JP5387003B2

JP5387003B2 - 地上無線装置

Info

Publication number: JP5387003B2
Application number: JP2009009876A
Authority: JP
Inventors: 伸幸河原; 知也松田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-01-20
Filing date: 2009-01-20
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2029-01-20
Also published as: JP2010167822A

Description

この発明は、列車に搭載された車載無線装置との間で無線通信を行う地上無線装置に関するものである。

昨今の列車無線においてはＬＣＸや無線ＬＡＮ等の各種技術が広く用いられており、データ伝送や電話などのサービスに利用されている。さらに最近では、車輌の中で旅客に対してＣＭ等の動画コンテンツを配信するサービスが開始され、列車無線においても広帯域の無線回線が要求されるようになっている。しかし、従来の列車無線システムでは無線の回線容量が小さく、動画コンテンツなどの大容量無線伝送ができないため、ミリ波のように周波数が高く、伝送速度が高い電波を用いて短期間で大容量の情報を効率よく伝送することが行われている。但し、ミリ波は周波数が数十ＧＨｚと高く電波の指向性が強いため、地上無線機のアンテナと列車搭載のアンテナを高精度に正対させて使用する必要がある。アンテナの指向性を制御する手段として特許文献１ではＧＰＳを用いて列車位置を検出しているが、ミリ波帯無線通信における高精度なアンテナ制御に不向きである。また、地下鉄ではＧＰＳの電波が届かないため、鉄道の信号設備から得られる情報に基づく制御が必要となる。

特開２００４−１６８２１６

駅構内に列車が停車している際に車載無線装置と地上無線装置との間で動画コンテンツなどの大容量データを短時間で伝送するためには、周波数が高く広い帯域を確保することができるミリ波帯などの電波を用いる必要があるが、周波数の高い電波は指向性が強く車載無線装置のアンテナと地上無線装置のアンテナを正対させる必要が生じる。そのため、駅停車中の列車に搭載された車載無線装置に対して通信を行う地上無線装置を、列車の停車位置にあわせてその停車位置の数と同数設置することも考えられるが、地上無線装置の数が多くなり、設備費用および工事費が大きくなってしまうという問題点があった。また、特に地下鉄などの駅構内では元々設置場所が少ない上、他の信号設備等が既設されていることも多く、同一駅構内に複数の地上無線装置を設置するための場所を確保することがさらに困難になるという問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、信号設備から得られる列車情報に基づいて指向性アンテナを制御し、停車中の列車に搭載された車載無線装置との間で無線通信を行うことができる地上無線装置を得ることを目的とする。

請求項１の発明に係る地上無線装置は、地上に設置され、第１の線路に停車する列車に搭載された車載無線装置の方向と第２の線路に停車する列車に搭載された車載無線装置の方向とにビーム指向方向が可変であるアンテナ部と、このアンテナ部により送受信した信号を処理する送受信部と、列車の入線により生じる在線検知信号と車両識別信号とが入力され、上記第１の線路に列車が停車していることが通知された場合には、ビーム指向方向が上記第１の線路に停車している列車に搭載された車載無線装置の方向に向くように上記アンテナ部へ制御信号を送出し、列車の入線により生じる在線検知信号と車両識別信号とが入力され、上記第１の線路及び上記第２の線路にそれぞれ列車が停車していることが通知された場合には、ビーム指向方向が上記第１の線路に停車している列車に搭載された車載無線装置の方向とビーム指向方向が上記第２の線路に停車している列車に搭載された車載無線装置の方向とに時分割で向くように上記アンテナ部へ制御信号を送出する電波放射制御部とを備えたものである。

請求項２の発明に係る地上無線装置は、上記電波放射制御部が、上記第１の線路に列車が停車している場合に、上記第１の線路に停車している列車の上記第１の線路の停車位置に応じて、上記アンテナ部へビーム指向方向を変化させる制御信号を送出することを特徴とする請求項１に記載のものである。

請求項３の発明に係る地上無線装置は、上記電波放射制御部が、上記第１の線路に列車が停車している場合に、上記第１の線路に停車している列車の上記第１の線路の停車位置に応じて、上記アンテナ部へビーム指向方向を変化させる制御信号を送出することを特徴とする請求項１に記載のものである。

請求項４の発明に係る地上無線装置は、上記アンテナ部が、機械的に又は電気的にビーム指向方向を可変するビーム可変手段を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のものである。

請求項５の発明に係る地上無線装置は、上記電波放射制御部が、第１の線路に停車する列車に搭載された車載無線装置の方向と、第２の線路に停車する列車に搭載された車載無線装置の方向とが記述された情報テーブルを有し、上記第１の線路及び上記第２の線路に列車が停車している場合に、上記ビーム可変手段に対して時分割的にビーム指向方向を変化させる制御信号を送出することを特徴とする請求項４に記載のものである。

請求項６の発明に係る地上無線装置は、地上に設置され、ビーム指向方向が可変であるアンテナ部と、このアンテナ部により送受信した信号を処理する送受信部と、列車の入線により生じる在線検知信号と車両識別信号とに基づいて、ビーム指向方向が上記列車に搭載された車載無線装置の方向に向くように上記アンテナ部へ制御信号を送出する電波放射制御部とを備え、上記アンテナ部は、第１の停車位置に停車する列車に搭載された車載無線装置の方向に向けられた第１のアンテナ、第２の停車位置に停車する列車に搭載された車載無線装置の方向に向けられた第２のアンテナ、上記第１のアンテナと上記第２のアンテナとを切り替えて上記送受信部に接続する切替手段を有することを特徴とするものである。

請求項７の発明に係る地上無線装置は、地上に設置され、ビーム指向方向が可変であるアンテナ部と、このアンテナ部により送受信した信号を処理する送受信部と、列車の入線により生じる在線検知信号と車両識別信号とに基づいて、ビーム指向方向が上記列車に搭載された車載無線装置の方向に向くように上記アンテナ部へ制御信号を送出する電波放射制御部とを備え、上記アンテナ部は、機械的に又は電気的にビーム指向方向を可変するビーム可変手段を有し、上記電波放射制御部は、停車する列車の複数の停止位置と各停車位置における列車に搭載された車載無線装置の方向とが記述された情報テーブルを有し、上記ビーム可変手段に対してビーム指向方向を変化させる制御信号を送出することを特徴とするものである。

この発明によれば、信号設備から得られる列車情報に基づいて指向性アンテナを制御することにより、地上無線装置と停車中の列車に搭載された車載無線装置との間で無線通信を行うことができることができる。

この発明の実施の形態１に係る地上無線装置を含む列車無線システムの全体構成を示す構成図である。この発明の実施の形態１に係る地上無線装置及び周辺機器を構成するブロック図である。この発明の実施の形態１に係る地上無線装置内の電波放射制御部の実装例を表わす構成図である。この発明の実施の形態１に係る地上無線装置における信号タイミングを表わすタイミングチャート図である。この発明の実施の形態２に係る地上無線装置の構成を表わす機能ブロック図である。この発明の実施の形態２に係る地上無線装置のアンテナ指向方向の情報テーブルである。この発明の実施の形態３に係る地上無線装置を含む列車無線システムの構成を示す構成図である。

実施の形態１

この発明の実施の形態１に係る地上無線装置について、図１から図４を用いて説明する。図１はこの発明の実施の形態１に係る地上無線装置を含む列車無線システムの全体構成を示す構成図である。実施の形態１では、駅に停車中の列車に搭載した車載無線装置９と地上に設置した地上無線装置３との間の通信において、１台の地上無線装置９に付属のアンテナの指向性を制御することによって、異なる番線に停車する列車に搭載された車載無線装置９に対して時分割で通信を行う。地上無線装置３のアンテナのビーム指向方向４は、停車中の各列車に搭載された車載無線装置のアンテナに向くように設置調整する。図１に示すシステム構成は、線路１（１番線）に停車中の列車６と線路２（２番線）に停車中の列車７のそれぞれに搭載される車載無線装置９と車載無線装置１０、地上無線装置３（アンテナを含む）から構成される。地上無線装置３のアンテナは送信電波４の指向性を車載無線装置９と車載無線装置１０とに時分割で切り替え、各車載無線装置との通信を行う。地上無線装置３は、列車６と列車７に向けて、同一の周波数により時分割で電波を放射しており、複数の車載無線装置との間で同時通信を行うものではない。これは、車載無線装置の受信周波数を同一にすることにより、モデムなどの機能を簡素化し、車載無線装置の回路規模が増大しないようにするためである。

図２はこの発明の実施の形態１に係る地上無線装置及び周辺機器を構成するブロック図である。図２に示す地上無線装置３は、アンテナ１１ａ及び１１ｂの電波放射方向を制御する電波放射制御部１２、アンテナ１１ａ及び１１ｂと情報を入出力する送受信部１３を有する。地上無線装置３のアンテナ部は複数のアンテナ（図２においてはアンテナ１１ａ及び１１ｂの２つを記載するが３以上のアンテナでもよい）とスイッチ１４から構成され、各アンテナの方向をあらかじめ所定の角度に調整し、スイッチ１４により送受信部１３に繋がるアンテナを切り替えることにより電波を放射する方向を切り替える。スイッチ１４での切り替えは電波放射制御部１２からの切替制御信号に基づいて行う。地上無線装置３を構成する各機器は一つの筐体内に収納してもよいし、別の装置として独立した場所に設置してもよい。送受信部１３は外部通信装置１５と接続されており、送受信部１３では送受信信号の変復調、増幅等の処理を行う。送受信部１３と外部通信装置１５との間で入出力される送受信信号は、ネットワーク接続環境下でのデジタル信号でもよいし、ＮＴＳＣのようなアナログ信号でもよい。地上信号設備１６は、列車６（又は７）が線路１（又は２）上に存在することを示す在線検知信号と列車６（又は７）から地上子１７が無線受信した車両識別信号とを受け取り、地上無線装置３の電波放射制御部１２に中継する装置である。

つぎに地上無線装置及び周辺機器の動作について説明する。まず運用開始前に、アンテナ１１ａのビーム方向を線路１に入線する列車６に搭載された車載無線装置９のアンテナに向くように調整し、アンテナ１１ｂのビーム方向を線路２に入線する列車７に搭載された車載無線装置１０のアンテナに向くように調整する。ここで、列車６及び列車７の停車位置８が定められているものとし、列車６における車載無線装置９の位置、及び列車７における車載無線装置１０の位置が既知である条件のもと、地上無線装置３のアンテナ１１ａ及び１１ｂからみる車載無線装置９及び車載無線装置１０の各アンテナの方向が求められているものとして、車載無線装置９及び車載無線装置１０の各アンテナのビーム方向が調整される。この運用前のアンテナ調整の後、最初の状態として、線路１と線路２のどちらにも列車が停車していない状態を考える。この状態では、どちらの線路からも在線検知信号は発生しない。電波放射制御部１２は、地上信号設備１６を介して在線検知信号が入力されていない状態では、アンテナ１１ａ及び１１ｂと、送受信部１３との間の通信を切断する制御信号（切断信号）をスイッチ１４に送出する。

次の状態として、線路１に列車６が入線し停車位置８に停車した状態を考える。この状態では、線路１で在線検知信号が発生し、地上子１７により列車６の車両識別信号が生成され、これらの信号が地上信号設備１６に入力される。地上信号設備１６から在線検知信号及び車両識別信号が電波放射制御部１２に入力されることによって、電波放射制御部１２は停車位置８に列車６が停車したことを通知される。電波放射制御部１２はアンテナ１１ａと送受信部１３とが接続されるようにスイッチ１４に制御信号（選択信号）を送出し、スイッチ１４はこの制御信号に基づき、アンテナ１１ａと送受信部１３とが接続されるよう接続切替をする。

さらに次の状態として、線路１に列車６が停止している状態のまま、線路２に列車７が入線し停車位置８に停車した状態を考える。この状態では、線路２で在線検知信号が発生し、地上子１７により列車７の車両識別信号が生成され、これらの信号が地上信号設備１６に入力される。地上信号設備１６から在線検知信号及び車両識別信号が電波放射制御部１２に入力されることによって、電波放射制御部１２は停車位置８に列車７が停車したことを通知される。このとき、電波放射制御部１２はアンテナ１１ａとアンテナ１１ｂとが時分割で送受信部１３に接続されるようにスイッチ１４に制御信号（選択信号）を順次送出し、スイッチ１４は電波放射制御部１２からの制御信号に基づき、送受信部１３に接続するアンテナ１１ａとアンテナ１１ｂとを切り替える。

電波放射制御部１２の構成及び機能の詳細について説明する。電波放射制御部１２への入力は、地上信号設備１６からの在線検知信号と車両識別信号、外部通信装置１５からの通信停止信号であり、電波放射制御部１２からの出力は、スイッチ１４への制御信号、送受信部１３へのフレームタイミング信号であり、電波放射制御部１２は論理回路を用いて構成することが可能であり、例えばＰＬＤ（ＰｒｏｇｒａｍａｂｌｅＬｏｇｉｃＤｅｖｉｃｅ）を用いた実装例を図３に示す。図３において、電波放射制御部１２は一つのＰＬＤ搭載基板１８を有し、ＰＬＤ搭載基板１８には在線検知信号（線路１）、車両識別信号（線路１）、在線検知信号（線路２）、車両識別信号（線路２）、通信停止信号（線路１）、通信停止信号（線路２）が入力される。ＰＬＤ搭載基板１８は各信号から出力を生成する。

図４はこの発明の実施の形態１に係る地上無線装置における信号タイミングを表わすタイミングチャート図である。図４（ａ）は１番線のみに列車が停車している状態でのタイミングチャートであり、在線検知信号（線路１）が立ち上がったのち、車両識別信号（線路１）が生起し、アンテナ１１ａ選択を示す制御信号が電波放射制御部１２から出力される。フレームタイミング信号は０値のままであるが、これはアンテナ１１ａが選択されていることを示している。列車６に搭載された車載無線装置からの送信をきっかけに通信が開始され、地上無線装置３からも情報データなどの送信が行われる。

図４（ｂ）は１番線に列車６が停車しているまま、２番線に列車７が入線し停車する状態でのタイミングチャートである。在線検知信号（線路２）が立ち上がったのち、車両識別信号（線路２）が生起したのち、アンテナ１１ａとアンテナ１１ｂと選択する制御信号が交互に電波放射制御部１２から出力される。このときフレームタイミング信号は０値と１値とを制御信号に合わせて出力する。列車７に搭載された車載無線装置からの送信をきっかけにして、地上無線装置３の送受信部１３は、列車７へも送信を開始するが、この際、タイミング信号が０値のときは列車６への送信信号を、タイミング信号が１値のときは列車７への送信信号をアンテナ側へ出力する。ＰＬＤ搭載基板１８が出力するアンテナ切替えの制御信号の時間間隔Ｔは、あらかじめプリセットされた値が用いられるが、送受信部１３又は外部通信装置１５から設定変更できるようにしてもよい。

また運用上は、線路１と線路２の両方に列車が停車していても、片方の列車で通信が不要な場合がある。例えば、終端駅ではない駅で折り返し運転をする列車が長期間同じ位置で停車し、通信を完了させてしまった場合が考えられる。このような場合には、前記の時間間隔Ｔでアンテナを切り替えることは効率が悪い。このため、図３に示すように電波放射制御部１２に送信停止信号（線路１）と送信停止信号（線路２）を入力する信号線を設け、送信停止信号が発生している線路側へのアンテナ切替制御信号を出力しないようにする。実際には、列車６に搭載された車載無線装置９、または列車７に搭載された車載無線装置１０から地上無線装置３に対して通信が完了したことを示す信号を送信し、送受信部１３にてこの信号を検出し、送信停止信号（線路１）または送信停止信号（線路２）を電波放射制御部１２へ出力するようにすればよい。

以上のように、この実施の形態１に係る地上無線装置３によれば、地上無線装置３内の複数のアンテナを切り替えることによりアンテナ指向性を制御し、駅に入線してくる複数の列車に搭載された車載無線装置との時分割的な通信が可能となる。このようにアンテナ指向性を制御することは、とくにビーム指向性の高いミリ波帯による無線通信に好適であり、高速に大容量の通信を行うことができる。また、地上無線装置３からの送信信号は、時分割で複数の車載無線装置に送信するので、通信方式（周波数、帯域幅、変調型式など）を共通化することができ、これに伴って各列車に搭載される車載無線装置の受信処理系も共通化され１系統で構成でき回路規模も大きくならずに済む。

実施の形態２

この発明の実施の形態２に係る地上無線装置について、図５及び図６を用いて説明する。図５はこの発明の実施の形態２に係る地上無線装置の構成を表わす機能ブロック図である。図５において、１９は機械的に或いは電気的に指向方向を変化させることができるアンテナであり、例えば、アンテナ角度を機械的に変化させる機械駆動装置を具備するもの、或いは、複数のアンテナ素子によりアンテナ開口を構成して各素子の位相を変化させるフェーズドアレイ型のアンテナでは位相制御装置を具備するもの、などとする。図５において、図２と同一の符号を付した部品又は回路は、この実施の形態２において特に説明するほか、図２における部品又は回路と同一又は相当するものとする。電波放射制御部１２は、図３に示すものと同様に構成することができるが、ＰＬＤ搭載基板１８に図６に示すような情報を記録する記録領域を設けたものとする。図６はアンテナ指向方向の情報テーブルであり、線路の番号と、それに対応するアンテナ指向方向を定める角度からなる情報を記述する。電波放射制御部１２は、地上信号設備１６からの在線検知信号及び車両識別信号に基づいて、通信対象の列車が停車している線路の番号に対応するアンテナ指向方向角度を抽出しアンテナ１９へ角度指令する。この角度指令は、図４に示す制御信号を代替するものであり、この指令に基づいてアンテナ１９はアンテナ角度を変更する。また、複数の列車を対象に時分割で通信する際には、電波放射制御部１２は、図４（ｂ）の制御信号として、順次、通信対象とする列車の在線する線路番号に対応するアンテナ指向方向による角度指令を生成し、アンテナ１９へ送出すればよい。

以上のように、この実施の形態２に係る地上無線装置３は、アンテナを時分割で車載無線装置に指向させて通信を行うことができる。

実施の形態３

この発明の実施の形態３に係る地上無線装置について、図７を用いて説明する。図７はこの発明の実施の形態３に係る地上無線装置を含む列車無線システムの構成を示す構成図である。図７に示すように、線路１上には停車位置２０と停車位置２１などのように複数の停車位置があり、例えば、停車位置２０には１０両編成の列車が、停車位置２１には８両編成の列車が停車するような場合を考慮する。図６に示す地上無線装置３は、ホーム５に設置する地上無線装置３のアンテナ指向性を変化させることにより、停車位置２０又は停車位置２１のいずれかに停車する列車６に搭載された車載無線装置９との間で通信を行う。地上無線装置３の構成は図２又は図５の構成を有するものであればよい。但し、停車位置２０と停車位置２１に同時に列車が停車することは無く、地上無線装置３は、停車位置２０又は停車位置２１のいずれかに停車する列車６に搭載された車載無線装置と、図示しない線路２に停車する列車７に搭載された車載無線装置との間で時分割的な通信を行う。

図２に示す地上無線装置３の構成に準じれば、本実施の形態に係る地上無線装置３は、線路１の停車位置２０と停車位置２１に対応してビーム方向が調整される２つのアンテナと、図示しない線路２に停車する列車７に搭載された車載無線装置の方向にビーム方向が調整されるアンテナとを有する。また、図５に示す地上無線装置３の構成に準じれば、本実施の形態にかかる地上無線装置３は、線路１の停車位置２０と停車位置２１に対応してアンテナが向けられる方向と、線路２に停車する列車に搭載された車載無線装置のアンテナの方向とが記述された図６に示す情報テーブルに準じた情報テーブルを備え、その情報テーブルから線路１に関して選択されたいずれかのアンテナ方向と、線路２に関するアンテナ方向とを抽出し、時分割でアンテナ指向方向を変化させる。尚、停車位置２０に停車する列車又は停車位置２１に停車する列車が線路１に入線してきたいずれの場合も線路１からは同じ在線検知信号が生じる地上信号設備にあっても、列車停車時に取得される地上子１７からの車両識別信号により、入線した列車の車両編成が判明するので（車両識別信号と車両編成の情報テーブルを電波放射制御部１２内に有していればよい）、判明した車両編成に基づいて実際の停車位置を特定することができる。

以上のように、この実施の形態３によれば、車両編成が異なる列車が線路に入線し、同じ線路内で停車位置が複数ある場合であっても、地上無線装置３のアンテナを複数個備えておくか、電波放射制御部１２内にそれらの停車位置に対応する情報テーブルを設けておくことにより、地上無線装置３のアンテナの指向性を、時分割的に複数の車載無線装置の方向に変化させて、地上無線装置と車載無線装置との間の通信を行うことができる。

３地上無線装置
４ビーム指向方向
６、７列車
９、１０車載無線装置
１１ａ、１１ｂアンテナ
１２電波放射制御部
１３送受信部
１４スイッチ
１９アンテナ
２０、２１停止位置

Claims

地上に設置され、第１の線路に停車する列車に搭載された車載無線装置の方向と第２の線路に停車する列車に搭載された車載無線装置の方向とにビーム指向方向が可変であるアンテナ部と、このアンテナ部により送受信した信号を処理する送受信部と、
列車の入線により生じる在線検知信号と車両識別信号とが入力され、上記第１の線路に列車が停車していることが通知された場合には、ビーム指向方向が上記第１の線路に停車している列車に搭載された車載無線装置の方向に向くように上記アンテナ部へ制御信号を送出し、
列車の入線により生じる在線検知信号と車両識別信号とが入力され、上記第１の線路及び上記第２の線路にそれぞれ列車が停車していることが通知された場合には、ビーム指向方向が上記第１の線路に停車している列車に搭載された車載無線装置の方向とビーム指向方向が上記第２の線路に停車している列車に搭載された車載無線装置の方向とに時分割で向くように上記アンテナ部へ制御信号を送出する電波放射制御部とを備えた地上無線装置。
上記電波放射制御部は、上記第１の線路に列車が停車している場合に、上記第１の線路に停車している列車の上記第１の線路の停車位置に応じて、上記アンテナ部へビーム指向方向を変化させる制御信号を送出することを特徴とする請求項１に記載の地上無線装置。
上記アンテナ部は、上記第１の線路に停車する列車に搭載された車載無線装置の方向に向けられた第１のアンテナ、上記第２の線路に停車する列車に搭載された車載無線装置の方向に向けられた第２のアンテナ、上記第１のアンテナと上記第２のアンテナとを切り替えて上記送受信部に接続する切替手段を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の地上無線装置。
上記アンテナ部は、機械的に又は電気的にビーム指向方向を可変するビーム可変手段を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の地上無線装置。
上記電波放射制御部は、第１の線路に停車する列車に搭載された車載無線装置の方向と、第２の線路に停車する列車に搭載された車載無線装置の方向とが記述された情報テーブルを有し、上記第１の線路及び上記第２の線路に列車が停車している場合に、上記ビーム可変手段に対して時分割的にビーム指向方向を変化させる制御信号を送出することを特徴とする請求項４に記載の地上無線装置。
地上に設置され、ビーム指向方向が可変であるアンテナ部と、このアンテナ部により送受信した信号を処理する送受信部と、列車の入線により生じる在線検知信号と車両識別信号とに基づいて、ビーム指向方向が上記列車に搭載された車載無線装置の方向に向くように上記アンテナ部へ制御信号を送出する電波放射制御部とを備え、
上記アンテナ部は、第１の停車位置に停車する列車に搭載された車載無線装置の方向に向けられた第１のアンテナ、第２の停車位置に停車する列車に搭載された車載無線装置の方向に向けられた第２のアンテナ、上記第１のアンテナと上記第２のアンテナとを切り替えて上記送受信部に接続する切替手段を有することを特徴とする地上無線装置。
地上に設置され、ビーム指向方向が可変であるアンテナ部と、このアンテナ部により送受信した信号を処理する送受信部と、列車の入線により生じる在線検知信号と車両識別信号とに基づいて、ビーム指向方向が上記列車に搭載された車載無線装置の方向に向くように上記アンテナ部へ制御信号を送出する電波放射制御部とを備え、
上記アンテナ部は、機械的に又は電気的にビーム指向方向を可変するビーム可変手段を有し、
上記電波放射制御部は、停車する列車の複数の停止位置と各停車位置における列車に搭載された車載無線装置の方向とが記述された情報テーブルを有し、上記ビーム可変手段に対してビーム指向方向を変化させる制御信号を送出することを特徴とする地上無線装置。