JP2007324635A - 列車無線システム - Google Patents

Abstract

【課題】 標準のモバイルＩＰ技術を使用したＩＰハンドオーバでは、基地局ゾーン間移動時の通信断の時間が無視できない程度であるため、大量のユーザが高速で同時に移動する新幹線などの環境では、ハンドオーバ時に通信断によるデータの再送や遅延が発生し、ユーザに不快感を与えるという課題があった。
【解決手段】 基地局１には無線アダプタ機能を搭載した統合型ＦＡ５を、また車上局９には無線アダプタ機能を搭載した統合型ＭＲ１１を設ける。ＦＡ５及びＭＲ１１は、ともに無線レイヤとＩＰレイヤを一元管理することによって、基地局ゾーン間移動時のＩＰハンドオーバ手順（処理に要する通信回数）が簡略化される。これによりハンドオーバ時間を短縮する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、列車無線システムの基地局間移動（ＩＰハンドオーバ）技術の改良に関するものである。

列車無線機など、無線機が移動体に搭載されて移動する電話システムの場合、各地に点在してあらかじめ配置されている基地局(アクセスポイント)と、移動に伴い次々に接続して通信を継続する。端末が移動せず一ヶ所に留まっている場合は，特定のアクセスポイントと接続しておればよいが，1つのアクセスポイントでカバーできる範囲は距離的に限られているため，端末が移動するにつれ、通信の継続中に別のアクセスポイントへの接続の切り替えが必要になる。このアクセスポイントの切り換え動作をハンドオーバと呼ぶ。
ハンドオーバの方法には、切替前と切替後のリンクの接続状態からmakeafter break方式とmake before break方式の２通りがあるが、本発明はmake after break方式のものに関する。
従来の列車無線システムは、例えば特許文献１にその構成が開示され、ハンドオーバするときの動作が説明されている。また、特許文献２には列車無線システムに限らず、携帯電話などのハンドオーバについて説明されている。
本願発明のものの動作の理解を助けるため、特許文献２に開示された従来の無線機のハンドオーバ動作について説明する。

複数の基地局は通信回線（一般的には有線）にホームエージェント（ＨＡという）を介して接続されている。１つの基地局の無線機はホームエージェントに接続され通信データ（一般には複数の通信）を授受するフォーリンエイジェント（以下ＦＡという）と、ＦＡに接続されて通信データの授受、その他の制御を行う無線アダプタと、この無線アダプタとの間で信号を授受するとともに列車に搭載された無線機（車上局）との間で通信を行う無線機（例えば漏洩同軸ケーブル無線機、以下ＬＣＸ無線機という）とを含んでいる。
即ち、基地局＝ＦＡ＋無線アダプタ＋ＬＣＸ無線機の構成である。
一方、車上局は、列車上に設置された１つ以上の電話端末装置との間で通信データを授受するモバイルルータ（以下ＭＲという）と、ＭＲに接続されて信号授受その他制御を行う無線アダプタと、無線アダプタとの間で信号を授受して、基地局との間で無線通信を行う無線機とを含んでいる。
即ち、車上局＝ＭＲ＋無線アダプタ＋無線機である。
基地局の無線機から送信されている電波には、各基地局ごとに異なっていて基地局を識別するための情報であるカラーコードが含まれている。ある基地局がカバーする通信可能ゾーンから、他の基地局がカバーする通信可能ゾーンへと列車（端末無線機、以下車上局という）が移動すると、車上局は、受信したカラーコードの変化により通信可能ゾーンが変化したこと（以下、基地局間移動という）を検出する。そして、以下の手順でハンドオーバが実行される。

従来のハンドオーバの手順（車上局から基地局へのデータ送信を例として説明）は。
１） 基地局から受信している信号に含まれるカラーコードに変化があったことを車上局の無線機で検出し、基地局間移動を検知する。
２） 基地局間移動を検出した車上局の無線機はＭＲに切替通知を行う。ＭＲは送信していたデータの送信を停止して、データをバッファに蓄積する。無線アダプタは基地局の無線アダプタにスロット要求を行うとともに基地局のＦＡにルータ広告を促す。
３） 基地局のＦＡは車上局のＭＲにルータ広告を行う。
４） ルータ広告を受信した車上局のＭＲは位置登録情報を基地局のＦＡに送信する。
５） 基地局のＦＡは位置登録が完了したら、車上局のＭＲに応答する。
６） 車上局のＭＲはバッファに蓄積したデータのトラヒック量を基地局側のＦＡに通知する。
７） 基地局のＦＡはトラヒック量に応じた帯域を指定してスロット割当を行う。そして車上局のＭＲは蓄積していたデータを新しい基地局に対して送信を開始し、ようやく新たな基地局と車上局間での通信が再開される。
以上の１）〜７）の切替シーケンスは０．５〜２秒程度の時間で行われる。この時間は短時間であるとはいうものの、その間のデータはバッファに蓄積されて途切れるのであるから、しばしば途切れると通話者に不快な感を与えるなどの課題があった。

また、次の課題もある。即ち、基地局側から車上局へのデータ送信も上記の１）〜６）までは同じ手順（無論、ＦＡとＭＲが入れ替わる）で実行されるのだが、７）において新しい基地局には、当然、データの蓄積がない。（送信されなかったデータはそれまで通信していた切替前の基地局のバッファに蓄積されている）。したがって新しい基地局との通信開始時点で、新しく通信する基地局は、送信するべきデータをホームエージェント（ＨＡ）を介して新たに取り込まなければならない。そのため時間的ロスが生じるという課題があった。
特開２０００―１６５３１２ 特開２００３―１７９６１６

従来の列車無線システムでは、列車の移動により車上局が基地局間移動する際に、もとの基地局ゾーンでの通信状態から、新しい基地局ゾーンでの無線帯域の割当完了までに、切替のための制御信号の送受が、上記に説明したように、少なくとも６回は行われなければならない。そして、その間は通信の本来の内容を送信することはできないわけだから、見かけ上、通信断の状態が長時間継続していることになる。これは、例えば列車が新幹線のごとく、多数のユーザが高速で同時に移動する（即ちデータ量が多い）ような場合、ゾーン間移動時の通信断により、遅延したデータを再送するための回線輻輳やパケット遅延はユーザに不快な感じを与えるだけでなく、時には電話が繋がりにくい場合が生じるなどの課題があった。
また、切替後の新しい基地局は送信データをハンドオーバ完了後に通信回線から取り込まなければならず、時間的ロスが生じるという課題があった。

この発明はＩＰハンドオーバ時の通信断時間を短縮し、ユーザに与える不快感を解消するためになされたもので、列車の車上局と基地局とのＩＰハンドオーバをより短時間で行うことが可能な列車無線システムを提供することを目的とする。
また、ハンドオーバ完了後の基地局から車上局へのデータ送信をより短時間で行うことのできる列車無線システムを提供することを目的とする。

この発明に係る列車無線システムは、鉄道線路を走行する列車に搭載された車上局と、前記鉄道線路に沿って配置された複数の基地局のいずれか一つとの間でＩＰアドレスを用いて通信する列車無線システムであって、
通信回線に接続され、ＩＰアドレスを用いて通信するサーバ、このサーバに接続された第１のルータ、
前記第１のルータに接続されるとともに、それぞれが通信データの授受の制御を行う無線アダプタ機能を含んだ統合型の第２のルータと、この統合型第２のルータに接続されるとともに前記鉄道線路に沿って設置された漏洩同軸ケーブルに接続された漏洩同軸ケーブル無線機とを有する複数の基地局、
前記複数の基地局間を移動する前記列車に搭載され、前記漏洩同軸ケーブル無線機と通信する無線機と、この無線機に接続されて通信データの授受、その他の制御を行う無線アダプタ機能を含んだ統合型モバイルルータとを有し、前記複数の基地局のおのおのが有する基地局ゾーン間をハンドオーバにより切替移動する車上局とを備え、
前記統合型第２のルータと前記統合型モバイルルータは、ともに、前記ハンドオーバ時の無線レイヤのスロット割当およびＩＰレイヤの位置登録を同時に１つのパケット内で行うものである。

この発明の列車無線システムは、ハンドオーバ時の通信断時間を短縮したので、ユーザに与える不快感を解消することができる。
また、ハンドオーバ完了後に、ハンドオーバ中に送信が遅れたデータの基地局から車上局へのデータ送信を、より短時間で行うことができる。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１の列車無線システムを図１について説明する。図１では、図示しない一般電話回線（ここでいう一般とは広い意味であり、電話専用回線だけでなくインターネット回線なども含む）と接続されたサーバ８、及びサーバ８に接続されたホームエージェント（以下ＨＡという）７が設けられている。ＨＡ７には基地局１および基地局４を含む複数の基地局（図では１と４の２つのみ記載）が接続されており、移動している車上局９と通信を行っているという設定で説明する。白抜き矢印は車上局９の移動を表している。

フォーリンエージェント（ＦＡ）７は本発明では第１のルータとも呼ぶ。ホームエージェント（ＨＡ）とは、複数の基地局間を移動するモバイルＩＰ（本発明では車上局）に対して用いられ、ネットワークとネットワークとを結び付けることにより、不特定のネットワークに接続されたモバイルＩＰとのパケットの転送を制御するルータであって、モバイルＩＰの元のアドレスに対して送信されてきたパケットを現在のモバイルＩＰの移動先のアドレスに転送するものである。

基地局１は統合型フォーリンエイジェント（以下統合型ＦＡという）２と漏洩同軸ケーブル無線機（以下ＬＣＸ無線機という）３を含む構成である。統合型ＦＡ２は、通信データの授受の制御を行う無線アダプタ機能を持ち、無線レイヤとＩＰレイヤを一元管理する機能を持つ。
基地局４および他の図示していない複数の基地局も同様の構成であるので詳細な説明は省略する。
統合型ＦＡ２の持つ具体的な機能は、ルーティング機能、トラヒック制御、位置管理、スロット割当管理、無線状態監視である。

統合型フォーリンエージェント（ＦＡ）２、５はこの発明では統合型第２のルータとも呼ぶ。フォーリンエージェント（ＦＡ）とは、複数の基地局間を移動するモバイルＩＰ（本発明では車上局）に対して用いられ、ネットワークとネットワークとを結び付けることにより、不特定のネットワークに接続されたモバイルＩＰとのパケットの転送を制御するルータであって、モバイルＩＰの元のアドレスに対して送信されてきたパケットを現在のモバイルＩＰの移動先のアドレスに転送するものである。装置の機能としては前述のホームエージェントとほぼ同じであるが、用いられているネットワークの位置付けによってフォーリンエージェント（ＦＡ）と呼ばれる。

車上局９は統合型モバイルルータ（以下統合型ＭＲという）１１と、無線機１０（ＬＣＸ無線機３との間で送受信可能な機能を有する無線機）を含む構成を持ち、統合型ＭＲ１１は、通信データの授受の制御を行う無線アダプタ機能を持ち無線レイヤとＩＰレイヤを一元管理する機能を持つ。

統合型ＭＲ１１の持つ具体的な機能は、ルーティング機能、トラヒック制御、位置管理、スロット割当管理、無線状態監視である。

図１の車上局９と基地局４との間で行われていた通信が、車上局９と基地局１との間の通信に切り替えられる場合のハンドオーバ動作の手順について図２のタイムチャートと図３のフローチャートにより説明する。図２において縦軸は上から下方向へ時間の経過を示すとともに、各縦軸は関連する各ユニットを示している。
即ち、補助線２００は基地局４との通信を、補助線２０１は統合型ＦＡ２の状態を、補助線２０２はＬＣＸ無線機３の状態を、補助線２０３は無線機１０の状態を、補助線２０４は統合型ＭＲの状態を示している。

本発明の列車無線システムにおけるハンドオーバの手順。
１１） 基地局１のＬＣＸ無線機３と、基地局４のＬＣＸ無線機６とからは異なるカラーコードが送信され、車上局９の無線機１０は最初は基地局４のカラーコードを受信している。（図２の符号１００、図３のステップＳ０１）
１２） 車上局９が移動して基地局のゾーン間を越えた（ゾーンシフトという）とき、統合型ＭＲ１１は、受信しているカラーコードが基地局４のものから基地局１のものへと変化したことを検知する。（図２の符号１０１、図３のステップＳ０２）。
１３） これにより車上局９が２つの基地局の通信ゾーンの間を移動したことを検出する。（図３のステップＳ０３）
１４） 統合型ＭＲ１１はそれまで送信していたデータの送信を停止して、データを図示しないバッファに蓄積し始める（図２の符号１０２、図３のステップＳ０４）。
１５） ＭＲ１１は、基地局１の統合型ＦＡ２に対し、位置登録と無線区間のスロット要求、およびトラヒック通知を同時に実施する（図２の符号１０３、図３のステップＳ０５）。同時にと言う意味は１回のデータ通信の中でこれら全てを通信すると言う意味である。

１６） 統合型ＦＡ２は位置登録を行い、トラヒック量に応じたスロット割当を実施し（符号１０４）、統合型ＭＲ１１に位置登録完了の応答を行う（図２の符号１０５、図３のステップＳ０６）。この応答なども１回の通信で実施する。
１７） 車上局９の統合型ＭＲ１１はバッファに蓄積されたデータの送信を開始する（図２の符号１０６、図３のステップＳ０７）。即ち、切替後の基地局との間で、ゾーン切替後の通信を開始する。

上記手順１１）〜１７）では、統合型ＭＲ１１を用いているので、スロット要求、位置登録、トラヒック通知が１回の通信で実行でき、制御信号の送受は２回（片道３回）になり、従来に比して簡略化されるため、新ゾーンでのＩＰハンドオーバ完了までの時間が短縮される。即ち、時間的に約半分となる。

実施の形態２．
実施の形態１で説明した列車無線システムにより、ハンドオーバの時間は短縮される。さて、実施の形態１では、車上局９側から、基地局側へとデータが送信される例について説明した。実施の形態１の例では、車上局９がハンドオーバ中に蓄積したデータを、ハンドオーバ完了後に送信するのに特別な不都合はない。しかし、基地局側から車上局側へデータを送信する場合は、背景技術の欄で説明したように、新しい基地局にはデータの蓄積がないから、ハンドオーバ完了後に改めてＨＡ７からデータを取り込まなければならないという課題がある。これによりパケット送信に遅延が生じる。これを以後の説明の都合上パケット遅延という。

図４に実施の形態２によるハンドオーバ後のパケット遅延を削減する動作について説明する。図４の縦軸は時間の経過を示し、各縦軸は関連する各ユニットを示している。また、＃１，＃２，＃３，＃４はいずれもＨＡ７から車上局９へ送信するべきパケットの番号を示している。
補助線４０１はＨＡ７の状態を、補助線４０２は基地局１の状態を、補助線４０３は基地局４の状態を、補助線４０４は車上局９の状態を示している。また、理解を助けるため図５に図４の流れをフローチャート化して示した。

実施の形態１と同様に、車上局９が基地局４のゾーンから基地局１のゾーンへと進入する場合について説明する。そもそも列車無線システムでは基地局が線路に沿って配置されている。又、列車の現在位置（正確な位置ではなく現在どの基地局エリアにいるかという程度の位置情報）は、前述の通り、車上局が受信している基地局のカラーコードから判定でき、この情報を基地局側へ戻すことでＨＡ７が把握することができる。そして、進行方向は当然わかり、また、あらかじめ基地局の配置は知られているのであるから、切り替えられるべき次の基地局はどれであるかもわかっている。

２１） ＨＡ７は、次のハンドオーバが近いことを、例えば前回のハンドオーバ完了後の時間経過から推測する。
２２） ＨＡ７は、次のハンドオーバが近づいたとき、車上局９が基地局４との通信をまだ継続しているうちに、それまで基地局４のＦＡ５に通知して登録していた統合型ＭＲ１１の位置情報（ここでいう位置情報とはデータを送信すべき先のアドレス番号を示す情報のことを言う）を、次の切替予定である基地局（図４の例では基地局１のＦＡ２）にも通知して登録する。（図４の符号４１１）
２３） これにより、ＨＡ７は、前記通知以後はデータの送信先を基地局４のＦＡ５だけでなく、基地局１のＦＡ２にも送信する、即ち、シーケンス番号を付与したデータの２基地局への同報送信を開始する。（図４の符号４１２）
２４） 同報通信を開始するタイミングは、原理的には、ハンドオーバが開始される直前（例えば数秒前）に開始されればよいのであるが、ハンドオーバ直前であるかどうかというタイミングは、列車の速度変動により影響されて、かならずしも正確には把握できない場合もあるから、例えばあるゾーンへの進入の後、所定の時間が経過した後に開始するということでもよい。ここでいう所定の時間は、次に進入する基地局ゾーンが近いか遠いかによって異なるから、そのような物理的距離の差に基づいて基地局ごとに異なる値に設定するほうが好ましい。無論、距離には関係なしにハンドオーバ完了後直ちに同報通信を開始してもよい。（図４の符号４１１）

２５） 車上局９が基地局４のゾーンを抜け出るとともに、ハンドオーバが開始され、基地局４にはデータが蓄積され始める。図４の例では＃３，＃４・・・とデータが蓄積される。一方、同報通信を受けていた基地局１についてはそれ以前のデータも送信されずに蓄積されていて、バッファ容量に応じて古いデータから順に書き換え更新されている。例えば図４の例では基地局１には＃１、＃２、＃３、＃４・・とデータが蓄積されている。（図４の符号４１３）
２６） ハンドオーバが完了（ハンドオーバは実施の形態１で説明した手順で実行）したとき、基地局１は蓄積しているデータを順次吐き出そうとするが、＃１＃２のデータはすでに車上局９は受信済みであり、再送するのは無駄である。
２７） そこで、本発明では、ハンドオーバが完了（ハンドオーバは実施の形態１で説明した手順で実行）するとき、統合型ＭＲ１１はＦＡ２に対し、ハンドオーバ開始前に受信済みのデータのシーケンス番号を通知する。即ち図４の例では＃２まで受信済みで、＃３から受信すればよいことを通知する。（図４の符号４１４）
２８） ＦＡ２は、通知されたシーケンス番号から、未送信で次に送信するべきデータ、即ち図４の例では＃３のデータを選択し、ＭＲ１１に対して送信する。（図４の符号４１５）

以上のフローを図５に改めて示す。
図５のステップＳ５１では次のハンドオーバが間近であることをＨＡ７が検知する。
ステップＳ５２で、次の切替予定の基地局にも位置登録を行う。
ステップＳ５３で、ＨＡ７から２つの基地局に同報送信を開始。切り替え後に使用される基地局にはデータが蓄積される。
ステップＳ５４でハンドオーバ開始、
ステップＳ５５で、ハンドオーバ完了、車上局は受信済みのデータ番号を通知。
ステップＳ５６で、新しい基地局は蓄積しているデータの中から、車上局が未受信のデータを選択して送信する。
２１）から２８）の手順によれば、従来なら、送信するべきシーケンス番号が判明した時点で、改めてＨＡ７から基地局１にパケットデータをとりおろさなければならなかったのが、事前に同報送信されて、新しい基地局にデータが蓄積されているので、改めて取り込む手間が不要となり、その分の時間が短縮される。
実施の形態２の方法にて、ＩＰハンドオーバ前後で過不足のない効率的なデータ通信を行うことができ、パケット遅延の削減を可能とする。

この発明の列車無線システムに用いられるハンドオーバの手順は、列車無線に限らず、携帯電話、自動車電話、船舶／航空用の公共無線電話など複数の基地局と移動端末との間で行われる通信に利用することができる。

この発明の実施形態１の列車無線システムの概略構成を示す図である。 図１の列車無線システムでのハンドオーバ手順を示すタイムチャートである。 図２の動作を説明するフローチャートである。 本発明のパケット遅延削減の手順を示すタイムチャートである。 図４の動作を説明するフローチャートである。

符号の説明

１ 基地局、 ２ 統合型ＦＡ（Ｆｏｒｅｇｉｎ Ａｇｅｎｔ）、
３ ＬＣＸ無線機、 ４ 基地局、
５ 統合型ＦＡ（Ｆｏｒｅｇｉｎ Ａｇｅｎｔ）、
６ ＬＣＸ無線機、 ７ ＨＡ（Ｈｏｍｅ Ａｇｅｎｔ）、 ８ サーバ、
９ 車上局、 １０ 無線機、
１１ 統合型ＭＲ（Ｍｏｂｉｌｅ Ｒｏｕｔｅｒ）、
１２ 基地局、 １３ ＦＡ（Ｆｏｒｅｇｉｎ Ａｇｅｎｔ）、
１４ 無線アダプタ、
１５ ＬＣＸ無線機、 １６ 車上局、 １７ 無線機、 １８ 無線アダプタ、
１９ ＭＲ（Ｍｏｂｉｌｅ Ｒｏｕｔｅｒ）。

Claims (5)

1. 鉄道線路を走行する列車に搭載された車上局と、前記鉄道線路に沿って配置された複数の基地局のいずれか一つとの間でＩＰアドレスを用いて通信する列車無線システムであって、
   通信回線に接続され、ＩＰアドレスを用いて通信するサーバ、このサーバに接続された第１のルータ、
   前記第１のルータに接続されるとともに、それぞれが通信データの授受の制御を行う無線アダプタ機能を含んだ統合型の第２のルータと、この統合型第２のルータに接続されるとともに前記鉄道線路に沿って設置された漏洩同軸ケーブルに接続された漏洩同軸ケーブル無線機とを有する複数の基地局、
   前記複数の基地局間を移動する前記列車に搭載され、前記漏洩同軸ケーブル無線機と通信する無線機と、この無線機に接続されて通信データの授受、その他の制御を行う無線アダプタ機能を含んだ統合型モバイルルータとを有し、前記複数の基地局のおのおのが有する基地局ゾーン間をハンドオーバにより切替移動する車上局とを備え、
   前記統合型第２のルータと前記統合型モバイルルータは、ともに、前記ハンドオーバ時の無線レイヤのスロット割当およびＩＰレイヤの位置登録を同時に１つのパケット内で行うものであることを特徴とする列車無線システム。
2. 前記第１のルータは、前記列車が次に進入する基地局ゾーンの基地局に対し、前記ハンドオーバの開始に先行して位置登録を行い、前記車上局が現に存在する基地局ゾーンの基地局と、前記車上局が次に進入する基地局ゾーンの基地局とにデータを同報送信することを特徴とする請求項１に記載の列車無線システム。
3. 前記第１のルータが前記基地局に対して行う前記位置登録は、前回のハンドオーバ完了後からあらかじめ定めた所定の時間の経過後に開始することを特徴とする請求項２に記載の列車無線システム。
4. 前記所定の時間は前記次に進入する基地局ゾーンごとに異なる値に設定されていることを特徴とする請求項３に記載の列車無線システム。
5. 前記第１のルータは、前記基地局の統合型第２のルータに送信するデータにはシーケンス番号を付与して送信し、当該車上局が新たな基地局ゾーンに進入して前記ハンドオーバが完了したとき、前記統合型モバイルルータは、その時点以前に受信済みの前記シーケンス番号を前記統合型第２のルータに通知し、前記統合型第２のルータは通知されたシーケンス番号に基づいて前記統合型モバイルルータに送信を開始するデータのシーケンス番号を決定することを特徴とする請求項２に記載の列車無線システム。

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