JP5040429B2 - 通信システム及び路側通信システム並びにこれらに用いられる路側通信装置、光ビーコン及び車載通信装置 - Google Patents

Description

本発明は、高度道路交通システム（ＩＴＳ：Intelligent Transport System）を実現するための通信システムに関する。

近年、交通安全の促進や交通事故の防止を目的として、道路に設置されたインフラ装置からの情報を受信し、この情報を活用することで車両の安全性を向上させる高度道路交通システムが検討されている（例えば、特許文献１参照。）。かかるシステムは、主に、インフラ側の通信装置としての路側通信装置と、各車両に搭載される通信装置である車載通信装置とによって、実現される。通信の組み合わせとしては、路側通信装置同士での路路間通信と、路側通信装置と車載通信装置とによる路車（又は車路）間通信と、車載通信装置同士での車車間通信とがある。

一般に、無線通信において複数の装置が同一の周波数帯域を同時に使用する場合、異なる周波数で通信する周波数分割多元アクセス（ＦＤＭＡ：Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）や、時間を複数のタイムスロットに分割する時分割多元アクセス（ＴＤＭＡ：Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）などを用いることができる。また、これらを組み合わせるアクセス方式もある。

これらのアクセス方式のうち、時分割多元アクセスでは、送信データの衝突が起こりうるコンテンション方式と、送信データの衝突を確実に避けるノンコンテンション方式がある。ノンコンテンション方式にはポーリング方式や予約方式があり、事前に同一空間内で同時に送信データの送信を行うことが無いように、排他的に無線通信用のタイムスロットを割り当てた上で、当該タイムスロットを使用して通信を行う。

このノンコンテンション方式のうちポーリング方式では、中心となる装置が他の装置に対して送信データを有するかどうかを事前に順次問い合わせた後に、送信データ有りとされる装置が競合しないように送信データを順次送信する。この場合、送信データの衝突を確実に回避できる代わりに、前記事前の問い合わせが必要となるため、通信に際してのオーバヘッドは非常に大きい。

一方、予約方式では、無線で通信する可能性のある全ての装置に対して、異なる固有のタイムスロットを割り当てて、当該スロットでのみデータを送信させるようにする方式である。一旦、全ての装置にタイムスロットが割り付けられれば、当該割当スロットのタイミングで即座にデータを送信しうる。

また、コンテンション方式では、同一空間内で同時に送信データの送信を行うケースがありうるため、そのような場合にはコリジョンの発生により、データが消失してしまい何らかの方法でデータを再送するといったバックアップ方法を用意する必要があるものの、無線通信を行う装置の数が比較的少ない通信システムには適した方式と言える。

ここで、このコンテンション方式は、データ送信を行う前に他装置から送出されるキャリア信号の有無を検知することにより、現時点でデータ送信を行っている他の装置が存在するか否かを判断した上で（以下、この判断をキャリアセンスという。）、存在しないと判断できた場合にのみデータ送信を開始するキャリアセンス有りアクセス方式と、他の装置がデータ送信を行っているかどうかに無関係にデータ送信を開始するキャリアセンス無しアクセス方式と、に大別することができる。

キャリアセンス有りアクセス方式としては、たとえばＣＳＭＡ（Ｃａｒｒｉｅｒ Ｓｅｎｓｅ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）、ＣＳＭＡ／ＣＡ（Ｃａｒｒｉｅｒ Ｓｅｎｓｅ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ／Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ Ａｖｏｉｄａｎｃｅ）、ＩＳＭＡ（Ｉｄｌｅ Ｓｉｇｎａｌ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）、ＲＴＳ／ＣＴＳ（Ｒｅｑｕｅｓｔ ｔｏ Ｓｅｎｄ／Ｃｌｅａｒ ｔｏ Ｓｅｎｄ）等の方式があり、キャリアセンス無しアクセス方式としては、たとえばピュアアロハ（Ｐｕｒｅ−ＡＬＯＨＡ）やスロッテドアロハ（Ｓｌｏｔｔｅｄ−ＡＬＯＨＡ）等のような方式がある。

前記キャリアセンス有りアクセス方式は、他の装置がデータ送信を行うタイミングを避けてデータ送信を開始するため、コリジョンの発生確率が低下し、データの宛先への到達確実性が向上するという利点はあるが、データ送信開始前にその都度キャリアセンスを行うため、オーバヘッドが発生してリアルタイム性が低下するという問題がある。

一方のキャリアセンス無しアクセス方式は、他の装置に無関係にデータ送信を行うため、オーバヘッドはキャリアセンス有りアクセス方式に比べて小さくなるが、他の装置と同じタイミングでデータ送信を行った場合にはコリジョンの発生によりデータが消失してしまうため、宛先への到達確実性が低下するという問題がある。このため、キャリアセンス無しアクセス方式では、データ再送などのバックアップ手順が不可欠である。

特許第２８０６８０１号公報

限られた電波の通信帯域を有効的に利用し、かつ、路側通信装置や車載通信装置に備えるべき通信デバイスの数をできるだけ少なくするためには、路路間、路車間、車路間、および車車間の無線通信に使用する通信帯域や通信手順を同一のものとすることが望ましいが、この場合、路車間通信や車車間通信等が同一の空間内において同時に行われる可能性があるため、何らかの通信制御を行った方が良い。

路側通信装置は設置位置が固定されているため、複数の路側通信装置がお互いにデータを送信する場合であっても、同一の空間に対して同時に２つ以上の路側通信装置がデータを送信しないように、データ送信タイミングを異なるように設定しておくことが可能である。つまり、路側通信装置間の路路間通信では、静的にスロットを割り当てる予約方式を容易に適用することができる。また、路側通信装置から車載通信装置に対してデータを送信する路車間通信の場合にも、不特定多数の車載通信装置に対して同じ内容のデータを送信する放送型の通信であれば、同様に予約方式を採用することができる。
しかし、通信する可能性のある全ての車載通信装置同士で送信タイミングを予め排他的なものとして静的に設定しておくことは事実上不可能である。

そのため、車載通信装置が通信データを送信する場合には、ＣＳＭＡなどのキャリアセンス有りアクセス方式を用いるようにし、路側通信装置が通信データを送信する場合には予約方式を採用する、という方法が考えられる。
この方式は、車載通信装置の数が比較的少なく、路側通信装置の設置されていない郊外などであれば、非常に高い確率で車車間通信が成功すると考えられるため、有効である。

しかし、車載通信装置が限られた通信領域内で路側通信装置に対して確実にデータを送信したい場合、キャリアセンスによるオーバヘッドのために通信のリアルタイム性が損なわれる上に、その通信領域にとどまっている限定的な期間内においてデータの送信を完了できない可能性もある。特に、交通量の多い都市部では、多数の車載通信装置がランダムにデータを送信するため、データを送信できない確率が高くなるという問題がある。これはキャリアセンス無しアクセス方式を採用した場合にはより顕著であり、コリジョンによるデータの消失をバックアップするためのデータ再送処理を多数の車載通信装置が繰り返すことでコリジョンの連鎖が発生し、通信のスループットが一気に低下してしまうという問題が発生する。

このようなコリジョンの発生を確実に回避したければ、車載通信装置がデータを送信する場合にもノンコンテンション方式にすることが望まれるが、ノンコンテンション方式のうちポーリング方式ではオーバヘッドが大きすぎるため、通信時間が限定された移動体通信には適用することが難しい。

ここで、本発明者らは、路側通信装置の通信領域が限定的である場合、特定の路側通信装置に対してデータを送信しうる車載通信装置は常に動的に変動している点に着目した。
すなわち、仮に車載通信装置がデータを送信する際に予約方式を採用するとしても、特定の路側通信装置に対してデータを送信する可能性のある全ての車載通信装置に対して静的にスロットを割り当てる必要はなく、その時点で路車間通信領域内に存在する車載通信装置同士のデータ送信用スロットさえ排他的に割り当てられていれば良い、ということを見い出した。

そこで本発明は、車載通信装置が、予約方式で通信データを送信する路側通信装置が設置されている地域において、コリジョンの発生を回避し、データを路側通信装置や他の車載通信装置に対して送信できる確率を高める通信システムを提供することを目的とする。

本発明は、道路上を走行する車両に搭載された車載通信装置と、前記道路付近に設置され、前記車載通信装置との間で、前記道路上の所定の領域において、時分割多元アクセスのうち通信用タイムスロットが他の装置と競合しないように事前に割り当てられる予約方式による無線通信を行う路側通信装置と、前記道路上に設置され、前記所定の領域の略境界に該当する地点において前記車載通信装置との間で光通信を行う光ビーコンとを含む通信システムであって、前記光ビーコンは、前記路側通信装置との予約方式による無線通信を開始する車載通信装置に対して、当該予約方式による無線通信において用いられるタイムスロットに関するタイムスロット情報を通知するタイムスロット通知手段を有し、前記車載通信装置は、前記光ビーコンとの間で行われる光通信に応じて、前記予約方式による無線通信を開始又は停止し、かつ、当該無線通信には前記タイムスロットを使用する無線通信手段を有することを特徴とする。

本発明によれば、光ビーコンとの光通信によって、無線通信を行う路側通信装置の通信領域に車載通信装置が進入又は通信領域外へ退出したことを把握できるため、予約方式での通信を開始又は停止すべきタイミングを正確なものとすることができる。光ビーコンは、前記光通信の領域を狭小な範囲に設定することが可能であるため、前記路側通信装置の通信領域の境界がどこであるかを車載通信装置に把握させるのに適している。また、光ビーコンが、通信領域に進入する車載通信装置に対して使用可能なタイムスロットの情報を通知することで、動的に需要に応じたタイムスロットの割当てを行うことが可能となる。なお、タイムスロット情報とは、車載通信装置が自身が使用可能なタイムスロットを知るための情報を指し、その使用可能タイムスロットの開始時刻と終了時刻の組み合わせであっても良いし、タイムスロットの識別番号などであっても良い。

また、前記通信システムにおいて、前記無線通信手段は、前記所定の領域の略境界に該当する地点であって前記所定の領域内へ進入する方向の車線上に設置された入口光ビーコンとの間で光通信を行った時点で予約方式による無線通信を開始し、前記所定の領域の略境界に該当する地点であって前記所定の領域外へ退出する方向の車線上に設置された出口光ビーコンとの間で光通信を行った時点で予約方式による無線通信を停止することができる。

前記路側通信装置の通信領域の入口と出口の双方に光ビーコンを設置することにより、路側通信装置の通信領域に進入したこと及び通信領域外へ退出したことを正確に把握することが可能となる。

また、前記通信システムにおいて、前記無線通信手段は、前記所定の領域の略境界に該当する地点であって前記所定の領域内へ進入する方向の車線上に設置された入口光ビーコンとの間で光通信を行った時点で予約方式による無線通信を開始し、以下のうち少なくとも１つに該当する場合に、前記予約方式による無線通信を停止するようにしてもよい。
（１）前記開始時点からの経過時間が所定の第一の閾値を超えた場合
（２）前記開始時点からの走行距離が所定の第二の閾値を超えた場合
（３）前記開始時点以降に路側送信装置から最後にデータを受信した時点からの経過時間が所定の第三の閾値を超えた場合

このケースでは、前記路側通信装置の通信領域に進入したことを一旦入口光ビーコンによって正確に把握したら、その時点からの経過時間、走行距離、あるいは路側通信装置との通信の記録などにより、出口光ビーコンが設置されていなくても、前記路側通信装置の通信領域外へ退出したことを把握できる点で有利である。

また、前記通信システムにおいて、前記無線通信手段は、予約方式による無線通信を開始している場合には、他の車両に搭載された車載通信装置との間においても予約方式による無線通信を行い、予約方式による無線通信を停止している場合には、他の車両に搭載された車載通信装置との間で、時分割多元アクセスのうち通信用タイムスロットが他の装置と競合する可能性のあるコンテンション方式による通信を行うものであってもよい。

路側通信装置の通信領域では路側通信装置が通信データを送信する時間帯に車載通信装置が通信データを送信することはできないから、車載通信装置同士の通信可能な時間帯は限定的である。そのため、車載通信装置同士の通信の方式についても予約方式によって競合を回避することで通信効率を高めることができる。一方、路側通信装置と通信する必要のない場合には、車載通信装置同士が通信可能な時間帯は必ずしも限定的なものとはならないから、コンテンション方式を採用することができる。

また、前記通信システムにおいて、前記無線通信手段は、前記路側通信装置との間での予約方式による無線通信を停止した場合に、当該停止した旨を前記路側通信装置に通知する車載通信装置通知手段を有するようにしてもよい。

一旦予約方式によって車載通信装置用に割り当てられたタイムスロットは、その車載通信装置が路側通信装置の通信領域外へ退出するまで割り当てられたままとなるが、例えば通信領域内にとどまっている場合であっても通信データを送信する必要がなくなったのであればその時点で前記車載通信装置は予約方式による無線通信を停止しても良く、この場合、その旨を即座に前記路側通信装置に通知することでそのタイムスロットを他の車載通信装置に割り当てることが可能となり、タイムスロットの利用効率を高めることが可能となる。

また、前記通信システムにおいて、前記路側通信装置は、近接する他の路側通信装置との間で予約方式による無線通信を行うこともできる。

路側通信装置が近接する他の路側通信装置との間で通信可能な状態であれば、その路路間通信についても予約方式を採用することで、通信帯域をより一層効率よく利用することが可能となる。

また、前記通信システムにおいて、前記タイムスロット情報には、前記車載通信装置に割り当てられた車両ＩＤ情報と当該車両ＩＤ情報に応じたタイムスロットとの組み合わせが含まれており、前記車載通信装置の無線通信手段は、通知されたタイムスロット情報に含まれる自己に割り当てられた車両ＩＤ情報に応じたタイムスロットを用いてデータを外部に送信するようにしてもよい。

タイムスロット情報は、複数の車載通信装置に同時に受信される場合もあるため、車載通信装置に固有の車両ＩＤ情報と使用可能なタイムスロットを対応付けておくことによって、各車載通信装置は、自身がどのタイムスロットを使用できるのかを正確に把握することが可能となる。なお、車両ＩＤ情報とは、各車載通信装置に割り当てられる固有の文字列や数値列などを指し、例えば、一般的に光ビーコンとの間で用いられる車両ＩＤ情報を使用することも可能である。

また、前記通信システムにおいて、前記タイムスロット通知手段は、車載通信装置に割り当てるタイムスロットを複数用意しており、前記光通信に応じて前記路側通信装置との予約方式による無線通信を開始する車載通信装置に対して、用意している前記タイムスロットのうち、他の車載通信装置に割り当てられていない空きタイムスロットを割り当てるようにしてもよい。

タイムスロットを複数用意しておくことで、複数の車載通信装置が路側通信装置の通信領域内で通信することが可能となる。また、新たに通信領域に進入する車載通信装置に対しては、いまだにいずれの車載通信装置にも割り当てていない空きタイムスロットを割り当てることで、他の車載通信装置との通信の競合を確実に回避することが可能となる。

また、前記通信システムにおいて、前記タイムスロット通知手段は、タイムスロットを割り当てた車載通信装置が以下のうち少なくとも１つに該当する状態になったと判断できる場合に、割り当てた前記タイムスロットを空きタイムスロットとするようにしてもよい。
（１）タイムスロットを割り当てた車載通信装置が予約方式による無線通信を停止した状態
（２）タイムスロットを割り当てた車載通信装置が前記所定の領域外に退出した状態

また、前記通信システムにおいて、前記タイムスロット通知手段は、前記所定の領域の略境界に該当する地点であって前記所定の領域外へ退出する方向の車線上に設置された出口光ビーコンが前記タイムスロットを割り当てた車載通信装置との間で光通信を行った場合に、割り当てた前記タイムスロットを空きタイムスロットとするようにしてもよい。

また、前記通信システムにおいて、前記タイムスロット通知手段は、前記所定の領域の略境界に該当する地点であって前記所定の領域内へ進入する方向の車線上に設置された入口光ビーコンが前記タイムスロットを割り当てた車載通信装置との間で光通信を行った時点からの経過時間が所定の第四の閾値を超えた場合に、割り当てた前記タイムスロットを空きタイムスロットとするようにしてもよい。

また、前記通信システムにおいて、前記タイムスロット通知手段は、前記タイムスロットを割り当てた車載通信装置から最後にデータを受信した時点からの経過時間が所定の第五の閾値を超えた場合に、割り当てた前記タイムスロットを空きタイムスロットとするようにしてもよい。

これらの方法によれば、一旦割り当てたタイムスロットを適切な時点で空きタイムスロットとすることが可能になる。これにより、既にタイムスロットの割当てを必要としない状態となった時点以降にタイムスロットを割り当てたままとなってしまう無駄を省き、通信帯域を効率よく使用することが可能となる。

また、前記通信システムにおいて、前記コンテンション方式は、ＣＳＭＡ方式又はスロッテドアロハ方式であってもよい。

一方、本発明の路側通信システムは、道路付近に設置され、車載通信装置との間で、前記道路上の所定の領域において時分割多元アクセスのうち通信用タイムスロットが他の装置と競合しないように事前に割り当てられる予約方式による無線通信を行う路側通信装置と、前記道路上に設置され、前記所定の領域の略境界に該当する地点において前記車載通信装置との間で光通信を行う光ビーコンとを含む路側通信システムであって、前記光ビーコンは、前記車載通信装置との光通信に際して、前記路側通信装置との予約方式による無線通信を開始又は停止するように通知し、開始の場合には、当該無線通信において用いられるタイムスロットに関するタイムスロット情報を通知する手段を有することを特徴とするものである。

本発明によれば、光ビーコンによって、無線通信を行う路側通信装置の通信領域に進入又は通信領域外へ退出する車載通信装置に対し、予約方式での通信を開始又は停止すべきタイミングを正確に通知することが可能となる。光ビーコンの光通信領域は狭小な範囲に限定されているため、前記路側通信装置の通信領域の境界に設定することが可能である点で、車載通信装置への通知手段として適している。

また、本発明の路側通信装置、光ビーコン及び車載通信装置は、前記通信システム及び路側通信システムのいずれかのシステムに用いられるものである。

本発明の通信システムによれば、予約方式で通信データを送信する路側通信装置が設置されている地域において、コリジョンの発生を回避し、データを路側通信装置や他の車載通信装置に対して送信できる確率を高めることができる。

図１は、高度道路交通システムの一例としての、本発明の一実施形態による通信システムの構成を示す図である。通信システムは、交通管制センター１と接続され、道路上を走行する車両に搭載された車載通信装置３と、道路付近に設置され、車載通信装置３との間で、道路上の所定の領域において、時分割多元アクセスのうち通信用タイムスロットが他の装置と競合しないように事前に割り当てられる予約方式による無線通信を行う路側通信装置２と、道路上に設置され、所定の領域の略境界に該当する地点において車載通信装置３との間で光通信を行う光ビーコン４と、それらの間を結ぶ回線網とにより、構成される。

当該回線網のうち、交通管制センター１と路側通信装置２及び光ビーコン４との間は有線（無線も可）で接続され、路側通信装置２同士（路路間）、路側通信装置２と車載通信装置３との間（路車間／車路間）、及び、車載通信装置３同士（車車間）には、無線通信が用いられる。

光ビーコン４は近赤外線を用いた光通信により、車載通信装置３との間で、双方向に通信可能である。光ビーコン４は道路上の各車線に対応して設置された１又は複数の投受光器から路上を走行する車両に向けて近赤外線の光信号を送出しており、その投受光エリアを通過する車両の車載通信装置３との間で、通信を行うことができる。光ビーコン４の投受光エリアは比較的狭く、スポット的である。従って、光ビーコン４と車載通信装置３との１対１の通信が可能である。このような光ビーコン４は、主要幹線道路の随所に設置されている（図１では１箇所のみ図示している。）。

ここで、光ビーコン４と車載通信装置３との間で行われる光通信の概要は以下の通りである。光ビーコン４は、常時車線通知情報等を所定の周期で送信し続けている。車載通信装置３は光通信可能な領域に進入した時点で前記車線通知情報を受信し、これに応じて車載通信装置３の車両ＩＤ情報を含むアップリンク情報を光ビーコン４に対して送信する。光ビーコン４は、前記アップリンク情報を受信したら、当該アップリンク情報を受信した車線の番号とその車両ＩＤ情報を対応付けた情報を前記車線通知情報に含ませて車載通信装置３に送信する。これにより、車載通信装置３は、自身の走行する車線の番号を認識することも可能となる。なお、前記車両ＩＤ情報は、その車載通信装置に固有に割り当てられる文字列もしくは数値列又はこれらの組み合わせを指す。

上記のような通信システムにおいては、限られた周波数帯域内で、時分割多重方式により、路路間、路車間、車路間、車車間の各通信が行われる。図２はフレーム構成の一例であり、路路、路車、車路、及び、車車の各タイムスロット（以下、単にスロットともいう。）によって１フレームが構成されている。

また、図３の（ａ）は、車載通信装置から送信されるデータフォーマットの一例であり、ヘッダ、受信品質、車両の位置、方向（進行方向）、速度、モード、データが含まれている。ヘッダには、プリアンブルや前記車両ＩＤ情報等が含まれる。受信品質とは、車載通信装置から見たＣ／Ｎ(Carrier to Noise Ratio)、ＲＳＳｉ(Receive Signal Strength Indication)等である。モードとは、車両が路側通信装置の制御下にあるインフラモードか、又は、自律制御のアドホックモードであるかを示す情報である。ここで、インフラモードは、予約方式の一例であり、アドホックモードはコンテンション方式の一例である。

図３の（ｂ）は、路側通信装置２が車載通信装置３に送信するデータフォーマットの一例である。ここで、サービス情報とは、現在路側が実施しているサービスに関する情報が格納されている。例えば、現在安全運転を支援するための情報が送られているとか、ドライバへの時事情報の提供や動画情報の提供をしているといった情報である。また、これらには、複数のサービスのうちどのサービスが提供されているのかや、そのサービスの品質レベルがどの程度か（動画情報の画像転送速度や情報の分解能などに応じたレベル等）といった情報などを含んでいても良い。

信号情報とは、路側通信装置の近傍に設置される１又は複数の信号機の現在及び将来の表示に関する情報等であり、例えば現在の信号灯色やその継続秒数、将来表示される信号灯色の順番やその継続秒数、信号制御の種類に関する情報（地点感応制御を実施しているかどうかや分散制御処理機能付き交通信号制御機かどうかについての情報など）が格納される。道路形状情報とは、路側通信装置の設置された近辺における道路の形状に関する詳細を定義した情報であり、道路の車線数や勾配、前方の停止線の位置や当該停止線までの距離に関する情報などが含まれている。

また、他のアプリケーションデータには、路側通信装置が車載通信装置に対して送信すべき画像情報や近辺の地域情報などが格納されていても良い。
なお、路路間通信においても、同様のフォーマットで、信号機間において情報交換すべき、車両感知器における交通量等の情報や信号制御プランに関する情報などを送受信する。

図４は、路側通信装置２、車載通信装置３及び光ビーコン４の内部構成を示すブロック図である。路側通信装置２は、アンテナ２０に接続された通信部（送受信部）２１と、通信に関する制御を行う制御部２２と、必要な情報が格納された記憶部２３とを備えている。

車載通信装置３は、アンテナ３０に接続された通信部（送受信部）３１と、通信に関する制御を行う制御部３２と、ＩＤ等固有の情報を記憶する記憶部３３と、光ビーコン用の投受光部３４とを備えている。光ビーコン４は、道路に設置された支持枠５（図１）の水平部分に取り付けられた１又は複数のビーコンヘッド４０及びそれに内蔵された投受光部４１と、その近傍の、例えば支持枠５の垂直部分に取り付けられた制御部４２とを備えている。路側通信装置２の制御部２２及び複数の光ビーコン４の制御部４２は相互に接続され、かつ、交通管制センター１（図１）にも接続されている。

図５は、例えば東西南北に道路が交差した市街地の道路を平面視した状態を示す略図である。中央の交差点には路側通信装置２及びそのアンテナ２０が設けられており、これにより、東西及び南北に双指向性の、路車間通信エリアＡ（以下、単に通信エリアＡという。）が形成されている。路側通信装置２は、当該通信エリアＡ内に存在する各車載通信装置３の通信のタイミングを管理することができる。
なお、前記アンテナ２０は必ずしも指向性を有していなくても良い。

東西方向のエリア終端及び南北方向のエリア終端（終端近傍でもよい。）には、それぞれ、車線（上り・下り）に対応して光ビーコンが設けられている。ここでは説明の簡略化のため、１つの道路につき入口光ビーコン４ｓ（通信エリアＡの入口），出口光ビーコン４ｅ（通信エリアＡの出口）が一対設けられている、とする。以下、このような入口光ビーコン４ｓ，出口光ビーコン４ｅを利用したモード切替（インフラモード／アドホックモード）について説明する。

まず予め、路側通信装置２は、通信エリアＡ内に多数の車両が存在していても各車両の車載通信装置３が利用可能な十分な数のスロットを用意しておく。ここで、利用可能なスロットはいずれも空き状態である、とする。
図６は、モード切替を行う通信システムの動作を示す図である。図５の車両Ｘ又はＹ（車載通信装置３）が、矢印の方向に直進し、入口光ビーコン４ｓの投受光エリアに入ると、入口光ビーコン４ｓと車載通信装置３との通信が行われる（ステップＳ３１，Ｓ４１）。この通信により、入口光ビーコン４ｓは車載通信装置３を検出し、車載通信装置３は入口光ビーコン４ｓから通信エリアＡ内に入ったことの通知を受ける。

これにより、車載通信装置３は、アドホックモードからインフラモードにモード切替を行う（ステップＳ３２）。一方、入口光ビーコン４ｓは、路側通信装置２と通信（有線）を行い（ステップＳ２１，Ｓ４２）、車載通信装置３に関する情報を路側通信装置２に提供する。これに対して路側通信装置２は、当該車載通信装置３に割り当てる１又は複数のタイムスロットの識別番号等を、入口光ビーコン４ｓを通知手段として利用して、車載通信装置３に通知する（ステップＳ４３）。車載通信装置３は、これにより、インフラモードで自己が送信できるタイミングを知る（ステップＳ３３）。以上の処理は、車載通信装置３が入口光ビーコン４ｓの投受光エリア内にある間に、実質的に瞬時に行われる。その後、通信エリアＡ内を進行する車載通信装置３は、割り当てられたタイムスロットを利用して、直ちに車路間・車車間の通信を行うことができる（ステップＳ３４，Ｓ２２）。

ここで、ステップＳ４３で割り当てるスロットを通知する場合、車載通信装置３が入口光ビーコン４ｓに対して送信するアップリンク情報に含まれる当該車載通信装置３の車両ＩＤ情報とスロットの識別番号等を対応付けたタイムスロット情報を作成して送信することが好ましい。特に、複数の車載通信装置がタイムスロット情報を受信しうる場合、前記車載通信装置３は、自身に割り当てられたタイムスロットがどれであるかを正確に知ることが可能となる。

なお、１の車載通信装置３に複数のタイムスロットを割り当てる場合、車載通信装置３がデータ送信可能なタイムスロット（車路間通信及び車車間通信の双方に使用可能なタイムスロット）として割り当てても良いし（図７のａ）、車路間通信専用のタイムスロットと車車間通信専用のタイムスロットをそれぞれ割り当てるようにしても良い（図７のｂ）。車路間と車車間で使用するタイムスロットを分離した場合、情報を受信する側の装置が自分宛の情報か否かを容易に認識することが可能となる。

次に、車載通信装置３が通信エリアＡから出ようとするとき、出口光ビーコン４ｅの投受光エリアに入る（図５）。これにより、出口光ビーコン４ｅと車載通信装置３との通信が行われ（ステップＳ３５，Ｓ４５）、出口光ビーコン４ｅは車載通信装置３を検出し、車載通信装置３は出口光ビーコン４ｅから通信エリアＡ外に出た（若しくは出ようとしている）ことの通知を受ける。

これにより、車載通信装置３は、インフラモードからアドホックモードにモード切替を行う（ステップＳ３６）。一方、出口光ビーコン４ｅは、路側通信装置２と通信（有線）を行い（ステップＳ２３，Ｓ４６）、車載通信装置３に関する情報を路側通信装置２に提供する。これに対して路側通信装置２は、当該車載通信装置３へのスロット割当を解除し、当該スロットを空き状態とする。

以上のようなモード切替の処理が、通信エリアＡ内に進入してきた全ての車両の車載通信装置３に対して行われる。路側通信装置２は、新しい車載通信装置３が進入するたびに、スロットが競合しないように割当を行う。また、通信エリアＡから退出した車載通信装置３に割り当てられていたスロットは、割当解除により、それ以降に通信エリアＡに進入してくる他の車載通信装置３に割当可能となる。

以上のようにして、車両と共に移動する車載通信装置３は、光ビーコン４ｓ，４ｅの各々との１対１の通信に基づいて、路側通信装置２の通信エリアＡに入る時期及び通信エリアＡから出る時期を正確に捉えることができるので、アドホックモード／インフラモードの切り替えを適時に、かつ、確実に行うことができる。

なお、基本的には上記の処理を常に行うことが可能であるが、万一、通信エリアＡへの出入りの際に、車両の車載通信装置３と光ビーコン４ｓ，４ｅとの通信が失敗に終わった場合には、以下のような例外的処理を行うようにしてもよい。

まず、車載通信装置３が入口光ビーコン４ｓからの信号（エリア内通知信号）を受信しないまま当該車両が通信エリアＡに入ってしまった場合に、インフラモードへのモード切替を可能とするためには、車載通信装置３が常時、現在の場所でのインフラ側からの電波強度を測定し、所定以上の強度であればインフラモードに切り替える等の方法を用いれば良い。

このような判断に基づいてアドホックモードからインフラモードに切り替えた場合、当該車載通信装置３は、ＣＳＭＡやスロッテドアロハなどの方式によって路側通信装置２に対してタイムスロットの割当てを要求するデータを送信する。この要求に応じて、路側通信装置２は、当該車載通信装置３にタイムスロットを割り当てて通知する。
この場合に割り当てられるのは、割当を行う時点において他の車載通信装置や路側通信装置に割り当てられていないスロット（空きスロット）である（図７のａ参照）。なお、路側通信装置２の送信スロットは、路路間もしくは路車間の送信に使われており、原則として静的かつ半永久的に割り付けられている。車載通信装置３の送信スロットは、車車間もしくは車路間での送信に使われ、原則として路側から動的に期限付きで割り当てられる。

一方、車載通信装置３が出口光ビーコン４ｅからの信号（エリア外通知信号）を受信しないまま当該車両が通信エリアＡ外に出てしまった場合、あるいはそもそも出口光ビーコン４ｅを設置していない場合には、通信エリアＡに進入してから（予約方式の通信を開始してから）の経過時間が所定以上（例えば１分など）になった時点でモードを切り替えても良いし、通信エリアＡ内での無通信状態にタイムアウト値を設けることにより、モード切替を行うようにしても良い。例えば、車載通信装置３が、最後に路側通信装置２からの情報提供を受信してから所定の時間（例えば１０秒など）が経過するとタイムアウトとして、出口光ビーコン４ｅからの信号を受信しなくても、自動的にアドホックモードへの切替を行うようにすればよい。また、路側通信装置付近の道路形状や詳細な地図に該当する情報と共に、当該地図上の通信エリアＡの境界に関する地理的な情報を取得できている場合には、自車の位置と取得した前記情報とに基づいて、自車が通信エリアＡ内にとどまっているか否かを判断するようにしても良い。

また、上記のような時間（タイムアウト値）ではなく、通信エリアＡ内に入ってからの走行距離を車載通信装置３が自主管理することにより、当該走行距離が所定値に達したらアドホックモードに切り替えるようにしてもよい。この場合、通信エリアＡ内で渋滞や事故が発生した場合でも、通信エリアＡからの退出のタイミングをほぼ正確に把握することができる。なお、時間及び走行距離の両方を考慮して通信エリアＡからの退出のタイミングを捉えるようにしてもよい。

なお、上記実施形態では基本的に光ビーコンによる光通信によってモード切替とスロット割当の双方を行うようにしたが、光ビーコンによる光通信によってモード切替とスロット割当解除のみを行うようにし、スロットの割当を路側通信装置２からの無線通信によって行うことも可能である。
すなわち、光ビーコンによる光通信を、通信エリアＡへの進入や通信エリアＡ外への退出を車載通信装置側に知らせるために利用した上で、実際にスロットの識別番号を車載通信装置側に通知するといった処理に関しては路側通信装置２の無線通信等の別の通信手段を用いるようにしても良い。
また、光ビーコンの代わりにＧＰＳ情報を利用することも可能である。但し、現状では光ビーコンの方がＧＰＳよりも位置精度が高い。

一方の路側通信装置２は、車載通信装置３から予約方式による無線通信を停止する旨又は通信エリアＡの領域外に退出する旨の通知を受け取った場合に、その時点で当該車載通信装置３のタイムスロットを解除するようにすれば良い。また、出口光ビーコンｅが設置されているのであれば、当該出口光ビーコンｅにおいて車載通信装置３の車両ＩＤ情報を含むアップリンク情報が受信されたことを確認した時点で解除しても良いし、出口光ビーコンｅが設置されていなければ、車載通信装置３に割り当てたタイムスロットを使用した通信が所定時間以上行われなくなった時点で解除しても良い。また、タイムスロットを割り当ててからの経過時間にタイムアウト時間を設けて、そのタイムアウト時間が経過した時点で解除しても良い。またこれらの条件を組み合わせて用いることもできる。

なお、車載通信装置３に動的に割り当てられるタイムスロットに関する情報は、他の路側通信装置との間で互いに共有しておくことが望ましい。
路側通信装置が割り当てたタイムスロットを使用する車載通信装置の電波到達領域が通常よりも広く、隣接する路側通信装置の通信エリアにまで届くことも考えられるためである。近隣の路側通信装置間で情報を共有することで、隣接する路側通信装置が車載通信装置に割当て済みのタイムスロットをできるだけ使用しないようにすることが可能となり、より一層通信の競合回避が確実なものとなる。

また、上記実施形態では図５における交差点を車両が直進することを想定した説明をしたが、交差点で曲がる場合も同様に、出口の光ビーコンと車載通信装置との通信によって、通信エリアＡからの退出を検出することができる。市街地の道路は上り・下りが明確に分かれているので、直進・右折・左折にかかわらず、入口と出口にそれぞれ光ビーコンを配置することができる。

また、通信エリアＡに入った後、交差点以外の脇道・小径に車両が入り込み、本来予想される出口を通過しない場合も考えられるが、このような場合でも、上述のタイムアウト値を用いること等で、支障のない運用が可能である。

また、上記実施形態では路側通信装置２によりスロット割当が行われるようにしたが、路側通信装置２や光ビーコン４の上位にある中央制御部（例えば交通管制センター１内）によって行われるようにしてもよい。

なお、この実施形態では、インフラモードに切り替わった車載通信装置３は使用を許可されたタイムスロットにおいて、路側通信装置２へのデータ送信（車路間通信）及び他の車載通信装置へのデータ送信（車車間通信）の双方をノンコンテンション方式で行うようにしたが、車路間通信のみをノンコンテンション方式で実施するようにしても良く、車車間通信については、任意の車載通信装置が車車間通信を行うために用意された車車間通信用タイムスロットを使用するようにしても良い。この場合、この車車間通信用タイムスロットは、いわゆるコンテンション方式で各車載通信装置が競合して使用するように構成されていても良い（図７のｃ）。この方法の場合、車載通信装置３に通知されるタイムスロット情報には、当該車載通信装置３が車路間通信に使用可能なタイムスロットの情報と共に、コンテンション方式で使用可能な車車間通信用タイムスロットの情報を含ませるようにすれば良い。

つまり、路側通信装置の送受信に関わるタイムスロットについては、事前に競合しないように予約しておくノンコンテンション方式とし、車車間通信については、競合しても良いスロットを１又は複数用意してコンテンション方式で使用させるようにする、という方法を用いることもできるのである。このように、通信エリアＡ内でノンコンテンション方式とコンテンション方式で使用するタイムスロットを区分けした上で、混在して使用することも可能である。
この方法によれば、路側通信装置２との通信に比べて車車間通信の重要性が低い地域や車車間通信の頻度が比較的小さいケースなどの場合には、車路間に割り当てるタイムスロットをより多く確保できるという利点がある。

また、車路間通信用のタイムスロットの一部をコンテンション方式とする方法でも良い。通信エリアＡに進入する際に入口光ビーコン４ｓとの光通信に失敗した車載通信装置については、このコンテンション方式で使用を許される車路間通信用のタイムスロットを使用して、路側通信装置２に対して直接ノンコンテンション方式のタイムスロットの割り当てを要求しても良い。
以上のように、ノンコンテンション方式のタイムスロットに加えて、予備的にコンテンション方式のタイムスロットを混在させることで、システムの融通性や柔軟性が向上し、例外処理などを実行する場合に活用することができる。

なお、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、上記した意味ではなく、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及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

本発明の一実施形態による通信システムの構成を示す図である。 フレーム構成の一例である。 車載通信装置から送信されるデータフォーマットの一例及び、路側通信装置が車載通信装置に送信するデータフォーマットの一例である。 路側通信装置、車載通信装置及び光ビーコンの内部構成を示すブロック図である。 東西南北に道路が交差した市街地の道路を平面視した状態を示す略図である。 モード切替を行う通信システムの動作を示す図である。 タイムスロットの構成例を示す図である。

符号の説明

２ 路側通信装置
３ 車側通信装置
４ 光ビーコン
４ｓ 入口光ビーコン
４ｅ 出口光ビーコン
Ａ 路車通信エリア

Claims (17)

1. 道路上を走行する車両に搭載された車載通信装置と、
   前記道路付近に設置され、前記車載通信装置との間で、前記道路上の所定の領域において、時分割多元アクセスのうち通信用タイムスロットが他の装置と競合しないように事前に割り当てられる予約方式による無線通信を行う路側通信装置と、
   前記道路上に設置され、前記所定の領域の略境界に該当する地点において前記車載通信装置との間で光通信を行う光ビーコンとを含む通信システムであって、
   前記光ビーコンは、前記路側通信装置との予約方式による無線通信を開始する車載通信装置に対して、当該予約方式による無線通信において用いられるタイムスロットに関するタイムスロット情報を通知するタイムスロット通知手段を有し、
   前記車載通信装置は、前記光ビーコンとの間で行われる光通信に応じて、前記予約方式による無線通信を開始又は停止し、かつ、当該無線通信には前記タイムスロットを使用する無線通信手段を有すること
   を特徴とする通信システム。
2. 前記無線通信手段は、
   前記所定の領域の略境界に該当する地点であって前記所定の領域内へ進入する方向の車線上に設置された入口光ビーコンとの間で光通信を行った時点で予約方式による無線通信を開始し、
   前記所定の領域の略境界に該当する地点であって前記所定の領域外へ退出する方向の車線上に設置された出口光ビーコンとの間で光通信を行った時点で予約方式による無線通信を停止すること
   を特徴とする請求項１に記載の通信システム。
3. 前記無線通信手段は、
   前記所定の領域の略境界に該当する地点であって前記所定の領域内へ進入する方向の車線上に設置された入口光ビーコンとの間で光通信を行った時点で予約方式による無線通信を開始し、
   以下のうち少なくとも１つに該当する場合に、前記予約方式による無線通信を停止すること
   を特徴とする請求項１に記載の通信システム。
   （１）前記開始時点からの経過時間が所定の第一の閾値を超えた場合
   （２）前記開始時点からの走行距離が所定の第二の閾値を超えた場合
   （３）前記開始時点以降に路側送信装置から最後にデータを受信した時点からの経過時間が所定の第三の閾値を超えた場合
4. 前記無線通信手段は、
   予約方式による無線通信を開始している場合には、他の車両に搭載された車載通信装置との間においても予約方式による無線通信を行い、
   予約方式による無線通信を停止している場合には、他の車両に搭載された車載通信装置との間で、時分割多元アクセスのうち通信用タイムスロットが他の装置と競合する可能性のあるコンテンション方式による通信を行うこと
   を特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の通信システム。
5. 前記無線通信手段は、
   前記路側通信装置との間での予約方式による無線通信を停止した場合に、当該停止した旨を前記路側通信装置に通知する車載通信装置通知手段を有すること
   を特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の通信システム。
6. 前記路側通信装置は、近接する他の路側通信装置との間で予約方式による無線通信を行うこと
   を特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の通信システム。
7. 前記タイムスロット情報には、前記車載通信装置に割り当てられた車両ＩＤ情報と当該車両ＩＤ情報に応じたタイムスロットとの組み合わせが含まれており、
   前記車載通信装置の無線通信手段は、
   通知されたタイムスロット情報に含まれる自己に割り当てられた車両ＩＤ情報に応じたタイムスロットを用いてデータを外部に送信することを特徴とする請求項１に記載の通信システム。
8. 前記タイムスロット通知手段は、
   車載通信装置に割り当てるタイムスロットを複数用意しており、
   前記光通信に応じて前記路側通信装置との予約方式による無線通信を開始する車載通信装置に対して、用意している前記タイムスロットのうち、他の車載通信装置に割り当てられていない空きタイムスロットを割り当てること
   を特徴とする請求項１又は７に記載の通信システム。
9. 前記タイムスロット通知手段は、
   タイムスロットを割り当てた車載通信装置が以下のうち少なくとも１つに該当する状態になったと判断できる場合に、割り当てた前記タイムスロットを空きタイムスロットとすることを特徴とする請求項８に記載の通信システム。
   （１）タイムスロットを割り当てた車載通信装置が予約方式による無線通信を停止した状態
   （２）タイムスロットを割り当てた車載通信装置が前記所定の領域外に退出した状態
10. 前記タイムスロット通知手段は、
    前記所定の領域の略境界に該当する地点であって前記所定の領域外へ退出する方向の車線上に設置された出口光ビーコンが前記タイムスロットを割り当てた車載通信装置との間で光通信を行った場合に、割り当てた前記タイムスロットを空きタイムスロットとすること
    を特徴とする請求項８に記載の通信システム。
11. 前記タイムスロット通知手段は、
    前記所定の領域の略境界に該当する地点であって前記所定の領域内へ進入する方向の車線上に設置された入口光ビーコンが前記タイムスロットを割り当てた車載通信装置との間で光通信を行った時点からの経過時間が所定の第四の閾値を超えた場合に、割り当てた前記タイムスロットを空きタイムスロットとすること
    を特徴とする請求項８に記載の通信システム。
12. 前記タイムスロット通知手段は、
    前記タイムスロットを割り当てた車載通信装置から最後にデータを受信した時点からの経過時間が所定の第五の閾値を超えた場合に、割り当てた前記タイムスロットを空きタイムスロットとすること
    を特徴とする請求項８に記載の通信システム。
13. 前記コンテンション方式は、ＣＳＭＡ方式又はスロッテドアロハ方式であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の通信システム。
14. 道路付近に設置され、車載通信装置との間で、前記道路上の所定の領域において時分割多元アクセスのうち通信用タイムスロットが他の装置と競合しないように事前に割り当てられる予約方式による無線通信を行う路側通信装置と、
    前記道路上に設置され、前記所定の領域の略境界に該当する地点において前記車載通信装置との間で光通信を行う光ビーコンとを含む路側通信システムであって、
    前記光ビーコンは、
    前記車載通信装置との光通信に際して、前記路側通信装置との予約方式による無線通信を開始又は停止するように通知し、開始の場合には、当該無線通信において用いられるタイムスロットに関するタイムスロット情報を通知する手段を有すること
    を特徴とする路側通信システム。
15. 請求項１〜１３に記載の通信システム、ならびに、請求項１４に記載の路側通信システム、のいずれかのシステムに用いられることを特徴とする路側通信装置。
16. 請求項１〜１３に記載の通信システム、ならびに、請求項１４に記載の路側通信システム、のいずれかのシステムに用いられることを特徴とする光ビーコン。
17. 請求項１〜１３に記載の通信システム、ならびに、請求項１４に記載の路側通信システム、のいずれかのシステムに用いられることを特徴とする車載通信装置。

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