JP5002577B2

JP5002577B2 - 無線通信システム

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Publication number: JP5002577B2
Application number: JP2008317379A
Authority: JP
Inventors: 順一中村
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2008-12-12
Filing date: 2008-12-12
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2028-12-12
Also published as: JP2010140352A

Description

本発明は、たとえば、狭域無線通信を利用した無線通信システムで、有料道路の料金収受を行なうＥＴＣ（ＥＴＣ：登録商標）システム（有料道路自動料金収受システム）などに利用して好適な無線通信システムに関する。

たとえば、狭域無線通信（ＤＳＲＣ）を利用した無線通信システムとして、ＥＴＣシステム（有料道路自動料金収受システム）が知られている。ＥＴＣシステムは、周知のように、移動体である車両（自動車）に移動局（車載器）を搭載して、地上に設置された基地局との間でマイクロ波を用いた無線通信によりデータのやりとりを行なうことにより通行料金の収受処理を行なうものである。
このような狭域無線通信を利用したＥＴＣシステムでは、基地局において、狭域無線通信の特徴である狭指向性アンテナを用いて移動局との無線通信電波圏を形成している（たとえば、特許文献１参照）。

また、狭域無線通信を利用したＥＴＣシステムでは、ＤＳＲＣの狭域無線通信の特性を利用して、限られた範囲で通信を行なうことで課金処理などを行なっている。しかし、料金所の構造体や、車両の電波反射により、電波が予期せぬ場所に漏れてしまい、想定していない場所での通信を行ない、最悪は誤った課金処理などを行なうことがある。
そこで、従来は、これを防ぐために電波吸収体を設置することで、不要な電波の反射を防止していた（たとえば、特許文献２参照）。
特開２００５−２２９３００号公報特開２００１−１３４７９５号公報

ＥＴＣシステムに用いられる５．８ＧＨｚ帯のＤＳＲＣの狭域無線通信における電波反射の特質を述べると、ＤＳＲＣの電波は比較的直進性が強く、その性質を利用して、路側無線装置（基地局）の路側アンテナによって電波ビームともいえる電波の通信圏（無線通信電波圏）を形成することができる。しかし、路面、構造物、車両などの金属には、電波を反射する性質があるため、本来、狭域無線通信であるＤＳＲＣの電波が、反射により別の場所に飛来してしまうことがある。

車載器（移動局）は、この飛来した想定外の電波に対して反応し、応答の電波を発してしまう。その電波は、路側無線装置からの電波と同じ経路をたどって、路側無線装置に戻ってくる性質があり、たとえば、タンクローリ車両の後部の形状で、路側無線装置からの電波が反射して隣接レーンの車両に搭載された車載器へ届いた場合、それに反応した車載器の電波は、路側無線装置からの電波経路を折り返し同じタンクローリ車両の後部で反射して路側無線装置に届くことになる。これは、逆には、電波を発した路側アンテナに対して帰ってくる車載器の電波は、少し横にずれた別の受信専用のアンテナでは、受信しにくくなることになる。

このように、電波吸収体による電波の反射防止は、構造体の電波反射を防ぐことが可能であるが、車両の電波反射によって、隣接レーンに漏れてしまう事象は防ぐことができない。また、電波吸収体自体が非常に高価な上、使用寿命があり、保守部材としても事業者の負担にもなる。さらに、電波の反射は、車両の形状によりランダムに起こってしまうため、電波吸収体の設置範囲、場所などが特定できず、闇雲に貼ることになる一方、その効果がわからないといった問題もある。

そこで、本発明は、不要な電波に対する電波吸収体の施工範囲を減少させるとことが可能で、保守費用の圧縮が可能となり、かつ、予期しない場所の移動局との通信を防止し、それによる誤処理を防止することができる無線通信システムを提供することを目的とする。

本発明の無線通信システムは、移動体が移動する移動路の所定位置に対し無線通信電波圏を形成するように配設された基地局と、前記移動体に搭載され、前記無線通信電波圏内に進入した際に、前記基地局からの質問電波に対して応答電波を発信することで前記基地局との間で通信を開始する移動局と、前記基地局の両側に配設され、前記基地局からの最初の質問電波に対して前記移動局から応答電波を発信した際、電波発射源の位置を検出する少なくとも２つの電波発射源検出手段と、この電波発射源検出手段の各検出結果に基づき前記基地局と移動局との間の通信の続行可否を判定するもので、前記電波発射源検出手段の各検出結果が同位置を示している場合は、当該電波発射源は前記無線通信電波圏内に存在する移動局であると判断して前記移動局と基地局との間の通信の続行を許可し、それ以外の場合は、当該電波発射源は前記無線通信電波圏内に存在する移動局ではないと判断して前記移動局と基地局との間の通信の続行を拒否する判定手段とを具備している。

本発明によれば、不要な電波に対する電波吸収体の施工範囲を減少させるとことが可能で、保守費用の圧縮が可能となり、かつ、予期しない場所の移動局との通信を防止し、それによる誤処理を防止することができる無線通信システムを提供できる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る無線通信システムとしての狭域無線通信を利用したＥＴＣシステムの構成を概略的に示すものである。図１において、移動体としての車両（たとえば、自動車）１１は、移動局としての車載器１２を搭載していて、たとえば、有料道路（高速道路）における料金所の料金収受レーン（移動路）１３を図示矢印方向に走行するものとする。料金収受レーン１３の両側部には、それぞれアイランド１４，１５が設けられている。

料金収受レーン１３としては、ＥＴＣ車両専用のＥＴＣ専用レーン、ＥＴＣ車両と一般車両（非ＥＴＣ車両）を混在させて処理可能な混在レーン、一般車両のみの一般専用レーン等があるが、ここでは、説明を判りやすくするために、１つのＥＴＣ専用レーンの場合について説明する。

料金収受レーン１３の所定位置における上方部位で、車両１１の移動方向と直交する方向のほぼ中央部には、基地局としての路側無線装置１６が配設されている。路側無線装置１６は、車載器１２との間で通信を行なうための路側アンテナを備えていて、図示するように、料金収受レーン１３上の路側無線装置１６よりも上流側に無線通信電波圏１７を形成するように配設されている。

路側無線装置１６の車両１１の移動方向と直交する方向の両側部には、それぞれ電波発射源検出手段としての電波発射源検出装置１８ａ，１８ｂが配設されている。電波発射源検出装置１８ａ，１８ｂは、電波発射源の位置を検出するもので、詳細は後述する。

電波発射源検出装置１８ａ，１８ｂは、それぞれ判定手段としての判定部１９に接続されている。判定部１９は、電波発射源検出装置１８ａ，１８ｂの各検出結果に基づき、無線通信電波圏１７内の車載器１２からの応答電波かそれ以外からの応答電波かを判断して、路側無線装置１６と車載器１２との間の通信の続行可否を判定するもので、その詳細は後述する。

判定部１９は、制御手段としての制御部２０に接続されている。制御部２０は、たとえば、ＣＰＵ（セントラル・プロセッシング・ユニット）などを主体に構成されていて、判定部１９の判定結果に基づき、路側無線装置１６における通信処理を制御したり、料金の収受処理などを行なうもので、その詳細は後述する。

このような構成であれば、通常は、無線通信電波圏１７内に車両１１（車載器１２）が進入し、路側無線装置１６からの質問電波に対する車載器１２からの応答電波は無線通信電波圏１７を形成する路側無線装置１６にてそれぞれ受信することができる。

しかし、たとえば、図２に示すように、路側無線装置１６からの質問電波Ｅ１が無線通信電波圏１７内の車両１１の側面に反射し、隣接レーンを走行する本来は通信してはいけない車両１１ａに搭載された車載器１２ａへ届いた場合、それに反応した車載器１２ａからの応答電波Ｅ２は同じ経路を通って車両１１の側面で反射し、路側無線装置１６に届くことになる。

これは、逆には、電波を発した路側無線装置１６に対して帰ってくる車載器１２ａの電波は、少し横にずれた別の受信専用のアンテナでは、受信しにくくなることになる。これを利用することで、当該車載器１２ａは無線通信電波圏１７外の車載器であると判断することができる。

電波発射源検出装置１８ａ，１８ｂは、たとえば、特開２００７−１７３９３号公報に開示されている電波発射源表示装置の電波発射源検出部分を用いるもので、以下、その概略について図３を用いて説明する。なお、詳細は特開２００７−１７３９３号公報に記載されているので、それを参照されたい。

図３において、電波発射源検出装置１８ａ，１８ｂは、電波発射源Ｔが発射した電波を受信する電波受信部３１、車両１１の正面方向と電波受信部３１を配置した面とのなす角度を検出する角度センサ３２、および、電波受信部３１が受信した受信信号を基に電波発射源Ｔの位置（たとえば、距離および方向）を測定する方位距離測定部３３を有して構成される。

電波受信部３１は、基準アンテナ部３１ａおよびアレイアンテナ部３１ｂにより構成されている。基準アンテナ部３１ａおよびアレイアンテナ部３１ｂは近傍に配置され、たとえば、基準アンテナ部３１ａは１つの基準アンテナ素子Ａ１により構成され、アレイアンテナ部３１ｂは複数のアレイアンテナ素子Ｂ１〜Ｂｎにより構成されている。

基準アンテナ素子Ａ１およびアレイアンテナ素子Ｂ１〜Ｂｎは、たとえば、水平面に対して垂直な１つの平面上に設けられているとともに、アレイアンテナ素子Ｂ１〜Ｂｎは、たとえば、ある間隔で１次元の直線上に配置されている。なお、アレイアンテナ素子Ｂ１〜Ｂｎは、縦および横の２次元にそれぞれある間隔で配置することもできる。

また、基準アンテナ素子Ａ１や複数のアレイアンテナ素子Ｂ１〜Ｂｎを配置した面は、たとえば、方位方向に回転できる構成になっている。そして、矢印Ｙで示した例えば車両１１の正面方向と基準アンテナ素子Ａ１や複数のアレイアンテナ素子Ｂ１〜Ｂｎを配置した面とのなす角度が角度センサ３２で検出されるようになっている。

方位距離測定部３３は、周波数変換部３４、Ａ／Ｄ変換部３５および信号処理部３６により構成されている。すなわち、電波受信部３１で受信された受信信号は、周波数変換部３４に送られて周波数変換される。この場合、電波受信部３１と周波数変換部３４との間の接続は、それぞれのアレイアンテナ素子Ｂ１〜Ｂｎを並列に周波数変換部３４に接続する構成でもよく、あるいは、アレイアンテナ素子Ｂ１〜Ｂｎをスイッチなどで切換えることで、１つのアレイアンテナ素子を順に接続する構成にすることもできる。

周波数変換部３４で周波数変換された受信信号は、Ａ／Ｄ変換部３５でデジタル化されて受信データに変換される。Ａ／Ｄ変換部３５で変換された受信データは信号処理部３６に送られる。

信号処理部３６は、受信データを処理するＤＳＰ（Digital Signal Processor）やＣＰＵ（Central Processing Unit ）、および、受信データなどを記憶する記憶部、たとえば、半導体メモリやハードディスクなどから構成されている。信号処理部３６は、たとえば、受信データにフレネル近似を用いた電波ホログラフィ処理を施し、電波発射源Ｔの位置、たとえば、電波発射源Ｔの距離およびその方向などを求める。電波発射源Ｔの方向、つまり電波の到来方向は、角度センサ３２から得られる車両１１の正面と電波受信部３１とのなすアンテナ角度情報などを用い、たとえば、真北を基準にしてその方向を決定する。

上記した構成によれば、電波発射源Ｔの位置情報（たとえば、電波発射源Ｔの距離情報およびその方向情報）が得られる。
また、電波発射源Ｔが発射する電波を複数のアンテナで受信し、この受信信号から得られる受信データを基にフレネル近似を用いたホログラフィ再生像を求め、その値が最大となる位置から電波発射源Ｔの距離を特定している。したがって、複数の方探センサ等を用いる必要もないため、構成が簡単になる。

ここで、方位距離測定部３３の信号処理部３６において、電波発射源Ｔの距離および方向を検知する方法について説明する。この方法では、基準アンテナ素子Ａ１の受信信号から得られた受信データＤＲおよびアレイアンテナ素子Ｂ１〜Ｂｎの受信信号から得られた受信データＤ１〜ＤＮを用いて演算処理が行なわれる。

この演算処理では、たとえば、図４に示すようなパラメータを用いて行なわれる。たとえば、電波発射源Ｔまでの距離をｚ、電波受信部３１と電波発射源Ｔを結ぶｚ軸に直交する軸をｘ軸とし、基準アンテナ素子Ａ１のｘ座標をＸｒｅｆ、ｎ個のアレイアンテナ素子Ｂ１〜Ｂｎの座標をＸ１，Ｘ２，…，Ｘｎとする。

まず、基準アンテナ素子Ａ１の受信信号に基づく受信データＤＲをフーリエ変換し、その複素共役を求める。また、アレイアンテナ素子Ｂ１〜Ｂｎの受信信号に基づく受信データＤ１〜ＤＮをフーリエ変換する。次に、受信データＤＲをフーリエ変換した演算結果と、受信データＤ１〜ＤＮをフーリエ変換した演算結果とを、電波発射源Ｔから発射される電波の周波数範囲で掛け合わせて足し込み、相関マトリクスｕ（Ｘｎ）を求める。

次に、この演算結果ｕ（Ｘｎ）をフレネル近似を用いた式に代入し、電波発射源Ｔのホログラフィ再生像を求める。次に、ホログラフィ再生像が最大となる座標から電波発射源Ｔの位置を特定し、電波発射源Ｔの距離および電波発射源Ｔの方向を検知する。この電波発射源Ｔの距離およびその方向を示すデータが電波発射源Ｔの位置を示す位置情報（座標情報）となり、判定部１９に送られる。

次に、このような構成において図５に示すフローチャートを参照して動作を説明する。
まず、路側無線装置１６からポーリング信号（質問電波）を発信する（ステップＳ１）。次に、判定部１９は、電波発射源検出装置１８ａから電波発射源の位置情報を受信したか否かを判定し（ステップＳ２）、電波発射源検出装置１８ａから電波発射源の位置情報を受信した場合、当該位置情報を一時記憶する（ステップＳ３）。

次に、判定部１９は、電波発射源検出装置１８ｂから電波発射源の位置情報を受信したか否かを判定し（ステップＳ４）、電波発射源検出装置１８ｂから電波発射源の位置情報を受信した場合、当該位置情報を一時記憶する（ステップＳ５）。

次に、判定部１９は、一時記憶した電波発射源検出装置１８ａからの位置情報と一時記憶した電波発射源検出装置１８ｂからの位置情報とを比較し、両者が一致するか否かを判定し（ステップＳ６）、両者が一致した場合、当該電波発射源は無線通信電波圏１７内に存在する車載器１２であると判断して、当該車載器１２との以降の通信を許可し（ステップＳ７）、ステップＳ１に戻る。すなわち、この場合は、正常として車載器１２との以降の通信を許可する。

ステップＳ２において電波発射源検出装置１８ａから電波発射源の位置情報を受信しない場合、ステップＳ４において電波発射源検出装置１８ｂから電波発射源の位置情報を受信しない場合、あるいは、ステップＳ６において両位置情報が不一致の場合、判定部１９は、当該電波発射源は不要反射によるものと判断して、無線通信電波圏１７内の車載器１２との以降の通信を拒否し（ステップＳ８）、ステップＳ１に戻る。すなわち、この場合は、異常として車載器１２との以降の通信を拒否する。

制御部２０は、判定部１９から正常として車載器１２との以降の通信を許可する旨の判定結果が得られた場合、車載器１２との通信を開始するよう路側無線装置１６を制御し、判定部１９から異常として車載器１２との以降の通信を拒否する旨の判定結果が得られた場合、車載器１２との通信を行なわないよう路側無線装置１６を制御する。

図６、図７は、上記した判定部１９における判定のイメージを概略的に示しており、図６は車載器１２が無線通信電波圏１７内（自レーン）の場合、図７は不要反射の場合である。

以下、具体例をあげて説明する。
図８は、料金収受レーン１３（自レーン）の車載器１２からの電波の場合を示している。この例では、車載器１２からの直接波は、路側無線装置１６だけでなく、左右の電波発射源検出装置１８ａ，１８ｂの両方に戻ってくる。そして、その２つの電波発射源検出装置１８ａ，１８ｂで検出された電波発射源の位置情報（座標情報）は、鏡面対象であるが、同じ車載器１２の位置を示す。したがって、この場合は正常と判定して通信を許可する。

図９は、料金収受レーン１３（自レーン）に隣接するレーン（隣接レーン）の車載器１２ａからの電波の場合を示している。この例は、隣接レーンの車載器１２ａからの電波が自レーンの車両１１で反射して、たとえば左側の電波発射源検出装置１８ｂでのみ受信し、電波発射源の位置が検出された場合（あるいは、左右の電波発射源検出装置１８ａ，１８ｂのどちらも検出しない場合）で、この場合は不要反射と判定して通信を拒否する。

図１０は、料金収受レーン１３（自レーン）に隣接するレーン（隣接レーン）の車載器１２ａからの電波で、自レーンの車両１１に反射した電波の場合を示している。この例では、電波を反射させる車両１１の形状が複雑で、左右の電波発射源検出装置１８ａ，１８ｂのどちらで電波を受信する場合でも、電波の反射位置が異なるため、この場合も不要反射と判定して通信を拒否する。

このように、路側無線装置１６の両側に電波発射源の位置を検出する２つの電波発射源検出装置１８ａ，１８ｂを配設することで、電波の到来方向および距離（電波発射源の位置）を検出し、自レーンの車載器からの電波か、隣接レーンからの不要電波か、あるいは、隣接レーンからの不要電波で自レーンの車両に反射したものかを判断して、路側無線装置１６と車載器１２との間の通信の続行可否を判定することで、不要な電波に対する電波吸収体の施工範囲を減少させるとことが可能となり、保守費用の圧縮が可能となる。また、予期しない場所の車載器との通信を防止し、それによる誤課金などの誤処理を防止することができる。

なお、前記実施の形態では、電波発射源検出装置を路側無線装置の両側に１つづつ合計２つ設置した場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、電波発射源検出装置を２つ以上、たとえば、電波発射源検出装置を路側無線装置の両側に２つづつ合計４つ設置しても同様に実施できる。
また、電波発射源検出装置も、前記実施の形態に示した方式のものに限定されるものではなく、他の方式により電波発射源の位置を検出するものであってもよい。

本発明の実施の形態に係る無線通信システムとしてのＥＴＣシステムの構成を概略的に示す模式図。自レーンの車両に反射した路側無線装置からの質問電波に対し応答した隣接レーンの車載器からの応答電波が同じ経路を通って路側無線装置に届く様子を説明する模式図。電波発射源検出装置の構成を概略的に示すブロック図。電波発射源の位置の特定に用いるパラメータを説明するための図。動作を説明するフローチャート。車載器が自レーンの場合の判定部における判定のイメージを概略的に示す図。不要反射の場合の判定部における判定のイメージを概略的に示す図。自レーンの車載器からの電波の場合の具体例を説明する模式図。隣接レーンの車載器からの電波の場合の具体例を説明する模式図。隣接レーンの車載器からの電波で自レーンの車両に反射した電波の場合の具体例を説明する模式図。

符号の説明

１１…車両（移動体）、１２…車載器（移動局）、１３…料金収受レーン（移動路）、１６…路側無線装置（基地局）、１７…無線通信電波圏、１８ａ，１８ｂ…電波発射源検出装置（電波発射源検出手段）、１９…判定部（判定手段）、２０…制御部、Ｅ１…質問電波、Ｅ２…応答電波。

Claims

移動体が移動する移動路の所定位置に対し無線通信電波圏を形成するように配設された基地局と、
前記移動体に搭載され、前記無線通信電波圏内に進入した際に、前記基地局からの質問電波に対して応答電波を発信することで前記基地局との間で通信を開始する移動局と、
前記基地局の両側に配設され、前記基地局からの最初の質問電波に対して前記移動局から応答電波を発信した際、電波発射源の位置を検出する少なくとも２つの電波発射源検出手段と、
この電波発射源検出手段の各検出結果に基づき前記基地局と移動局との間の通信の続行可否を判定するもので、前記電波発射源検出手段の各検出結果が同位置を示している場合は、当該電波発射源は前記無線通信電波圏内に存在する移動局であると判断して前記移動局と基地局との間の通信の続行を許可し、それ以外の場合は、当該電波発射源は前記無線通信電波圏内に存在する移動局ではないと判断して前記移動局と基地局との間の通信の続行を拒否する判定手段と、
を具備したことを特徴とする無線通信システム。
前記基地局は、前記移動路の前記移動体の移動方向と直交する方向のほぼ中央部に設置されているとともに、前記無線通信電波圏は、前記移動路の前記基地局よりも上流側に形成され、かつ、前記電波発射源検出手段は、前記基地局の前記移動体の移動方向と直交する方向の両側部にそれぞれ設置されていることを特徴とする請求項１記載の無線通信システム。