WO2014155470A1

WO2014155470A1 - 無線送信機、無線通信システム、昇降機制御・監視システム、および、変電設備制御・監視システム

Info

Publication number: WO2014155470A1
Application number: PCT/JP2013/058486
Authority: WO
Inventors: 武井　健
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 2013-03-25
Filing date: 2013-03-25
Publication date: 2014-10-02
Also published as: JPWO2014155470A1; JP5868546B2

Abstract

本発明の目的は機器の無線制御や監視を実現する為に、送受信機間の通信に対する通信セキュリティを向上させる手段の提供にある。上記課題を解決するため本発明は、搬送波に変調を施して送信波を生成し、当該送信波の偏波を所定の回転周波数で回転させて送信する無線送信機において、周波数の異なる２つの搬送波それぞれに、異なる情報信号をのせて変調を施し、変調した前記２つの搬送波を合わせて前記送信波を生成する送信処理部と、少なくとも２つのアンテナを備え、前記送信波を当該少なくとも２つのアンテナへ分岐して送信し、前記送信波の偏波を前記所定の回転周波数で回転させる無線送信部と、を有することを特徴とする。

Description

無線送信機、無線通信システム、昇降機制御・監視システム、および、変電設備制御・監視システム

　本発明は、無線送信機、無線通信システム、昇降機制御・監視システム、および、変電設備制御・監視システムに関する。

　携帯電話および無線LANの普及により無線による通信技術は急速な進歩を遂げ、通信・放送といった従来の使用目的のほかに、種々の目的に無線技術の適用が検討されるに至り、RFIDに代表される流通における物品管理や人の動線および入退出管理などの新たな目的にも無線技術が使われるようになってきている。

　そのような新たな無線技術の適用分野として、機器の無線による制御・監視が注目を浴び各種技術の開発が進められている。特に、地球規模の持続的発展を可能とする通信技術によるエネルギーの需要供給管理技術には大きな期待が寄せされており、これまで統合的な管理の対象となっていなかった発電・送電・変電・受電機器の通信技術による一括監視・制御技術がそのような管理を実現するものとして脚光を浴びている。全世界のエネルギー消費量の増大と化石燃料の使用限界などの問題から、太陽光・風力などの自然エネルギーが新たな発電機器として精力的に開発・導入されてきており、通信技術により制御・監視すべき機器の総数は今後爆発的に増大すると予想されている。

　このような背景から、そのような機器を一括管理する新たなネットワークの導入が不可避となっており、同ネットワークを実現する種々の通信技術および同技術を盛り込んだ機器の開発が急がれている。これまでの通信・放送に代表される従来のネットワークは人がそのネットワークにより直接恩恵を受けるためその端末数は大方人口と同程度が必要数となる。一方、エネルギーの需要供給管理に用いられる機器の総数は、一人が使用するエネルギーの形態が多伎に亘るため人口に比べて圧倒的に多くなる。このため、これら機器を結ぶネットワークを有線技術により実現することは実生活空間における圧倒的大きさの物理的寸法が要求される為、生活の利便性を制限する問題が生じる。この状況下で、ネットワークの物理空間増加が有線に比べて圧倒的に小さい無線技術による各種機器の監視・制御が有望視されている。

　ここで、電磁波を用いた無線通信は送信機から発射された電波が無数の方向に伝播し、外部環境による反射、屈折および回折によりそれらが多重干渉した状態で受信機に到達する。この外部環境によってもたらされる多重干渉が結果として送信機から受信機までの伝送路に外部雑音を発生させる。このような多重干渉を抑制する技術としては、例えば特許文献１に記載のような該外部環境の作用を緩和させる方式がある。

　特許文献１では情報を載せる偏波ベクトルの方向が回転する電磁波を生成し、外部環境による反射・屈折で発生する偏波ベクトル方向に対する擾乱を平均化して同外部環境の情報に対する劣化を軽減している。

特開平０８－３４０２９０号公報

　エネルギー需要供給は人間の生存に直接関係するライフラインであるため、関連する機器の監視・制御には高い信頼性と悪意の外部侵入者に対する高い耐性、すなわち高セキュリティが要求される。無線技術が用いる通信媒体は空間を伝播する電磁波であるから、開放性の伝送路であり、外部からの雑音混入による通信品質の劣化、外部者による盗聴・妨害・改ざんの可能性が、有線通信技術に対して極めて高い。　ここで、上記特許文献１に記載の方式では、各先行技術は電磁波によって送信機と受信機間に生成されるあらゆる伝送路を利用できるために、通信の信頼性は向上する一方でどの伝送路でも情報を傍受・妨害・改変される可能性がある。

　本発明の目的は機器の無線制御や監視を実現する為に、送受信機間の通信に対する通信セキュリティを向上させる手段の提供にある。

　上記課題を解決するため本発明は、搬送波に変調を施して送信波を生成し、当該送信波の偏波を所定の回転周波数で回転させて送信する無線送信機において、周波数の異なる２つの搬送波それぞれに、異なる情報信号をのせて変調を施し、変調した前記２つの搬送波を合わせて前記送信波を生成する送信処理部と、少なくとも２つのアンテナを備え、前記送信波を当該少なくとも２つのアンテナへ分岐して送信し、前記送信波の偏波を前記所定の回転周波数で回転させる無線送信部と、を有することを特徴とする。

　本発明によれば、機器の無線制御や監視を実現する為に、送受信機間の通信に対する通信セキュリティを向上させることができる。

本発明の無線通信システムの構成図である。（実施例１）本発明の無線通信システムの他の構成図である。（実施例２）本発明の無線通信システムの他の構成図である。（実施例３）本発明の無線通信システムの時系列動作の説明図である。（実施例４）本発明の無線通信システムの他の時系列動作の説明図である。（実施例５）本発明の無線通信システムの周波数領域の動作の説明図である。（実施例６）本発明の無線通信システムの他の周波数領域の動作の説明図である。（実施例７）本発明の無線通信システムの時系列動作および周波数領域の動作の説明図である。（実施例８）本発明の無線通信システムの他の構成図である。（実施例９）本発明の無線通信システムの他の構成図である。（実施例１０）本発明の無線通信システムの他の構成図である。（実施例１１）本発明の無線通信システムを用いた昇降機監視・制御システムの構成図である。（実施例１２）本発明の無線通信システムを用いた変電設備監視・制御システムの構成図である。（実施例１３）本発明の無線通信システムの送信波形を説明する図である。

　以下、図面を用いて本発明の第一の実施例を説明する。　図１は、本発明からなる無線通信システムの１実施例の構成図であって、無線機１０は第一の情報信号発生器1と第二の情報信号発生器２と第一の周波数の搬送波発生装置３と第二の周波数の搬送波発生装置４と第一の変調回路５と第二の変調回路６と第一の送信アンテナ７と第二の送信アンテナ８と合成回路１８と９０度移相器１７を具備し、第一および第二の搬送波発生装置は周波数可変であり、第一の搬送波発生装置３の出力に第一の情報信号発生器１の出力を第一の変調回路５で重畳し、第二の搬送波発生装置４の出力に第二の情報信号発生器２の出力を第二の変調回路６で重畳し、これら重畳後の二信号を合成回路１８で合成した後分岐し一方は９０度移相器１７を介して第一のアンテナ７より他方はそのまま第二のアンテナ８より両者を空間的に直交するように外部空間に電磁波として放射する。

　空間的に直交する第一および第二のアンテナ７、８より放射される波はその包絡線が第一の搬送波の周波数と第二の搬送波の周波数の差の周波数をビート周波数とする正弦波となるので、電気的な９０度の位相差と空間的な直交関係によって該ビート周波数で偏波ベクトルが回転する送信波を形成する。このとき外部空間に発生する周波数成分は該２つの搬送波の周波数のみであり偏波の回転周波数の成分は観測されない。すなわち、偏波の回転周波数は、第一の搬送波の周波数および第二の搬送波の周波数よりも十分低いため、短い時間でみると偏波の回転周波数の成分は無視できる。

　ここで、図１４を用いて無線機１０から送信させる送信波の波形について説明する。無線機１０は、周波数ｆ_C1－Δｆ₁／２および同ｆ_C1＋Δｆ₁／２の搬送波発生装置３および搬送波発生装置４により、図１４Ａおよび図１４Ｂの時間波形を生成する。これらの波形にはそれぞれ最大周波数がｆ_I1、および、ｆ_I2の情報信号が重畳されておりその包絡線に変化が現れるが、偏波方向の回転周波数Δｆ₁よりｆ_I1、ｆ_I2が十分小さいために同図にはその変化は極めて小さい。これらは合成器１８によって足し合わされ、図１４Ｃの時間波形が得られる。図１４Ａ，Ｂの周波数差が小さいためにその差がビートとなり包絡線として見出される。該包絡線内の振動周波数は該包絡線の周波数に比べて極めて大きい。このビート波を包絡線の周波数の１／４波長分ずらして空間的に直交する２アンテナで空中に放射すると図１４Ｄのような立体的な包絡線の三次元合成波形となって電磁波はその偏波方向を回転させながら空中を進む。このように、直交する２つの直線偏波アンテナを用いて、偏波方向を回転させる電磁波を生成することができる。

　該送信波は偏波の回転周波数に従って、外部環境に存在する各種電磁波散乱体によってあらゆる方向に固有の偏波角度のシフトを伴い散乱され、これらが複数干渉して受信機に到来する。複数到来した電磁波は波の性質で位相差と偏波ベクトルの相互射影により受信電力の増減をもたらす。ここで、本実施例では、第一および第二の搬送波の周波数を変化させることにより、受信機に到来する異なる経路を経た複数の波の偏波ベクトルの相互射影関係を調節可能であり受信電力の増加を実現することができる。これによって、送信機より受信機に到達する電磁波の電力を増加させることができ送受信間の通信信頼性を向上させることができる。

　この現象は第一および第二の搬送波発生装置の周波数を変化させることにより、受信機に到来する無数の経路を異とする電磁波の中から特定の電磁波の集合を選択的に合成することに他ならず、該搬送波発生装置の周波数変更により送信機から受信機にいたる情報信号の到来経路を変化させていることになる。

　すなわち、本発明では送信波の偏波を回転させて送信することで空間中に複数の伝播経路を生成する。ここで、複数の伝播経路を通った送信波は受信機側で互いに干渉するが、偏波の回転周波数を変化させる、つまり第一および第二の搬送波の周波数を変化させることで、いずれの伝播経路を通る送信波同士を強め合うように、または、弱め合うように調節できる。

　これによって、複数の伝播経路のうち実際に通信に使用する経路を自由に三択できるため、外部者に対して送信機から受信機まで情報信号を伝達する経路を意図的に変更可能であり、同意図を外部者より隠すことによって該外部者が伝送経路を特定することを防ぎ該情報信号妨害・改ざんの抑制ができることから通信のセキュリティを向上させることが可能となる。

　図２は本発明からなる無線通信システムの他の実施例の構成図であって、図１の実施例と異なる点は、無線機２０は第一の情報信号発生器１および第二の情報信号発生器２の代わりに、データ発生器９と第一の符号器１１と第二の符号器１２と第一の乗算器１３と第二の乗算器１４を具備し、第一の変調回路５と第二の変調回路６の代わりに第一の重畳回路１５と第二の重畳回路１６を具備し、データ発生器９が生成する同一のデータを第一の符号器と第二の符号器によって異なる符号で重み付けすることにより、同一のデータを二系統に拡散し第一の重畳回路１５と第二の重畳回路１６によって夫々第一の搬送波発生装置３と第二の搬送波発生装置４の出力と合成することである。

　本実施例に拠れば、データ信号が固有の複数の符号により拡散されているので、外部者が送信機から受信機に至る無線伝送路を特定できた場合でも、複数の符号系列およびそれらの時系列的な重み付けアルゴリズムが秘匿されれば、外部者は送信機から受信機に伝送するデータの再現が不可能となる。このように無線技術により伝達すべきデータを物理的にも数学的にも外部者の盗聴・改ざんに対する耐性を向上でき、通信のセキュリティ向上に効果がある。

　図４は本実施例の無線通信システムの符号に重み付けを説明する図である。図２の無線機２０を含む無線機４０は、第一の搬送波と第二の搬送波の差の周波数に対応する周期Ｔを分割する。本実施例では４分割している。

　分割後の周期Ｔ／４に対して十分短い周期１／ｆ_I1，１／ｆ_I2の符号を用いて周波数帯域ｆｄのデータに重み付けする。このときデータの周波数帯域は該符号の周波数に対して十分に低いものとする。具体的には１／８以下、すなわちデータの周波数帯域ｆｄが、図４でいうｃｏｄｅ１およびｃｏｄｅ２の信号間隔を表す周波数よりも十分低いことが望ましい。符号器１２、１３は、掛け合せる符号ｃｏｄｅ１、２を、Ｃ１ａ～Ｃ１ｄ、および、Ｃ２ａ～Ｃ２ｄを一周期として、周期的に重み付けを行う。

　ここで、周期Ｔは送信機が放射する電磁波の偏波ベクトルの回転周期に他ならないから分割後の各周期（本実施例ではＴ／４）では、電磁波の偏波ベクトルの方向が異なる。電磁波の偏波ベクトルの方向が異なるので、これらの波は外部環境に存在する電磁波散乱帯による多重反射を受けて複数の方向に拡散され複数の経路を経て受信機に到達する。

　受信側の無線機４９では空間的に直交する第一の受信アンテナおよび第二の受信アンテナ４７および４８により異なる偏波角度で到来電磁波を選択的に受信するので、受信部で異なる偏波方向となる異なる経路で伝播した電磁波を選択することになり、結果として時系列的に送信部から受信部にいたる異なる経路を選択することになる。

　分割後の周期毎にあらかじめ用意してある複数種類の符号の中から異なる符号を用いてデータに重み付けを行うことにより、異なる伝送路に異なる符号でデータを伝送することができる。さらに、同一データは同時刻に異なる符号（本実施例ではｃｏｄｅ１およびｃｏｄｅ２）で重み付けされ、該データは拡散される（本実施例では、２つのｃｏｄｅを用いることで二倍に拡散される）。

　本発明により、送信機から受信機に同一のデータを異なる経路で異なる符号で且つ複数符号で拡散して伝送可能となるので、無線機が用いる搬送波周波数の組み合わせ、使用符号、同符号の重み付けアルゴリズムを知らない外部者は、物理的な伝播路の特定および拡散された信号の復元が不可能となるので、高セキュリティ通信を拡散された複数の伝送路を用いて高信頼に実現することが可能となる。

　図５は本発明からなる無線通信システムの符号に他の重み付けを説明する図である。図４の重み付けの方法と異なる点は、時系列的に使用する回転偏波の周期の分割数に応じて複数の符号を繰り返し使用してデータに重み付けをするアルゴリズムにおいて、その繰り返しパタンを変化させることである。本例では、符号器１２、１３は、それぞれ一周期目にＣ１ａ、Ｃ１ｂ、Ｃ１ｃ、Ｃ１ｄ、および、Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ、Ｃ２ｃ、Ｃ２ｄのパタンを用い、次の周期に、Ｃ１ｂ、Ｃ１ｄ、Ｃ１ａ、Ｃ１ｃ、および、Ｃ２ｂ、Ｃ２ｄ、Ｃ２ａ、Ｃ２ｃのパタンを用いる。このように変化させた同繰り返しパタンを秘匿することにより、送受信間の通信のセキュリティを更に向上させる効果がある。尚、本例では、符号器１２、１３において符号の繰り返しパタンを同じように変化させているが、それぞれ異なるように変化させることもできる。　図６は本発明からなる無線通信システムの周波数領域における動作を説明する図である。

　本発明からなる無線機は複数の搬送波周波数を用いて送信側から受信側へとデータを伝送する。本発明の無線システムはあらかじめ与えられた周波数の領域をチャネルと呼ばれる複数の狭い領域へと分割する。図６では横軸に周波数をとり、複数のチャネルに分割することを表している。本発明の無線システムを実現する無線機は該複数のチャネルから適当な複数の周波数を選択してデータの無線伝送を行う。本実施例では２つの搬送波周波数を用いる例を示している。図６では、選択するチャネルをハッチングで示し、同じハッチングがされたチャネルが組になっていることを表す。

　本発明の無線システムを実現する無線機が生成する回転偏波の回転周波数は、選択した二つの搬送波の周波数の差の値にのみ関係し、個別の搬送波周波数に対しては自由度を持つ。したがって、回転周波数の可変の自由度は個々の周波数の選択の自由度よりはるかに大きい。チャネル数をＮとすれば、個々の周波数の選択の自由度は高々Ｎであるが、回転周波数の選択の自由度は、（Ｎ－１）＋２（Ｎ－２）＋・・・＝Σ_n=1 ^N-1n(N-n)＞＞Ｎとなる。本実施例によれば、複数の周波数チャネルを有する無線システムで、外部環境による電磁波の反射・回折・屈折による擾乱による受信感度低下の問題を周波数変化により低減する際の、周波数選択の自由度を大幅に拡大できる。また、同一の回転速度を実現する搬送波周波数の組が複数存在するので、同様の伝播特性を有する伝送路を同時に同一の無線システムの中で実現可能であり、複数周波数を用いる同時通信の通信品質均一化に効果がある。また、搬送波周波数の組を時間的に同時に送信することもできるし、ずらして交互に用いて送信することもできる。これによって、さらに自由度を拡大できる。

　図７は本発明からなる他の無線通信システムの周波数領域における動作を説明する図である。図６と異なる点は、同一の偏波の回転周波数を用いたデータ伝送を同時に複数実現する為の周波数チャネル選択において、特定の搬送波の周波数ペアを形成するチャネル組の間のチャネルを他の搬送波の周波数ペアが使用することである。これは、それぞれのチャネルの搬送波には符号器１２、１３により異なる重み付けがされているためチャネル同士の隣接を許容できることによる。本発明の無線システムでは、使用する搬送波の周波数以外の周波数成分は一切外部空間に発生しないので、二つの搬送波が占有する周波数領域を他の無線機が使用可能である。

　本実施例に拠れば、同一の偏波の回転周波数を有する異なる無線機が外部空間に対して占有する周波数帯域幅を減少できるので、本発明の無線システムの効果をより狭い周波数帯域で発現させる効果がある。

　図８は本発明からなる他の無線通信システムの時系列動作および周波数領域における動作を説明する図である。本例では動的に偏波の回転周波数を変更する。データに符号を重み付けするアルゴリズムは図４の例と同様とする。偏波の回転周波数が変化する為に同一方向に偏波ベクトルが滞在する時間も変化する。偏波の回転周波数のうち最も周期の短い(周波数の高い)ものを基本周期Ｔとする。この基本周期Ｔの間同一の偏波の回転周波数を維持して、その後は順次異なる偏波の回転周波数をＴだけ維持するようにする。すなわち本例では、組となる搬送波の差分の中心周波数ｆ_c1は変化させず、組となる搬送波の差分が大きくなるよう搬送波を選択する（図８上図：Δｆ₁→Δｆ₂→Δｆ₃→Δｆ₄）。そして、使用する搬送波の組を周期ごとに組み替えることで、偏波の回転周波数を変化させることができる（図８下図）。

　本実施例に拠ればある周期毎に送信部から受信部への電磁波の伝播状況が変化するので、外部者の伝播路特定がより困難となり、データ伝送のセキュリティを向上させる効果がある。また、本発明の無線機の相対位置が変化する場合、あるいは該無線機を取り囲む外部環境が動的に変化する場合、偏波の回転周波数を動的に可変として平均的にデータ転送の信頼性を向上することができる。更に、該偏波の回転速度を変化させた場合の受信状況を知る手段を併用することにより、外部環境の変化に適応的に追随して、データ伝送の信頼性と高セキュリティ化を図る通信システムの実現化が可能となる。

　以上のように本実施例では、少なくとも２つ以上の異なる周波数の搬送波を用いてこれらに異なる情報を重畳し、且つ同搬送波の差の周波数で偏波ベクトルを回転させて送信機から受信機に同情報を伝送する。そして、該異なる情報は本来送信側から受信側に伝送すべきデータを異なる符号により拡散したものとする。また、該符号は複数用意した符号の中から時系列的に選択する。該異なる搬送波の組は、あらかじめ用意された複数の異なる周波数群の中から選択して複数の組を作り、該複数の組を用いて同時に送信側から受信側に情報を伝送する。

　これによって、外部雑音混入および外部者による盗聴・妨害・改ざんを受けやすい電磁波を用いた開放性伝送路で、高い通信信頼性と高セキュリティを実現できる。

　図３は本発明からなる無線通信システムの他の実施例の構成図であって、図２の実施例と異なる点は、無線機３０は９０度移相器１７を具備せず、代わりに第一の四分の一周期遅延回路２１と第二の四分の一周期遅延回路２２と第三の乗算器２３と第四の乗算器２４と第三の重畳回路２５と第四の重畳回路２６と第二の合成回路２８を具備し、データ発生器９の出力を図２の実施例と同様の手法で第一の四分の一周期遅延回路２１および第二の四分の一周期遅延回路２２によって第一の符号器１１および第二の符号器１２の出力と偏波の回転周波数に対して四分の一波長分遅延させて夫々重み付けして第一の搬送波および第二の搬送波と重畳し図２実施例の９０度移相器を介することなく直接第一のアンテナに入力することである。

　本実施例によれば、偏波の回転周波数に対応する９０度位相を実現するための９０度移相器を除去できるので、装置の小型化が図れるのみならず、９０度位相をデジタル信号処理で実現できるので本発明からなる無線機の回転偏波の回転速度を高精度に安定させることができ、データを拡散した二つの符号の復号精度が向上し、結果して受信感度の向上に効果がある。

　図９は本発明からなる無線通信システムの他の実施例の構成図であって、図３の実施例と異なる点は、無線機４０は第一、第二、第三の搬送波発生装置３、１０３，２０３と第一、第二、第三の符号器１１、１１１，２１１と第一、第二、第三の乗算器１３、１１３，２１３と第一、第二、第三の重畳回路１５、１１５，２１５と第一、第二、第三の９０度移相器１７、１１７，２１７と第一、第二、第三の合成回路１８、１１８，２１８とデータ発生回路９および第一、第二のアンテナ７、８を具備し、データ発生回路９の同一の３出力が夫々、符号器の出力と乗算器により重み付けされその後搬送波発生回路の出力に重畳回路により重畳され、３種の組み合わせでペアを形成して合成され、合成後の３出力は夫々分岐され一方は９０度移相器を介して第一の送信アンテナ７に、他方はそのまま第二の送信アンテナ８に合成入力され、空間に放射される。

　空間に放射された電磁波は図２の実施例と同一の原理で、三つの搬送波周波数から生成される三つの回転周波数で偏波が回転する電磁波を生成することができる。該三つの搬送波周波数を適当に選べば、異なる三つの周波数で偏波が回転する電磁波を生成することができるので、一つの特定の周波数で回転する偏波の電磁波を二つの搬送波で個別に生成する場合に比べて、本発明の無線システムで複数の異なる偏波の回転周波数を生成する場合の周波数チャネルの利用効率を向上させることができる。

　図１０は本発明からなる無線通信システムの他の実施例の構成図であって、無線機４０の第一の送信アンテナ７と第二の送信アンテナ８が同一平面状に構成される垂直波アンテナと水平偏波アンテナが一体となった直線偏波アンテナ５１であることを特徴とする。

　本実施例によれば垂直偏波アンテナと水平偏波アンテナはお互いに電磁干渉しないので直交する二つのアンテナを小体積で一体化可能なので本発明からなる無線システムを実現する無線機の小型化に効果がある。

　図１１は本発明からなる無線通信システムの他の実施例の構成図であって、無線機４０の第一の送信アンテナ７と第二の送信アンテナ８が同一平面状に構成される右旋円偏波アンテナと左旋円偏波アンテナが一体となった円偏波アンテナ５２であることを特徴とする。

　本実施例によれば右旋円偏波アンテナと左旋円偏波アンテナはお互いに電磁干渉しないので直交する二つのアンテナを小体積で一体化可能なので本発明からなる無線システムを実現する無線機の小型化に効果がある。更に、図１０の実施例と比べて、直交する二つのアンテナを同一平面状に形成する際に、両アンテナの該平面状に於ける位置のアライメントに対する精度を大幅に緩和できるので、アンテナの製造歩留まりを向上でき装置の製造コスト低減に効果がある。

　図１２は本発明からなる無線通信システムを適用した、昇降機制御・監視システムの１実施例の構成図である。本実施例の昇降機システム３００は、昇降機が設置される建物３０１の内部を昇降カゴ３１１が昇降する。建物３０１の内部の床部および天井部には本発明からなる無線システムの送信用無線機４０と受信用無線機４９を具備する基地局無線機３０３が設置され、第一の送信アンテナ７、第二の送信アンテナ８、第一の受信アンテナ４７、第二の受信アンテナ４８を一体化した基地局アンテナは３０２として図示してある。昇降機３１１の外部天井と外部床面には、第一の送信アンテナ７、第二の送信アンテナ８、第一の受信アンテナ４７、第二の受信アンテナ４８を一体化した端末局アンテナ３１２が設置され、昇降機３１１の側面には本発明からなる無線システムの送信用無線機４０と受信用無線機４９を具備する端末局無線機３１３が設置され、各々は高周波ケーブル３１４を用いて結合している。基地局無線機３０３と端末局無線機３１３は、建物３０１の内部を無線伝送媒体とするので、該建物３０１の内壁および該昇降機の外壁により電磁波は多重反射を受け、多重波干渉環境が形成される。

　本実施例では偏波角度を分割した伝播路多重通信により、多重波干渉環境下でも高品質で高セキュリティの無線伝送が実現可能となるので、同無線機を用いた無線接続手段を用いて、昇降機３１１の制御・監視を建物３０１より有線接続手段を用いずに遠隔で実施できるので、ケーブル等の該有線接続手段を削除可能で、同一の輸送能力をより小さい建物体積で実現でき、あるいは同一の建物体積で昇降機寸法を増大させることによる輸送能力向上を実現できる。

　図１３は本発明からなる無線通信システムを適用した、変電設備制御・監視システムの１実施例の構成図である。本実施例の変電設備監視システム４００は、複数の変電機４０１を有し、同変電機４０１には偏波角度を分割した伝播路多重通信を行う本発明からなる無線システムの送信用無線機４０と受信用無線機４９を具備する端末局無線機４０３および第一の送信アンテナ７、第二の送信アンテナ８、第一の受信アンテナ４７、第二の受信アンテナ４８を一体化した端末局アンテナ４０２が結合し設置され、該複数の変電機４０１の近傍には該変電機４０１の数よりも少ない数の複数の集中監視・制御装置４１１か設営され、該集中監視・制御装置４１１には本発明からなる無線システムの送信用無線機４０と受信用無線機４９を具備する基地局無線機４１３が設置され、該基地局無線機４１３と第一の送信アンテナ７、第二の送信アンテナ８、第一の受信アンテナ４７、第二の受信アンテナ４８を一体化した基地局アンテナ４１２が結合し設置される。変電機の寸法は数ｍのオーダーであり無線機が使用する電磁波の周波数である数百ＭＨｚから数ＧＨｚに対応する波長に比べ圧倒的に大きいため、該複数の変電機４０１により電磁波は多重反射を受け、多重波干渉環境が形成される。

　本実施例では偏波角度を分割した伝播路多重通信により、多重波干渉環境下でも高品質の無線伝送が高セキュリティで実現可能となり、同無線機を用いた無線接続手段を用いて、変電機４０１の制御・監視を複数の無線基地局４１１により有線接続手段を用いずに遠隔で実施できるので、ケーブル等の該有線接続手段を用いる場合に問題となる高圧誘導電力の問題を解決でき、同ケーブルの敷設コストを削除できるので、変電機４０１の制御・監視システムの安全性向上およびコスト削減に効果がある。

　以上の実施例で説明したとおり本発明の無線通信システムは、２つ以上の搬送波の中で形成される搬送波周波数のペアによって生成する差の周波数で偏波ベクトルが回転し、同回転周波数を同ペアの選択により可変とし、それにより外部環境による電磁波の偏波ベクトルに対する擾乱を制御可能とし、複数の該外部環境により擾乱された複数の波の受信機に到達する際の干渉状況を最適化し、同干渉による受信感度低下を最小化する。

　各搬送波には同一のデータを異なる符号により拡散した異なる情報が割り当てられ、これらが無限数の伝送路を経由して送信機から受信機に到達し、該電磁波の偏波の回転周波数の制御により特定の伝送路から到達する信号を選択し、該符合に対応した復号処理により該データを再生する。

　これらの動作により、送信機から受信機に至る無限数の伝送路の中から固有の複数の無線伝播路を用いた通信により通信路多重化効果による信頼性向上と、複数の搬送波の特定の周波数ペア選択とデータに重畳する符合系列の、物理量と数学量による二重のデータ拡散により、送信機から受信機に至る伝送路自体の秘匿化という物理的秘匿化と、通信データの暗号化による数学的秘匿化が両立するので、通信の高セキュリティが実現できる。

　また、外部環境に対して平均的な劣化要因を想定して対処する従来技術に対して、本実施例では、本来固有である外部環境に対する適応的な該劣化要因の低減を実現しつつ、高いセキュリティな通信システムを実現できる。

　また、複数の機器の無線技術による同時監視・制御を行う場合、複数の周波数を用いて同監視・制御を行うことになるが、搬送波の周波数を調節することによって、送信波の偏波の回転周波数を適切に選択できるため、周波数が変化したことによる外部環境による劣化要因の固有な変化による通信品質への総合的劣化を低減することができる。

　なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

　また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。

　また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

１…第一の情報信号発生器、２…第二の情報信号発生器、
３…第一の搬送波発生装置、４…第二の搬送波発生装置、
５…第一の変調回路、６…第二の変調回路、
７…第一の送信アンテナ、８…第二の送信アンテナ、９…データ生成回路、
１０…無線機、１１…第一の符号器、１２…第二の符号器、
１３…第一の乗算器、１４…第二の乗算器、
１５…第一の重畳回路、１６…第二の重畳回路、
１７…９０度移相器、１８…合成回路、２０…無線機、
２１…第一の四分の一周期遅延回路、２２…第二の四分の一周期遅延回路、
２３…第三の乗算器、２４…第四の乗算器、
２５…第三の重畳回路、２６…第四の重畳回路、２８…合成回路、
３０…無線機、
４０…無線機、４７…第一の受信アンテナ、４８…第二の受信アンテナ、
４９…無線機、
５１…垂直・水平偏波一体アンテナ、５２…右・左旋円偏波一体アンテナ、
１０３…第二の搬送波発生装置、１１１…第二の符号器、
１１３…第二の乗算器、１１５…第二の重畳回路、
１１７…第二の９０度移相器、１１８…第二の合成回路、
２０３…第三の搬送波発生装置、２１１…第二の符号器、
２１３…第三の乗算器、２１５…第三の重畳回路、
２１７…第三の９０度移相器、２１８…第三の合成回路、
３００…昇降機システム、３０１…建物、
３０２…基地局アンテナ、３０３…基地局無線機、
３１２…端末局アンテナ、３１３…端末局無線機、３１４…高周波ケーブル、
４００…変電設備監視システム、４０１…変電機、
４０２…端末局アンテナ、４０３…端末局無線機、
４１１…集中監視・制御装置、
４１２…基地局アンテナ、４１３…基地局無線機、

Claims

　搬送波に変調を施して送信波を生成し、当該送信波の偏波を所定の回転周波数で回転させて送信する無線送信機において、
　周波数の異なる２つの搬送波それぞれに、異なる情報信号をのせて変調を施し、変調した前記２つの搬送波を合わせて前記送信波を生成する送信処理部と、
　少なくとも２つのアンテナを備え、前記送信波を当該少なくとも２つのアンテナへ分岐して送信し、前記送信波の偏波を前記所定の回転周波数で回転させる無線送信部と、
　を有することを特徴とする無線送信機。
　請求項１において、
　前記送信処理部は、前記２つの搬送波の周波数を変更して前記送信波の偏波の回転周波数を定めることを特徴する無線送信機。
　請求項１において、
　前記送信処理部は、１つのデータに対して異なる重み係数を掛け合わせて前記異なる情報信号を生成し、当該異なる情報信号を前記２つの搬送波それぞれにのせて変調を施し、変調した前記２つの搬送波を合わせて前記送信波を生成することを特徴とする無線送信機。
　請求項３において、
　前記送信処理部は、前記重み係数を定められたパタンで周期的に前記データに掛け合せるものであって、
　前記重み係数のパタンは、前記送信波の回転周期を分割した時間間隔ごとに、異なる重み係数を割り当てて形成されることを特徴とする無線送信機。
　請求項４において、
　前記送信処理部は、ある周期で掛け合せる前記重み係数のパタンと、次の周期で掛け合せる前記重み係数のパタンを変更して前記送信波を生成することを特徴とする無線送信機。
　請求項１において、
　前記送信処理部は、複数組の周波数チャネルを前記搬送波の周波数として用いるものであって、各組に含まれるチャネルの周波数差がおよそ等しいことを特徴とする無線送信機。
　請求項６において、
　第一の組の搬送波の周波数のうち高いチャネルの周波数は、第二の組の搬送波の周波数のうち低いチャネルの周波数よりも高いことを特徴とする無線送信機。
　請求項１において、
　前記送信処理部は、複数組の周波数チャネルを前記搬送波の周波数として用いるものであって、第一の組に含まれる全てのチャネルの周波数が、他の組に含まれるチャネルの最大周波数と最小周波数の間に含まれることを特徴とする無線送信機。
　請求項１において、
　前記送信処理部は、周波数の異なる３つの搬送波それぞれに、異なる情報信号をのせて変調を施すことを特徴とする無線送信機。
　請求項１において、
　前記無線送信部に備える少なくとも２つのアンテナは、互いに空間的に交差する方向に設置される垂直偏波アンテナと水平偏波アンテナであることを特徴とする無線送信機。
　請求項１において、
　前記無線送信部に備えるアンテナは、互いに同一平面上に設置される右旋円偏波アンテナと左旋円偏波アンテナであることを特徴とする無線送信機。
　搬送波に変調を施して送信波を生成し、当該送信波の偏波を所定の回転周波数で回転させて送信する無線送信機と、前記無線送信機から送信された前記送信波を受信して前記情報信号に復調する無線受信機と、からなる無線通信システムにおいて、
　前記無線送信機は、
　１つのデータに対して異なる重み係数を掛け合わせて異なる情報信号を生成し、当該異なる情報信号を周波数の異なる２つの搬送波それぞれにのせて変調を施し、変調した前記２つの搬送波を合わせて前記送信波を生成する送信処理部と、
　少なくとも２つのアンテナを備え、前記送信波を当該少なくとも２つのアンテナへ分岐して送信し、前記送信波の偏波を前記所定の回転周波数で回転させる無線送信部と、を有し、
　前記無線受信機は、
　前記送信波を受信する無線受信部と、
　前記２つの搬送波の周波数と前記重み係数を用いて、前記データを復調することを特徴とする無線通信システム。
　請求項１の無線送信機を用いる、昇降機制御・監視システム。
　請求項１の無線送信機を用いる、変電設備制御・監視システム。