JP6842862B2 - 列車無線通信システム - Google Patents

Description

本発明は、線路上を走行する列車と地上側の装置との間で無線通信を行う列車無線通信システムに関し、特にＬＣＸ（Leaky Coaxial Cable；同軸漏洩ケーブル）を使用した列車無線通信システムに利用して有効な技術に関する。

従来、線路上を走行する列車と地上側の装置との間の通信方式として、ＬＣＸケーブルを鉄道軌道に沿って敷設しそのケーブルから漏洩する電波を用いて通信を行うＬＣＸ方式がある。また、ＬＣＸ方式において、線路の両側に沿って複数本のＬＣＸケーブルを敷設するとともに、列車に複数のアンテナを設けて空間多重度を高めた ＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）方式で通信を行う技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、従来のＬＣＸ方式では、例えばトンネル区間のように上り線と下り線との間に壁があるような区間においては反対側のケーブルからの信号を受信できなくなるため、そのような特殊な区間においてはそれぞれの線路の両側にケーブルを敷設して通信を行う対策技術がある（例えば特許文献２の図８参照）。

なお、現在、日本国内の鉄道において採用されている列車無線通信方式は、在来線においては周波数帯として主にＶＨＦ（150MHz帯）やＵＨＦ（300MHz帯、400MHz帯）を用いる空間波無線方式（ＳＲ方式）または誘導無線方式（ＩＲ方式）であり、高速鉄道としての新幹線（登録商標）においてはＬＣＸ方式が採用されている。

特開２００８−２３６５５２号公報 特開２０１５−１４９５８７号公報

現在の新幹線（登録商標）において採用されているＬＣＸ方式は、線路の両側に敷設された２本のＬＣＸケーブルから同一の情報を変調して列車へ送信し、列車側では左右のアンテナで受信するという構成であるので、列車はどちらか一方のケーブルからの信号を受信できれば復調できる。そのため、受信データの信頼性は高いものの、データ伝送速度は１Mbps以下であり、充分な伝送速度が得られていない。
また、ＬＣＸ−ＭＩＭＯ方式を採用した場合には、列車同士がすれ違う際に片側のケーブルからの信号しか受信できなかったり反射波の干渉があったりして、データの誤り率が高くなり、最悪の場合には通信不能に陥ることもあるという課題がある。

本発明は上記のような課題に着目してなされたもので、線路上を走行する列車と地上側の装置との間の通信方式としてＬＣＸ方式を採用した列車無線通信システムにおいて、新たにＬＣＸケーブルを敷設することなくデータ伝送速度を大幅に向上させることを目的とする。
本発明の他の目的は、ＬＣＸ方式を採用した列車無線通信システムにおいて、列車同士がすれ違う際等通信条件の劣化した状況下での通信におけるデータ伝送の誤り率の増加を抑制し、通信不能に陥るのを回避できるようにすることにある。

上記課題を解決するために、本出願に係る発明は、
鉄道軌道に沿って敷設された複数本のＬＣＸケーブルと、
前記ＬＣＸケーブルに接続されデータを送受信するための地上側装置と、
前記鉄道軌道の上を走行する列車に搭載され前記複数本のＬＣＸケーブルを介して前記地上側装置との間でデータを送受信する車上側装置と、を備えた列車無線通信システムであって、
前記地上側装置は、
前記ＬＣＸケーブルの断線を検出する断線検出手段を備え、
前記車上側装置の受信状態が良好でない場合には前記複数本のＬＣＸケーブルにより単一入力多出力モードで同時にデータを送信し、前記車上側装置の受信状態が良好である場合には前記複数本のＬＣＸケーブルにより多入力多出力モードでデータを送信し、
前記断線検出手段が２本のＬＣＸケーブルのうち１本が断線した場合には、単一入力多出力モードで送信するように構成したものである。

上記のように構成された列車無線通信システムによれば、車上側装置の受信状態が良好である場合には多入力多出力モードでデータを送信するので、新たにＬＣＸケーブルを敷設することなくデータ伝送速度を大幅に向上させることができる。また、車上側装置の受信状態が良好でない場合には複数本のＬＣＸケーブルにより単一入力多出力モードで同時にデータを送信するので、列車同士がすれ違う際等通信条件の劣化した状況下での通信におけるデータ伝送の誤り率の増加を抑制し、通信不能に陥るのを回避することができる。

ここで、望ましくは、
前記車上側装置は、受信品質を判定する受信品質判定手段を備え、判定結果の受信品質を、自己に付与された識別番号と共に送信し、
前記地上側装置は、前記ＬＣＸケーブルを介して受信した情報に基づいて前記車上側装置の受信状態を判定して送信方式を切り替え可能にする。
また、前記地上側装置は、前記ＬＣＸケーブルを介して受信したデータの訂正ビット数を計数し、訂正ビット数に基づいて前記車上側装置の受信状態を判定して送信方式を切り替えるように構成する。

ここで、「受信品質」としては、例えば受信強度あるいは伝送データの誤り率が考えられるが、他のパラメータであっても良い。
上記のような構成によれば、軌道上を複数の列車が走行している場合にも、列車毎に受信強度または伝送データの誤り率を地上側装置で把握することかできるため、車上側装置の受信状態に応じて送信方式（モード）を切り替えることができ、これによって伝送速度の向上とデータ伝送の精度の向上を両立することができる。

また、望ましくは、３本以上の軌道が設けられている範囲には、空間分割多重方式でデータを送受信するＬＣＸケーブルの組が複数配設されているようにする。
かかる構成によれば、列車が停車することで隣接する軌道上に列車が存在する可能性が高い駅構内等にのみ、新たにＬＣＸケーブルを追加して敷設するだけで、通信条件が劣化する状況を減らすことができ、これによって伝送速度の向上を達成することができる。

さらに、望ましくは、軌道を挟んだ両側方のうち一方の側に通信の障害となる障害物がある範囲においては、前記複数本のＬＣＸケーブルはすべて前記障害物のある側とは反対の側に配設されているように構成する。
かかる構成によれば、軌道の両側にＬＣＸケーブルを敷設したのでは通信条件が劣化するエリアにおいても良好な通信状態を確保し、伝送速度の向上およびデータ伝送精度の向上を図ることができる。

また、望ましくは、前記複数本のＬＣＸケーブルのうち少なくともいずれか１本は、前記鉄道軌道の上を走行する列車の屋根部よりも高い位置に配設されているように構成する。
かかる構成によれば、隣接する軌道上に他の列車が在線する場合にも列車に邪魔されずにＬＣＸケーブルを介してデータ伝送速度の速い通信を行うことができる。

本発明によれば、線路上を走行する列車と地上側の装置との間の通信方式としてＬＣＸ方式を採用した列車無線通信システムにおいて、新たにＬＣＸケーブルを敷設することなくデータ伝送速度を大幅に向上させることができる。 また、列車同士がすれ違う際等通信条件の劣化した状況下での通信におけるデータ伝送の誤り率の増加を抑制し、通信不能に陥るのを回避できるという効果がある。

（Ａ），（Ｂ）は、本発明に係る列車無線通信システム全体の構成および駅間走行中の信号受信の様子を示した図である。 本発明に係る列車無線通信システムの構成する車上側装置（移動局）において実行される通信処理の手順の一例を示すフローチャートである。 本発明に係る列車無線通信システムの構成する地上側装置（基地局）において実行される通信処理の手順の一例を示すフローチャートである。 本発明列車無線通信システムの変形例における地上側装置（基地局）の構成および駅間走行中の信号受信の様子を示した図である。 変形例の列車無線通信システムの構成する車上側装置（移動局）において実行される通信処理の手順の一例を示すフローチャートである。 変形例の列車無線通信システムの構成する地上側装置（基地局）において実行される通信処理の手順の一例を示すフローチャートである。 （Ａ），（Ｂ）は、実施形態の列車無線通信システムにおける駅構内でのＬＣＸケーブルの敷設例を示す平面図である。 （Ａ），（Ｂ）は、実施形態の列車無線通信システムにおける駅構内でのＬＣＸケーブルの他の敷設例を示す平面図および正面図である。 実施形態の列車無線通信システムにおける駅構内でのＬＣＸケーブルの他の敷設例を示す正面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明に係るＬＣＸ方式の列車無線通信システムの実施の形態について説明する。
図１は本発明に係るＬＣＸ方式の列車無線通信システム全体の構成および該システムを構成する地上側装置の構成例を示すシステム構成図である。

ＬＣＸ方式の列車無線通信システムは、図１に示すように、上り線側の軌道１０Ａと下り線側の軌道１０Ｂの外側沿って敷設された送受信アンテナとしてのＬＣＸケーブル１１Ａ、１１Ｂと、軌道１０Ａまたは軌道１０Ｂ上を走行する列車１２に搭載されている車上側装置（移動局）１３と、ＬＣＸケーブル１１Ａ、１１Ｂを介して列車１２の車上側装置（移動局）１３との間のデータの送受信を行う地上側装置２０とにより構成される。

地上側装置２０は、上記ＬＣＸケーブル１１Ａ、１１Ｂに接続されデータの送受信を行う送受信部（基地局）２１と、データの送受信のための演算やデータ処理およびシステムの制御を行う制御部２２などから構成される。図示しないが、移動局としての車上側装置１３も同様な構成を有する。また、列車１２には、軌道の両側のＬＣＸケーブル１１Ａ、１１Ｂに対応して車体の左右にＬＣＸアンテナ１４Ａ、１４Ｂが設けられる。
地上側の送受信部（基地局）２１および車上側装置１３の送受信部（移動局）は、無線通信のための変復調機能を有している。制御部２２は、図示しないが、ＣＰＵ（中央演算処理装置）等の演算処理装置や、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）やＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等のデータ記憶装置などから構成される。

本実施形態のＬＣＸ方式の列車無線通信システムにおいては、図１（Ａ）に示すように、受信状態が良好なとき（受信強度が高いまたはデータの誤り率が小さいとき）は、ＬＣＸ−ＭＩＭＯモード（多入力多出力モード）でＬＣＸケーブル１１Ａと１１Ｂの両方から異なるデータを送信する。一方、図１（Ｂ）に示すように、列車同士がすれ違う際のような受信状態が良好でないときは、ＬＣＸケーブル１１Ａと１１Ｂの両方から同一のデータを送信するＬＣＸ−ＳＩＭＯモード（Single Input Multiple Output：単一入力多出力モード）で動作するように構成されている。

なお、本実施形態では、地上側の送受信部（基地局）２１は、ＬＣＸアンテナ１４Ａ、１４Ｂを介して基本周波数信号（基本波）を送信し続ける。また、列車（移動局）からのデータの送信は、ＬＣＸ−ＳＩＭＯモードで行う。
次に、本発明の特徴である通信モードの切替えの仕方について、図２および図３を用いて説明する。このうち図２は車上側装置の制御部における通信処理手順を示すフローチャート、図３は地上側装置２０の制御部２２における通信処理手順を示すフローチャートである。

図２に示すように、車上側装置の制御部は、周期的あるいは基地局からの通信要求を受けて受信処理（ステップＳ１）を行い、受信強度（受信電力）の大きさを検出する（ステップＳ２）。続いて、送信すべきデータがあるか否か判定し（ステップＳ３）、送信データがない（Ｎｏ）と判定した場合は、ステップＳ４へ進んで、ステップＳ２で検出した受信強度および当該移動局の識別番号（ＩＤ）を送信する。また、送信データがある（ステップＳ３：Ｙｅｓ）と判定した場合は、ステップＳ５へ進んで、受信強度と当該移動局の識別番号（ＩＤ）および送信データを送信する。

その後、車上側装置の制御部は、例えばＭＩＭＯモードで受信処理（ステップＳ６）を行い、データの受信が成功したか否か判定する（ステップＳ７）。そして、データの受信に失敗した（ステップＳ７：Ｎｏ）と判定した場合は、ステップＳ８へ進んで、通信モードをＳＩＭＯに切り替えて再度受信処理を行い、ステップＳ７へ戻る。なお、車上側装置はＭＩＭＯモードとＳＩＭＯモードを並列して実行し、地上側からの送信モードに応じたモードで対応し、ＭＩＭＯモードで情報が送られてきたのに受信できなかった場合にはＳＩＭＯモードに切り替えるようにしても良い。伝送データのヘッダの部分には、変調方式の情報が格納されているので、その情報から送信モードを判定することができる。そして、ステップＳ７で、データの受信に成功した（Ｙｅｓ）と判定した場合には、ステップＳ９へ進んで、自己宛てのデータであるか判定し、自己宛てのデータのときは受信したデータを取り込み（ステップＳ１０）、自己宛てのデータでないときは受信したデータを破棄して（ステップＳ１１）、終了する。

次に、地上側装置２０の制御部２２における通信処理手順を、図３を用いて説明する。
地上側装置２０の制御部２２は、送信すべきデータがあるか否か判定し（ステップＳ２１）、送信データがある（Ｙｅｓ）と判定した場合は、ステップＳ２２へ進んで、列車（移動局）へ通信要求を行ない、列車（移動局）からの送信データ（ＩＤ及び受信強度）を受信する（ステップＳ２３）。次に、受信したデータの中から受信強度および移動局の識別番号（ＩＤ）を抽出して、データを送信したい相手（移動局）であるか否か判定する（ステップＳ２４）。そして、データを送信したい移動局でない（Ｎｏ）と判定した場合は、ステップＳ２２へ戻って再度通信要求、データ受信を行う。

一方、ステップＳ２４で、データを送信したい移動局である（Ｙｅｓ）と判定した場合は、ステップＳ２５へ進んで、ステップＳ２３で受信した受信強度が予め設定した所定値よりも大きいか否か判定する。そして、受信強度が所定値よりも大きい（Ｙｅｓ）と判定した場合は、ステップＳ２６へ進んで、送信モードをＬＣＸ−ＭＩＭＯモードに設定し、受信強度が所定値よりも小さい（Ｎｏ）と判定した場合は、ステップＳ２７へ進んで、送信モードをＬＣＸ−ＳＩＭＯモードに設定した後、送信したいデータを移動局の識別番号（ＩＤ）と共に送信する（ステップＳ２８）。

上記のような通信処理手順に従った制御によれば、通信状態が良好な場合にはＬＣＸ−ＭＩＭＯモードによる送信を行うことでデータ伝送速度を大幅（約２倍）に向上させることができる一方、列車同士がすれ違う際等通信状態が良好でない場合には、ＬＣＸ−ＳＩＭＯモードによる送信を行うことで、データ伝送速度は低下するものの伝送データの誤り率の増加を抑制し、通信不能に陥るのを回避することができる。

次に、本実施形態の変形例について、図４〜図６を用いて説明する。
上記実施形態では、列車（移動局）側での受信の強度に基づいて、地上側装置（基地局）で送信モードをＬＣＸ−ＳＩＭＯモードまたはＬＣＸ−ＭＩＭＯモードに切り替えているのに対し、以下に説明する変形例は、伝送データの誤り率を検出して該誤り率に応じてモードを切り替えるようにするものである。

図４に示すように、この変形例においては、地上側装置２０の送受信部（基地局）２１と制御部２２との間に、エラー訂正符号生成部とエラー訂正部を備えたデータ処理部２３が設けられている。車上側装置（移動局）１３にも同様な機能を有するデータ処理部１５が設けられている。さらに、車上側のデータ処理部１５は、エラービット数（もしくはバイト数）の算出部を備える。なお、データ処理部２３は、ハードウェア（回路）でもソフトウェア（プログラムメモリ）でも構成することができる。ソフトウェアで構成した場合には、制御部２２の一部とみなすことができる。車上側装置１３も同様である。

図５には本変形例における車上側装置の制御部における通信処理手順が、図６には本変形例における地上側装置２０の制御部２２における通信処理手順が示されている。図５の手順は図２の手順と類似し、図６の手順は図３の手順と類似している。
図５と図２のフローチャートとの差異は、ステップＳ２で、受信強度を検出する代わりに誤り率を算出し、ステップＳ４，Ｓ５の送信の際に、誤り率を送信する点にある。また、図３と図６のフローチャートとの差異は、ステップＳ２５で、受信強度の代わりに誤り率が所定値よりも大きいか否か判定して、判定結果に応じて送信モードを切り替える点にある。

この変形例の通信制御においても、通信状態が良好な場合にはＬＣＸ−ＭＩＭＯモードによる送信を行うことでデータ伝送速度を大幅（約２倍）に向上させることができる一方、列車同士がすれ違う際等通信状態が良好でない場合には、ＬＣＸ−ＳＩＭＯモードによる送信を行うことで、データ伝送速度は低下するものの伝送データの誤り率の増加を抑制し、通信不能に陥るのを回避することができる。

ところで、上述したような通信制御は、上り線と下り線が１ずつしか敷設されていない駅間を列車が通過している場合に有効であり、大きな問題はない。しかし、駅によっては追い越しを可能にするための通過線が、本線と並行して敷設されていることがあり、その場合、通過線と本線の両方に同時に列車が存在することが駅間よりも頻繁に発生し、それによりＬＣＸ−ＭＩＭＯモードによる通信が困難になる時間帯が長くなるという課題がある。そこで、このような課題を解決するため、駅構内等の線路数が多いエリアにおいては、ＬＣＸケーブルの本数を多くすることが考えられる。

図７（Ａ）および（Ｂ）には、駅構内におけるＬＣＸケーブルの敷設例が示されている。このうち、図７（Ａ）は、ＭＩＭＯ信号１を送信するＬＣＸケーブルＬ１１，Ｌ２１と、ＭＩＭＯ信号２を送信するＬＣＸケーブルＬ１２，Ｌ２２が交互に並ぶように配設するようにしたものである。図７（Ａ）に示す駅構内においては、内側の２本の線路が通過線になるので、この通過線で列車がすれ違う場合にのみＬＣＸ−ＳＩＭＯモードによる通信を行えばよく、それ以外はＬＣＸ−ＭＩＭＯモードによる通信が可能となる。

なお、図７（Ａ）において、破線Ａ０が付されているのは、内側の２本の線路間にＬＣＸケーブルを敷設することができないエリアがあることを意味している。このようなエリアＡ０がある場合には、内側の２本の線路で列車がすれ違う時にのみＬＣＸ−ＭＩＭＯモードによる通信が不可能となる。従って、そのような場合には、ＬＣＸ−ＳＩＭＯモードによる通信を行えばよく、それ以外はＬＣＸ−ＭＩＭＯモードによる通信が可能である。

図７（Ｂ）は、ＭＩＭＯ信号１を送信するＬＣＸケーブルＬ１１，Ｌ２１，Ｌ３１と、ＭＩＭＯ信号２を送信するＬＣＸケーブルＬ１２，Ｌ２２，Ｌ３２が交互に並ぶように配設するようにしたものである。
ＬＣＸケーブルをこのように敷設することで、いつどのようなタイミングで列車が通過もしくは停車していても、ＬＣＸ−ＭＩＭＯモードによる通信が可能となる。

図８および図９には、例えば片側にＬＣＸケーブルを敷設できないような特殊な構造の駅構内におけるＬＣＸケーブルの敷設例が示されている。
このうち、図８は、プラットホームＨ０と反対側に壁等の障害物Ｗが配設されている場合におけるＬＣＸケーブル１１Ａ，１１Ｂの敷設例を示すもので、図８（Ｂ）に示すように、プラットホームＨ０の側部に沿って２本のＬＣＸケーブル１１Ａ，１１Ｂが敷設されている。このような敷設方法によれば、反対側に障害物Ｗがあったとしても、プラットホームＨ０の横の列車１２に対していつでも確実にＬＣＸ−ＭＩＭＯモードによる通信が可能となる。

図９は、プラットホームＨ０の横の本線と並行して通過線や待機線等が配設されている場合におけるＬＣＸケーブルの敷設例を示すもので、本線を挟んだ両側に敷設したＬＣＸケーブル１１Ａ，１１Ｂとは別に、プラットホームＨ０の上方にＬＣＸケーブル１１Ｃが敷設されている。このような敷設方法によれば、本線上の列車１２Ａに対してはＬＣＸケーブル１１Ａ，１１Ｂを用いてＭＩＭＯ信号による通信ができ、通過線もしくは待機線上の列車１２Ｂに対してはＬＣＸケーブル１１Ｂ，１１Ｃを用いたＭＩＭＯ信号による通信ができる。なお、図９においては、ＬＣＸケーブル１１Ａを省略しても良い。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形や変更が可能である。例えば、上記実施形態では、２本のＬＣＸケーブルを１組としてＬＣＸ−ＭＩＭＯモードによる通信を行えるようにした形態について説明したが、３本以上のＬＣＸケーブルを１組としてＬＣＸ−ＭＩＭＯモードによる通信を行えるように構成しても良い。

さらに、前記変形例では、受信強度もしくは誤り率を検出して通信状態を判定し、通信状態が劣化した場合には送信モードを切り替えるとしたが、ＬＣＸケーブルの断線を検出する手段を設けて、２本のＬＣＸケーブルのうち１本が断線した場合には、ＬＣＸ−ＳＩＭＯモードで送信するように構成しても良い。また、地上側装置で、受信したデータの訂正ビット（もしくはバイト）数を計数して、通信状態を判定し、送信モードを切り替えるようにしても良い。

１０Ａ，１０Ｂ 軌道
１１Ａ，１１Ｂ ＬＣＸケーブル
１２ 列車
１３ 車上側装置（移動局）
１４Ａ，１４Ｂ ＬＣＸアンテナ
２０ 地上側装置
２１ 送受信部（基地局）
２２ 制御部

Claims (5)

1. 鉄道軌道に沿って敷設された複数本のＬＣＸケーブルと、
   前記ＬＣＸケーブルに接続されデータを送受信するための地上側装置と、
   前記鉄道軌道の上を走行する列車に搭載され前記複数本のＬＣＸケーブルを介して前記地上側装置との間でデータを送受信する車上側装置と、を備えた列車無線通信システムであって、
   前記地上側装置は、
   前記ＬＣＸケーブルの断線を検出する断線検出手段を備え、
   前記車上側装置の受信状態が良好でない場合には前記複数本のＬＣＸケーブルにより単一入力多出力モードで同時にデータを送信し、前記車上側装置の受信状態が良好である場合には前記複数本のＬＣＸケーブルにより多入力多出力モードでデータを送信し、
   前記断線検出手段が２本のＬＣＸケーブルのうち１本が断線した場合には、単一入力多出力モードで送信するように構成されていることを特徴とする列車無線通信システム。
2. 前記車上側装置は、受信品質を判定する受信品質判定手段を備え、判定結果の受信品質を、自己に付与された識別番号と共に送信し、
   前記地上側装置は、前記ＬＣＸケーブルを介して受信した情報に基づいて前記車上側装置の受信状態を判定して送信方式を切り替え可能に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の列車無線通信システム。
3. 前記地上側装置は、前記ＬＣＸケーブルを介して受信したデータの訂正ビット数を計数し、訂正ビット数に基づいて前記車上側装置の受信状態を判定して送信方式を切り替えるように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の列車無線通信システム。
4. ３本以上の軌道が設けられている範囲には、空間分割多重方式でデータを送受信するＬＣＸケーブルの組が複数配設されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の列車無線通信システム。
5. 軌道を挟んだ両側方のうち一方の側に通信の障害となる障害物がある範囲においては、前記複数本のＬＣＸケーブルはすべて前記障害物のある側とは反対の側に配設されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の列車無線通信システム。

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