JP2011525333A - 異種ネットワーク上でのワイヤレスプロセス通信のためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

複数の異種ワイヤレスプロセス通信ネットワークを介してプロセス通信パケットを伝達するためのデュアルモードルータ（５０）を提供する。ルータ（５０）は、ワイヤレス通信回路（５２）と、ワイヤレス通信回路（５２）に連結された制御装置とを包含する。ワイヤレス通信回路（５２）は、複数の各異種ワイヤレスプロセス通信ネットワークからの信号と対話するように構成されている。制御装置（５８）は、第一の異種ワイヤレスプロセス通信ネットワークからのプロセス通信パケットを、第二の異種ワイヤレスプロセス通信ネットワーク上での送信に適合させるように構成されている。異種ワイヤレスプロセス通信ネットワークを構成し、異種ワイヤレスプロセス通信ネットワーク上でプロセスパケットを中継するための方法も提供する。

Description

背景
工業用環境では、工業用及び化学用プロセス等を監視及び制御するために制御システムが使用される。通常、制御システムは、工業用プロセスにおける主要な箇所に分散され、プロセス制御ループによって制御室内の制御回路に連結されたフィールド装置を使用して、これらの機能を実施する。フィールド装置は、一般的に、分散した制御又はプロセス監視システム内で機能、例えば、パラメータの感知又はプロセス上の動作を実施する。

いくつかのフィールド装置は、トランスデューサを包含する。トランスデューサは、物理入力に基づいて出力信号を生成するか、入力信号に基づいて物理出力を生成するかのいずれかを行う装置を意味するものと理解される。通常、トランスデューサは、入力を、異なる形態を有する出力に変化させる。トランスデューサのタイプには、各種の分析機器、圧力センサ、サーミスタ、熱電対、ひずみゲージ、流量発信器、ポジショナ、アクチュエータ、ソレノイド、表示灯及びその他機器が包含される。

通常、各フィールド装置は、プロセス制御ループ上でプロセス制御室又は他の回路と通信するために使用される通信回路も包含する。いくつかの実装では、プロセス制御ループは、調節された電流及び／又は電圧をフィールド装置に付与し、フィールド装置への電力供給を行うためにも使用される。プロセス制御ループは、アナログ又はデジタル形式のいずれかでデータも伝送する。

従来、アナログフィールド装置は、２配式プロセス制御電流ループによって制御室に接続され、各装置は、単一の２線式制御ループによって制御室に接続されてきた。いくつかの実装では、フィールド装置との通信にワイヤレス技術が使用され始めている。ワイヤレス動作により、フィールド装置の配線及びセットアップが簡略化される。

一つのワイヤレスプロセス通信技術規格は、WirelessHART規格として公知である。WirelessHART規格は、２００７年９月にＨＡＲＴ通信協会によって公表された。WirelessHART仕様の関連部分は、ＨＣＦ＿Ｓｐｅｃ １３、７．０版；ＨＡＲＴ仕様６５−ワイヤレス物理層仕様；ＨＡＲＴ仕様７５−ＴＤＭＡデータリンク層仕様（ＴＤＭＡは、時間分割多重アクセスを指す）；ＨＡＲＴ仕様８５−ネットワーク管理仕様；ＨＡＲＴ仕様１５５−ワイヤレスコマンド仕様；及びＨＡＲＴ仕様２９０−ワイヤレス装置仕様を包含する。

もう一つのワイヤレスプロセス通信規格は、ISA100.11aに明記されている（予想される規格発行は、２００９年８月である）。この技術は、IEEE 802.15.4-2006に従って無線回路を使用する、２．４GHz周波数のワイヤレス通信を提示している。ISA100.11a規格は、国際計測制御学会（ＩＳＡ）によって維持されている。

これらのワイヤレスネットワーク通信技術は、同一の周波数帯を使用し、無線回路は、相互ならびに２．４GHz周波数の他のワイヤレス技術の存在下で共存するように構成されるが、共存は相互運用性ではない。例えば、ISA100.11a規格では、共存は、同一の規格に基づかないことができる他のワイヤレスネットワークがある状況において、ワイヤレスネットワークがそのタスクを実施する能力であることが指示されている。本明細書で使用するように、同一の規格に基づかない二つのネットワークを「異種」ネットワークとみなす。

概要
複数の異種ワイヤレスプロセス通信ネットワークを介してプロセス通信パケットを伝達するためのデュアルモードルータを提供する。ルータは、ワイヤレス通信回路と、ワイヤレス通信回路に連結された制御装置とを含む。ワイヤレス通信回路は、複数の各異種ワイヤレスプロセス通信ネットワークからの信号と対話するように構成されている。制御装置は、第一の異種ワイヤレスプロセス通信ネットワークからのプロセス通信パケットを、第二の異種ワイヤレスプロセス通信ネットワーク上での送信に適合させるように構成されている。異種ワイヤレスプロセス通信ネットワークを構成し、異種ワイヤレスプロセス通信ネットワーク上でプロセスパケットを中継するための方法も提供する。

本発明の実施形態に従い、ISA100.11aネットワークを通じてWirelessHARTゲートウェイと通信する、WirelessHART装置を例示する概略図である。 ISA100.11aを通じてISA100.11aネットワークに接続されている、WirelessHART及びISA100.11aゲートウェイを例示する概略図である。 WirelessHART ＭＡＣヘッダの概略図である。 ISA100.11a ＭＡＣヘッダの概略図である。 WirelessHART ＤＬＬヘッダの概略図である。 ISA100.11a ＤＬＬヘッダの概略図である。 WirelessHARTネットワークヘッダの概略図である。 ISA100.11a非フラグメント化ネットワークヘッダの概略図である。 ISA100.11aフラグメント化ネットワークヘッダの概略図である。 本発明の実施形態に従い、中継機能がWirelessHARTヘッダに格納された情報を使用し、ISA100.11a ＭＡＣ、ＤＬＬ及びネットワーク層ヘッダを構築する過程を例示する概略図である。 本発明の実施形態に従ったデュアルモードルータによる中継パケットの受信を例示する概略図である。 デュアルモードルータスタックにおける中継機能を示す概略図である。 本発明の実施形態に従い、パケットがISA100.11aネットワークを離れる時に、WirelessHARTヘッダの再構築に要する情報を中継ヘッダが格納していることを示す概略図である。 本発明の実施形態に従い、ISA100.11a ＵＤＰペイロードにおけるWirelessHARTパケットの中継ヘッダ及び中継される部分を示す、完全な中継パケットの概略図である。 本発明の実施形態に従ったデュアルモードルータの概略図である。

例示的な形態の詳細な説明
ISA100.11a及びWirelessHARTは、両方とも、その存在下で他のネットワークが動作することを許容する、共存フィーチャを設計している。しかし、共存は相互運用性ではなく、共存は、ISA100.11a及びWirelessHART協調型ネットワークが提供することができる同一の効率及び性能を付与しない。本発明の実施形態は、一般的に、無線周波数スペクトル及びタイムスロットの効率的な使用をもたらし、送信衝突を回避し、共同ネットワークの連係したシステム管理を提供する、共通のネットワークインフラを使用して、WirelessHART及びISA100.11a装置の両方を配備する能力を提供する。本明細書に明記する実施形態は、統一されたネットワークインフラにおいて、ユーザがWirelessHART及びISA100.11a装置の両方を配備することを許容することができ、ワイヤレス装置及びワイヤレス規格の選択によるリスクを除去する。

一つの実施形態（本明細書で後により詳細に記載する）に従い、WirelessHART及びISA100.11aパケットを受信及び送信することができるデュアルモードルータを開示する。デュアルモードルータは、パケットのペイロードを一つのネットワークプロトコルから他に転送する、中継機能を有する。デュアルモードルータは、WirelessHARTパケットを受け取り、WirelessHARTプロトコルヘッダの部分を取り除き、任意のISA100.11aパケットとしてネットワークを横断するISA100.11aパケットにペイロードを配置することができる。逆の動作では、デュアルモードルータは、中継されるWirelessHARTパケットを認識し、ISA100.11aヘッダの部分を取り除き、その後、WirelessHARTネットワークで送信されるWirelessHARTパケットを再形成する。中継機能は、ISA100.11aルータを通じて透過的にルーティングされるパケットを構築することが可能であるように、ネットワーク及びトランスポート層で稼動する。デュアルモードルータは、好ましくは、ISA100.11aネットワークに対してルーティングタイプ装置として振る舞う。デュアルモードルータ及び中継機能の動作は、好ましくは、WirelessHART装置及びアプリケーションに対しても透過的である。

本発明の実施形態は、一般的に、物理的な、ＭＡＣ及びＤＬＬ層でWirelessHARTとISA100.11aとの間にすでに現存する類似点を活用する。両方の規格は、市販のチップ及び無免許スペクトルへの世界的なアクセス可能性から、動作のために同一の無線及びＩＳＭ帯を選択している。IEEE 802.15.4規格から同一のＭＡＣ層も選択しており、同一の方式で使用する。二つの規格は、ＤＬＬについて異なるヘッダを有するが、類似した基本的な特性を有する。両方とも、ワイヤレスネットワークに対し、タイムスロット式のスーパーフレームに基づくメッシュネットワークアクセスをサポートする。同一のチャネルホッピング手法、グラフ及び送信元ルーティング概念ならびにＤＬＬセキュリティアプローチも共有する。既存のISA100.11aパラメータに対してWirelessHART互換値を選択することにより、二つの規格は、そのワイヤレスネットワーク使用を連係させ、ワイヤレスインフラを統一することができる。

定義
二つの規格の文献は、多くの概念及びそれらを呼称するために使用される用語を共有している。これらの共有された用語には、スーパーフレーム、タイムスロット、リンク、グラフ、送信元ルート及びゲートウェイが含まれる。本文献で使用される言語は、ISA100に由来し、本明細書で具体的に記述されない限り、WirelessHARTにも適用される。

アクセスポイント
バックボーンネットワークを通じ、ワイヤレスネットワークをWirelessHARTゲートウェイに接続する装置のWirelessHART用語。アクセスポイントは任意である。アクセスポイントがない場合、WirelessHARTゲートウェイをワイヤレスネットワークに直接接続する。WirelessHARTアクセスポイントは、機能においてISA100.11aバックボーンルータに類似する。

ＡＳＮ
絶対スロット番号 − ネットワークの形成以降、タイムスロット数をカウントするWirelessHARTパラメータ。装置毎に５オクテットフィールドとして保存される。

デュアルモード装置
WirelessHARTネットワークとISA100.11aネットワークとの間でパケットの形態でメッセージを転送する、本発明の実施形態に従った装置。記載される一つの実施形態では、好ましくは、ISA100.11aシステムに対してルーティングタイプ装置として振る舞う。

ネットワークマネージャ
ネットワークを構成及び監視する管理機能のWirelessHART用語。ISA100.11a及び本文献では、管理機能を「システムマネージャ」と呼ぶ。

ＰＡＮ識別子
IEEE 802.15.4規格では、ワイヤレスネットワークの数値的な識別としてＰＡＮ（パーソナルエリアネットワーク）識別子という用語を使用する。WirelessHART及びISA100.11aでは、多くの場合、ネットワークＩＤという用語で代用する。

中継機能
WirelessHART及びISA100.11aネットワーク間でプロトコルスタックを翻訳する、本発明の実施形態に従ったデュアルモード装置の役割。中継機能は、好ましくは、デュアルモードルータ内で具現化され、WirelessHARTゲートウェイがISA100.11aネットワークスタックの部分を包含する場合は、WirelessHARTゲートウェイ内で具現化することもできる。

ネットワーク構成
図１は、本発明の実施形態に従い、ISA100.11aネットワークを通じてWirelessHARTゲートウェイ１４と通信する、WirelessHART装置１０を示す。WirelessHART装置１０は、デュアルモードルータ１２に接続するWirelessHARTネットワーク領域を形成するか、デュアルモードルータ１２に直接接続することができる。図１では、WirelessHARTゲートウェイ１４は、ISA100.11aプロトコルスタックをサポートせず、そのため、WirelessHARTフィールド装置１０と同じように、デュアルモードルータ１２を通じて接続する。両方のネットワークのシステム管理機能は、統合されているか、個別であることができる。図１では、統合されたネットワークの管理を連係させる通信プロトコルを持つ、個別の機能として示す。ユーザのネットワーク管理者は、標準的なISA100.11aルーティング装置又は本発明の実施形態に従ったデュアルモードルータを使用する時を決定する。デュアルモードルータ１２の機能を提供するように、すべてのISA100.11aルーティング装置１６を構成又は他に適合させることができ、その場合、WirelessHART装置１０は、ISA100.11aネットワーク内の随所で接続することが可能である。

図１に例示するように、本発明の実施形態は、ISA100.11aネットワークに対し、ネットワークを介してWirelessHARTパケットを移送する能力を提供する。これは、一般的に、両方のネットワークに接続し、それらの間でパケットを転送する、本発明の実施形態に従ったデュアルモードルータ１２の機能によって許可される。デュアルモードルータは、好ましくは、下位層のパケットヘッダを翻訳し、上位層のヘッダ及びパケットのペイロードをカプセル化することによって転送を実施する、中継機能を具現化する。デュアルモードルータ及びその中継機能により、WirelessHART装置１０は、すべてのISA100.11aネットワークトポロジで動作することが許可される。

図２は、ISA100.11aを通じてISA100.11aネットワークに接続されている、WirelessHARTゲートウェイ１４及びISA100.11aゲートウェイ１８を例示する。ゲートウェイ１４、１８は、すべてがローカルネットワーク上で接続されているため、いずれのバックボーンルータも使用することができる。WirelessHARTペイロードを持つISA100.11a中継パケットは、両方がISA100.11aネットワーク層を使用することから、標準的なISA100.11aパケットと同一の方式により、ローカルバックボーンルータネットワーク上で通信される。

異種ワイヤレスネットワークの互換性問題
以下に、ISA100.11aとWirelessHARTとの間の各種の互換性問題を述べる。これらの問題は、一般的に、無線；ＭＡＣ動作；ＤＬＬ動作；ネットワーク層動作；中継層動作；システム管理；セキュリティ；及びゲートウェイ機能に関する。以降では、問題について順に記述する。

無線
WirelessHART及びISA100.11aの両方は、IEEE 802.15.4規格の２．４GHz帯における動作についての項で指定されている同一の無線を使用する。したがって、互換性には、WirelessHARTと共に稼動する無線パラメータを持つ、ISA100.11aプロファイルを選択することが関与する。

両方の規格とも、無線の要件を拡張し、付加的なパラメータ、例えば、周波数の変更に要する時間を指定している。両方のタイプの装置の動作を互換させるため、これらの拡張されたパラメータを調整することが求められる。

動作上の送信電力レベルは、両方の規格で構成可能である。ISA100.11aとWirelessHARTとの間の互換性のために構成しなければならない無線パラメータのうち、いくつかは、送信電力、最大無線ターンオン時間、チャネル間を切り替える時間、チャネル数、IEEE 802.15.4チャネル番号及びクリアチャネル評価モードを非限定的に包含する。

ＭＡＣ動作
両方の規格とも、IEEE 802.15.4 ＭＡＣヘッダの使用を指定し、図３及び４に見られるように、同一の構造的オプションを使用してそれを行う。したがって、WirelessHART及びISA100.11aの両方とも、相互のＭＡＣ層のフィールドを解析することが可能である。規格のＭＡＣ層には、二つのみの相違がある。WirelessHARTは、ＭＡＣバージョンフィールドでIEE 802.15.4-2003の値を使用し、ISA100.11aは、IEEE 802.15.4-2006の値を使用する。各規格で選定されたＭＡＣ形式は、いずれのIEEEバージョンにも互換するため、両方の値が稼動する。ＭＡＣにおける他の相違は、シーケンス番号フィールドに使用される値である。WirelessHARTは、１０ms毎刻みの絶対スロット番号（ＡＳＮ）の最下位オクテットを使用し、ISA100.11aは、１ms分解能のＴＡＩクロックを使用する。デュアルモードルータは、二つの用途の間で容易に切り替わることができる。IEEE 802.15.4 ＭＡＣの比較を以降の表に要約する。ＩＳＡがISA100.11aを表し、ＷＨがWirelessHARTを表す。

パケットを中継する時、デュアルモードルータは、一つのタイプのＭＡＣヘッダを持つパケットを受信し、それを他のタイプのＭＡＣヘッダと共に送信する。中継されるパケットに対して実施する翻訳機能は、ISA100.11a又はWirelessHARTネットワーク内でパケットをルーティングする時と非常に類似している。両方の場合とも、デュアルモードルータは、シーケンス番号フィールドを更新し、その送信元アドレスを挿入し、与えられた宛先アドレスを挿入し、フレーム検査シーケンス（ＦＣＳ）を算出する。WirelessHART及びISA100.11a ＭＡＣは、同一のIEEE 802.15.4フレーム検査計算を実施し、結果をパケット終端のＦＣＳフィールドに配置する。

WirelessHARTでは、図３のフレーム制御フィールドの第一のオクテットが０ｘ４１_ｈに固定される。これにより、データパケットになるIEEE ＭＡＣフレームタイプを選択し、IEEE 802.15.4セキュリティ、フレーム保留及びＡＣＫの制御フラグをオフに設定する。フレーム制御フィールドの第二のオクテットは、アドレスフィールドの形式及び使用されるIEEE 802.15.4仕様のバージョンを識別する。中継されるパケットでは、送信元アドレス形式が常に短く、宛先アドレスは、加入プロセス中の場合のように、パケットがプロキシされるか否かに依存して、長いか、短いかのいずれかである。デュアルモードルータは、与えられた宛先アドレスに適切なアドレスフィールドサイズを使用する。プロトコルバージョンタイプは、規格の２００３バージョンを識別するように設定される。

WirelessHARTネットワークに中継されるパケットは、ＭＡＣシーケンス番号にＡＳＮを使用する。ＡＳＮは、WirelessHARTネットワークに加入する時にデュアルモードルータで構成される。ISA100.11aネットワークに中継されるパケットは、すべてのISA100.11aワイヤレス装置で維持されるＴＡＩクロックを使用する。

両方の規格によって選択されたＭＡＣ形式は、パケットヘッダ内に宛先ＰＡＮ識別子を有する。WirelessHARTでは、ＰＡＮ識別子が実装に先立って規定され、動作中にシステムマネージャによって再構成することができる。ISA100.11aでは、実装前に規定するか、ネットワークに加入した後に構成するかのいずれかであることができる。

ＰＡＮ ＩＤは、WirelessHART及びISA100.11aネットワークにまたがるか、個別であるかのいずれかであるようにセットアップすることができる。複数のデュアルモードルータのうち、WirelessHART装置が接続するルータを制御することを管理者が望む場合、ネットワークのWirelessHART部分であっても、個別のＰＡＮ ＩＤを規定することができる。

ＳＰＥＣ−０７５の８．１．２項の表２において、WirelessHARTは、永続的ユーザネットワーク、一時的ユーザネットワーク及び製造者ユーザネットワーク等の各種アプリケーションのため、ＰＡＮ識別子範囲を予備としている。ISA100.11a構成では、WirelessHARTと競合する割り当てをもたらすべきではない。

WirelessHART及びISA100.11aの両方とも、ＭＡＣ送信元及び宛先に短い１６ビットアドレスを使用する。加入プロセス中に送出されるパケットにも、IEEE運用の同一の６４ビットのグローバル一意アドレスを使用する。ＨＡＲＴプロトコルでは、WirelessHART装置に対し、ＨＡＲＴ協会に割り当てられたブロック０ｘ００１Ｂ１Ｅから６４ビットアドレスが割り当てられることを要する。

デュアルモードルータには、好ましくは、二つの短いＭＡＣアドレス及び二つの長いＭＡＣアドレスが割り当てられる。本明細書で後により詳細に述べるように、一つのセットは、WirelessHARTネットワークで送信する時に使用され、一つは、ISA100.11aネットワークで送信する時に使用される。

ＤＬＬ動作
WirelessHARTは、パケットが格納するＤＬＬメッセージのタイプ、使用されるＤＬＬ層暗号鍵及びパケットのＤＬＬパケット優先度を識別する、ＤＬＬヘッダの１オクテットを有する。ＤＬＬは、ＤＬＬペイロードの終端で送られる、４オクテットのメッセージ完全性検査（ＭＩＣ）も計算する。

ISA100.11aは、WirelessHARTで使用されるＤＬＬセキュリティパラメータのスーパーセットであるＤＬＬセキュリティパラメータを定義している。ISA100.11aでは、正確に同一のセットを使用することを要さないが、デュアルモードルータが簡略化されることから、それが望ましい。この理由のため、WirelessHARTに合致するISA100.11a ＤＬＬセキュリティプロファイルが定義される。二つの規格は、ＤＬＬヘッダの符号化で連係していないため、受信したパケットのタイプについてヘッダ内に明示的な識別がない。ISA100.11a及びWirelessHART装置が相互のパケットを誤って復号しないようにするため、各規格で用いるメッセージ完全性検査鍵が異なるべきである。これは、規格で定義された公開鍵及びセキュリティマネージャによって構成されるＤＬＬ鍵を包含する。WirelessHARTで使用される公開鍵は、７７７７ ７７２Ｅ ６８６１ ７２７４ ６３６Ｆ ６Ｄ６Ｄ ２Ｅ６Ｆ ７２６７ｈである。

ISA100.11aは、ＤＬＬ優先度の機能及びコードを有する。多くの場合、プロトコルトランスレータが異なる優先度スキーム間のマッピングを行うものの、通例、異なる優先度が定義された時には不完全である。WirelessHART優先度レベルは、ISA100.11a優先度レベルにマッピングするか、簡略のため、一つのレベルにマッピングするかのいずれかを行うことができる。

ISA100.11aは、WirelessHARTと多数の類似したパケットタイプを共有する。これらのタイプは、ＡＣＫ、Ａｄｖｅｒｔｉｓｅ及びＤａｔａパケットタイプを包含する。ローカルＤＬＬパケットタイプは、ネットワーク内で中継されず、中継される必要がない。

WirelessHART及びISA100.11aの両方のＤＬＬでは、タイムスロット、チャネルホッピングオフセット、チャネルホッピングシーケンス及びスーパーフレームを使用し、ネットワーク資源を区分する。WirelessHARTは、タイムスロットサイズを１０msに固定し、タイムスロット内で各種動作が発生する時の厳密なタイムスロットのタイミングテンプレートを指定している。ISA100.11aは、タイムスロットについて柔軟な構成をセットアップしている。この柔軟性により、WirelessHARTの１０msスロットと互換するタイムスロットテンプレートを構築することが許容される。デュアルモードルータでは、ISA100.11aは、WirelessHARTに合致するタイムスロットテンプレートプロファイルを有することを要する。ISA100.11aに定義されたデフォルトのタイムスロットテンプレートは、デュアルモードルータの機能性と共に稼動する。

WirelessHART及びISA100.11aの両方とも、タイミング上の親から子へと時間を伝播する。システムマネージャが親子関係を設定する。WirelessHARTでは、タイミングを調整する二つの方式がある。第一の方法では、子がその親からのパケットのスロット−タイミングオフセットを計測し、そのクロックを調整する。第二の方法では、親が子からパケットを受信し、もたらすべき調整を確認のなかで知らせる。時間は、ISA100.11aネットワークからWirelessHARTネットワークを通して流れることが可能である。

ISA100.11aシステム構成には、二つのネットワークが効率的に無線資源を共有できるように、WirelessHARTシステムとの連係が求められる多数のパラメータがある。これらのパラメータは、チャネルホップシーケンス、スーパーフレームのサイズ割り当て及びチャネルバックオフ設定を包含する。

WirelessHART及びISA100.11aでは、ネイバーディスカバリ（近隣検索）は、１ホップ離れている他の装置をリッスンするＤＬＬプロセスである。各規格の装置は、同様のネイバーのみを発見する。デュアルモードルータは、両方の規格のネイバーディスカバリ（近隣検索）プロセスに参加し、そのような参加については後に記載する。

本発明の実施形態の一つの潜在的な効果として、並置されたWirelessHART及びISA100.11aネットワークの効率が増大する。これを達成する一つの方式は、各ネットワーク内において、装置間の回避可能な送信衝突の形態による干渉を解消することである。本発明の実施形態に従い、両方のネットワークが共通のスーパーフレームを共有し、装置に対して協調的にタイムスロットを割り振る時には、干渉が低減される。

これを達成するには、二つのネットワークが共通のスーパーフレームを定義し、周期及び位相を同期させることが求められる。WirelessHART ＡＳＮクロックをISA100.11a ＴＡＩクロックに同期させ、これを行う。両方の規格とも、スーパーフレーム開始タイムスロットは、それぞれの規格のネットワーク時間によって設定される。ISA100.11aの場合、これは、１msのＴＡＩクロックであり、WirelessHARTの場合、１０msのＡＳＮクロックである。連係したシステムマネージャ機能は、二つのクロック表現間の翻訳に使用される変換係数を維持する。WirelessHARTシステムマネージャは、ＳＰＥＣ−１５５のコマンド９６５を使用してスーパーフレームを構成する時、スーパーフレームを開始するためのＡＳＮに一致する実行時間を設定する。ISA100.11aは、ＴＡＩカットオーバーパラメータで開始時間を構成する。

スーパーフレーム長及びスーパーフレーム内のタイムスロット割り当ては、システム管理機能によって連係される。

二つのネットワークがスーパーフレーム内のタイムスロットを共有することを許可すると、WirelessHARTネットワーク及びISA100.11aネットワークの動作の効率が増大する。共有されたタイムスロットには衝突が生じやすく、衝突が発生した時には、バックオフアルゴリズムを通じてアクセスを解決する。バックオフアルゴリズムは、対立する装置間のアクセスの公平性を強制する。この公平性をWirelessHART及びISA100.11a装置間で維持するために、両方のネットワークで同一のバックオフアルゴリズムパラメータ設定を構成することが求められる。

デュアルモードルータの中継機能は、着信したWirelessHARTパケットから、中継されるパケットに適切なＤＬＬ及びＭＡＣヘッダをISA100.11a ＤＬＬ層で形成するのに十分な情報を構築する。逆方向において、中継機能は、ISA100.11a ＤＬＬ及びＭＡＣヘッダを適切なWirelessHART ＤＬＬ及びＭＡＣヘッダに変換する。

WirelessHART ＤＬＬヘッダフィールドを図５に示す。中継パケットでは、パケットタイプが「データ」である。デュアルモードルータは、加入装置へのパケットをプロキシする時に、公開鍵であるＤＬＬ鍵を選択する。すべての他の中継されるパケットは、秘密のネットワーク鍵を使用する。優先度は、本明細書で後に記載する中継ヘッダで伝送される情報から設定される。

中継パケットに使用されるISA100.11a ＤＬＬヘッダを図６に示す。ＤＨＤＲディスパッチオクテットは、IETF 6LoWPANネットワークヘッダと互換するものとしてＤＬＬヘッダを識別する。ビット０〜７は、０１００００１０_ｂに設定される。ＤＨＲ長フィールドは、計算され、ＤＨＤＲヘッダ内に残っているオクテット数（ＭＩＣを除く）に設定される。拡張された制御フィールドは、必要であれば、デュアルモードルータのＩＳＡ側の一般的なISA100.11aプロファイルに応じて包含される。中継パケットのセキュリティコード及び鍵ＩＤには、ISA100.11aデータパケットに対し、一般的なISA100.11aプロファイルから選択されたセキュリティレベルが使用される。デュアルモードルータのＩＳＡ側で使用される資源により、スローホップ時間オフセットの使用が判定される。ＤＲＯＵＴヘッダ内部のISA100.11a優先度フィールドは、規則セットによって翻訳される。これらの規則では、WirelessHART優先度をISA100.11a優先度にマッピングするか、すべてのWirelessHARTメッセージを一つのISA100.11a優先度レベルにマッピングするかのいずれかを行うことができる。

ISA100.11a ＤＬＬは、ネットワーク層の代わりにこの層にルーティング情報を配置することにより、WirelessHART ＤＬＬと概念が異なる。これは、WirelessHARTルーティング機能が動作する過程ではなく、規格が記載される過程の相違である。WirelessHARTネットワーク層がグラフルートを使用する時は、中継されるパケットのＤＲＯＵＴフィールドにグラフルートＩＤが配置される。WirelessHARTネットワーク層が送信元ルートを使用する時は、ＤＲＯＵＴヘッダの送信元ルートフィールドに送信元ルートが配置される。WirelessHART及びISA100.11a装置は、連係したシステム管理機能により、同一のグラフＩＤ割り当て及び装置アドレス割り当てを使用するように構成される。これは、グラフＩＤ及び送信元ルートを翻訳させないことにより、デュアルモードルータの動作を簡略化する。

ネットワーク層動作
WirelessHART及びISA100.11aネットワーク層は、起点アドレス、最終宛先アドレス及びグラフルート識別子を格納する最も基本的なフィールドを除き、実質的に異なる。WirelessHART及びISA100.11aの両方は、ＭＡＣ送信元及び宛先装置によって使用されるネットワーク層に同一の１６ビットアドレスを使用する。各プロトコルのシステム管理機能は、１６ビットアドレスの割り当てを連係させ、中継機能を簡略に保持する。

デュアルモードルータは、パケットを中継することが求められると判定するまで、平常の様式で着信パケットを処理する。WirelessHARTパケットについて、デュアルモードルータは、送信元ルート又はグラフＩＤを調べ、次のホップでISA100.11aネットワークに送られる場合、パケットを中継機能に渡す。ISA100.11aパケットについて、デュアルモードルータは、パケットの送信元ルート又はグラフＩＤがそれをWirelessHARTネットワークに送出するか否かと、パケットが中継パケットであることとを調べ、その場合は、パケットを中継機能に渡す。

受信したWirelessHARTパケットの中継機能は、ISA100.11aネットワーク層ヘッダと、その後、中継ヘッダとを構築する。WirelessHARTペイロードが大き過ぎ、一つの中継されるパケットに収まらない場合、6LoWPANアルゴリズムを使用することにより、ペイロードがフラグメント化される。受信したISA100.11a中継パケットについて、中継機能は、WirelessHARTネットワーク層ヘッダを構築する。一つの実施形態では、中継パケットのペイロードがフラグメント化されている場合、デュアルモードルータは、6LoWPANフラグメント化ヘッダを使用することにより、パケットを再構築する。

図７は、中継されるパケットに使用されるWirelessHARTネットワークヘッダを示す。ネットワーク制御オクテットフィールドは、中継されるパケット内の情報に従って埋められる。送信元ルートが使用されている場合は、その後、第一及び必要な場合は第二の送信元ルートフラグが設定される。デュアルモードWirelessHART管理アプリケーションが宛先WirelessHART装置にパケットをプロキシしている場合は、プロキシフラグが設定される。そのプロキシ機能の一部として、最終ネットワークアドレスサイズフラグが設定される。中継されるパケットについては、起点ネットワークアドレスサイズフラグが常に設定され、１６ビットアドレスを指示する。

生存時間フィールド（ＴＴＬ）は、ISA100.11aヘッダのＴＴＬフィールドに基づき、送信前に減分される。

ＡＳＮスニペットは、WirelessHARTパケットが作成された時の時間を識別する。この値は、デュアルモードルータがISA100.11aネットワークからパケットを受信した時に、中継ヘッダ内の情報から導出される。デュアルモードルータは、計算されたＡＳＮスニペット及びｍａｘＰａｃｋｅｔＡｇｅパラメータを調べることにより、パケットが中継するのに古過ぎるか否かを判定する。

グラフＩＤ、最終アドレス及び起点アドレスは、送信元ルート情報がある場合のように、ISA100.11aパケットからコピーされる。プロキシルートアドレスは、中継ヘッダから導出される。

図８は、本発明の実施形態に従い、フラグメント化を要さない中継パケットを送信するために使用される、ISA100.11aネットワークヘッダを示す。WirelessHARTパケット内のアドレスから起点アドレスサイズアドレス及び最終アドレスを受け取る。ホップ制限は、WirelessHART ＴＴＬフィールドから受け取られ、送信前に減分される。WirelessHART ＴＴＬフィールドは、１オクテットである。契約ＩＤは、任意であり、中継パケットには使用されない。

WirelessHARTペイロード及び中継ヘッダが大き過ぎ、一つの中継されるISA100.11aパケットに収まらない場合は、フラグメント化され、二つの中継パケットが送出される。これらのパケットにはフラグメント化ヘッダが使用される。

図９は、本発明の実施形態に従い、中継パケットのフラグメント化に使用されるISA100.11aネットワークヘッダを示す。フラグメント化ヘッダは、第一のフラグメント及び後続のフラグメント、フラグメント化されたメッセージのサイズ、メッセージの識別タグならびにメッセージ内のフラグメント位置を識別する。第一のパケットのヘッダの残りは、標準的なネットワーク層ディスパッチヘッダ及び図８に示すものと同様の任意のフィールドである。

中継パケットは、好ましくは、6LoWPANディスパッチフィールドを使用する。6LoWPANディスパッチフィールドは、デフォルトでペイロードをＵＤＰとして識別する。中継パケットについて、6LoWPANは、各ＵＤＰ送信元及び宛先ポートが４ビットに圧縮され、ＵＤＰ長及びチェックサムが無視されることを指示する。

ホップ制限は、非圧縮ＩＰＶ６ホップ制限フィールドである。WirelessHARTプロトコルにおいて相当するものはない。中継機能により、ネットワークの必要に合わせて選択される構成可能な値に設定される。

ＵＤＰポートフィールドは、中継機能によって使用される４ビットの送信元及び宛先ポートに設定される。

中継層動作
デュアルモードルータの中継機能は、WirelessHARTパケットがISA100.11aネットワーク上で移送されることを許可する。デュアルモードルータが受信したWirelessHARTパケットについて、中継機能は、WirelessHART ＭＡＣ／ＤＬＬ及びネットワーク層ヘッダのうち、最終宛先装置に送出される必要がない部分を取り除く。これは、最終装置でISA100.11aヘッダ情報から再作成することができる情報を包含する。図１０は、WirelessHARTヘッダに格納された情報を使用し、中継機能がISA100.11a ＭＡＣ、ＤＬＬ及びネットワーク層ヘッダを構築する過程を示す。中継機能は、その後、遠終端で必要となるWirelessHARTネットワーキングデータを通信する、WirelessHART中継ヘッダを付加し、パケットを送出する。このパケットのペイロードは、改変されていないWirelessHARTトランスポート層及びアプリケーション層データを格納する。

本発明の実施形態に従い、デュアルモードルータが中継パケットを受信し、デュアルモードルータがパケットをWirelessHARTネットワークに送出することが求められる時には、着信したISA100.11a情報及び中継ヘッダからWirelessHART ＭＡＣ／ＤＬＬ及びネットワーク層ヘッダが再構築される。これを図１１に示す。中継機能は、ネットワーク層の上部にある。これにより、構築されたISA100.11aパケットがISA100.11aルータ及びバックボーンルータを通じてルーティングされることを許容する。

図１２は、デュアルモードルータスタックにおける中継機能を示す。WirelessHARTネットワーク層は、中継機能を通じ、ISA100.11aネットワークにルーティングするパケットを渡す。中継機能は、ISA100.11aネットワーク層でヘッダを形成するのに要する情報を構築する。中継層は、中継ヘッダも構築する。中継されたパケットを受信した遠終端装置は、中継ヘッダを使用してWirelessHARTパケットヘッダを再構築する。

本発明の実施形態に従い、パケットを受信したデュアルモードルータは、規格のISA100.11a機構を使用したサービスのために構成されるＵＤＰ宛先ポート番号により、中継ヘッダを識別する。図１３に例示する中継ヘッダは、パケットがISA100.11aネットワークを離れる時に、WirelessHARTヘッダを再構築するのに要する情報を格納している。

優先度フィールドは、パケットに関連付けられたWirelessHART優先度を識別し、中継されるWirelessHARTパケットの優先度を反映する。

WirelessHARTプロキシアドレスビットフラグは、受信したWirelessHARTパケット内の同一の値を反映する。ルーティングヘッダ内にWirelessHARTプロキシアドレスがある時に設定される。

２０ビットの受信時間フィールドは、デュアルモードルータがパケットを受信した時を記録する。１msの時間刻みで表現されるISA100.11a ＴＡＩ時間に基づく。

ＡＳＮ寿命フィールドは、デュアルモードルータによって受信された時間におけるWirelessHARTパケットのネットワーク寿命を記録する。これは、デュアルモードルータの現在のＡＳＮ時間からWirelessHARTパケットのＡＳＮスニペットフィールドを減算することにより、計算される。

プロキシフラグが設定されている時には、WirelessHARTプロキシルートフィールドがある。プロキシルートフィールドは、システムマネージャからのダウンストリームメッセージをプロキシするWirelessHART装置のアドレスを格納する。中継プロキシルートフィールドは、WirelessHARTパケットのプロキシルートフィールドからコピーされる。

受信した中継ヘッダを処理するデュアルモードルータは、WirelessHARTヘッダフィールドを再構築しなければならない。新たなＡＳＮスニペットフィールドは、式：
ＡＳＮ＿ｓｎｉｐｐｅｔ＝ｃｕｒｒｅｎｔ＿ＡＳＮ−（ＡＳＮ＿ａｇｅ＋ＲＸ＿ｔｉｍｅ／１０）
を使用して計算される。ｃｕｒｒｅｎｔ＿ＡＳＮは、デュアルモードルータが中継パケットを受信した時のWirelessHART時間として定義される。絶対スロット番号カウンタにより、時間を計測する。ＡＳＮ＿ｓｎｉｐｐｅｔ計算で負の数が生成される見込みは低い。負の値が生成された場合は、その後、ＡＳＮ＿ｓｎｉｐｐｅｔがゼロに設定される。ＲＸ＿ｔｉｍｅは、ISA100.11aネットワーク内で費やされた時間である。ＤＬＬヘッダ内のISA100.11a ＴＡＩ時間から計算される。

中継優先度フィールドは、WirelessHART優先度フィールドにコピーされる。中継プロキシフラグもWirelessHARTプロキシフラグにコピーされ、プロキシルートもある場合はコピーされる。

図１４は、完全な中継パケットを例示し、ISA100.11a ＵＤＰペイロード内のWirelessHARTパケットの中継ヘッダ及び中継される部分を示す。一つの実施形態では、中継パケットは、WirelessHART終端間セキュリティ暗号化及びメッセージ完全性検査を持続する。

トランスポート層（及び上部）動作
WirelessHART及びISA100.11aは、異なるトランスポート及びアプリケーション層を定義している。デュアルモードルータの中継機能は、WirelessHARTプロトコルのこれらの部分をカプセル化し、ISA100.11aネットワークを介して送信する。ISA100.11aルーティング機能は、ネットワーク層より上部を調べず、そのため、これらの上方層でWirelessHARTが行っていることの影響を受けない。

システム管理
WirelessHART及びISA100.11aの両方とも、集中化されたシステム管理機能をサポートしている。WirelessHARTでは、この機能を「ネットワーク管理」と呼ぶ。本文献では、ISA100の「システムマネージャ」という用語を使用し、ISA100.11a又はWirelessHART機能のいずれも指す。両方のシステムマネージャは、新たな装置を認証及び設定するための加入機能と、ネットワーク接続及びセキュリティ設定を提供するための構成機能と、装置及びネットワークを監視するための診断機能とを包含する、類似した機能を実施する。各システムマネージャの動作の詳細は異なる。システムマネージャは、異なる制御及び報告メッセージ、関連付けられたアルゴリズムが動作する過程についての異なる詳細ならびに異なるパラメータを有する。WirelessHARTシステムマネージャのメッセージ構造は、パケットペイロード内で連接することができる制御／応答メッセージの一覧に基づく。ISA100.11aシステムマネージャは、共に統合されてパケットペイロードを形成する、アプリケーション層のプロセス、オブジェクト及び属性に基づく。

WirelessHART及びISA100.11aネットワークを互換させるため、WirelessHART及びISA100.11aシステムマネージャは、ネットワーク資源構成の割り当て及び診断を包含する、多数の事項を連係させることが求められる。これは、両方のネットワークをその固有の管理言語で管理する一つのシステムマネージャを設計するか、ネットワーク間の連係した管理をサポートするＡＰＩを持つ、個別のマネージャを設計するかのいずれかにより、行うことができる。

連係したシステム管理機能は、すべてのISA100.11a及びWirelessHART装置に短い（１６ビット）アドレスを割り当てる。この実施形態では、ISA100.11a及びWirelessHART装置に対して個別のアドレス範囲がセットアップされ、デュアルモードルータでアドレス範囲が構成される。選択される範囲は、異なる規格によって課されるアドレス制約に適応する必要がある。

もう一つの実施形態では、受信したパケットの起点を指名するためにデュアルモードルータによって使用される、異なるＰＡＮ識別子が異種ネットワークに割り当てられる。

WirelessHART及びISA100.11aの両方は、類似した加入プロセスを有するものの、ISA100.11aはその詳細が異なる。各装置は、その固有の加入プロトコルを使用する。WirelessHART加入メッセージは、本発明の実施形態に従ったデュアルモードルータによってISA100.11aネットワーク上で中継される。デュアルモードルータは、各プロトコルスタックを構成及び制御できるように、各システムマネージャ機能を加入させる必要がある。

ネットワーク診断は、周期的なヘルス報告及び非周期的なイベント報告を包含する。二つの規格は、同等のパラメータ又は報告形式を有していない。各装置は、その固有のシステム管理機能に報告する。デュアルモードルータは、両方のシステム管理機能に報告する。装置によって生成される報告の一部は、不良ＭＡＣフレーム検査シーケンス及び不良ＤＬＬメッセージ完全性検査を計測するパラメータである。しかし、混在ネットワークでは、装置が相互のパケットを解釈するのを阻止するため、WirelessHART及びISA100.11aが異なるメッセージ完全性検査鍵を使用することから、不良メッセージ完全性検査カウントは、干渉を示唆しない。フレーム検査シーケンスが干渉レベルの真の計測である。

両方の規格とも、システムマネージャは、電波メッセージを通じてネットワークスタック及びローカル装置ネットワークマネージャを構成する。各装置は、その固有の構成メッセージで制御される。デュアルモードルータの各スタックは、固有のスタック制御メッセージで制御される。デュアルモードルータは、二つの上方層スタック間で物理層及びＭＡＣ層を共有するため、WirelessHART及びISA100.11aシステム管理機能がこれらの層の構成を連係させる。二つのネットワークを介して連係されるネットワーク割り当ては、１６ビットアドレス、グラフＩＤ、送信元ルート、ネットワークＩＤ、スーパーフレーム、チャネルホップシーケンス及びタイムスロット割り当てを包含する。

セキュリティ動作
WirelessHART及びISA100.11aの両方とも、ＤＬＬセキュリティ機能及び上方層終端間セキュリティ機能を有する。ISA100.11a規格は、ＤＬＬセキュリティについて、ＭＡＣに許容されたIEE 802.15.4オプションに基づく数個のオプションを有する。デュアルモードルータでは、ISA100.11aは、メッセージ完全性検査をオンにするオプションを選択することを要する。メッセージ完全性検査フィールドを４オクテットの長さにし、デュアルモードルータの動作を簡略化することも望ましい。

WirelessHARTは、終端間セキュリティ暗号化及びメッセージ完全性検査機能をネットワーク層に配置する。ISA100.11aでは、それらがトランスポート層にある。これは、パケットのルーティングのみに関与し、WirelessHARTプロトコルの宛先装置処理に関与しない中継機能にとって重要ではない。中継機能は、暗号化されたWirelessHARTパケットペイロードの解読又は完全性検査を行わない。暗号化されたWirelessHARTネットワーク層ペイロード及び関連付けられたWirelessHARTメッセージ完全性検査フィールドは、中継機能により、変更されることなくISA100.11aネットワークを介して送出される。

デュアルモードルータは、中継されるパケットを受信した時、WirelessHARTネットワーク層を再構築し、そのメッセージ完全性検査に加えて終端間暗号化パケットをペイロードに挿入する。

好ましくは、二つのネットワークが鍵を共有せず、鍵管理を統合するか、個別に保持することができる。

ゲートウェイ動作
WirelessHART及びISA100.11aの両方は、類似したゲートウェイ機能を定義している。しかし、ゲートウェイは、異なるアプリケーション層プロトコルを使用してフィールド装置と通信する。先に述べたように、WirelessHARTは、コマンド／応答プロトコルを使用し、ISA100.11aは、ポート、オブジェクト及び属性識別子に基づくプロトコルを使用する。ISA100.11aは、ネットワーク内で複数個のゲートウェイ装置がアドレス指定されることを許容するのに対し、WirelessHARTは、一つのゲートウェイ機能と、ネットワークに接続する複数個のアクセスポイントとを有する。WirelessHARTは、ベンダーが冗長分散ゲートウェイを作製することを排除しない。ゲートウェイが公開アドレスを有し、WirelessHARTフィールド装置に対して一つの装置のように見えることのみを指定する。

統合されたネットワーク内の各装置は、その固有のゲートウェイとやり取りする。デュアルモードルータがプロセス／制御アプリケーションをサポートする場合、その後、WirelessHARTゲートウェイ又はISA100.11aゲートウェイのいずれかとやり取りするように構成される。すべてのゲートウェイアプリケーションレベル通信は、中継機能に対して透過的である。

ISA100.11a及びWirelessHARTゲートウェイは、高位側インタフェースを通じ、プラントネットワーク上のプロセス及び制御アプリケーションと通信する。図１及び２では、高位側インタフェースがゲート装置枠の右側にある。

WirelessHARTシステムは、HART7装置アプリケーションがWirelessHARTゲートウェイと通信することを許可するように設計される。このゲートウェイは、WirelessHARTネットワークに直接接続するか、中間ネットワーク技術を通じ、アクセスポイントによって接続することができる。WirelessHARTシステムのアクセスポイントは、ISA100.11aネットワークのバックボーンルータと類似する。統合されたシステムでは、WirelessHARTゲートウェイは、多様な方式で接続することができる。
１．ゲートウェイは、WirelessHARTスタックのみを有することができ、したがって、一つ以上のデュアルモードルータとやり取りする必要がある。この場合、WirelessHARTゲートウェイは、修正なしで動作し、デュアルモードルータは、WirelessHARTゲートウェイに対してISA100.11aネットワークを透過的にする。修正されないWirelessHARTゲートウェイを持つネットワークを図１に示す。
２．ゲートウェイは、デュアルモードルータを内蔵することができる。この場合、ゲートウェイは、ISA100.11aネットワーク上に直接置かれ、その中継機能は、上方のWirelessHARTプロトコルスタック層をISA100.11aネットワーク層に接続する。
３．ゲートウェイは、一つ以上のISA100.11aバックボーンルータによってサービスされる、バックボーンネットワーク上の装置であることができる。このゲートウェイは、バックボーンネットワークによって定義された下位プロトコルスタックを有する。バックボーンプロトコルスタックは、中継機能層と一体化される。中継機能は、ゲートウェイの上方のWirelessHARTプロトコル層で必要とされるWirelessHARTヘッダデータを再構築する。このWirelessHARTゲートウェイを図２のネットワーク内に示す。
４．ゲートウェイは、一つ以上のWirelessHARTアクセスポイントによってサービスされる、バックボーンネットワーク上の装置であることができる。この場合、WirelessHARTアクセスポイントは、中継パケットをISA100.11aネットワークで移送し、WirelessHARTメッセージをバックボーンネットワークで移送するデュアルモードルータである。デュアルモードのWirelessHARTアクセスポイントは、WirelessHARTゲートウェイに対し、ISA100.11aネットワークを透過的にする。
５．WirelessHART及びISA100.11aゲートウェイは、デュアルプロトコルスタックを持つ一つの装置に一体化される。

デュアルモードルータ
デュアルモードルータは、好ましくは、WirelessHART装置及びISA100.11a装置の両方である。その中継機能を通じ、ネットワーク間の接続を提供する。デュアルモードルータは、好ましくは、WirelessHART及びISA100.11aネットワークの両方に対する平常のルーティング対応装置として振る舞う。統合されたWirelessHART及びISA100.11aネットワークは、本発明の実施形態に従った、少なくとも一つのデュアルモードルータを要する。大きいネットワーク及び／又は堅牢なネットワークでは、一つよりも多いデュアルモードルータを要する。

デュアルモードルータは、好ましくは、メッシュネットワークに参加する。WirelessHART及びISA100.11aネットワークの部分にまたがるグラフルートは、ISA100.11aへのエントリポイントとして、一つよりも多いデュアルモードルータを内蔵することができる。大きいWirelessHARTパケットは、ISA100.11aネットワークに入る時にフラグメント化され、離れる時にフラグメント化を解消されることから、ISA100.11aネットワークからのグラフの出口には、一つのみのデュアルモードルータがあることができる。

デュアルモードルータは、好ましくは、WirelessHART及びISA100.11aネットワークからパケットを送信及び受信するために使用する、単一の無線を有する。結果として、ルータは、WirelessHART形式パケットとISA100.11a形式パケットとを区別しなければならない。パケットを区別するための各種の方法がある。一つの方法では、各プロトコルに使用される１６ビットアドレスの範囲をデュアルモードルータに提供する。デュアルモードルータは、範囲を使用し、ＭＡＣ送信元アドレスフィールドに基づき、所与のワイヤレスデータパケットがWirelessHARTであるか、ISA100.11aであるかを判定する。連係したシステム管理機能がISA100.11a及びWirelessHARTにアドレスを割り当てることから、これが稼動する。共有又は専有されるリンクにアドレス範囲を使用することができる。もう一つの方法では、WirelessHART及びISA100.11aネットワークに異なるＰＡＮ識別子を割り当てる。その後、デュアルモードルータは、IEEE 802.15.4 ＭＡＣヘッダ内のＰＡＮ ＩＤフィールドを調べ、受信したパケットのタイプを知らせる。

デュアルモードルータは、好ましくは、そのWirelessHART及びISA100.11aプロトコルスタックに対し、個別の１６ビットアドレス又はＰＡＮ識別子及び６４ビットＥＵＩが割り当てられる。デュアルモードルータは、WirelessHARTパケットを送信する時にはWirelessHARTの１６ビットアドレスをＭＡＣ送信元アドレスとして使用し、ISA100.11aパケットを送信する時にはISA100.11aの１６ビットアドレスをＭＡＣ送信元アドレスとして使用する。６４ビットＥＵＩをＭＡＣ送信元アドレスとして使用して送出されるメッセージは、すべてのWirelessHART装置について、ＨＡＲＴ協会に割り当てられた機関ブロック番号で識別される。

デュアルモードルータは、好ましくは、WirelessHART及びISA100.11aネットワークの両方のネットワーク形成に参加する。デュアルモードルータは、WirelessHARTネットワーク内でアドバタイズし、クロックの親でなければならない。デュアルモードルータは、両方のネットワークでネイバーディスカバリ（近隣探索）も行う。

アドバタイズパケットは、加入要求を送出し、加入応答を受信するために十分な情報を加入装置に与えるために送出される。各規格の形式及びアルゴリズムの詳細は異なり、それらを連係させる必要はない。各規格の装置は、使用される異なる公開ＭＩＣ鍵で差異化される、そのアドバタイズメッセージを生成する。本発明の実施形態に従い、デュアルモードルータは、両方のネットワークでアドバタイズし、各々に異なるアドバタイズを送信するように構成される。

WirelessHARTは、ＤＬＬ Ｋｅｅｐ−Ａｌｉｖｅパケットを使用してネイバーを発見し、それらとの接触を維持する。WirelessHART装置は、未知の装置から送出されたパケット及びＫｅｅｐ−Ａｌｉｖｅメッセージを調べ、ネイバーリストを維持する。混在ネットワークでは、WirelessHART鍵を使用するＤＬＬ ＭＩＣは、ＩＳＡパケットを除外する。

ISA100.11aは、類似したネイバーディスカバリ（近隣検索）プロセスを有する。ISA100.11a装置もＤＬＬ ＭＩＣ鍵を使用し、WirelessHART装置をネイバーとして認識することから除外する。

デュアルモードルータは、本発明の実施形態に従い、個別のWirelessHART及びISA100.11aネイバーテーブルを保持する。いずれの規格でも排他的に使用されるリンクで受信したパケットは、規格に割り当てられたＤＬＬ ＭＩＣ鍵で検査される。リンクが規格によって共有されている場合、デュアルモードルータは、両方の鍵を検査するか、選ぶ鍵を交互にするかのいずれかを行うことができる。両方の鍵を試すことが好ましいが、ハードウェア及びソフトウェアに対し、すべての装置によって満たすことが不可能であることができる時間条件が配置される。共有されたチャネルの鍵を交互にすることは、新たなネイバーの発見を阻止せず、プロセスを遅らせるのみである。

デュアルモードルータは、領域内でWirelessHARTネットワークを始動する装置であることができる。装置は、ネットワークを始動する時、その子にタイムスロットクロックを供給し、ＡＳＮを確立する必要がある。デュアルモードルータは、好ましくは、そのＡＳＮクロックをISA100.11a ＴＡＩクロックから導出する。連係したシステム管理機能は、ISA100.11aクロック送信元からISA100.11aネットワークを通じ、デュアルモードルータを通じ、WirelessHARTネットワークまでのクロックツリーを確立する。デュアルモードルータは、ISA100.11aのクロックの子プロセスを使用し、そのISA100.11aの親からＴＡＩクロックを取得する。その後、ＴＡＩ時間をＡＳＮ時間に変換し、WirelessHARTの子に伝播する。

デュアルモードルータは、ISA100.11aネットワークを通じてシステムマネージャを加入させるか、他のWirelessHART装置から受けたアドバタイズから取得したＡＳＮを採用するかのいずれかの時には、ＡＳＮを０に設定する。

WirelessHART及びISA100.11aシステム管理機能は、デュアルモードルータの制御及び監視で協調する。統合されたシステム管理機能を設計するか、ISA100.11aシステムマネージャとWirelessHARTシステムマネージャとの間のＡＰＩを設計することにより、協調型システム管理機能を具現化することができる。

各規格のシステムマネージャ機能は、装置のプロトコルスタックのうち、その部分を構成及び監視する。二つの管理機能のうちの一つは、共有された物理、ＭＡＣ及び中継機能を制御する。デュアルモードルータプロトコルスタックのうち、個別に管理及び共有される部分の連係は、二つのシステム管理機能の間で行われる。

両方のシステムマネージャには、デュアルモードルータにより、周期的及びイベント報告が送出される。特定のネットワークの動作に関する報告は、関連付けられたシステムマネージャに送出される。装置に関する報告は、両方のシステムマネージャに送出されることができるが、概して、一つのマネージャが装置全般の管理を担当する。

図１５は、本発明の実施形態に従ったデュアルモードルータの概略図である。ルータ５０は、内部又は外部アンテナであることができるアンテナ５４に連結された、ワイヤレス通信回路５２を包含する。ワイヤレス通信回路５２は、好ましくは、IEEE 802.15.4に従い、２．４GHzで動作する無線周波数通信回路を包含する。

ルータ５０は、ワイヤレス通信回路５２及び制御装置５８に連結された電力モジュール５６も包含する。電力モジュール５６は、ワイヤレス通信回路５２及び制御装置５８に好適な動作電力を提供するように構成されている。電力モジュール５６は、内部電力送信元、例えば、電池又はスーパーキャパシタであることができるか、外部送信元から電力を受信及び／又はコンディショニングするように構成することができる。外部送信元の例は、光起電セル、風力発電機、熱発電機、振動に基づく発電機、プロセス通信ループ（例えば、有線HART（登録商標）もしくはFOUNDATION（商標）フィールドバスループ／セグメント）又は１１０VACも非限定的に包含する。

制御装置５８は、好ましくは、ハードウェア、ソフトウェア又はその組み合わせを通じて構成され、本発明の実施形態に従い、先に明記した各種機能を提供する、マイクロプロセッサである。

ルータ５０が「フィールド」に設置される実施形態では、そのような実施形態は、防爆性の筐体及び／又は本質的に安全な回路を用いることが有効である。本質的な安全性の要件の一つの例は、１９９８年１０月にFactory Mutual Researchによって公布されたAPPROVAL STANDARD INTRINSICALLY SAFE APPARATUS AND ASSOCIATED APPARATUS FOR USE IN CLASS I, II and III, DIVISION NUMBER 1 HAZARDOUS (CLASSIFIED) LOCATIONS, CLASS NUMBER 3610に明記されている。

本発明の実施形態は、一般的に、ISA100.11aとWirelessHARTとの間の相互運用性を許可するための特定の構成パラメータ及び装置の詳細かつ厳格な例を提供したが、当業者は、相互運用性が維持される限り、変形を使用できることを認識する。さらに、本明細書に開示した実施形態は、一般的に、完全な相互運用性を提供するが、本発明の実施形態は、部分的な相互運用性、例えば、パケットが異種ネットワークを横断できない場合でも、衝突回避を強化することができるように、二つの異種ネットワークの時間基準を簡略的に連係させることも包含する。なおさらに、本発明の実施形態は、一般的に、デュアルモードルータに関して記載されているが、実施形態は、先に記載した各種実施形態に従って構成することができる好適な無線及び制御装置を包含する、任意の装置で具体化することができる。このように、本発明の実施形態は、WirelessHARTバックボーンゲートウェイ、ISA100.11aバックボーンゲートウェイ、ISA100.11aルーティング装置又は任意の好適な装置で具体化することができる。

本発明の実施形態は、多数の潜在的な効果を提供すると考えられる。本発明の実施形態に従い、WirelessHARTとISA100.11aとの間の相互運用性を実現するために使用される技術及びパラメータ設定は、ISA100.11aプロトコルの効率に著しく作用せず、共有されたネットワーク資源、例えば、チャネル及びタイムスロットの効率的な使用を促進する。さらに、ISA100.11aのモードをWirelessHARTと互換させることにより、二つのネットワークが一体化され、一つのネットワークとしての振る舞い、一つの一体化した管理機能及び一体化したネットワークインフラで稼動するWirelessHART又はISA100.11a装置のいずれかを購入する能力をユーザに提供する。一体化されたWirelessHART及びISA100.11aネットワークは、装置が利用できるネットワーク資源を増大させ、送信が衝突した時に個別のシステムが経験する干渉を低減させる。公表されたHART7規格には変更がもたらされないため、後方互換性が提供される。ISA100.11aネットワークを介したWirelessHARTパケットの移送は、WirelessHART装置及びアプリケーションに対して透過的である。標準的なISA100.11a装置は、デュアルモードルータによって中継されたWirelessHARTパケットを、ISA100.11aネットワークを介してルーティングするため、ISA100.11aの互換性が確保される。中継機能は、本発明の実施形態に従い、ISA100.11aネットワーク層及びISA100.11a規格で文書化されたネットワーク構成と共に稼動する。最後に、中継機能は、デュアルモードルータのハードウェア又はプロセッサに著しい負荷を課さない。

本発明は、実施形態を具体的に参照しながら記載されているが、当業者は、本発明の本質及び範囲を逸することなく、実施形態及び詳細に変更をもたらすことができることを認識する。

Claims (30)

1. 複数の異種ワイヤレスプロセス通信ネットワークを介してプロセス通信パケットを伝達するためのデュアルモードルータであって、
   複数の各異種ワイヤレスプロセス通信ネットワークからの信号と対話するように構成されたワイヤレス無線周波数通信回路と、
   第一の異種ワイヤレスプロセス通信ネットワークからのプロセス通信パケットを、第二の異種ワイヤレスプロセス通信ネットワーク上での送信に適合させるように構成されている、ワイヤレス無線周波数通信回路に連結された制御装置と、
   を含む、デュアルモードルータ。
2. 第一の異種ワイヤレスプロセス通信ネットワークがWirelessHARTである、請求項１記載のデュアルモードルータ。
3. プロセス通信パケットを適合させることがWirelessHARTパケットのペイロードをISA100.11aパケットでカプセル化することを含む、請求項２記載のデュアルモードルータ。
4. プロセス通信パケットを適合させることがWirelessHARTパケットヘッダ情報をISA100.11aヘッダへと翻訳することを包む、請求項３記載のデュアルモードルータ。
5. 制御装置が、さらに、複数の異種ワイヤレスプロセス通信ネットワークのシステム管理を連係させるように構成されている、請求項１記載のデュアルモードルータ。
6. 第二の異種ワイヤレスプロセス通信ネットワークがISA100.11aである、請求項１記載のデュアルモードルータ。
7. WirelessHARTパケットがISA100.11aネットワークを出るときにWirelessHARTパケット全体を再構築することができるように、カプセル化されたWirelessHARTパケットに基づき、ISA100.11aペイロードを生成するように制御装置が構成されている、請求項６記載のデュアルモードルータ。
8. 第二の異種ワイヤレスプロセス通信ネットワークを通じ、第一の異種ワイヤレスプロセス通信ネットワークの装置間の通信を提供するように制御装置が構成されている、請求項１記載のデュアルモードルータ。
9. デュアルモードルータが本質的に安全である、請求項１記載のデュアルモードルータ。
10. 第一の異種ワイヤレスプロセス通信ネットワークを、第二の異種ワイヤレスプロセス通信ネットワークに基づいて構成する方法であって、
    第二の異種ワイヤレスプロセス通信ネットワークから時間基準を入手する工程と、
    第二の異種ワイヤレスプロセス通信ネットワークから入手した時間基準に基づき、第一の異種ワイヤレスプロセス通信ネットワークの時間基準を設定する工程と、
    を含む、方法。
11. 第一の異種ワイヤレスプロセス通信ネットワークがWirelessHARTである、請求項１０記載の方法。
12. 第二の異種ワイヤレスプロセス通信ネットワークがISA100.11aである、請求項１１記載の方法。
13. さらに、第一及び第二の異種ワイヤレスプロセス通信ネットワーク上でプロセスパケット衝突回避を提供する工程を含む、請求項１０記載の方法。
14. さらに、第一及び第二の異種ワイヤレスプロセス通信ネットワーク間でプロセスパケットを中継する工程を含む、請求項１０記載の方法。
15. 異種ワイヤレスプロセス通信ネットワーク上でプロセス通信パケットを伝達する方法であって、
    第一の異種ワイヤレスプロセス通信ネットワークから第一のワイヤレスプロセス通信パケットを受信する工程と、
    第一のワイヤレスプロセス通信パケットを修正し、修正されたプロセス通信パケットを形成する工程と；
    第二の異種ワイヤレスプロセス通信ネットワーク上において、修正されたプロセス通信パケットを送信する工程と
    を含む、方法。
16. 受信及び送信が同一の無線周波数通信回路を使用して行われる、請求項１５記載の方法。
17. 方法がデュアルモードルータを使用して実施される、請求項１５記載の方法。
18. 複数個の異種ワイヤレスプロセス通信ネットワークと対話する方法であって、
    ワイヤレス無線周波数通信回路を通じてプロセスパケットを受信する工程と、
    パケットを検証し、プロセスパケットの起点となった異種ワイヤレスプロセス通信ネットワークを判定する工程と、
    検証に基づき、パケットを選択的に伝達する工程と、
    を含む、方法。
19. プロセス通信システムであって、
    第一の異種ワイヤレスプロセス通信ネットワークと、
    第一の異種ワイヤレスプロセス通信ネットワークの構成、制御及び監視の少なくとも一つを提供するように構成された第一のシステムマネージャと、
    第二の異種ワイヤレスプロセス通信ネットワークと、
    第二の異種ワイヤレスプロセス通信ネットワークの構成、制御及び監視の少なくとも一つを提供するように構成された第二のシステムマネージャと、
    を含み、
    プロセス通信システムの動作を連係させるため、第一及び第二のシステムマネージャが相互に通信するように構成されている、
    プロセス通信システム。
20. 第一及び第二の異種ワイヤレスプロセス通信ネットワーク間での衝突回避を提供するように、第一及び第二のシステムマネージャが構成されている、請求項１９記載のシステム。
21. 第一のワイヤレスプロセス通信ネットワークがISA100.11aである、請求項１９記載のシステム。
22. 第一のワイヤレスプロセス通信ネットワークがWirelessHARTである、請求項１９記載のシステム。
23. IEEE 802.15.4 ＭＡＣヘッダ内のアドレスを使用し、複数の異種ワイヤレスプロセス制御ネットワークの一つでパケットを識別することができるように、第一及び第二のシステムマネージャがフィールド装置の１６ビットアドレス割り当てを連係させるように構成されている、請求項１９記載のシステム。
24. IEEE 802.15.4 ＭＡＣヘッダ内のＰＡＮ識別子を使用し、異種ワイヤレスプロセス制御ネットワークを識別することができるように、第一及び第二のシステムマネージャが各異種ワイヤレスプロセス制御ネットワークのための複数の一意のＰＡＮ識別子の選択を連係させるように構成されている、請求項１９記載のシステム。
25. 第一及び第二のシステムマネージャが第一及び第二の各異種ワイヤレスプロセス通信ネットワークを介してグラフＩＤを連係させるように構成されている、請求項１９記載のシステム。
26. 統合されたワイヤレスプロセス通信システムであって、
    複数の異種ワイヤレスプロセス通信ネットワークと、
    デュアルモードルータ機能性を持つ複数の装置と、
    異種ワイヤレスプロセス通信ネットワークの少なくとも一つで通信するように構成されている、少なくとも一つのフィールド装置と、
    複数の異種ワイヤレスプロセス通信ネットワークの構成、制御及び監視の少なくとも一つの機能を提供するように適合されている、連係したシステムマネージャと、
    を含む、統合されたワイヤレスプロセス通信システム。
27. 第二の異種ワイヤレスプロセス通信ネットワークを通じて通信する、第一の異種ワイヤレスプロセス通信ネットワーク上のフィールド装置から、フィールド装置のプロセス制御システムのホストアプリケーションへの通信をシステムがサポートする、請求項２６記載の統合されたワイヤレスプロセス通信システム。
28. 第二の異種ワイヤレスプロセス通信ネットワークを通じて通信する、第一の異種ワイヤレスプロセス通信ネットワーク上のフィールド装置から、同じく第一の異種ワイヤレスプロセス通信ネットワーク上のフィールド装置への通信をシステムがサポートする、請求項２６記載の統合されたワイヤレスプロセス通信システム。
29. 第一の異種ワイヤレスプロセス制御ネットワークがWirelessHARTである、請求項２６記載の統合されたワイヤレスプロセス通信システム。
30. 第二の異種ワイヤレスプロセス制御ネットワークがISA100.11aである、請求項２６記載の統合されたワイヤレスプロセス通信システム。

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