JP2005191905A

JP2005191905A - 移動体通信システム、および移動体通信方法

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Publication number: JP2005191905A
Application number: JP2003430484A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Hirata; 仁士平田; Akihiro Kamemura; 昭寛亀村
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2003-12-25
Filing date: 2003-12-25
Publication date: 2005-07-14

Abstract

【課題】移動体通信システムにおいて、高速な通信を可能とする。
【解決手段】移動体通信システムは、移動体の移動経路に沿って設置される複数のＲＯＦ子局７ａ〜７ｎと、光ファイバ５ａ〜５ｎを介して複数のＲＯＦ子局７ａ〜７ｎに対して信号を送信する親局３とを備える。親局３は、光ファイバ５ａ〜５ｎを介して、複数のＲＯＦ子局７ａ〜７ｎへ同じ信号を送信し、すべての子局で同じ無線信号を放射する。これにより、複数のＲＯＦ子局７ａ〜７ｎのそれぞれにより形成される複数の通信エリアが移動体の移動経路に沿って形成される１つの通信エリア（Ｂ）となるようにシステムは動作する。
【選択図】図１

Description

この発明は移動体通信システムおよび移動体通信方法に関し、特に車両などの移動体と地上設備との間で高速な通信を行なうことを可能とする移動体通信システムおよび移動体通信方法に関する。

従来より、軌道上を移動する新幹線や道路上を移動する自動車などの車両と、地上設備との間でデータ通信を行なうシステムとして、
（１）携帯電話やＬＣＸ（Leaky Coaxial Cable：漏洩同軸ケーブル）を利用した通信システム、
（２）ＰＨＳや無線ＬＡＮ（ＩＥＥＥ８０２．１１ｂなど）を利用した通信システム、
（３）通信衛星を利用した通信システム、
などのシステムが知られている。

ＰＨＳ電話機とＬＣＸとを用いて高速移動通信サービスを提供する技術が以下の特許文献１に記載されており、また高速移動体通信におけるフレーム同期を確立させる方式が以下の特許文献２に開示されている。
特開平１０−６６１４１号公報特許第３１１１９３４号公報

しかしながら、上記従来のシステムにおいては以下のような問題があった。

携帯電話やＬＣＸを利用した通信システムにおいては、使用できる無線メディアの規格により、データ通信速度が低速（数百ｋｂｐｓ以下）であるという問題がある。

ＰＨＳや無線ＬＡＮを利用するシステムにおいては、移動体が高速で移動している場合通信ができないという問題がある。これは、無線基地局の出力が小さいため、通信エリアが小さく（数百メートル以下）、移動体が高速で移動すると、移動体のエリア滞在時間が短くなり、通信確立（ハンドオーバー）のための時間が十分取れなくなり、接続が不可能となるためである。

たとえば、数十Ｍｂｐｓでのデータ通信が可能な無線ＬＡＮ（ＩＥＥＥ８０２．１１ａなど）では、通信エリアは５００ｍ程度である。時速３００ｋｍ／ｈで走行する新幹線においては、５００ｍの通信エリアの滞在時間が６秒程度となる。また、通信エリア内に入ったからといって即座に通信ができるわけではなく、通信確立（ハンドオーバー）のために数秒要するため、実効的な通信速度が低下したり、通信確立に失敗する可能性が高くなる。

一方、携帯電話などは通信エリアが大きい（数ｋｍ以下）が、通信速度が限られてくるという問題がある（数百ｋｂｐｓ以下）。

通信衛星を利用した通信システムを採用すると、トンネルや地下道で通信できないという問題があり、移動体からの衛星捕捉が困難であるという問題がある。さらに、通信衛星を利用するためには移動体に衛星を追尾するアンテナを設ける必要があり通信に関するコスト、装置自体のコストの両者が高くなるという問題を有している。

この発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、高速な移動体通信を提供することができる移動体通信システムおよび移動体通信方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するためこの発明のある局面に従うと、移動体通信システムは、移動体の移動経路に沿って設置される複数の子局と、複数の子局に対して信号を送信する親局と、複数の子局のそれぞれと、親局とを接続する伝送路とを備え、親局は、伝送路を介して複数の子局へ同じ信号を送信し、すべての子局で同じ無線信号を放射することにより、複数の子局のそれぞれにより形成される複数の通信エリアが移動経路に沿って形成される１つの通信エリアとなるように動作する。

好ましくは、伝送路は光ファイバである。

好ましくは、複数の子局のそれぞれにより形成される通信エリアの径は、数百メートルの規模である。

好ましくは移動体は、複数の子局のそれぞれと通信する第１の通信機器と、移動体内の無線端末と通信する第２の通信機器とを備え、第１の通信機器と第２の通信機器との間での信号の伝送を仲介する。

好ましくは移動体通信システムは、伝送路において、複数の子局から放射される無線信号の遅延時間差をなくすための遅延器をさらに備える。

好ましくは移動体通信システムは、伝送路の長さを調整することで、複数の子局から放射される無線信号の遅延時間差をなくすことを特徴とする。

好ましくは移動体通信システムは、複数の子局と、親局と、伝送路とからなる移動体通信システムを複数セット用い、移動経路に沿って形成される１つの通信エリアを移動経路に沿って複数形成する移動体通信システムであって、隣接する通信エリア同士においては、無線信号のチャンネルを変えることを特徴とする。

この発明の他の局面に従うと、移動体通信方法は、上述のいずれかに記載の移動体通信システムを用い、移動体と複数の子局との間で通信を行なうことを特徴とする。

本発明の実施の形態の１つにおける移動体通信システムでは、無線通信メディアとして高速データ伝送可能な無線ＬＡＮ（ＩＥＥＥ８０２．１１ａなど）、ＰＨＳなどを利用する。高速移動体に対してもハンドオーバー可能なように光ファイバ無線中継装置を用いて、１基地局がカバーできる通信エリアを拡大する。これにより、新幹線などの高速移動体の車内でも無線ＬＡＮのような数十Ｍｂｐｓ程度の高速データ通信を連続で利用することが可能となる。

無線ＬＡＮ、ＰＨＳなどの高速データ通信可能な無線メディアは小出力（５００ｍＷ以下であり、１００ｍＷなど）のものが多く、通信エリアの径は一般に数百ｍと小さい。小出力の無線基地局で大きな通信エリアを構成するために、本実施の形態においては、光ファイバ無線中継装置で光出力を分岐させ、移動体の移動経路に沿って設置された複数の子局（アンテナ）から同じ電波を放射する。子局が移動経路に沿って直線状に並べられることで、複数の通信エリアにより構成される１つの通信エリアを作ることができ、事実上大きな通信エリアを得ることができる。

図１は、本発明の実施の形態の１つにおける移動体通信システムの構成を示す図である。

図１（Ａ）を参照して、移動体通信システムは、地上設備である無線基地局１と、無線基地局１に接続される光ファイバ無線中継装置（ＲＯＦ（ＲａｄｉｏｏｎＦｉｂｅｒ）親局）３と、移動体の移動経路に沿って設置される複数のＲＯＦ子局７ａ〜７ｎと、ＲＯＦ親局３と複数のＲＯＦ子局７ａ〜７ｎのそれぞれとを接続する伝送路である光ファイバ５ａ〜５ｎとを備えている。

ＲＯＦ親局３により無線基地局１から送られてきた信号を分岐し、すべての光ファイバ５ａ〜５ｎで同じ信号を中継し、すべてのＲＯＦ子局７ａ〜７ｎで同じ無線信号を放射することにより、複数のＲＯＦ子局７ａ〜７ｎのそれぞれにより形成される複数の通信エリア（図１（Ａ）の斜線で示されるエリア）が接続される。これにより、図１（Ｂ）に示されるように移動体の移動経路に沿った擬似的な１つの通信エリアを構成することができる。たとえば、ＲＯＦ子局７ａ〜７ｎのそれぞれにより形成される通信エリアの径が数百ｍの規模であれば、擬似的に形成された通信エリア（図１（Ｂ））は数ｋｍ程度の規模とすることができる。

実際には、光ファイバの損失、中継信号の遅延の問題などで中継できる距離に制限があるため、より長空間連続してデータ通信を行なうためには、図１に示されるシステムを移動体の移動経路（移動方向）に沿って隣接して複数配置する必要がある。

図２は、図１の無線基地局１の構成を示すブロック図である。

図を参照して、無線基地局１は、ＬＡＮと接続されるインターフェイス１１と、ＬＡＮからの信号ＴＸをＲＦ信号に変換するモジュレータ１３と、モジュレータ１３からの信号を増幅する増幅器１５と、ＲＦ信号をＲＯＦ親局との間で授受するための共用器２１と、ＲＯＦ親局３からの信号を共用器２１を介して受信し、それを増幅する増幅器１９と、増幅器１９からのＲＦ信号をＬＡＮ用の信号ＲＸに変換するデモジュレータ１７とを備えている。

図３は、図１のＲＯＦ親局の構成を示す図である。

図を参照して、ＲＯＦ親局３は、無線基地局１と接続され、ＲＦ信号のやり取りを行なう共用器３１と、共用器３１に接続されるＥ／Ｏ（電気→光）変換器３３と、Ｏ／Ｅ（光→電気）変換器３５とを備えている。

Ｅ／Ｏ変換器３３は、光アッテネータ３７と、増幅器３９と、レーザダイオード４１と、レーザダイオード４１からの光を分配する分配器４３とを備えている。分配器４３からの光出力が、光ファイバ５ａ〜５ｎを介してＲＯＦ子局７ａ〜７ｎに伝達される。

また、Ｏ／Ｅ変換器３５は、光ファイバ５ａ〜５ｎを介して入力したＲＯＦ子局７ａ〜７ｎからの光信号を電気信号に変換するフォトダイオード４５ａ〜４５ｎと、フォトダイオード４５ａ〜４５ｎの出力を増幅する増幅器４７ａ〜４７ｎと、増幅器４７ａ〜４７ｎの出力を合成する合成器４９と、合成器の出力レベルを調整するアッテネータ５１とを備えている。

図４は、図１のＲＯＦ子局７ａ〜７ｎの１つの構成を示すブロック図である。

図を参照して、ＲＯＦ子局は、光ファイバ５ａ〜５ｎを介して送られてきたＲＯＦ親局３からの光信号を電気信号に変換するフォトダイオード７１と、フォトダイオード７１の出力を増幅する増幅器７３と、移動体からのＲＦ信号を増幅する増幅器７７と、増幅器７７の信号を光信号に変換するレーザダイオード７９と、移動体との間で無線通信を行なうためのアンテナ８１と、アンテナ８１に接続される共用器７５とを備えている。

以上のように通信システムを構成することで、一般的に小さな通信エリアしか構成できない小出力の無線基地局にて大きな通信エリアを構成することができる。結果として、高速移動体でもエリア内の滞在時間が長くなり、通信確立に必要な時間を含めても十分にデータ通信ができる時間を確保することができる。これにより、高速な移動体に対しても高速なデータ通信を実現することができる。

また、ＲＯＦ子局が提供する通信エリア自体は小さいため、必要な場所に限定して通信エリアを構成することができる。したがって、隣接する通信エリアに対する影響を軽減することができるため、トータルとして効率的な通信エリアを構成することができるという効果がある。

なお、ＲＯＦ子局７ａ〜７ｎは、移動体の移動経路に沿って設置されるが、新幹線や列車などとの通信においては軌道（線路）に沿った設置となり、自動車などとの通信においては道路に沿った設置となる。これにより、軌道上または道路上に沿った帯状の通信エリアを確保することが可能となる。

また、伝送路として光ファイバを用いることにより低損失で無線信号を中継できるため、エリア拡大を図ることができる。

図５は、図１の通信システムを複数用い、図１（Ｂ）の通信エリアを連続する場合を示す図である。

ＲＯＦ親局３で中継できる距離は伝送損失や遅延の問題があり有限であるため、数ｋｍ程度となる。したがって、より長い区間の通信エリア構成には、図１（Ｂ）の通信エリアをさらに連続的に並べる必要がある。このとき、各々隣接する通信エリア間のチャンネルを異ならせるとしても、移動経路に従った２つ程度のチャンネルの繰返しで全体の通信エリアを構成することができる。なぜならば、各通信エリア（図１（Ｂ））が帯状（直線状）に配置されているため、隣接エリアからの影響が少なく、少ないチャンネルの繰返しで通信システム全体を構成できるためである。

図５（Ａ）を参照して、図１（Ｂ）に示される通信エリアを移動体の移動経路に沿って複数設置する場合に、上述したとおり各々の隣接する通信エリア間のチャンネルは２程度（ｆ１，ｆ２）の繰返しで全体の通信エリアを構成することができる。これにより、システムとして使用されるチャンネルが少なくなるため、図５（Ｂ）に示されるように移動体（車両など）側でシステムで使用しているチャンネル分の移動無線局を搭載することが現実のものとなる。それぞれのチャンネル（ｆ１，ｆ２）専用の無線局を用いることで、同期確立の時間を極めて短くすることができる。

たとえば、周波数でチャンネルを分け２周波数（ｆ１，ｆ２）のみを使用すれば、車上にそれぞれのチャンネル専用の無線局を搭載することができ、これにより同期確立に要する時間を小さくすることができ、実効的な通信速度を高めることができる。

結果として、以下のような効果がある。

（１）通信エリアが変わった場合でもチャンネルの変更が車両側で容易に推定でき、通信確立の時間を短縮することができる。

（２）通信エリア内でのデータ伝送速度を上げるため、チャンネルを多重することが容易となる。

また、上述のような通信システムを新幹線などの長い車両に適用する場合には、車両の先頭と最後尾など、複数箇所に無線移動局を設置することが好ましい。通信エリアをまたいだ場合でも、いずれかの無線移動局が通信可能になっているため、通信ができない状態を回避することができるからである。また、複数の無線移動局が通信可能になっていれば、実効的なデータ伝送速度を向上させることができる。

本実施の形態における移動体通信システムの利用例として、移動体内で業務用や公衆用の電話（ＩＰ電話）を実現することができる。また、たとえば、本実施の形態における移動体通信システムを利用して、移動体内のディスプレイ装置に画像データ伝送を行なったり、音声サービスを行なったりすることが可能である。

図６は、図１〜図５に示される移動体通信システムを地上設備と新幹線との間の通信に応用した例を示す図である。

図を参照して、システムは、地上設備と軌道設備とに分かれ、地上設備においてはネットワークに接続された認証サーバ１０１と、イーサネット（Ｒ）スイッチ（ＳＷ）１０９と、ルータ１０５と、コンテンツサーバ１０３と、ブロードバンドルータ１０７とを備えているものとする。ブロードバンドルータ１０７を介して、ネットワークはインターネットなどの外部のネットワークへ接続することが可能である。

イーサネット（Ｒ）ＳＷ１０９には、光リンク１１１が接続されており、これにより軌道設備との間でデータの伝送が可能となっている。

軌道設備は、地上設備の光リンク１１１と接続する光リンク２０１ａと、光リンク２０１ａと接続されるイーサネット（Ｒ）ＳＷ２０３ａと、軌道に沿って隣のイーサネット（Ｒ）ＳＷ２０３ｂと接続するための光リンク２０５ａ，２０１ｂ，２０５ｂと、各イーサネット（Ｒ）ＳＷ２０３ａ，２０３ｂに接続される８０２．１１ａ基地局２０７ａ，２０７ｂ（図１の無線基地局１に相当）と、８０２．１１ａ基地局２０７ａ，２０７ｂに接続されるＲＯＦ親局２０９ａ，２０９ｂ（図１のＲＯＦ親局３に相当）と、複数のＲＯＦ子局２１３ａ，２１３ｂ（図１のＲＯＦ子局７ａ〜７ｎに相当）と、ＲＯＦ親局２０９ａ，２０９ｂとＲＯＦ子局２１３ａ，２１３ｂとを接続するための光ファイバ２１１ａ，２１１ｂ（図１の光ファイバ５ａ〜５ｎに相当）とを備えている。

ＲＯＦ子局２１３ａ，２１３ｂによりそれぞれ通信エリアＣ１，Ｃ２がストリートセル（無線通信ゾーン）として構成され、この中に位置する列車Ｔとの間で通信を行なうことができる。

ここでは、列車Ｔの中に複数の列車内設備が設けられるものとしており、列車内設備は、８０２．１１ａ移動局３０１と、列車内サーバ（ルータ、キャッシュサーバ）３０３と、列車内にある乗客や乗務員の端末と通信を行なうための８０２．１１ｂアクセスポイント（ＡＰ）３０５とを備えている。上述のとおり、列車内設備は、列車の先頭部分、および終端部分などを含む複数箇所に設置されることが望ましい。

図７は、図６のＲＯＦ子局２１３ａの１つと、列車Ｔとの関係を示す図である。

図に示されるように、ここではＲＯＦ子局２１３ａの１つは列車の軌道に沿って設置される支柱に取付けられるものとし、これにより指向性をもって列車Ｔが通行する方向にストリートセルＣ１を構成するものとする。

以上のような装置構成により、地上設備と新幹線との間での高速な通信を行なうことが可能となる。

なお、図６のシステムにおいては軌道に沿って光リンクとイーサネット（Ｒ）ＳＷとを接続していき、１つのネットワークに複数の８０２．１１ａ基地局を接続するようにしているため、列車の進行に伴ってネットワークを切替える必要が無く、既存のシステムを使用できるというメリットがある。但し、８０２．１１ａ基地局をそれぞれ異種のネットワークに接続し、その異種のネットワーク同士を接続する構成にしてもよい。

さらに、図６のシステムにおいては、列車内設備として８０２．１１ａ移動局、サーバ、８０２．１１ｂアクセスポイントを設けているため、列車内に無線ＬＡＮを構成することができ、ユーザが直接に子局にアクセスするよりも、通信の環境をよくすることができる。また、８０２．１１ａ移動局のアンテナを車外に設けるようにすると、車両による電波遮蔽をなくすことができ、良好な通信を提供することができるようになる。

また、８０２．１１ａから８０２．１１ｂへの変更など、通信のメディアを変更することで、車両内のユーザの利便性を高めることができる。

ただし、車両内のユーザの端末が直接に子局と通信するようにシステムを構成してもよい。

図８は、本発明の第２の実施の形態における移動体通信システムの構成を示す図であり、図１に対応する図である。

図８を参照して、本実施の形態においては、図１に示される第１の実施の形態の移動体通信システムの構成に、以下の構成を加えている。すなわち、光ファイバ５ａ〜５ｎの途中に、光ファイバの伝送経路の長さによるＲＯＦ親局３とＲＯＦ子局７ａ〜７ｎとの間の信号の伝送時間差をなくすための遅延器９が備えられる。これにより、分岐した各々の出力の遅延量を調整することができ、ＲＯＦ子局７ａ〜７ｎのアンテナから出力される各無線信号の遅延時間差をなくすことができる。

遅延時間差がなくなれば、比較的簡単な無線移動局で良好な通信を実現できる。また、無線ＬＡＮなどに使用されるＯＦＤＭ変調方式ではガードインターバル時間を小さくすることができ、実効的な通信速度を高めることができる。

すなわち、遅延器を用いない場合、ＲＯＦ親局とＲＯＦ子局との間にｄ＝５００ｍの距離差があると、５００ｍにおける信号伝達の時間差は（光速ｃ＝３×１０^８ｍ、光ファイバ屈折率ｎ＝１．５、信号の伝達速度をＶとして）、
ｄ／Ｖ
＝ｄ／（ｃ／ｎ）
＝５００／（３×１０^８／１．５）
＝２．５μＳ
となる。従って、１．５ｋｍの距離差があれば、遅延は７．５μＳとなる。本実施の形態においては、このような遅延差を解消することができる。特に、光ファイバを伝送路として用いる場合、光ファイバ長を各分岐出力ごとに等しい長さに調整することで簡単に遅延器９を構成することができ、コスト的にも安価に構成することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態の１つにおける移動体通信システムの構成を示す図である。図１の無線基地局１の構成を示すブロック図である。図１のＲＯＦ親局３の構成を示す図である。図１のＲＯＦ子局７ａ〜７ｎの１つの構成を示すブロック図である。図１の通信システムを複数用い、図１（Ｂ）の通信エリアを連続させる場合を示す図である。図１〜図５に示される移動体通信システムを地上設備と新幹線との間の通信に応用した例を示す図である。図６のＲＯＦ子局２１３ａの１つと、列車Ｔとの関係を示す図である。本発明の第２の実施の形態における移動体通信システムの構成を示す図であり、図１に対応する図である。

符号の説明

１無線基地局、３ＲＯＦ親局、５ａ〜５ｎ光ファイバ、７ａ〜７ｎＲＯＦ子局、９遅延器、１０１認証サーバ、１０３コンテンツサーバ、１０５ルータ、１０７ブロードバンドルータ、１１１光リンク、２０１ａ，２０１ｂ，２０５ａ，２０５ｂ光リンク、２０７ａ，２０７ｂ基地局、２０９ａ，２０９ｂ親局、２１１ａ，２１１ｂ光ファイバ、２１３ａ，２１３ｂＲＯＦ子局、３０１８０２．１１ａ移動局、３０３列車内サーバ、３０５８０２．１１ｂアクセスポイント、Ｃ１，Ｃ２通信エリア、Ｔ列車。

Claims

移動体の移動経路に沿って設置される複数の子局と、
前記複数の子局に対して信号を送信する親局と、
前記複数の子局のそれぞれと、前記親局とを接続する伝送路とを備え、
前記親局は、前記伝送路を介して前記複数の子局へ同じ信号を送信し、すべての子局で同じ無線信号を放射することにより、前記複数の子局のそれぞれにより形成される複数の通信エリアが前記移動経路に沿って形成される１つの通信エリアとなるように動作する、移動体通信システム。
前記伝送路は光ファイバである、請求項１に記載の移動体通信システム。
前記複数の子局のそれぞれにより形成される通信エリアの径は、数百メートルの規模である、請求項１または２に記載の移動体通信システム。
前記移動体は、
前記複数の子局のそれぞれと通信する第１の通信機器と、
前記移動体内の無線端末と通信する第２の通信機器とを備え、
前記第１の通信機器と前記第２の通信機器との間での信号の伝送を仲介する、請求項１〜３のいずれかに記載の移動体通信システム。
前記伝送路において、前記複数の子局から放射される無線信号の遅延時間差をなくすための遅延器をさらに備えた、請求項１〜４のいずれかに記載の移動体通信システム。
前記伝送路の長さを調整することで、前記複数の子局から放射される無線信号の遅延時間差をなくすことを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の移動体通信システム。
前記複数の子局と、前記親局と、前記伝送路とからなる移動体通信システムを複数セット用い、前記移動経路に沿って形成される１つの通信エリアを前記移動経路に沿って複数形成する移動体通信システムであって、
隣接する通信エリア同士においては、無線信号のチャンネルを変えることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の移動体通信システム。
請求項１〜７のいずれかに記載の移動体通信システムを用い、
前記移動体と前記複数の子局との間で通信を行なうことを特徴とする、移動体通信方法。