JP5957736B2 - 無線通信装置 - Google Patents

Description

本発明は、無線通信装置およびそれを用いた制御システムに関する。

所望の無線局間で通信を行う技術として、当該無線局間に中継局として複数の無線局を設置し、マルチホップの技術によってデータの授受を行うマルチホップ無線ネットワーク通信技術がある。
また、近年、無線ＬＡＮ(Local Area Network)などの無線通信機器の低コスト化や、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）などのセンサネット技術の標準化に伴い、産業分野における無線技術応用の期待が高まり、応用事例が増えつつある。
前述のマルチホップ無線ネットワークは、産業分野、例えば、電力・交通などの社会インフラ事業やＦＡ(Factory Automation)・ＰＡ(Process Automation)などの製造業の監視・制御ネットワークへ適用することにより、監視・制御用ケーブルの削減に寄与するものと予測されている。
また、有線ケーブルを無線化することにより、ケーブルの敷設コストや定期点検時のメンテナンスコストの低減を図ることができる。
また、無線技術を活用することで、事業者は機器の追加や機器の構成の変更といった運用の変化に対して、より柔軟に対応することが可能となる。
一方で無線技術を制御ネットワークに適用するためには、干渉が発生した場合であっても、干渉を回避して通信を継続することが必要である。干渉回避の方法の１つに、通信に用いる周波数チャネルを変更することが知られている。
通信状況に応じて、干渉を受ける無線局が用いる周波数チャネルを変更する方法として、特許文献１において、上位局の周波数チャネル切替装置が通信状態に基づいて動的に周波数チャネルを決定する方法が開示されている。

特開２００２−２７１３３６号公報

しかしながら、特許文献１に開示された方法では、無線局に対して周波数チャネル切替要求の送信を行う周波数チャネル切替装置を各無線局と接続するために、通信インフラが別途必要となる問題がある。
この通信インフラとしては、有線通信技術および無線通信技術から選択可能であるが、無線通信技術を用いるメリットを最大限活用することや設置コストの観点から、無線通信技術を用いることが好ましい。
しかしながら、無線通信技術を用いた場合、周波数チャネル変更要求を周波数チャネル切替装置から無線ＬＡＮ装置へ送信することに用いた周波数チャネルが、他の無線局から干渉を受けると、周波数チャネル変更が困難となってしまうという問題があった。

本発明は、前記した問題に鑑みて創案されたものであり、その目的および課題は、各無線局において、周波数チャネル切り替え装置との通信手段を別途設けずに、周波数チャネルを切替ることが可能となる無線通信装置とそれを用いた制御システムを提供することである。

前記の課題を解決して、本発明の目的を達成するために、以下のように構成した。
すなわち、本発明の無線通信装置は、所定の周波数チャネルで他の無線局の通信信号を受信する受信手段と、所定の周波数チャネルで他の無線局へ通信信号を送信する送信手段と、前記受信手段を介して収集された前記他の無線局との前記周波数チャネルの通信状態に応じて周波数チャネルの変更を実施する周波数チャネル切替手段と、周波数チャネル変更情報の授受に用いる通信路の通信信頼性に応じて、前記周波数チャネル変更情報を変更する高信頼チャネル切替モード手段と、高信頼チャネル切替モードと、通常通信モードとのいずれかを選択する通信モードセレクタと、通信フレームを合成する通信フレーム合成手段と、を備え、前記周波数チャネル切替手段は、前記受信手段を介して収集された前記他の無線局との前記周波数チャネルの通信状態を解析する周波数チャネル変更フレーム解析手段と、該周波数チャネル変更フレーム解析手段の前記通信状態の解析情報と前記高信頼チャネル切替モード手段の状態情報に基づき通信フレームを生成する周波数チャネル変更フレーム生成手段とを有し、前記高信頼チャネル切替モード手段は、通信障害が発生していない場合にもちいられる前記通常通信モードの送信周期よりも短い送信周期と前記通常通信モードの送信回数よりも多い送信繰り返し回数の周波数チャネルを供給し、前記通信フレーム合成手段は、前記通信モードセレクタからの通信フレームを合成して前記送信手段に送る、ことを特徴とする。
また、その他の手段は、発明を実施するための形態のなかで説明する。

以上、本発明によれば、各無線局において、周波数チャネル切り替え装置との通信手段を別途設けずに、周波数チャネルを切替ることが可能となる無線通信装置とそれを用いた制御システムを提供できる。

本発明の第１実施形態に係る無線通信装置の構成例を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る無線通信装置が基地局や端局として用いられる場合の通信ネットワーク構成１の例を示す図であり、（ａ）は１対１の無線局の構成であり、（ｂ）は１対多の無線局の構成であり、（ｃ）は複数の無線局を中継しながら通信するマルチホップ通信の構成を示すものである。 本発明の第１実施形態に係る無線通信装置が基地局、端局、中継局などに備えられて通信を行う際の通信フレーム構成の一例を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る無線通信装置を備えた基地局２０１と端局２１０との間の周波数チャネル切替処理の一例を時間軸で示したシーケンス図である。 本発明の第１実施形態に係る無線通信装置に用いられる周波数チャネル切替処理の一例を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る無線通信装置の構成例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る無線通信装置を通信局として用いる通信ネットワーク構成２の例を示す図であり、（ａ）は無線局の保持するアンテナ本数が１本の場合であり、（ｂ）は無線局の保持するアンテナ本数が２本の場合であり、（ｃ）はネットワークにおいて、各通信の接続に異なる周波数チャネルを用いる場合を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る無線通信装置を通信局として用いる場合の周波数チャネル切替処理の一例におけるＡ段階を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る無線通信装置を通信局として用いる場合の周波数チャネル切替処理の一例におけるＢ段階を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る無線通信装置を通信局として用いる場合の周波数チャネル切替処理の一例におけるＣ段階を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る無線通信装置を通信局として用いる場合の周波数チャネル切替処理の一例におけるＤ段階を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る無線通信装置を通信局として用いる場合の周波数チャネル切替処理の一例におけるＥ段階を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る無線通信装置を通信局として用いる場合の周波数チャネル切替処理の一例におけるＦ段階を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る無線通信装置を通信局として用いる場合において、周波数変更情報の周波数チャネル番号を複数個記載した通信フレームの構成例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る無線通信装置を通信局として用いる場合において、周波数変更用情報であるフレームヘッダに送信優先度の情報を持つ、通信フレームの構成例を示す図である。

以下、本発明を実施する形態について、図面を参照して説明する。なお、各図および各実施形態において、同一または類似の構成要素には同じ符号を付し、適宜、説明を省略する。
次に、本発明を実施するための形態について、適宜図面を参照しながら詳細な説明を行う。

（第１実施形態）
本発明に係る無線通信装置の第１実施形態について説明する。また、以下の説明は無線通信装置に関するものであるが、制御システムとしての説明を兼ねる。
なお、本発明に係る無線通信装置は、後記する基地局と端局との間の通信ネットワーク構成１における通信局（基地局、端局）の無線通信装置として用いられる。
図１は、本発明の第１実施形態に係る無線通信装置（通信局、基地局、端局）１０１の構成例を示す図である。
図１において、無線通信装置（通信局、基地局、端局）１０１は、通信局の機能として、無線信号の受信、および信号の復調、信号処理を行う受信手段１１と、無線信号の送信、および信号の変調、信号処理を行う送信手段１９とを備えている。
また、機能の詳細は後記するが、周波数チャネル変更フレーム生成部１２、周波数チャネル変更フレーム解析部１３、送信バッファ１４、通常通信モードＡ１５、高信頼チャネル切替モードＢ１６、セレクタ１７、通信フレーム合成部１８を備えている。

＜無線通信装置を基地局として用いる場合＞
無線通信装置１０１を基地局として用いる場合には、基地局として発生する送信データは、通常通信モードＡ１５から通信フレーム合成部１８を経て、通信フレームの形式により、送信手段１９から端局（不図示）へと送信される。
なお、通信障害が発生していないときには、セレクタ１７は、通常通信モードＡ１５を選択している。通信障害が発生している場合については後記する。
また、通信フレーム構成の詳細については後記する。
また、基地局と端局との関係の通信ネットワークについては、後記するが、図２（ａ）に示した基地局２０１と端局２１０との関係として、説明を続ける。

＜無線通信装置を端局として用いる場合＞
端局２１０（図２（ａ））としての無線通信装置１０１の構成は、図１で示した基地局２０１（図２（ａ））としての無線通信装置１０１と同じ構成である。したがって、端局２１０の構成・動作についても図１を参照して説明する。
図１において、端局２１０において受信された通信フレームは、受信手段１１を経て、周波数チャネル変更フレーム解析部１３へと送信される。

なお、受信手段１１にはアンテナ、変復調を行う高周波回路（不図示）などが備えられている。ただし、受信手段１１のアンテナＴ１０（図２（ａ））は、送信手段１９に備えられたアンテナと兼用することがある。
また、周波数チャネル変更フレーム解析部（周波数チャネル変更フレーム解析手段）１３には、デジタル信号に変換された受信データを一時的に保管するデータ用バッファ（不図示）や、通信状態の悪化検出、識別情報の認識などの機能を有する手段が備えられている。
また、通信フレームの一部に記載される周波数チャネル変更用情報（詳細は後記）がない場合には、周波数チャネル変更フレーム解析部１３において、自局宛である通信データを抽出し、データ用バッファへと送信される。

＜基地局と端局との間で通信状態が悪化した場合＞
次に、図１と図２を参照して、基地局２０１と端局２１０との間で行う通信に対して干渉が発生し、通信状態が悪化（通信障害が発生）した場合について説明する。
基地局２０１は、ネットワーク配下の無線局（端局、中継局）の通信状態を、各無線局から送信される通信フレーム内に含まれる通信状態情報から収集する。
また、基地局２０１は、周波数チャネル変更フレーム解析部１３において、収集した通信状態情報を用いて、通信状態の悪化を検出する。
通信状態の悪化の検出は、ビットエラー率やパケットエラー率、電波受信強度、空きチャネル時間（Clear Channel Assessment）などの情報のうち、単体またはその複数の組合せの判定用閾値を用いて、実測値と比較することで実施される。

基地局は、周波数チャネル変更フレーム解析部１３で通信状態を悪化と判定した場合、この情報が周波数チャネル変更フレーム解析部１３から周波数チャネル変更フレーム生成部（周波数チャネル変更フレーム生成手段）１２に伝達される。
この情報に基づき、周波数チャネル変更フレーム生成部１２は、フレーム生成を実施する。通信フレームの構成については後記する。
なお、周波数チャネル変更フレーム解析部１３と周波数チャネル変更フレーム生成部１２とを備えて周波数チャネル切替手段を構成している。
また、周波数チャネル変更フレーム解析部１３は、周波数チャネル変更処理を実施するため、通信モードセレクタ（セレクタ）１７に対して、高信頼チャネル切替モードＢ（高信頼チャネル切替モード手段）１６へのモード切替要求を行う。
なお、高信頼チャネル切替モード手段１６とセレクタ１７とを備えて周波数チャネル切替モード手段を構成している。

以上の周波数チャネル切替手段によって通信路（周波数チャネル）の通信実績および回線状態によって決定される通信信頼性に応じて、周波数チャネルの変更を実施する周波数チャネル変更フレームを生成する。
この周波数チャネル切替手段における周波数チャネル変更フレーム生成部１２によって生成された周波数チャネル変更フレームは、周波数チャネル切替モード手段の高信頼チャネル切替モードＢ１６から、通信フレーム合成部１８を経て、送信手段１９から送信される。

なお、通常通信モードＡ１５は、所定の周波数チャネルと送信周期、および送信繰り返し回数で通信が行われる。
それに対して、高信頼チャネル切替モードＢ（高信頼チャネル切替モード手段１６）は、別の周波数チャネルと短い送信周期、および数多い送信繰り返し回数（連続送信回数）で通信を行う機能を備えている。
つまり、後記するように、通信の障害が発生した際に、通信フレームを再送するが、高信頼チャネル切替モードＢ１６においては、通常通信モードＡ１５よりも、短い送信周期、および数多い送信繰り返し回数で障害に対処することにより、通信の高い信頼性を確保するモードである。

ただし、高信頼チャネル切替モードＢ１６における短い送信周期、および数多い送信繰り返し回数で通信を行うと消費電力が増加し、効率が低下するので、通信の障害の発生が少ない状況においては、通常通信モードＡ１５が選択されて通信を行う。
なお、高信頼チャネル切替モードＢ１６における短い送信周期、および数多い送信繰り返し回数が選択されれば、通信における周波数も変化する。すなわち、周波数チャネルにおける周波数そのものは、通信フレームを生成する周波数チャネル変更フレーム生成部１２において決定される。
周波数チャネル変更フレーム解析部１３が通信状態を解析し、判断して通常通信モードＡ１５もしくは高信頼チャネル切替モードＢ１６をセレクタ１７を制御することによって、選択（セレクト）する。

＜通信ネットワークの構成１＞
次に、本発明に係る無線通信装置が基地局や端局として用いられる場合の通信ネットワーク構成１について説明する。ただし、図２に示す通信局を用いた通信ネットワーク構成１以外に、別の通信局を用いた通信ネットワーク構成については、通信ネットワーク構成２として後記する。
図２は、本発明の第１実施形態に係る無線通信装置が基地局や端局として用いられる場合の通信ネットワーク構成１の例を示す図であり、（ａ）は１対１の無線局の構成であり、（ｂ）は１対多の無線局の構成であり、（ｃ）は複数の無線局を中継しながら通信するマルチホップ通信の構成を示すものである。

《１対１の無線局の構成》
図２（ａ）において、基地局２０１は、端局２１０に対して無線通信Ｗ０１１０を行っている。基地局２０１と端局２１０は、それぞれ１局であり、それぞれ無線通信装置１０１（図１）を備えている。
なお、無線通信Ｗ０１１０を破線で表記しているのは、通信状態に障害が発生している、もしくは発生する可能性があることを示している。

《１対多の無線局の構成》
また、図２（ｂ）において、基地局２０１は、端局２１１に対して無線通信Ｗ０１１１を行っているとともに、端局２１２に対して無線通信Ｗ０１１２を行っている。
なお、無線通信Ｗ０１１１を実線で表記しているのは、通信が順調に行われている様子を示している。これに対して、無線通信Ｗ０１１２を破線で表記しているのは、通信状態に障害が発生している、もしくは発生する可能性があることを示している。
また、図２（ｂ）では、基地局２０１に対して、端局は、端局２１１と端局２１２の２局の場合を示しているが、端局が３局以上であってもよい。

《複数の無線局を中継しながら通信する構成》
また、図２（ｃ）において、基地局２０１は、中継局２２１との間で無線通信Ｗ０１２１を行い、中継局２２１は、端局２１３との間で無線通信Ｗ２１１３を行っている。
このように、中継局２２１が中継することによって、基地局２０１から端局２１３に通信内容を伝送することができる。
なお、無線通信Ｗ０１２１が破線で表記されているのは、基地局２０１と中継局２２１との間でも通信状態に障害が発生する可能性があることを示している。
また、図２（ｃ）においては、中継局２２１の１局のみの中継の場合を表記しているが、中継局（２２１）が複数局ある場合もある。つまり複数の無線局を中継しながら通信するマルチホップ通信にも適用可能である。

以上、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示した様々な通信ネットワーク構成の基地局２０１、端局２１０、２１１、２１２、中継局２２１に、本発明に係る無線通信装置１０１が適用可能である。

＜通信フレーム構成＞
次に、本発明に係る無線通信装置１０１が基地局、端局、中継局などに備えられて通信を行う際の通信フレームの構成（通信フレーム構成）について説明する。
図３は、本発明の第１実施形態に係る無線通信装置１０１が基地局、端局、中継局などに備えられて通信を行う際の通信フレーム構成の一例を示す図である。
通信フレーム３０は、通信データ３２およびフレームヘッダ３１、フレームエンド３３を備えて構成される。

フレームヘッダ３１は、フレームヘッダ３１Ａとフレームヘッダ３１Ｂとを備えて構成されている。
フレームヘッダ３１Ａには、通信データの宛先、送信元情報が備えられている。
また、フレームヘッダ３１Ｂには、送信方法の情報である周波数チャネル変更用情報が備えられている。
周波数チャネル変更用情報のフレームヘッダ３１Ｂは、繰り返し回数３１１、送信周期３１２、切替先ＣＨ番号３１３を備えて構成される。
なお、繰り返し回数３１１とは、通信フレーム３０を送信した際に通信障害が発生して宛先の通信局が受信できない可能性があるとき、繰り返し送信するが、このときの送信を繰り返す指定された回数である。繰り返し回数３１１は、連続送信回数とも表記する。
また、送信周期３１２とは、周波数チャネル情報の送信周期である。
また、切替先ＣＨ番号３１３とは、切替先周波数チャネルの番号情報である。
繰り返し回数３１１、送信周期３１２、切替先ＣＨ番号３１３は、後記する高信頼チャネル切替モードＢ１６（図１）において、参照して使用される。

また、通信データ３２には、通信の内容に関わるデータが収納されている。
また、フレームエンド３３は、通信フレームの終了を示すものである。

＜周波数チャネル切替処理＞
図１に示した高信頼チャネル切替モードＢ１６における周波数チャネル切替処理について、図４、図５を参照して説明する。
まず、図４のシーケンス図に基づいて説明し、その後で図５のフローチャートに基づいて説明する。

図４は、本発明の第１実施形態に係る無線通信装置を備えた基地局２０１と端局２１０との間の周波数チャネル切替処理の一例を時間軸で示したシーケンス図である。
基地局２０１と端局２１０は、所定のチャネル、例えば旧周波数チャネル（旧ＣＨ）で通信を行うが、この通信がうまく行われない場合がある。
なお、周波数チャネルを適宜、簡易的に「ＣＨ」と表記する。

このような場合には、基地局２０１は、周波数チャネルの切替要求を端局２１０に送付する（Ｃ１、図４）。
もともと通信がうまく行われない場合であるので、干渉の影響が大きく、干渉による未達（干渉未達）が繰り返し発生する（ＣＮ１、図４）。
このように未達の通信フレームが発生したものの、繰り返すなかで通信フレームが到達するものがある（Ｃ２、図４）。
この通信フレームの到達を受けて、端局２１０から基地局２０１に対して、周波数チャネル切替要求が届いたことを示す周波数チャネル切替応答を送信する（Ｃ３、図４）。
その後、端局２１０では周波数チャネルの切替を実施し、それまで使用していた周波数チャネル（旧ＣＨ）から新たな周波数チャネル（新ＣＨ）に変更を実施する（ＣＨ１、図４）。

基地局２０１は、周波数チャネル切替応答Ｃ３を受信できた場合には、周波数チャネル切替を実施し、新ＣＨへと変更する（ＣＨ２、図４）。
なお、基地局２０１と端局２１０との間で、周波数チャネルの変更に関わる周波数チャネルの切替要求Ｃ１、Ｃ２と周波数チャネル切替応答Ｃ３のやり取りなしに、直ちに周波数チャネルを変更すると、相手局がその周波数チャネル（周波数）の情報がないので受信できない。したがって、基地局２０１と端局２１０との間における前記したＣ１、Ｃ２、Ｃ３等の情報交換が必要となる。
また、端局２１０が新ＣＨに切り替えてから、基地局２０１が新ＣＨに切り替えるまでの時間（ＣＴ１、図４）は、２つの無線局間で使用するＣＨが異なるため、通信することができない。
基地局２０１が新ＣＨに切り替えると、端局２１０と基地局２０１は、共に新ＣＨとなる。この新ＣＨで基地局２０１は、通信を試みる（Ｃ４、図４）。
ただし、新ＣＨにおいても必ずしも通信が正常に行われるとは限らない。

基地局２０１と端局２１０が共に新ＣＨとなっても、基地局２０１の通信フレームの干渉による未達（干渉未達）が繰り返し発生したとする（ＣＮ４、図４）。
このような干渉による未達が繰り返し発生する場合の対処方法として、自律的に旧ＣＨに戻す仕掛けとして設定されるタイムアウト時間（ＣＴ０、図４）を設ける。
ＣＨ切替後からカウントし始めたタイムアウト時間ＣＴ０内に基地局２０１から応答がない、つまり通信フレームが届かない場合には、端局２１０は旧ＣＨへと切り戻す（ＣＨ３、図４）。

端局２１０が旧ＣＨへと切り戻すと、基地局２０１の新ＣＨの通信フレーム（Ｃ５、図４）は、端局２１０では受信できない。また、端局２１０が旧ＣＨで送る通信フレーム（Ｃ６、図４）は、周波数チャネルを旧ＣＨへ戻したことを通知する周波数チャネル切戻完了通知であるが、新ＣＨの状態にある基地局２０１では受信できない。
基地局２０１もタイムアウト時間ＣＴ０後、旧ＣＨへと切り戻す（ＣＨ４、図４）。
なお、端局２１０が旧ＣＨへ戻してから基地局２０１が旧ＣＨへ戻す期間ＣＴ２は、端局２１０と基地局２０１との間で周波数チャネルが異なるために無線通信ができない。

その後、旧ＣＨの端局２１０から繰り返し出される周波数チャネル切戻完了通知（Ｃ７、図４）は、基地局２０１が旧ＣＨとなっているので、基地局２０１が受信できることもある。
基地局２０１が周波数チャネル切戻完了通知Ｃ７を受信すると、基地局２０１は、端局２１０が旧ＣＨに戻したことを認識し、旧ＣＨで通信を実行する。
以上のように、端局の送信が失敗することや、基地局からの応答の返信がないことなどにより、新ＣＨへの切替処理が完結しない場合には、通信を最低元の状態に戻す機能がある。そのために、自律的に旧ＣＨに戻すしかけとしてタイムアウト時間ＣＴ０を設けている。

＜周波数チャネル切替処理のフローチャート＞
次に、周波数チャネル切替処理をフローチャートとして説明する。
図５は、本発明の第１実施形態に係る無線通信装置に用いられる周波数チャネル切替処理の一例を示すフローチャートである。
図５における周波数チャネル切替処理のフローチャートの詳細を、各ステップにしたがって、以下に順に説明する。

《Ｓ５０１》
ステップＳ５０１は、周波数チャネル切替処理に先立って通信状態を確認する（周波数チャネル変更フレーム解析部１３、図１）。
そして、ステップＳ５０２に進む。
なお、図５において、このステップＳ５０１を「通信状態の確認」と表記している。

《Ｓ５０２》
ステップＳ５０２は、基地局２０１と端局２１０間の通信において、周波数チャネルの変更が必要か否かを判定する（周波数チャネル変更フレーム解析部１３、図１）。
ここで、周波数チャネルの変更が必要な場合（Ｙｅｓ：Ｓ５０２）は、ステップＳ５０３に進む。
また、周波数チャネルの変更が必要でない場合（Ｎｏ：Ｓ５０２）は、ステップＳ５０２の冒頭に戻り、引き続き周波数チャネルの変更が必要か否かを判定する。
なお、図５において、このステップＳ５０２を「周波数チャネルの変更が必要？」と表記している。

《Ｓ５０３》
ステップＳ５０３は、周波数チャネル変更フレームを生成する（周波数チャネル変更フレーム生成部１２、図１）。
そして、ステップＳ５０４に進む。
なお、図５において、このステップＳ５０４を「周波数チャネル変更フレームを生成」と表記している。

《Ｓ５０４》
ステップＳ５０４は、高信頼チャネル切替モードＢ１６に通信モードを切り替える（周波数チャネル変更フレーム解析部１３、高信頼チャネル切替モードＢ（高信頼チャネル切替モード手段）１６、セレクタ１７、図１）。
そして、ステップＳ５０５に進む。
なお、図５において、このステップＳ５０４を「チャネル切替モードに切り替え」と表記している。

《Ｓ５０５》
ステップＳ５０５は、チャネル切替モードにより、周波数チャネル変更フレームを送信する（セレクタ１７、通信フレーム合成部１８、送信手段１９、図１）。
そして、ステップＳ５０６に進む。
なお、図５において、このステップＳ５０５を「周波数チャネル変更フレームを送信」と表記している。

《Ｓ５０６》
ステップＳ５０６は、タイムアウト時間（ＣＴ０、図４）のカウントを開始する（周波数チャネル変更フレーム解析部１３、図１）。
そして、ステップＳ５０７に進む。
なお、図５において、このステップＳ５０６を「タイムアウト時間のカウント開始」と表記している。

《Ｓ５０７》
ステップＳ５０７は、カウントを開始した後、所定の値に設定されたタイムアウト時間ＣＴ０以内であるか否かを判定する（周波数チャネル変更フレーム解析部１３）。
タイムアウト時間以内である場合（Ｙｅｓ：Ｓ５０７）は、ステップＳ５０８に進む。
また、タイムアウト時間以内でない場合（Ｎｏ：Ｓ５０７）は、ステップＳ５１１に進む。
なお、図５において、このステップＳ５０７を「タイムアウト時間以内であるか？」と表記している。

《Ｓ５０８》
ステップＳ５０８は、端局２１０から周波数チャネル変更応答があったか否かを判定する（周波数チャネル変更フレーム解析部１３）。
周波数チャネル変更応答があった場合（Ｙｅｓ：Ｓ５０８）は、ステップＳ５０９に進む。
また、周波数チャネル変更応答がない場合（Ｎｏ：Ｓ５０８）は、ステップＳ５０５に戻る。
なお、図５において、このステップＳ５０８を「周波数チャネル変更応答があったか？」と表記している。

《Ｓ５０９》
ステップＳ５０９は、周波数チャネル変更応答を端局２１０に送信する（周波数チャネル変更フレーム解析部１３、高信頼チャネル切替モードＢ１６、セレクタ１７、通信フレーム合成部１８、送信手段１９、図１）。
そして、ステップＳ５１０に進む。
なお、図５において、このステップＳ５０９を「周波数チャネル変更応答を端局に送信」と表記している。

《Ｓ５１０》
ステップＳ５１０は、端局２１０から切替先の周波数チャネルで通信が再開されたか否かを判定する（周波数チャネル変更フレーム解析部１３）。
通信が再開された場合（Ｙｅｓ：Ｓ５１０）は、このフローを終了する。終了した場合は、新ＣＨで通信を引き続き実施する。
また、通信が再開されない場合（Ｎｏ：Ｓ５１０）は、ステップＳ５０９に戻る。
なお、図５において、このステップＳ５１０を「通信が再開されたか？」と表記している。

《Ｓ５１１》
ステップＳ５１１は、ステップＳ５０７において、タイムアウト時間を越した場合（タイムアウト時間以内であるか？・・・Ｎｏ）である。
ステップＳ５１１では、元の周波数チャネル（旧ＣＨ）に戻す変更をする（周波数チャネル変更フレーム解析部１３、周波数チャネル変更フレーム生成部１２）。
なお、図５において、このステップＳ５１１を「元の周波数チャネルに変更」と表記している。

以上が周波数チャネル切替処理フローであるが、フローの「終了」に行った場合は、新ＣＨで通信を引き続き実施する。また、ステップＳ５１１に行った場合は、元の周波数チャネル（旧ＣＨ）で通信を試行することになる。

（第２実施形態）
次に、本発明に係る無線通信装置の第２実施形態について説明する。また、以下の説明は無線通信装置に関するものであるが、制御システムとしての説明を兼ねる。
なお、本発明の第２実施形態に係る無線通信装置１０２は、後記する基地局と端局との間の通信ネットワーク構成２における通信局（基地局、端局）の無線通信装置として用いられる。
図６は、本発明の第２実施形態の無線通信装置１０２の構成例を示す図である。
図６において、無線通信装置１０２の構成は、第１実施形態で示した無線通信装置１０１の構成要素（１１〜１９）を備えている。そして、迂回経路選択モード（迂回経路選択モード手段）２０を追加して備えた構成となっている。
迂回経路選択モード２０を新たに用いることによって、切替処理の信頼性向上を図るものであるが、その詳細については図７、図８を参照して後記する。
なお、図６において、迂回経路選択モード２０以外の他の構成は、図１で同一の符号で表記され、機能も基本的には同一であるので、重複する説明は省略する。

＜通信ネットワーク構成２＞
次に、第２実施形態の無線通信装置１０２を通信局として用いる通信ネットワーク構成２について説明する。
図７は、本発明の第２実施形態に係る無線通信装置１０２を通信局（基地局、中継局、端局）として用いる通信ネットワーク構成２の例を示す図であり、（ａ）は無線局の保持するアンテナ本数が１本の場合であり、（ｂ）は無線局の保持するアンテナ本数が２本（複数本）の場合であり、（ｃ）はネットワークにおいて、各通信の接続に異なる周波数チャネルを用いる場合を示す図である。

《無線局の保持するアンテナ本数が１本の場合》
図７（ａ）において、基地局７０１から端局７１１に通信を行う際に、基地局７０１から中継局７２１Ａに通信データを送り、次に中継局７２１Ａから中継局７２１Ｂに通信データを送り、そして中継局７２１Ｂから端局７１１に通信データを送る経路がある。
また、基地局７０１から端局７１１に通信を行う際に、基地局７０１から中継局７２２Ａに通信データを送り、次に中継局７２２Ａから中継局７２２Ｂに通信データを送り、そして中継局７２２Ｂから端局７１１に通信データを送る経路がある。
このように、経路が２通りあって、例えば無線通信Ｗ２１ＡＢにおいて、通信障害が発生した場合でも、基地局７０１から端局７１１に通信を行う経路としては、中継局７２２Ａから中継局７２２Ｂを介する方法があるので、通信経路の確保としての信頼性が向上する。

なお、中継局７２１Ａ、７２１Ｂ、７２２Ａ、７２２Ｂにおける各アンテナ（Ｔ２１Ａ、Ｔ２１Ｂ、Ｔ２２Ｂ、Ｔ２２Ａ）は、それぞれ１本であり、受信と送信とにおいて、共通のアンテナを用いている。また、基地局７０１もアンテナＴ０１は１本であり、中継局７２１Ａと中継局７２２Ａとに別々に送信する際も共通のアンテナを用いている。また、端局７１１もアンテナＴ１１は１本であり、中継局７２１Ｂと中継局７２２Ｂからの受信を同一のアンテナで行っている。
以上のように、基地局７０１、中継局７２１Ａ、７２１Ｂ、７２２Ａ、７２２Ｂ、端局７１１のそれぞれのアンテナは各１本であるので、同時通信はできない。例えば基地局７０１は、中継局７２１Ａと中継局７２２Ａへの送信は、時間（タイミング）をずらして実施する。

なお、基地局７０１から中継局７２１Ａ、７２２Ａへの送信や、中継局７２１Ａから７２１Ｂ、または中継局７２２Ａから７２２Ｂへの送信、そして中継局７２１Ｂまたは中継局７２２Ｂから端局７１１への送信において、各通信チャネルは同じ周波数の周波数チャネルを共通して使用することもできる。あるいは、また各局間で異なる周波数チャネルを使い分けることもできる。

《無線局の保持するアンテナ本数が２本（複数本）の場合》
図７（ｂ）において、基地局７０１から端局７１２に通信を行う際に、基地局７０１から中継局７３１Ａに通信データを送り、次に中継局７３１Ａから中継局７３１Ｂに通信データを送り、そして中継局７３１Ｂから端局７１２に通信データを送る経路がある。
また、基地局７０１から端局７１２に通信を行う際に、基地局７０１から中継局７３２Ａに通信データを送り、次に中継局７３２Ａから中継局７３２Ｂに通信データを送り、そして中継局７３２Ｂから端局７１２に通信データを送る経路がある。

このように、経路が２通りあるという点では、図７（ｂ）は図７（ａ）と同じであるが、基地局７０１、端局７１２、中継局７３１Ａ、７３１Ｂ、７３２Ａ、７３２Ｂは、すべて各２本のアンテナ（Ｔ０１Ａ、Ｔ０１Ｂ）、（Ｔ１２Ａ、Ｔ１２Ｂ）、（Ｔ３１Ａ１、Ｔ３１Ａ２）、（Ｔ３１Ｂ１、Ｔ３１Ｂ２）、（Ｔ３２Ａ１、Ｔ３２Ａ２）、（Ｔ３２Ｂ１、Ｔ３２Ｂ２）を有しており、送信及び受信において、相手先に応じてアンテナを使い分けている。
したがって、アンテナを共用していないので、異なる通信リンク間で、異なる通信チャネルを用いることにより、同時通信が可能となり、通信効率や通信の信頼性が高まる。
なお、図７（ｂ）において、無線通信Ｗ３１ＡＢに通信障害が発生する場合を一例として示している。この通信障害が発生した場合の各通信局の対応の仕方についての詳細は後記する。

《ネットワークにおいて、各通信の接続に異なる周波数チャネルを用いる場合》
図７（ｃ）において、基地局７０１から端局７１３に通信を行う際に、基地局７０１から中継局７４１に通信データを送り、次に中継局７４１から中継局７４２に通信データを送り、そして中継局７４２Ｂから端局７１３に通信データを送る。
ただし、基地局７０１、端局７１３、中継局７４１、７４２は、それぞれすべて２本のアンテナ（Ｔ０１Ａ、Ｔ０１Ｂ）、（Ｔ１３Ａ、Ｔ１３Ｂ）、（Ｔ４１Ａ、Ｔ４１Ｂ）、（Ｔ４２Ａ、Ｔ４２Ｂ）を有しており、通信の相手先に対して２本のアンテナを用いて、それぞれ別の周波数チャネルで通信を行う。

通信ネットワーク構成２として、図７の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示した方法は、すべて同時通信可能な冗長経路を保持するネットワークである。
第２実施形態として無線通信装置１０２（図６）は、前記したように、迂回経路選択モード２０を備えており、図７で示した同時通信可能な冗長経路を保持するネットワークと組み合わせると、さらに他無線局からの干渉を回避する信頼性の高い通信ネットワークが構成できる。

＜周波数チャネル切替処理の概要＞
次に、図７(ｂ)に示すネットワークを例にとり、図８Ａ〜図８Ｆを参照して周波数チャネル切替処理の概要を示す。

《Ａ段階》
図８Ａは、本発明の第２実施形態に係る無線通信装置１０２を通信局として用いる場合の周波数チャネル切替処理の一例におけるＡ段階を示す図である。
図８Ａにおいて、基地局７０１は中継局７３１Ａ、７３１Ｂの通信経路と、中継局７３２Ａ、７３２Ｂとの２つの通信経路を介してそれぞれ端局７１２と通信を行っている。
また、図８Ａにおいて、中継局７３１Ａと中継局７３１Ｂとの間の無線通信Ｗ３１ＡＢにおいて、通信状態が悪化している、もしくは通信障害が発生している。
通信状態の悪化もしくは通信障害の発生を検知した基地局７０１は、干渉を受けている中継局７３１Ａと中継局７３１Ｂとに直達経路を用いて周波数チャネル切替要求Ｒ３１ＡＢを送信する。また、中継局７３１Ａは、中継局７３１Ｂに周波数チャネル切替要求Ｒ３１ＡＢを送信する。

《Ｂ段階》
図８Ｂは、本発明の第２実施形態に係る無線通信装置を通信局として用いる場合の周波数チャネル切替処理の一例におけるＢ段階を示す図である。
図８Ｂにおいて、中継局７３１Ａは、中継局７３１Ｂに対して、直達経路を用いて周波数チャネル切替要求信号Ｒ３１ＡＢを、周波数チャネル切替応答信号が返信されるまで送信する。
また、基地局７０１は、中継局７３１Ｂに対して、迂回経路（中継局７３２Ａ、７３２Ｂ）を用いて、周波数チャネル切替要求信号Ｒ３２ＡＢを周波数チャネル切替応答信号が返信されるまで送信する。

《Ｃ段階》
図８Ｃは、本発明の第２実施形態に係る無線通信装置を通信局として用いる場合の周波数チャネル切替処理の一例におけるＣ段階を示す図である。
図８Ｃにおいて、周波数チャネル切替要求信号Ｒ３１ＡＢを受信した中継局７３１Ｂは、中継局７３１Ａに対して、直達経路で周波数チャネル切替応答信号Ｒ３１ＢＡを送信する。
また、併せて中継局７３１Ｂは、中継局７３１Ａに対して、迂回経路（中継局７３２Ａ、７３２Ｂ）で周波数チャネル切替応答信号Ｒ３２ＢＡを送信する。

《Ｄ段階》
図８Ｄは、本発明の第２実施形態に係る無線通信装置を通信局として用いる場合の周波数チャネル切替処理の一例におけるＤ段階を示す図である。
図８Ｄにおいて、周波数チャネル切替要求信号（Ｒ３１ＡＢ、Ｒ３２ＡＢ）を受信した中継局７３１Ｂは、中継局７３１Ｂ自身の周波数チャネルを切り替える周波数チャネル切替Ｃ３１Ｂを実施する。

《Ｅ段階》
図８Ｅは、本発明の第２実施形態に係る無線通信装置を通信局として用いる場合の周波数チャネル切替処理の一例におけるＥ段階を示す図である。
図８Ｅにおいて、中継局７３１Ｂは周波数チャネル切替Ｃ３１Ｂを実施（Ｄ段階）した後、周波数チャネル切替応答Ｑ３２ＢＡを、迂回経路（中継局７３２Ａ、７３２Ｂ）で中継局７３１Ａに対して送信する。
周波数チャネル切替応答Ｑ３２ＢＡを受信した中継局７３１Ａは、中継局７３１Ａ自身の周波数チャネルを切り替える周波数チャネル切替Ｃ３１Ａを実施する。

《Ｆ段階》
図８Ｆは、本発明の第２実施形態に係る無線通信装置を通信局として用いる場合の周波数チャネル切替処理の一例におけるＦ段階を示す図である。
図８Ｆにおいて、後で周波数チャネル切替Ｃ３１Ａを実施した中継局７３１Ａが、前に周波数チャネル切替Ｃ３１Ｂを実施した中継局７３１Ｂに対して、周波数チャネル切替応答Ｑ３１ＡＢを送信する。
中継局７３１Ｂが中継局７３１Ａの周波数チャネル切替応答Ｑ３１ＡＢを受信すれば、周波数チャネル切替処理は完了する。

＜通信フレーム構成２＞
次に、周波数変更情報の周波数チャネル番号を複数個記載した、通信フレームの構成例を示す。
図９は、本発明の第２実施形態に係る無線通信装置を通信局として用いる場合において、周波数変更情報の周波数チャネル番号を複数個記載した通信フレーム３０の構成例を示す図である。
図９において、図３に示した通信フレームと異なるのは、周波数チャネル変更用情報を備えたフレームヘッダ３１Ｂの構成である。さらに、フレームヘッダ３１Ｂのなかの切替先ＣＨ番号３１３に関する構成である。
図９の通信フレーム３０において、切替先ＣＨ番号は、切替先ＣＨ番号１（３１３１）、切替先ＣＨ番号２（３１３２）、・・・（３１３Ｎ）のように複数個、記載された構成となっている。

この構成により、通信フレーム３０の周波数変更情報のＣＨ番号の２番目に記載の、変更先の周波数チャネルの第２候補のチャネルに周波数チャネル切替処理を実施することが可能となる。
したがって、図４におけるＣＨ切り戻し（ＣＨ３、ＣＨ４）の代わりを、通信フレーム３０の周波数変更情報に記載するのみで容易に可能となる。
また、そのため、１つの切替先ＣＨで干渉を回避できない場合であって、ＣＨ切り戻しを行ったにも関わらず、なお干渉を回避できない場合にも対応できる手段を提供する。
なお、他の要素は、図３と図９で同一の符号で表記され、構成も基本的には同一であるので、重複する説明は省略する。

＜通信フレーム構成３＞
次に、通信フレーム構成３として、周波数変更情報に送信優先度情報を持つ、通信フレームの構成例を示す。
図１０は、本発明の第２実施形態に係る無線通信装置を通信局として用いる場合において、周波数変更用情報であるフレームヘッダ３１Ｂに送信優先度３１４の情報を持つ、通信フレーム３０の構成例を示す図である。
図１０において、図９に示した通信フレームと異なるのは、周波数チャネル変更用情報を備えたフレームヘッダ３１Ｂで、さらに送信優先度（送信優先手段）３１４がさらに備わった構成となっていることである。

通常、通信でやり取りされるセンサ機器の情報のような通常データの情報も周波数変更情報といった優先度の高い情報も、同一優先度で処理されるため、通常データが無線機の通信制御用ＬＳＩ（Large Scale Integration）に所定の範囲で先に送信されていた場合、優先度を高く処理すべき周波数変更情報が後回しにされる可能性がある。
そのため、送信優先度を規定する領域を通信フレーム内の周波数チャネル変更用情報に設けることで、優先度制御することが可能である。
なお、他の要素は、図９と図１０で同一の符号で表記され、構成も基本的には同一であるので、重複する説明は省略する。

（その他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、本発明はこれら実施形態およびその変形に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の工程、製造、設計変更等があってもよく、以下にその例をあげる。

《周波数チャネル切替応答》
図４において、当初の旧ＣＨで干渉による通信フレームの未達が重なるので、新しい周波数チャネル（新ＣＨ）で通信を行った際に、新ＣＨでも通信状況が良くない場合に、再度、旧ＣＨに戻す例を示した。
しかしながら、再度、旧ＣＨに戻す前に、別の新しい周波数チャネルを複数回、替える方法もある。そして、すべての新しい周波数チャネルを試みて、通信状況が改善されない場合に、再度、旧ＣＨに戻す方法もある。
この方法によれば、干渉による通信フレームの未達の可能性を低減できる効果がある。

《通信ネットワークのその他の構成》
図７において、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に３種類のネットワークの構成を例として示したが、この３種類に限定されるものではない。例えば、（ｂ）と（ｃ）を混在させて、ある区間においては、（ｂ）のように中継局を並行して配置（例えば７３１Ａ、７３２Ａ）し、別の区間においては、（ｃ）のように１つの中継局（例えば７４２）が２本のアンテナで同じ中継局（例えば７４１）から並列に送受信をするような配置にしてもよい。既存の中継局を利用する場合には、このような（ｂ）と（ｃ）を混在させる方法が新たな投資による費用を節減できる場合がある。
また、図７（ｂ）においては、中継局を２系列に並行して配置しているが、３系列以上を並行して配置してもよい。この場合には、冗長度が高まるので通信の信頼度が向上することがある。

１１ 受信手段
１２ 周波数チャネル変更フレーム生成部、周波数チャネル変更フレーム生成手段
１３ 周波数チャネル変更フレーム解析部、周波数チャネル変更フレーム解析手段
１４ 送信バッファ
１５ 通常通信モードＡ
１６ 高信頼チャネル切替モードＢ、高信頼チャネル切替モード手段
１７ セレクタ、通信モードセレクタ
１８ 通信フレーム合成部
１９ 送信手段
２０ 迂回経路選択モード、迂回経路選択モード手段
３０ 通信フレーム
３１、３１Ａ、３１Ｂ フレームヘッダ
３２ 通信データ
３３ フレームエンド
１０１、１０２ 無線通信装置
２０１、７０１ 基地局
２１０、２１１、２１２、２１３、７１１、７１２、７１３ 端局
２２１、７２１Ａ、７２１Ｂ、７２２Ａ、７２２Ｂ、７３１Ａ、７３１Ｂ、７３２Ａ、７３２Ｂ、７４１、７４２ 中継局
３１１ 繰り返し回数、連続送信回数
３１２ 送信周期
３１３、３１３１、３１３２、３１３Ｎ 切替先ＣＨ番号
３１４ 送信優先度、送信優先手段
Ｃ１、Ｃ２、Ｒ３１ＡＢ、Ｒ３２ＡＢ 周波数チャネル切替要求、周波数チャネル切替要求信号
Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５、Ｑ３１ＢＡ、Ｑ３２ＢＡ、Ｒ３１ＢＡ、Ｒ３２ＢＡ 周波数チャネル切替応答、周波数チャネル切替応答信号
Ｃ６、Ｃ７ 周波数チャネル切戻完了通知
Ｃ３１Ａ、Ｃ３１Ｂ 周波数チャネル切替
ＣＨ１、ＣＨ２ ＣＨ切替
ＣＨ３、ＣＨ４ ＣＨ切戻
ＣＮ１、ＣＮ４ 干渉未達
ＣＴ０ タイムアウト時間
ＣＴ１、ＣＴ２ 通信不可時間
Ｔ０１、Ｔ０１Ａ、Ｔ０１Ｂ、Ｔ１１、Ｔ１２Ａ、Ｔ１２Ｂ、Ｔ１３Ａ、Ｔ１３Ｂ、Ｔ２１Ａ、Ｔ２１Ｂ、Ｔ２２Ａ、Ｔ２２Ｂ、Ｔ３１Ａ１、Ｔ３１Ａ２、Ｔ３１Ｂ１、Ｔ３１Ｂ２、Ｔ３２Ａ１、Ｔ３２Ａ２、Ｔ３２Ｂ１、Ｔ３２Ｂ２、Ｔ４１Ａ、Ｔ４１Ｂ、Ｔ４２Ａ、Ｔ４２Ｂ アンテナ
Ｗ０１１０、Ｗ０１１１、Ｗ０１１２、Ｗ０１２１、Ｗ２１１３、Ｗ２１ＡＢ、Ｗ３１ＡＢ 無線通信

Claims (4)

1. 所定の周波数チャネルで他の無線局の通信信号を受信する受信手段と、
   所定の周波数チャネルで他の無線局へ通信信号を送信する送信手段と、
   前記受信手段を介して収集された前記他の無線局との前記周波数チャネルの通信状態に応じて周波数チャネルの変更を実施する周波数チャネル切替手段と、
   周波数チャネル変更情報の授受に用いる通信路の通信信頼性に応じて、前記周波数チャネル変更情報を変更する高信頼チャネル切替モード手段と、
   高信頼チャネル切替モードと、通常通信モードとのいずれかを選択する通信モードセレクタと、
   通信フレームを合成する通信フレーム合成手段と、
   を備え、
   前記周波数チャネル切替手段は、前記受信手段を介して収集された前記他の無線局との前記周波数チャネルの通信状態を解析する周波数チャネル変更フレーム解析手段と、該周波数チャネル変更フレーム解析手段の前記通信状態の解析情報と前記高信頼チャネル切替モード手段の状態情報に基づき通信フレームを生成する周波数チャネル変更フレーム生成手段とを有し、
   前記高信頼チャネル切替モード手段は、通信障害が発生していない場合にもちいられる前記通常通信モードの送信周期よりも短い送信周期と前記通常通信モードの送信回数よりも多い送信繰り返し回数の周波数チャネルを供給し、
   前記通信フレーム合成手段は、前記通信モードセレクタからの通信フレームを合成して前記送信手段に送る、
   ことを特徴とする無線通信装置。
2. 請求項１において、
   前記通信信頼性は、前記通信路の通信実績および回線状態によって決定されることを特徴とする無線通信装置。
3. 請求項１において、
   前記周波数チャネル変更情報は、周波数チャネルの送信周期および連続送信回数を有することを特徴とする無線通信装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一項において、
   さらに前記通信路の通信実績および回線状態により決定される通信信頼性に応じて、通信経路を選択する迂回経路選択モード手段を備えることを特徴とする無線通信装置。

Images