JP2007306087A

JP2007306087A - 無線通信システム

Info

Publication number: JP2007306087A
Application number: JP2006129956A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Hasegawa; 敏長谷川
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2006-05-09
Filing date: 2006-05-09
Publication date: 2007-11-22

Abstract

【課題】調整のための労力を要することなく、低コストで良好な通信性能を獲得できる無線通信システムを提供する。
【解決手段】アンテナ選択手段２は、電波伝播特性の異なる複数のアンテナ１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄの中から、通信相手となる通信機に対応付けられたアンテナを選択する。通信手段３は、アンテナ選択手段２で選択された当該アンテナを用いて通信相手である当該通信機と無線通信を行う。テーブル格納手段４は、通信相手となる通信機と選択すべきアンテナとを対応付けたアンテナ設定テーブルを格納する。試行手段５は、アンテナを切り替えつつ、通信機間での無線通信を試行させる。診断手段６は、試行手段５により試行される無線通信における通信状態を使用されるアンテナと対応付けて診断する。
【選択図】図１

Description

本発明は、互いに無線通信可能な複数の通信機を備える無線通信システムに関し、とくに高い通信感度やＳ／Ｎ比を獲得できる無線通信システムに関する。

プラントや工場の現場などで無線センサーネットワークを構築する場合がある。例えば、プラントに配置されたフィールド機器で捉えた温度、振動等の情報を無線通信によりやり取りすることで、フィールド機器の機器診断や環境診断等を行うことができる。

アンテナ選択を制御局での信号品質測定により自律的に行うことが可能であるアンテナ選択方法を示したものとして、例えば特許文献１に記載されたものがあった。

特開平７−１３５６７５号公報

しかし、プラントや工場の現場などは、一般に電波の反射やノイズにより無線通信環境が悪い場合が多い。このため、良好な通信状態を確保することが困難で、作業面や設備面でコストの増大を招くという問題がある。

図６（ａ）に示すように、無線基地局２１の周囲に放射状に配備される複数の無線ノード３１Ａ，３１Ｂ・・・と通信する場合、無指向性アンテナ２１ａを採用する場合が多い。しかし、無指向性アンテナは放射状に電波を送受信する特性をもっているため、とくにプラントや工場の現場などでは、通信相手との間を複数の経路を経由して反射された電波が伝播するマルチパスの状態となりやすく、良好な無線通信環境を得ることが難しい。例えば、図６（ａ）において、無線ノード３１Ｃには、複数の方向から電波が到来し、正常な通信が困難となる。

また、無指向性アンテナでは、特定の通信相手との良好な通信を実現するよりも、あらゆる方向から到来する電波に対し、一定の感度、利得を得るように設計されているため、指向性のあるアンテナに比べ、利得が低い特徴がある。さらに、無線ノードがバッテリ動作をする場合、バッテリ寿命を延ばすために消費電力を抑制すると、空中線電力が小さくなり通信可能距離が短くなる。例えば、図６（ａ）において、無線基地局２１に近い無線ノード３１Ａは、無線基地局２１との間で通信可能であるが、無線基地局２１から離れた無線ノード３１Ｂは、無線基地局２１との間で通信できない。このため、プラントや工場の現場における無線センサーネットワークの通信品質を良好にするためには、無線基地局と無線ノードの通信距離を短くする必要があり、無線基地局のサービスエリアが狭くならざるを得ない。したがって、広範囲で無線ネットワークを構築するためには、多数の無線基地局を配備する必要があり、無線インフラのコスト上昇を招く。また、周囲の構造物での電波の反射（マルチパス）による打ち消し合いで受信信号強度が減衰することから、基地局と無線ノードとの物理的な設置位置を最適に調整するには、多大な労力と時間を要する。

一方、図６（ｂ）に示すように、無線基地局２２に有指向性アンテナ２２ａを用いることで、通信距離を拡大し、マルチパスの影響を回避することも考えられる。しかし、有指向性アンテナは、特定方向についての送信・受信利得は高いが、アンテナが対向していない方向についてはアンテナ利得が低くなる。このため、無線センサーネットワークの無線基地局の周囲に放射状に配置される無線ノードとのアドホック通信には不適である。例えば、図６（ｂ）において、無線基地局２２は、有指向性アンテナ２２ａが対向する無線ノード３２Ａとの間では通信できても、無線基地局２２により近い無線ノード３２Ｂとの間では、有指向性アンテナ２２ａが対向しないため、通信不能となってしまう。

本発明の目的は、調整のための労力を要することなく、低コストで良好な通信性能を獲得できる無線通信システムを提供することにある。

本発明の無線通信システムは、互いに無線通信可能な複数の通信機を備える無線通信システムにおいて、前記各通信機は、電波伝播特性の異なる複数のアンテナと、前記複数のアンテナの中から、通信相手となる通信機に対応付けられたアンテナを選択するアンテナ選択手段と、前記アンテナ選択手段で選択された当該アンテナを用いて通信相手である当該通信機と無線通信を行う通信手段と、を具備することを特徴とする。
この無線通信システムによれば、電波伝播特性の異なる複数のアンテナの中から、通信相手となる通信機に対応付けられたアンテナを選択するので、通信相手に応じて適切なアンテナを使用することで、常に良好な通信性能を獲得できる。

通信相手となる通信機と、選択すべきアンテナとを対応付けたテーブルを格納するテーブル格納手段を備え、前記アンテナ選択手段は、前記テーブル格納手段に格納された前記テーブルに基づいてアンテナを選択してもよい。

前記アンテナを切り替えつつ、前記通信機間での無線通信を試行させる試行手段と、前記試行手段により試行される無線通信における通信状態を使用されるアンテナと対応付けて診断する診断手段と、前記診断手段による診断結果に基づいて、前記テーブル格納手段に格納されるテーブルを作成するテーブル作成手段と、を備えてもよい。

前記診断手段は、受信信号の電界強度値または信号対雑音比値に基づいて通信状態を診断してもよい。

前記試行手段、前記診断手段および前記テーブル作成手段を適時、機能させることで前記テーブルを更新する更新手段を備えてもよい。

本発明の無線通信システムによれば、電波伝播特性の異なる複数のアンテナの中から、通信相手となる通信機に対応付けられたアンテナを選択するので、通信相手に応じて適切なアンテナを使用することで、常に良好な通信性能を獲得できる。

以下、図１〜図５を参照して、本発明による無線通信システムの一実施形態について説明する。

図１は本実施形態の無線通信システムで使用される通信機の構成を示すブロック図である。

図１に示すように、無線通信システムで使用される各通信機は、電波伝播特性の異なる複数のアンテナ１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄと、これらの複数のアンテナ１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄの中から、通信相手となる通信機に対応付けられたアンテナを選択するアンテナ選択手段２と、アンテナ選択手段２で選択された当該アンテナを用いて通信相手である当該通信機と無線通信を行う通信手段３と、通信相手となる通信機と選択すべきアンテナとを対応付けたテーブルを格納するテーブル格納手段４と、アンテナを切り替えつつ、通信機間での無線通信を試行させる試行手段５と、試行手段５により試行される無線通信における通信状態を使用されるアンテナと対応付けて診断する診断手段６と、診断手段６による診断結果に基づいて、テーブル格納手段４に格納されるアンテナ設定テーブルを作成するテーブル作成手段７と、を備える。

図２はテーブル格納手段４に格納されるアンテナ設定テーブルの構成を示す図である。

図２に示すように、アンテナ設定テーブルは、通信の相手方となる通信機を特定する相手方通信機ＩＤと、アンテナとを対応付けている。例えば、図２の例では、相手方通信機ＩＤが「００１」である通信機との通信には「ａ」として示されるアンテナ１Ａを、相手方通信機ＩＤが「００２」である通信機との通信には「ｂ」として示されるアンテナ１Ｂを、相手方通信機ＩＤが「００３」である通信機との通信には「ａ」として示されるアンテナ１Ａを、それぞれ使用すべきアンテナとして規定している。

個々の通信機との通信に際して、アンテナ選択手段２は、スイッチ８を切り替えることで、テーブル格納手段４に格納された上記アンテナ設定テーブルに従ってアンテナを選択する。例えば、アンテナ選択手段２は、相手方通信機ＩＤが「００１」である通信機との通信には「ａ」として示されるアンテナ１Ａを、相手方通信機ＩＤが「００２」である通信機との通信には「ｂ」として示されるアンテナ１Ｂを、相手方通信機ＩＤが「００３」である通信機との通信には「ａ」として示されるアンテナ１Ａを、それぞれ選択する。

図３は、アンテナ設定テーブルを作成する手順を示すフローチャートである。

図３のステップＳ１では、試行手段５により、通信の相手方となる通信機を１つ選択する。次に、ステップＳ２では、試行手段５の指令に従って、アンテナを１つ選択する。アンテナ選択手段２は、試行手段５の指令に従ってスイッチ８を切り替えることで、選択されているアンテナを接続状態とする。

次に、ステップＳ３では、試行手段５の指令に従って、通信手段３は、ステップＳ２で選択されているアンテナを用いて、ステップＳ１で選択されている通信機との間で通信を試行し、診断手段６により通信状態の診断を実行する。次に、ステップＳ４では、診断手段６による診断結果（ステップＳ３）を保存する。

次に、ステップＳ５では、選択されている通信機との通信に関して、すべてのアンテナについて通信の試行を実行したか否か判断し、判断が肯定されればステップＳ６へ進み、判断が否定されればステップＳ２へ戻る。

ステップＳ６では、通信相手となるすべての通信機について、通信の試行を実行したか否か判断し、判断が肯定されればステップＳ７へ進み、判断が否定されればステップＳ１へ戻る。

上記ステップＳ３における診断のアルゴリズムは適宜選択できる。例えば、以下の手順により診断を実行できる。

（１）通信手段３は、相手方となる通信機に対して診断フレームを送信する。

（２）診断フレームを受信した相手方通信機では、受信された診断フレームの信号品質を評価し、この評価結果を含んだ応答フレームを返信する。

（３）相手方受信機から送信された応答フレームを通信手段３が受信すると、診断手段６は受信された応答フレームの信号品質を評価する。

（４）診断手段６は、相手方受信機で受信された診断フレームの信号品質についての相手方受信機における評価結果と、上記（３）の応答フレームの信号品質についての評価結果とに基づいて、当該相手方通信機との通信について、選択されているアンテナのスコアを算出する。

図４は、上記（４）で算出されるスコアの例を示している。例えば、相手方通信機ＩＤ「００１」である通信機について、アンテナ「ａ」のスコアは「５」であり、アンテナ「ｂ」のスコアは「３」であり、アンテナ「ｃ」のスコアは「０」であり、アンテナ「ｄ」のスコアは「０」である。

診断フレームの信号品質あるいは応答フレームの信号品質は、例えば、受信された信号の電界強度値または信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）値に基づいて評価することができる。また、電界強度値および信号対雑音比値の両者を用いて評価することもできる。上記スコアは、これらの値に基づく所定の演算に基づいて算出することができる。

このような診断を行った場合、上記ステップＳ４では、スコアを順次保存する。ステップＳ３〜ステップＳ４の処理をすべての相手方通信機およびすべてのアンテナについて実行することで、診断結果として図４に示すスコアテーブルが作成、保存（ステップＳ４）される。

次に、ステップＳ７では、テーブル作成手段７により、ステップＳ４で保存された診断結果に基づきアンテナ設定テーブルを作成し、さらにアンテナ設定テーブルをテーブル格納手段４に格納して、処理を終了する。

ここでは、各相手方通信機との通信に最適なアンテナが選択され、アンテナ設定テーブルに反映される。例えば、ステップＳ３における診断の診断結果として図４に示すスコアテーブルが作成された場合、各相手方通信機について最も高いスコアを獲得したアンテナが、当該相手方通信機に対応付けられる。例えば、図４に示すように、相手方通信機ＩＤ「００１」に対してはアンテナ「ａ」が、相手方通信機ＩＤ「００２」に対してはアンテナ「ｂ」が、相手方通信機ＩＤ「００３」に対してはアンテナ「ａ」が、それぞれ最も高いスコアを獲得している。したがって、アンテナ設定テーブルでは、相手方通信機ＩＤ「００１」に対してはアンテナ「ａ」が、相手方通信機ＩＤ「００２」に対してはアンテナ「ｂ」が、相手方通信機ＩＤ「００３」に対してはアンテナ「ａ」が、それぞれ対応付けられる（図２）。

本実施形態の無線通信システムによれば、適時、図３に示す手順を実行することにより、状況変化に応じてアンテナ設定テーブルを更新することができる。これにより、例えば、使用する通信機の増設、撤去、あるいは通信機の取り付け位置の変更等に伴う状況の変化に適切に対応できる。また、通信機としてモバイル無線端末を用いる場合には、端末の移動により通信状態が変化するが、アンテナ設定テーブルの更新により常に良好な通信状態を維持できる。本実施形態の無線通信システムによれば、手作業によるアンテナの初期調整や再調整が不要となる。

上記実施形態におけるアンテナ設定テーブル作成のための手順（図３）において、アンテナの選択とともに、個々の通信に必要な送信電力を評価し、評価結果を記憶してもよい。通常の通信時には、この評価結果に基づいて必要な受信強度が得られる最適な送信出力を選択することで、通信機の消費電力を抑制できる。

また、アンテナ設定テーブル作成のための手順（図３）を、アンテナの選択以外の目的に利用してもよい。例えば、複数種類のアンテナを順次切り替えて得られる信号の受信強度に基づいて、通信相手の通信機の位置を推定することもできる。

図５は、上記実施形態の無線通信システムにおける通信ネットワークの形態を例示する図である。

図５（ａ）の例では、互いに通信可能な無線基地局２０と、近接した無線基地局２０との間で通信可能な通信ノード３０と、を組み合わせた通信ネットワークを示している。このような通信ネットワークを構成する無線基地局２０および通信ノード３０を、上記実施形態の通信システムにおける通信機を用いて構成することができる。

また、図５（ｂ）の例では、通信ノード３０が互いに通信することで、網目状の通信ネットワークを構成している。この場合にも、各通信ノード３０を、上記実施形態の通信システムにおける通信機により構成することができる。なお、図５（ａ）および図５（ｂ）において、通信経路が直線４０として示されている。

このように、本発明の無線通信システムは、通信ネットワークの形態によって限定されることなく、多様な通信システムに適用される。

本発明の無線通信システムにかかる通信機において、電波伝播特性の異なる複数のアンテナとして、有指向性を有するアンテナと、無指向性のアンテナとを設けてもよい。指向性の方向や指向性の強度が異なる複数の有指向性アンテナを設けてもよい。さらに、無指向性アンテナあるいは有指向性アンテナを組み合わせて用い、その組み合わせ方法を切り替えることで、実質的に電波伝播特性の異なる複数のアンテナを構成することもできる。例えば、複数のアンテナを同時使用することで、より指向性の高いアンテナを構成することも可能である。

本発明の無線通信システムは、インタラクティブな通信が可能な通信機を用いる場合にとくに有用であるが、システム内に送信専用機あるいは受信専用機が用いられる場合にも適用可能である。

本発明の無線通信システムによれば、プラントや工場など、電波を反射させる構造物が多数設置された環境化でも良好な通信性能を容易かつ安価に提供できる。また、受信状況が最も良好なアンテナが選択されるため、空中線電力の小さな通信機を用いても通信距離を延長することが可能となる。消費電力を抑制できるため、バッテリを用いて動作する通信機を用いる場合にも適している。

また、本発明の無線通信システムによれば、通信相手に応じて利得や指向性の高いアンテナを選択することにより、周囲の外来ノイズや目的外の通信装置からの電波受信感度を低下させることができるので、信号対雑音比の高い通信が可能となる。

さらに、本発明の無線通信システムは、通信機の消費電力を抑制できるため、一般的に低消費電力型の通信機を用いる防爆構造の無線装置を用いる場合にも適している。アンテナの部分は電波透過性の耐圧防爆容器に収納すればよい。防爆構造の無線装置を用いて、プラントや工場などの危険場所で利用できる無線センサーネットワークを構築することもできる。このようなネットワークにより、工場の設備監視、環境監視、機器制御などを行うことにより、生産稼働率の向上や安全操業の確保が可能となる。

以上説明したように、本発明の無線通信システムによれば、電波伝播特性の異なる複数のアンテナの中から、通信相手となる通信機に対応付けられたアンテナを選択するので、通信相手に応じて適切なアンテナを使用することで、常に良好な通信性能を獲得できる。

本発明の適用範囲は上記実施形態に限定されることはない。本発明は、互いに無線通信可能な複数の通信機を備える無線通信システムに対し、広く適用することができる。

本実施形態の無線通信システムで使用される通信機の構成を示すブロック図。アンテナ設定テーブルの構成を示す図。アンテナ設定テーブルを作成する手順を示すフローチャート。各アンテナについてのスコアの算出方法を例示する図。通信ネットワークの形態を例示する図。従来の無線通信システムの構成を示す図であり、（ａ）は無指向性アンテナを使用したシステムの構成を示すブロック図、（ｂ）は有指向性アンテナを使用したシステムの構成を示すブロック図。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄアンテナ
２アンテナ選択手段
３通信手段
４テーブル格納手段
５試行手段
６診断手段
７テーブル作成手段

Claims

互いに無線通信可能な複数の通信機を備える無線通信システムにおいて、
前記各通信機は、
電波伝播特性の異なる複数のアンテナと、
前記複数のアンテナの中から、通信相手となる通信機に対応付けられたアンテナを選択するアンテナ選択手段と、
前記アンテナ選択手段で選択された当該アンテナを用いて通信相手である当該通信機と無線通信を行う通信手段と、
を具備することを特徴とする無線通信システム。
通信相手となる通信機と、選択すべきアンテナとを対応付けたテーブルを格納するテーブル格納手段を備え、
前記アンテナ選択手段は、前記テーブル格納手段に格納された前記テーブルに基づいてアンテナを選択することを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
前記アンテナを切り替えつつ、前記通信機間での無線通信を試行させる試行手段と、
前記試行手段により試行される無線通信における通信状態を使用されるアンテナと対応付けて診断する診断手段と、
前記診断手段による診断結果に基づいて、前記テーブル格納手段に格納されるテーブルを作成するテーブル作成手段と、
を備えることを特徴とする請求項２に記載の無線通信システム。
前記診断手段は、受信信号の電界強度値または信号対雑音比値に基づいて通信状態を診断することを特徴とする請求項３に記載の無線通信システム。
前記試行手段、前記診断手段および前記テーブル作成手段を適時、機能させることで前記テーブルを更新する更新手段を備えることを特徴とする請求項３または４に記載の無線通信システム。