JP4850213B2 - 無線伝送システム - Google Patents

Description

本発明は、無線通信において伝送経路を冗長化しデータの到達率を向上させる無線伝送システムに関する。

プラント内には金属性の構造物類やノイズを放射する機器が多く存在するなどの特殊な環境要因があり、電波の遮蔽、反射波との相互干渉によるフェージング及びノイズによる通信周波数帯域への干渉といった通信阻害要因の影響が強く表れることが懸念される。また、長期の連続運用が求められる場合には無線局自体の故障も問題となる。

プラント制御システムでは、制御に係るデータ伝送については有線伝送が一般的であったが、これを無線で伝送しようとする場合、上記のような厳しい環境下でも確実にデータを到達させるための方策を講じる必要がある。

データの到達性を向上させる方法として、伝送経路を冗長化し、一部で通信が阻害された場合に別の経路を利用してデータを伝送する技術が知られている。例えば、特許文献１には、複数の無線局からなるメッシュネットワークにおいて、送信元無線局と送信先無線局との間に相互干渉がなるべく少なくなるように複数の経路を設定し、複数の経路の各々に対して同一データを送信する方法が記載されている。

特開２００５−２３６６３２号公報

前述のプラント環境を鑑みると、複数の伝送経路により冗長化された無線伝送を行う場合には、伝送経路が単に冗長化されているだけでなく、各伝送経路は共通の属性値をできるだけ持たないように形成される必要がある。具体的には、冗長化された経路が同一の周波数を用いたり、同一の無線局を経由したり、あるいは空間的に極めて近接して配置されたりしないように伝送経路が選択される必要がある。なぜならば、複数の伝送経路を備える場合でも、それらが共通の属性値を持っている場合、単一の阻害要因によって複数の伝送経路が同時に利用不能となってしまう可能性があるためである。

無線ＬＡＮのような一般の情報伝達用途であれば、障害時にはデータを繰り返し再送する、あるいはしばらく通信動作を見合わせて阻害要因が消失するのを待つといった対応が許されるが、プラント制御に係るデータの場合、短いものではミリ秒オーダの周期で供給される必要があり、通信路が利用不能となることは極めて短時間で復旧可能な場合を除いて受け入れられない。

理論上、伝送経路の冗長度を増やすことによって全経路が使用不能となることを避けることは可能であるが、無線通信の性質上、同時に通信に供することのできる周波数帯域が有限であることと、同一周波数にあっては近隣どうしの複数の無線局が同時に通信を行うことが難しいという制約がある。そのため、実際には、伝送経路の冗長度を増やすにつれて周波数帯域の逼迫や無線局の相互干渉が起こりやすくなり、かえって伝送能力や信頼性の低下を招く恐れがある。

特許文献１に記載の経路選択方法は、経路相互の干渉排除が主な目的であって、上述したような、共通の属性値を持つ経路の排除を意図したものではないため、例えば、複数の経路が同一の無線局を経由するように選択される場合がある。従って、単一の阻害要因により複数の経路が同時に利用不能となってしまう可能性がある。

本発明の目的は、上記課題を解決すべく、データを送信する無線局とデータを受信する無線局との間で、単一の障害で全ての経路が利用不能とならないような複数の伝送経路を確立し、プラント制御に係るデータの伝送に好適な無線伝送システムを提供することにある。

上記目的を達成すべく本発明に係る無線伝送システムは、データを転送する機能を備える複数の中継無線局を介してデータを順次中継する伝送経路を複数形成し、データを送信する無線局と、データを受信する無線局とが前記複数の伝送経路に各々接続し、前記データを送信する無線局が前記複数の前記伝送経路を介して前記データを受信する無線局に同一データを送信する無線伝送システムであって、前記複数の中継無線局より前記複数の伝送経路を形成する際に、前記伝送経路を構成する中継無線局が互いに伝送経路に関する属性値を交換し、前記データを送信する無線局と前記データを受信する無線局の少なくとも一方は、複数の前記伝送経路に接続する際に、各伝送経路を構成するいずれかの中継無線局から前記属性値を取得し、取得した前記属性値が互いに異なる伝送経路を複数選択して接続する。

本発明によれば、データを送信する無線局とデータを受信する無線局との間で、単一の障害で全ての経路が利用不能とならないような複数の伝送経路を確立し、プラント制御に係るデータの伝送に好適な無線伝送装置を構成することができる。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。
＜全体構成＞
図１は、本実施形態における無線伝送装置全体の構成を示す模式図である。図１に示すように、無線伝送装置は、データを送信する１つ以上の無線局（基地局１０又は端末局３０）とデータを受信する１つ以上の無線局（端末局３０又は基地局１０）と複数の中継無線局（以下、中継局と称する）２０とを有する。基地局１０ａ，１０ｂは、無線ネットワークの基点となる無線局であり、稼働率を向上させるために同一機能の装置を用いて二重化されている。基地局１０ａ，１０ｂは、制御装置１と接続される。

端末局３０は、無線ネットワークの末端となる無線局であり、プラントの制御に利用されるセンサ群５およびアクチュエータ群６と接続される。端末局３０とセンサ５、または、端末局３０とアクチュエータ６は、センサノード３０またはアクチュエータノード３２のように、両者の機能を兼ね備えた機器で構成してもよい。

中継局２０は、他の無線局から受信したデータを、その本来の宛先（データを受信する無線局）に到達するように別の無線局に転送する機能を備えており、基地局１０と端末局３０との間に配置される。中継局２０は、伝送遅延を最小とするために複数の通信回路を備え、送受信を同時に実行することができるように構成されてもよい。

各無線局はそれぞれ相互に無線通信路を接続することで一つの無線ネットワークを構成する。センサ群５が出力する観測値は、端末局３０から中継局２０を経由して基地局１０に伝送され、最終的に制御装置１に入力される。また、制御装置１から出力される指令値は、基地局１０から中継局２０を経由して端末局３０へ伝送され、アクチュエータ群６へ入力される。
＜伝送動作＞
次に、本無線伝送装置における具体的な伝送動作を説明する。図２は、本実施形態における無線局間の接続態様(トポロジ)を模式的に示した図であり、無線局を丸記号で、無線局間の無線通信路を点線で表している(一部の通信路は省略されている)。本実施形態では、基地局１０ａ，１０ｂを起点とするツリー型のトポロジを仮定するが、本発明は採用するトポロジによって限定されるものではない。

無線局（端末局３０又は中継局２０）の一つに注目したとき、その無線局から基地局１０に到るまでに経由する中継局の系列を表現したものを伝送経路と称する。例えば、端末局３０ａから基地局１０ａまでの伝送経路は（３０ａ，２３ｂ，２２ａ，２１ａ，１０ａ）となる。本実施形態では、この伝送経路に関する属性値として，前記の伝送経路表現そのものを用いるものとする。属性値としては、他に、伝送経路を構成する各無線局間における利用周波数や、伝送経路を構成する各無線局の物理的座標（位置）を用いることができ、これらのうちから１つ以上の組み合わせとするのが好適である。また、例えば中継局２２ａからみたとき、それより基地局１０ａ側に位置する中継局２１ａを上位局、端末局３０ａ側に位置する中継局２３ｂを下位局と称する。

端末局３０は、各々がネットワーク上の中継局のうちいずれか３つを選択して無線通信路を接続し、３系統の伝送経路を確立する。ただし、図では端末局３０ａについて注目し、伝送経路４１：（３０ａ，２３ｂ，２２ａ，２１ａ，１０ａ）、伝送経路４２：（３０ａ，２３ｃ，２２ｂ，２１ｂ，１０ａ）、ならびに伝送経路４３：（３０ａ，２３ｄ，２２ｃ，２１ｃ，１０ａ）のみを図示する。

端末局３０ａは、３系統の伝送経路４１〜４３からさらに伝送経路４１及び４２の２系統を選択し、それぞれ通常用いる伝送経路(主経路)として設定する。残りの伝送経路４３については、通常は待機状態にあってデータの伝送動作を行わない代替経路として設定する。主経路４１，４２のいずれかにおいて著しい通信状態の劣化が検出された場合には、代替経路４３を活性化し、劣化が生じた主経路に代わる新たな主経路としてデータ伝送に使用される。

伝送経路４１を例としたデータ伝送動作の詳細について図３を参照して説明する。

図３に示すように、各無線局１０ａ，２１ａ，２２ａ，２３ｂ，３０ａはデータの伝送先を決定するための経路表４００ａ〜４００ｅをそれぞれ備える。経路表４００ａ〜４００ｅは、データの最終的な宛先を示す終点アドレスと、そのデータを次に送信すべき宛先を示す転送先アドレスとの組からなる経路エントリを有する。

端末局３０ａが制御装置１へ向けてデータを伝送する場合、第一および第二の主経路である伝送経路４１及び４２をたどって伝送されるよう、自らの経路表４００ａから得られた転送先の中継局２３ｂ及び２３ｃへ向けてデータフレームを送出する。以降、各々の伝送経路において、上記説明したようにデータフレームが中継される。ただし、中継局２１ａ〜２１ｃについては、受信したデータフレームを二重化されている基地局１０ａ，１０ｂの双方に対して転送する必要がある。

基地局１０ａ，１０ｂは、各々、伝送経路４１および４２をたどって中継されたデータのいずれかを選択するか、あるいは両方のデータを合成するなどしてデータを一本化し、それを制御装置１へ転送する。このとき、基地局１０ａ，１０ｂの双方がそれぞれ独立して制御装置１へデータを転送してもよいし、双方に何らかの優先順位を割り当て、それに従っていずれかの基地局のみが制御装置１へデータを転送するようにしてもよい。

上述した動作により、端末局３０ａからのデータが複数の伝送経路をたどって制御装置１へ伝送される。上記とは逆方向の、制御装置１から端末局３０ａへの伝送についても同様に、基地局１０ａ及び１０ｂが伝送経路４１及び４２をたどるように転送先アドレスを設定したデータフレームを送信する。端末局３０ａは、双方の伝送経路をたどって中継されたデータからいずれかを選択するか、あるいは両方のデータを合成するなどの方法により一本化されたデータを得る。

このように２系統の伝送経路に同じデータフレームが送出されるため、一方の伝送経路でデータフレームの到着遅延や消失といった障害が発生しても、他方の伝送経路が正常であれば、受信側では必要なデータを得ることが可能である。
＜経路構築＞
次に、本無線伝送装置において、無線局が相互に無線通信路を接続して伝送経路を構築し、無線ネットワークを形成するまでの動作について説明する。

電源投入直後の初期状態では、各無線局（中継局２０，端末局３０）は無線通信路を接続しておらず、制御装置１と有線接続されている基地局１０ａ，１０ｂ以外は通信すべき相手を知らないため、送信動作は行わず、受信待ち状態にある。

図４に示すように、基地局１０ａが最初に経路探索フレーム１０１をブロードキャスト送信し、自らへと無線通信路の接続が可能なノードを探索する。このとき、自局から基地局（＝自局）までの伝送経路（１０ａ）を経路探索フレーム１０１の経路情報フィールドに設定しておく。

経路探索フレーム１０１の到達範囲内には中継局２１ａ〜２１ｃが存在し、各々経路探索フレーム１０１を受信したとする。中継局２１ａ〜２１ｃは経路探索フレーム１０１の受信信号強度をチェックし、所定の強度値を満たしていれば各々経路探索フレーム１０１に対する経路応答フレーム１０２ａ〜１０２ｃを生成して基地局１０ａに返送する。同時に、自らの経路表に終点および転送先アドレスを基地局１０ａとした経路エントリを追加する。中継局２１ａの場合、経路表４００ｄに経路エントリが加えられている（図３参照）。

以上により、中継局２１ａ〜２１ｃが基地局１０ａとの間に新たな無線通信路を接続する。並行して、同様の手順により中継局２１ａ〜２１ｃと基地局１０ｂとの間でも無線通信路が接続される(以下，基地局１０ｂに対する経路構築動作を省略する)。

中継局２１ａ〜２１ｃは基地局１０ａと接続後、受信した経路探索フレームの経路情報フィールドに格納された伝送経路に自局のアドレスを連結して自局から基地局１０ａまでの伝送経路を得る。そうして得た伝送経路を経路情報フィールドに持つ新たな経路探索フレームを生成してブロードキャスト送信し、自局と接続可能な下位局を探索する。

中継局２１ａの場合であれば、経路探索フレーム１０１に含まれる伝送経路（１０ａ）に自局のアドレスを加えて得られる（２１ａ，１０ａ）が自局から基地局までの伝送経路であり、新たに生成した経路探索フレーム１０３の経路情報フィールドに前記伝送経路（２１ａ，１０ａ）を設定してブロードキャスト送信するという動作になる。ここまでで各伝送経路における一段目の中継が確立する。

二段目以降も基本的には同様であり、上位局からの経路探索フレームを受信した中継局が経路応答フレームを返送し、次いで新たな経路情報を含む経路探索フレームを下位局へブロードキャスト送信するという動作を繰り返すことで、基地局と中継局で構成される分の伝送経路が構築される。なお，始めの受信待ち状態において複数の上位局から経路探索フレームを受信する可能性があるが，その場合には受信信号強度が最も強い上位局を選択する。
＜経路選択＞
次に、端末局における無線通信路の確立処理を説明する。各端末局は、基地局と複数の中継局とでそれぞれ形成された３系統の通信路に接続する。

具体的には、まず、図５に示すように、上位局と無線通信路を接続した中継局２３ａ〜２３ｄは、各々経路探索フレーム１０５ａ〜１０５ｄをブロードキャスト送信する。

端末局３０ａは、経路探索フレーム１０５ａ〜１０５ｄをそれぞれ受信し、それらに基づいて経路情報テーブルを作成する。図６は、経路情報テーブルの例を示す図である。図６に示すように、経路情報テーブル３００ａの各行は経路探索フレームにそれぞれ対応しており、送信元中継局及び経路情報フィールドに格納されていた送信元中継局から基地局までの伝送経路、そして該経路探索フレーム受信時の信号強度から構成される。さらに、各行は前記信号強度の順にソートされているものとする。

端末局３０ａは、経路情報テーブル３００ａを作成後、その最上行から順に、すなわち経路探索フレーム受信時の信号強度が強かった順に選択し、送信元中継局をそれぞれ第一および第二の主経路ならびに代替経路の接続先として指定する（経路情報テーブル３００ａにおいて、経路選択の列に指定された経路種別が示されている）。

ただし、選択した中継局に対応する伝送経路において、既に主経路もしくは代替経路として指定済の中継局に対応する伝送経路を重複する部分がある場合、厳密な冗長化の観点からは選択した中継局との接続は避ける。

この場合、経路情報テーブル３００ａの２行目の２３ｂに対応する伝送経路（２３ｂ，２２ａ，２１ａ，１０ａ）は、既に第一の主経路として指定された１行目の２３ａと下線で示す重複部分を持つため、主経路もしくは代替経路としての指定対象外とされる（経路情報テーブル３００ａにおいて、経路選択の列に「×」が示されている）。

以上の手順を繰り返すことにより、中継局２３ａ，２３ｃ，２３ｄが第一及び第二の主経路ならびに代替経路の接続先として指定される。

なお、主経路および代替経路が重複部分を持つことについてそれほど厳密性を要求しないような用途においては、中継局２３ｂを上記のように完全に排除するのではなく、何らかのペナルティを課すことでそのような伝送経路の選択順位を下げるような処理としてもよい。例えば、上記の例において、経路の重複度合いに比例して経路探索フレーム受信時の信号強度を弱く評価させるような処理を行ってもよい。

最後に図５に戻り、端末局３０ａは、受信した経路探索フレーム１０５ａ〜１０５ｄのうち、上記手順により接続先として指定した中継局２３ａ，２３ｃ，２３ｄが送信した１０５ａ，１０５ｃ，１０５ｄに対してのみ経路応答フレーム１０６ａ，１０６ｃ，１０６ｄを返送する。これにより中継局２３ａ，２３ｃ，２３ｄと無線通信路を接続する。

すなわち、本無線伝送システムでは、端末局が伝送経路に接続する際に、端末局は、各伝送経路を構成する最下位局の中継局から伝送経路の属性値（例えば、経路情報）を取得し、その取得した属性値が互いに異なる伝送経路を複数選択して接続して、基地局１０ａと端末局３０ａとの間で第一の主経路、第二の主経路及び代替経路を確立している。これらの伝送経路は共通の中継局を経由しないように選択されているため、単一の障害によって他の伝送経路に影響が波及しない。従って、本無線伝送システムによれば、プラント制御に係る単一の障害によって全ての経路が利用不能になることを防ぐことができる、プラント制御に係るデータの伝送に好適である。

以上、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、他にも種々のものが想定される。

本発明に係る一実施形態の無線伝送装置の構成を示す概略図である。 図１の無線伝送装置の伝送動作を説明するための模式図である。 図１の無線伝送装置の伝送経路上におけるデータフレームの中継動作を説明するための模式図である。 無線局による伝送経路の構築動作を説明するための模式図である。 端末局による伝送経路の接続動作を説明するための模式図である。 端末局の経路情報テーブルを示す表である。

符号の説明

１ 制御装置
５ センサ
６ アクチュエータ
１０ 基地局
２０ 中継局
３０ 端末局

Claims (3)

1. プラントの制御装置に接続された基地局としての無線局と、プラントのセンサやアクチュエータ側に接続された端末局としての無線局と、データを転送する機能を備える複数の中継無線局とを備え、中継無線局を介してデータを順次中継する伝送経路を複数形成し、前記基地局としての無線局と前記端末局としての無線局とが前記複数の伝送経路に各々接続されて前記データを送受信する無線伝送システムであって、
   前記基地局としての無線局から前記端末局としての無線局までの間に、前記複数の中継無線局により前記複数の伝送経路を形成する際に、
   前記基地局としての無線局は伝送経路に関するデータを付与して送信し、
   前記複数の中継無線局は、基地局としての無線局又は他の中継無線局からデータ受信したときに、伝送経路に関する属性値を付加したデータを送信し、
   前記端末局としての無線局は、複数の前記伝送経路に接続する際に、複数の中継無線局から受信したデータから前記属性値を取得し、取得した前記属性値が互いに異なる伝送経路を複数選択して接続することを特徴とする無線伝送システム。
2. 請求項１記載の無線伝送システムにおいて、前記属性値は、前記伝送経路においてデータが転送される無線局の系列、前記伝送経路を構成する各無線局間における利用周波数、前記伝送経路を構成する各無線局の配置を示す座標のうち少なくとも１つ以上の組合せであることを特徴とする無線伝送システム。
3. 請求項１又は２記載の無線伝送システムにおいて、前記属性値に基づいて選択された複
   数の伝送経路を、通常の動作状態においてデータを伝送させる複数の主経路と、通常の動
   作状態においてはデータを伝送させない１系統以上の代替経路とに区別して形成し、前記
   主経路のいずれかにおいて通信障害が検出された場合に、前記主経路に代わって前記代替
   経路を新たな主経路として使用することを特徴とする無線伝送システム。

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