JP2012134887A - 無線通信システム、タイミング生成装置および無線通信方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の無線機の通信モードの切換タイミングを合わせることで、移動体の位置に拘わらず、無線機間の安定した無線通信を実行する。
【解決手段】無線通信システム１００では、タイミング生成装置１３０が、中継装置１２０との無線通信の可否を判定する通信判定部１７０と、通信判定部の判定が可となった場合、中継通信モードへの切換を指示する切換情報を無線機に送信し、通信判定部の判定が否となった場合、直接通信モードへの切り換えを指示する切換情報を、中継装置を介して無線機に送信する切換送信部１７２とを備え、無線機１１０が、切換情報に従って、無線機自体の通信モードを、中継通信モードまたは直接通信モードに切り換える切換受信部１８０を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、中継装置を介して無線通信を行う中継通信モードと無線機同士で直接無線通信を行う直接通信モードとを切り換える無線通信システム、タイミング生成装置および無線通信方法に関する。

無線機では、電波のシャドウイング、減衰、妨害、干渉等の電波障害により電波環境が劣化すると、有効な無線通信を継続するのが難しくなる。この場合、無線信号の送信元から無線機まで直進する受信経路が上述した電波障害の影響を受けている可能性が高いので、その受信経路を変更することで電波環境を改善できる場合がある。

例えば、通常時は、衛星からの直接波を受信するアンテナモードで無線通信を遂行し、電波のシャドウイングが発生した時には反射波を受信するアンテナモードに切り換える技術が知られている（例えば、特許文献１）。また、気象条件に応じて通信経路を変化させ、例えば、シャドウイングが発生すると、衛星からの直接波を受信せず、中継局を介して受信する技術も開示されている（例えば、特許文献２）。

特開平５−１４２５１号公報 特開２００４−２３３０７号公報

また、車両等の移動体において用いられる無線機では、固定された中継装置との位置関係によって、中継装置との無線通信が可能な場合と不可能な場合があり、中継装置との無線通信が不可能となっている間は、異なる通信経路、例えば、移動体内における他の無線機との直接の通信経路に切り換える技術もある。

例えば、鉄道における無線通信システムでは、移動体である鉄道車両が停車駅に停車している間は、鉄道車両内の複数の無線機間の無線通信を中継装置を介して行い（中継通信モード）、走行中は複数の無線機間で直接無線通信を行っている（直接通信モード）。

無線機は、中継通信モードにおいて中継装置の電波強度を検出し、中継装置との無線通信が不可能であると判定すると、他の無線機との直接通信モードに切り換える。このとき、移動体内の複数の無線機は、その位置や近傍の電波環境が異なり、また、電波強度の検出には個体差もあるので、中継通信モードと直接通信モードとの切換タイミングが異なることとなってしまう。このように鉄道車両内の複数の無線機の通信モードが一斉に切り換わらないと、中継装置と通信可能なエリアの境界（フリンジエリア）において、各無線機の新旧の通信モードが異なる状態が生じ、通信モードの異なる無線機との無線通信ができない等、不便であった。

本発明は、このような課題に鑑み、複数の無線機の通信モードの切換タイミングを合わせることで、移動体の位置に拘わらず、無線機間の安定した無線通信を実行することが可能な無線通信システム、タイミング生成装置および無線通信方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、中継装置と、タイミング生成装置と、無線機とがそれぞれ無線通信可能な、本発明の無線通信システムにおいて、タイミング生成装置は、中継装置との無線通信の可否を判定する通信判定部と、通信判定部の判定が可となった場合、タイミング生成装置と無線機、または、無線機同士が中継装置を中継して無線通信を行う中継通信モードへの切換を指示する切換情報を無線機に送信し、通信判定部の判定が否となった場合、中継装置を介さず、タイミング生成装置と無線機、または、無線機同士で無線通信を直接行う直接通信モードへの切り換えを指示する切換情報を、中継装置を介して無線機に送信する切換送信部とを備え、無線機は、切換情報に従って、無線機自体の通信モードを、中継通信モードまたは直接通信モードに切り換える切換受信部を備えることを特徴とする。

上記課題を解決するために、中継装置または無線機と無線通信可能な本発明のタイミング生成装置は、中継装置との無線通信の可否を判定する通信判定部と、中継装置通信判定部の判定が可となった場合、タイミング生成装置と無線機、または、無線機同士が中継装置を中継して無線通信を行う中継通信モードへの切換を指示する切換情報を無線機に送信し、通信判定部の判定が否となった場合、中継装置を介さず、タイミング生成装置と無線機、または、無線機同士で無線通信を直接行う直接通信モードへの切り換えを指示する切換情報を、中継装置を介して無線機に送信する切換送信部とを備えることを特徴とする。

通信判定部は、中継装置の電波強度に応じて無線通信の可否を判定してもよい。

タイミング生成装置の平面位置を検出する位置検出部をさらに備え、通信判定部は、予め設定された中継装置の平面位置から、位置検出部で検出されたタイミング生成装置の平面位置までの距離に応じて無線通信の可否を判定してもよい。

通信判定部は、移動体の前部および後部に設けられ、無線通信が可能であることを移動体の後部で判定し、無線通信ができないことを移動体の前部で判定してもよい。

上記課題を解決するために、中継装置または無線機と無線通信可能なタイミング生成装置を用いた本発明の無線通信方法において、タイミング生成装置は、中継装置との無線通信の可否を判定し、判定が可となった場合、タイミング生成装置と無線機、または、無線機同士が中継装置を中継して無線通信を行う中継通信モードへの切換を指示する切換情報を無線機に送信し、判定が否となった場合、中継装置を介さず、タイミング生成装置と無線機、または、無線機同士で無線通信を直接行う直接通信モードへの切り換えを指示する切換情報を無線機に送信し、無線機は、切換情報に従って、無線機自体の通信モードを、中継通信モードまたは直接通信モードに切り換えることを特徴とする。

本発明の無線通信システムは、移動体の位置に拘わらず、無線機間の安定した無線通信を実行することが可能となる。

鉄道における無線通信システムの概略的な位置関係を示した機能ブロック図である。 無線通信システムの概略的な位置関係を示した機能ブロック図である。 タイミング生成装置の電気的な構成を示した機能ブロック図である。 中継装置の電波強度を説明するための説明図である。 無線機の電気的な構成を示した機能ブロック図である。 鉄道車両が中継エリアから直接エリアに移動する際の通信モードの切換を説明するための説明図である。 中継装置の電気的な構成を示した機能ブロック図である。 無線通信方法の切換処理の流れを示したフローチャートである。 無線通信方法の全体的な処理の流れを示したシーケンス図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

例えば、鉄道における無線通信システムでは、移動体としての鉄道車両内に設けられた複数の無線機間で無線通信を行うことができる。また、鉄道における無線通信システムにおいては、複数の無線機間の無線通信を簡易かつ確実に行うべく、通信周波数として特定の１の周波数を用いている。したがって、複数の無線機のうち、いずれかの無線機同士が無線通信を開始すると、その無線機に通信周波数が占有され、他の無線機は傍受しかできなくなるが、そもそも鉄道車両内で無線機を使用する者は、運転手や車掌等の乗務員に限定されているので問題になることはない。

しかし、上記の通信周波数は、鉄道における無線通信システム内で共通している場合が多いので、停車駅に停車している間、他の鉄道車両の無線機と通信周波数が等しくなり、他の鉄道車両の乗務員がその通信周波数を占有している間、自車両の無線通信を利用できないといった問題が生じ得る。また、停車駅には他の鉄道車両の乗務員のみならず、乗客のスムーズな乗降を促す駅係員も存在し、１つの通信周波数では、乗客に対して十分なサービスを提供できなくなるおそれもある。

そこで、鉄道における無線通信システムでは、停車駅やその近傍において、複数の無線通信回線を提供するトランキングシステムを運用している。トランキングシステムは、中継装置を介して複数の通信回線をまとめて制御し、複数の無線機に複数の無線通信回線を効率よく割り当て、複数の無線機間の並行した無線通信を可能にする技術である。かかるトランキングシステムにより、停車駅近傍における中継装置との無線通信が可能なエリアでは安定かつ効率的な通信を実現することができる。

図１は、鉄道における無線通信システム１０の概略的な位置関係を示した機能ブロック図である。特に、図１（ａ）は、無線通信システム１０を構成する各装置の位置関係を、図１（ｂ）は、無線通信システム１０において電波環境の異なる各エリアを説明している。無線通信システム１０は、図１（ａ）の如く、複数の無線機１１０（図１（ａ）中、１１０ａ、１１０ｂで示す。）と、中継装置１２０とを含んで構成される。また、無線通信システム１０は、図１（ｂ）の如く、その電波環境に応じて、停車駅１２に設けられた中継装置１２０との無線通信が可能な中継エリア１４と、中継エリア１４外であり無線機１１０同士が直接無線通信を行う直接エリア１６とに分かれている。

無線機１１０ａは、直接エリア１６において鉄道車両１０２が移動している間、上記特定の１の通信周波数を用いて他の無線機１１０ｂと直接、無線通信を実行し（直接通信モード）、中継エリア１４において鉄道車両１０２が停車駅に停車している間、中継装置１２０を介して他の無線機１１０ｂとの無線通信を実行する（中継通信モード）。中継装置１２０は、複数（例えば４つ）の無線通信回線（以下、「通話チャンネル」と言う。）と制御チャンネルとを用いて、無線通信システム１０内の複数の無線機１１０間の通話を制御する。

無線機１１０ａが他の無線機１１０ｂとの無線通信を試みる場合、まず、（１）中継装置１２０との制御チャンネル（Control Channel：ＣＣ）を通じ、無線通信を所望する他の無線機の識別情報を伝達することで発呼し、（２）中継装置１２０は他の無線機１１０が無線通信可能であることを確認して、管理している通話チャンネル（Traffic Channel：ＴＣ１〜４）のうち空いている通話チャンネル（例えばＴＣ３）を両無線機１１０ａ、１１０ｂに割り当てる。（３）両無線機１１０ａ、１１０ｂは割り当てられた通話チャンネル（ＴＣ３）を通じて無線通信を開始する。このようにして、無線通信システム１０に属する各無線機１１０は、所望する無線機１１０との無線通信を実行することができる。

制御チャンネルは、主として無線機１１０の呼制御に必要な情報を通信するために用いられ、無線通信システム１０内で無線通信の待機状態にある無線機１１０は、常に中継装置１２０からの制御チャンネルを受信している。無線機１１０は、かかる中継装置１２０からの制御チャンネルを受信できなくなると、中継装置１２０を通じたトランキングシステムによる他の無線機１１０との通話ができなくなる。また、制御チャンネルは、待機中か通話中かといったステータスメッセージや数十の文字列からなるショートデータメッセージを伝達することもできる。

また、通話チャンネル（ＴＣ）は、無線機１１０同士の通話に用いられる。中継装置１２０は、上述した制御チャンネルによって、任意の２つの無線機１１０が通話可能な状態であることを確認すると、その２つの無線機１１０に通話チャンネルへのチャンネルの切り換えを指令する。

２つの無線機１１０は、中継装置１２０からの指令に応じて、制御チャンネルから通話チャンネルに同時に移行し、通話チャンネルを通じた無線通信を開始する。ただし、中継装置１２０は、各無線機１１０に対し、通話チャンネルを占有する通話時間を所定の時間（例えば、３０〜６０秒）に制限することで、限られた通話チャンネルを特定の無線機１１０が占有してしまう事態を回避し、他の無線機１１０による新規の無線通信の要求を受け付け得るようにしている。無線機１１０は、ユーザによる通話終了操作を受け付けるか、かかる所定の時間が経過した後、速やかに通話チャンネルから制御チャンネルに移行し、待機状態に遷移する。このように、トランキングシステムを用いた無線通信システム１０では、限られた通話チャンネルを多数の無線機１１０で共有し、効率的に運用することができる。

このように、鉄道における無線通信システム１０では、無線機１１０が直接エリア１６にある間、１の通信周波数による直接通信モードを実行して煩雑な通信周波数の設定を回避し、無線機１１０が中継エリア１４にある間、中継装置１２０を介した中継通信モードを実行しトランキングシステムによる安定かつ効率的な無線通信を実現する。

無線通信システム１０では、直接通信モードと中継通信モードとの切り換えが必要であることが理解できる。例えば、無線通信システム１０の無線機１１０では、中継通信モードにおいても中継装置１２０の電波強度を検出し、中継装置１２０との無線通信が不可能であると判定すると、他の無線機１１０との直接通信モードに切り換える。

このとき、鉄道車両１０２内の複数の無線機１１０は、それぞれの位置や近傍の電波環境が異なり、また、電波強度の検出には個体差もあるので、中継通信モードと直接通信モードとの切換タイミングが異なることとなってしまう。このように鉄道車両１０２内の複数の無線機１１０の通信モードが一斉に切り換わらないと、直接エリア１６と中継エリア１４との境界（フリンジエリア）において、各無線機１１０の新旧の通信モードが異なる状態が生じる。

例えば、鉄道車両１０２が停車駅１２から遠のいているときに、中継装置１２０の電波強度の低下に伴って、任意の無線機１１０が中継通信モードから直接通信モードに切り換わったとする。ここで、任意の無線機１１０が、特定の通信周波数を用いて他の無線機１１０との無線通信を試みたとしても、他の無線機１１０において未だ中継通信モードが維持されている場合、その特定の通信周波数を受信できる状態にないので、無線通信が確立されないといった事態を招くこととなる。本実施形態の無線通信システム１０では、複数の無線機１１０の通信モードの切換タイミングを合わせることで、鉄道車両１０２の位置に拘わらず、無線機１１０間の安定した無線通信を実行することができる。

（無線通信システム１００）
図２は、本実施形態における無線通信システム１００の概略的な位置関係を示した機能ブロック図である。無線通信システム１００は、無線機１１０と、中継装置１２０と、タイミング生成装置１３０とを含んで構成される。ここでは、無線機１１０を用いる移動体として鉄道車両１０２を挙げているが、それに限らず、移動体としては、バスや、乗客船、飛行機等、様々な乗り物を想定することができる。

無線通信システム１００における、無線機１１０と、中継装置１２０との無線通信手順は、図１を用いて説明した手順と実質的に等しい。ただし、本実施形態においては、タイミング生成装置１３０が、無線機１１０と中継装置１２０との間に介在し、無線機１１０における直接通信モードと中継通信モードとの切り換えタイミングを計る点が追加されている。以下、タイミング生成装置１３０、無線機１１０、中継装置１２０の構成をそれぞれ説明した後、無線通信システム１００における通信処理（無線通信方法）を詳述する。

（タイミング生成装置１３０）
図３は、タイミング生成装置１３０の電気的な構成を示した機能ブロック図である。タイミング生成装置１３０は、鉄道車両１０２等の移動体に設置され、送受信回路１５０と、アンテナ１５２と、位置検出部１５４と、メモリ１５６と、中央制御部１５８とを含んで構成される。タイミング生成装置１３０の構成は、後述する無線機１１０と基本的に等しいが、その目的が異なり、無線機１１０が他の無線機１１０との無線通信を目的としているのに対し、そのような複数の無線機１１０に、直接通信モードと中継通信モードとの切り換えタイミングを提供することを目的としている。また、タイミング生成装置１３０は、後述する、操作部１６０、音声入力部１６２、音声出力部１６４、表示部１６６といったマンマシンインターフェースを含んで構成されていてもよい。

送受信回路１５０は、中央制御部１５８が出力した音声信号、テキスト信号および制御信号を高周波に変調し、アンテナ１５２を通じて送信すると共に、アンテナ１５２を通じて受信した音声信号、テキスト信号および制御信号を復調して中央制御部１５８に出力する。送受信回路１５０は、無線機１１０や中継装置１２０と直接、無線通信を確立することができる。また、送受信回路１５０は、中継装置１２０から定期的に発信される無線信号の電波強度（受信レベル）を測定する機能も有する。

位置検出部１５４は、ＧＰＳ（Global Positioning System）、ＶＩＣＳ（Vehicle Information and Communication System）、慣性センサ等を用いてタイミング生成装置１３０の平面位置（平面座標）を検出する。メモリ１５６は、ＲＡＭ、フラッシュメモリ、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等で構成され、特定の通信周波数、中継装置１２０の制御チャネルの周波数、他の無線機１１０の識別子等を記憶する。

中央制御部１５８は、中央処理装置（ＣＰＵ）、プログラム等が格納されたＲＯＭ、ワークエリアとしてのＲＡＭ等を含む半導体集積回路により、タイミング生成装置１３０全体を管理および制御する。また、本実施形態において、中央制御部１５８は、通信判定部１７０、切換送信部１７２としても機能する。

通信判定部１７０は、タイマ等を用いて定期的に中継装置１２０との無線通信の可否を判定し、その判定結果を切換送信部１７２に送信する。この際、通信判定部１７０は、送受信回路１５０を通じ、中継装置１２０の電波強度に応じて無線通信の可否を判定してもよい。尚、タイミング生成装置１３０は、無線通信を行うことが想定される１または複数の中継装置１２０の制御チャンネルの周波数を予めメモリ１５６に記憶しておき、かかる周波数をサーチして、中継装置１２０の存在を把握する。ここでは、中継装置１２０の電波強度を挙げて説明しているが、中継装置１２０からの受信信号のエラー率やビーコンの強度等を用いることもできる。

図４は、中継装置１２０の電波強度を説明するための説明図である。図４では、縦軸に電波強度、横軸に中継装置１２０と無線機１１０との距離を示している。例えば、停車駅１２付近の中継エリア１４において、無線機１１０が、中継装置１２０を介して他の無線機１１０と無線通信を実行しているとする。ここで、鉄道車両１０２が停車駅１２から移動すると、図４に示すように、中継装置１２０と無線機１１０との距離が大きくなるに連れ、中継装置１２０から定期的に発信される報知用の信号の電波強度が減衰する。

そして、中継装置１２０と無線機１１０との距離が所定の値より大きくなると、電波強度が所定の閾値以下となって、中継装置１２０との無線通信が不安定になる。かかる位置が中継エリア１４と直接エリア１６の境界となる。通信判定部１７０は、中継装置１２０の電波強度が所定の閾値以下となることで、タイミング生成装置１３０が上記境界を通過したと判断し、その判定結果を切換送信部に送信する。判定結果は、中継装置１２０との無線通信の可否を示すが、中継装置１２０との無線通信が不可能という判定結果は、無線通信を十分安定して行うことができないことを示し、厳密に不可能を示すものではない。

また、通信判定部１７０において、直接エリア１６から中継エリア１４へ移動したときの通信モードの切り換えに用いる所定の閾値と、中継エリア１４から直接エリア１６へ移動したときの通信モードの切り換えに用いる所定の閾値とを異ならせて設定することで、ヒステリシス特性を構築してもよい。例えば、直接エリア１６から中継エリア１４へ移動したときの通信モードの切り換えに用いる所定の閾値を、上記境界に対応する閾値より高く設定し、通信判定部１７０に、中継装置１２０の電波強度が十分に高くなってはじめて中継装置１２０との無線通信が可能と判定させる。このとき、中継エリア１４から直接エリア１６へ移動したときの通信モードの切り換えに用いる所定の閾値を境界に対応する閾値と等しく設定する。かかるヒステリシス特性によって、中継装置１２０との無線通信の可否が、電波強度の揺らぎによって切り換わることがなくなり、後述する切換情報が煩雑に何度も送信される事態を回避できる。

また、通信判定部１７０は、上記電波強度の測定に代えて、または加えて、予め設定された中継装置１２０の平面位置から、位置検出部１５４で検出されたタイミング生成装置１３０の平面位置までの距離を導出し、導出された距離が予め定められた中継エリア１４に相当する距離を超えているか否かによって無線通信の可否を判定してもよい。かかる構成により、送受信回路１５０による電波強度の実際の測定を要さないので、処理負荷や消費電力量の削減を図ることができる。ただし、通信判定部１７０が位置検出部１５４で検出された平面位置を用いる構成では、中継装置１２０が何らかの原因で機能していない場合でも、そのエリアを中継エリア１４と見なしてしまうことになるので、送受信回路１５０による電波強度と位置検出部１５４による平面位置とを併用するのが望ましい。

また、通信判定部１７０は、中継装置１２０の電波強度や、中継装置１２０とタイミング生成装置１３０との距離に応じて、タイミング生成装置１３０の電源を省電力モードに切り換える。

通信判定部１７０は、中継装置１２０の電波強度や中継装置１２０との距離を把握しているため、中継装置１２０の電波強度や中継装置１２０との距離によっては、当面、通信モードの切り換えが必要ないことを把握することもできる。したがって、現在の中継装置１２０の電波強度や中継装置１２０との距離が、通信モードの切り換えが必要ない範囲にある間、タイミング生成装置１３０の電源を省電力モード（スリープモード）にして、電力の消費を抑制する。

切換送信部１７２は、通信判定部１７０の判定が否から可となった場合、直接通信モードから中継通信モードへの切換を指示する切換情報を複数の無線機１１０に一斉に送信し、通信判定部１７０の判定が可から否となった場合、中継通信モードから直接通信モードへの切り換えを指示する切換情報を、中継装置１２０を介して複数の無線機１１０に一斉に送信する。

後述するように、無線機１１０は、かかる切換情報を受けて、無線機自体の通信モードを、直接通信モードから中継通信モードに、または、中継通信モードから直接通信モードに切り換える。ここでは、鉄道車両１０２内の無線機１１０が、それぞれの位置における中継装置１２０の電波強度の違いまたは中継装置１２０との距離の違いに拘わらず、タイミング生成装置１３０の切換情報に従って、一度に通信モードを変更するため、それぞれの通信モードが同期し、無線機１１０間の安定した無線通信を実行することが可能となる。

また、無線機１１０は、タイミング生成装置１３０からの切換情報に従いさえすれば、他の無線機１１０との同期をとれるので、それぞれで中継装置１２０の電波強度または距離をセンシティブに導出しなくて済むので、例えば、他の無線機１１０との無線通信処理に集中することができる。

切換送信部１７２は、中継エリア１４と直接エリア１６との境界を跨ぐ度に切換情報を１回送信すれば足りるが、無線機１１０の位置やその近傍の電波環境によっては、その１回の切換情報を正常に取得できない場合もある。したがって、切換送信部１７２は、所定の時間間隔で切換情報を２回以上予備的に送信してもよい。こうすることで、無線機１１０の通信モードの切換漏れを防止することができる。ただし、当該無線通信システム１００では、特定の通信周波数を複数の鉄道車両１０２で共通に利用していることから、他の鉄道車両１０２内の無線機１１０を妨害しないよう、切換情報を送信する回数に上限を設けるのが望ましい。

直接通信モードにおいて、各無線機１１０は、特定の１の通信周波数を利用し、その特定の通信周波数によって受信を待ち受けるので、タイミング生成装置１３０の切換送信部１７２は、同通信周波数によって切換情報を送信する。したがって、直接通信モードから中継通信モードへの切換情報を送信するタイミングで、任意の無線機１１０間で無線通信が実行されていると、その通信周波数を利用することができない。この場合、切換送信部１７２は、任意の無線機１１０間の無線通信が終了してからその通信周波数を用いて速やかに切換情報を送信する。

このとき、任意の無線機１１０が無線通信をしている間、他の無線機１１０も通信周波数を利用できないため、通信モードの切換遅延が他の無線機１１０の無線通信の利便性に影響することはなく、通信モードの切換漏れも基本的には生じない。

（無線機１１０）
図５は、無線機１１０の電気的な構成を示した機能ブロック図である。無線機１１０は、鉄道車両１０２等の移動体内で乗務員に携帯され、送受信回路１５０と、アンテナ１５２と、位置検出部１５４と、メモリ１５６と、中央制御部１５８と、操作部１６０と、音声入力部１６２と、音声出力部１６４と、表示部１６６とを含んで構成される。また、無線機１１０における中央制御部１５８は、通信判定部１７０、切換受信部１８０、モード切換部１８２としても機能する。

上述したように、無線機１１０の構成はタイミング生成装置１３０と基本的に等しい。したがって、図３を用いてタイミング生成装置１３０として既に述べた送受信回路１５０と、アンテナ１５２と、位置検出部１５４と、メモリ１５６と、中央制御部１５８と、通信判定部１７０とは、実質的に機能が等しいので重複説明を省略し、機能の異なる、操作部１６０と、音声入力部１６２と、音声出力部１６４と、表示部１６６と、切換受信部１８０と、モード切換部１８２とを主として説明する。

操作部１６０は、ＰＴＴ（Push To Talk）を含む、操作キー、十字キー、ジョイスティック、ジョグダイヤル、タッチパネル等で構成され、ユーザの操作入力を受け付ける。音声入力部１６２は、マイク、入力アンプ、ＬＰＦ（Low Pass Filter）等で構成され、マイクで収音された音声を電気的な音声信号に変換し、中央制御部１５８に出力する。

音声出力部１６４は、出力アンプ、スピーカ等で構成され、中央制御部１５８が出力した音声信号を音声として出力する。表示部１６６は、液晶ディスプレイ、有機ＥＬ(Electro Luminescence)ディスプレイ、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）ディスプレイ等で構成され、中央制御部１５８の制御指令に応じて、文字パターン（英字、数字も含む）やアイコン（図形）等、無線通信に関する様々な情報を表示する。

切換受信部１８０は、タイミング生成装置１３０から送信される切換情報に従って、無線機自体の通信モードを、中継通信モードまたは直接通信モードに切り換える。

本実施形態では、無線機１１０がタイミング生成装置１３０の切換情報に従って、一度に通信モードを切り換えることを特徴としている。したがって、直接エリア１６において、無線機１１０は、他の無線機１１０との無線通信を行っている間以外では、特定の通信周波数でタイミング生成装置１３０からの切換情報の待受状態となり、タイミング生成装置１３０からの切換情報を受けて、中継装置１２０の制御チャンネルの待受状態に切り換わる。また、中継エリア１４において、無線機１１０は、中継装置１２０が提供する無線チャンネルを待ち受け、タイミング生成装置１３０によって間接的に無線機１１０の受信周波数が変更され、タイミング生成装置１３０からの切換情報を受けて、特定の通信周波数の待受状態に切り換わる。

図６は、鉄道車両が中継エリア１４から直接エリア１６に移動する際の通信モードの切換を説明するための説明図である。中継エリア１４において、図６（ａ）に示すように、無線通信を行っていない無線機１１０は、（１）中継装置１２０の制御チャンネルを受信している。したがって、タイミング生成装置１３０は、中継装置１２０の電波強度や中継装置１２０との距離に応じて、通信モードを直接通信モードに切り換えるべきと判断すると、（２）中継装置１２０に対し、特定の通信周波数への割り当てを要求し、中継装置１２０は、制御チャンネルを通じて各無線機１１０にその特定の通信周波数に最優先で切り換えさせる信号を送信する。各無線機１１０は、その切換指示を受け、無線機自体の通信周波数を直接通信モードにおける特定の通信周波数に変更し、タイミング生成装置１３０は、（３）特定の通信周波数を通じて切換情報を無線機１１０に送信する。

また、図６（ｂ）に示すように、無線通信を実行している無線機１１０は、（１）通話チャンネルによって通話しているので、所定の期間が経過するまで制御チャンネルを受信することができない。しかし、通話チャンネルには制御情報が重畳されており、タイミング生成装置１３０が（２）中継装置１２０に対し、特定の通信周波数への割り当てを要求すると、無線通信の受信状態にある無線機１１０では、（３）その制御情報を受信して、タイミング生成装置１３０が通信周波数の変更を所望していることを把握できるので、通話チャンネルによる無線通信を停止し、無線機自体の通信周波数を強制的に特定の通信周波数に変更することができる。タイミング生成装置１３０は、（４）特定の通信周波数を通じて切換情報を無線機１１０に送信する。

ただし、無線通信の送信状態にある無線機１１０では、制御情報を受信することができないので、その通信状態によっては特定の通信周波数への切換タイミングを逃すおそれがある。この場合、後述するモード切換部１８２による自発的な通信モードの切り換えによって特定の通信周波数への切り換えが実行される。

無線通信システム１００は、あくまで電波を用いるシステムなので、鉄道車両１０２内の複数の無線機１１０は、その位置や近傍の電波環境が異なると、タイミング生成装置１３０との無線通信を確立できない場合（切換情報を受信できない場合）がある。また、無線機１１０の電源が、切換情報が送信された後に投入された場合、タイミング生成装置１３０がいずれの通信モードを送信したのか把握することができない。さらに、タイミング生成装置１３０が不調であったり、停止している場合に、適切な切換情報が送信されない可能性もある。かかる場合において、タイミング生成装置１３０からの切換情報にのみ依存すると、無線機１１０の通信モードが異なる状態に陥り、有効な無線通信を実行できなくなるおそれがある。そこで、無線通信システム１００では、このようなイレギュラーな場合に、各無線機１１０が自発的に通信モードを設定または切り換えることが可能となるようにモード切換部１８２を設けている。

モード切換部１８２は、通信判定部１７０の判定が否から可となった場合、無線機自体の通信モードを直接通信モードから中継通信モードへ切り換え、通信判定部１７０の判定が可から否となった場合、無線機自体の通信モードを中継通信モードから直接通信モードへ切り換える。

ただし、モード切換部１８２をタイミング生成装置１３０の切換送信部１７２と並行して動作させると、鉄道車両１０２内の無線機１１０の位置によっては、モード切換部１８２が、切換送信部１７２からの切換情報を受信する前に通信モードを切り換えてしまい、やはり各無線機１１０で通信モードが異なることになる。本実施形態では、タイミング生成装置１３０と無線機１１０との通信モードの切り換えのタイミングを異ならせて、このような事態を回避する。

例えば、モード切換部１８２は、直接エリア１６から中継エリア１４へ移動したときの通信モードの切り換えに用いる所定の閾値を、切換送信部１７２が用いる所定の閾値より高くすることで、切換送信部１７２より先に中継通信モードに切り換わるのを回避し、また、中継エリア１４から直接エリア１６へ移動したときの通信モードの切り換えに用いる所定の閾値を、切換送信部１７２が用いる所定の閾値より低くすることで、切換送信部１７２より先に中継通信モードに切り換わるのを回避する。こうして、結果的に、タイミング生成装置１３０のヒステリシス特性の閾値の差より、無線機１１０のヒステリシス特性の閾値の差が大きくなる。

（中継装置１２０）
図７は、中継装置１２０の電気的な構成を示した機能ブロック図である。中継装置１２０は、停車駅１２近傍に固定的に設置され、送受信回路１９０と、アンテナ１９２と、メモリ１５６と、中央制御部１５８とを含んで構成される。また、中継装置１２０における中央制御部１５８は、トランキング制御部１９４としても機能する。図３を用いてタイミング生成装置１３０として既に述べたメモリ１５６と、中央制御部１５８とは、実質的に機能が等しいので重複説明を省略し、機能の異なる送受信回路１９０と、アンテナ１９２と、トランキング制御部１９４とを主として説明する。中継装置１２０は、主として、停車駅１２近傍における無線機１１０同士、または、タイミング生成装置１３０と無線機１１０とを中継する役割を担う。

送受信回路１９０は、複数の無線通信回線によって無線通信を実行できるように複数（ここでは５つ）設けられ、アンテナ１９２も送受信回路１９０の無線通信回線の数に応じて複数設けられている。送受信回路１９０は、無線通信回線毎に、中央制御部１５８が出力した音声信号、テキスト信号および制御信号を高周波に変調し、アンテナ１９２を通じて送信すると共に、アンテナ１９２を通じて受信した音声信号、テキスト信号および制御信号を復調して中央制御部１５８に出力する。送受信回路１９０は、制御チャンネルを介して、各無線機１１０からの発呼要求を受け付ける。

トランキング制御部１９４は、送受信回路１９０を通じ、複数（例えば４つ）の通話チャンネルと１つの制御チャンネルとを用いて、無線通信システム１００内の複数の無線機１１０間の通話を制御する。トランキング制御部１９４は、図１を用いて説明したように、例えば、（１）制御チャンネルを通じ、無線機１１０から無線通信を所望する他の無線機の識別情報を受信し、（２）その識別情報をメモリ１５６に記憶している識別情報と照合し、照合結果に基づいて、識別情報に対応する他の無線機１１０との無線通信を試み、他の無線機１１０が無線通信可能であることを確認して、空いている通話チャンネルを両無線機１１０に割り当て、（３）その通話チャンネルを通じて両無線機１１０に無線通信を開始させる。

また、トランキング制御部１９４は、中継装置１２０からの制御指令に応じて、制御チャンネルまたは通信チャンネルを通じ、無線通信システム１００内の無線機１１０に通信周波数を特定の通信周波数に変更するよう指令することができる。

以上、説明した無線通信システム１００では、複数の無線機の通信モードの切換タイミングを合わせることで、中継エリア１４と直接エリア１６との境界における新旧の通信モードが異なる状態となる時間がなくなり、無線機１１０を発呼したが応答しないといった事態を回避することができる。こうして、無線機１１０の鉄道車両１０２の位置に拘わらず、無線機間の安定した無線通信を実行することが可能となる。

また、タイミング生成装置１３０の切換情報により、無線機１１０の通信モードが自動的に切り換わるため、例えば、鉄道における運転手や車掌は、煩雑な通信モードの手動切換を行わなくてよくなり、安全確認等の業務に集中することができる。

（無線通信方法）
次に、上述した無線通信システム１００を用いて、無線通信を実行する無線通信方法について説明する。図８は、無線通信方法の切換処理の流れを示したフローチャートであり、図９は、無線通信方法の全体的な処理の流れを示したシーケンス図である。

図８（ａ）のフローチャートを参照すると、タイミング生成装置１３０の通信判定部１７０は、タイマの計時により所定の時間が経過すると（Ｓ２５０におけるＹＥＳ）、送受信回路１５０を通じ、中継装置１２０の電波強度を測定させ、中継装置１２０との無線通信の可否を判定する（Ｓ２５２）。

タイミング生成装置１３０の切換送信部１７２は、現在の通信モードが直接通信モードであって（Ｓ２５４におけるＹＥＳ）、通信判定部１７０が中継装置１２０との無線通信が可能と判定した場合（Ｓ２５６におけるＹＥＳ）、タイミング生成装置１３０と無線機１１０、または、無線機１１０同士が中継装置１２０を中継して無線通信を行う中継通信モードへの切換を指示する切換情報を無線機１１０に送信し（Ｓ２５８）、通信判定部１７０が中継装置１２０との無線通信が不可能となりそうと判定した場合（Ｓ２５６におけるＮＯ）、切換情報は送信しない。

タイミング生成装置１３０の切換送信部１７２は、現在の通信モードが中継通信モードであって（Ｓ２５４におけるＮＯ）、通信判定部１７０が中継装置１２０との無線通信が不可能となりそうと判定した場合（Ｓ２６０におけるＮＯ）、中継装置１２０を介さず、タイミング生成装置１３０と無線機１１０、または、無線機１１０同士で無線通信を直接行う直接通信モードへの切り換えを指示する切換情報を無線機１１０に送信し（Ｓ２６２）、通信判定部１７０が中継装置１２０との無線通信が可能と判定した場合（Ｓ２６０におけるＹＥＳ）、切換情報は送信しない。

図８（ｂ）のフローチャートを参照すると、無線機１１０の切換受信部１８０は、タイミング生成装置１３０から切換情報を受信すると（Ｓ２７０におけるＹＥＳ）、その切換情報が中継通信モードへの切換を指示する場合（Ｓ２７２におけるＹＥＳ）、すでに中継通信モードに切り換わっているか否か判定し（Ｓ２７４）、直接通信モードであれば（Ｓ２７４におけるＮＯ）、無線機自体の通信モードを、中継通信モードに切り換える（Ｓ２７６）。また、その切換情報が直接通信モードへの切換を指示する場合（Ｓ２７２におけるＮＯ）、すでに直接通信モードに切り換わっているか否か判定し（Ｓ２７８）、中継通信モードであれば（Ｓ２７８におけるＮＯ）、無線機自体の通信モードを、直接通信モードに切り換える（Ｓ２８０）。

図９では、２つの無線機１１０ａ、１１０ｂと中継装置１２０とタイミング生成装置１３０とを挙げて説明する。例えば、直接エリア１６において、２つの無線機１１０ａ、１１０ｂは、直接通信モードによる直接の無線通信を行う（Ｓ３００）、２つの無線機１１０ａ、１１０ｂを含め無線通信が行われていないときに通信判定部１７０が中継装置との無線通信が可能となったと判定すると（Ｓ３０２）、切換送信部１７２は、中継通信モードに切り換えさせるための切換情報を各無線機１１０に送信する（Ｓ３０４）。かかる切換情報を受けて、無線機１１０ａ、１１０ｂは、中継通信モードに切り換える（Ｓ３０６）。

中継通信モードでは、各無線機１１０ａ、１１０ｂは、中継装置１２０からの制御チャンネルを受信する（Ｓ３０８）。任意の無線機１１０ａが、無線機１１０ｂとの無線通信を試みると、制御チャンネルを通じて、無線機１１０ｂの識別情報を中継装置１２０に送信し（Ｓ３１０）、中継装置１２０は、無線機１１０ｂが無線通信可能であることを確認して、空いている通話チャンネルを両無線機１１０ａ、１１０ｂに割り当てる（Ｓ３１２）。両無線機１１０は割り当てられた通話チャンネルを通じ、中継装置を介して無線通信を開始する（Ｓ３１４）。

タイミング生成装置１３０の通信判定部１７０は、中継通信モードの間であっても、中継装置１２０との通信可否を判定しており、無線機１１０ａ、１１０ｂの無線通信が完了した後、通信判定部１７０の判定が否となると（Ｓ３１６）、切換送信部１７２は、中継装置１２０に特定の通信周波数への割り当てを要求するための切換情報を送信し（Ｓ３１８）、中継装置１２０は、制御チャンネルを通じてその特定の通信周波数に最優先で切り換えさせる信号を通じて無線機１１０ａ、１１０ｂに切換情報を送信し（Ｓ３２０）、無線機１１０ａ、１１０ｂは、再び、直接通信モードに切り換わる（Ｓ３２２）。

かかる無線通信方法においても、複数の無線機の通信モードの切換タイミングを合わせることで、移動体の位置に拘わらず、無線機間の安定した無線通信を実行することが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上述した実施形態では、無線機１１０とタイミング生成装置１３０とを異なる装置として説明しているが、無線機１１０の中央制御部１５８を通信判定部１７０、切換送信部１７２として機能させることで、無線機１１０をタイミング生成装置１３０として利用することもできる。

なお、本明細書の無線通信方法における各工程は、必ずしもフローチャートやシーケンス図として記載された順序に沿って時系列に処理する必要はなく、並列的あるいはサブルーチンによる処理を含んでもよい。

本発明は、中継装置を介して無線通信を行う中継通信モードと無線機同士で直接無線通信を行う直接通信モードとを切り換える無線通信システム、タイミング生成装置および無線通信方法に利用することができる。

１００ …無線通信システム
１１０ …無線機
１２０ …中継装置
１３０ …タイミング生成装置
１７０ …通信判定部
１７２ …切換送信部
１８０ …切換受信部

Claims (6)

1. 中継装置と、タイミング生成装置と、無線機とがそれぞれ無線通信可能な無線通信システムであって、
   前記タイミング生成装置は、
   前記中継装置との無線通信の可否を判定する通信判定部と、
   前記通信判定部の判定が可となった場合、前記タイミング生成装置と前記無線機、または、前記無線機同士が前記中継装置を中継して無線通信を行う中継通信モードへの切換を指示する切換情報を前記無線機に送信し、前記通信判定部の判定が否となった場合、前記中継装置を介さず、前記タイミング生成装置と前記無線機、または、前記無線機同士で無線通信を直接行う直接通信モードへの切り換えを指示する切換情報を、前記中継装置を介して前記無線機に送信する切換送信部と、
   を備え、
   前記無線機は、
   前記切換情報に従って、無線機自体の通信モードを、前記中継通信モードまたは前記直接通信モードに切り換える切換受信部
   を備えることを特徴とする無線通信システム。
2. 中継装置または無線機と無線通信可能なタイミング生成装置であって、
   前記中継装置との無線通信の可否を判定する通信判定部と、
   前記中継装置通信判定部の判定が可となった場合、前記タイミング生成装置と前記無線機、または、前記無線機同士が前記中継装置を中継して無線通信を行う中継通信モードへの切換を指示する切換情報を前記無線機に送信し、前記通信判定部の判定が否となった場合、前記中継装置を介さず、前記タイミング生成装置と前記無線機、または、前記無線機同士で無線通信を直接行う直接通信モードへの切り換えを指示する切換情報を、前記中継装置を介して前記無線機に送信する切換送信部と、
   を備えることを特徴とするタイミング生成装置。
3. 前記通信判定部は、前記中継装置の電波強度に応じて無線通信の可否を判定することを特徴とする請求項２に記載のタイミング生成装置。
4. 前記タイミング生成装置の平面位置を検出する位置検出部をさらに備え、
   前記通信判定部は、予め設定された前記中継装置の平面位置から、前記位置検出部で検出された前記タイミング生成装置の平面位置までの距離に応じて無線通信の可否を判定することを特徴とする請求項２または３に記載のタイミング生成装置。
5. 前記通信判定部は、予め設定された前記中継装置の平面位置から、前記タイミング生成装置の平面位置を検出する位置検出部で検出された平面位置までの距離に応じて前記タイミング生成装置の電源を省電力モードに切り換えることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載のタイミング生成装置。
6. 中継装置または無線機と無線通信可能なタイミング生成装置を用いた無線通信方法であって、
   前記タイミング生成装置は、
   前記中継装置との無線通信の可否を判定し、
   前記判定が可となった場合、前記タイミング生成装置と前記無線機、または、前記無線機同士が前記中継装置を中継して無線通信を行う中継通信モードへの切換を指示する切換情報を前記無線機に送信し、前記判定が否となった場合、前記中継装置を介さず、前記タイミング生成装置と前記無線機、または、前記無線機同士で無線通信を直接行う直接通信モードへの切り換えを指示する切換情報を前記無線機に送信し、
   前記無線機は、
   前記切換情報に従って、無線機自体の通信モードを、前記中継通信モードまたは前記直接通信モードに切り換えることを特徴とする無線通信方法。

Images