JP2014222791A - フィールド無線中継装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電池寿命を従来よりも長くできるフィールド無線中継装置を実現すること。【解決手段】送信局と受信局の間で行われる無線通信の信号をアンテナを介して受信した後再度増幅して送信する受信送信機能と無線通信の通信経路を指定するルーティング機能を有する通信中継部を備え、電池で駆動するように構成されたフィールド無線中継装置において、前記受信信号の信号強度を測定する信号強度測定手段と、前記信号強度測定手段の信号強度測定結果に基づき、前記アンテナと前記通信中継部を所定の接続状態に切り替えるアンテナ接続切替部、を設けたことを特徴とするもの。【選択図】 図１

Description

本発明は、フィールド無線中継装置に関し、詳しくは、電池で駆動されるフィールド無線中継装置における消費電力の改善に関するものである。

図７は、従来から用いられているフィールド無線システムの一例を示す構成説明図である。図７において、アンテナ１は送信局として機能する図示しないフィールド無線装置に設けられ、アンテナ２は受信局として機能する図示しないフィールド無線装置に設けられたもので、これらアンテナ１、２はタンク３を挟むようにして対向設置されている。図示しないフィールド無線装置は電池で駆動されるものであり、アンテナ１、２を介して相互間で小電力の見通し無線通信により各種データの授受を行うように構成されている。

ところが、このままの状態ではタンク３が見通し無線通信の障害物となることから、送信局および受信局の相互間で小電力の見通し無線通信を行うことは困難である。

そこで、アンテナ１、２を見通せるタンク３の上部付近に指向性を有するアンテナ４と５を設けるとともに、これらアンテナ４と５が接続されて電池で駆動される中継局として機能するフィールド無線装置６を設け、送信局との間ではアンテナ１と４を介して見通し無線通信を行い、受信局との間ではアンテナ２と５を介して見通し無線通信を行うように構成している。

このような中継局として機能するフィールド無線装置６には、受信信号を再度増幅して必要に応じて自身の通信データを追加して送信する受信送信機能と通信経路を指定するルーティング機能を有する通信中継部６１と、駆動用の電池６２が設けられている。以下、これをルータという。

ところで、ルータ６は、自身の通信データに加え、送信局および受信局として機能する他のフィールド無線装置間の通信データを受信して再送信する必要があることから、無線送受信およびデータ処理のためにかなり多くの電力を消費する。

したがって、ルータ６の電池寿命は他のフィールド無線装置と比較すると一般的に短くなり、条件によっては他のフィールド無線装置の数分の一程度となる場合もある。ルータ６の電池寿命が尽きてルータ６の動作が停止すると、前述のような他のフィールド無線装置間における通信データの受信と再送信が不可能になり、フィールド無線システムの通信路が構成できなくなる。

結果として、フィールド無線システムの動作可能期間はルータ６の電池寿命で決定されることになり、前述のようにこの期間は他の無線装置の電池寿命に比べて短く、場合によっては数分の一に制限されてしまう。

他のフィールド無線装置の電池寿命は残っているにも拘わらず、ルータ６の電池交換作業が必要となる。この場合、電池交換に伴ってルータ６の機能は一時的に停止するため、システムの通信機能に影響が生じることになる。

これを避ける対策として、ルータ６に限って容量の大きな電池を搭載する方法も考えられるが、電池のサイズや重量が大きくなる他、コストが高くなるという弊害がある。

また、ルータ６としてのフィールド無線装置とルーティング機能を持たないフィールド無線装置とが異なる構成になってしまうことから、フィールドに配置したフィールド無線装置を、状況に応じてルータまたはルーティング機能を持たないフィールド無線装置として機能設定を切り替えるという柔軟な運用ができなくなる。

図８は電源を必要としない中継装置として用いられるパッシブリピータの一例を示すブロック図であり、図７と共通する部分には同一の符号を付けている。

パッシブリピータは、図８に示すように、アンテナ４と５を高周波ケーブル７で接続したものである。たとえば一方のアンテナ４が吸収した電波を高周波ケーブル７を介して他方のアンテナ５に導いて再放射する。この作用は双方向に有効である。

このようなパッシブリピータをたとえばタンク３の頂上近くに設置すると、タンク３を挟んで対向配置されアンテナ１が接続された送信局とアンテナ２が接続された受信局の間では、いずれか一方の局（たとえば送信局）のアンテナ１から送信された電波がいずれか一方のアンテナ（たとえば４）により吸収されて他方のアンテナ（たとえば５）から再放射されることで他方の局（たとえば受信局）のアンテナ２で受信されて実質的に中継されることになり、無線通信に対するタンク３の影響が低減される。

特許文献１には、無線通信によるデータ伝送が不可能な場所においても無線機の改造を行うことなく通信可能とし、現場のデータをセンタ装置または携帯端末などで監視制御可能とするパッシブアンテナ式通信システムの技術が開示されている。

そして、特許文献２には、既設のフィールド機器の無線化を容易に行える技術が開示されている。

特開２００２−３６８６６５号公報 特開２００６−３９８９２号公報

しかし、パッシブリピータには、以下のような問題がある。
ルータ６と比較すると、中継された無線データを受信する機器から見た場合、受信信号の信号強度は弱い。ルータ６は、一旦受信した信号を電気的に増幅し再送信するが、パッシブリピータは増幅作用を持たないためである。

また、パッシブリピータは、目的外の電波も受信して中継してしまう。システムに多数の端末を収容するためには、互いに混信にならない複数の送信局と受信局の組が同一の無線周波数を同時に使用することが求められるが、パッシブリピータは、常に動作する。また、アンテナが、送受信できる範囲の周波数全体の電波に作用する。したがって、目的としない電波も中継するため、受信側からみれば混信妨害が増えてしまう可能性がある。

本発明は、これらの問題点を解決するものであり、その目的は、電池寿命を従来よりも長くできるフィールド無線中継装置を実現することにある。

このような目的を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
送信局と受信局の間で行われる無線通信の信号をアンテナを介して受信した後再度増幅して送信する受信送信機能と無線通信の通信経路を指定するルーティング機能を有する通信中継部を備え、電池で駆動するように構成されたフィールド無線中継装置において、
前記受信信号の信号強度を測定する信号強度測定手段と、
前記信号強度測定手段の信号強度測定結果に基づき、前記アンテナと前記通信中継部を所定の接続状態に切り替えるアンテナ接続切替部、
を設けたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載のフィールド無線中継装置において、
前記アンテナ接続切替部は、前記信号強度測定結果に基づき、接続接続されるアンテナ系統は受信用と送信用の２系統であり、
前記アンテナ制御判定部の判定結果に基づき、受信用アンテナ系統を前記通信中継部の受信手段に接続して送信用アンテナ系統を前記通信中継部の送信手段に接続するルータモードまたは受信用アンテナ系統と送信用アンテナ系統を直結するパッシブリピータモードに設定することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項２記載のフィールド無線中継装置において、
前記各アンテナは指向性を有することを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１記載のフィールド無線中継装置において、
前記接続されるアンテナ系統は受信用と送信用で共用する１系統であり、
前記アンテナ制御部は、前記アンテナ制御判定部の判定結果に基づき、中継対象受信信号の信号強度が最大になるように前記共用アンテナ系統のアンテナ本体を取付軸を中心にして回転させることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項４記載のフィールド無線中継装置において、
前記アンテナは無指向性であることを特徴とする。

本発明のフィールド無線中継装置によれば、受信局における受信信号強度に応じてルータモードまたはパッシブリピータモードに切り替えることができ、常にルータモードで動作する場合に比べて、電池の寿命を長くできる。

本発明の一実施例を示すブロック図である。 切替制御部８２の具体的な構成例を示すブロック図である。 本発明の動作例を説明するタイミングチャートである。 本発明の他の実施例を示すブロック図である。 本発明の他の動作例を説明するタイミングチャートである。 本発明の他の動作例を説明するタイミングチャートである。 従来から用いられているフィールド無線システムの一例を示す構成説明図である。 電源を必要としない中継装置として用いられるパッシブリピータの一例を示すブロック図である。

図１は本発明の一実施例を示すブロック図であり、図５と共通する部分には同一の符号を付けている。

図１において、ルータとして機能するフィールド無線装置（以下、ルータという）８には、アンテナ切替部８１と、切替制御部８２と、通信中継部８３と電池８４が設けられている。

受信局として機能する図示しないフィールド無線装置に設けられたアンテナ２には、システム管理部９が接続されている。システム管理部９には、無線通信の通信経路情報を含むルーティング情報格納部９１が設けられている。

アンテナ切替部８１は、連動して切替駆動される２個の切替スイッチＳＷ１とＳＷ２で構成されていて、切替制御部８２からの切替指示に基づき、アンテナ４と５を相互に直接接続する「パッシブリピータモード」にするか、アンテナ４と５を通信中継部８３を介して接続する「ルータモード」にするかを切り替える。

アンテナ切替部８１において、スイッチＳＷ１の可動接点ａはアンテナ４に接続され、スイッチＳＷ２の可動接点ａはアンテナ４に接続されている。スイッチＳＷ１の一方の固定接点ｂとスイッチＳＷ２の一方の固定接点ｂは互いに直接接続され、スイッチＳＷ１の他方の固定接点ｃとスイッチＳＷ２の他方の固定接点ｃはそれぞれ切替制御部８２に接続されている。

切替制御部８２は、システム管理部９からルーティング情報を取り込み、現在の中継対象情報がパッシブリピータモードで送信局側のアンテナ１から受信局側のアンテナ２に直接中継されても受信局側で十分な信号強度で受信できるか、受信した後再度増幅して送信するルータモードで中継するべきかを判断し、その判断結果をアンテナ切替部８１に出力する。

なお、中継対象情報が存在しなければ、次に述べる通信中継部８３の動作と併せ、パッシブモード、ルータモードともに中継動作は行わない。

通信中継部８３は、中継対象情報が存在すれば、いずれか一方のアンテナたとえば４で受信された情報を増幅して他方のアンテナたとえば５から送信する。中継対象情報が存在しなければ送信は行わない。

電池８４は、アンテナ切替部８１、切替制御部８２および通信中継部８３に対して駆動用の電源を供給する。

図１のように構成されるルータ８の動作について、切替制御部８２の動作を中心にして説明する。
１）中継対象情報が存在している場合、切替制御部８２は切替スイッチＳＷ１とＳＷ２の可動接点ａを実線で示すようにそれぞれ固定接点ｂ側に切り替え、前述のパッシブモードで中継する。これにより、アンテナ４で受信された送信局側のアンテナ１からの送信信号はそのままアンテナ５に伝送され、アンテナ５からの送信信号は受信局側のアンテナ２で受信される。

２）アンテナ２に接続されている受信局側のシステム管理部９は、パッシブモードで中継された中継対象情報の受信信号強度を測定し、その測定結果をルータ８の切替制御部８２に出力する。

３）次に、切替制御部８２は切替スイッチＳＷ１とＳＷ２の可動接点ａを破線で示すようにそれぞれ固定接点ｃ側に切り替え、前述のルータモードで中継する。これにより、アンテナ４で受信された送信局側のアンテナ１からの送信信号は通信中継部８３で再度増幅されて必要に応じてルータ８自身の通信データが追加され、アンテナ５に伝送される。アンテナ５からの送信信号は受信局側のアンテナ２で受信される。

４）アンテナ２に接続されている受信局側のシステム管理部９は、ルータモードで中継された中継対象情報の受信信号強度を測定し、その測定結果をルータ８の切替制御部８２に出力する。

５）ルータ８の切替制御部８２は、パッシブモードで測定された受信信号強度とルータモードで測定された受信信号強度とを比較評価する。

具体的には、切替制御部８２は、電池８４の寿命の最大化を図るために、パッシブモードにおける受信信号強度が無線フィールド機器間の通信が成立していると判断できるレベルであれば、中継モードとしてパッシブモードを選択する。

図２は、切替制御部８２の具体的な構成例を示すブロック図である。アンテナ入力部８２ａには、切替スイッチＳＷ１を介してアンテナ４が接続される。切替スイッチ制御部８２ｂは、アンテナ切替部８１を構成している２個の切替スイッチＳＷ１とＳＷ２を連動して切替駆動するための制御信号を生成出力する。

ルータ属性情報格納部８２ｃには、ルータ８に割り当てられている固有識別コード、中継対象情報の無線通信による通信経路を指定するルーティング情報などが格納される。ルータ属性情報付加部８２ｄは、ルータモードで中継出力される中継対象情報に、必要に応じて所定のルータ属性情報を付加する。

システム管理用通信部８２ｅは、アンテナ２が設けられている受信局側のシステム管理部９との間で、中継対象情報の受信信号強度を含む各種情報の授受を行う。信号強度比較部８２ｆは、中継対象情報のパッシブモードにおける受信信号強度とルータモードにおける受信信号強度とを比較し、中継モードとしてパッシブモードとルータモードのいずれを選択すべきかを判断して、その判断結果を切替スイッチ制御部８２ｂに出力する。

アンテナ入力部８２ｇには、切替スイッチＳＷ２を介してアンテナ５が接続される。通信中継部インタフェース８２ｈは、切替制御部８２と通信中継部８３との間における各種情報の授受を行う。

図３は本発明の動作例を説明するタイミングチャートであり、無線通信の送受信のペア毎にタイムスロットを割り当てて動作モードの切替を行う時分割多重方式の例であって、中継装置と送信局または受信局であるフィールド機器との間の距離の長さと中継装置の動作モードの関係を示している。

タイムスロット＃１は通信距離が数Ｋｍの長距離の場合であって、中継装置はルータモードで動作する。タイムスロット＃２は構造物の裏などの通信距離が数１０ｍの近距離の場合であって、中継装置はパッシブモードで動作する。タイムスロット＃３は通信距離が数百ｍの中距離の場合であって、中継装置はルータモードで動作する。タイムスロット＃４は中継装置が関知しない場合であり、中継動作は一切行わない。

このように、受信データの増幅、再送信が必要とされない場合はパッシブリピータモードで中継を行うため、電池を無駄に消費することはなく、電池寿命を長くできる。

受信局において信号強度が不足していれば、パッシブリピータ動作からルータ動作に切り替えることができるため、単純にパッシブリピータを設置する場合と比較して、中継サービスを提供できる範囲が広くなる。

また、必要なタイミングでのみパッシブリピータ機能を動作させることができるため、余分な混信妨害を発生する確率が低くなる。

さらに、万一ルータの電池が尽きてルータ機能が停止した場合であっても、パッシブリピータ機能は動作することから最低限の中継機能は残ることになり、中継装置としての堅牢性が高まる。

なお、上記実施例ではアンテナが２本の例について説明したが、アンテナは３本以上でもよい。

また、アンテナは１本でもよく、アンテナ１本でも図４に示すようにパッシブリピータを構成できる。図４において、図１のアンテナ切替部８１のスイッチＳＷ２に代えて、スイッチＳＷ１の固定接点ｂには反射回路Ｒを設けている。

反射回路Ｒは、入力される高周波信号を全反射するものであり、全反射する手段としては解放回路などを適宜使用する。

アンテナ切替部８１は、切替制御部８２からの指示により、アンテナ４と反射回路Ｒとを接続するかアンテナ４をルーティング系統に接続するかを切り替える。ここで、アンテナ４と反射回路Ｒが接続された状態をパッシブリピータモードと記述し、アンテナ４がルーティング系統に接続された状態をルータモードと記述する。

切替制御部８２は、システム管理部９からルーティング情報を得ることにより、現在中継するべき情報がパッシブリピータモードで中継されても受信局において十分な強度で受信されるかまたはルータモードで中継するべきかを判断し、アンテナ切替部８１に切替指示を行う。

現在中継するべき情報が存在すれば、アンテナ４から受信した情報を蓄積して増幅した後、再度アンテナ４から送信する。中継するべき情報が存在しなければ、パッシブモードおよびルータモードのどちらの機能も中継動作は行わない。

また、ルータモードにおける電池８４の寿命を延ばすために、中継する際の送信電力を制御する機能を設けてもよい。時分割多重方式を採用した場合には、たとえば図５に示すように、送信電力の制御もタイムスロット毎に行う。

図５において、タイムスロット＃１は通信距離が数Ｋｍの長距離の場合であって、送信電力はたとえば１０ｄＢｍとし、中継装置はルータモードで動作する。

タイムスロット＃２は構造物の裏などの通信距離が数１０ｍの近距離の場合であって、送信電力はたとえば０ｄＢｍとし、中継装置はパッシブモードで動作する。

タイムスロット＃３は通信距離が数百ｍの中距離の場合であって、送信電力はたとえば２ｄＢｍとし、中継装置はルータモードで動作する。

タイムスロット＃４は中継装置が関知しない場合であって、送信電力はたとえば０ｄＢｍとするが、中継動作は一切行わない。

また、少なくとも指向性アンテナを含む複数のアンテナと、少なくとも１つの通信回路のうち制御部によりタイムスロットを基準にして割り当てられたアンテナおよび通信回路によって無線通信を行うように構成することにより、指向性アンテナを用いたマルチホップ通信が実現でき、フィールド無線中継装置におけるコストの上昇を極力抑えつつ長距離通信および多様な形態の通信を実現できるという効果も得られる。

さらに、たとえば図６に示すように、タイムスロット毎に同期して、上位層手順、復調回路方式、アンテナ指向性、送信電力などの属性を切り替えることにより、各タイムスロットにおける通信距離や通信目的に応じた最適な通信条件を設定でき、電池の寿命を長くできるとともに、より一層安定した通信が実現できる。

図６において、タイムスロット＃１の上位層手順はＩＳＡ１００、復調回路方式は同期型、アンテナは単一指向性、送信電力は１０ｄＢｍに設定されている。

タイムスロット＃２の上位層手順はＩＳＡ１００、復調回路方式は非同期型、アンテナは無指向性、送信電力は０ｄＢｍに設定されている。

タイムスロット＃３の上位層手順はＩＳＡ１００、復調回路方式は同期型、アンテナは単一指向性、送信電力は２ｄＢｍに設定されている。

タイムスロット＃４の上位層手順はＩＳＡ１００、復調回路方式は非同期型、アンテナは単一指向性、送信電力は０ｄＢｍに設定されている。

さらに、タイムスロット＃５の上位層手順は「８０２．１５．４」ではあるもののＩＳＡ１００とは異なる別のシステム方式であり、復調回路方式は同期型、アンテナは無指向性、送信電力は０ｄＢｍに設定されている。

なお、タイムスロット毎に同期して切り替える属性は、これら図６の例に限るものではなく、その他、アンテナゲイン、変調方式、中継種類なども組み合わせてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、電池寿命を従来よりも長くできるフィールド無線中継装置が実現できる。

１、２、４、５ アンテナ
３ タンク
８ フィールド無線装置（ルータ）
８１ アンテナ切替部
８２ 切替制御部
８２ａ アンテナ入力部
８２ｂ 切替スイッチ制御部
８２ｃ ルータ属性情報格納部
８２ｄ ルータ属性情報付加部
８２ｅ システム管理用通信部
８２ｆ 信号強度比較部
８２ｇ アンテナ入力部
８２ｈ 通信中継部インタフェース
８３ 通信中継部
８４ 電池
９ システム管理部
９１ ルーティング情報格納部

Claims (5)

1. 送信局と受信局の間でアンテナを介して行われる無線通信の受信信号を再度増幅して送信する受信送信機能と無線通信の通信経路を指定するルーティング機能を有する通信中継部を備え、電池で駆動するように構成されたフィールド無線中継装置において、
   接続されるアンテナ系統を制御するアンテナ制御部と、
   中継対象受信信号の信号強度に基づきアンテナ制御部が行うべき制御の種類を判定するアンテナ制御判定部、
   を設けたことを特徴とするフィールド無線中継装置。
2. 前記接続されるアンテナ系統は受信用と送信用の２系統であり、
   前記アンテナ制御部は、前記アンテナ制御判定部の判定結果に基づき、受信用アンテナ系統を前記通信中継部の受信手段に接続して送信用アンテナ系統を前記通信中継部の送信手段に接続するルータモードまたは受信用アンテナ系統と送信用アンテナ系統を直結するパッシブリピータモードに設定することを特徴とする請求項１記載のフィールド無線中継装置。
3. 前記各アンテナは指向性を有することを特徴とする請求項２に記載のフィールド無線中継装置。
4. 前記接続されるアンテナ系統は受信用と送信用で共用する１系統であり、
   前記アンテナ制御部は、前記アンテナ制御判定部の判定結果に基づき、中継対象受信信号の信号強度が最大になるように前記共用アンテナ系統のアンテナ本体を取付軸を中心にして回転させることを特徴とする請求項１に記載のフィールド無線中継装置。
5. 前記アンテナは無指向性であることを特徴とする請求項４に記載のフィールド無線中継装置。