JP4500237B2 - 通信システムに用いる無線機 - Google Patents

Description

本発明は、無線システムに係り、特に限られた周波数内で実効チャネル数を増加させた準ミリ波帯小電力データ通信システム用の無線システムに関する。

無免許で無線通信できる小電力データ通信システムが既に実用化されている。このようなシステムは免許が不要で使い易い一方、誰がどのように使用しているか不明であるので、通常の機器においては干渉検出を行い、干渉があれば他の空チャネルで通信するか、干渉がなくなるまで通信を中断している（例えば特許文献１乃至３参照）。更に利用者が増えれば、事実上新たな通信はできなくなる。

これは、免許制のシステムと異なり、通信チャネルを占用できるように確保されているわけではなく、空チャネルがあれば使えるという無免許システムの性質上、止むを得ないことではあるが、機器を設置した利用者は困ることになる。

特開２００１−４５５３８号公報 特開平５−３０００４７号公報 特開平５−２０６９４２号公報

従来の無線システムでは、チャネルの使用状況によっては空チャネルが不足し、利用者が新たに機器を設置しても、十分に通信できない可能性がある、という問題があった。そのため、限られた周波数帯で実効的にチャネル数を増やすような方策が望まれていた。
本発明は、上述した背景からなされたものであり、実効チャネル数を増大させた無線システムを提供することを目的とする。

本発明は、免許を要しない準ミリ波帯小電力データ通信システム用の無線システムにおいて、２４dB以上の交差偏波特性を有するアンテナを備え、複数の偏波面を選択的に使用して実効チャネル数を増加させたことを特徴とする無線システムを開示する。

更に、本発明は、前記偏波面の選択は、設置時にそれぞれの偏波面での空きチャネルを検出し、空きチャネルの多い方の偏波面にあわせてアンテナを設置することを特徴とする無線システムを開示する。

更に、本発明は、前記アンテナは、正面からの形状が正方形の箱型の無線機と一体に構成され、
前記無線機は、前記正方形の各辺が支柱と略４５度の角度をなすように支柱に固定されることを特徴とする無線システムを開示する。

更に、本発明は、前記無線機は、背面の各辺付近、若しくは縁の中央部に、外部接続用の端子を設けたことを特徴とする無線システムを開示する。

更に、本発明は、前記無線機の上方に前記無線機とは独立に前記支柱に固定される略４５度の三角屋根構造のフードを備えたことを特徴とする無線システムを開示する。

更に、本発明は、前記無線機の背面中央、その他の１点にボスを有し、無線機を背面から固定するアンテナ固定部の中心に前記背面中央に設けられたボスと嵌合する穴と、前記他の一点に設けられたボスが嵌合しスライドできる円弧穴を設け、偏波面の切替時には前記背面中央のボスを軸としてもう一方のボスを前記円弧穴をスライドさせながら無線機を回転させる構造とした無線システムを開示する。

本発明にかかる無線システムによれば、偏波交差特性の良いアンテナを使用することにより、実効チャネル数を増大させことができる。

本発明は、直交した偏波面の電波は互いに影響を受けずに使用できるという電波の性質を利用したものである。これにより、無免許の準ミリ波帯小電力データ通信システムでも、偏波特性を重視したアンテナを使用することにより、実効的なチャネル数を増やすことが可能である。

図１は、最良の形態における無線システムのアンテナ利得の特性図である。このアンテナは、絶対利得３１dBi、半値角４度という鋭い指向性を持ったビームアンテナであり、図１は正規偏波面と直交時の利得を、正規偏波面における最大利得（ビーム中央の利得）で正規化して示してある。なお−２０dBから−３０dBの間で直線で描かれた特性は目標仕様であるが、現在の技術では、Ｈ面、Ｅ面ともに３０dB以上のアンテナ交差偏波特性を容易に確保することができる。

図２は、無線システムの配置例である。１つの無線システム１は、アンテナを備えた無線機１１と１２からなり、対向するように配置して互いに無線通信を行う。ここで新たに無線機２１、２２からなる別の無線システム２が、アンテナの指向性が重なるような位置で並設され、同一周波数のチャネルを使用して通信したとする。そのとき無線機１１と２２、及び１２と２１が互いに対向するので少なからず干渉しあうが、無線システム１と２で互いに偏波面を異ならせることにより、交差偏波特性分だけ干渉が低減する。
今、Ｃ／Ｎ＝１６dB程度で理論上復調可能な１６ＱＡＭを想定し、妨害波劣化を１dBとする。これは、無線システム１のみであればＣ／Ｎ＝１７dBが確保できていたところに無線システム２が並設されＣ／Ｎ＝１６dBに悪化したことになるので、干渉量（対キャリア）はおよそ、
０−１０×ｌｏｇ（１０_-1.6−１０_-1.7）=２４dB
となり、図２のように同距離を伝搬してきたほぼ同レベルの信号であれば、交差偏波特性に対しまだ６dB余裕がある。

図３は、無線システムの他の配置例である。無線機１１と１２、無線機２１と２２はそれぞれ最大伝送距離ｌ₁の間隔で対向し、無線システム１と２は伝送路が並行に近接し、無線機１２と２２がｌ₂だけ離れるように配置されている。この配置における無線機１１と２２は、距離がｌ₂だけ短くなったため干渉が更に顕著になるが、図２の配置で６dBの余裕があったことから、６dBの減衰に相当する距離までｌ₂を大きくしても問題なく復調できる。

一般に、本実施形態で想定している準ミリ波帯（例えば24.75〜25.25ＧＨｚ、27〜27.5ＧＨｚ）のような周波数における伝搬損失は、２０ｌｏｇ（距離）で表される自由空間損失と同等なため、６dBの距離相当は１／２つまり
ｌ₂＝ｌ₁／２
である。

図４は、無線機の設置可能範囲を示す図である。扇形の領域abcは正規の無線機間（無線機１１と１２）で通信可能な範囲を示し、扇の角度θはアンテナの半値角である。
他の無線システムの無線機２２を無線機１１と対向するような向きで領域abc内に設置することを考えた場合、無線機１１から距離ｌ_３以上離れた領域dbceでは干渉が許容できるが、ｌ_３よりも接近した領域adeでは干渉が許容できない（但し、ｌ_３＝ｌ₁／２）。
領域dbceの面積は領域abcの面積の３／４であるので、本実施形態により、領域abc内での周波数再利用率は７５％となり、これはチャネル数が実効的に７／４倍になったことに相当する。２種類の偏波を使うという原理上、２倍以上になることは期待できないから、７／４倍は効果として妥当な値であり、交差偏波特性３０dBはほぼ、必要かつ十分な値と言える。もし、交差偏波特性を重視せず２０dB程度に設計すると、図２のような並設配置であっても同一周波数での通信は成り立たなくなる。図１のような運用形態が多く予想されることから少なくとも２４dB以上の交差偏波特性を有することが望ましい。

以上の図３、図４の説明では、最大通信距離で最大出力を出して通信する場合を想定した。無線機１１と１２の距離がそれより短くなった場合、通信できる最低限の出力（つまりＣ／Ｎ＝１７dB確保できる出力）に低下させるが、そのときの通信距離の半分の距離まで無線機１１と２２が近づいても、無線機１１のＣ／Ｎを確保する様無線機１２の出力を上げるので、干渉は許容できる。すなわち、一方の無線システム１が最低出力で開始し、もう一方の無線システム２が最大出力でも、実効チャネル数は従来に比べて７／４倍以上である。無線機１１から無線機２２への干渉は図４のｌ₁が短くなった場合無線機１１の出力が減るので問題はない。

次に偏波面の選択方法を説明する。無線機を設置する場合、まず水平偏波及び垂直偏波で空きチャネル数を測定する。水平偏波と垂直偏波の切替はアンテナを９０°回転させて行う。
その結果、空きチャネルの多い方の偏波面がわかるので、その偏波面にアンテナを固定して無線機を使用する。これは、できるだけ空きチャネルが多いほうが将来に亘って快適な無線環境が使用できるからである。

図５は、本実施例の小電力データ通信システムの無線機の構成図である。本無線機は２５ＧＨｚ帯でＴＤＤにより対向無線器と１対１の無線送受信を行い、ＬＡＮを接続するものであり、最大通信距離は約１ｋｍ、最大通信速度は１５０Ｍｂｐｓである。本無線機は主に、アンテナと、ＲＦｕｎｉｔと、変復調ＬＳＩと、フレーム処理部と、メモリ転送部と、ＬＡＮ制御部と、制御部などからなり、図５に示された構成がアンテナも含め一体に構成されている。なお、ＲＦｕｎｉｔは、図示しないミキサ、局部発振器、帯域通過フィルタ等を備え、周波数変換も行う。また、空きチャネルの情報などは、本無線機のＩＰアドレスにｔｅｌｎｅｔでリモートログインし、適当なコマンドを用いて取得できるようにしてもよい。

図６は、無線機の取り付け例を示す背面図であり、（ａ）と（ｂ）は偏波面を９０度異ならせた場合に対応する。
１１は無線機であり、正面からの形状が正方形の箱型をしており、正面側にアンテナ、背面側に無線回路などが収納されている。アンテナとしては正方形状の平面アンテナ（例えば導波管スロットアレー）を用いる。
１１１は導入端子（接栓）であり、これを介して外部から電源を供給し、電気信号を入出力する。信号線は例えばＬＡＮケーブル（１００ＢＡＳＥ−Ｔｘ）でありＰｏＥ（Power over Ethernet（登録商標））により電源も一緒に供給される。導入端子１１１は例えば防水型ケーブルクランプ（キャプコン）である。
１３は支柱（ポール）であり、通常は地面（水平面）に鉛直若しくは水平に設置される。そして無線機１１は、取付金具１６（図８参照）を介して無線機１１の４つの縁（箱の壁面）が支柱に対して４５度の角度になるように支柱１３に固定される。

図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、偏波面を変える場合、無線機の取り付け角度を９０度回転させるが、いずれの角度で取り付けても導入端子及びそこから延びるケーブルが支柱１３にぶつからないように、無線機１１の背面側の辺の中央部に導入端子１１１を配置してある。

図７は、無線機の他の取り付け例を示す背面図である。このように無線機１１の縁（の中央部）に導入端子１１２を設けても、支柱１３との干渉を防ぐことができる。

図８、図９、図１０はそれぞれ実施例１の無線機等の背面斜視図、正面斜視図、左側面図である。
１５はフードであり、オプションとして無線機の上方を覆うように取り付けられ、主に積雪地帯において無線信号の減衰の原因となる無線機正面（アンテナ放射面）への着雪を防止する。また、風雨や落下物、日光の輻射熱などから無線機を守り、信頼性が向上する効果もある。フード１５は、例えば加工が容易な板金製であり、約４５度傾斜の三角屋根構造となっている。フード１５や無線機１１の正面には雪氷付着防止剤を塗布してもよい。
１６は取付金具であり、無線機１１を支柱１３に固定する。取付金具１６は支柱１３と挟着して固定するためのクランプ機構と、図１０に示すようにアンテナビームの上下チルトを調整可能に固定するためのチルト機構を備える。また、無線機１１は取付金具１６を介し、少なくとも取り付け角度が９０度異なる２つの位置で支柱と固定できるようになっており、これは例えば無線機１１と取付金具１６とのねじ止め孔が、４回回転対称に配置されることにより達成される。
１７は取付金具であり、フード１５を支柱１３に固定する。このように、フード１５を直接無線機１１に設けずに、別個に支柱に固定するようにしたので、風圧などのフード１５が受ける荷重により無線機１１が変形したり、ビーム方向がずれたりすることがない。

図１１は、実施例１で示した図８〜図１０の無線機等の外観図から、フード１５及びフード１５を取付けるための金具１７を取除いた部分を再掲したもので、上面図、正面図、側面図及び背面図として示している。無線機１１の内部構成は図５に示したのと同じとする。またケーブル等の導入端子１１１、１１２等は図示を省略している。この構成の無線機を設置する場合、水平偏波と垂直偏波のどちらに空きチャネルが多いかをしらべ、空きの多い方の偏波面を利用するように、無線機１１と一体となったアンテナの取り付けを行う。

しかし、何らかの理由によって利用する偏波面を変更する場合もある。例えば、使用中の偏波面の利用者がふえてきて干渉による通信不能状態が多発するようになったときにこのような変更が必要になる。この利用偏波面の変更を行うには、図１１のアンテナ固定部３０及び３１を取替える必要があり、大きな工数が必要となる。

図１２は、この利用偏波面変更への対応を容易とする構造の実施例を示したもので、背面から見た無線機１１（即ち無線機本体）とアンテナ固定部３１ａ（図１１のアンテナ固定部３１に代わる部材）の構造のみを示しており、上面図、正面図、及び側面図は従来構造の図１１と同じであるので図示を省略している。また、４個のボルト３２をはずして無線機１１とアンテナ固定部３１ａをばらばらにした状態で示した見取図も示している。図示のように無線機１１背面（アンテナ面と反対側の面）には２つのボス（円柱状突起）３３，３４とボルト３２用の４個のねじ穴３７が設けられている。またアンテナ固定部３１ａにはアンテナ仰角調整用の円弧穴３９の他に、ボス３３を受ける穴３５，ボス４４を受ける円弧穴３６と、ボルト３２が貫通する４個の穴３８が設けられている。

４個のねじ穴３７は、ボス３３を中心とする正方形の頂点に位置し、無線機１１がアンテナ固定部３０、３１ａを介してアンテナ固定用ポール１３に取り付けられたとき、無線機１１と一体のアンテナの辺が水平と４５゜の角度をなすように配置されている。アンテナ固定部３１ａの４個の穴３８はむろんねじ穴３７に対応して配置され、穴３８を中心とする正方形の４頂点に位置している。円弧穴３４は、ボス３３が穴３５に挿入された状態でボス３３を回転軸として無線機１１を９０゜回転できる弧長をもち、かつアンテナの偏波面がこの回転で水平偏波／垂直偏波となるように形成されている。

この図１２に示した実施例２の構造によると、４個のボルト３２を取筈し、無線機１１をボス３３を軸として９０°回転させ、その後４個のボルト３２を締付けるという作業でアンテナ偏波面の切り替えが行える。こうして従来のアンテナ固定部３０、３１交換を伴う切替え作業に比べれば、大幅に作業効率が向上する。

図１３は、図１２の実施例の変形例を示したもので、やはり無線機１１とアンテナ固定部３１ｂ（図１２のアンテナ固定部３ａに代わる部材）のみを示している。またアンテナ固定部３１ｂは無線機に接する面のみの形状を示している。この構造はボス３３、３４とこれを受けるアンテナ固定部３１ｂの穴３５、円弧穴３６は図１２と同一であるが、２個のねじ穴４０ａと２個のねじ穴４１ａはボス３３中心からの距離が異って設けられており、またアンテナ固定部３１ｂには２つの円弧穴４０が穴３５を中心に対称位置に設けられ、またこれら２つの円弧穴４０と直交して２つの円弧穴４１が穴３５を中止に対称位置に設けられている。そしてボルト４０ｃ、４０ｃが円弧穴４０、４０を貫通してねじ穴４０ａ、４０ａに締め付けられ、またボルト４１ｃ、４１ｃが円弧穴４１、４１を貫通してねじ穴４１ａ、４１ａに締め付けられることによって無線機１１とアンテナ固定部３１ｂが固定される。

この構造で、円弧穴３６と同様に円弧穴４０、４１を、無線機１１に一体化されたアンテナを９０°回転させたとき丁度ボルトが端部に位置するような形状とすることで、偏波面変更時には、４個のボルト４０ｃ、４０ｃ、４１ｃ、４１ｃをゆるめ、アンテナをボス３３を軸として回転させ、再びボルトを締め付けるという作業を行えばよい。こうして変更作業をさらに効率よく行うことができる。

以上の説明で、無線機の形状は正方形としたが、これに限るものではなく、アンテナの交差偏波特性がよければ円形、菱形、長方形等、どのような形状でも良い。また無線機とアンテナが一体化されたものに限らず、アンテナのみの場合にも適用できる。また偏波面は水平面（地表）に対し水平もしくは垂直の２つに限るものではなく、それぞれ伝送路に最適な角度にアンテナを回転させても良い。

最良の形態における無線システムのアンテナ利得の特性図 無線システムの配置例 無線システムの他の配置例 最良の形態における無線機の設置可能範囲を示す図 実施例１の小電力データ通信システムの無線機の構成図 実施例１の無線機の取り付け例を示す背面図 実施例１の無線機の他の取り付け例を示す背面図 実施例１の無線機等の正面斜視図 実施例１の無線機等の背面斜視図 実施例１の無線機等の左側面図 従来のアンテナ取付構造 アンテナ取付構造の第２の実施例 アンテナ取付構造の第２の実施例の変形例

符号の説明

１、２ 無線システム
１１、１２、２１、２２ 無線機
１３ 支柱
１５ フード
１６、１７ 取付金具
１１１、１１２ 導入端子（外部用端子）
３３、３４ ボス
３５、３８ 穴
３６、４０、４１ 円弧穴
３２，４０ｃ、４１ｃ ボルト
３７、４０ａ、４１ａ ねじ穴
３１、３１ａ、３１ｂ アンテナ固定部

Claims (1)

1. 通信システムに用いる、偏波面を切替可能な無線機において、
   直交した偏波面を持つアンテナを収納した正面側と、このアンテナにつながる無線機回路を収納した背面側と、を有する無線機本体と、
   この無線機本体を背面側から固定するためのアンテナ固定部と、
   を有し、
   上記無線機本体の背面側の背面中央、その他の１点にボスを設け、
   上記アンテナ固定部の中心に、前記背面中央に設けられたボスと嵌合する穴と、前記他の１点に設けられたボスが嵌合しスライドできる円弧穴と、を設け、
   偏波面の切替時に、前記背面中央のボスを軸としてもう一方のボスを前記円弧穴をスライドさせながら無線機本体をアンテナ固定部に対して回転させて無線機本体をアンテナ固定部に取り付けるものとした、通信システムに用いる無線機。

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