JP5963574B2

JP5963574B2 - 無線通信装置

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Publication number: JP5963574B2
Application number: JP2012148111A
Authority: JP
Inventors: 近藤　博; 博近藤; 泉大塚; 彰紀山村; 徳永　雄一; 雄一徳永
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-07-02
Filing date: 2012-07-02
Publication date: 2016-08-03
Anticipated expiration: 2032-07-02
Also published as: JP2014011700A

Description

本発明は、プラットホームの安全設備である可動式ホーム柵などに設けられる無線通信装置に係わり、特に、可動式ホーム柵に対して配置されたセンサにおける信号干渉に起因する通信障害を回避する無線通信装置に関する。

本発明に近い従来技術を記載した文献としては、以下に示す特許文献１〜４がある。
特許文献１（特開２００６−１５７６７１号公報）に記載の技術は、無線ＬＡＮアクセスポイントに関するものであり、特許文献２（特開２００９−１７１０７８公報）に記載の技術は、鉄道CBTC(ATACS)に関するものである。
特許文献１および特許文献２は、周波数組み合わせを記憶し、障害時に切り替える点で本発明に類似はしているが、切り替えの通知には他の通信手段を使うことが言及されており、無線障害によって切り替え指示ができないという問題を解決していない。
特許文献３（特開平９−８３４２４公報）に記載の技術は、ＩＳＤＮに関するものであり、異常時に周波数を切り替える点で類似するが、通信不能状態においては一度離脱動作となり、復帰に時間がかかるという問題がある。
特許文献４（特開２０１０−３５０６８公報）に記載の技術は、マルチホップ通信に関するものであり、異常時に周波数を切り替える点で類似するが、障害時に制御情報を全周波数に繰り返し送受信するため、切り替えに時間がかかるという問題がある。

特開２００６−１５７６７１号公報特開２００９−１７１０７８号公報特開平９−８３４２４号公報特開２０１０−３５０６８号公報

無線通信障害のうち、通信環境の変化に伴う障害は、設計対処が難しく、障害時に原因を特定し、適切な対処を行うことで回避する必要がある。
環境変化による障害原因は、主に（１）信号干渉（第三者の通信や機器のノイズによる周波数干渉）と（２）障害物（遮蔽および反射波フェージング）の２点が考えられ、障害原因が信号干渉の場合は周波数切り替え、障害原因が障害物の場合は通信経路変更の対策を実施する事で大半の障害を克服できる。

これまでは、通信異常の傾向を統計的に判断するなどして、原因特定と対処を実施していた。
しかし、産業用途においてはリアルタイム通信の品質向上が要求されるため、後対処では間に合わないという問題点がある。
そこで、ある送信部から受信部へ無線通信した際に、これが失敗した時点で、その原因が信号干渉である場合、ただちに周波数切り替えを実施し、通信スロット期間内での通信リカバリ（通信復旧）を行える無線通信装置を提供することを目的とする。

この発明に係わる無線通信装置は、センサとコントローラ間の通信周波数の切り替えが行える無線通信装置であって、
周波数干渉による通信障害が発生した場合に通信周波数を切り替えるために、
受信部は、２チャンネルの周波数の受信が可能であり、
送信部および前記受信部は、送信メイン周波数、送信サブ周波数および応答周波数の３種類の異なる周波数の組みを記載した周波数テーブルを有し、
前記送信部で干渉を検知した場合、データを前記送信メイン周波数から前記送信サブ周波数に切り替えて前記受信部に送り、前記受信部では前記送信サブ周波数でデータが送られてきたことを確認して、前記周波数テーブルからデータが送られてきた周波数が前記送信メイン周波数となる組みを探し、以降新たな組みのそれぞれの周波数で受信待機するものである。

この発明によれば、送信部と受信部の間で干渉による通信障害が発生した場合に、ただちに送信周波数の切り替えを実施して早急に通信復旧を行える。

周波数ホッピングによる動作例を示す図である。従来の「通信異常が発生した場合の状況」を示す図である。本発明による無線通信装置のセンサおよびコントローラの基本的な配置状態を示すとともに、通信障害の原因が信号干渉の場合の状況を示す図である。信号干渉検知（特定）の処理を説明するための図である。本発明による無線通信装置の送信側および受信側の構成を示す図である。送信側における干渉検知時動作例を説明するための図である。受信側における干渉検知時動作例を説明するための図である。ＡＣＫにおける干渉検知時動作例を説明するための図である。

以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
実施の形態１．
図１は、周波数ＣＨ（ＣＨ：チャンネル）を送受信で同期して切り替えながら通信する「周波数ホッピング（ＦＨＳＳ）」による動作例を示す図である。
通信を行うためには、送信側と受信側のタイミングを合わせる必要がある。
図１に示すように、特定ＣＨ（ＣＨ−Ｘ）で長い期間のプリアンブルを送出し、ＣＨを変えながら受信を試行して受信側とタイミングを合わせる。
送信側からプリアンブルを送信し、受信側とタイミングが合うことを「同期」と言う。
フレーム（パケットの集まり）を短いパケットに分割し、分割された短いパケットのそれぞれを異なる周波数で通信し、ＣＨ同期後はフレーム内で次のＣＨを指定し、送受ともにＣＨを切り替え、通信を行う。
これによりあるＣＨの信号干渉（単に、干渉とも記す）によるデータ全滅は防げるが、障害が発生するのは事実であり、また、センサデータのように小さいデータではパケット分割は難しい。そのため、確率的手法ではなく、安定した周波数に切り替える絶対的手法が必要である。

図２は、従来の「通信異常が発生した場合の状況」を示す図である。
従来は、図２に示すように、通信障害が発生した場合はセンサＳ１とコントローラＣ１、Ｃ２の通信は不可となっていた。
なお、図２において、「制御ＮＷ」とあるのは、「制御ネットワーク」のことである。
また、監視装置２０は、例えば可動式ホーム柵の開閉状態や故障状態などを監視する。

図３は、本発明による無線通信装置のセンサおよびコントローラの基本的な配置状態を示すとともに、通信障害の原因が信号干渉の場合の状況を示す図である。
なお、本発明による無線通信装置は、例えば、駅のプラットホームの可動式安全柵に対して適用する場合を想定しており、センサはカメラセンサである。
図３に示すように、複数のセンサＳ１、Ｓ２は、可動式ホーム柵の開口部の上方(天井など)に配置する。また、複数のコントローラＣ１〜Ｃ３は、複数のセンサＳ１、Ｓ２と対向する位置で可動式ホーム柵の戸袋部分に配置する。ここで、センサＳ１、Ｓ２は、可動式ホーム柵の扉での「異物挟まれ」を監視・検知する。コントローラＣ１〜Ｃ３は、可動式ホーム柵の扉の開閉制御(モータ)を実施する。
なお、「監視・記載」などと記載している「・」は、「および」を意味している。
図３は、通信障害の原因が信号干渉の場合、従来ではセンサＳ１とコントローラＣ１、Ｃ２の通信は不可であったが、通信周波数を変えることにより通信障害が回避でき、センサＳ１とコントローラＣ１、Ｃ２の通信が可能となる状況を示している。
本発明では、通信障害のうちの信号干渉に着目し、干渉発生時の対処方法について記載する。

本発明における信号干渉について、下記のように定義しておく。
送信側でパケット発信の直前（直後）の受信強度を監視し、受信部側で想定する本来のパケットの受信強度に干渉を与えるだけの受信強度を検出した上で通信失敗（ＡＣＫ無応答）した場合、もしくは受信側でヘッダは得たもののその後のフレームにエラーあり、受信強度が正常であった障害原因は信号干渉と判断する。
なお、ＡＣＫ（ACKNOWLEDGE）とは、受信完了信号である。

図４は、信号干渉検知の処理を説明するための図であり、送信時と受信時に信号干渉を特定できるケースを示している。
図４において、４０１、４０２、４０３は他者の通信ノイズ、５０１は本来のパケットのヘッダ部分、５０２は本来のパケットの中間部分である。
なお、干渉の場合は、パケットのヘッダ部分と中間部分に受信強度の変化は出ない。
（Ａ）送信時に干渉を特定（検知）できるケース
ヘッダ部分５０１が干渉破壊されるとデータは受信部に伝わらない。
この場合、パケット送出直前の受信観測を行うことにより送信側で干渉を検知する。
（Ｂ）受信時に干渉を特定（検知）できるケース
中間部分５０２が干渉破壊されると送信部は分からない。
この場合、受信パケットエラーとなり、受信部側で干渉を特定（検知）する。

図５は、本発明による無線通信装置の構成を示す図であり、図５（ａ）は送信部の構成、図５（ｂ）は受信部の構成を示している。
なお、図５（ａ）におけるセンサ１０１は、図３のセンサＳ１に相当するものであり、図５（ｂ）におけるコントローラ２０３は、図３のコントローラＣ１、Ｃ２に相当するものである。
まず、図５（ａ）を用いて、送信部１００の動作について説明する。
センサ１０１で受信した可動式ホーム柵の扉部分の異物検知有無データを、データ送信手段１０２の送信処理方法に従いデータ送信処理を行う。

データ送信手段１０２では、以下の処理にて送信方法が決定する。
無線伝送手段１０３からの無線通信データを元に、受信強度計測手段１０４で無線強度の判定を行い、同時に、ＡＣＫ受信手段１０５のＡＣＫ受信方法に従いＡＣＫ受信処理を行う。
ＡＣＫ受信処理では、受信部からのＡＣＫ（応答）情報より受信側で検知した通信障害情報を抜き出すことと、ＡＣＫの受信データの状態（正常あるいは破損）を確認する。
また、通信時間管理手段１０６にてそれぞれのフレーム（通信の単位）の通信が予定の時間内に正常に完了できているかの判定を行う。

その後、受信強度計測手段１０４、ＡＣＫ受信手段１０５、通信時間管理手段１０６により得られた情報を基に障害の原因を突き止める。そして、障害の原因が干渉の場合は、周波数変更手段１０８は送信周波数パターンテーブル１０７を参照して送信周波数を決定し、決定した送信周波数情報をコマンド発行手段１０９に送付する。
データ送信手段１０２は、コマンド発行手段１０９にて決定された周波数でデータ送信を行う。
これらによって得られたコマンドおよび通信時間管理手段１０６の通信時間管理方法、ＡＣＫ受信手段１０５にて得られたＡＣＫ情報を元にして送信方法を決定する。
通信手段としては、無線伝送手段１０３の伝送手順・伝送方法に従って無線通信処理を行う。

次に、図５（ｂ）を用いて、受信部２００の動作について説明する。
無線伝送手段２０１の伝送手順・伝送方法に従って無線通信処理を行い、データ受信手段２０２の受信方法に従いデータ受信処理を行う。
データ受信処理によって得られた送信側情報（センサ情報等）をコントローラ２０３に送信する。
また、受信データ蓄積手段２０４のデータ蓄積方法に従って送信側情報のデータ蓄積処理を行う。
その後、コマンド発行手段２０５のコマンド発行方法に従ってコマンド発行処理を行い、これによって得られたコマンドを元にしてＡＣＫ送信手段２０６の送信方法に従いＡＣＫ送信処理を行う。

ＡＣＫ送信処理完了後に無線伝送手段２０１の伝送手順・伝送方法に従って無線通信処理を行う。コマンド発行手段２０５のコマンド発行方法の決定に当たっては、以下の処理を実施する。
無線伝送手段２０１からの無線通信データを元に、受信強度計測手段２０７で無線強度の判定を行い、同時にデータ受信手段２０２の受信方法に従いデータ受信処理を行う。
データ受信処理では受信データの状態（正常あるいは破損）を確認する。その後、受信強度計測手段２０７とデータ受信手段２０２で得られた情報を元にして、障害原因判別手段２０８にて障害の原因を突き止める。そして、障害の原因が干渉の場合は、周波数変更手段２１０は、送信周波数パターンテーブル２０９を参照して送信周波数情報を取得して周波数を変更し、無線伝送手段２０１は変更された送信周波数でデータの無線伝送を行う。

以上は、障害の原因が干渉である場合の送信部および受信部の処理について述べたが、実際には障害の原因が障害物（遮蔽および反射波フェージング）の場合もある。
障害の原因が障害物の場合は、対向して配置された複数のセンサとコントローラ間の通信経路を切り替えて対処することになる。しかし、本発明は、障害の原因が干渉の場合の通信品質の劣化を防止することを目的とするものであるので、障害の原因が障害物である場合の対策については説明を割愛する。

本発明による無線通信装置は、送信部が定期的にセンサ情報を受信部に無線伝送し、受信部のコントローラに伝える装置において、周波数切り替えを実現する仕組みを加えた構成である。
すなわち、一般的な通信構成に加え、受信部には２ＣＨの周波数を受信可能な無線伝送手段を備える。
また、送受信部ともに、周波数変更手段と周波数パターンテーブルを備える。具体的には、送信部１００は、周波数変更手段１０８と周波数パターンテーブル１０７を備え、また受信部２００は、周波数変更手段２１０と周波数パターンテーブル２０９を備える。
基本的な通信は、送信部がデータを送信、受信部が応答を返す動作を行うものとする。

以下、図６〜８および表１、２を用いて、本発明による無線通信装置の詳細な動作例に
ついて説明する。なお、干渉検知は、図４により判断する。
図６は、送信側における干渉検知時動作例を説明するための図である。
なお、図６〜図８において「キャリアセンス」とあるが、キャリアセンスとは、ネットワーク上に信号を送出する前に、「他の機器が同じ周波数の信号を送出している最中か」を検出する機能のことである。
また、表１は送信周波数パターンテーブルの例、表２はＡＣＫ周波数パターテーブルの例である。
送受信共に同じ周波数パターンテーブルを設定している。（今回はパターン１に設定）

図６、表１、２を用いて、送信側における干渉検知時動作の例について、具体的に説明する。
（１）送信側６０ａでＣＨ＝２のときに干渉検知する。しかし、キャリアセンスを検出しているのでこのままでは送信できない。
（２）ＣＨ＝１０では送信側６０ａで干渉が検知されなかった。
（３）ＣＨ＝１０でキャリアセンス未検出であるので、ＣＨ＝１０で受信側６０ｂに送信する。
（４）受信側６０ｂはサブ周波数で受信を検知する。つまり、受信側６０ｂではＣＨ＝１０で干渉が検知されない。
（５）ＣＨ＝１０で通信に成功したので、ＣＨ＝１０をサブ周波数からメイン周波数に変更するよう受信側６０ｂから送信側６０ａへ通知する。
（６）ＣＨ＝８を用いて、受信完了と周波数変更を送信側６０ａに要求する。
（７）メイン周波数ＣＨ−Ａ＝１０であるパターンを検索し、新たにメインとサブのパターンを決定する。（パターン２）（表１では、メインが１０となるパターンは、パターン２だけである）
（８）これ以降は、干渉検知されるまではパターン２での通信を行う。

次に、図７、表１、２を用いて、受信側における干渉検知時動作の例について具体的に説明する。
（１）送信側７０ａでは、ＣＨ＝２で干渉検知されない。
（ＣＨ＝２でキャリアセンスは未検出。）
（２）ＣＨ＝２でキャリアセンスは未検出であるので、送信側がＣＨ＝２で送信する。
（３）ＣＨ＝２では受信できなかった。（つまり、受信側で干渉発生中）
（４）応答メッセージで送信周波数の切替要求を追加。
（５）受信に失敗したので、送信側７０ａにサブ周波数での送信を要求。
（６）送信側でＣＨ＝１０では干渉検知されない。
（７）送信側がＣＨ＝１０で再度送信する。
（８）ＣＨ＝１０で受信し、受信完了を通知。
（９）送信側でＣＨ＝１０がメイン周波数となる新たな周波数パターンテーブル（パターン２）を設定する。

次に、図８、表１、２を用いて、ＡＣＫにおける干渉検知時動作例について、具体的に説明する。
（１）送信側（８０ａ）ではＣＨ＝２で干渉が検知されない。
（ＣＨ＝２でキャリアセンスは未検出。）
（２）ＣＨ＝２でキャリアセンスは未検出であるので、送信側がＣＨ＝２で送信する。
（３）応答用の周波数であるＣＨ＝８（パターン１）が受信側（８０ｂ）で干渉検知。
（４）受信側からの通知がないので、送信側が再度ＣＨ＝２で送信する。
（５）ＣＨ＝２で再度送信側が送信。
（６）ＣＨ＝８が使えないので、送信用の周波数と重複しないＡＣＫ周波数を設定。
（ＡＣＫ周波数のパターン２，３は送信周波数と重複のためパターン４）
（７）パターン４のＣＨ＝９で信号干渉が検知されない。
（８）ＣＨ＝９で受信完了通知とＡＣＫ周波数の変更切替を要求。

以下に、周波数変更手段の動作、送信側の干渉検知時動作、受信側の干渉検知時動作、およびＡＣＫの干渉検知時動作について、説明を補足しておく。
［周波数変更手段の動作］
送受両方の周波数パターンテーブルには、送信メイン周波数、送信サブ周波数、応答周波数の３種類を異なる周波数に割り当てた組を複数備える。
各組における送信メイン周波数、送信サブ周波数はすべて異なる周波数とし、いずれかの周波数から、パターンテーブル上のどのパターンであるかを特定できるようにしておく。
応答周波数は、メイン、サブとは独立しており、切り替え指示時の周波数の切替順番を規定する。すなわち、パターンテーブルは表１，２に基づいており、基本的にはパターンテーブルＮｏ．の若い方から順に設定するが、送信側の周波数と受信（ＡＣＫ）側の周波数が重複しないように設定する。
通常は、送受が同じテーブル組に基づき、送信メイン周波数で送信部がデータ送信し、応答周波数で受信部が応答を返している。

［送信側の干渉検知時動作（図６）］
送信側にて干渉を検知した場合、ただちに送信サブ周波数に切り替える。
受信部は、周波数パターンテーブルに基づき、送信メイン、送信サブ両ＣＨを受信可能としているため、送信サブ周波数の送信データを受信できる。
受信部は、送信サブ周波数での受信を検知すると、周波数パターンテーブルを参照し、送信メイン周波数が受信した送信サブ周波数と一致するパターンを探し、以後新たな送信メイン周波数、送信サブ周波数で受信待機するとともに、応答メッセージにて送信部に周波数変更を通知する。送信部は、応答受信により送信サブ周波数による通信が成功したこ
とを知り、これを送信メイン周波数とする周波数パターンを検索し、新たな送信メイン周波数、送信サブ周波数を設定する。

［受信側の干渉検知時動作（図７）］
一方、送信メイン周波数の干渉を受信側で検知した場合、応答メッセージに周波数切替を指示する。
これを受けた送信部は、送信サブ周波数で送信リトライ（送信再試行）を行う。以後は送信側で干渉検知した場合と同等である。

［ＡＣＫの干渉検知時動作（図８）］
最後に、応答周波数の干渉を送信側で検知した場合、送信リトライを実施するとともに、メッセージに応答周波数の切り替え指示を加える。
受信部は、これに従い周波数テーブルを参照し、新たな応答周波数を設定する。
なお、テーブル上の新たな応答周波数が、送信メイン周波数、送信サブ周波数と一致するときは、これをスキップし、異なる周波数を設定する。
送信部も、周波数テーブルに従い同周波数で受信できるように設定する。
以上により、最大２往復で周波数切り替えての通信リカバリを完了することができる。
なお、本発明では、送信メイン周波数に障害が発生した場合は、送信サブ周波数で通信が可能である場合を想定している。そのため、何らかの障害により送信できないケースは除外する。

本発明は、干渉による通信障害が発生した場合に、ただちに周波数切り替えを実施して早急に通信復旧を行える無線通信装置の実現に有用である。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

Ｓ１、Ｓ２センサ
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３コントローラ
１００送信部１０１センサ
１０２データ送信手段１０３無線伝送手段
１０４受信強度計測手段１０５ＡＣＫ受信手段
１０６通信時間管理手段１０７送信周波数パターンテーブル
１０８周波数変更手段１０９コマンド発行手段
２００受信部２０１無線伝送手段２０１
２０２データ受信手段２０３コントローラ
２０４受信データ蓄積手段２０５コマンド発行手段
２０６ＡＣＫ送信手段２０６２０７受信強度計測手段
２０８障害原因判別手段２０９送信周波数パターンテーブル
２１０周波数変更手段

Claims

センサとコントローラ間の通信周波数の切り替えが行える無線通信装置であって、
周波数干渉による通信障害が発生した場合に通信周波数を切り替えるために、
受信部は、２チャンネルの周波数の受信が可能であり、
送信部および前記受信部は、送信メイン周波数、送信サブ周波数および応答周波数の３種類の異なる周波数の組みを記載した周波数テーブルを有し、
前記送信部で干渉を検知した場合、データを前記送信メイン周波数から前記送信サブ周波数に切り替えて前記受信部に送り、前記受信部では前記送信サブ周波数でデータが送られてきたことを確認して、前記周波数テーブルからデータが送られてきた周波数が前記送信メイン周波数となる組みを探し、以降新たな組みのそれぞれの周波数で受信待機することを特徴とする無線通信装置。
前記受信部で干渉を検知した場合、前記応答周波数を用いて周波数切り替えを前記送信部に指示し、この指示を受信した前記送信部は、前記送信サブ周波数を用いてデータの送信を行い、以降は、前記周波数テーブルからデータが送られてきた周波数が前記送信メイン周波数となる新たな組みを探し、新たな組みのそれぞれの周波数でデータ送信を行うことを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
前記応答周波数の干渉を前記送信部で検知した場合、送信リトライデータに前記応答周波数の切り替え指示を追加して送信リトライを行い、前記受信部では、この指示に従って前記周波数テーブルを参照して新たな周波数の組みを設定することを特徴とする請求項２に記載の無線通信装置。