JPWO2020213036A1 - 路側通信装置および路車間通信方法 - Google Patents

Abstract

通信用アンテナ（１０１）を通じて受信された電波から検出された受信強度と、測角用アンテナ（１０４）を通じて受信された電波から推定された直接波の到来角および受信強度と反射波の到来角および受信強度とに基づいて、通信処理部（１０２）による車載器との通信可否が判定される。

Description

本発明は、路側通信装置および路車間通信方法に関する。

ＥＴＣ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｏｌｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ）（登録商標）といった路車間通信システムでは、道路を走行する車両に搭載された車載器と、路側に設置された路側通信装置との間で様々な情報が送受されている。路側通信装置は、車載器から送出された電波の受信強度（Ｒｅｃｅｉｖｅｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ；以下、ＲＳＳＩと略して記載する）が基準値を超えた場合、車載器との通信を確立している。このため、通信対象の車載器の周辺に存在する、通信対象ではない車載器から送信された電波のＲＳＳＩが基準値を超えることによって、路側通信装置は、通信対象ではない車載器と誤通信する可能性がある。

この問題に対して、例えば、特許文献１には、車載器との通信に用いる通信用アンテナに加え、電波の到来角を特定するための方位特定用アンテナを備えた情報処理装置が記載されている。この情報処理装置は、方位特定用アンテナによって受信された電波の到来角を推定し、推定された到来角に基づいて電波の送信元の車載器が対象のレーンを走行している車両に搭載された車載器であるか否かを判定する。

特開２０１２−２４７９５８号公報

車載器から送信された電波は、周辺の車両または建物においてマルチパス反射を起こすことがある。特許文献１に記載された情報処理装置では、電波が反射波で受信されることが考慮されていないため、車載器から送信された電波の直接波と反射波が混在した状態で受信された場合、電波の到来角を正確に推定できないという課題があった。電波の到来角を正確に推定できない場合、通信対象ではない車載器と誤通信する可能性がある。

本発明は上記課題を解決するものであって、通信対象ではない車載器との誤通信を回避することができる路側通信装置および路車間通信方法を得ることを目的とする。

本発明に係る路側通信装置は、車載器との通信に用いられる第１のアンテナと、電波の到来角の推定に用いられる第２のアンテナに接続される路側通信装置であって、第１のアンテナを通じて車載器から受信された電波の受信強度を検出する通信処理部と、第２のアンテナを通じて車載器から受信された電波の、直接波の到来角および受信強度と、反射波の到来角および受信強度とを推定する測角部と、通信処理部によって検出された受信強度と、測角部によって推定された電波の直接波の到来角および受信強度と反射波の到来角および受信強度とに基づいて、第１のアンテナを用いた通信処理部による車載器との通信可否を判定する判定部を備える。

本発明によれば、第１のアンテナを通じて受信された電波から検出された受信強度と、第２のアンテナを通じて受信された電波から推定された直接波の到来角および受信強度と反射波の到来角および電波受信強度とに基づいて、第１のアンテナを通じた車載器との通信可否が判定される。これにより、車載器から送信された電波の直接波と反射波が混在した状態で受信されても、通信対象ではない車載器との誤通信を回避することができる。

実施の形態１に係る路側通信装置の構成を示すブロック図である。 図１の路側通信装置を備えた路車間通信システムの概要を示す概要図である。 アレーアンテナにおける素子アンテナの配列を示す図である。 図４Ａは、アレーアンテナにおける素子アンテナの配列の変形例１を示す図である。図４Ｂは、アレーアンテナにおける素子アンテナの配列の変形例２を示す図である。図４Ｃは、アレーアンテナにおける通信用アンテナと測角用アンテナの構成を示す図である。 実施の形態１に係る路車間通信方法を示すフローチャートである。 図６Ａは、実施の形態１に係る路側通信装置の機能を実現するハードウェア構成を示すブロック図である。図６Ｂは、実施の形態１に係る路側通信装置の機能を実現するソフトウェアを実行するハードウェア構成を示すブロック図である。 実施の形態２に係る路側通信装置の構成を示すブロック図である。 ４つの素子アンテナから構成されたアレーアンテナ、合成分配部および高分解能測角部の接続関係の概要を示す概要図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る路側通信装置１００の構成を示すブロック図である。路側通信装置１００は、路側に設けられて、車両に搭載された車載器との通信を行う。また、従来から、通信対象外の車載器から送信された電波を電波吸収体に吸収させることが一般に行われていたが、路側通信装置１００は、車載器から送信された電波の直接波の到来角および受信強度と反射波の到来角および受信強度とを用いて、車載器との通信可否を判定する。従って、路側通信装置１００は、通信対象外の車載器から送信された電波を吸収するための電波吸収体を用いることなく、通信対象外の車載器との誤通信を回避することができる。

通信用アンテナ１０１は、車載器との通信に用いられる第１のアンテナであり、通信処理部１０２が有する通信部１０３ａと復調部１０３ｂとに接続されている。例えば、通信用アンテナ１０１を通じて、通信制御情報チャンネルとサービス情報とを含む電波が車載器に送信され、車載器の応答信号が受信される。通信制御情報チャンネルは、ＦＣＭＣ（Ｆｒａｍｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｍｅｓｓａｇｅ Ｃｈａｎｎｅｌ）であり、サービス情報は、ＢＳＴ（Ｂｅａｃｏｎ Ｓｅｒｖｉｃｅ Ｔａｂｌｅ）である。また、車載器からの応答信号には、ＡＣＴＣ（Ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ Ｃｈａｎｎｅｌ）およびＶＳＴ（Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｓｅｒｖｉｃｅ Ｔａｂｌｅ）がある。

通信処理部１０２は、通信用アンテナ１０１を通じて車載器から受信された電波の受信強度を検出する。また、通信処理部１０２は、通信判定部１０６によって車載器との通信可と判定された場合に、通信用アンテナ１０１を用いた車載器との通信を行う。通信処理部１０２は、通信部１０３ａと復調部１０３ｂとを有する。通信部１０３ａは、ＦＣＭＣの情報に基づいて、送信信号を変調し、変調された送信信号を周波数変換し、周波数変換された送信信号を増幅する。これらの処理が施された送信信号は、通信部１０３ａから通信用アンテナ１０１に出力され、通信用アンテナ１０１を通じて車載器に向けて送信される。

復調部１０３ｂは、通信用アンテナ１０１を通じて車載器から受信された電波を復調し、復調された電波を解析して、車載器ＩＤおよび電波の受信強度を検出する。復調部１０３ｂは、検出した車載器ＩＤおよび電波の受信強度を通信判定部１０６に出力する。車載器ＩＤは、電波の送信元の車載器を識別するために付与された当該車載器に固有な情報である。例えば、車載器ＩＤは、車載器から路側通信装置１００に送信されるＡＣＴＣに含まれる。また、電波の受信強度は、車載器から受信された電波のＲＳＳＩである。

測角用アンテナ１０４は、車載器から受信された電波の到来角の推定に用いられる第２のアンテナであり、高分解能測角部１０５に接続されている。測角用アンテナ１０４は、アレーアンテナであり、複数の素子アンテナ１０７を備えている。

高分解能測角部１０５は、測角用アンテナ１０４を通じて車載器から受信された電波の、直接波の到来角および受信強度と、反射波の到来角および受信強度とを推定する測角部である。高分解能測角部１０５は、測角用アンテナ１０４を通じて車載器から受信された電波を復調し、復調された電波から車載器ＩＤを検出する。また、高分解能測角部１０５は、復調された電波を直接波と反射波とに分離する。そして、高分解能測角部１０５は、直接波の水平角および垂直角を推定するとともに、反射波の水平角および垂直角を推定する。なお、水平角と垂直角は、いずれも電波の到来角を示すものである。さらに、高分解能測角部１０５は、直接波の受信強度と反射波の受信強度を推定する。以下、電波の水平角の推定値および垂直角の推定値を、適宜「測角値」と記載する。また、電波の受信強度の推定値を「電波強度推定値」と記載する。高分解能測角部１０５は、車載器ＩＤと、直接波の測角値および電波強度推定値と、反射波の測角値および電波強度推定値とを、通信判定部１０６に出力する。

通信判定部１０６は、通信処理部１０２によって検出された受信強度と、高分解能測角部１０５によって推定された電波の直接波の到来角および受信強度と反射波の到来角および受信強度に基づいて、通信用アンテナ１０１を用いた通信処理部１０２による車載器との通信可否を判定する判定部である。例えば、通信判定部１０６は、復調部１０３ｂによって検出された電波の受信強度が閾値を超えており、かつ高分解能測角部１０５によって推定された電波の直接波の測角値または反射波の測角値のうち、いずれかの測角値が通信エリアからの到来を示している場合に、車載器との通信が可であると判定する。

図２は、路側通信装置１００を備えた路車間通信システムの概要を示す概要図である。図２に示す路車間通信システムは、ＥＴＣ（登録商標）の料金所に設けられたシステムであり、路側通信装置１００を備える。この料金所を通る２本のレーンのうち、一方のレーンを車両２００が走行しており、車両２００に続いて車両２０１が走行している。路側通信装置１００は、エリア２０２〜２０５のいずれかに存在する車載器からの電波を受信可能である。また、料金所には、路側通信装置１００が設けられたゲートと、ゲート近傍に設けられたブース２０６がある。

例えば、路側通信装置１００は、通信エリアであるエリア２０３内に存在する車両２００に搭載された車載器２００ａが通信対象である。しかしながら、エリア２０３の後方にあるエリア２０５内に車両２０１が進入すると、路側通信装置１００は、車載器２００ａから送信された電波の直接波Ｄ１の他に、車両２０１に搭載された車載器２０１ａから送信された電波の直接波Ｄ２と、車載器２０１ａから送信された電波がブース２０６で反射された反射波Ｒが受信可能となる。このため、直接波Ｄ２あるいは反射波ＲのＲＳＳＩが閾値を超えると、路側通信装置１００は、通信対象ではない車載器２０１ａと誤通信する可能性がある。

例えば、車載器から送信されるＡＣＴＣを含む電波は、基本的に車載器ごとに時分割で送信されるので、車載器同士で電波が混信することはない。従来の路側通信装置は、車載器から受信されたＡＣＴＣを含む電波の到来角を推定し、推定された到来角に基づいて、車載器がエリア２０３内にあるか否かを判定する。しかしながら、従来の路側通信装置では、図２に示すように、通信対象ではない車載器２０１ａから送信された電波の直接波Ｄ２と反射波Ｒが混在した状態で受信されると、電波の到来角を正確に推定できなくなる。

そこで、路側通信装置１００は、測角用アンテナ１０４を通じて受信された電波を直接波Ｄ２と反射波Ｒに分離し、分離された直接波Ｄ２と反射波Ｒの到来角を推定する。これにより、路側通信装置１００は、車載器から送信された電波が直接波と反射波が混在した状態で受信されても、車載器との通信可否を正確に判定することができる。

高分解能測角部１０５は、測角用アンテナ１０４を通じて車載器から受信された電波を直接波と反射波とに分離して高分解能測角を行う。高分解能測角方法としては、例えば、ＭＵＳＩＣ（ＭＵｌｔｉｐｌｅ ＳＩｇｎａｌ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）またはＥＳＰＲＩＴ（Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ Ｓｉｇｎａｌ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｖｉａ Ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｖａｒｉａｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）がある。これらの方法は、下記の参考文献１に詳しく記載されている。
（参考文献１）Ｈ． Ｋｒｉｍ， Ｍ． Ｖｉｂｅｒｇ， “Ｔｗｏ Ｄｅｃａｄｅｓ ｏｆ Ａｒｒａｙ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ” ，ＩＥＥＥ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｍａｇａｚｉｎｅ， ｖｏｌ． １３， ｎｏ．４， ｐｐ．６７−９４， Ｊｕｌｙ １９９６．

電波の直接波と反射波は一般に相関が高く、コヒーレント波と呼ばれる。コヒーレント波を分離して測角する方法には、例えば、空間平均法またはＦｏｒｗａｒｄ／Ｂａｃｋｗａｒｄ（Ｆ／Ｂ）平均法がある。空間平均法では、例えば、アレーアンテナの一部である部分アレーの相関行列と、この部分アレーを平行移動させたアレーの相関行列を平均することで、直接波と反射波の相関が抑圧される。また、Ｆ／Ｂ平均法では、反転させる前のアレーアンテナの相関行列と、このアレーアンテナを反転させた後の相関行列を平均することで、直接波と反射波の相関が抑圧される。

なお、空間平均法による直接波と反射波の相関抑圧効果を向上させるためには、アレーアンテナを構成する素子アンテナ数が多いことが望ましい。しかしながら、素子アンテナ数を増加させると、装置規模が増大し、さらに、測角処理の演算量も増加する。そこで、直接波と反射波の２波入射モデルが想定される場合、高分解能測角部１０５は、空間平均法よりも演算量が少ないＦ／Ｂ平均法を用いて電波の直接波と反射波を分離し、それぞれの水平角と垂直角を推定する。

図３は、アレーアンテナにおける素子アンテナ１０７の配列を示す図であって、測角用アンテナ１０４における素子アンテナ１０７の配列を示している。図３において、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、３次元空間内の直交座標系を表しており、Ｙ軸の負の方向が車両の進行方向である。図３において、複数の素子アンテナ１０７は、いずれもＸ−Ｚ面上に位置している。Ｆ／Ｂ平均法を適用するためには、アレーアンテナの素子アンテナ１０７の配列が、図３に示すようにアレー中心１０８に対して点対称である必要がある。また、互いに隣り合う素子アンテナ１０７同士の間隔ｄは、通常、送信電波の波長の半分程度に設定される。

図４Ａは、アレーアンテナにおける素子アンテナ１０７の配列の変形例１を示す図である。図４Ｂは、アレーアンテナにおける素子アンテナ１０７の配列の変形例２を示す図である。図４Ａおよび図４Ｂに示すアレーアンテナは、いずれも測角用アンテナ１０４であり、６つの素子アンテナ１０７がアレー中心に対して点対称に配列されている。

また、図３において、アレー中心１０８に向かう矢印は、車載器から送信された電波を示すベクトルである。高分解能測角部１０５は、測角用アンテナ１０４を通じて受信された電波の水平角θと垂直角φを推定する。水平角θは、水平面であるＸ−Ｙ面上のＹ軸を基準とした当該水平面上の電波の到来角である。水平角θは、前述の電波を示すベクトルをＸ−Ｙ面に正射影してできる直線とＹ軸とがなす角度と等しい。垂直角φは、Ｘ−Ｙ面と基準とした電波の到来角である。垂直角φは、前述の電波を示すベクトルをＸ−Ｙ面に正射影してできる直線と当該ベクトルとがなす角と等しい。

図４Ｃは、アレーアンテナにおける通信用アンテナ１０１と測角用アンテナ１０４の構成を示す図である。図４Ｃに示すように、通信用アンテナ１０１は、例えば、複数の素子アンテナ１０７から構成されたアレーアンテナであってもよい。通信用アンテナ１０１がアレーアンテナである場合、測角用アンテナ１０４は、アレーアンテナの開口の一部（例えば、４つの素子アンテナ１０７を有する部分アレー）で構成することができる。

車載器との通信に用いられる通信用アンテナは、通常、多数の素子アンテナを合成することでビームが形成され、形成されたビームによって通信エリアにある相手と通信できるように構成されている。このため、図４Ｃに示したように、多数の素子アンテナ１０７のうちの一部が測角用アンテナ１０４として利用されても、通信用アンテナ１０１への影響は軽微である。これは、既存の路側通信装置が備える通信用アンテナを利用して測角機能を追加できることを意味する。なお、実施の形態１は、１つのアレーアンテナから構成された通信用アンテナ１０１および測角用アンテナ１０４に限定されるものではなく、通信用アンテナ１０１を構成するアレーアンテナと、測角用アンテナ１０４を構成するアレーアンテナを別々に設けてもよい。

次に、路側通信装置１００を用いた路車間通信方法について説明する。
図５は、実施の形態１に係る路車間通信方法を示すフローチャートであって、路側通信装置１００による一連の処理を示している。復調部１０３ｂは、通信用アンテナ１０１を通じて車載器から受信された電波を復調して車載器ＩＤおよび電波受信強度を検出する（ステップＳＴ１）。例えば、復調部１０３ｂは、通信用アンテナ１０１を通じて受信されたＡＣＴＣ信号を増幅し、帯域制限フィルタに通し、中間周波数帯の信号（以下、ＩＦ信号と記載する）に周波数変換する。続いて、復調部１０３ｂは、ＩＦ信号をＡ／Ｄ変換してデジタル信号に変換し、デジタル信号をベースバンド信号に変換して復調する。復調部１０３ｂは、ベースバンド信号から車載器ＩＤを検出し、ベースバンド信号を用いて電波の受信強度を検出する。

高分解能測角部１０５は、測角用アンテナ１０４を通じて受信された電波を復調して解析することで、車載器ＩＤを検出するとともに、電波の直接波と反射波の到来角および電波強度推定値を推定する（ステップＳＴ２）。例えば、高分解能測角部１０５は、測角用アンテナ１０４を通じて車載器から受信されたＡＣＴＣ信号を増幅し、増幅されたＡＣＴＣ信号を帯域制限フィルタに通し、帯域制限フィルタを通過したＡＣＴＣ信号をＩＦ信号に周波数変換する。続いて、高分解能測角部１０５は、ＩＦ信号をＡ／Ｄ変換してデジタル信号に変換し、デジタル信号をベースバンド信号に変換して復調する。高分解能測角部１０５は、ベースバンド信号から車載器ＩＤを検出する。

続いて、高分解能測角部１０５は、ＡＣＴＣ信号に高分解能測角処理を行って、水平角θと垂直角φを推定する。以下、測角用アンテナ１０４を構成する素子アンテナ１０７の数が４つであり、高分解能測角方法として、ＥＳＰＲＩＴアルゴリズムを採用した場合について説明する。なお、この場合に限定されるものではなく、５つ以上の素子アンテナで測角用アンテナ１０４を構成してもよく、高分解能測角方法には、ＥＳＰＲＩＴの代わりに、ＭＵＳＩＣまたはＣＡＰＯＮを用いてもよい。

また、Ｆ／Ｂ平均法の代わりに、２ＤユニタリＥＳＰＲＩＴ法について説明する。２ＤユニタリＥＳＰＲＩＴ法は、ユニタリ変換を用いて、電波の水平角θと垂直角φとを同時に推定することが可能であり、下記の参考文献２に詳しく記載されている。
（参考文献２）Ｍ． Ｄ． Ｚｏｌｔｏｗｓｋｉ， Ｍ． Ｈａａｒｄｔ ａｎｄ Ｃ． Ｐ． Ｍａｔｈｅｗｓ， “Ｃｌｏｓｅｄ−Ｆｏｒｍ ２−Ｄ Ａｎｇｌｅ Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ Ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ Ａｒｒａｙｓ ｉｎ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｓｐａｃｅ ｏｒ Ｂｅａｍｓｐａｃｅ ｖｉａ Ｕｎｉｔａｒｙ ＥＳＰＲＩＴ” ，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．， ｖｏｌ． ＳＰ−４４， ｎｏ．２， ｐｐ．３１６−３２８， Ｆｅｂ． １９９６．

高分解能測角部１０５は、測角用アンテナ１０４の各素子アンテナ１０７を通じて受信された電波から得られたデジタルデータｘ_ｍ（ｎ）を用いて、下記式（１）から相関行列Ｒ_ｘｘを算出する。素子番号ｍは、素子アンテナ１０７ごとに割り当てられた通し番号であり、ｍ＝１，２，３，・・・，Ｍが順に素子アンテナ１０７に割り当てられる。また、サンプリングデータ番号ｎは、サンプリングされたデータごとに割り当てられた通し番号であり、ｎ＝１，２，・・・，Ｎが順にデータに割り当てられる。ｘ（ｎ）は、下記式（２）で表される。（・）^Ｔは、ベクトルまたは行列の転置であり、（・）^Ｈは、ベクトルまたは行列のエルミート転置である。

次に、高分解能測角部１０５は、下記式（３）で表されるユニタリ行列Ｑ_４を用いて、下記式（４）に従い、相関行列Ｒ_ｘｘに対してユニタリ変換を施す。下記式（４）において、Ｒｅ｛ ｝は、｛ ｝内の実部を取ることを示す関数である。相関行列Ｒ_ｘｘに対してユニタリ変換を施すことで、Ｆ／Ｂ平均と同様の効果が生じ、かつ、相関行列Ｒ_ｘｘを実数化することができる。これにより、これに続く信号処理の演算量が低減される。

次に、高分解能測角部１０５は、実数化された相関行列Ｒ_ｙｙを、下記式（５）に従い固有値展開する。下記式（５）において、行列Ｅは、固有ベクトルを並べた行列であり、対角行列Λは、対角項に固有値が並んだ行列である。Ｅ^Ｔは、行列Ｅの転置行列である。

高分解能測角部１０５は、相関行列Ｒ_ｙｙを固有値展開して得られた固有値の分布から到来信号の波数を推定し、固有ベクトルを信号部分空間Ｅ_Ｓと雑音部分空間Ｅ_Ｎとに分離する。例えば、閾値判定による到来波信号の検出回数から、到来波信号の波数を推定することができ、閾値には、最小固有値に予め設定された一定値を乗算した値、全ての固有値の平均値、または、相乗平均値を用いることができる。

ユニタリＥＳＰＲＩＴ法では、アレーアンテナから２つのサブアレー＃１および＃２が取り出され、サブアレー＃１とサブアレー＃２との間の位相回転行列Φを推定することにより、電波の到来角が算出される。位相回転行列Φを推定するために、サブアレー＃１の信号部分空間Ｅ_Ｘとサブアレー＃２の信号部分空間Ｅ_Ｙとを関係付ける変換行列Ψが算出される。

２ＤユニタリＥＳＰＲＩＴ法では、水平角θと垂直角φとを同時に推定するため、下記式（６）および（７）に示すような、水平方向に抽出されたサブアレーの信号部分空間の関係式が利用される。下記式（６）は、固有ベクトルの信号部分空間Ｅ_Ｓを用いて、水平方向に抽出されたサブアレー＃１の信号部分空間Ｅ_Ｘｕを算出する関係式であり、Ｋ_ｕ１は下記式（８）で表される。また、下記式（７）は、固有ベクトルの信号部分空間Ｅ_Ｓを用いて、水平方向に抽出されたサブアレー＃２の信号部分空間Ｅ_Ｙｕを算出する関係式であり、Ｋ_ｕ２は下記式（９）で表される。

さらに、２ＤユニタリＥＳＰＲＩＴ法では、水平角θと垂直角φとを同時に推定するため、下記式（１０）および（１１）に示すような、垂直方向に抽出されたサブアレーの信号部分空間の関係式が利用される。下記式（１０）は、固有ベクトルの信号部分空間Ｅ_Ｓを用いて、垂直方向に抽出されたサブアレー＃１の信号部分空間Ｅ_Ｘｖを算出する関係式であり、Ｋ_ｖ１は下記式（１２）で表される。また、下記式（１１）は、固有ベクトルの信号部分空間Ｅ_Ｓを用いて、垂直方向に抽出されたサブアレー＃２の信号部分空間Ｅ_Ｙｖを算出する関係式であり、Ｋ_ｖ２は下記式（１３）で表される。

高分解能測角部１０５は、前述のようにして算出された各サブアレーの信号部分空間を用いて、下記式（１４）から、水平方向に抽出されたサブアレーに関する変換行列Ψ_ｕを算出し、下記式（１５）から、垂直方向に抽出されたサブアレーに関する変換行列Ψ_ｖを算出する。

次に、水平方向の角度値と垂直方向の角度値とのペアリングの手間を省くために、変換行列Ψ_ｕとΨ_ｖを用いた下記式（１６）から変換行列Ψ_ｕｖが算出される。

続いて、高分解能測角部１０５は、下記式（１７）に従って、変換行列Ψ_ｕｖを固有値展開することで、下記式（１８）に示す位相回転行列Φを推定する。

上記式（１８）に示す固有値を用いて、下記式（１９）から垂直方向の角度φ_ｌが推定され、下記式（２０）から水平方向の角度θ_ｌが推定される。なお、ｌ＝１，２である。

このようにして、測角用アンテナ１０４を通じて受信された電波の直接波の水平角θ_ｌと垂直角φ_ｌが推定される。実施の形態１では、相関行列の固有値展開の前処理として、Ｆ／Ｂ平均のみを適用し、空間平均処理は適用していない。この場合、相関抑圧可能な入射波数は最大２波となり、ｌ＝１，２に対応している。つまり、２つの角度が算出されるが、これらの角度のいずれが直接波に対応するどうかは通常不明である。従って、実施の形態１では、以下の二つの方法のいずれかを適用する。一つは、直接波と反射波との区別を行わずに、全ての測角値のうち、いずれかが通信エリアに含まれるか否かを判定する。もう一つは、推定した受信電力の大きさに基づいて直接波と反射波を判断して、直接波が通信エリア内に含まれるか否かを判定する。

ユニタリ変換は、Ｆ／Ｂ平均と同様の相関抑圧効果があることが知られており、信号固有値は、２つ発生する。高分解能測角部１０５は、信号固有値を対角項に並べた行列Λ_Ｓと、信号以外の固有値またはその平均値を要素とする雑音固有値σ_Ｎを用いて、下記式（２１）から行列Ｓ_ｒを算出する。行列Ｓ_ｒを算出すると、高分解能測角部１０５は、行列Ｓ_ｒの対角項であるＰ_Ｓ１およびＰ_Ｓ２を用いて、電波の直接波と反射波の電波強度推定値を算出する。

次に、通信判定部１０６が、通信用アンテナ１０１を通じて受信された電波から検出された車載器ＩＤおよびＲＳＳＩ（電波受信強度）と、測角用アンテナ１０４を通じて受信された電波から検出された車載器ＩＤ、並びに当該電波から推定された直接波の到来角および受信強度と反射波の到来角および受信強度とに基づいて、車載器との通信可否を判定する（ステップＳＴ３）。例えば、通信判定部１０６は、通信用アンテナ１０１を通じて受信された電波の受信強度を、予め設定された基準値（以下、閾値と記載する）と比較し、受信強度が閾値を超えるか否かを判定する。電波の受信強度が閾値を超えない場合、通信判定部１０６は、この電波の送信元の車載器との通信は不可であると判定する。

復調部１０３ｂと高分解能測角部１０５が非同期で動作している場合、受信強度が閾値を超えた電波があっても、復調部１０３ｂと高分解能測角部１０５とで同一の車載器から送信された電波を扱っているかどうかを確認する必要がある。そこで、通信判定部１０６は、復調部１０３ｂによって受信強度が閾値を超えた電波から検出された車載器ＩＤと、高分解能測角部１０５によって受信強度が閾値を超えた電波から検出された車載器ＩＤが一致するか否かを判定する。通信判定部１０６は、車載器ＩＤが互いに異なると判定した場合、両方の車載器との通信が不可であると判定する。

ただし、復調部１０３ｂおよび高分解能測角部１０５が同期して同一の車載器から送信された電波を扱う場合、あるいは、復調部１０３ｂと高分解能測角部１０５が同期していなくても、両者が同一の車載器から送信された電波を扱っていることが明らかな場合は、車載器ＩＤが一致するか否かの判定は省略される。すなわち、実施の形態１に係る路車間通信方法では、復調部１０３ｂによる車載器ＩＤの検出と、高分解能測角部１０５による車載器ＩＤの検出とを省略することができる。

また、通信判定部１０６は、通信用アンテナ１０１を通じて車載器から受信された電波の受信強度が閾値を超えた回数が基準回数を超えたことを移行条件として、前述したような車載器ＩＤが一致するか否かの判定を行ってもよい。

さらに、通信判定部１０６は、測角用アンテナ１０４を通じて受信された電波から複数の車載器ＩＤが検出された場合、これらの車載器ＩＤのうち、基準数を超える数の車載器ＩＤが復調部１０３ｂによって検出された車載器ＩＤと一致したことを移行条件として、次の処理に移行してもよい。

例えば、測角用アンテナ１０４が４つの素子アンテナ１０７から構成されている場合、高分解能測角部１０５は、４つの素子アンテナ１０７のそれぞれを通じて受信された電波から車載器ＩＤを検出する。このため、通信判定部１０６には、４つの車載器ＩＤが出力される。通信判定部１０６は、４つの車載器ＩＤのうち、基準数を超える数の車載器ＩＤが復調部１０３ｂによって検出された車載器ＩＤと一致したことを移行条件として、次の処理に移行する。

復調部１０３ｂによって検出された車載器ＩＤと、高分解能測角部１０５によって検出された車載器ＩＤとが一致する場合、通信判定部１０６は、この判定結果を高分解能測角部１０５に通知する。高分解能測角部１０５は、この通知を受けると、復調部１０３ｂによって検出された車載器ＩＤと一致した車載器ＩＤが検出された電波を直接波と反射波に分離して測角を行う。

通信判定部１０６は、高分解能測角部１０５によって算出された測角値を蓄積し、蓄積された測角値の数がＬ以上になったか否かを判定する。続いて、蓄積された測角値の数がＬ以上になった場合、通信判定部１０６は、Ｌ個以上蓄積された測角値のうち、ｋ個以上の測定値が通信エリア内からの到来を示しているか否かを判定する。

高分解能測角部１０５による測角では、直接波と反射波の角度、振幅および位相関係によって直接波と反射波の相関抑圧が不十分になる可能性があり、相関抑圧が不十分であると、測角値がばらつくことが予想される。このため、通信判定部１０６は、前述したように、Ｌ個以上蓄積された測角値のうち、通信エリア内からの到来を示す測角値がｋ個未満であれば、この電波の送信元の車載器との通信は不可であること（通信ＮＧ）を通信処理部１０２に通知する。一方、ｋ個以上の測定値が通信エリア内からの到来を示している場合、通信判定部１０６は、電波の送信元の車載器との通信が可であること（通信ＯＫ）を通信処理部１０２に通知する。

通信処理部１０２は、通信判定部１０６から車載器との通信が可である通知を受けた場合、通信用アンテナ１０１を用いた車載器との通信を行う（ステップＳＴ４）。例えば、通信部１０３ａが、車載器との通信信号であるＢＳＴ信号を通信用アンテナ１０１に出力する。通信用アンテナ１０１は、ＢＳＴ信号を車載器に向けて送信する。一方、通信判定部１０６から車載器との通信が不可である通知を受けた場合、通信処理部１０２は、この車載器との通信を行わない。

なお、通信判定部１０６は、復調部１０３ｂによって検出された電波の受信強度が閾値を超え、かつ高分解能測角部１０５によって推定された電波の直接波と反射波の測角値のうち、いずれかの測角値が通信エリア内からの到来を示した回数が基準回数を超えた場合に、車載器との通信が可であると判定してもよい。

また、高分解能測角部１０５は、測角用アンテナ１０４を通じて車載器から受信された電波を分離した２波のうち、電波強度推定値が大きい方を直接波とし、電波強度推定値が小さい方を反射波として、直接波のみの測角値を算出してもよい。このとき、通信判定部１０６が、直接波の測角値が通信エリア内からの到来を示す場合に、車載器との通信が可であると判定してもよい。このようにしても、通信対象外の車載器との誤通信を回避することができる。

次に、路側通信装置１００の機能を実現するハードウェア構成について説明する。
路側通信装置１００における通信処理部１０２、高分解能測角部１０５および通信判定部１０６の機能は、処理回路により実現される。すなわち、路側通信装置１００は、図５に示したステップＳＴ１からステップＳＴ４の処理を実行するための処理回路を備える。処理回路は、専用のハードウェアであってもよいが、メモリに記憶されたプログラムを実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）であってもよい。

図６Ａは、路側通信装置１００の機能を実現するハードウェア構成を示すブロック図である。図６Ｂは、路側通信装置１００の機能を実現するソフトウェアを実行するハードウェア構成を示すブロック図である。図６Ａおよび図６Ｂにおいて、入出力インタフェース３００は、アンテナを介して路側通信装置１００と車載器との間でやり取りされる信号を中継するインタフェースである。

上記処理回路が図６Ａに示す専用のハードウェアである場合、処理回路３０１は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）またはこれらを組み合わせたものが該当する。なお、通信処理部１０２、高分解能測角部１０５および通信判定部１０６の機能を別々の処理回路で実現してもよいし、これらの機能をまとめて１つの処理回路で実現してもよい。

上記処理回路が図６Ｂに示すプロセッサ３０２である場合、通信処理部１０２、高分解能測角部１０５および通信判定部１０６の機能は、ソフトウェア、ファームウェアまたはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせによって実現される。ソフトウェアまたはファームウェアは、プログラムとして記述されてメモリ３０３に記憶される。
プロセッサ３０２は、メモリ３０３に記憶されたプログラムを読み出して実行することによって、通信処理部１０２、高分解能測角部１０５および通信判定部１０６の機能を実現する。すなわち、路側通信装置１００は、プロセッサ３０２により実行されるときに、図５に示したステップＳＴ１からステップＳＴ４の処理が結果的に実行されるプログラムを記憶するためのメモリ３０３を備える。これらのプログラムは、通信処理部１０２、高分解能測角部１０５および通信判定部１０６の手順または方法をコンピュータに実行させるものである。メモリ３０３は、コンピュータを、通信処理部１０２、高分解能測角部１０５および通信判定部１０６として機能させるためのプログラムが記憶されたコンピュータ可読記憶媒体であってもよい。

メモリ３０３には、例えば、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ−ＥＰＲＯＭ）などの不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤなどが該当する。

なお、通信処理部１０２、高分解能測角部１０５および通信判定部１０６の機能について、一部を専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェアまたはファームウェアで実現してもよい。例えば、高分解能測角部１０５および通信判定部１０６については、プロセッサ３０２がメモリ３０３に記憶されたプログラムを読み出して実行することによってその機能を実現し、通信処理部１０２については専用のハードウェアとしての処理回路でその機能を実現してもよい。このように、処理回路は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアまたはこれらの組み合わせによって、上記機能のそれぞれを実現することができる。

以上のように、実施の形態１に係る路側通信装置１００において、通信用アンテナ１０１を通じて受信された電波から検出された車載器ＩＤおよび電波の受信強度と、測角用アンテナ１０４を通じて受信された電波から検出された車載器ＩＤ、並びに当該電波から推定された直接波の到来角および受信強度と反射波の到来角および受信強度とに基づいて、通信用アンテナ１０１を用いた車載器との通信可否が判定される。これにより、車載器から送信された電波の直接波と反射波が混在した状態で受信されても、通信対象外の車載器との誤通信を回避することができる。

実施の形態２．
図７は、実施の形態２に係る路側通信装置１００Ａの構成を示すブロック図であり、図１と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。路側通信装置１００Ａは、通信用アンテナと測角用アンテナで１つのアレーアンテナを共用する点で、実施の形態１に係る路側通信装置１００とは異なる。

アレーアンテナ１０９は、複数の素子アンテナ１０７から構成されている。アレーアンテナ１０９を構成する複数の素子アンテナ１０７のそれぞれを通じて受信された高周波信号は、合成分配部１１０と高分解能測角部１０５とに出力される。合成分配部１１０は、複数の素子アンテナ１０７のそれぞれを通じて受信された高周波信号をアナログ合成し、通信部１０３ａから送られてきた送信信号を、アレーアンテナ１０９を構成する複数の素子アンテナ１０７のそれぞれに分配して車載器に向けて送信させる。

図８は、４つの素子アンテナ１０７から構成されたアレーアンテナ１０９、合成分配部１１０および高分解能測角部１０５の接続関係の概要を示す概要図である。アレーアンテナ１０９を通信用アンテナとして機能させる場合、合成分配部１１０は、アレーアンテナ１０９を通じて受信された高周波信号を合成し、通信部１０３ａから送られてきた信号をアレーアンテナ１０９に分配する。アレーアンテナ１０９は、４つの素子アンテナ１０７が合成された開口のビーム幅と利得を有する。

アレーアンテナ１０９を測角用アンテナとして機能させる場合、アレーアンテナ１０９を通じて受信された高周波信号は、合成分配部１１０を介さずに、高分解能測角部１０５に出力される。例えば、アレーアンテナ１０９が４つの素子アンテナ１０７で構成されている場合、高分解能測角部１０５には４つの信号が送られ、実施の形態１と同様にして、これらの信号の直接波と反射波の測角処理が行われる。

なお、路側通信装置１００Ａにおける、通信処理部１０２Ａ、高分解能測角部１０５および通信判定部１０６の機能は、処理回路によって実現される。すなわち、路側通信装置１００Ａは、図５に示したステップＳＴ１からステップＳＴ４までの処理を実行するための処理回路を備えている。処理回路は、図６Ａに示した専用のハードウェアの処理回路３０１であってもよいし、図６Ｂに示した、メモリ３０３に記憶されたプログラムを実行するプロセッサ３０２であってもよい。

以上のように、実施の形態２に係る路側通信装置１００Ａにおいて、アレーアンテナ１０９が、実施の形態１で示した通信用アンテナ１０１と測角用アンテナ１０４の両方の機能を有している。通信用アンテナ１０１と測角用アンテナ１０４の機能が１つのアレーアンテナ１０９によって実現されるので、路側通信装置１００Ａの装置規模を縮小することができる。さらに、通信処理部１０２Ａ、高分解能測角部１０５および通信判定部１０６が実施の形態１と同様に動作するので、実施の形態１と同様の効果が得られる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内において、実施の形態のそれぞれの自由な組み合わせまたは実施の形態のそれぞれの任意の構成要素の変形もしくは実施の形態のそれぞれにおいて任意の構成要素の省略が可能である。

本発明に係る路側通信装置は、車載器から送出された電波の直接波と反射波が混在した状態で受信されても、通信対象ではない車載器との誤通信を回避することができるので、例えば、複数の走行レーンが隣接しているＥＴＣ（登録商標）の路車間通信システムに利用可能である。

１００，１００Ａ 路側通信装置、１０１ 通信用アンテナ、１０２，１０２Ａ 通信処理部、１０３ａ 通信部、１０３ｂ 復調部、１０４ 測角用アンテナ、１０５ 高分解能測角部、１０６ 通信判定部、１０７ 素子アンテナ、１０８ アレー中心、１０９ アレーアンテナ、１１０ 合成分配部、２００，２０１ 車両、２００ａ，２０１ａ 車載器、２０２〜２０５ エリア、２０６ ブース、３００ 入出力インタフェース、３０１ 処理回路、３０２ プロセッサ、３０３ メモリ。

本発明に係る路側通信装置は、車載器との通信に用いられる第１のアンテナと、電波の到来角の推定に用いられる第２のアンテナに接続される路側通信装置であって、第１のアンテナを通じて車載器から受信された電波の受信強度を検出する通信処理部と、第２のアンテナを通じて車載器から受信された電波の、直接波の到来角および受信強度と、反射波の到来角および受信強度とを推定する測角部と、通信処理部によって検出された受信強度と、測角部によって推定された電波の直接波の到来角および受信強度と反射波の到来角および受信強度とに基づいて、第１のアンテナを用いた通信処理部による車載器との通信可否を判定する判定部を備える。判定部は、通信処理部によって検出された受信強度が基準値を超え、かつ測角部によって推定された電波の直接波または反射波の到来角のいずれかが通信エリア内からの到来を示す場合、車載器との通信が可であると判定する。

Claims (9)

1. 車載器との通信に用いられる第１のアンテナと、電波の到来角の推定に用いられる第２のアンテナに接続される路側通信装置であって、
   前記第１のアンテナを通じて車載器から受信された電波の受信強度を検出する通信処理部と、
   前記第２のアンテナを通じて車載器から受信された電波の、直接波の到来角および受信強度と、反射波の到来角および受信強度とを推定する測角部と、
   前記通信処理部によって検出された受信強度と、前記測角部によって推定された電波の直接波の到来角および受信強度と反射波の到来角および受信強度に基づいて、前記第１のアンテナを用いた前記通信処理部による車載器との通信可否を判定する判定部と、
   を備えたことを特徴とする路側通信装置。
2. 前記判定部は、前記通信処理部によって検出された受信強度が基準値を超え、かつ前記測角部によって推定された電波の直接波または反射波の到来角のいずれかが通信エリア内からの到来を示す場合、車載器との通信が可であると判定すること
   を特徴とする請求項１記載の路側通信装置。
3. 前記判定部は、前記通信処理部によって検出された受信強度が基準値を超え、かつ前記測角部によって推定された電波の直接波または反射波の受信強度のうち、値が大きい方の到来角が通信エリア内からの到来を示す場合、車載器との通信が可であると判定すること
   を特徴とする請求項１記載の路側通信装置。
4. 前記判定部は、前記通信処理部によって検出された受信強度が基準値を超え、かつ前記測角部によって推定された電波の直接波または反射波のいずれかの到来角が通信エリア内からの到来を示した回数が基準回数を超えた場合、車載器との通信が可であると判定すること
   を特徴とする請求項１記載の路側通信装置。
5. 前記測角部は、前記第２のアンテナを通じて車載器から受信された電波に高分解能測角処理を行って直接波と反射波とに分離し、分離された直接波および反射波についての水平角と垂直角を推定すること
   を特徴とする請求項１記載の路側通信装置。
6. アレーアンテナに接続される路側通信装置であって、
   前記アレーアンテナを構成する複数の素子アンテナを通じて受信された電波を合成し、送信信号を複数の前記素子アンテナに分配する合成分配部を有し、複数の前記素子アンテナを通じて車載器から受信され前記合成分配部によって合成された電波の受信強度を検出する通信処理部と、
   複数の前記素子アンテナを通じて車載器から受信された電波の、直接波の到来角および受信強度と、反射波の到来角および受信強度とを推定する測角部と、
   前記通信処理部によって検出された受信強度と、前記測角部によって推定された電波の直接波の到来角および受信強度と反射波の到来角および受信強度に基づいて、前記アレーアンテナを用いた前記通信処理部による車載器との通信可否を判定する判定部と、
   を備えたことを特徴とする路側通信装置。
7. 前記通信処理部は、受信された電波から車載器識別情報を検出し、
   前記測角部は、受信された電波から車載器識別情報を検出し、
   前記判定部は、前記通信処理部によって検出された車載器識別情報および受信強度と、前記測角部によって検出された車載器識別情報、推定された直接波の到来角および受信強度の推定値と反射波の到来角および受信強度とに基づいて、前記通信処理部による車載器との通信可否を判定すること
   を特徴とする請求項１または請求項６記載の路側通信装置。
8. 車載器との通信に用いられる第１のアンテナと、電波の到来角の推定に用いられる第２のアンテナに接続される路側通信装置の路車間通信方法であって、
   通信処理部が、前記第１のアンテナを通じて車載器から受信された電波の受信強度を検出するステップと、
   測角部が、前記第２のアンテナを通じて車載器から受信された電波の、直接波の到来角および受信強度と、反射波の到来角および受信強度とを推定するステップと、
   判定部が、前記通信処理部によって検出された受信強度と、前記測角部によって推定された電波の直接波の到来角および受信強度と反射波の到来角および受信強度に基づいて、前記第１のアンテナを用いた前記通信処理部による車載器との通信可否を判定するステップと、
   を備え、
   前記通信処理部は、前記判定部の判定結果に応じて、前記第１のアンテナを通じて車載器との通信を行うこと
   を特徴とする路車間通信方法。
9. 前記通信処理部は、受信された電波から車載器識別情報を検出し、
   前記測角部は、受信された電波から車載器識別情報を検出し、
   前記判定部は、前記通信処理部によって検出された車載器識別情報および受信強度と、前記測角部によって検出された車載器識別情報、推定された直接波の到来角および受信強度の推定値と反射波の到来角および受信強度とに基づいて、前記通信処理部による車載器との通信可否を判定すること
   を特徴とする請求項８記載の路車間通信方法。

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