JP5163223B2 - 無線通信システム - Google Patents

Description

本発明は、通信システムと、通信方法とに係り、特に、移動局を含む通信システムと、通信方法とに係る。

近年、携帯電話の普及と通信エリア拡大のニーズがにより、地下鉄や新幹線のトンネル内に基地局を設置する場面が増えてきている。このような環境では、基地局のアンテナ付近を、移動局が、高速移動しながら通り過ぎることが想定できる。

このとき、本来は一定でなければならない無線周波数に変動が起きる。すなわち、基地局と移動局との間の相対速度によって、無線周波数におけるドップラーシフトが引き起こされ、復調回路の同期が外れる恐れがある。

上記に関連して、特許文献１（特開平１１−２５２６１４号公報）には、通信システムに係る発明が開示されている。
特許文献１発明の通信システムは、複数の異なる指向方向の中から平均化した受信品質が良好な上位の指向方向を候補とする。この通信システムは、基地局装置と、移動局装置とを備えることを特徴とする。ここで、基地局装置は、この候補の指向方向にて送信される信号部分を送信信号に組み込んで送信する。また、移動局装置は、この信号部分から最適指向方向を選択し、この最適指向方向の情報を基地局装置に送信する。

また、特許文献２（特開２０００−３０７４８８号公報）には、光伝送装置に係る発明が開示されている。
特許文献２発明の光伝送装置は、トンネル内を走行する移動体中の無線携帯端末がトンネル外に配置された交換局と通信を行えるようにするための移動体通信用光伝送装置である。この光伝送装置は、光伝送線路と、複数の前進局と、複数の接続状態切替手段と、複数の検知手段とを備える。ここで、光伝送線路は、その一端または両端が交換局に接続され、トンネルの内部に沿って延設されている。複数の前進局は、トンネル内において所定の間隔をあけて配置され、無線携帯端末との間で通信のための中継処理を行う。複数の接続状態切替手段は、各前進局毎に設けられ、光伝送線路に対する各前進局の接続状態を切り替える。複数の検知手段は、各前記前進局毎に設けられ、常時は前記光伝送線路に対して各前進局を非接続の状態に保ち、トンネル内を移動体が移動するときは、当該移動体の移動に応じて各前進局が順番に前記光伝送線路に接続されていくように各接続状態切替手段を制御する。また、無線携帯端末は、光伝送線路に対して順番に接続されていくいずれかの前進局を介して、交換局との間で間断なく通信を行う。

また、特許文献３（特開２００５−１１７１１２号公報）には、移動体通信装置に係る発明が開示されている。
特許文献３発明の移動体通信装置は、サーバと、第１の通信中継装置と、複数の第２の通信中継装置と、基地局とを備える。ここで、第１の通信中継装置は、サーバに接続されている。複数の第２の通信中継装置は、第１の通信中継装置に伝送線により直列接続されている。基地局は、第１及び第２の通信中継装置のそれぞれに接続され、隣接する無線通信範囲が重複するエリアを有するように設置されている。この移動体通信装置は、移動体に搭載された２つの端末局の少なくとも一方から送信された通番を付したデータを基地局で受信して、第１及び第２の通信中継装置を介してサーバに送信し、サーバは先着のデータを記憶して遅れて着信した同一通番のデータを廃棄する。

また、特許文献４（特願２００７−０５５０８４号）には、ドップラーシフト補正方法に係る発明が開示されている。
特許文献４発明のドップラーシフト補正方法では、トンネル内に車両の走行方向に関して複数の通信用アンテナを、間隔を置いて設置する。また、隣り合う通信用アンテナの間にそれぞれ間隔をおいて位置特定用の複数の補助アンテナを設置する。各通信用アンテナからはドップラーシフト補正のために必要な報知情報を送信する。また、各補助アンテナからはその補助アンテナに固有のコード情報をそれぞれ送信する。走行車両内の携帯端末は、通信用アンテナを通過する度に得られる報知情報および補助アンテナを通過する度に得られるコード情報から、少なくともトンネル内での移動速度、ドップラー周波数、次に通過する通信用アンテナの通過タイミングを算出する。走行車両内の携帯端末はさらに、算出した通過タイミングで算出したドップラー周波数によるドップラーシフト補正を行う。

特開平１１−２５２６１４号公報 特開２０００−３０７４８８号公報 特開２００５−１１７１１２号公報 特願２００７−０５５０８４号

基地局に接続された複数のアンテナが全て固定されていて、移動体に搭載された移動局が移動する場合を考える。移動局が基地局のアンテナに接近するとき、基地局から送信される信号周波数は、ドップラー効果により、移動局から見ると周波数が高い方向にシフトしている。同様に、このとき、移動局から送信される信号周波数も、基地局のアンテナから見ると周波数が高い方向にシフトしている。反対に、移動局が基地局のアンテナから遠ざかるときは、お互いに相手から送信される信号周波数が低い方向にシフトして見える。

移動局が基地局のアンテナを横切る瞬間は、ドップラー効果による周波数のシフトが消えるが、その反面、周波数がシフトする速度は最高値を迎える。

ドップラー効果によって周波数がシフトしても、そのシフト分を検知して補正する技術は知られている。しかし、シフト速度が速すぎて、ドップラーシフトの検知および補正に係る演算が間に合わない場合がある。この意味で、移動局が基地局のアンテナ付近を横切る時において、通信が最も不安定になりやすい。周波数シフトの検知は、基地局または、移動局が受信する受信信号をベースバンド処理できる低周波数に変換した後、基地局または、移動局が具備する基準クロックと周波数比較演算することにより実現できる。

本発明の目的は、外部からの電波が届かない閉鎖空間の全域において、移動局が基地局のアンテナを横切ることなく安定した通信を行える通信システムと通信方法を提供することである。

本発明による通信システムは、移動局と、基地局とを具備する。ここで、移動局は、外部からの電波が届かない閉鎖空間内を、所定の移動経路に沿って移動するものである。基地局は、閉鎖空間内における移動局との通信を行うためのものである。また、基地局は、複数のアンテナと、切替スイッチとを具備する。ここで、複数のアンテナは、閉鎖空間内の移動経路に沿って順次設置されている。切替スイッチは、複数のアンテナのうち同時に１つを基地局に接続するものである。さらに、切替スイッチは、基地局に接続中のアンテナを移動局が横切る前に、移動局の移動方向に位置する次のアンテナに基地局への接続を切り替える。移動局が常に移動方向前方に位置するアンテナとのみ通信することでドップラー効果に伴う周波数シフト速度を抑制する。

本発明による通信方法は、（ａ）移動局が、外部からの電波が届かない閉鎖空間内を、所定の移動経路に沿って移動する移動ステップと、（ｂ）切替スイッチが、閉鎖空間内の移動経路に沿って一列に設置された複数のアンテナのうち同時に１つを基地局に接続する接続ステップと、（ｃ）基地局が、閉鎖空間内の移動経路に沿って一列に設置された複数のアンテナのうち基地局に接続されたいずれか１つを介して、閉鎖空間内における移動局との通信を行う通信ステップとを具備する。ここで、通信ステップ（ｃ）は、（ｃ−１）切替スイッチが、移動局が、基地局に接続中のアンテナを横切る前に、移動局の移動方向に位置する次のアンテナに基地局への接続を切り替える切替ステップと、移動局が常に移動方向前方に位置するアンテナとのみ通信することでドップラー効果に伴う周波数シフト速度を抑制することとを具備する。

閉鎖空間内で移動局が移動する移動経路に沿って複数のアンテナを一列に設置しておき、移動局の移動に伴い、基地局に接続されるアンテナを順次切り替える。このとき、基地局に接続中のアンテナを移動局が横切る前に次のアンテナに接続を切り替えることによって、ドップラー効果による周波数シフト速度を抑制する。

添付図面を参照して、本発明による通信システムを実施するための最良の形態を以下に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態における、通信システム全体の平面図である。
本実施形態における通信システムは、基地局１と、移動局５とを具備する。基地局１は、図示しない任意のネットワークに接続されていることが好ましい。移動局５は、一度に１つだけであっても良いし、複数であっても良い。ここでは、移動局５の総数が１つである場合について説明する。

本実施形態における基地局１は、切替スイッチ２と、複数のアンテナ１１〜１６と、複数のセンサ２１〜２６とを具備する。なお、複数のアンテナの総数にも複数のセンサの総数にも特に制限は無い。ただし、複数のアンテナと、複数のセンサとは、１対１に対応することが好ましく、両者の総数は同数であることが好ましい。

本発明における通信システムは、外部からの電波が届かない閉鎖空間３の内部において基地局１と移動局５とが通信を行うことを前提としている。ここで言う閉鎖空間３とは、例えば、鉄道のトンネルである。トンネルの出入り口付近までは、外部の基地局などからの電波が辛うじて届くが、トンネルの内部までは外部からの電波が実質的に届かない場合が多い。本発明における通信システムでは、このようなトンネルの全域において、移動局５が基地局１と安定的に通信することを可能とする。

なお、閉鎖空間３が出入り口を有するトンネルのような形状である場合、移動局５が閉鎖空間３に入る前と出た後は、閉鎖空間３外部の別の基地局と通信することが好ましい。

本実施形態では、閉鎖空間３の例として、鉄道のトンネルを用いて説明する。ただし、閉鎖空間３は鉄道のトンネルに限らず、例えば、自動車道のトンネルであっても良い。また、本実施形態では、トンネル３内に複線として上り線と下り線とが１本ずつ敷かれている場合を扱う。この場合、上り線と下り線とでそれぞれ独立した通信システムを用い、合計２つの通信システムが同じ閉鎖空間３に存在していることが好ましい。

閉鎖空間３は、両端が開いた細長い筒状である。移動局５は、閉鎖空間３の長さ方向に伸びる所定の移動経路に沿って移動する。例えば、移動局５は新幹線などの移動体４に搭載されて、移動体４と同一の速度またはそれに近い速度で閉鎖空間３内を移動する。ここで、閉鎖空間３は、直線的であっても良いし、曲がりくねっていても良い。また、閉鎖空間３の幅は、全長に渡って一様であっても良いし、変化しても良い。

閉鎖空間３の内部には、列車にとっての線路や、自動車にとっての道路など、移動局５の移動経路が予め決定されている場合が多い。閉鎖空間３の内部では、この移動経路に沿って、複数のアンテナ１１〜１６と、複数のセンサ２１〜２６とが、それぞれ設置されている。ここで、複数のアンテナ１１〜１６同士の間隔と、複数のセンサ２１〜２６同士の間隔とは、それぞれ、一定であっても良いし、異なっていても良い。なお、複数のアンテナ１１〜１６と、複数のセンサ２１〜２６とは、それぞれ、閉鎖空間３の全長に渡って一列に順次配置されていることが好ましい。

複数のアンテナ１１〜１６は、切替スイッチ２に接続されており、切替スイッチ２は、基地局１に接続されている。ただし、基地局１に通電されるのは、一度に１つのアンテナまでである。切替スイッチ２は、基地局１に通電されるアンテナを、複数のアンテナ１１〜１６から選択的に切り替える。切替スイッチの動作は、例えば、基地局１によって制御されても良い。また、閉鎖空間３内部に移動局５が存在しない場合は、全てのアンテナ１１〜１６が基地局１との接続を解除することも可能ではある。しかしこの場合も、後述するように、移動局５の閉鎖空間３の入り口への到来に備えて、第１のアンテナ１１が基地局１に接続されていることが好ましい。

複数のセンサ２１〜２６は、移動局５の位置を検知するためのものである。正確には、複数のセンサ２１〜２６は、移動局５を搭載する移動体４の位置を検知するためのものである。複数のセンサ２１〜２６は、基地局１に接続されている。複数のセンサ２１〜２６のそれぞれが移動体４を検知することによって、基地局１は、移動体４の位置を認識し、移動局５の位置を推定する。

移動局５は、閉鎖空間３内部において、複数のアンテナ１１〜１６のいずれかを介して、基地局１と通信を行う。なお、閉鎖空間３外部においては、移動局５は他の基地局と通信を行う。ここで、他の基地局は、移動局５の移動に伴うドップラー効果による周波数シフトの影響が十分小さくて済むように、移動局５から十分離れていることが好ましい。

移動体４が閉鎖空間３に入る前、移動局５は閉鎖空間３外部の基地局と通信している。移動体４がトンネル３の中に進入する際、移動局５は、通信先を閉鎖空間３の基地局１に切り替える。このとき、閉鎖空間３内における複数のアンテナ１１〜１６のうち、トンネル３の入り口に最も近い第１のアンテナ１１が、切替スイッチ２を介して基地局１に接続されている。

移動体４が閉鎖空間３内部を進むと、第１のセンサ２１が移動体４の到来を検知して基地局１に伝達する。第１のセンサ２１は、移動体４から見て第１のアンテナ１１よりも手前に設置されている。基地局１は、切替スイッチ２を制御して、基地局１の接続先を第１のアンテナ１１から第２のアンテナ１２に切り替える。

その後、第２のセンサ２２が移動体４の到来を検知すると基地局１の接続先が第３のアンテナ１３に切り替わり、以下同様に続く。こうすることで、移動局５は常に、移動体４から見て前方のアンテナと通信することが出来、すなわち、移動局５が通信中のアンテナを横切ることが防がれる。

最後のセンサ２６が移動体４の到来を検知すると、基地局１は、移動局５に対して、通信先を閉鎖空間３外部の基地局に切り替えるよう指示する。こうすることで、移動局５は、閉鎖空間３内の最後のアンテナ２６をも、通信中に横切ることが無い。閉鎖空間４から出た後に移動局５が接続される基地局１は、やはり、ドップラー効果が十分小さい程度に遠くに位置していることが好ましい。

なお、閉鎖空間３内において、移動局５は、常に移動方向前方のアンテナと通信を行っているので、ドップラー効果により、周波数は常に高い方向にシフトしていることになる。

また、移動体が閉鎖空間３内を逆方向に進行する場合は、当然ながら複数のアンテナが切り替えられる順番は上記の説明と反対になる。しかし、移動体が列車にしても自動車にしても、それぞれの移動方向について専用の移動経路が用意されていることが、安全上からも自然である。したがって、片方の移動方向用に本発明の通信システム（１〜５、１１〜１６、２１〜２６）を１つ、もう片方の移動方向用に本発明の通信システム（３１〜３６、４１〜４６、５１〜５５）をもう１つ、それぞれ設けることが好ましい。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態では、閉鎖空間３内における移動局の位置を検知する機能部を、移動局５自身が具備する。したがって、基地局１は、複数のセンサ２１〜２６を具備する必要が無い。これら以外の構成は、第１の実施形態と同じであるので説明を省略する。

移動局５が具備する移動局位置検知機能部について説明する。移動局５が基地局１からの送信信号を受信すると、移動局位置検知機能部が、搬送波周波数またはダウンコンバート後のベースバンド周波数において、本来の受信するはずの周波数からのズレ、すなわちドップラーシフトを検出する。このとき、移動局５が基地局１に接続中のアンテナに近付くに伴い、周波数のシフト量は減少していくことになる。

ドップラー効果による受信信号の周波数シフト量が、ゼロに近付いて所定の閾値を超えれば、基地局に接続中のアンテナに移動局５が十分近付いたと判断される。この判断は、移動局５が行ってから基地局１に伝達しても良いし、周波数シフト量の変化を移動局５が基地局１に送り続けることで基地局１が判断しても良い。基地局１は、この判断に基づいて、切替スイッチを制御して、接続アンテナを次のアンテナに切り替える。

上記に説明したように、本発明の通信システムおよび通信方法によれば、外部の電波が届かない閉鎖空間３の全域において、安定した通信が可能となる。固定された基地局１に対して、移動局５が移動する以上、ドップラー効果に起因するある程度の周波数シフトは避けられない。基地局１側でも、移動局５側でも、相手から送信されて信号における周波数シフトを受信後に補正するための演算部を有することは可能である。この演算部は、ＣＰＵやメモリを具備するコンピュータであっても良いが、しかし周波数シフトを検出して補正する速度には限界がある。本発明では、ドップラー効果による周波数シフト速度が最大となる、基地局１に接続中のアンテナを移動局５が横切る現象を回避することによって、周波数シフト速度を抑制している。その結果、閉鎖空間３の内部で移動する移動局５の、基地局１との安定した通信が可能となる。

図１は、本発明の第１の実施形態における、通信システム全体の平面図である。

符号の説明

１、５１ 基地局
２、５２ 切替スイッチ
３ 閉鎖空間（トンネル）
４、５４ 移動体
５、５５ 移動局
１１、４１ 第１のアンテナ
１２、４２ 第２のアンテナ
１３、４３ 第３のアンテナ
１４、４４ 第４のアンテナ
１５、４５ 第５のアンテナ
１６、４６ 最後のアンテナ
２１、３１ 第１のセンサ
２２、３２ 第２のセンサ
２３、３３ 第３のセンサ
２４、３４ 第４のセンサ
２５、３５ 第５のセンサ
２６、３６ 最後のセンサ

Claims (13)

1. 外部からの電波が届かない閉鎖空間内を、所定の移動経路に沿って移動する移動局と、
   前記閉鎖空間内における前記移動局との通信を行うための基地局と
   を具備し、
   前記基地局は、
   前記閉鎖空間内の前記移動経路に沿って順次設置された複数のアンテナと、
   前記複数のアンテナのうち同時に１つを前記基地局に接続する切替スイッチと、
   を具備し、
   前記切替スイッチが、前記基地局に接続中のアンテナを前記移動局が横切る前に、前記移動局の移動方向に位置する次のアンテナに前記基地局への接続を切り替え、
   前記移動局が常に前記移動方向前方に位置するアンテナとのみ通信することでドップラー効果に伴う周波数シフト速度を抑制する
   通信システム。
2. 請求項１に記載の通信システムにおいて、
   前記基地局は、
   前記閉鎖空間内の前記移動経路に沿って順次設置されて、前記移動局を搭載する所定の移動体の位置を検知して前記基地局に伝達する複数のセンサ
   をさらに具備する
   通信システム。
3. 請求項１に記載の通信システムにおいて、
   前記移動局は、
   前記基地局から送信される信号の、前記移動局の移動に伴うドップラー効果による周波数シフト量を検知し、前記基地局に接続中のアンテナまでの距離を推定して前記基地局に伝達する移動局位置検知機能部
   を具備する
   通信システム。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の通信システムおいて、
   前記基地局は、
   前記移動局から送信される信号の、前記移動局の移動に伴うドップラー効果による周波数シフトを、受信後に補正する演算部
   を具備する
   通信システム。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の通信システムおいて、
   前記移動局は、
   前記基地局から送信される信号の、前記移動局の移動に伴うドップラー効果による周波数シフトを、受信後に補正する演算部
   を具備する
   通信システム。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の通信システムにおける
   基地局。
7. 請求項１〜５のいずれかに記載の通信システムにおける
   移動局。
8. 請求項１〜５のいずれかに記載の通信システムにおいて、
   前記基地局
   を具備する
   トンネル。
9. （ａ）移動局が、外部からの電波が届かない閉鎖空間内を、所定の移動経路に沿って移動する移動ステップと、
   （ｂ）切替スイッチが、前記閉鎖空間内の前記移動経路に沿って一列に設置された複数のアンテナのうち同時に１つを前記基地局に接続する接続ステップと、
   （ｃ）基地局が、前記閉鎖空間内の前記移動経路に沿って一列に設置された複数のアンテナのうち前記基地局に接続されたいずれか１つを介して、前記閉鎖空間内における前記移動局との通信を行う通信ステップと
   を具備し、
   前記通信ステップ（ｃ）は、
   （ｃ−１）前記切替スイッチが、前記移動局が、前記基地局に接続中のアンテナを横切る前に、前記移動局の移動方向に位置する次のアンテナに前記基地局への接続を切り替える切替ステップと、
   前記移動局が常に前記移動方向前方に位置するアンテナとのみ通信することでドップラー効果に伴う周波数シフト速度を抑制することと
   を具備する
   通信方法。
10. 請求項９に記載の通信方法において、
    前記切替ステップ（ｃ−１）は、
    （ｃ−１−ａ）前記閉鎖空間内の前記移動経路に沿って順次設置された複数のセンサが、前記移動局を搭載する所定の移動体の位置を検知する検知ステップと、
    （ｃ−１−ｂ）前記複数のセンサが、前記移動体の位置を前記基地局に伝達する伝達ステップと、
    （ｃ−１−ｃ）前記基地局が、前記切替スイッチを制御する制御ステップと
    を具備する
    通信方法。
11. 請求項９に記載の通信方法において、
    前記切替ステップ（ｃ−１）は、
    （ｃ−１−ｄ）前記移動局が具備する移動局位置検知機能部が、前記基地局から送信される信号の、前記移動局の移動に伴うドップラー効果による周波数シフト量を検知する検知ステップと、
    （ｃ−１−ｅ）前記移動局位置検知機能部が、前記移動局から前記基地局に接続中のアンテナまでの距離を推定する推定ステップと、
    （ｃ−１−ｆ）前記移動局が、前記移動局から前記基地局に接続中のアンテナまでの距離の推定値を、前記基地局に伝達する伝達ステップと、
    （ｃ−１−ｇ）前記基地局が、前記切替スイッチを制御する制御ステップと
    を具備する
    通信方法。
12. 請求項９〜１１のいずれかに記載の通信方法において、
    前記通信ステップ（ｃ）は、
    （ｃ−２）前記基地局の演算部が、前記移動局から送信される信号の、前記移動局の移動に伴うドップラー効果による周波数シフトを、受信後に補正する補正ステップ
    をさらに具備する
    通信方法。
13. 請求項９〜１２のいずれかに記載の通信方法において、
    前記通信ステップ（ｃ）は、
    （ｃ−３）前記移動局の演算部が、前記基地局から送信される信号の、前記移動局の移動に伴うドップラー効果による周波数シフトを、受信後に補正する補正ステップ
    をさらに具備する
    通信方法。

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