JP2009290683A - 無線送信装置および無線通信エリアの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】無線送信機近傍での通信品質の劣化を抑制しつつ、通信エリアを狭くする。
【解決手段】アンテナ高の異なる複数のアンテナと、利用するアンテナを切り替えて通信エリアを制御する制御手段を有する無線送信装置であって、アンテナ高が低い場合には、アンテナ高が低い場合に比べて、距離に応じた電波の伝搬喪失の度合いがより大きい。このようなアンテナ高として、アンテナ高を高くしてフレネルゾーン内に大地が入らないような高さと、アンテナ高を低くしてフレネルゾーン内に大地が入るような高さを採用することが好適である。
【選択図】図１

Description

本発明は、無線送信装置および無線通信エリアの制御方法に関する。

近年、車両と路側機（路側無線通信設備）との間で路車間通信が行われている。無線通信では受信側の車両が障害物に隠れてしまうと、シャドウイングが発生して路側機からの通信を受信できなくなってしまう。そこで、車両が障害物に隠れた場合に、路側機のアンテナの高さを切り替えることでシャドウイングを防止する技術が提案されている（特許文献１）。また、ＰＨＳ基地局においても同様に、アンテナ高を調整して不感帯領域を少なくする技術が提案されている（特許文献２）。これらの技術は、アンテナ高を高くすることで見通し範囲を広くし、それによって通信エリアを制御する技術である。

一方、シャドウイングなどとは関係なく、無線通信量（トラフィック量）が増大した場合に、電波の干渉を避けるために通信エリアを狭くしたいという要求がある。このような場合は、送信出力を小さくすることで通信エリアを狭くし、これによりトラフィック量を抑えることが行われている。
特開２０００−３０７５０９号公報 特開平８−３１６９０５号公報 特開平１１ー１６３７８５号公報

しかしながら、上記のように送信出力を小さくすることで通信エリアを狭くする場合、通信エリア全体での受信電力強度が下がるため、無線送信機に近い場所でも受信電力強度が下がってしまう。このため、無線送信機に近い場所でも、ノイズやフェージングマージンが小さくなってしまい、通信品質を確保できない場合があった。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、無線送信機近傍での通信品質の劣化を抑制しつつ、通信エリアを狭くすることのできる技術を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明では、以下の手段または処理によって無線通信の通信エリアの制御を行う。

本発明に係る無線送信装置は、アンテナ高を切り替え可能なアンテナ手段と、アンテナ手段のアンテナ高を調整して通信エリアを制御する制御手段とを有する。ここで、アンテナ手段は、第１の高さと、第１の高さよりも低い第２の高さの、少なくとも２つの高さをとりうるものである。そして、アンテナ高が低い場合（第２の高さの場合）には、アンテナ高が高い場合（第１の高さの場合）に比べて、距離に応じた電波の伝搬損失がより大きくなるようにする。

このような電波の伝搬損失となるようなアンテナ高を実現するためには、第１の高さをフレネルゾーン内に大地が入らないような高さとし、第２の高さをフレネルゾーン内に大地が入るような高さとすればよい。このようにすれば、第１の高さにした場合は通信可能エリア内では伝搬損失は直接波と大地反射波の２波モデルの伝搬損失となり、第２の高さにした場合は通信可能エリア内でも直接波が大地の影響を受けてより強く電波が減衰する
ことになる。

このように、アンテナ高が低く大地がフレネルゾーンに入る場合は、アンテナ高が高く大地がフレネルゾーンに入らない場合に比べて、送受信距離に対する受信電力の減衰度合いが大きくなる。したがって、通信エリアを狭くする場合に、アンテナ高を高くしたまま送信出力を小さくする従来の手法に比較して、無線通信機近傍での受信電力を大きくすることができる。つまり、無線通信機近傍での通信品質の劣化を抑制しつつ、通信エリアを狭くすることが可能になる。

ただし、第１の高さを通信可能エリア内の全ての地点についてフレネルゾーンに大地が入らないようにする必要はなく、その一部ではフレネルゾーン内に大地が入っても構わない。第１の高さと第２の高さとで、フレネルゾーン内に大地が入る割合に十分な差を設ければ、送受信距離に対する受信電力の減衰度合いを異ならせることができる。

本発明におけるアンテナ手段は、アンテナ高が異なる複数のアンテナと、利用するアンテナを切り替えるスイッチ手段とで構成することができる。また、本発明におけるアンテナ手段は、アンテナと、このアンテナの位置を上下方向に移動させるアンテナ移動手段とで構成することもできる。

本発明における無線通信機は、無線通信の通信トラフィック量を計測する計測手段をさらに有し、制御手段は、通信トラフィックが多い場合には、アンテナ手段のアンテナ高を低位置（第２の高さ）に切り替えることが好適である。

このようにすれば、通信トラフィック量が増大した場合に、通信エリアを狭くしてトラフィック量を減らすことができる。この際、無線通信機近傍での通信品質の劣化を抑制することができる。

なお、本発明は、上記手段の少なくとも一部を有する無線送信装置として捉えることができる。また、本発明は、上記処理の少なくとも一部を含む無線通信エリアの制御方法、または、かかる方法を実現するためのプログラムとして捉えることもできる。上記手段および処理の各々は可能な限り互いに組み合わせて本発明を構成することができる。

例えば、本発明の別の態様は、アンテナ高を切替可能なアンテナ手段を備える無線送信装置における無線通信エリアの制御方法であって、前記アンテナ手段のアンテナ高を、第１の高さと、第１の高さよりも低く距離に応じた電波の伝搬損失がより大きい第２の高さとの間で切り替えることで、無線通信エリアの広さを制御することを特徴とする。

本発明によれば、無線送信機近傍での通信品質の劣化を抑制しつつ、通信エリアを狭くすることが可能となる。

以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。

〈構成〉
図１は、本実施形態に係る無線通信装置の構成を示す概略図である。本無線通信装置は、８００ＭＨｚ帯の電波を利用して無線通信を行う路側機（路側無線通信設備）である。本無線通信装置は、車両に搭載された車載無線装置との間で路車間無線通信を行うものである。本無線通信装置は、地上５ｍの位置に設置された高アンテナ１と、地上１．５ｍの位置に設置された低アンテナ２の２つのアンテナを有する。これら２つのアンテナのうち
通信に利用するアンテナを、スイッチ３によって切替可能に構成されている。

高周波部４は、送信側ではベースバンド送信信号を周波数変換してＲＦ信号としてアンテナから送信し、受信側ではＲＦ信号を周波数変換によってデジタル信号処理可能なベースバンド受信信号に変換する。

通信制御部５は、アプリケーション６から入力される送信信号に対してベースバンド処理および変調処理などを行い高周波部に出力したり、高周波部からの受信信号に対して復調処理およびベースバンド処理を行いアプリケーション６に出力する。また、通信制御部５は、無線通信の通信トラフィック量を検出するトラフィックモニター部５ａを有する。トラフィックモニター部５ａは、受信電波の電力強度の時間変化を測定したり、本無線通信装置と通信相手端末との間のリンク数を検出したりすることで、無線通信のトラフィック量を検出する。

通信制御部５は、無線通信のトラフィック量が所定のしきい値以上となった場合には、本無線通信装置の通信エリアを狭めるために、通信に利用するアンテナを低アンテナ２に切り替えるように、スイッチ３を制御する。逆に、無線通信のトラフィック量がしきい値未満の場合には、通信に利用するアンテナを高アンテナ１に切り替えるように、スイッチ３を制御する。

〈アンテナ高の切替による通信エリアの制御〉
送信機から送信された電波が受信機まで到達する場合に、受信電力強度は、おおよそ、ある距離（ブレークポイントと呼ばれる）までは距離の２乗で減衰し、それ以降は距離の４乗で減衰することが知られている。

このような電波伝搬特性は、送受信間で見通しを確保できているか否かによって決まる。見通しが確保できているというのは、フレネルゾーン（より詳細には第１フレネルゾーン）内に障害物がない場合である。この場合は、受信電力は直接波と大地反射波の２波モデルの電波伝搬の理論値に近くなる。フレネルゾーンとは、図２に示すように、電波が受信機に最短距離で到達する場合と、別ルートで到達する場合との経路差が半波長（λ／２）以内である経路の集合である空間のことである。フレネルゾーンの境界と、送受信アンテナを結ぶ直線との間の距離を、フレネル半径という。ある位置におけるフレネル半径は、次の式によって求めることができる。

ただし、ｄ１は送信アンテナとの距離、ｄ２は受信アンテナとの距離である。このフレネル半径は、通信距離ｄが大きくなると、それにしたがって大きくなる。したがって、通信距離が長くなると、フレネルゾーン内に大地が入り障害物となる。なお一般に、フレネル半径の６０％以内に障害物が存在しなければ、直接波の伝搬特性は自由空間と同じになると言われている。

実際に、障害物のない平面上で、無線周波数として８００ＭＨｚ（波長：約４０ｃｍ）を利用し、アンテナ高を５ｍと１．５ｍにした場合の送受信距離に対する受信電力の計測結果を、図３のグラフに示す。図３において、実線と丸印で示したグラフがアンテナ高５ｍの場合であり、点線と三角印で示したグラフがアンテナ高１．５ｍの場合である。

アンテナ高が低い場合にはフレネルゾーン内に大地が多くかかるため、図に示すように、受信電力の減衰度合いがアンテナ高が高い場合に比べて大きくなることが分かる。

ここで、受信電力が−７０ｄＢｍ以上の範囲を通信可能な範囲（以下、通信エリアという）とすると、アンテナ高が５ｍである場合は通信エリアの大きさ（Ｒ１）が約７５０ｍになり、アンテナ高が１．５ｍである場合は通信エリアの大きさ（Ｒ２）が約４５０ｍとなることが分かる。このように、アンテナ高を低くすることで、通信エリアを狭くできることが分かる。

通信エリアを狭くすることは、アンテナ高を変えずに、送信出力を下げることによっても行える。アンテナ高を５ｍにしたまま、送信出力を下げることで受信電力が−７０ｄＢｍ以上の範囲が４５０ｍになるようにした場合の、受信電力のグラフを図４に示す。図４において、実線と丸印で示したグラフがデフォルトの送信出力を用いる場合であり、点線と四角で示すグラフが送信出力を下げた場合のグラフである。このように、アンテナ高を保ったまま送信出力を下げることでも、通信エリアを狭くすることができる。

さて、上記では−７０ｄＢｍ以上の範囲を通信可能エリアとしているが、実際にはノイズやフェージングなどが発生して、この範囲内でも通信ができない状況も発生しうる。このようなノイズやフェージングを考慮すると、安定して通信ができる範囲は−７０ｄＢｍ以上の範囲よりも狭く、例えば、−６０ｄＢｍ以上の範囲となる。

ここで、アンテナ高を低くして通信エリアを狭くした場合（図３の点線）と、送信出力を下げて通信エリアを狭くした場合（図４の点線）で、受信電力強度が−６０ｄＢｍ以上となる範囲を比較する。送信出力を下げた場合は受信電力強度が−６０ｄＢｍ以上となる範囲の大きさ（Ｒ５）が約１００ｍしか確保できないのに対して、アンテナ高を低くした場合のこの範囲の大きさ（Ｒ３）は約２５０ｍを確保することができる。

つまり、アンテナ高を低くして通信エリアを狭くすることにより、送信地点近くでの受信電力強度の劣化を抑制できることが分かる。このように、本実施形態による無線通信装置によると、通信エリア内での通信品質を確保したまま、通信エリアを狭くすることが可能となる。

〈動作例〉
次に、図５のフローチャートを参照して、本実施形態に係る無線通信装置の動作例を説明する。まず、通信制御部５のトラフィックモニター部５ａが通信トラフィック量を計測する（Ｓ１）。このトラフィック量が所定のしきい値以上である場合（Ｓ２：ＹＥＳ）は、通信制御部５が、スイッチ３を切り替えて、利用するアンテナを低アンテナ２に切り替える。これにより、通信トラフィック量が増えた場合に、通信エリアを狭くすることで、全体のトラフィックを押させることができる。逆に、計測した通信トラフィック量が所定のしきい値よりも小さい場合（Ｓ２：ＮＯ）は、スイッチ３を切り替えて、利用するアンテナを高アンテナ１に切り替える。これにより、通信トラフィック量が少ない場合には、通信エリアを広くすることができる。

〈実施形態の作用／効果〉
本実施形態に係る無線通信装置によれば、通信トラフィック量が増えた場合にアンテナ高の低いアンテナを利用することで、通信エリアを狭くし、全体のトラフィック量を抑えることができる。

そして、通信エリアを狭くする際に、アンテナ高の低いアンテナに切り替えることで、単に送信出力を抑えて通信エリアを狭くする場合に比較して、無線通信装置近傍での受信
電力を大きくすることができる。すなわち、安定的に受信可能なエリアを広くすることができる。

〈その他〉
上記の実施形態の説明では、アンテナ高の異なる２つのアンテナを利用して、通信エリアの大きさを２段階に変化させていたが、３つ以上のアンテナを利用して通信エリアを３段階以上に変化させても良い。

また、上記の説明では８００ＭＨｚを利用した場合を例に説明しているが、これ以外の周波数を利用する場合にも本発明を適用可能であることは言うまでもない。その際にアンテナ高をどの高さに設置すべきであるかは、計算や実験などによって容易に求めることができる。

また、アンテナ高の調整は、複数のアンテナを用いる方法に限られない。例えば、図６に示すように、１つのアンテナ７を上下方向に移動可能に設置し、アクチュエータ８などのアンテナ移動手段によってアンテナの高さを調整しても良い。この場合、アンテナ高を任意の高さに調整可能であるという利点がある。

本実施形態に係る無線通信装置の構成を示す概略図である。 フレネルゾーンを説明する図である。 アンテナ高を５ｍ（実線）とした場合と１．５ｍ（点線）とした場合の、電波伝搬特性の測定結果を表すグラフである。 アンテナ高を５ｍで、送信出力がデフォルトの場合（実線）と、送信出力を下げた場合（破線）の、電波伝搬特性を表すグラフである。 本実施形態に係る無線通信装置の動作例を示すフローチャートである。 変形例に係る無線通信装置の構成を示す概略図である。

符号の説明

１ 高アンテナ
２ 低アンテナ
３ スイッチ
４ 高周波部
５ 通信制御部
５ａ トラフィックモニター部
７ アンテナ
８ アクチュエータ

Claims (10)

1. アンテナ高を切替可能なアンテナ手段と、
   前記アンテナ手段のアンテナ高を調整して通信エリアを制御する制御手段と、
   を有する無線送信装置であって、
   前記アンテナ手段は、第１の高さのアンテナ高と、前記第１の高さよりも低い第２の高さのアンテナ高をとることができ、
   アンテナ高が前記第２の高さである場合に、アンテナ高が前記第１の高さである場合と比較して、距離に応じた電波の伝搬損失がより大きい
   ことを特徴とする無線送信装置。
2. 前記第１の高さは、フレネルゾーン内に大地が入らない高さであり、
   前記第２の高さは、フレネルゾーン内に大地が入る高さである
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線送信装置。
3. 前記アンテナ手段は、アンテナ高が異なる複数のアンテナと、利用するアンテナを切り替えるスイッチ手段から構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の無線送信装置。
4. 前記アンテナ手段は、アンテナと、該アンテナの位置を上下方向に移動させるアンテナ移動手段とから構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の無線送信装置。
5. 無線通信の通信トラフィック量を計測する計測手段をさらに有し、
   前記制御手段は、通信トラフィックが所定のしきい値以上である場合には、前記アンテナ手段のアンテナ高を前記第２の高さにして、通信エリアを狭くする
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の無線送信装置。
6. アンテナ高を切替可能なアンテナ手段を備える無線送信装置における無線通信エリアの制御方法であって、
   前記アンテナ手段のアンテナ高を、第１の高さと、前記第１の高さよりも低い第２の高さであって、距離に応じた電波の伝搬損失が前記第１の高さの場合よりも大きい第２の高さとの間で切り替えることで、無線通信エリアの広さを制御する
   ことを特徴とする無線通信エリアの制御方法。
7. 前記第１の高さは、フレネルゾーン内に大地が入らない高さであり、
   前記第２の高さは、フレネルゾーン内に大地が入る高さである
   ことを特徴とする請求項６に記載の無線通信エリアの制御方法。
8. 前記アンテナ手段は、アンテナ高が異なる複数のアンテナと、利用するアンテナを切り替えるスイッチ手段から構成され、
   前記スイッチ手段を切り替えることで、前記アンテナ手段のアンテナ高を切り替える
   ことを特徴とする請求項６または７に記載の無線通信エリアの制御方法。
9. 前記アンテナ手段は、１つのアンテナから構成され、
   前記アクチュエータによって前記アンテナを移動させることで、前記アンテナ手段のアンテナ高を切り替える
   ことを特徴とする請求項６または７に記載の無線通信エリアの制御方法。
10. 無線通信の通信トラフィック量を計測する工程をさらに含み、
    無線通信トラフィック量が所定のしきい値より少ない場合には、前記アンテナ高を前記
    第１の高さに切り替えて、通信エリアを広くし、
    通信トラフィック量が前記しきい値以上である場合には、前記アンテナ高を前記第２の高さに切り替えて、通信エリアを狭くする
    ことを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載の無線通信エリアの制御方法。

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