(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動体と有線系ネットワークで光無線により双方向通信のネットワークを構成するシステムであって、情報フレームの切替え機能を有した中継装置と、該中継装置に接続した複数の光中継機と、該光中継機と双方向通信を行う移動可能な移動体に搭載された光ノードとを有し、前記光中継機が発光した信号光を前記光ノードが受光する通信エリア範囲を該光ノードが発光した信号光を前記光中継機が受光する通信エリア範囲より外側に広くなるように設定するとともに、前記光中継機は隣接する他の光中継機と、前記光ノードが発光した信号光を前記光中継機が受光する通信エリア範囲が互いに一部重なるように配置したことを特徴とする光無線通信システム。
【請求項２】
前記光ノードから定期的に自局アドレスを含む情報フレームを光無線により前記光中継機へ送信するようにしたことを特徴とする請求項１記載の光無線通信システム。
【請求項３】
前記自局アドレスを含む情報フレームを送信する送信間隔時間を、該光中継機から光ノードへの通信エリア範囲と該光ノードから光中継機への通信エリア範囲の距離差を光ノードの最大移動速度で除したものより短くしたことを特徴とする請求項２に記載の光無線通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光無線により双方向通信のネットワークを構成するシステム、特に移動体に設置された光ノードと有線系ネットワークの複数の光中継機とを介して情報フレームのやり取りを行う光無線通信システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、赤外線を利用した光無線ネットワーク（ＬＡＮ）が提唱され、既に実用化されてきている。図３はこのような赤外線を利用した光無線ネットワークの概略のシステム構成を示す図である。
【０００３】
図３のシステムにおいて、建物の天井あるいは壁上部にアクセスポイントとなる複数の光中継機ＡＰが配置されている。この光中継機ＡＰは、スイッチングハブ（ＨＵＢ）と呼ばれる中継装置１を介して不図示の幹線ネットワークへ接続されており、建物内に配置された光ノードＲＮとの間で光無線による双方向通信を行う。また、各光ノードＲＮには、情報処理装置としてパソコン等のコンピュータＰＣが接続されている。
【０００４】
上記光中継機ＡＰと光ノードＲＮはそれぞれ受光部及び発光部を備えており、互いに双方向で光無線通信を行うが、光中継機ＡＰは複数の光ノードＲＮと通信することで単独でも機能するが、通常有線系（固定系）のネットワークに接続されて、大規模な通信システム（幹線システム）の一部を構成する。そして、物理的にも、ネットワーク構成的にも、光ノードＲＮの自由な移動を可能とする極めて柔軟な通信サービスを提供する。
【０００５】
また、光ノードＲＮは、通常１台のコンピュータＰＣ等が接続されているが、このコンピュータＰＣ等との間のインターフェースは、汎用有線ＬＡＮの形式が用いられることが多い。このため、コンピュータＰＣ等を有線接続と同じ通信条件で容易に移設できる便宜（モバイル環境）を得ることができる。このとき、光ノードＲＮに接続されるコンピュータＰＣ等は複数の場合もあり、またコンピュータＰＣ等内に光送受信のインターフェースを内蔵し、システム構成の簡略化を図ることもできる。
【０００６】
図４は上述の光中継機ＡＰと光ノードＲＮの受光及び発光の配光サービスエリア（通信エリア）を示す図である。なお、以下の説明では便宜上、光中継機ＡＰが発光した信号光を光ノードＲＮが受光する通信方向を「下り」、逆の通信方向を「上り」とする。
【０００７】
図４に示すように、光中継機ＡＰは受光、発光とも広指向角を持たせることで設置の自由度を向上させているのが通常である。光ノードＲＮ側では受光、発光ともレンズなどを用いて狭い指向角にすることで、受光においては感度を、発光においてはそのパワーを向上させ、投入電力に対する到達距離比の向上を図っている。
【０００８】
何れにしても、上りと下りの配光（通信可能エリア）は一致していることが望ましい。これは、双方向ネットワーク（ＬＡＮ）である以上、相手に情報を送れても受け取れなければ意味をなさず、また無駄な情報が届くことは全体の情報輻輳が助長されることになり、パフォーマンスが低下することから有害である。また、電力効率の面からも受発光のエリア一致が望ましい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、上記のような従来の光無線通信システムにあっては、光ノードに接続されるコンピュータが移動可能とはいえ、ある動かない場所で使用されることを前提にして成り立っている。したがって、移動しながらも通信する必要がある場合、例えばコンピュータが搬送車及びロボットなどの移動体に搭載された場合、光ノードの指向角が狭いことが問題となる。その対処としては、以下の二つが考えられる。
【００１０】
（１）光ノードの受光部に例えば分割フォトダイードなどを用い、光中継機を常にその受発光の正面にくるように自動サーボ機構を付ける。
【００１１】
（２）光ノードの受光、発光とも広指向角とする。
【００１２】
上記（１）の場合は、自動制御のために非常に複雑な機構部と制御回路系が必要になり、容積、重量、消責電力が増大し、移動体用途としては大きな問題となる。更に、コスト的にも問題となる。
【００１３】
また、致命的なのは複数の光中継機を使って広い可動エリアを実現しようとすると、光ノードにおいて現在通信している光中継機とは別の光中継機の位置を確実に認識する検知系を更に具備しなければ光中継機の切替え（ハンドオーバー）ができない。すなわち、複数の光中継機によるシステム拡張が実現できないという問題がある。
【００１４】
そこで、上記（２）の光ノード側の受発光の配光を光中継機のように広くする方法が有効と考えられる。図５の（ａ）、（ｂ）にその具体例、つまり移動体用に拡張した光配光例を示す。同図中、ＡＰ１、ＡＰ２は光中継機、ＲＮ１はコンピュータＰＣ１に接続された光ノードで、自律歩行型ロボットとして構成された移動体２に載置されている。ＰＣ２は幹線ネットワーク側のコンピュータである。
【００１５】
空間を伝播する光は拡散して伝達されるので、そのエネルギーは距離により指数的に減衰してゆく。したがって、広いサービスエリアを実現しようとすれば、複数の光中継機ＡＰ１、ＡＰ２を配置し、そのエリアを広げることが有効と考えられる。
【００１６】
ここで図示した配光は便宜上のもので、実際には次のことが前提となる。
ａ）明確な通信エリア境界線はなく、例えば通信エラーレートがある値以下のエリアという基準で定義される。すなわち、通信できるかどうかが不確かな領域が存在するが、わかりやすくするため明確な境界線があるものとして説明する。ｂ）双方向通信であるので、上り伝送と下り伝送があり、それぞれ送り側の送信パワーと受け側の受光感度で通信エリア（距離）が定まり、現実的には「上り通信エリア」と「下り通信エリア」は同一にはならない（図６参照）。
【００１７】
以上のことで通信上の問題が発生するが、以下このことについて、図６と表１を用いて説明する。図６は配光の詳細を示す図、表１はその配光のエリア区分別の内容を示したものである。図６中、３は幹線ネットワークを示している。
【００１８】
【表１】
0004712002.tif 000002
【００１９】
図６において、光ノード側はすでに受発光の広指向角化がなされており、光中継機ＡＰ１、ＡＰ２と光ノードＲＮ１の双方の性能の結果として、図示のエリア特性が得られたものとする。
【００２０】
複数の光中継機ＡＰ１、ＡＰ２を用いて広い通信エリアを得るためには、できるだけ光中継機ＡＰ１とＡＰ２の設置間隔を広くかつ、途中に通信できないエリアがないようにオーバーラップさせることが必要となる。ここで、そのオーバーラップさせたエリア（図６のｃ、ｄ、ｅ）に光ノードＲＮ１がある場合を考える。
【００２１】
上り伝送に関しては、光ノードＲＮ１より発光された信号光は光中継機ＡＰ１あるいはＡＰ２のどちらかで受光され、幹線ネットワーク３に伝送される。複数の光中継機ＡＰ１、ＡＰ２からの信号が同時に幹線ネットワーク３に流れると、そこでデータの衝突が発生し、破壊するおそれがある。このため、幹線ネットワーク３への接続は、記憶バッファを備えた中継装置１を介して伝送することが有効である。
【００２２】
中継装置１には、どの方向からいつフレーム（データ）が届いても破壊されることなく受信し、かつ、そのフレームの送り元、届け先のアドレスを管理する機能があり、受け手の存在するポートのみにフレームを送信することができる。したがって、上り伝送に関しては複数の光中継機ＡＰ１、ＡＰ２のエリアが重なっていることによる致命的な障害は発生しない。
【００２３】
ところが、下り伝送に関しては、幹線ネットワーク３から流れてきたフレームは中継装置１の機能により受け手の存在する光中継機ＡＰ１あるいはＡＰ２に対して伝送することになるが、受け手が移動体２にある場合、過去に上りフレームがあった光中継機ＡＰ１あるいはＡＰ２に対して伝送しても、受取るべき光ノードＲＮ１がすでに移動していてそのエリア内に存在しない可能性があるという問題が発生する。
【００２４】
更に、ここで上りと下りのエリア不一致が問題となる。
【００２５】
すなわち、図６に示すエリア区分（ａ）と（ｇ）は片方向しか伝送できないので、ＬＡＮとしてはサービスエリア外である。エリア区分（ｂ）と（ｆ）は一つの光中継機ＡＰ１あるいはＡＰ２とのみ双方向で伝送可能であり、正常なサービスエリアとして問題ない。
【００２６】
エリア区分（ｄ）は両方の光中継機ＡＰ１、ＡＰ２と双方向で伝送可能であり、中継装置１がどちらの光中継機ＡＰ１あるいはＡＰ２を選択して送信しても受信可能であり、送信（発光）したフレームは必ず幹線ネットワーク３に届く。
【００２７】
エリア区分（ｅ）は送信（発光）したフレームは光中継機ＡＰ２にしか届かず、中継装置３の機能で下りは光中継機ＡＰ２が選択される。したがって、光中継機ＡＰ２と双方向通信可能である。
【００２８】
最も問題となるのがエリア区分（ｃ）である。ここでは送信（発光）したフレームは光中継機ＡＰ１、ＡＰ２の両方に届く。そうすると、中継装置１の機能で光ノードＲＮ１を有する移動体２がどちらのエリア内にあるかが管理テーブル上不定になる（どちらか遅れて認識した方に下りフレームを送信することになる）。
【００２９】
ところが、光中継機ＡＰ２の下りエリアの外であるので、フレームが光中継機ＡＰ２から送信（発光）された場合、フレームは光ノードＲＮ１には届かない。すなわち、二つの光中継機ＡＰ１、ＡＰ２のオーバーラップしたエリアであるにも関わらず、通信に障害が発生するという問題がある。
【００３０】
本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたもので、光中継機と光ノードの受光、発光とも広指向角にした場合でも、光ノードの移動に伴うアドレステーブルからの消失を防止し、移動体とのネットワークを有線と同等に維持できるようにし、また複数の光中継機の通信エリアが重なった場合でも正常なネットワークが稼動可能な光無線通信システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
本発明に係る光無線通信システムは、移動体と有線系ネットワークで光無線により双方向通信のネットワークを構成するシステムであって、情報フレームの切替え機能を有した中継装置と、該中継装置に接続した複数の光中継機と、該光中継機と双方向通信を行う移動可能な移動体に搭載された光ノードとを有し、前記光中継機が発光した信号光を前記光ノードが受光する通信エリア範囲を該光ノードが発光した信号光を前記光中継機が受光する通信エリア範囲より外側に広くなるように設定するとともに、前記光中継機は隣接する他の光中継機と、前記光ノードが発光した信号光を前記光中継機が受光する通信エリア範囲が互いに一部重なるように配置するものである。
【００３２】
また、前記光ノードから定期的に自局アドレスを含む情報フレームを光無線により前記光中継機へ送信するようにしたものである。
また、前記自局アドレスを含む情報フレームを送信する送信間隔時間を、該光中継機から光ノードへの通信エリア範囲と該光ノードから光中継機への通信エリア範囲の距離差を光ノードの最大移動速度で除したものより短くしたものである。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、光中継機と光ノードの受光、発光とも広指向角にした場合でも、光ノードの移動に伴うアドレステーブルからの消失を防止し、移動体とのネットワークを有線と同等に維持できるようになる。
【００３４】
また、複数の光中継機の通信エリアが重なった場合でも、正常なネットワークが稼動になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、本発明の実施例を図面について説明する。本実施例では、前述のように光中継機も光ノードも受光、発光とも広指向角にし、かつ光中継機を複数オーバーラップさせながら隣接させて設置した場合においても、次の条件を満足するようにしている。
ａ）光ノードの移動に伴うアドレステーブルからの消失を防止し、移動体とのネットワークを有線と同等に維持できるようにする。
ｂ）オーバーラップ部で発生する前述の不具合を解消し、複数の光中継機のサービスエリアが重なった場合でも正常にネットワークが稼動するようにする。
【００３６】
このため、本実施例では次のような構成をとっている。
１）下りエリアは必ず上りエリアより外側に広くなるように配光を設定する。すなわち、上りで通信できるエリアは下りは確実に通信できるように改定する。２）移動体の光ノードからは最大移動速度に見合う間隔で定期的にフレームを発光（送信）する。その定期的な送信の間隔は、移動体の最大速度とエリアのオーバーラップ量より適宜選択する。あるいは、逆に最大速度とサービスエリアの大きさによりオーバーラップ量を設定する。
【００３７】
図１は本発明の実施例の構成を示す図であり、光中継機ＡＰ１、ＡＰ２の配光の詳細を示している。図に示すように、光中継機ＡＰ１、ＡＰ２の上り（受光）の通信エリアは必ず下り（発光）の通信エリアより狭く改定している。こうすることで、上り信号の伝達が可能なエリアでは必ず下り信号の伝達が可能であることが保証される。
【００３８】
具体的には、光中継機ＡＰ１、ＡＰ２の発光素子の数、発光パワーを上げ、指向特性を広げる。逆に、光ノード側の発光指向特性を狭くする（光パワーを弱くする）。あるいは、光中継機ＡＰ１、ＡＰ２の受光部にフィールドストップ（絞り）を設置するようにしても良く、何れの方法でも、また組み合わせても良い。こうすることで、表２に示すように、オーバーラップ部における障害を排除することができる。
【００３９】
【表２】
0004712002.tif 000003
【００４０】
なお、隣り合う光中継機ＡＰの通信エリアの輻輳範囲は、移動体２の移動速度や光中継機ＡＰの設置間隔、光中継機ＡＰの設置高さと光ノードとの距離、システムの無線強度に応じて適宜設定される。
【００４１】
図２は光ノードが移動する場合の例を示す図である。情報処理装置であるコンピュータＰＣ１に接続された光ノードＲＮ１は、台車などの移動体２に載置されている。また、情報フレームの切替え機能を有した光中継機ＡＰ１、ＡＰ２は、建物の天井や壁などに配置されている。なお、その他の構成は従来例と同様であるので、説明は省略する。
【００４２】
ここで、光ノードＲＮ１からの定期発光（送信）について説明する。通常、ＬＡＮ（コンピュータどうしのネットワーク通信）において、すべての情報伝達はフレームと呼ばれる情報のかたまりを単位として行われる。一つのフレームには必ず送り手と受け手のそれぞれの固有のアドレスが付加されている。したがって、光ノードＲＮ１に接続されたコンピュータＰＣ１上のソフトで定期的に自局アドレスを含む情報フレームを送信すれば、スイッチングハブである中継装置１にて、常に光ノードＲＮ１の所在を管理することが可能になる。
【００４３】
例えば、図２に示すように、移動体２が光中継機ＡＰ２からＡＰｌの方向に進行していて、エリア区分（ｃ）と（ｄ）の境界に存在するとする。仮に、下りの最小エリアと上りの最大エリアの距離の最小値が５０ｃｍで、移動体２の最大移動速度が２５ｃｍ／ｓであるとすれば、光中継機ＡＰ２の下り伝送が届かなくなるまでに最低２秒時間の余裕がある。その間は中継装置１が光中継機ＡＰ２に向かって送信すれば、フレームは光ノードＲＮ１に届く。
【００４４】
そこで、光ノードＲＮ１から１秒間に１回上りフレームを発光することにすれば、上記エリア内では発光信号は光中継機ＡＰ２には届かず、かつ光中継機ＡＰｌには必ず届くので、中継装置１におけるテーブルの書き換えが確実に行われることになる。
【００４５】
また、他のエリア区分については従来例と同様であり、問題なく双方向通信を行うことができる。
【００４６】
なお、上記実施例においては、中継装置１は複数の光中継機ＡＰ１、ＡＰ２を統括する機能を有する一つのネットワーク装置として構成した例で説明した。
【００４７】
また、光ノードＲＮが搭載される移動体２は、図２及び図５に示すような自律歩行型ロボットに限られず、車や飛行機など光無線通信を行う他の移動体にも本発明は適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施例の構成を示す図
【図２】実施例の光ノードが移動する場合の例を示す説明図
【図３】光無線ネットワークのシステム構成を示す図
【図４】光中継機と光ノードの配光エリアを示す説明図
【図５】移動体用に拡張した配光例を示す図
【図６】従来の配光の詳細を示す説明図
【符号の説明】
【００４９】
１  中継装置
２  移動体
３  幹線ネットワーク
ＡＰ１  光中継機
ＡＰ２  光中継機
ＲＮ１  光ノード
ＰＣ１  コンピュータ（情報処理装置）
【図１】
0004712002.tif 000004
【図２】
0004712002.tif 000005
【図３】
0004712002.tif 000006
【図４】
0004712002.tif 000007
【図５】
0004712002.tif 000008
【図６】
0004712002.tif 000009