、前記割当て単位における送信を実施する、ことを特徴とする請求項９または１０に記載の無線通信装置。
  12. 　同時に使用される周波数チャネルが、所定の周波数幅を有する複数の帯域のうちの１つの帯域内であることを特徴とする請求項１１に記載の無線通信装置。
  13. 　前記周波数幅を２２ＭＨｚ以内とすることを特徴とする請求項１２に記載の無線通信装置。
  14. 　複数の前記帯域の中心周波数を無線ＬＡＮ（Local　Area　Network）の中心周波数である２４１２ＭＨｚ、２４３７ＭＨｚ、２４６２ＭＨｚ、２４８４ＭＨｚとすることを特徴とする請求項１３に記載の無線通信装置。
  15. 　前記周波数ホッピングパターンにおいて時間的に隣接する周波数チャネルを異なる前記帯域内とすることを特徴とする請求項１２、１３または１４に記載の無線通信装置。
  16. 　同一の送信データから生成された前記同一データに対して、それぞれ異なる符号化処理を施して送信することを特徴とする請求項１～１５のいずれか１つに記載の無線通信装置。
  17. 　同一の送信データから生成された前記同一データに対して、それぞれ異なる変調方式により変調処理を施して送信することを特徴とする請求項１～１６のいずれか１つに記載の無線通信装置。
  18. 　自装置または前記通信相手を列車に搭載される装置とし、同一の送信データから生成される前記同一データの個数である連送回数を、列車ごとに設定することを特徴とする請求項１～１７のいずれか１つに記載の無線通信装置。
  19. 　同一の送信データから生成される前記同一データの個数である連送回数を、リンクごとに設定することを特徴とする請求項１～１７のいずれか１つに記載の無線通信装置。
  20. 　基地局と移動局で構成される無線通信装置であって、
    　前記基地局および移動局は、
    　所定の切替周期ごとに周波数チャネルを変更する周波数ホッピングを制御し、前記切替周期ごとに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、
    　前記割当て単位ごとに、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、
    　を備え、
    　前記基地局は、
    　前記切替周期を分割した割当て単位ごとに、各移動局にそれぞれ異なる通信時間帯を割当てるスケジューラ、
    　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で前記移動局へ送信し、前記割当て結果を前記移動局へ通知し、
    　前記移動局は、
    　前記基地局から受信した受信信号から、前記割当て結果を抽出する解析部、
    　を備え、
    　前記解析部により抽出された前記割当て結果と、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で送信することを特徴とする無線通信システム。
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