JP6970014B2 - 無線通信装置とその運用切替方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、無線通信装置および運用切替方法に関する。

自治体等の防災通信システムでは、光通信ネットワーク、衛星通信、デジタル多重無線等の通信回線が用いられる。従来のデジタル多重無線装置では、６．５／７．５ＧＨｚ帯での通信が主流であったが、近年では１２ＧＨｚ帯、あるいは１８ＧＨｚ帯を利用することが検討されている。ＦＷＡ（Fixed Wireless Access：準ミリ波帯公共業務用無線アクセスシステム）と称するシステムも知られている。

この種の技術分野でも、小型化のニーズが高まっている。つまり、主要な機能を屋内に設け、屋外に露出される装置の機能を最小限とした屋内／屋外分離設置型多重無線装置とすることで、コストを抑えて耐環境性能を高めるようにしている。既存の一体型装置に対して、この種の装置を分離型装置と称することもある。屋内の装置はＩＤＵ（Indoor Unit）と称し、屋外の装置はＯＤＵ（Outdoor Unit）とも称される。

特開２００２−２９０２６３号公報 特開２００７−９６８３７号公報 特表２００８−５１９５３５号公報

一体型装置、分離型装置ともに、送受信ブロックを冗長化して複数の送受信ブロックを備える。一体型装置は、部品点数にゆとりがあり、制御信号を短距離で授受可能であることから、冗長切替に係わる送受共用器を、送信信号切替器、受信信号分配器、サーキュレータ等で構成することができる。特に、送信信号切替器にＰＩＮダイオード等の高速半導体素子を用いることで無瞬断の冗長切替を実現している。

これに対し分離型装置では、部品点数の削減、信頼性の確保、メンテナンス項目の削減等の要請が厳しく、特に、ＯＤＵの高周波回路を小型化、簡素化することが求められる。このため分離型装置では、送受共用器に合成分配器（ハイブリッド）を用いて部品点数を削減し、送信波の出力をオン／オフすることで現用系、待機系の切替を行っている。

しかしながら、分離型装置では送信切替時に対向の受信機の同期を保つことが難しく、再同期までの間、主信号が断となることがある。特に６４ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）のような直交振幅変調方式においては影響が大きいことから、対処が望まれている。

そこで、目的は、信号切替に伴う信号断を防止し得る無線通信装置および運用切替方法を提供することにある。

実施形態によれば、無線通信装置は、プリアンブル信号を含むディジタル変調信号を生成する第１ユニットと、アンテナを有し、信号ケーブルを介して第１ユニットに接続可能な第２ユニットとを具備する。第２ユニットは、第１ユニットから信号ケーブル経由で送られたディジタル変調信号を増幅する増幅器をそれぞれ有する第１送受信部および第２送受信部と、第１送受信部および第２送受信部をアンテナに接続する合成分配器とを備える。第１ユニットは、第１送受信部へのディジタル変調信号を生成する第１変調部と、第２送受信部へのディジタル変調信号を生成する第２変調部と、第１送受信部と第２送受信部との運用切替を制御するプロセッサとを備える。プロセッサは、切替制御部を備える。切替制御部は、運用切替に伴って切替先の送受信部の増幅器の利得を既定値に設定し、第１変調部と第２変調部とをプリアンブル信号の期間内でオン／オフ切替する。

この発明に係わる無線通信装置の構成の一例を示すブロック図。 ディジタル変調信号の信号フォーマットの一例を示す図。 実施形態に係わる無線通信装置の処理手順の一例を示すフローチャート。 比較のため既存の一体型の無線通信装置の一例を示す図。

次に、発明の実施形態について説明する。本実施の形態の装置は、第１ユニットとしての屋内装置（ＩＤＵ）１００と、アンテナ４００を有する第２ユニットとしての屋外装置（ＯＤＵ）２００とに分離され、互いを同軸ケーブル３００を介して接続する、分離型構成をとる。

図１は、この発明に係わる無線通信装置の構成の一例を示すブロック図である。図１において、無線通信装置は、主にディジタル変調信号を生成する、第１ユニットとしてのＩＤＵ１００と、ディジタル変調信号を無線帯域化して送受信する第２ユニットとしてのＯＤＵ２００とを備える。ＩＤＵ１００は、ユーザ端末５００からの通信信号の変復調処理を行うアナログ・デジタル回路などを備える。ＯＤＵ２は、アンテナ４００を介して無線信号を送受信する。ＯＤＵ２００とＩＤＵ１００は同軸ケーブル３００で接続される。

ＩＤＵ１００は、インタフェース部１１、分離多重部１２、１系信号処理部１３、２系信号処理部１４、およびプロセッサ１５を備える。また、ＯＤＵ２００は、１系送受信部２１、２系送受信部２２、および合成分配器２３を備える。

ここで、ＩＤＵ１００のプロセッサ１５は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）を主体とし、メモリに記憶されたプログラムに従って演算処理を実行するハードウェアである。プロセッサ１５およびメモリを主体とするハードウェアと、プログラムとしてのソフトウェアとが協調的に動作することで、実施形態に係わる機能が実現される。すなわちＩＤＵ１００は、ソフトウェアおよびハードウェアとの協調的な動作により機能を実現するコンピュータである。従って、ＯＤＵ２００を含む無線通信装置も、コンピュータである。

図１において、ユーザ端末５００から出力されたユーザ信号は、例えば１０Ｂａｓｅ−Ｔ、１００Ｂａｓｅ−ＴなどのＬＡＮ（Local Area Network）インタフェースを持つインタフェース部１１からＩＤＵ１００に導入される。導入されたユーザ信号は分離多重部１２で１系統に多重され、１系信号処理部１３と２系信号処理部１４とに分配される。

１系信号処理部１３は、変調部３０を有する。変調部３０は、分配されたユーザ信号をディジタル変調して、ＯＤＵ２００の１系送受信部２１へのディジタル変調信号を生成する。同様に、２系信号処理部１４は変調部４０を有し、この変調部４０は、ユーザ信号をディジタル変調して、ＯＤＵ２００の２系送受信部２２へのディジタル変調信号を生成する。変調方式としては例えばＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying）方式、１６ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）方式、あるいは６４ＱＡＭ方式等がある。

変調部３０および変調部４０は、一方がオンのときは他方がオフとなるように、プロセッサ１５の制御により互いに排他的に動作する。オフの変調部からの信号はＯＤＵ２００に出力されず、オンの変調部からのディジタル変調信号がＯＤＵ２００に届く。つまり、１系信号処理部１３、または２系信号処理部１４のいずれかからのディジタル変調信号が、同軸ケーブル３００経由でＯＤＵ２００に届くこととなる。

ＯＤＵ２００の１系送受信部２１は、増幅器１０を備える。増幅器１０は自動出力レベル制御機能（Automatic Level Control：ＡＬＣ）を有し、１系信号処理部１３からのディジタル変調信号を一定の送信レベルにまで増幅する。増幅されたディジタル変調信号は、合成分配器２３を介してアンテナ４００から放射される。

同様に、２系送受信部２２は、増幅器２０を備える。増幅器２０はＡＬＣ機能を有し、２系信号処理部１４からのディジタル変調信号を一定の送信レベルにまで増幅する。増幅されたディジタル変調信号は、合成分配器２３を介してアンテナ４００から放射される。

ここで、１系信号処理部１３からのディジタル変調信号と２系信号処理部１４からのディジタル変調信号とが同時に入力されることは無いので、１系送受信部２１からの送信信号、または２系送受信部２２からの送信信号のいずれかが、アンテナ４００から放射されることになる。

また、増幅器１０のＡＬＣ、および増幅器２０のＡＬＣは、ＩＤＵ１００のプロセッサ１５からの制御信号によりオン／オフ（有効／無効）切り替えされる。ＡＬＣをオフされた増幅器の増幅利得は、通常、最低値にまで抑えられる。

ＯＤＵ２００の１系送受信部２１、および２系送受信部２２は、互いに冗長系をなす。通常は、例えば１系送受信部２１を用いて無線通信の運用がなされる。メンテナンスなどのため運用切替の必要が生じると、ＩＤＵ１００のプロセッサ１５の制御のもとで１系送受信部２１から２系送受信部２２への運用切替が実行される。非常時の冗長切替においても、主にプロセッサ１５による制御が実行される。以下では、１系送受信部２１と２系送受信部２２との間の運用切替について説明する。

ところで、プロセッサ１５は、例えば組み込みソフトウェアによる制御機能として、切替制御部１５ａを備える。切替制御部１５ａは、運用切替に伴って切替先の送受信部（１系送受信部２１または２系送受信部２２）の増幅器（増幅器１０または増幅器２０）の利得を既定値に設定する。さらに、第１変調部としての変調部３０と、第２変調部としての変調部４０とを、ディジタル変調信号のプリアンブル信号の期間内でオン／オフ切替する。

ここで、増幅器の利得の既定値は予めデフォルトで設定された値でもよい。あるいは、運用開始に先立つトレーニング期間で設定された値を上記既定値としても良い。また、切替制御部１５ａは、変調部３０、４０のオン／オフ切替の後に、切替先の送受信部の増幅器のＡＬＣを有効にする。

図２は、ディジタル変調信号の信号フォーマットの一例を示す図である。実施形態において、ディジタル変調信号は、フレーム同期信号、ユーザ情報を載せるためのペイロード、誤り訂正符号（ＣＲＣ）をそれぞれ含む各フィールドに加えて、プリアンブル信号を伝送するためのフィールドを含む。

プリアンブル信号とは、例えば、フレーム同期を確立させるために設けられ、ユーザ信号に直接関係するデータは含まない信号である。例えば、２５５シンボルのＢＰＳＫ信号を利用することができる。この場合、プリアンブル信号の期間は２５５シンボル期間となる。

図３は、上記構成における無線通信装置の処理手順の一例を示すフローチャートである以下の手順においては、１系送受信部２１から２系送受信部２２への冗長切替（運用切替）について説明する。２系送受信部２２から１系送受信部２１への切替（切戻し）も、逆の手順を踏むことで同様に可能である。

図３において、無線通信装置の据え付けが完了すると、対向する通信装置（例えば通信衛星等）との間での通信環境を最適にするためのトレーニング処理が開始される（ステップＳ１）。トレーニング処理により、１系送受信部２１の増幅器１０の送信利得が最適化される。

トレーニングが開始されて通信状態が安定すると（ステップＳ２でＹｅｓ）、増幅器１０の利得の最適値が例えばＩＤＵ１００のメモリ（図示せず）に記憶され、増幅器１０の利得もその値に設定される（ステップＳ４）。この時の利得の最適値を、利得Ａとする。また、増幅器１０のＡＬＣがオンされる。これにより、ＩＤＵ１００からのディジタル変調信号が届くと、１系送受信部２１により増幅されてアンテナ４００から放射される状態になる。

このとき、２系送受信部２２側の増幅器２０のＡＬＣはオフされる（ステップＳ５）また、ＩＤＵ１００においては、１系信号処理部１３の変調部３０がオンされ、２系信号処理部１４の変調部４０がオフされる（ステップＳ６）。

この状態から、無線通信装置は冗長切替の開始を待ち受ける（ステップＳ７）。切替が開始されると（ステップＳ７でＹｅｓ）、切替制御部１５ａは、ＯＤＵ２００の２系送受信部２２の増幅器２０の利得を利得Ａにセットしたのち（ステップＳ８）、ＩＤＵ１００の１系信号処理部１３の変調部３０がオフされ、２系信号処理部１４の変調部４０がオンされる（ステップＳ９）。これにより、ＩＤＵ１００からのディジタル変調信号が２系送受信部２２に届いた状態となる。最後に、２系送受信部２２の増幅器２０のＡＬＣがオンされ（ステップＳ１０）、ディジタル変調信号は、２系送受信部２２により増幅されてアンテナ４００から放射される。以上の手順で、１系送受信部２１から２系送受信部２２への切替が完了する。

図４は、比較のため既存の一体型の無線通信装置の一例を示す図である。一体型装置において、現用系送信機８００および予備系送信機９００は、ともに規定出力レベルの無線周波数信号を常時出力し、いずれかの送信機の出力をＰＩＮダイオード７００で選択的に切り替え、アンテナ４００に導くようになっている。ＰＩＮダイオード７００の切替時間が非常に高速である（μｓオーダ）ので、伝送信号の欠損（データ誤り）は無視できるといえる。

しかしながら分離型装置では、ＯＤＵ２００の構成に制約があるので、ＰＩＮダイオード等の高速の素子を使うことが難しい。実施形態ではその代替として、図１に示されるように、合成分配器２３を用いている。そして、ＩＤＵ１００の１系信号処理部１３および２系信号処理部１４の一方からのみ、規定レベルのディジタル変調信号を出力することで、ＯＤＵ２００側では、１系送受信部２１、または２系送受信部２２の一方だけを動作させ、他方を亭波させるようにしていた。

しかしながら亭波中の系を運用系に切り替えるとき、増幅器のＡＬＣの時定数が大きく、送信レベルが規定レベルで安定するまでにほぼ１秒程度かかる。よって切替前後のレベル差が大きくなり(例えば１５ｄＢ程度）、６４ＱＡＭ等の直交振幅変調方式においては、符号誤り、さらに同期外れが発生し、切替時の信号断時間が長くなってしまっていた。

そこで、この実施形態では、運用切替に際して待機側の増幅器の初期利得値を、予めトレーニングしておいた、定常運用時における利得値Ａに固定し、その後、送信波を変調部から送出するようにした。このようにすることで、送信切替前後の送信出力レベルを同一にすることが可能となり、符号誤りを抑圧することができる。

さらに、ＩＤＵ１００の変調部３０、４０のオン／オフを、プリアンブル信号の期間(例えば先頭タイミング）で切り替えるようにした。すなわち、ＩＤＵ１００から送出されるディジタル変調信号の切替のタイミングを、伝送クロックの位相単位で合わせるようにした。これは、例えば、プロセッサ１５からのオン／オフ切替信号を、プリアンブル信号に同期するフレームパルスでサンプリングすることで実現できる。

このようにすることで、切替えた際に符号誤りが発生した場合でも主信号への影響は無く、またプリアンブル期間をＢＰＳＫ信号とすることで、切替時のレベル差、位相差に対する受信機の追従を早くすることができ、プリアンブル期間内に同期を確立することが可能となる。従って、送信信号の無瞬断切替が可能となる。さらに、通信回線の使用状況によらずに運用切替を実施することができ、保守点検が実施しやすくなる。

これらのことから、実施形態によれば、信号切替に伴う信号断を防止し得る無線通信装置および運用切替方法を提供することが可能となる。

なお、この発明は上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、運用切替に際して、切替先の送受信部の増幅器の利得を、トレーニングで得られた最適値（利得Ａ）にセットするようにした。これに代えて、切替先の送受信部の増幅器の利得を、切替元の送受信部の増幅器の利得の現在値に設定してもよい。

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は例として提示するものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…増幅器、１１…インタフェース部、１２…分離多重部、１３…１系信号処理部、１４…２系信号処理部、１５…プロセッサ、１５ａ…切替制御部、２０…増幅器、２１…１系送受信部、２２…２系送受信部、２３…合成分配器、３０…変調部、４０…変調部、１００…屋内装置、２００…屋外装置、３００…同軸ケーブル、４００…アンテナ、５００…ユーザ端末、７００…ＰＩＮダイオード、８００…現用系送信機、９００…予備系送信機。

Claims (8)

1. プリアンブル信号を含むディジタル変調信号を生成する第１ユニットと、
   アンテナを有し、信号ケーブルを介して前記第１ユニットに接続可能な第２ユニットとを具備し、
   前記第２ユニットは、
   前記第１ユニットから前記信号ケーブル経由で送られた前記ディジタル変調信号を増幅する増幅器をそれぞれ有する第１送受信部および第２送受信部と、
   前記第１送受信部および前記第２送受信部を前記アンテナに接続する合成分配器とを備え、
   前記第１ユニットは、
   前記第１送受信部へのディジタル変調信号を生成する第１変調部と、
   前記第２送受信部へのディジタル変調信号を生成する第２変調部と、
   前記第１送受信部と前記第２送受信部との運用切替を制御するプロセッサとを備え、
   前記プロセッサは、
   前記運用切替に伴って切替先の送受信部の前記増幅器の利得を既定値に設定し、前記第１変調部と前記第２変調部とを前記プリアンブル信号の期間内でオン／オフ切替する切替制御部とを備える、無線通信装置。
2. 前記切替制御部は、トレーニングにより設定された値を前記利得の既定値とする、請求項１に記載の無線通信装置。
3. 前記切替制御部は、前記切替先の送受信部の増幅器の利得を、切替元の送受信部の前記増幅器の利得の現在値に設定する、請求項１に記載の無線通信装置。
4. 前記第１送受信部の増幅器および前記第２送受信部の増幅器は、自動出力レベル制御機能を有し、
   前記切替制御部は、前記オン／オフ切替の後に、前記切替先の送受信部の増幅器の自動出力レベル制御機能を有効にする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の無線通信装置。
5. プリアンブル信号を含むディジタル変調信号を生成する第１ユニットと、信号ケーブルを介して前記第１ユニットに接続可能で、前記ディジタル変調信号を増幅する増幅器をそれぞれ有する第１送受信部および第２送受信部を有する第２ユニットとを具備する無線通信装置の運用切替方法であって、
   前記無線通信装置が、前記第１送受信部および第２送受信部の運用切替に伴って、切替先の送受信部の増幅器の利得を既定値に設定する過程と、
   前記無線通信装置が、前記第１送受信部へのディジタル変調信号を生成する第１変調部と、前記第２送受信部へのディジタル変調信号を生成する第２変調部とを、前記プリアンブル信号の期間内でオン／オフ切替する過程とを具備する、運用切替方法。
6. 前記無線通信装置は、トレーニングにより設定された値を前記利得の既定値とする、請求項５に記載の運用切替方法。
7. 前記無線通信装置は、前記切替先の送受信部の増幅器の利得を、切替元の送受信部の前記増幅器の利得の現在値に設定する、請求項５に記載の運用切替方法。
8. 前記第１送受信部の増幅器および前記第２送受信部の増幅器は、自動出力レベル制御機能を有し、
   前記無線通信装置は、前記オン／オフ切替の後に、前記切替先の送受信部の増幅器の自動出力レベル制御機能を有効にする、請求項５乃至７のいずれか１項に記載の運用切替方法。

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