JP6526379B2 - 無線通信システム - Google Patents

Description

本発明は、無線通信システムに係り、特にデジタル無線の半二重通信において他の補助手段を用いず測距を行う無線通信システムに関する。

従来から、デジタル無線通信においては、各無線局との間で、電波の送受信により距離を測定する方式（以下、「測距」という。）が用いられている。

図９を参照して、従来の一般的な全二重の無線通信系の無線通信システムＹについて説明する。
無線通信システムＹは、無線通信装置３と無線通信装置４を含んでいる。ここでは、無線通信装置３と無線通信装置４は同様の構成のデジタル無線送受信機である例を示す。
全二重の無線通信系では、互いに干渉しない間隔での周波数を２波以上用いて通信が可能である。つまり、無線通信装置３を測定局、無線通信装置４を被測定局とすると、双方とも全二重通信ができ、送信しながら受信が可能である。
このため、無線通信装置３（測定局）と無線通信装置４（被測定局）とは、同時に送受信しながら伝播遅延時間を測定することで、測距を行うことが可能である。すなわち、測定局及び被測定局は、送信された信号を受信しながらそのまま返送できるため、被測定局で時間ずれがおきない。そのため、正確な測距ができる。

次に、図１０を参照して、無線通信システムＹの無線通信装置３と無線通信装置４による従来の全二重の無線通信系による測距方式についてより詳しく説明する。
まず、測距において、測定局である無線通信装置３は、ユニークワード（Ｕｎｉｑｕｅ Ｗｏｒｄ。以下「ＵＷ」と記す。）を送信する。ＵＷは、例えば、基準バースト（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｂｕｒｓｔ、ＲＢ）の、例えば、相関検出により検出可能な識別符号の符号列である。無線通信装置３は、ＵＷの送信と合わせて、クロック数等の計数をスタート（計数ＳＴ）する。つまり、無線通信装置３は、例えば、ＵＷを送信した時刻を、測距の時間的な基準位置とする。
被測定局である無線通信装置４は、無線通信装置３から送信されたＵＷを受信して、ＵＷを検出する。このＵＷの受信は、無線通信装置３と無線通信装置４の無線系での距離に比例した電波遅延時間だけ遅れる。そして、無線通信装置４は、受信したＵＷを、そのまま折り返し無線通信装置３に送信する。
無線通信装置３は、無線通信装置４から折り返し送信されたＵＷを受信し、ＵＷを検出する。このＵＷの受信も、上述の電波遅延時間と同じ無線系の距離に応じた遅延時間だけ遅れることになる。無線通信装置３は、折り返し送信されたＵＷを検出すると、測定局での計数をストップ（計数ＳＰ）する。無線通信装置３は、この検出されたＵＷの基準位置の計数ＳＰと、無線通信装置３で送信したＵＷの基準位置の計数ＳＴとの間のクロック数等の計数値である、カウント値ＤＴを取得する。このカウント値ＤＴは電波の一往復時間であり、被測定局である無線通信装置４からの送信の固定遅延があればこれを加えて、無線通信装置３と無線通信装置４との間の距離を測定可能である。ここで重要なことは送信、受信が同時に可能なので送信から受信、受信から送信の切り替えに時間の連続性が保持されることである。
このように、全二重通信では、ＵＷの送信から戻りのＵＷの受信までの伝播遅延時間から測距を行う方式又は同様の方式を用いることができ、簡単に距離を測定できる。

このような従来の測距を行う通信方法として特許文献１乃至３を挙げることができる（以下、従来技術１乃至３とする。）。

特開平７−２２６９７６号公報 特開平５−３０８３４４号公報 特開平１０−２３４０７２号公報

ここで、測距における測定局から被測定局までの遅延時間測定には、被測定局の受信解除から送信までの固定遅延時間、送信タイミング、送信時間等の正確さが必要である。つまり、被測定局のＵＷ受信完了からＵＷを送信するまでの時間が正確でないと、電波の折り返しによる遅延時間を正確に測定できない。
ここで、従来の無線通信システムＹのような従来の全二重の無線通信系では、送信しながら受信又は受信しながら送信することが同時にできるため、測定局の送信クロック系と被測定局との受信クロックの同期、並びに被測定局内の受信クロックに対する送信クロックの同期が容易に実現できる。つまり、全二重の無線通信系では、被測定局では、測定局からの基準バーストのような基準信号を常に受信して、クロックの追従動作を行いながら送信が可能である。全二重の無線通信系では、又簡単には、同期自体を行わない方式として被測定局で、受信した高周波信号又はベースバンド信号を、そのまま測定局に送信することで、伝播遅延時間を測定できる。
しかしながら、従来の半二重の無線通信系では、同一の周波数帯を用いるため、測定局と被測定局で同時に両方で通信を行うことができない。このため、ＰＬＬ等により受信信号を基準信号として位相制御をする場合、半二重通信系では、受信から送信完了までは基準信号がなくなり、精密な位相保持ができなかった。
これらの理由により、従来技術１乃至３のような従来の半二重通信系では、上述の固定遅延のような遅延時間に同期ずれによる誤差が含まれるため、正確な伝播遅延時間の測定ができず、測距も正確にできないという問題があった。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、上述の課題を解消することを課題とする。

本発明の無線通信システムは、半二重通信において、無線通信装置からのデータの送受信の遅延時間からの距離測定を行う無線通信システムにおいて、距離測定を行う前記無線通信装置を測定局、距離測定の相手の前記無線通信装置を被測定局とし、
前記測定局において、シンボルの長さを示すシンボル切替点パルスで短時間変調信号を生成して送信する変調信号生成送信手段と、前記測定局と前記被測定局とにおいて、受信した前記短時間変調信号から前記シンボル切替点パルスを抽出する復調手段と、前記シンボル切替点パルスを用いてクロックの位相を前記測定局と同期及び保持させるクロック同期手段と、前記測定局において、時刻情報を含むユニークワードを送信する測定局ユニークワード送信手段と、前記測定局と前記被測定局とにおいて、受信した信号から前記ユニークワードを検出するユニークワード検出手段と、前記被測定局において、同期された前記クロックによる固定遅延の後に、前記ユニークワードを折り返し送信する被測定局ユニークワード送信手段と、前記測定局において、前記ユニークワードの送信から、前記被測定局から送信されたユニークワードの受信までの間、測定用のクロックのカウントを行い、カウント数から前記ユニークワードの前記固定遅延を減算し、前期測定局と前期被測定局との距離を算出する距離算出手段とを備えることを特徴とする。
本発明の無線通信システムは、前記クロック同期手段は、前記短時間変調信号の品質を判定し、該品質が適当でない場合、又は受信信号がなくなった場合、前記クロックの位相を保持状態にするよう制御することを特徴とする。
本発明の無線通信システムは、前記クロック同期手段は、前記クロックの位相のずれを符号付多値に変換する符号付多値変換手段と、前記符号付多値を累積加算する累積加算手段と、累積加算された前記符号付多値の平均値を算出する平均値算出手段と、前記平均値の符号を判定する符号判定手段と、判定された前記符号により前記クロックの位相のずれの制御の方向の切り換えを行い、前記平均値の大きさにより変化させる前記クロックの分周の位置又はパルスを切り換える符号制御切換手段とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、半二重の無線通信系において、被測定局でシンボル切替点パルスによるクロックの位相保持を行った上で、固定遅延を含めたユニークワードを折り返し送信することで、伝播遅延時間の測定による正確な測距を行う無線通信装置を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る無線通信システムＸのシステム構成図である。 本発明の実施の形態に係る無線通信装置１又は２の制御構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係る無線通信装置１又は２のクロック調整部１５の制御構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係る無線通信装置１又は２の位相制御部２０の制御構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係る位相制御距離測定処理のフローチャートである。 本発明の実施の形態に係る位相保持追尾制御処理を説明する図である。 本発明の実施の形態に係る距離測定方式の概念図である。 本発明の実施の形態に係る出力位相保持制御処理の詳細を示すフローチャートである。 従来の全二重通信の無線システムＹのシステム構成図である。 従来の無線システムＹによる距離測定方式の概念図である。

＜第１の実施の形態＞
〔無線通信システムＸの構成〕
まず、図１を参照して、本発明の実施の形態に係る無線通信システムＸの構成例について説明する。本実施形態の無線通信システムＸは、例えば、同様の構成の無線通信装置１及び無線通信装置２を含む。
本実施形態の無線通信システムＸは、従来の無線通信システムＹ（図７）と同様に、データの送受信の際に、電波遅延時間を利用し、送受信間の距離を測定する測距を行う。
しかしながら、本実施形態の無線通信システムＸは、無線通信装置１及び無線通信装置２が同時に送受信できない半二重通信のデジタル無線システムである。このため、無線通信装置１、２は、測距の前に、測定局からの変調信号から抽出したシンボル切替点パルス（以下、「切替パルス」という。）を含む信号を基に被測定局でクロックの位相の追従動作を行い、位相が同期した状態を保持する。この上で、測定局からＵＷを送信し、被測定局で受信した後、同期されたクロックにて正確な固定遅延の時間待機した後、ＵＷを折り返し送信する。この折り返しのＵＷを受信した測定局では、クロックのカウントを行うことで伝播遅延時間を測定し、これを基に測距を行う。
なお、以下では、無線通信装置１が測定局であり、無線通信装置２が被測定局である例について示すが、これに限られない。つまり、無線通信装置１、２においては、切替パルスやＵＷを送信した方が測定局となり、受信した方が被測定局となるため、どちらからでも測距を行うことが可能である。

〔無線通信装置１、２の構成〕
次に、図２を参照して、本発明の実施の形態に係る無線通信装置１又は無線通信装置２の構成例を示す。
同様の構成である無線通信装置１又は無線通信装置２は、無線送受信部１０（無線送信手段、無線受信手段）、クロック調整部１５（クロック同期手段）、ＲＦ部５０（無線系）、電気／電波信号を送受信するＲＦ同軸ケーブル６０、及びアンテナ７０等を備えて構成される。

無線送受信部１０は、デジタル無線のチャネルやフレーム送受信等の処理を行うための制御演算手段を備えたハードウェア資源である。無線送受信部１０は、ＤＳＰ、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、ＧＰＰ（Ｇｅｎｅｒａｌ Ｐｕｒｐｏｓｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）等の制御演算手段と、レジスタ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ等の記憶手段を備えている。記憶手段には、データやプログラム等を記憶している。
また、無線送受信部１０は、ＲＦ部５０で送受信した変調信号であるベースバンド信号等を受信信号としてクロック調整部１５へ送信する。
また、無線送受信部１０は、ＵＷ送受信による測距に関連する部位として、測距部１２０（距離算出手段、変調信号生成送信手段、復調手段、測定局ユニークワード送信手段、
ユニークワード検出手段、被測定局ユニークワード送信手段）、及びカウンタ１３０を備えている。

クロック調整部１５は、無線送受信部１０からのベースバンド信号等の受信信号を基にクロックの位相制御を行う部位である。
クロック調整部１５の詳細については後述する。
なお、無線送受信部１０及びクロック調整部１５は、一体的に構成してもよい。

ＲＦ部５０は、送信増幅、受信増幅、ベースバンドから高周波信号への変換及びその逆変換、Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａコンバータ等を備えた無線（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）の電気／電波信号の送受信に係る部位である。

（無線送受信部１０の構成）
ここで、無線送受信部１０の測距に係る各部位について詳しく説明する。
測距部１２０は、送信の場合はUWを変調し、受信の場合はUWの復調を行う部位である。
測距部１２０は、測定局の場合、送信状態の際に、測距を行う際にＵＷを送信する。このＵＷは、自己相関の高い符号を使用する。測距部１２０は、ＵＷの送信の際、カウンタ１３０をスタートさせて、クロックをカウントする。
また、測距部１２０は被測定局において、受信状態で、無線送受信部１０から取得されたベースバンド信号等の受信信号を用いて、自己相関等の所定方式によりＵＷ等を検出する。また、ＵＷは、測定局、被測定局の応答制御を行うためにも使用可能な制御コードとすることで、通信途中でも、必要な時に測距動作が可能である。

測距部１２０は、ＵＷの送信と受信の基準位置間を、基準クロックでカウンタ１３０により計数ＳＴでカウントをスタートし、計数ＳＰまで計数（カウント）する。この上で、
測距部１２０は、計数ＳＰから計数ＳＴまでの間のクロック等のカウント数を、カウント値ＤＴとして記憶する。ここで、計数ＳＴは、測定局のＵＷ送信のスタートの際の時刻の基準位置を示す。また、計数ＳＰは、被測定局から折り返し送信されたＵＷの受信が完了した際に、クロックのカウントをストップした際の時刻の基準位置を示す。
測距部１２０は、カウント値ＤＴから、後述する予め送信局と被送信局との間で設定された固定遅延を減算して伝播遅延時間を算出し、この伝播遅延時間と光速とから測定局と被測定局の間の距離を算出する。

カウンタ１３０は、測距において測定局と被測定局の距離を算出するための遅延時間測定用のカウンタである。カウンタ１３０は、高安定発信器２５から分配されたクロック数等を計測する。

〔クロック調整部１５の構成〕
ここで、図３を参照して、クロック調整部１５の各部位について詳しく説明する。クロック調整部１５は、構成部位として、位相制御部２０（クロック同期手段）、高安定発信器２５（クロック供給手段）、受信クロック部３０（受信系クロック）、送信クロック部４０（送信系クロック）を備えている。

位相制御部２０は、主に被測定局において、高安定発信器２５及び無線送受信部１０の受信信号を基に、測定局のクロックとの同期を行う。この際、位相制御部２０は、受信信号から、信号内に常時含まれるシンボルの区切りを示す信号である切替パルスを抽出し、クロックの位相追尾と位相保持とを行う。
位相制御部２０の詳細な構成についても後述する。

高安定発信器２５は、安定し正確なベース（基準）クロックを無線送受信部１０や位相制御部２０へ供給する部位である。高安定発信器２５は、通常の温度補償付き水晶発振器の他に、高安定温度補償水晶発振器、恒温槽制御水晶発振器（Ｏｖｅｎ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ、ＯＣＸＯ）、ルビジウム発振器（Ｒｕｂｉｄｉｕｍ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）等を用いて構成してもよい。
高安定発信器２５が供給する基準クロックは、無線送受信部１０や位相制御部２０へ供給され、カウンタ１３０（図２）によるクロックの計数、クロックの位相のずれの算出等に用いられる。

受信クロック部３０は、位相制御部２０の出力を基に、位相制御された受信信号用の受信系のクロックを各部に供給する回路等の部位である。
送信クロック部４０は、位相制御部２０の出力を基に、位相制御された送信信号用の送信系のクロックを供給する回路等の部位である。

〔位相制御部２０の構成〕
次に、図４を参照して、本発明の実施の形態に係る無線通信装置１の位相制御部２０の詳細構成について説明する。
位相制御部２０は、分周器２１０、２１１、２１２、切替パルス抽出部２２０（切替パルス抽出手段）、品質判定部２２１（信号品質判定手段）、ゲート２２５、符号付多値変換部２３０（符号付多値変換手段）、累積加算部２４０（累積加算手段）、平均値算出部２５０（平均値算出手段）、符号判定部２６０（符号判定手段）、符号制御切換部２７０（符号制御切換手段）、制御位置切換器部２８０（制御位置切換手段）、タイミング発生部２９０（タイミング発生手段）等を備えている。

分周器２１０、２１１、２１２は、高安定発信器２５の基準クロックを所定の割合で周波数変換する分周回路である。
分周器２１１、２１２は、ここでは、例えば１／２分周回路を直列に接続したカウンタを用いる。また、下記で示すように、分周器２１１は制御位置切換器部２８０により分周位置を制御される。
分周器２１０は、高安定発信器２５の基準クロックを、所定の周波数に分周する分周回路である。
分周器２１１は、分周器２１０から分周されたクロックを入力し、更に分周する分周回路である。分周器２１１は、適切な段数で順次１／２分周され、従属接続されるように構成される。
分周器２１２は、分周器２１１から分周されたクロックを入力し、更に分周する分周回路である。分周器２１２も、分周器２１１と同様に適切な段数で構成される。

切替パルス抽出部２２０は、無線送受信部１０から取得したベースバンド信号等の受信信号から、送信側のクロックを示す切替パルスを抽出し、生成する。

品質判定部２２１は、無線送受信部１０から取得したベースバンド信号等の受信信号の品質を判定し、判定結果によりゲート２２５を制御する部位である。
品質判定部２２１は、受信信号のレベル強度、Ｓ／Ｎ比等、又は変調信号に含まれるパイロット信号若しくはプリアンブル信号の検出結果等を基に、受信信号の品質を算出する。品質判定部２２１は、受信信号の品質が適当でない、すなわち受信信号の品質が所定の閾値に満たない場合、又は受信信号の品質が適当であっても既にクロックの位相が同期状態である場合、又は切替パルスが抽出できない場合には、符号制御切換部２７０の判定信号に基づいてゲート２２５からの出力を禁止し、クロックを保持する保持状態に遷移させる。
これに対して、品質判定部２２１は、受信信号の品質が適当である、すなわち受信信号の品質が所定の閾値を満たす場合には、切替パルス抽出部２２０の切替パルスをゲート２２５から符号付多値変換部２３０へ出力するよう制御する。

ゲート２２５は、品質判定部２２１の制御により、切替パルス抽出部２２０からの切替パルスを出力又は停止（禁止）する部位である。
ゲート２２５は、クロックの位相を制御する場合には、切替パルス抽出部２２０で抽出した切替パルスを符号付多値変換部２３０に出力する。
ゲート２２５は、これに対して、クロックの位相が保持される場合には、切替パルスの出力を停止する。

符号付多値変換部２３０は、切替パルス抽出部２２０から出力された切替パルスと、分周器２１２の分周出力をサンプリングし、各ビットを重み付けすることにより、クロックの位相のずれの大きさ、方向（＋、−）、同期状態（０）を符号付多値量に変換して、出力する部位である。
符号付多値変換部２３０は、分周器２１２の各分周出力を入力として、組み合わせ回路を使用し、切替パルスが、どの位相位置にいるのかを進み（＋）、遅れ（−）、同期状態（０）の位置と大きさとを、符号付多値に変換する。
つまり、この符号付多値量は、送受信間のクロックの位相のずれの大きさと進み遅れを示す値となる。
以下、この符号付多値をＰ（ｎ）として示す。

累積加算部２４０は、符号付多値変換部２３０から出力された符号付多値を、符号付又はゼロである所定のサンプル値Ｎで累積加算する部位である。
すなわち、累積加算部２４０は、適当な所定回数だけ加算された累積加算値ΣＰ（ｎ）＝Ｐ（Ｎ）を算出する。ここで、ｎ＝１〜Ｎである。

平均値算出部２５０は、Ｐ（Ｎ）の平均値、Ｐ（Ｎ）／Ｎを算出する部位である。Ｐ（Ｎ）の平均値を、以下、平均値Ｐとする。

符号判定部２６０は、平均値Ｐの符号を算出する部位である。算出結果は、位相ずれの方向を示し、＋、−、０の値となる。

符号制御切換部２７０は、符号判定部２６０の出力を入力として、クロックの制御を行う。符号制御切換部２７０は、例えば、「＋」の場合、クロックを進める追加用パルスを発生させる、すなわち位相をプラスするような制御を行う。また、符号制御切換部２７０は、例えば、「−」の場合は、クロック削除用パルスを発生させる、すなわち位相を遅らせるような制御を行う。また、符号制御切換部２７０は例えば、「０」の場合は同期しているとして、追加用／削除用パルスを発生させず、いわゆる「何もしない」状態となる。その結果、クロックを保持する制御を行うことになる。

制御位置切換器部２８０は、符号制御切換部２７０の制御に従って、分周器２１１を制御する部位である。制御位置切換器部２８０は、符号制御切換部２７０の「＋」の際の追加用パルス、又は「−」の際の削除用パルスにより、平均値Ｐの位置に相当する分周の制御位置を切り換える。つまり、制御位置切換器部２８０は、追加用パルスの場合は従属接続された１／２分周回路の段間にパルスを追加し、削除の場合はパルスを削除する。なお制御位置切換器部２８０は、「０」の場合は、何もしない。このため、分周器の段間は、そのまま接続された状態になる。
また、制御位置切換器部２８０は、位相の制御位置は固定して、追加、削除するパルスの数を変更してもよい。
このような構成により、精度の高い位相の保持、制御が可能となる。特に、保持状態においては、精度の悪い基準位置が含まれる品質の悪い信号で制御を禁止する制御と、「０」の位置による保持とを組み合わせ、高安定発信器２５の精度や送受信された信号の品質に適合した位相保持を行うことができる。

タイミング発生部２９０は、分周器２１２からのクロックを用いて受信クロック部３０及び送信クロック部４０へ指示する各種タイミング信号を発生させる回路等である。
タイミング発生部２９０のタイミング信号は、受信クロック部３０及び送信クロック部４０にそれぞれ供給される。

〔本発明の実施の形態に係る位相制御距離測定処理〕
次に、図５〜図８を参照して、本発明の実施の形態に係る無線通信システムＸによる位相制御距離測定処理について説明する。
本実施形態の無線通信システムＸは、半二重の無線通信系であるため、測距において、測定局である無線通信装置１、及び被測定局である無線通信装置２は、受信しながら送信することができない。
このため、本実施形態の位相制御距離測定処理では、測定局と被測定局間の基準となるクロックの保持を正確に行った上で測距を行う。
具体的に、まず、無線通信装置１は、UWを含む信号でも構わない変調信号を送信する。無線通信装置２は、変調信号から切替パルスを抽出し無線通信装置１に同期をとる。その後は無線通信装置が送信を完了し、同期をとる基準がなくなるので、無線通信装置２は図４で説明したように、同期保持状態に遷移する。
そして、測距する場合は先の変調信号の中にUWを挿入する。無線通信装置２は、ＵＷを検出すると、先の同期保持されたクロックを基に固定遅延の間待って、ＵＷを折り返し送信する。
この固定遅延としては、ガードタイム等を含み、送信での処理時間を含めた送受信の遅延時間を無線通信装置１及び無線通信装置２で予め設定して用いる。無線通信装置２のＵＷの送信変調信号は、先の保持されたクロックを基に生成し、送信するので受信状態から送信状態に遷移する間も位相状態は保証される。
これにより、半二重通信において、被測定局の固定遅延を含めた送信時刻の精度を上げることができ、測定局と被測定局との距離測定を正確に行うことができる。
以下で、この位相制御距離測定処理の詳細について、図５のフローチャートを基に、詳細に説明する。

まず、ステップＳ１０１では、測定局である無線通信装置１の無線送受信部１０は、無線通信システムＸの変調波送信処理を行う。
すなわち、測定局、被測定局間のクロックの同期を行うため、プリアンブル等の変調信号を、短時間変調信号として送信する（タイミングＴ１０１）。
この変調信号は、切替パルスの成分を含んだもので、プリアンブルに限らず、通常の信号に、常に含まれるものである。

次に、ステップＳ２０１にて、被測定局である無線通信装置２の位相制御部２０は、受信状態にて、受信信号から切替パルスを抽出し、位相追尾保持制御処理を行う。
図６を参照して説明すると、位相制御部２０は、被測定局の受信クロック部３０の位相を、測定局である無線通信装置１に合わせる、すなわち同期を引き込む処理を行う。
つまり、位相制御部２０は、受信した半二重の短時間変調信号から切替パルスを抽出して、これを基に位相追尾を行い、クロックの位相を測定局と同期させる。この際、位相制御部２０は、抽出した切替パルスの品質が悪い場合、又は受信が終了した場合は、クロックの同期を保持する。

測距を行う場合、ステップＳ１０２において、測定局である無線通信装置１の無線送信部１０は、測距部１２０で生成したＵＷを使用し、ＵＷ変調送信処理を行う。
図７は、測定局と被測定局の送信及び受信状態を示す。本実施形態の半二重通信系による測距方式では、無線通信装置１及び無線通信装置２は半二重の通信装置のため、送信及び受信はどちらか一方しかできない。
このため、まずは無線通信装置１が送信状態の際に、無線送受信部１０は、ＵＷの送信を行う（タイミングＴ１０２）。
また、無線送受信部１０の測距部１２０は、伝播遅延時間測定用のカウンタ１３０を起動させる。これが、送信のスタートの基準位置である計数ＳＴとなる。
本実施形態の無線通信システムＸは、ＵＷに自己相関の高い符号を使用し、受信時刻に相当するが絶対時刻ではない時間的な位置を正確に検出可能にする。
ＵＷの送信完了後には、無線通信装置１の無線送受信部１０は、受信状態となる。
なお、ＵＷには、上記の検出に支障がない方法で時刻情報、被測定局からの自動応答の制御信号等を含めてもよい。

次に、ステップＳ２０２にて、被測定局である無線通信装置２の無線送受信部１０の測距部１２０は、ＵＷ検出処理を行う。
無線通信装置２は受信状態となっているため、無線通信装置１が送信したＵＷを無線通信装置２の無線送受信部１０で受信する。測距部１２０は、ＵＷを検出する。

次に、ステップＳ２０３にて、無線通信装置２の無線送受信部１０は、固定遅延後ＵＷ送信処理を行う。
無線通信装置２の無線送受信部１０は、同期が保持されたクロックを使用し、クロックの整数倍の固定遅延だけ待って、ＵＷを無線通信装置１へ送信する。つまり、無線送受信部１０は、ＵＷの受信から設定された固定遅延を、同期されたクロックを使用して待機しその後、折り返しＵＷを送信する（タイミングＴ１０３）。
ここで、半二重通信においては受信への干渉が起きるため、固定遅延として、受信状態から送信状態への切り換えの時間にガードタイム等を含む送信に必要な時間を予め無線通信装置１と無線通信装置２との間で設定して用いる。

ここで、ステップＳ１０３にて、受信状態となっている無線通信装置１の無線送受信部１０の測距部１２０は、ＵＷ検出距離計算処理を行う。
まず、無線通信装置１の測距部１２０は、無線通信装置２からの信号を受信し、ＵＷ検出を行う。測距部１２０は、ＵＷが検出されたら、カウンタ１３０を停止させる。これがストップの基準位置である計数ＳＰとなる。
測距部１２０は、この計数ＳＰから計数ＳＴまでのクロックの計数値等であるカウント値ＤＴを取得する。このカウント値ＤＴには固定遅延が含まれる。この固定遅延は、上述のようにクロックが同期されているため、正確な値となる。このため測距部１２０は、固定遅延をカウント値ＤＴから減算するだけで、無線通信装置１と無線通信装置２とでのＵＷの送受信による伝播遅延時間を正確に算出する。測距部１２０は、この正確な伝播遅延時間により、無線通信装置１及び無線通信装置２の間の距離を正確に算出する。
このように、測定局のクロックに被測定局が同期された状態で、正確な固定遅延後にＵＷを受信することで、半二重通信であっても精度よく距離の測定を行うことができる。
以上により、本発明の実施の形態に係る位相制御距離測定処理を終了する。

なお、ＵＷを検出したら自動的に応答して測距を行うことも可能である。
測定局及び被測定局は、固定遅延等の設定値をお互いに送受信して、自動的に設定することができる。

（出力位相保持制御処理の詳細）
ここで、図８を参照して、出力位相保持制御処理の詳細をステップ毎に説明する。
まず、ステップＳ２１１において、無線通信装置１の位相制御部２０の品質判定部２２１は、受信品質算出処理を行う。
品質判定部２２１は、無線送受信部１０から取得したベースバンド信号等の受信信号から、例えば、受信信号の強度やＳ／Ｎ比等の受信品質に関する値を算出する。

次に、ステップＳ２１２において、品質判定部２２１は、信号の品質が適当か否かを判定する。品質判定部２２１は、上述のステップＳ２１１において算出された受信品質に関する値が所定の閾値以上の場合は、受信信号の品質が良好であるとして、Ｙｅｓと判定する。品質判定部２２１は、それ以外の場合、つまり所定の閾値未満の場合は受信信号の品質が悪い状態であるとしてＮｏと判定する。また、品質判定部２２１は、受信信号がなくなった場合にも、Ｎｏと判定する。
Ｙｅｓの場合、品質判定部２２１は、処理をステップＳ２１３に進める。
Ｎｏの場合、品質判定部２２１は、ゲート２２５をオフにすることで切替パルスの出力を禁止する。これにより、被測定局は、その時点の位相のまま、クロックを保持する。この状態のクロックの精度は、高安定発信器２５の精度そのものとなる。

ステップＳ２１３において、受信信号の品質が適当である場合は、クロックの位相制御状態になり、符号付多値変換部２３０から制御位置切換器部２８０は、位相遅れ、進み、
その他の算出処理を行う。
まず、切替パルス抽出部２２０は、無線送受信部１０から取得したベースバンド信号等の受信信号から、位相の状態をサンプリングする切替パルスを抽出して生成する。
符号付多値変換部２３０は、この切替パルスをラッチパルスとして分周器２１２の各段の値をラッチし、自局のクロックとの位相のずれの大きさと進み遅れを＋、−、０の符号付きの値、Ｐ（ｎ）として出力する。
累積加算部２４０は、所定のサンプル数であるＮ回、Ｐ（ｎ）を累積加算し、ΣＰ（ｎ）（ｎ＝１〜Ｎ）を算出し、この値をＰ（Ｎ）とする。
平均値算出部２５０は、Ｐ（Ｎ）の平均値であるＰ（Ｎ）／Ｎを算出し、この値を平均値Ｐとする。
符号判定部２６０は、平均値Ｐの符号を算出する。出力は、＋、−、又は０の出力値となる。
符号制御切換部２７０は、符号判定部２６０からの出力が「＋」だった場合は追加用パルス、「−」だった場合は削除用パルスを出力する。
制御位置切換器部２８０は、平均値Ｐにより分周の位置を切り換えるか、又は追加用パルス又は削除用パルス数を変更することにより、分周器２１１の出力には、位相のずれたクロックが出力される。

次に、ステップＳ２１４において、位相制御及びタイミング発生処理を行う。ここでは先の分周器２１１の出力を用いて、分周器２１２、及びタイミング発生部２９０は、位相のずれたクロック（同期のとれたクロック）出力を基に送信や受信に必要なタイミングを発生する。
まず、上述したように、高安定発信器２５のクロックの出力は、分周器２１０で所定の周波数に分周されており、この出力が次段の分周器２１１に入力される。
分周器２１１は、制御位置切換器部２８０の出力信号により分周位置を切り換えてパルスの追加又は削除を行う。その結果として、位相の制御されたクロックを分周器２１２に出力する。
分周器２１２は、位相の制御が行われたクロックを更に分周して、タイミング発生部２９０へ出力し、本実施形態の無線通信システムＸの送信、受信に必要なタイミング信号を発生させる。また、分周器２１２の各出力は、位相ずれを量子化するため、符号付多値変換部２３０へ出力する。
タイミング発生部２９０は、位相同期されたクロックを基に発生させしたタイミング信号を、受信クロック部３０又は送信クロック部４０に出力する。
以上により、本発明の実施の形態に係る出力位相保持制御処理を終了する。

以上のように構成することで、以下のような効果を得ることができる。
本発明の実施の形態に係る無線通信システムＸは、上述したように半二重通信で測距を行うため、測定局、被測定局では送受信が同時にできない。よって、被測定局は、受信が完了した後、送信を行う必要がある。この際、測定局も送信中は被測定局の信号を受信できない。
このため、被測定局によるＵＷの受信完了から、折り返しＵＷを送信するまでの時間が正確でないと、折り返し送信による固定遅延は正確にならない。
この固定遅延を正確にするためには、被測定局のクロックの位相の保持が大変重要である。この送受信間の位相制御にＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ−ｌｏｃｋｅｄ ｌｏｏｐ）等を使用すると、基準信号がなくなる状態となり、正確なクロックの保持ができない。つまり、半二重通信系の場合、受信信号が基準信号となるが、被測定局の受信から送信完了まで、同期を保持するための基準信号がなくなると、クロックの位相保持が困難となる。
これに対して、本実施形態の無線通信システムＸは、測定局から被測定局までの遅延時間測定において、被測定局の受信状態の解除から送信状態までの固定遅延時間、送信タイミング、送信時間の正確さ等を担保することができる。
これにより、本実施形態の無線通信システムＸは、半二重通信で、電波の遅延時間を利用し、システムの性能に合った正確な測距を行うことができる。

また、本実施形態の無線通信システムＸは、常に安定状態にある高安定発信器２５を使用し、そのクロックの出力をお互いの位相ずれの大きさと方向に基づいて制御するため、
位相同期の追尾速度が早くなる。
また、本実施形態の無線通信システムＸは、受信品質を判定して、通常の通信中でも位相保持状態を制御するため、測距のためのトレーニング時間を必要とせず、使い勝手がよくなる。
また、本実施形態の無線通信システムＸは、受信信号がなくなった時、受信信号の品質が悪い場合、並びに既に同期状態の場合に、クロックの位相保持状態に遷移するよう制御する。このため、回線品質劣化による、ジッターによる、又は同期ずれ等による測距精度の低下を防止することができる。
また、本実施形態の無線通信システムＸは、受信信号の品質判定で受信信号がなくなった状態の検出において、切替パルスの抽出に必要な信号のレベル、システムの制御に必要な同期パターン、パイロット信号等を使用する。これにより、特にクロック同期のための情報伝送を必要とせず、通信帯域を有効に利用することができる。
また、本実施形態の無線通信システムＸは、測定局、被測定局に使用するＵＷをお互いに検出した際に、自動的に応答することができる。したがって、通常の情報通信中でも、
自動的に測距動作を行うことができ、特に情報通信を中断することなく、測距が可能となる。

以上の実施態様の特徴をまとめると、次のようになる。
本発明の実施の形態に係る無線通信システムＸは、半二重のデジタル無線通信で情報の授受を行いながら、データの往復の遅延時間からの距離を求め、距離測定を行う局を測定局、その相手局を被測定局とし、測定局から安定した基準クロックを基に、ユニークワードを送信し、遅延時間測定用のカウンタを起動させ、被測定局では、受信したユニークワードを検出することにより、測距が可能となる。
本発明の実施の形態に係る無線通信システムＸは、被測定局は、測定局からの信号がなくなった後は、自局のクロックの位相を保持状態に制御し、当該クロックを基にした固定遅延後に、ユニークワード折り返し送信することを特徴とする。
本発明の実施の形態に係る無線通信システムＸは、測定局は被測定局からユニークワードを検出し、前記カウンタを停止させてカウンタ値を算出し、該カウンタ値から固定遅延を差し引いた計数値を算出し、当該計数値を電波の往復時間として、測定局及び被測定局の間の距離を算出することを特徴とする。
本発明の実施の形態に係る無線通信システムＸは、基準クロックとして正確な発信を行う高安定発信器を使用してクロックを供給し、受信信号がなくなった場合、受信信号の品質が低下した場合は、前記クロックの位相が保持状態とすることにより、高安定発信器の安定度を使用することを特徴とする。
本発明の実施の形態に係る無線通信システムＸは、位相ずれ状態を、大きさ、方向、同期状態の符号付多値量に変換し、所定回数だけ累積加算して平均値を算出し、位相制御の大きさは分周位置を切り換え、位相ずれの方向は＋、−、０の制御の切り換えを行って位相制御を行うことを特徴とする。
本発明の実施の形態に係る無線通信システムＸは、特定の方法によらないシンボル切替点パルスの抽出、信号の品質判定、信号の有／無の結果で位相保持又は制御を切り換え、
安定した位相制御を行うことを特徴とする。
本発明の実施の形態に係る無線通信システムＸは、クロック同期にはシンボルレートの基本波を使用し、信号の品質判定にはパイロット信号のレベル、位相揺らぎの大小を使用し、信号の有／無にはプリアンブル、ポストアンブル等を共用することを特徴とする。
本発明の実施の形態に係る無線通信システムＸは、測定局、被測定局に使用するユニークワードの使用は、測定局のユニークワード検出に被測定局のユニークワードが応答する制御を用い、情報の授受の最中でも必要時に測距を行うことを特徴とする。

なお、本発明の実施の形態に係る無線通信装置は、すべての半二重通信に用いることができる。

なお、上記実施の形態の構成及び動作は例であって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して実行することができることは言うまでもない。

１、２、３、４ 無線通信装置
１０ 無線送受信部
１５ クロック調整部
２０ 位相制御部
２５ 高安定発信器
３０ 受信クロック部
４０ 送信クロック部
５０ ＲＦ部
６０ ＲＦ同軸ケーブル
７０ アンテナ
１２０ 測距部
１３０ カウンタ
２１０、２１１、２１２ 分周器
２２０ 切替パルス抽出部
２２１ 品質判定部
２２５ ゲート
２３０ 符号付多値変換部
２４０ 累積加算部
２５０ 平均値算出部
２６０ 符号判定部
２７０ 符号制御切換部
２８０ 制御位置切換器部
２９０ タイミング発生部
Ｘ、Ｙ 無線通信システム

Claims (2)

1. 距離測定を行う無線通信装置である測定局、および距離測定の相手の無線通信装置である被測定局を含み、両局間の半二重通信によるデータの送受信の遅延時間から両局間の距離測定を行う無線通信システムにおいて、
   前記測定局は、
   プリアンブルを含む短時間変調信号を送信する変調信号送信手段と、
   当該測定局のユニークワードを送信するとともにクロックのカウントを開始する測定局ユニークワード送信手段と、
   前記ユニークワードの送信から、前記被測定局から送信されたユニークワードの受信までの間、測定用のクロックのカウントを行い、カウント数から前記ユニークワードの前記固定遅延を減算し、当該測定局と当該被測定局との距離を算出する距離算出手段とを備え、
   前記被測定局は、
   前記測定局より受信した前記短時間変調信号より切替パルスの成分を抽出する復調手段と、
   前記切替パルスの成分を用いてクロックの位相を前記測定局と同期及び保持させるクロック同期手段と、
   前記測定局ユニークワード送信手段より受信した信号からユニークワードを検出するユニークワード検出手段と、
   該検出したユニークワードに同期されたクロックによる固定遅延の後に、前記ユニークワードを折り返し送信する被測定局ユニークワード送信手段と、を備え、
   さらに、前記クロック同期手段は、前記短時間変調信号のレベル強度、Ｓ／Ｎ比、又は当該信号に含まれるパイロット信号若しくはプリアンブル信号の検出結果を基に、当該信号の品質を判定し、該品質が適当でない場合、又は受信信号がなくなった場合、クロックを保持する保持状態に遷移することにより、前記クロックの位相を保持状態にするよう制御する、
   ことを特徴とする無線通信システム。
2. 前記クロック同期手段は、
   前記クロックの位相のずれを符号付多値に変換する符号付多値変換手段と、
   前記符号付多値を累積加算する累積加算手段と、
   累積加算された前記符号付多値の平均値を算出する平均値算出手段と、
   前記平均値の符号を判定する符号判定手段と、
   判定された前記符号により前記クロックの位相のずれの制御の方向の切り換えを行い、前記平均値の大きさにより変化させる前記クロックの分周の位置又はパルスを切り換える符号制御切換手段とを備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。