JP2008244666A

JP2008244666A - 移動無線通信システム

Info

Publication number: JP2008244666A
Application number: JP2007080176A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Nakano; 雄介中野
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2007-03-26
Filing date: 2007-03-26
Publication date: 2008-10-09

Abstract

【課題】時分割多重デジタル無線基地局と複数の無線移動局でデータを授受する移動無線通信システムにおいて、無線基地局との距離に応じて送信タイミングを調整するために生じる送信タイミング補正シーケンスを不要とし、接続速度およびデータの伝送効率を向上させた移動無線通信システムを提供する。
【解決手段】無線基地局および無線移動局に、それぞれＧＰＳ受信機を設け、無線基地局からの送信データにＧＰＳで受信した送信時刻情報を付加して無線移動局へ送信し、受信した無線移動局は基地局の送信時刻情報と、自局のＧＰＳ受信時刻との差により伝播遅延時間を測定し、この測定結果に基づいて自局から無線基地局への送信タイミングを決定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、基地局と移動局が無線により通信する移動無線通信システムに係り、特に基地局と複数の移動局間通信において移動局側で無線送信タイミングを決定する初期接続にかかる時間を短縮した移動無線通信システムに関する。

移動通信システムでは、移動局による通信可能エリアを拡張するため１つの基地局の構成するエリアを広く取ることがある。この場合、無線伝播に関わる時間が長くなることがあり、特に、時分割多重デジタル方式（ＴＤＭＡ：Time Devision MultipleAccess）を採用した場合、送信するタイミングが基地局に同期していたとしても、結果として伝播遅延により、本来無線移動局が送信してはいけない時間に食い込んだ形で基地局に到達してしまうことがある。

図２は、従来の基地局送受信タイミングと移動局送受信タイミングの説明図であり、１フレーム４０ｍｓ幅を４等分した１０ｍｓ幅の１スロット（１個の点線の四角）を示している。（１）に示すように、基地局は、所定間隔で自律的にデータを移動局へ送信している。移動局は、基地局との距離が近い場合は、ほとんど遅延なく基地局のデータを受信するが、遠い場合には（２）に示すようにｔｄの伝播遅延が生じ、移動局は遅延したデータ(斜線で示す)を受信する。

基地局からの１回目のデータ１を受信した移動局は、（３）で、基地局へ応答信号を送信するが、この場合にも距離が遠いと遅延が生じ、（４）に示すように基地局は移動局から遅延した応答信号を受信するが、遅延により基地局で受けたい時間枠から外れて次の時間枠にかぶってしまうと干渉が生じるので、移動局では、一定の干渉時間を予め想定し、時間枠内に入るように１データを短くして基地局へ応答信号を送信する。

応答信号を受信した基地局では、基地局で受けたいタイミング枠から遅延時間がどのくらいあるのかを測定して遅延時間を移動局へ通知する。２回目の目のデータ、３回目のデータ…に対しても同様の事が行われ、移動局は基地局から通知される複数回の遅延時間を累積計算し、送信タイミングに反映させる。従来、初期接続においてこのような基地局との距離に応じて送信タイミングを調整する送信タイミング補正シーケンス（初期トレーニングともいう）が複数回行われ、初期トレーニングにより得られた遅延時間を考慮し、図２の例では、（３）で、矢印ａで示したように遅延分早出しする調整をした送信タイミングで基地局へ送信する。

上記のように、従来、時分割多重デジタル無線を用いて基地局と移動局間でデータを授受する移動無線通信システムにおいては、一定の干渉時間を予め想定し、時間枠内に入るように移動局からの送信データを短くし、干渉を回避しつつ、基地局は応答タイミングが期待値に対しどれだけずれているかを計算し、この計算結果を、移動局へ通知することにより移動局は自局の送信がどれだけずれているかを知ることができ、この結果を基に自局の送信タイミングを所定の時間よりずらすことにより、その次以降はフレーム内一杯にデータを積載することができるため、所定のデータ伝送速度を達成できる。

このように、従来の技術では、基地局から遠い地点から送信しようとする無線移動局の送信タイミングを正しいものとするために、無線移動局から送信するタイミングを、基地局との初期接続データの授受を行うことにより、基地局主導で自動制御していた。

初期接続データは、送信タイミングが未調整であるため、その許された範囲内の全てでデータを伝送するのではなく、前後に保護時間を設けておくことにより初期の目標を達成している。

関連技術として、基地局と子局間の送信タイミングの設定方法に関する技術が、例えば特許文献１に開示されており、固定設置の子局と基地局に同じ基準時計を持たせて、基地局から送られてくる通信データの時刻データと子局の時刻データを比較し、その時刻データの差により早や出しシンボル数を自動的に決定して設定することが記載されている。

特開平１１−１６８４６６号公報

前述した従来の技術によれば、送信タイミングを調整するために、初期接続に時間がかかるという問題があった。また、短いデータを短期間に複数の移動局から収集するようなポーリング通信方式では、初期接続とデータ送信という長い手間をかけて短いデータの授受を行う必要があるため、データの伝送効率が悪いという問題もあった。

そこで、本発明の目的は、従来の送信タイミングを調整するための初期接続時間にかかる時間を短縮すると共に、初期接続データ内の保護時間をデータ伝送に当て、単位時間当たりの伝送効率を向上した移動無線通信システムを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る移動無線通信システムは、時分割多重デジタル方式の無線基地局と、前記無線基地局を中心として構成される無線エリア内を移動する複数の無線移動局との間で、音声を含むデータの授受を行う移動無線通信システムにおいて、
前記無線基地局と前記移動無線局の各々に時刻情報を与える手段が設けられ、
前記無線基地局は常時送信状態であって、かつ、送信信号にデータ送信タイミングと、時刻情報を付加した信号を送信し、
前記無線移動局の各々は、受信した前記無線基地局からの時刻情報と自局の時刻情報との差分をとって無線伝播にかかる時間を測定し、該測定した無線伝播にかかる時間に基づいて、各々の無線移動局からの送信するタイミングが予め決定されることを特徴とするものである。

本発明によれば、各移動無線局は、基地局との無線伝播に係る時間をそれぞれ常時測定し、予め調整済みの送信タイミングが決定されているので、初期接続時に、あらためて設定することなく調整済のタイミングで送信でき、初期接続にかかる時間を短縮できる。

このため、初期接続データ内の保護時間を、データの伝送に当てることができ、そのデータ量の範囲内においてデータの授受が成立してしまうポーリング通信方式に適用した場合には、特に、一回の初期接続データのみでデータ授受が行えるため、単位時間当たりのデータの伝送効率を上げることができるという顕著な効果を奏する。

本発明に係る移動無線通信システムの実施形態について、添付図面を参照しながら、以下詳細に説明する。

図１に、本発明に係る移動無線通信システムの一構成例を示す。図１において、参照符号１は無線基地局（以下、単に基地局と称す）を示し、この基地局１と無線移動局２（以下、単に移動局と称す）の双方で通信を行う。なお、本実施例では、説明が煩雑になるため、無線移動局２は１台だけ示しているが、複数台可能であることはもちろんである。

基地局１は、基地局のアプリケーション３（Ａｐｐ）、送信タイミングを調整するための先入れ先出しバッファメモリ４（ＦＩＦＯ）、複数のデータ列を時分割多重して送信する送信機５（ＴＤＭＡＴＸ）、送信周波数と受信周波数を合成・分離する共用器６（Ｄｕｐ）、高周波信号を送受信するためのアンテナ７（ＵＨＦＡＮＴ）、時分割多重受信機１４（ＴＤＭＡＲＸ）、ＧＰＳ１６（Global Positioning System）からの時刻データを受信するためのＧＰＳアンテナ１７（ＧＰＳＡＮＴ）、およびＧＰＳの受信機１８（ＧＰＳＲｅｃｖ）から構成される。なお、ＧＰＳ１６は、正確な時刻を提供するＧＰＳ衛星である。

このように構成される基地局１は、アプリケーション３が送信したいデータを、バッファメモリ４に送出すると、ＴＤＭＡ送信機５は、データを予め決められた時間に分割し多重化して送信するが、本実施例では、送信する際に、ＧＰＳ受信機１８で受信した時刻データを送信データに付加する。これにより、基地局１からの送信データに、送信された時刻情報を持たせることができる。

移動局２は、移動局のアプリケーション１１（Ａｐｐ）、移動局からの送信タイミングを制御するための先入れ先出しバッファメモリ１２（ＦＩＦＯ）、複数のデータ列を時分割多重して基地局へ送信する送信機１３（ＴＤＭＡＴＸ）、送信周波数と受信周波数を、合成・分離する共用器９（Ｄｕｐ）、高周波信号を送受信するための基地局１のアンテナ７と対向するアンテナ８（ＵＨＦＡＮＴ）、時分割多重受信機１０（ＴＤＭＡＲＸ）、ＧＰＳ１６からの時刻データを受信するためのＧＰＳアンテナ１９（ＧＰＳＡＮＴ）、ＧＰＳの受信機２０（ＧＰＳＲｅｃｖ）、および遅延測定器２１から構成される。

このように構成される移動局２では、基地局１からの送信データに付加された送信時刻情報と、基地局から送信された送信データを受信した時の自局のＧＰＳ受信機２０で受信した時刻データとを遅延測定器２１で比較する（差分をとる）ことにより、伝播遅延の推定を行い、推定した伝播遅延に基づいて、自局の送信タイミングを決定し、バッファメモリ１２において、送信タイミングを制御する。

これにより、従来のような初期トレーニングを複数回も行わずに、当初からフレーム一杯のデータを使用することができるので、データ通信の伝送効率を上げることが可能となる。図３のタイミングチャートに示すように、基地局１からＧＰＳ送信時刻情報、すなわち、基準タイミングが送信データに付加されているので、移動局２側で基準タイミングに対する伝播遅延を測定し、送信タイミングを補正することができ、基地局で受けたい時間枠に当初より合致するため、図２と比べてデータ長を最初から長くできる。

また、移動局は移動するため基地局間の距離が長くなったり、短くなったりする。このため、移動局は定期的に伝播遅延を測定するようにし、定期的に送信タイミングを調整するようにしてもよい。尚、その時には基地局からＧＰＳの時刻情報が送られてきていることはいうまでもない。また第１の基地局から第２の基地局へハンドオーバーした際にも初期接続に時間がかからない。

本実施例は、ポーリング方式の列車無線通信システムに適用した場合である。移動局は各列車に設置されている。実際には基地局エリアには多数の列車が走行しているが、説明が煩雑になるため、本実施例では基地局エリアに列車が２台の場合で説明する。なお、列車を２台に限定するものではなく、多数の列車の場合であっても可能であることはもちろんである。また、移動局の構成、および基地局の構成は、図１に示した実施例１における基地局１および移動局２と同様であり、基地局および移動局にはＧＰＳ受信機をそれぞれ備えている。

図４は、列車無線通信システムでのポーリング方式の送受信タイミングを示す図である。基地局からは、列車１に対するポーリング信号（情報要求信号）１、列車２に対するポーリング信号２が、１フレーム（４００ｍｓ）毎に交互に送信される。図４において、列車１Ｒｘは列車１の移動局の受信機であり、列車２Ｒｘは列車２の移動局の受信機である。また、列車１Ｔｘは列車１の移動局の送信機、列車２Ｔｘは列車２の移動局の送信機である。
(1) 先ず、基地局から列車１に対するポーリング信号１を送信する。
(2) 基地局からの列車１に対するポーリング信号１を列車１Ｒｘは遅延Ｄ１後に受信する。
(3) 列車１処理では、列車１の装置の処理時間としてｔs1がかかる。
(4) 遅延Ｄ１＋処理時間ｔs1後に、列車１Ｔｘは基地局に応答信号を送信する。基地局は、列車１からの応答を受信した場合には同期が確立したことを認識し、基地局は、その後必要なデータの送受信を列車１と開始する。この際、一定の干渉時間を予め想定し、基地局の時間枠内に入るように、列車１Ｔｘは短いデータによる初期トレーニングを複数回行った後、列車１側で送信タイミングを決定し、所定のデータ幅で基地局への送信を行う。このトレーニングにより、基地局は受けたい時間枠でデータを受けることができるようになる。
(5) 同様に、基地局から列車２に対するポーリング信号を遅延Ｄ２後に列車２Ｒｘが受信する。
(6) 列車２処理では、列車２装置処理時間としてｔｓ2がかかる。
(7) 遅延Ｄ２＋処理時間ｔｓ2後に、列車２Ｔｘは基地局へ応答信号を送信する。基地局は列車２からの応答信号を受信すると、同期が確立したことを認識し、基地局は、その後必要なデータの送受信を開始する。この際、上記した列車１の場合と同様に短いデータで初期トレーニングを複数回行った後、列車２側で送信タイミングを決定し、所定のデータ幅で基地局への送信を行う。このトレーニングにより基地局は受けたい時間枠でデータを受けることができるようになる。

次に、図５を用いて基地局から送信する列車に対するデータについて列車１を例に説明する。なお、基地局から列車２に対するデータも列車１と同様である。基地局から送信するデータは、４００ｍｓのフレームを、４０ｍｓの複数スロットに分割して送信している。

列車無線でのポーリング方式では、基地局からは、先ず、列車１の移動局に対して４０ｍｓの同期バースト信号ＳＢを複数回（図５では４回）送信する。この場合４回目の同期バースト信号ＳＢを送出したときに列車１の移動局の送信機（列車１Ｔｘ）から応答があった場合を示している。列車１側から応答があった場合に、基地局では同期が確立したことを認識し、その後、必要なデータを列車１に送信する。列車のポーリング方式では、このようにしてデータを送信していたが、データ幅は、初期接続時には遅延を考慮して短くし、通信タイミングのトレーニングを複数回実施して列車側の送信タイミングを決定していたので伝送効率が悪かった。

列車無線通信システムでは、安全運行のために、基地局と移動局間で、列車情報、管理情報、事故情報、機器の故障情報等の重要なデータを、短いデータ情報にして頻繁に送受信しているが、初期接続のたびに、送信タイミングのトレーニングを複数回実施するため、トレーニングに使用する時間を短縮し、情報のやり取りを早くすることが列車通信システムでは非常に重要となる。

本実施例では、実施例１と同様に、基地局と、各列車の移動局はそれぞれＧＰＳ受信機を備えており、基地局から移動局へデータ送信する際には、ＧＰＳ受信機で取得した時刻情報を付加して基地局が移動局へ送信するので、これを受信した移動局側では、受信した基地局の送信時刻情報と、基地局から送信された送信データを受信した時の自局のＧＰＳ受信機で取得した時刻情報とを比較して（差分をとる）伝播遅延時間を測定し、この測定に基づいて移動局からの送信タイミングを決定するため、データを短くすることなく、基地局と１回の送受信で送信タイミングを決定できる。このため、送信データの伝送効率を飛躍的に向上することができる効果を奏する。また、移動局は移動するため基地局間の距離が長くなったり、短くなったりする。このため、移動局は定期的に伝播遅延を測定するようにし、定期的に送信タイミングを調整するようにしてもよい。尚、その時には基地局からＧＰＳの時刻情報が送られてきていることはいうまでもない。また第１の基地局から第２の基地局へハンドオーバーした際にも初期接続に時間がかからない。

本発明に係る移動無線通信システム構成図。従来の基地局送受信タイミングと移動局送受信タイミングを示す図。本発明の移動通信システムのタイミングチャート。従来の列車無線通信システムでのポーリング方式の送受信タイミングを示す図。従来の列車無線通信システムで基地局から送信する列車に対するデータの説明図。

符号の説明

１…基地局、２…移動局、３…基地局のアプリケーション、４…バッファメモリ、５…ＴＤＭＡ送信機、６…共用器、７…アンテナ、８…アンテナ、９…共用器、１０…ＴＤＭＡ受信機、１１…移動局のアプリケーション、１２…バッファメモリ、１３…ＴＤＭＡ送信機、１４…ＴＤＭＡ受信機、１６…ＧＰＳ衛星、１７…ＧＰＳアンテナ、１８…ＧＰＳ受信機、１９…ＧＰＳアンテナ、２０…ＧＰＳ受信機、２１…遅延測定器、Ｄ１…列車１の伝播遅延、Ｄ２列車２の伝播遅延、ｔs1…列車１の装置の処理時間、ｔs2…列車２の装置の処理時間。

Claims

時分割多重デジタル方式の無線基地局と、前記無線基地局を中心として構成される無線エリア内を移動する複数の無線移動局との間で、音声を含むデータの授受を行う移動無線通信システムにおいて、
前記無線基地局と前記移動無線局の各々に時刻情報を与える手段が設けられ、
前記無線基地局は常時送信状態であって、かつ、送信信号にデータ送信タイミングと、時刻情報を付加した信号を送信し、
前記無線移動局の各々は、受信した前記無線基地局からの時刻情報と自局の時刻情報との差分をとって無線伝播にかかる時間を測定し、該測定した無線伝播にかかる時間に基づいて、各々の無線移動局からの送信するタイミングが予め決定されることを特徴とする移動通信無線通信システム。