JP2006237831A

JP2006237831A - 無線通信装置

Info

Publication number: JP2006237831A
Application number: JP2005047246A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Araki; 宏荒木
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-02-23
Filing date: 2005-02-23
Publication date: 2006-09-07

Abstract

【課題】路車間無線通信システムに用いる無線通信装置は、アンテナ部に単一のアンテナが用いられていたので、送信される電波は周囲環境によりマルチパスフェージングが発生し無線通信が不安定になる。受信安定化にはダイバーシチ方式をとるが、振幅変調（ＡＳＫ）と位相変調（ＱＰＳＫ）の二つの変復調方式に別々のダイバーシチ方式を用いると、高価になるという課題があった。また路車間通信システムでは時分割多重による送受信を行っているため、アンテナ切替時に通信が不安定になりダイバーシチが使用しがたいという課題があった。
【解決手段】複数のアンテナ１、２、２１を有し、受信される無線パケットごとに最適なアンテナを選択する制御部７を備え、アンテナ切替えはパケット先頭で行うようにして、アンテナ切替時のデータ誤り率の低下を防止した。
【選択図】図１

Description

この発明は、路車間無線通信システムに用いる無線通信装置に関する。

道路を走行する車両に搭載した無線通信装置と、路側に設置した無線通信装置との間で、各種の情報を授受する路車間無線通信システムがある。近年、この路車間無線通信システムは、交通情報を伝えるＶＩＣＳ、料金収納を行うＥＴＣ、インターネットやパーキングエリアにおける各種サービスのための通信など複数のサービスシステムが取り扱われるＤＳＲＣ（ＤｅｄｉｃａｔｅｄＳｈｏｒｔＲａｎｇｅＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ）が開発されている。
複数サービスを取り扱うＤＳＲＣには無線通信の安定性が特に高く要求される。しかし、現状では、道路、施設、車体等からの電波反射により、絶えず変化するマルチパスフェージングが発生し、無線通信が途絶したり、信号誤り率が高くなるなどの状況が見られ好ましくない。

特許文献１の図４は、ＤＳＲＣと同様なＴＤＭＡ方式無線システムの受信ダイバーシチであって、第１アンテナで通信信号を受信し、第２アンテナの制御信号を受信して、その受信レベルの交互に比較して、制御信号の受信レベルが高い受信アンテナを用いるものが開示されている。
ところで、ＤＳＲＣは、サービスの種類の変更や、増加、あるいは同時に利用可能な車両数の増加などの要求がしばしば生じるので、路車間無線通信システムでは、これに対応する無線通信の安定性を確保しなければならない。特許文献１のシステムにおいても、同様に無線通信の安定性が必要となる点に変わりはなく、その場合、通信信号と制御信号が分離していなければならない。また、同一の変復調方式である必要があった。
特開２００１−２０３６１６公報

従来の路車間無線通信システムに用いられる無線通信装置は、路側装置と車側装置とからなり、アンテナ部には、単一のアンテナが内蔵されていたので、路側装置、あるいは車側装置から送信される電波は車両の走行などにより周囲環境（周囲の電波環境）の変化によりマルチパスフェージングが発生し無線通信が不安定になるという課題があった。

この状況を改善する方法として、路車間無線通信システムにおいて、ダイバーシチ方式を用いる方法が無線通信を安定化する上で効果があることが知られている。しかし、特に振幅変調（ＡＳＫ）と位相変調（ＱＰＳＫ）の二つの変復調方式を採用する路車間通信システムでは、ＡＳＫとＱＰＳＫをそれぞれ別々のダイバーシチ方式で用いることになり、高価になるという課題があった。
さらに路車間通信システムでは時分割多重による送受信を行っているため、アンテナ切替によるダイバーシチ方式を用いた場合には、使用するアンテナの切替え中には、データ誤りが生じるなど通信が不安定になるという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解消し、振幅変調（ＡＳＫ）と位相変調（ＱＰＳＫ）の二つの変復調方式を採用する時分割多重路車間通信システムの無線通信装置を小型化できるとともに、かつ低廉にダイバーシチによって通信の安定化を図る無線通信装置を得ることを目的とする。

本発明による無線通信装置は、道路を走行する車両と路側との間で、パケット単位で無線信号を送受するための無線通信装置であって、
複数の受信アンテナ、
前記複数の受信アンテナから１つのアンテナを選択するアンテナ切替部、
前記アンテナ切替部が選択したアンテナの受信信号を互いに比較して、最も信号強度の強いアンテナを決定し、前記パケット単位の受信の開始時点ごとに、前記アンテナ切替部に指示する制御部、
前記制御部の前記指示にもとづき、前記アンテナ切替部は前記パケット単位の受信開始時点ごとに、次のパケット単位を受信するアンテナを選択切替することにより、
パケット単位の受信途中での切替を行わないようにしたものである。

本発明による無線通信装置は、アンテナを複数有し、路側あるいは車両から送信される無線パケットごとに受信電力を得られる受信部であって、制御部によって、この受信パケットごとに最適なアンテナを選択することができるため、マルチパスフェージングの影響を低減して、より安定な無線通信ができるという効果を有する。
また複数の変復調方式を備えた送信部および受信部は、異なる変復調方式に対して同一構成および同一アルゴリズムによるアンテナ切替によるダイバーシチ方式をとれるため、小型かつ低廉に無線通信の安定化を図れるという効果を有する。
さらに制御部は、無線通信が安定となる周期で演算処理することで、複数のアンテナを切り替え、受信パケットごとに最適なアンテナを選択することができるため、無線通信の安定化を図れるという効果を有する。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による無線通信装置の構成図である。
図１の無線通信装置は、道路近傍に設置された無線通信装置でもあり、この道路を走行する車両に搭載された無線通信装置としても使用できる。以下、路側か車両搭載側か特に区別せずに説明する。無線通信装置は第１アンテナ１、第２アンテナ２、第Ｎアンテナ２１、アンテナ共用部３、アンテナ切替部４、送信部６、受信部５、制御部７、インターフェース部８を含む。この無線通信装置はアンテナを複数有するが、図１では説明の都合上アンテナは３個のみ記載している。受信部５は路側あるいは車両から送信される無線信号のパケットごとに受信電力を得られるものであって、この受信無線パケットごとに最適なアンテナを選択する制御部８を有している。

第１アンテナ１は１つのアンテナを送信用としたり、受信用としたりすることのできるアンテナ共用器３に接続されている。アンテナ切替部４はアンテナ共用器３からの入力を含めて、第２アンテナ２・・・・第Ｎアンテナ２１に接続して、これら複数のアンテナのうち１つを選択切替えしている。アンテナは複数示しているが、アンテナ共用器２により、送受信を共用する第１アンテナ１と受信専用のアンテナ２のみであってもよい。受信専用となる第Ｎアンテナ２１は複数あってもよい。受信部５および送信部６は複数の変復調方式を含み、制御部７に接続している。制御部７は複数の変復調方式に対応する制御を含み、インタフェース部８に接続している。インターフェース部８は外部からの内部制御信号、あるいは外部ネットワーク接続のための制御を含み、外部機器と接続している。
以下、アンテナは第１、第２、第Ｎなどの番号を付さないで呼ぶ。

各部の主な機能について説明する。
アンテナ１は車両あるいは路側装置と無線信号の送信及び受信の両方に使用するもので、車両に搭載される場合は無指向性、路側設置の場合は通信エリアを構成するための放射指向性を有している場合もある。アンテナ２は車両あるいは路側装置からの無線信号の受信のみを行う。アンテナ２１はアンテナ２と同様に相手装置からの無線信号の受信のみ行う。
アンテナ共用器３は送受信する無線信号を同時にやりとりする、すなわち全二重通信するためのものであり、送受信フィルタであるダイプレクサあるいは入出力の方向性をもつサーキュレータであってもよい。
アンテナ切替部４はアンテナ共用器３からの出力およびアンテナ２、アンテナ２１からの入力を高速に切り替えることができる高周波スイッチである。高周波入力が２つであれば２入力１出力のスイッチでよく、入力が複数あれば多入力１出力のスイッチとなる。多入力１出力のスイッチを構成するために、複数の２入力１出力スイッチを組み合わせてもよい。
受信部５は複数の復調方式に対応し、たとえばＡＳＫ、ＱＰＳＫなどの２つの高周波入力に対して同時、あるいは時系列に復調することができる。
送信部６は複数の変調方式に対応し、たとえばＡＳＫ、ＱＰＳＫなどに対して同時、あるいは時系列に変調することができ、それぞれの高周波出力を得ることができる。
制御部７は変復調モデムを含み、復調に対しては受信部５の制御およびデータの再生を行い、変調に対しては送信部の制御およびデータ生成を行う。さらにアンテナ切替に対しては復調信号より受信電力を求め、アンテナ切替部４で用いる切替信号を生成する。
インターフェース部８は外部機器との接続を行うもので、外部接続する機器に応じた構成をもち、たとえばネットワーク機器であれば、その伝送プロトコルや無線通信に用いるデータをトンネリングするプロトコル、データの多重化、あるいは物理的な変換部を含み、外部機器と接続し、無線信号の送受信データおよび内部制御信号を伝送することができる。インターフェース部８はこの無線通信装置が外部機器と接続する必要のない場合には用いる必要がない。

本実施の形態のアンテナ切替の動作について、以下に詳細に説明する。
図２は制御部７に内臓されているアンテナ切替に寄与する部分を説明する構成説明図である。受信電力抽出部７１は受信部５の出力より現在用いている受信アンテナに対応した受信電力値を抽出する。その受信電力値は受信電力の尖頭値、もしくは平均値であってもよい。抽出された受信電力値は受信電力平均処理部７２によって、サンプリング周期により平均処理される。受信電力比較処理部７３は、切替信号生成部７４によって生成された制御信号によってアンテナ切替部３を制御し、アンテナを切替ながら、一連の動作を繰り返し、受信電力が高いアンテナを選択する。

本実施の形態では、無線多重方式がＴＤＭＡであるため、受信データおよび送信データはスロットと呼ばれる通信パケットに割り当てられる。この発明では、受信スロットごとに受信ダイバーシチを提供する（受信スロットごとに使用するアンテナを選択し、データ受信の実行中にはアンテナを切り替えない）ことで、通信相手先を識別することなく、安定となる無線通信路を選択することができる。よって前記一連のアンテナ切替動作を受信スロットごとに動作完了することで達成することができる。図３は受信スロット例を示し、プリアンブル、ユニークワード、ＭＡＣ・ＬＰＤＵ・ＣＲＣなどのデータより構成されている。
仮に、スロット受信中にアンテナを切り替えた場合、受信データビットの位相が不安定となり、受信ビットエラーが発生してデータ誤りが生じることが知られており、その受信スロットは受信エラーとなって、受信できないか、もしくは上位層で破棄される。したがって、本発明ではアンテナ切替を受信スロットのプリアンブル中に行い、受信スロットの検出とスロット同期信号となるユニークワードおよびデータ受信中はアンテナを切り替える動作を行わない。また本実施の形態では図１で示しているとおり、送信スロットに対してアンテナを切り替えることはない。

図４でアンテナ１とアンテナ２によるアンテナ切替、選択を実行する本発明の受信ダイバーシチの制御フローを説明する。受信開始信号たとえば受信イネーブル等の信号により制御を開始する。受信開始後、各レジスタあるいはメモリのリセットおよび初期値を設定する。初期値設定後、受信を優先するアンテナ、本実施の形態ではアンテナ１が受信できるようにアンテナを切り替えて選択する。アンテナ選択後、受信信号をある周期信号でサンプリングし、受信信号振幅より受信電力となる数値の尖頭値あるいは平均値を抽出する。その受信電力値をレジスタＡに記憶しながら加算し、この動作をサンプリング回数Ｎまで繰り返し行う。Ｎ回加算した受信電力の平均値Ａ／Ｎを求め、レジスタＣに記憶する。次にアンテナ２に切り替えて、アンテナ１と同様の制御フローを繰り返して行い、Ｎ回加算した受信電力の平均値Ａ／Ｎを求め、レジスタＤに記憶する。アンテナ１とアンテナ２について、それぞれの制御フローをＭ回繰り返して行い、最終的な受信電力となるレジスタＣとレジスタＤの結果を比較して、レジスタＣの値が高ければアンテナ１を選択し、レジスタＤの値が高ければアンテナ２を選択して制御フロー全体を終了し、特にこれらの動作をユニークワードが始まる前までに完了する。
図５は図３と異なる受信ダイバーシチの制御フローである。図４と同様にアンテナ１の受信電力をレジスタＣに記憶しながら加算し、アンテナ２の受信電力をレジスタＤに記憶しながら加算する。この一連の動作をＭ回繰り返して行い、アンテナ１の平均値Ｃ／Ｍとアンテナ２の平均値Ｄ／Ｍを求め、Ｃ／Ｍの値が高い場合はアンテナ１を選択し、Ｄ／Ｍの値が高い場合はアンテナ２を選択して、制御フローを完了する。特にこれらの動作をユニークワードが始まる前までに完了する。

以上の動作は、受信スロットに対するアンテナ切替方式の受信ダイバーシチであるため通信信号の変復調方式が何であるかは問わない。しかし、図５に示すように変復調方式によってスロット長が異なる場合は、制御フロー中のサンプリング回数Ｎあるいはアンテナ切替回数Ｍを変復調方式によって切り替えてもよい。したがって本実施の形態ではＡＳＫの受信イネーブルおよぶＱＰＳＫの受信イネーブルを用いて、制御フロー中のサンプリング回数Ｎあるいはアンテナ切替回数Ｍをそれぞれの変復調方式に対応した定数に変更している。

実施の形態２．
図６は、アンテナ共用器２を用いることなく、アンテナ１を送信専用アンテナとし、アンテナ２を受信専用アンテナとして、アンテナによって送受信のアイソレーションを確保したものである。さらに受信専用のアンテナ２２を設け、アンテナ２とアンテナ２２を用いて、アンテナ切替部４によりアンテナ切替方式による受信ダイバーシチとしている。受信専用のアンテナ２１は複数あってもよく、アンテナ切替部４は受信アンテナの総数に応じた入力部となる。

実施の形態３．
図７は、図６と同様にアンテナ共用器２を用いることなく、アンテナ１を送信専用アンテナとし、アンテナ２を受信専用アンテナとして、アンテナによって送受信のアイソレーションを確保したものである。アンテナ切替部４１は入出力を双方向に対応するものとして、送信時にはアンテナ１に切り替え、受信時はアンテナ２およびアンテナ２２に切り替え、アンテナ切替部４１によりアンテナ切替方式による受信ダイバーシチとしている。受信専用のアンテナ２１は複数あってもよく、アンテナ切替部４は受信アンテナの総数に応じた入力部となる。

実施の形態４．
図８は、アンテナ共用器２を用いることなく、アンテナ１およびアンテナ２は送受信共用アンテナであり、アンテナ１、アンテナ２によって送受信のアイソレーションを確保したものである。復信方式が半二重通信時に用い、アンテナ切替部４と送受切替部９を備えている。送信時は、一義的にアンテナ１またはアンテナ２の一方に固定し、送受切替部９を送信側に切り替える。次に受信時は、送受切替部９を受信側に切り替え、アンテナ１およびアンテナ２を用いて、アンテナ切替部４によりアンテナ切替方式による受信ダイバーシチとして動作する。アンテナ２１は複数あってもよい。また受信ダイバーシチの結果、アンテナ１あるいはアンテナ２の一方に切り替えられ固定される。すなわちアンテナ１あるいはアンテナ２のいずれかの電波伝搬路の安定性が高いことを示しており、次のシーケンスで送信する場合は、受信強度が高い方のアンテナを記憶しておき、そのアンテナから送信する。電波伝搬路のマルチパスフェージングが変動する状態が確率的に均等であるとすれば前述とは異なり、受信強度が低い方のアンテナから送信してもよく、あるいはランダムに送信アンテナを選択してもよい。

実施の形態５．
図９は、図１と同様にアンテナ共用器２を用いる構成であるが、受信アンテナ２および受信アンテナ２１に対して、それぞれ受信部５１および受信部５２を備えている。図１では単一の受信部５により、アンテナ切替制御を行っていたが、各アンテナに対して受信部をそれぞれ備え、その受信部で得た受信電力をもとにアンテナ切替制御を行う。つまり受信部５および受信部５１で得た受信信号は、受信切替部１０に入力され、制御部７で送られる。制御部７では、各受信部の受信電力値を検定し、受信電力値が高い受信部を選択するように受信切替部１０を制御する。この構成によって、例えばアンテナ２がアンテナ１より受信は長に比べて非常に遠方にあった場合においても、受信部５１をアンテナ２近傍に設置することで、アンテナ間距離を長い受信ダイバーシチを構成することができる。さらに受信アンテナ２１は複数あってもよい。

実施の形態６．
図１０は、送受切替部、受信部、送信部が小型化され、ＩＣあるいはモジュールに適した構成である。送受切替部、受信部、送信部を２系統以上複数設置する。アンテナ切替による受信ダイバーシチは、まず送受切替部９、９１を受信側に切り替える。次にアンテナ１、２で得た受信信号を受信部９、９１で復調し、受信切替部１０を経て、制御部７に入力される。ここで受信切替部１０は、制御部７に含まれ、制御部７で受信信号を選択するとしてもよい。制御部７では各受信部の受信信号強度を判定し、受信信号強度が高い受信部すなわちアンテナを選択する。送信時は、受信時に選択されたアンテナから送信するが、送信アンテナを一義的に固定してもよい。また受信信号強度が低い方を選択してもよく、さらに接続されたアンテナおよぶ受信部をランダムに選択してもよい。

この発明の無線通信装置は、高速道路の路車間通信、一般道の路車間通信、トンネルや地下道路での路車間通信に利用でき、例えば鉄道線路と列車との間の通信など他の複数の無線通信システムにも利用することができる。

実施の形態１の無線通信装置のブロック図である。図１の受信ダイバーシチ制御を構成するブロック図である。図２で用いる受信スロットの構成の一例を示す代表図である。図２の受信ダイバーシチ制御の動作フローを示すフロー図である。図２の受信ダイバーシチ制御の他の動作フローを示すフロー図である。実施の形態２の無線通信装置のブロック図である。実施の形態３の無線通信装置のブロック図である。実施の形態４の無線通信装置のブロック図である。実施の形態５の無線通信装置のブロック図である。実施の形態６の無線通信装置のブロック図である。

符号の説明

１第１アンテナ、２第２アンテナ、３アンテナ共用器、
４アンテナ切替部、５受信部、６送信部、
７制御部、８インターフェース、
２１第Ｎアンテナ、２２受信専用アンテナ。

Claims

道路を走行する車両と路側との間で、パケット単位で無線信号を送受するための無線通信装置であって、
複数の受信アンテナ、
前記複数の受信アンテナから１つのアンテナを選択するアンテナ切替部、
前記アンテナ切替部が選択したアンテナの受信信号を互いに比較して、最も信号強度の強いアンテナを決定し、前記パケット単位の受信の開始時点ごとに、前記アンテナ切替部に指示する制御部、
前記制御部の前記指示にもとづき、前記アンテナ切替部は前記パケット単位の受信開始時点ごとに、次のパケット単位を受信するアンテナを選択切替することにより、パケット単位の受信途中での切替を行わないことを特徴とする無線通信装置。
前記制御部は前記信号強度として前記アンテナの受信電力の尖頭値もしくは平均値を用いることを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
アンテナ切替部は、無線伝送速度と同等以上の切替え速度を有することを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
請求項１に記載の前記パケット単位の受信の開始時点は、スロット内のクロック同期信号の開始からスロット同期信号開始までの間とすることを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
前記制御部で選択したアンテナの識別情報を出力するインターフェース部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
前記制御部で得られた受信信号強度情報を出力するインターフェース部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
前記受信スロットのクロック同期信号の受信期間中に前記複数のアンテナを切り替えて、各アンテナごとに複数回の受信を行い、この複数回の各受信信号強度の平均を演算し、もって各アンテナごとの前記受信信号強度とすることを特徴とする請求項４に記載の無線通信装置。
複数の変復調方式を備え、前記アンテナごとの複数回の受信の回数を、現時点で使用している変復調方式に基づいてあらかじめ定めた回数とすることを特徴とする請求項７に記載の無線通信装置。
請求項１に記載のパケット単位の送信装置、
前記受信信号強度が最も高いと判定したアンテナを記憶する記憶手段を備え、
次の送信スロットの送信時には、前記記憶したアンテナから送信することを特徴とした請求項１に記載の無線通信装置。
請求項１に記載のパケット単位の送信装置と、
前記受信信号強度が最も低いと判定したアンテナを記憶する記憶手段とを備え、
次の送信スロットの送信時には、前記記憶したアンテナから送信することを特徴とした請求項１に記載の無線通信装置。
請求項１に記載のパケット単位の送信装置を備え、
次の送信期間までに接続されたアンテナをランダムに選択して送信スロットを送信することを特徴とした請求項７に記載の無線通信装置。
前記受信信号強度の最も強いアンテナの受信信号強度が、あらかじめ定めた所定のレベル以下であるとき、あらかじめ定めた特定のアンテナを選択することを特徴とした請求項１に記載の無線通信装置。
前記アンテナは１つの送信専用アンテナと複数の受信専用アンテナとで構成され、たことを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
前記アンテナは複数の送信専用アンテナと複数の受信専用アンテナとで構成されたことを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
前記アンテナは複数の送受信兼用アンテナで構成され、
送信時はあらかじめ定めた１つの前記送受信兼用アンテナを選択し、受信時は前記複数の送受信アンテナの中から選択することを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
送受切替え装置を備え、送信と受信とを異なる時間に実施することを特徴とする請求項１５に記載の無線通信装置。
前記一つの送信専用アンテナに接続された一つの送信部、
前記複数の受信専用アンテナのそれぞれに一つずつ接続された同数の受信部とを備えたことを特徴とする請求項１３に記載の無線通信装置。
前記複数の送信専用アンテナのそれぞれに一つずつ接続された同数の送信部、
前記複数の受信専用アンテナのそれぞれに一つずつ接続された同数の受信部とを備えたことを特徴とする請求項１４に記載の無線通信装置。
送信は前記複数の送信部のそれぞれが接続された前記複数の送信専用アンテナのうち、あらかじめ選択した一つを用いるように構成したことを特徴とする請求項１８に記載の無線通信装置。
前記無線通信装置は前記道路の路側に設置されていることを特徴とする請求項１〜１９のいずれか一項に記載の無線通信装置。
前記無線通信装置は前記道路を走行する車両に搭載されていることを特徴とする請求項１〜１９のいずれか一項に記載の無線通信装置。