JP2013183354A - 無線通信システムおよび通信システム構築方法 - Google Patents

Abstract

【課題】無線通信システムに要求される条件に応じた、効率的な無線通信資源の割当が可能となる無線通信システム等を提供する。
【解決手段】受付手段は、無線通信システムに含まれるすべての通信機器に対する無線通信資源の割当の算出に必要な条件の入力を受け付ける。算出手段は、前記受付手段を介して入力された前記条件に基づいて、予め前記すべての通信機器について前記無線通信資源の割当を算出する。付与手段は、前記すべての通信機器のそれぞれからの要求に応じて、当該要求時に当該通信機器に対して前記算出手段による算出結果に応じた割当を付与する。
【選択図】図１

Description

本発明は、通信機器に対して無線通信資源の割当を算出する機能を備える無線通信システムに関する。

ISA100システム・マネージャー（System Manager）、ISA100セキュリティ・マネージャー（Security Manager）、ISA100ゲートウェイ（Gateway）、ISA100 Ｉ／Ｏデバイス（I/O Device）などから構成されるISA100システムでは、ISA100システム・マネージャーが、ISA100機器（「無線デバイス」ともいう）やネットワークの情報を収集し、周波数、通信経路、通信タイムロスなどの無線通信資源の管理、ISA100機器に対するこれらの無線通信資源の割当の算出、および算出結果に基づく各機器への使用周波数や近隣デバイス情報などの設定を行う機能を有する。

ISA100では、ジョイン（Join）をネットワークへ参加するための処理、コントラクト（Contract）をノードとISA100システム・マネージャーが通信するための処理、セッション（Session）をノード同志が通信するための処理と定義している。

ノード同志の通信が可能となるまでに必要な上記一連の処理において、ISA100システム・マネージャーは、コントラクト（Contract）要求した機器（ノード）に対し、ISA100システム・マネージャーと通信を行うための周波数・通信経路・通信タイムスロットなどの無線通信資源の割当の算出・当該機器への使用周波数や近隣デバイス情報などの設定を行う。また、ISA100システム・マネージャーは、セッション（Session）要求を送信した機器に対し、その通信相手（ノード）と通信を行うための無線通信資源の割当・当該機器への当該割当の設定を行う。なお、無線通信資源の割当の算出方法は、システム・マネージャーの実装によって異なる。

特許第３８８１０１３号公報 特表２０１１−５３０２３５号公報

しかし、上記のように、ISA100システム・マネージャーによる無線通信資源の割当の算出は、ISA100機器からのコントラクト（Contract）要求時やセッション（Session）要求時にオンデマンドで行われる。このため、無線通信資源の割当は、各機器からのコントラクト要求やセッション要求の順序により左右され、ネットワーク全体として非効率な資源割当となる可能性がある。すなわち、無線通信資源の割当を算出する際、個々のノードの制約（例えば、ＰＩＤ制御の応答時間の許容範囲、使用できない周波数帯域などの制約）を考慮しながら、残っている無線通信資源を元に、割当を算出する。そのため、例えば、無線通信資源を割り当てることができない機器が生ずる、時間の隙間ができるなど、結果的にネットワーク全体として非効率な割当になる可能性がある。

また、無線通信資源の割当を決める際に考慮すべき要素として、無線通信の遅延の抑制、通信経路の冗長化等、様々な要素が考えられるが、その優先順位は構築する通信システムに要求される条件により異なる。しかし、従来のシステムでは、無線通信資源の割当を算出する際の手順は、システム・マネージャーの実装によって決められ、要求される条件に見合った通信経路等が構築されるとは限らない。

さらに、工業用途で無線を使用する場合には、携帯電話や無線ＬＡＮと異なり、機器の移動や、同的な機器の追加や削除の頻度は低く、前もって機器のアプリケーションの制約等の条件や資源配分に関する優先条件などを決めることができるという特殊性があり、これを活用することが望ましい。

本発明の目的は、無線通信システムに要求される条件に応じた、効率的な無線通信資源の割当が可能となる無線通信システム等を提供することにある。

本発明の無線通信システムは、通信機器に対して無線通信資源の割当を算出する機能を備える無線通信システムにおいて、無線通信システムに含まれるすべての通信機器に対する無線通信資源の割当の算出に必要な条件の入力を受け付ける受付手段と、前記受付手段を介して入力された前記条件に基づいて、予め前記すべての通信機器について前記無線通信資源の割当を算出する算出手段と、前記すべての通信機器のそれぞれからの要求に応じて、当該要求時に当該通信機器に対して前記算出手段による算出結果に応じた割当を付与する付与手段と、を備えることを特徴とする。
この無線通信システムによれば、入力された条件に基づいて、予めすべての通信機器について無線通信資源の割当を算出するので、無線通信システムに要求される条件に応じた、効率的な無線通信資源の割当が可能となる。

前記条件として、前記通信機器のルーティング機能の有無が含まれてもよい。

前記条件として、あらかじめ調査された、前記通信機器間における通信の通信品質が含まれてもよい。

前記条件として、通信経路におけるホップ数の抑制が優先されることが含まれていてもよい。

前記条件として、データの損失機会を減らすことが優先されることが含まれていてもよい。

前記条件として、前記通信機器の消費電力の抑制が優先されることが含まれていてもよい。

本発明の通信システム構築方法は、通信機器に対して無線通信資源の割当を算出するステップを備える通信システム構築方法において、無線通信システムに含まれるすべての通信機器に対する無線通信資源の割当の算出に必要な条件の入力を受け付ける受付ステップと、前記受付ステップを介して入力された前記条件に基づいて、予め前記すべての通信機器について前記無線通信資源の割当を算出する算出ステップと、前記すべての通信機器のそれぞれからの要求に応じて、当該要求時に当該通信機器に対して前記算出ステップによる算出結果に応じた割当を付与する付与ステップと、を備えることを特徴とする。
この通信システム構築方法によれば、入力された条件に基づいて、予めすべての通信機器について無線通信資源の割当を算出するので、無線通信システムに要求される条件に応じた、効率的な無線通信資源の割当が可能となる。

本発明の無線通信システムによれば、入力された条件に基づいて、予めすべての通信機器について無線通信資源の割当を算出するので、無線通信システムに要求される条件に応じた、効率的な無線通信資源の割当が可能となる。

また、本発明の通信システム構築方法によれば、入力された条件に基づいて、予めすべての通信機器について無線通信資源の割当を算出するので、無線通信システムに要求される条件に応じた、効率的な無線通信資源の割当が可能となる。

一実施形態の無線通信システムの構成を機能的に示すブロック図。 第１のネットワークを示す図であり、（ａ）は、入力された条件をグラフィカルに示す図、（ｂ）は、入力された条件に従って算出された無線通信資源の割当結果を示す図。 第２のネットワークを示す図であり、（ａ）は、入力された条件をグラフィカルに示す図、（ｂ）は、入力された条件に従って算出された無線通信資源の割当結果を示す図、（ｃ）は、タイムスロットの割当結果を例示する図。 第３のネットワークを示す図であり、（ａ）は、入力された条件をグラフィカルに示す図、（ｂ）は、入力された条件に従って算出された無線通信資源の割当結果を示す図。

以下、本発明による無線通信システムをISA100システムに適用した実施形態について説明する。

図１は、本実施形態の無線通信システムの構成を機能的に示すブロック図である。

図１に示すように、本実施形態の無線通信システムは、無線通信資源の割当の算出等を行うエンジニアリング用端末装置１と、各種の設定値をコントラクト（Contract）要求またはセッション（Session）要求に応じてISA100機器（「無線デバイス」ともいう）に設定するISA100システム・マネージャー２とを備える。なお、図１では、本発明に係る機能と直接的に関係しないISA100セキュリティ・マネージャー（Security Manager）、ISA100ゲートウェイ（Gateway）、ISA100 Ｉ／Ｏデバイス（I/O Device）などの図示を省略している。

図１に示すように、エンジニアリング用端末装置１は、無線通信資源の割当の算出に必要な情報の入力を受け付ける入力部１１と、入力部１１を介して入力された情報に基づいて無線通信資源の割当を算出する算出部１２と、算出部１２による算出結果に基づく各種の設定値を保存、管理する機器設定管理部１３と、ISA100システム・マネージャー２、その他のISA100機器との間での通信処理を行うためのISA100通信スタック１４と、を備える。

また、ISA100システム・マネージャー２は、無線通信資源の割当を算出する算出部２１と、各種の設定値を保存、管理する機器設定管理部２２と、エンジニアリング用端末装置１、その他のISA100機器との間での通信処理を行うためのISA100通信スタック２３と、を備える。

次に、本実施形態の無線通信システムの動作について説明する。

（１）ユーザは、無線通信資源の割当を算出するのに必要な情報を、エンジニアリング端末装置１の入力部１１を介して入力する。この情報には、無線ネットワークに参加する予定の機器リストと、無線通信資源の割当を算出するのに必要な条件、が含まれる。入力される条件としては、
・ISA100.11.a バックボーンルーター（Backbone Router）の設置位置
・各センサ（無線デバイス）の設置位置
・各センサ（無線デバイス）におけるルーティング機能（無線データを他の無線機器に転送する機能）の有無
・ISA100.11.a バックボーンルーターおよびルーティング機能をもつセンサ（無線デバイス）との間での通信品質
などがある。

このうち、上記の通信品質は予め行われた実際のサイトサーベイ結果に基づく情報であり、干渉する周波数帯や機器間のＰＥＲ（通信速度）の測定結果等の電波環境の情報などが含まれる。

入力部１１を介する入力方法は限定されないが、ＧＵＩ（グラフィカルユーザインタフェース）のようなユーザとの対話形式による方法やテキストファイルの読み込みによる方法などがある。

（２）エンジニアリング用端末装置１の算出部１２は、上記（１）において入力部１１を介して入力された情報に基づき、各機器への通信タイミング、周波数、通信経路などの無線通信資源の割当を算出する。

（３）エンジニアリング用端末装置１の機器設定管理部１３は、上記（２）における算出部１２の算出結果を元に、各機器において使用する通信スロット、周波数、近隣デバイス、リンク情報等の設定値を、各機器に対応付けて保存する。

以上の手順により、エンジニアリング用端末装置１の機器設定管理部１３に各機器の設定値が保存され、以降はISA100システム・マネージャー２が、コントラクト（Contract）要求またはセッション（Session）要求のあったISA100機器に当該設定値を設定する。以下、設定値を設定する手順を示す。

（４）装置１からISA100システム・マネージャー（System Manager）２への設定は、下記の通り、機器ジョイン（Join）時に問い合わせでも、あらかじめ、装置１からISA100システム・マネージャー（System Manager）２へ設定をダウンロード（Download）しても良い。また、運用中に装置１で設定した内容をISA100システム・マネージャー（System Manager）２へダウンロード（Download）し設定変更をしても良い。

ISA100機器からのコントラクト（Contract）要求またはセッション（Session）要求を受けると、ISA100システム・マネージャー２は、当該機器の設定値をエンジニアリング用端末装置１に問い合わせる。この問い合わせに応じて、エンジニアリング用端末装置１からISA100システム・マネージャー２に向けて機器設定管理部１３に保存されている当該機器の設定値が送信される。

（５）ISA100システム・マネージャー２は上記（４）により取得した設定値を、当該機器に設定する。

以上のように、本実施形態の無線通信システムでは、ISA100機器からのコントラクト（Contract）要求またはセッション（Session）要求に先立って、あらかじめエンジニアリング用端末装置１の算出部１２においてすべての機器に対して無線通信資源の割当を算出するので、コントラクト（Contract）要求またはセッション（Session）要求の順序に影響を受けることなく、無線通信資源を効率的に割り当てることが可能となる。また、算出部１２では、入力部１１を介して入力された動作条件や優先条件に基づいて無線通信資源の割当を算出するので、各機器に対し、各機器の動作条件に基づく制約や通信上の優先条件を満たすように無線通信資源を割り当てることができる。

また、無線通信資源の割当を予めエンジニアリング用端末装置１において一括して算出するため、何度も割当を算出する処理を行う必要がなく、資源配分のための一連の処理、すなわち、無線デバイスの電源を入れてから資源が配分され配分通知が終わるまでの実質的な時間を短縮できる。

次に、エンジニアリング用端末装置１の算出部１２における算出結果に基づいて構築されるネットワークの具体例（第１〜第３のネットワーク）について説明する。

（第１のネットワーク）
第１のネットワークとして、無線による伝送遅延を抑えることを優先したネットワーク（例えば、蒸留塔の温度監視システムのネットワーク）を構築する例を示す。無線による伝送遅延を抑えるためには、ホップ数を極力減らすようにネットワークを構成する必要がある。

この場合、エンジニアリング端末装置１の入力部１１を介して、例えば以下の条件を入力する。
・ISA100.11.a バックボーンルーター（Backbone Router）の設置位置
・各センサ（無線デバイス）の設置位置
・各センサ（無線デバイス）におけるルーティング機能（無線データを他の無線機器に転送する機能）の有無
・ISA100.11.a バックボーンルーターおよびルーティング機能をもつセンサ（無線デバイス）との間での通信品質（サイトサーベイ結果）
・データのパブリッシュ周期：例えば１０秒
・構成条件：ホップ数を抑制

図２（ａ）は、入力された条件をグラフィカルに示したものであり、各無線デバイスの位置を円で表現している。また、図２（ａ）の「Ｂ−ｎ」と記載された無線デバイスは、ISA100.11.a バックボーンルーター（Backbone Router）を、「Ｒ−ｎ」と記載された無線デバイスは、ルーティング機能を有するセンサを、「Ｉ−ｎ」と記載された無線デバイスは、ルーティング機能のないセンサを、それぞれ示している。「ｎ」は無線デバイスの種別ごとに便宜的に付された番号である。

図２（ａ）では、サイトサーベイの結果として得られた無線デバイス間の各リンクにおける通信品質を、ラインの種類により３段階で示しており、通信不能なリンク間にはラインが描画されていない。ラインの矢印の方向は、子ノードから親ノードに向いている。

図２（ｂ）は、入力された上記条件に従って算出部１２において算出された無線通信資源の割当結果を示す図である。図２（ｂ）では、図２（ａ）で示されたリンクのうち、実際に使用されるリンクのみが描画されている。

本例の場合では、例えば、「Ｉ−３」は「Ｂ−１」との間よりも、「Ｒ−６」を介する「Ｂ−２」との間の方が、通信品質が良いが、通信品質よりもホップ数を抑制することを優先し、「Ｉ−３」には「Ｂ−１」と通信するための資源を割り当てる。同様に、「Ｉ−８」および「Ｉ−９」は、いずれも「Ｒ−２」との間よりも「Ｒ−７」との間、「Ｉ−１２」は「Ｒ−４」との間よりも「Ｒ−１１」との間の方が、通信品質が良いが、ホップ数の抑制を優先し、「Ｉ−８」、「Ｉ−９」には「Ｂ−２」と通信するための資源を、「Ｉ−１２」には「Ｒ−４」と通信するための資源を、それぞれ割り当てる。

（第２のネットワーク）
第２のネットワークとして、無線による伝送遅延を抑えるとともにデータ更新の頻度が高く、データの喪失を防止することの要求レベルが高いネットワーク（例えば、組み立てラインの機械制御システムのネットワーク）を例示する。伝送の遅延を抑えることができ、通信頻度が高く、データの損失機会を減らすことができるネットワークとしては、ホップしないスター型のネットワークが適している。また、有線の場合と異なり瞬間的な環境要因によるデータ損失が起きやすい無線ネットワークで、なるべく確実にデータを転送するためには、再送期間を多く設けておく、無線の冗長経路を割り当て、１つの経路で通信不能となった場合のバックアップ用の経路を定義しておく、などの必要がある。

この場合、エンジニアリング端末装置１の入力部１１を介して、例えば以下の条件を入力する。
・ISA100.11.a バックボーンルーター（Backbone Router）の設置位置
・各センサ（無線デバイス）の設置位置
・各センサ（無線デバイス）におけるルーティング機能をなしとする。
・ISA100.11.a バックボーンルーターとの間での通信品質（サイトサーベイ結果）
・データのパブリッシュ周期：例えば５００ミリ秒
・構成条件：スター型優先、再送優先、冗長構成優先

図３（ａ）は、入力された条件を図２（ａ）と同様の方法で、グラフィカルに示したものである。

図３（ａ）では、サイトサーベイの結果として得られた無線デバイス間の各リンクにおける通信品質を、ラインの種類により２段階で示しており、通信不能なリンク間にはラインが描画されていない。ラインの矢印の方向は、子ノードから親ノードに向いている。

図３（ｂ）は、入力された上記条件に従って算出部１２において算出された無線通信資源の割当結果を示す図である。図３（ｂ）では、図３（ａ）で示されたリンクのうち、実際に使用されるリンクのみが描画されている。また、冗長構成を優先するため、可能な限り２つの経路が確保される。すなわち、プライマリー経路と、プライマリー経路が不通となった場合のバックアップ経路としてのセカンダリー経路とが定義され、図３（ｂ）では、ラインの種別によりこれらを区別して表現している。

図３（ｃ）は、本ネットワークにおけるタイムスロットの割当結果を例示している。タイムスロットは、どの時間帯にどのデバイスが送受信を行うかを規定する定義である。

図３（ｃ）に示すように、本ネットワークでは、「Ｉ−３」から「Ｂ−１」へのデータ送信、「Ｉ−４」から「Ｂ−１」へのデータ送信、「Ｉ−６」から「Ｂ−２」へのデータ送信等のための連続したタイムスロットがそれぞれ複数用意されており、再生用のタイムスロットを確実に確保することができる。これに対し、従来のシステムでは、デバイスからのセッション（Session）要求時に、再送の有無や再送の期間をシステム・マネージャーに通知し、その後にシステム・マネージャーが割り当てる資源を計算している。このため、通信未割当のタイムスロットが点在し、連続した再送用のタイムスロットが確保できない可能性がある。本発明によれば、機器設定管理部１３に保存されている設定値により、デバイスに割り当てられる再送スロットが予め定義されているため、再送用のタイムスロットについても適切な割当が可能となる。

（第３のネットワーク）
第３のネットワークとして、データの送信の頻度は低く、データの喪失を防止することの要求は緩やかだが、広大な敷地でネットワーク全体の電池寿命を延ばすことが要求されるネットワーク（例えば、倉庫の温度監視システムのネットワーク）を例示する。

この場合、広大な敷地をカバーするためにはホップする必要がある。また、ネットワーク全体の電池の消費を抑制するためには再送を減らし、ISA100.11.a バックボーンルーター（Backbone Router）と接続可能な無線デバイス（ルーティング機器）は、それぞれISA100.11.a バックボーンルーター（Backbone Router）と極力リンクを生成し、各ルーティング機器の転送頻度を均一化する必要がある。

この場合、エンジニアリング端末装置１の入力部１１を介して、例えば以下の条件を入力する。
・ISA100.11.a バックボーンルーター（Backbone Router）の設置位置
・各センサ（無線デバイス）の設置位置
・各センサ（無線デバイス）におけるルーティング機能の有無
・ISA100.11.a バックボーンルーターおよびルーティング機能をもつセンサ（無線デバイス）との間での通信品質（サイトサーベイ結果）
・データのパブリッシュ周期：例えば６０秒
・構成条件：電池の寿命優先

図４（ａ）は、入力された条件を図２（ａ）と同様の方法で、グラフィカルに示したものである。

図４（ａ）では、サイトサーベイの結果として得られた無線デバイス間の各リンクにおける通信品質を、ラインの種類により３段階で示しており、通信不能なリンク間にはラインが描画されていない。ラインの矢印の方向は、子ノードから親ノードに向いている。

図４（ｂ）は、入力された上記条件に従って算出部１２において算出された無線通信資源の割当結果を示す図である。図４（ｂ）では、図４（ａ）で示されたリンクのうち、実際に使用されるリンクのみが描画されている。

図４（ａ）の例では、例えば、「Ｉ−３」は「Ｂ−１」との間より「Ｒ−６」との間で、「Ｉ−１１」は「Ｂ−１」との間より「Ｒ−６」との間で、「Ｉ−１２」は「Ｒ−４」との間より「Ｒ−６」との間で、「Ｉ−１３」は「Ｒ−４」との間より「Ｒ−７」との間で、それぞれ通信品質が良い。しかし、ＡＣ電源を保有しているのはバックボーンルーターのみであるため、「Ｉ−３」および「Ｉ−１１」には、「Ｂ−１」と通信するための資源を割り当てる。また、「Ｒ−４」、「Ｒ−６」および「Ｒ−７」の子ノードの数を同じにし、転送頻度が等しくなるように、「Ｉ−１２」には「Ｒ−６」と通信するための資源を、「Ｉ−１３」には「Ｒ−４」と通信するための資源を、「Ｉ−１４」には「Ｒ−７」と通信するための資源を、それぞれ割り当てている。これにより、無線デバイスで使用される電池の消耗を抑制するとともに、電池を電源とする無線デバイス間での消費電力量の均一化を図っている。

以上説明したように、本発明の無線通信システム等によれば、入力された条件に基づいて、予めすべての通信機器について無線通信資源の割当を算出するので、無線通信システムに要求される条件に応じた、効率的な無線通信資源の割当が可能となる。

本発明の適用範囲は上記実施形態に限定されることはない。本発明は、通信機器に対して無線通信資源の割当を算出する機能を備える無線通信システム等に対し、広く適用することができる。

２ システム・マネージャー（付与手段）
１１ 入力部（受付手段）
１２ 算出部（算出手段）

Claims (7)

1. 通信機器に対して無線通信資源の割当を算出する機能を備える無線通信システムにおいて、
   無線通信システムに含まれるすべての通信機器に対する無線通信資源の割当の算出に必要な条件の入力を受け付ける受付手段と、
   前記受付手段を介して入力された前記条件に基づいて、予め前記すべての通信機器について前記無線通信資源の割当を算出する算出手段と、
   前記すべての通信機器のそれぞれからの要求に応じて、当該要求時に当該通信機器に対して前記算出手段による算出結果に応じた割当を付与する付与手段と、
   を備えることを特徴とする無線通信システム。
2. 前記条件として、前記通信機器のルーティング機能の有無が含まれることを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
3. 前記条件として、あらかじめ調査された、前記通信機器間における通信の通信品質が含まれることを特徴とする請求項１または２に記載の無線通信システム。
4. 前記条件として、通信経路におけるホップ数の抑制が優先されることが含まれることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の無線通信システム。
5. 前記条件として、データの損失機会を減らすことが優先されることが含まれることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の無線通信システム。
6. 前記条件として、前記通信機器の消費電力の抑制が優先されることが含まれることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の無線通信システム。
7. 通信機器に対して無線通信資源の割当を算出するステップを備える通信システム構築方法において、
   無線通信システムに含まれるすべての通信機器に対する無線通信資源の割当の算出に必要な条件の入力を受け付ける受付ステップと、
   前記受付ステップを介して入力された前記条件に基づいて、予め前記すべての通信機器について前記無線通信資源の割当を算出する算出ステップと、
   前記すべての通信機器のそれぞれからの要求に応じて、当該要求時に当該通信機器に対して前記算出ステップによる算出結果に応じた割当を付与する付与ステップと、
   を備えることを特徴とする通信システム構築方法。

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