JP5570656B2 - 輸送安全システムのためのハイブリッド通信ネットワークにおいてデータ送信をスケジューリングするための方法、及びそのネットワーク内の固定ノード - Google Patents

Description

本発明は包括的には輸送安全システムのための通信ネットワークに関し、より詳細には、有線固定ノード及び無線移動ノードを含むハイブリッド通信ネットワーク内でデータパケットの送信をスケジューリングすることに関する。

輸送安全システム内のデータ通信は、高い信頼性及び低いレイテンシーを要求する。例えば、国際電気標準会議（ＩＥＣ：Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ）は、エレベーターシステム内の通信ネットワークに関して厳しい安全性及び信頼性要件を設定している。約１０^１５個の安全関連パケット当たり、１つの誤りしか許されない。優先順位の高いパケットのためのレイテンシー要件は数ミリ秒程度まで短くなる可能性がある。

従来の安全システムは通常、専用の有線通信ネットワークに接続されるノード（送受信機）を用いて実現される。例えば、エレベーターシステム内のコントローラとかごとの間で安全パケットを送信するために、エレベーターシャフト内の重い通信ケーブルが可動式のかごに接続される。

最近では、安全システムに無線通信技術を適用して、コストを削減し、かつ拡張性を高めている。通信ベース列車制御（ＣＢＴＣ：Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ Ｔｒａｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ）が一例である。安全システム内の通信ネットワークは通常、ＣＢＴＣシステム内の線路脇ノードのような複数の固定ノードと、列車車両内に配置される複数の移動ノードとを含む。固定ノードはイーサネットのような有線ネットワークによって接続され、固定ノードはデータを無線で送信及び受信（送受信）することもできる。

安全システムのためのコントローラは通常、有線インターフェースを介して少なくとも１つのノードに接続される。有線インターフェースを介して、コントローラから固定ノードにパケットが送信され、有線ネットワークを介して全ての他の固定ノードにホップバイホップで中継される。その後、固定ノードは、無線ネットワークを用いて、そのパケットを移動ノードに再送する（ｒｅｔｒａｎｓｍｉｔ：更に送信する）。移動ノードは、無線ネットワークを介して、パケットを固定ノードに通信する。固定ノードはデータを受信し、その後、有線ネットワークを介して、そのデータをコントローラに接続された固定ノードに中継する。その後、コントローラに接続された固定ノードは、有線インターフェースを介して、そのデータをコントローラに送信する。

しかしながら、既存のＣＢＴＣシステムの仕様は幾つかの点において不十分である。無線ネットワークのために従来の搬送波感知多重アクセス（ＣＳＭＡ：Ｃａｒｒｉｅｒ Ｓｅｎｓｅ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）を使用すること、及び移動ノードにおけるハンドオーバープロセスに起因して、レイテンシーは概ね数秒程度である。さらに、メッセージ誤り率は１０^−８程度に高くなる可能性がある。

それゆえ、１０^−１５のメッセージ誤り率のような、より高い信頼性と、数ミリ秒のレイテンシーとを達成する、安全システムのための通信ネットワークを開発することが望ましい。

本発明の実施の形態は、マルチホップハイブリッド通信ネットワークにおいて、輸送安全システムのための高い信頼性及び低いレイテンシーを可能にするデータ送信のためのスケジューリング方法を提供する。

本発明の実施の形態による、安全システムのためのマルチホップハイブリッド無線通信ネットワークの概略図である。 本発明の実施の形態による、固定コントローラから移動ノードに送信されるダウンリンクパケットの移動時間の概略図である。 本発明の実施の形態による、移動ノードからコントローラに送信されるアップリンクパケットの移動時間の概略図である。 本発明の実施の形態による飛行時間の概略図である。 本発明の実施の形態による、固定長ダウンリンクデータ間隔及び固定長アップリンクデータ間隔をスケジューリングすることの概略図である。 本発明の実施の形態による、可変長ダウンリンクデータ間隔を動的にスケジューリングすることの概略図である。 本発明の実施の形態による、可変長アップリンクデータ間隔を動的にスケジューリングすることの概略図である。 本発明の実施の形態による、コントローラ及び固定ノードが専用のダウンリンク送信チャネル及びアップリンク送信チャネルを有するときにダウンリンクデータ間隔をスケジューリングすることの概略図である。 本発明の実施の形態による、パケット移動時間及びパケットレイテンシー要件に基づくダウンリンクパケット待ち時間の概略図である。 本発明の実施の形態による、パケット移動時間及びパケットレイテンシー要件に基づくアップリンクパケット待ち時間の概略図である。 ダウンリンクデータ間隔内で送信するために複数のダウンリンクデータパケットをスケジューリングすることの概略図である。

図１Ａに示されるように、マルチホップハイブリッド通信ネットワーク１００は、有線ネットワーク１０１及び無線ネットワーク１０２を含む。ハイブリッドネットワークは、高い信頼性及び低いレイテンシーの通信のために用いることができる。有線ネットワークは、ｍ＋１個の１組の固定ノードＦＮ_０、ＦＮ_１、ＦＮ_２、．．．、ＦＮ_ｍを含む。それらのノードは、小さな添え字を有する先行する固定ノードに、大きな添え字を有する次の固定ノードが続くように順次に配置される。すなわち、それらのノードは時間内にパケットを順次に送信及び受信する。

各固定ノード（ＦＮ）は少なくとも２つの通信インターフェース、すなわち、有線ネットワークに対する１つのインターフェース１１０と、１つ又は複数の無線送受信機１１１とを備えている。無線ネットワーク１０２は、１組の移動ノードＭＮ_１、ＭＮ_２、．．．、ＭＮ_ｉを含む。各移動ノード（ＭＮ_ｉ）１１２も１つ又は複数の無線送受信機１１１を備えている。各移動ノードＭＮ_ｉはエレベーターかご又は列車車両１３２のような移動デバイスを表す。

全ての固定ノードが、シャフト内を移動するエレベーターかご１３２、又は線路上を移動する列車車両等のための軌道１２０に沿って配置される。ＦＮは直線的に配置されるが、必ずしも直線であるとは限らない。全てのＦＮは、光ファイバーケーブルのような有線バックボーンを介して接続される。ＭＮは一般的にその軌道に沿って移動する。有線ネットワーク上で用いられる根底を成す物理層プロトコルは任意である。

ネットワーク内のデータの発信元及び受信先は、エレベーターコントローラ又は列車コントローラのようなコントローラ１３１と、エレベーターかご又は列車車両１３２のような移動デバイスとを含む。それゆえ、コントローラ及び移動ノードがデータの発信元及び受信先であると言うこともできる。安全関連データはパケットとして送信される。

コントローラは有線インターフェース１３０を介してＦＮに接続され、有線インターフェースは有線バックボーンと必ずしも同じであるとは限らない。好ましい実施の形態では、コントローラは、直線的に配置されるネットワークの第１の端部にあるＦＮ、例えば、ＦＮ_０に接続されると仮定される。コントローラが他の場所に位置するＦＮに接続される場合には、有線ネットワークを２つのサブネットワークに分割し、コントローラがそれぞれのサブネットワークの端部に位置するＦＮに接続されるようにすることができる。

ＦＮは３つのタイプのノードに分類することができる。コントローラ１３１に接続されるＦＮは先頭ノードと呼ばれる。先頭ノードＦＮ_０は、コントローラにデータを送信し、コントローラからデータを受信する唯一の固定ノードである。ネットワークの第２の端部に位置するＦＮは終端ノードＦＮ_ｍと呼ばれる。残りの全てのＦＮは１組の（１つ又は複数の）中継ノードを形成し、中継ノードは有線バックボーンを用いて、パケットを隣接するＦＮに渡す。

また、ＦＮはＭＮと無線で通信する。コントローラにおいて生成され、ＦＮを介してＭＮに送信されるパケット１３５は、ダウンリンクパケットと呼ばれる。車両によって生成され、ＭＮからＦＮを介してコントローラに送信されるパケット１３６はアップリンクパケットと呼ばれる。

非同期ネットワーク内の固定ノードの同期送信が米国特許出願第１２／９６４，２８３号において記述されている。この発明は、制御信号のような優先順位の高いデータを含むパケットの信頼性を高め、かつレイテンシーを低減する、ダウンリンクパケット送信及びアップリンクパケット送信のためのスケジューリング方法を提供する。

ダウンリンクパケット送信
コントローラは、有線インターフェースを介して、先頭ノードＦＮ_０にダウンリンクパケット１３５を送信する。

そのパケットは、有線ネットワーク１０１を介して、全ての固定ノードに非同期に順次に中継される。

全ての固定ノードは、無線ネットワーク１０２を介して移動ノードに同期して無線でパケットを送信する。

アップリンクパケット送信
移動ノードは、その移動ノードの送信範囲内の固定ノードに無線でパケットを送信する。

パケットを受信するのに成功した固定ノードは、有線ネットワークを介して、そのパケットを先頭ノードに中継する。

先頭ノードは、有線インターフェースを介して、そのパケットをコントローラに送信する。

スケジューリング方法の機能
マルチホップハイブリッド無線通信ネットワーク１００において、ダウンリンクパケット送信及びアップリンクデータパケット送信のためのスケジューリング方法は、以下のこと、すなわち、コントローラ及び移動ノードのためのダウンリンクデータ間隔（ＤＤＩ：Ｄｏｗｎｌｉｎｋ Ｄａｔａ Ｉｎｔｅｒｖａｌｓ）及びアップリンクデータ間隔（ＵＤＩ：Ｕｐｌｉｎｋ Ｄａｔａ Ｉｎｔｅｒｖａｌｓ）をスケジューリングすること、及びダウンリンクデータ間隔又はアップリンクデータ間隔内で送信するために複数のデータパケットをスケジューリングすることを含む。

パケット移動時間
上記スケジューリング方法は、パケットのための移動時間に基づいており、移動時間は以下のように求められる。マルチホップハイブリッド無線通信ネットワーク１００内では、パケット送信は従来のピアツーピアネットワーク内とは異なる。パケットは固定ノードによってコントローラと移動ノードとの間で中継される。各中継は固有のレイテンシーを有する。安全システムの場合、パケット内の安全信号は、特定の期間内に宛先に送達されなければならない。すなわち、優先順位の高いパケット送信はレイテンシー要件を満たさなければならない。いかなる遅延も許されない。それゆえ、レイテンシー要件に違反することなく、パケット送信をスケジューリングするために、データ発信元は、パケットが発信元から受信先まで移動するのに要する時間を求める。

図１Ｂに示されるように、コントローラ１３１から移動ノードＭＮ_ｉ１１２までのダウンリンクパケット１５１のためのダウンリンク移動時間Ｔ_Ｄは以下の通りである。
Ｔ_Ｄ＝Ｔ_ＣＨ＋Ｔ_ＨＦ＋Ｔ_ＦＭ （１）
Ｉ． Ｔ_ＣＨは、コントローラがパケットを送信し始めたときから、先頭ノード（ＦＮ_０）がそのパケットを受信した時刻までの時間である。
ＩＩ．Ｔ_ＨＦは、先頭ノードがパケットを受信したときから全ての固定ノードが同期してパケットを送信し始めた時刻までの時間である。
ＩＩＩ．Ｔ_ＦＭは、全ての固定ノードが同期してパケットを送信するときから移動ノードＭＮ_ｉがそのパケットを受信した時刻までの時間である。

Ｔ_ＨＦの求め方は米国特許出願第１２／９６４，２８３号に記述されている。Ｔ_ＣＨ及びＴ_ＦＷは、図２に示されるように、ラウンドトリップパケット送信飛行時間を用いて求めることができる。米国特許出願第１２／９６４，２８３号を参照されたい。

図１Ｃは、アップリンクパケット１５２のアップリンク移動時間Ｔ_Ｕを示す。移動時間Ｔ_Ｕは、以下の通りである。
Ｔ_Ｕ＝Ｔ_ＭＦ＋Ｔ_ＦＨ＋Ｔ_ＨＣ （２）
ＩＶ．Ｔ_ＭＦは、移動ノードＭＮ_ｉがパケットを無線で送信し始めたときから、固定ノードがそのパケットを受信した時刻までの時間である。
Ｖ．Ｔ_ＦＨは、固定ノードがパケットを受信したときから先頭ノードがそのパケットをコントローラに送信し始めた時刻までの時間である。
ＶＩ．Ｔ_ＨＣは、先頭ノードがパケットをコントローラに送信し始めたときからコントローラがそのパケットを受信した時刻までの時間である。

送信の対称性に起因して、アップリンクパケットの長さがダウンリンクパケットの長さに等しい限り、Ｔ_ＭＦ＝Ｔ_ＦＭ及びＴ_ＨＣ＝Ｔ_ＣＨである。しかしながら、ダウンリンクパケット及びアップリンクパケットの長さが同一である場合でも、Ｔ_ＦＨはＴ_ＨＦよりも小さくなる可能性がある。アップリンクパケットの場合、Ｔ_ＦＨは１つには移動ノード１１２の場所による。移動ノードが先頭ノードに近いほど、Ｔ_ＦＨは小さくなり、移動ノードが終端ノードに近いほど、Ｔ_ＦＨは大きくなる。アップリンク中継が終端ノードから始まる場合にのみ、Ｔ_ＦＨ＝Ｔ_ＨＦである。

パケットの移動時間は、パケットの長さにもよる。パケットが長いほど、かかる時間が長くなり、パケットが短いほど、かかる時間が短くなる。より正確には、パケットは、そのパケットの長さに基づいて、ｎ個の異なるカテゴリＣ_ｊ（ｊ＝１，２，．．．，ｎ）に分割される。カテゴリＣ_ｊごとに、最大長を有するパケットを用いて、移動時間Ｔ_Ｃｊを求める。パケットは、Ｔ_Ｃ１＜Ｔ_Ｃ２＜．．．＜Ｔ_Ｃｎであるように分割される。パケットの長さがカテゴリＣ_ｊに入る場合には、そのパケットのための移動時間として、Ｔ_Ｃｊが用いられる。

例えば、パケットは３つのカテゴリに分割され、カテゴリＣ_１が、その長さが１バイト〜１００バイトの範囲に及ぶパケットを含み、カテゴリＣ_２が、その長さが１０１バイト〜２００バイトの範囲に及ぶパケットを含み、カテゴリＣ_３の場合、パケットの長さは２０１バイトからネットワーク１００内で許される最大パケット長までの範囲に及ぶ。その際、２００バイトの長さを有するパケットを用いて、カテゴリＣ_２のためのパケット移動時間を求める。パケットの長さが５０バイトである場合には、スケジューリングする際のパケットのための移動時間として、カテゴリＣ_１のためのパケット移動時間が用いられる。

時間Ｔ_Ｃｊ（ｊ＝１，２，．．．，ｎ）は、パケット送信を開始する前に求めることができる。アップリンクパケットの場合、Ｔ_Ｃｊは、移動ノードの場所による。安全のために、移動時間は、アップリンク中継が終端ノードから始まるときに基づく。これは、任意の場所にある移動ノードによって送信される全てのアップリンクパケットの場合に移動時間が適合することを保証する。

ダウンリンクデータ間隔及びアップリンクデータ間隔のスケジューリング
本発明の実施の形態によるマルチホップハイブリッド無線通信ネットワークでは、ノードは同期していない。コントローラ及び移動ノードは、互いに直接通信しない。パケットは、有線ネットワークを介して固定ノードによって中継され、その後、無線ネットワークを介して移動ノードに、又は有線インターフェースを介してコントローラに中継される。データ送信時間は、ダウンリンクデータ間隔（ＤＤＩ）及びアップリンクデータ間隔（ＵＤＩ）に分割される。ＤＤＩ及びＵＤＩの長さは固定又は可変にすることができる。また、ＤＤＩの長さはＵＤＩの長さとは異なることができる。

ＤＤＩ及びＵＤＩの長さが固定であるか、可変であるかに基づいて、２つのスケジューリング方法が提供される。また、専用のダウンリンクチャネル及びアップリンクチャネルが利用可能であることに基づいて、第３のスケジューリング方法が提供される。

固定長ＤＤＩ及び固定長ＵＤＩのスケジューリング
固定長ＤＤＩ及び固定長ＵＤＩをスケジューリングする２つの方法がある。コントローラ及び移動ノードは、予め定めた時刻、又は動的にそのＤＤＩ及びＵＤＩを開始することができる。予め定めた時刻に開始する方式は、ＤＤＩ及びＵＤＩの開始時刻が予め決められるので簡単である。コントローラ及び移動ノードは、予め定めたＤＤＩ及びＵＤＩに従って送信及び受信するだけである。以下は、動的なＤＤＩ及びＵＤＩの開始を説明し、その場合、ＤＤＩ及びＵＤＩの開始は、コントローラ及び移動ノードによって動的に決定される。

図３に示されるように、コントローラは、ダウンリンクデータパケットを送信することによって、コントローラ時刻Ｔ_Ｃ０において第１のＤＤＩ_１を開始する。すなわち、パケット送信は、最初にダウンリンクデータを用いて始まる。移動ノードは、そのアップリンクパケットを送信する前に、コントローラからのパケットを待つ。簡単にするために、各ＤＤＩの初めに送信される第１のダウンリンクパケットは同じ長さを有する。これは、ＤＤＩ及びＵＤＩの開始を周期的にし、この説明を簡単することのみを目的とする。同じスケジューリング方法がＤＤＩ及びＵＤＩの非周期的な開始の場合にも有効に機能することは理解されたい。すなわち、第１のダウンリンクパケットの長さに制限はない。

第１のＤＤＩ_１を開始するために、コントローラは特定の長さを有するダウンリンクデータパケットを送信する。送信されるデータがない場合には、コントローラは、ペイロードが０で埋められたパケットを送信する。第１のダウンリンクパケット送信の開始時刻Ｔ_Ｃ０は、コントローラのためのＤＤＩ_１の始まりである。

移動ノードは、コントローラから第１のダウンリンクパケットを受信するとき、そのＤＤＩ_１を開始する。移動ノードの場合、第１のダウンリンクパケットを受信する開始時刻Ｔ_Ｍ０は、そのＤＤＩ_１の始まりを表す。ダウンリンクパケットは同期して移動ノードに送信されるので、全ての移動ノードが第１のダウンリンクパケットを同時に受信する。それゆえ、移動ノードは、そのＤＤＩ_１を同時に開始する。

コントローラは、第１のパケット送信から開始して、時刻Ｔ_Ｃ１＝Ｔ_Ｃ０＋Ｔ_ＤＤＩにおいてＤＤＩ_１が終了するまで、ダウンリンクパケットを送信する。ただし、Ｔ_ＤＤＩはＤＤＩの期間の長さを表す。

移動ノードは、時刻Ｔ_Ｍ０において第１のダウンリンクパケットを受信することから開始して、時刻Ｔ_Ｍ１＝Ｔ_Ｍ０＋Ｔ_ＤＤＩにおいてそのＤＤＩ_１が終了するまで、ダウンリンクパケットを受信し続ける。その後、移動ノードはその第１のＵＤＩ_１を開始し、時刻Ｔ_Ｍ２＝Ｔ_Ｍ０＋Ｔ_ＤＤＩ＋Ｔ_ＵＤＩにおいてそのＵＤＩ_１が終了するまで、アップリンクパケットを送信する。ただし、Ｔ_ＵＤＩはＵＤＩの期間の長さを表す。

コントローラは、コントローラ時刻に従って、移動ノードがそのＵＤＩ_１を開始するときを求めることができる。移動ノードにおけるＵＤＩ_１は時刻Ｔ_Ｃ０＋Ｔ_ＣＨ＋Ｔ_ＨＦ＋Ｔ_ＤＤＩにおいて開始し、時刻Ｔ_Ｃ０＋Ｔ_ＣＨ＋Ｔ_ＨＦ＋Ｔ_ＤＤＩ＋Ｔ_ＵＤＩにおいて終了する。ただし、Ｔ_ＣＨ＋Ｔ_ＨＦは第１のダウンリンクパケットのための時間であり、その定義は式（１）において記述される。アップリンクパケットの移動時間は移動ノードの場所及びパケット長によるので、コントローラは、最も早く到着するアップリンクパケットに備えなければならない。したがって、コントローラは、時刻Ｔ_Ｃ２＝Ｔ_Ｃ０＋Ｔ_ＣＨ＋Ｔ_ＨＦ＋Ｔ_ＤＤＩ＋Ｔ_ＭＦにおいてそのＵＤＩ_１を開始する。ただし、Ｔ_ＭＦは最小長アップリンクパケットのための時間であり、式（２）によって定義される。コントローラの場合、そのＵＤＩ_１は、時刻Ｔ_Ｃ３＝Ｔ_Ｃ０＋２（Ｔ_ＣＨ＋Ｔ_ＨＦ）＋Ｔ_ＤＤＩ＋Ｔ_ＵＤＩにおいて終了する。

コントローラのためのＵＤＩは移動ノードのためのＵＤＩよりも長いことに留意されたい。これは、コントローラが、任意の場所にある移動ノードによって送信され、任意のパケット長を有するアップリンクパケットを受信するのを保証する。

そのＵＤＩ１が時刻Ｔ_Ｃ３において終了するとき、コントローラは、ダウンリンクパケットを送信することによって、ＤＤＩ_２を直ちに開始し、そのＤＤＩ_２は、時刻Ｔ_Ｃ４＝Ｔ_Ｃ０＋２（Ｔ_ＣＨ＋Ｔ_ＨＦ）＋２Ｔ_ＤＤＩ＋Ｔ_ＵＤＩにおいて終了する。

移動ノードもそのＤＤＩ_２を開始するときを求めることができる。移動ノード時刻によれば、ＤＤＩ_２は時刻Ｔ_Ｍ３＝Ｔ_Ｍ０＋２（Ｔ_ＣＨ＋Ｔ_ＨＦ）＋Ｔ_ＤＤＩ＋Ｔ_ＵＤＩにおいて開始し、時刻Ｔ_Ｍ４＝Ｔ_Ｍ０＋２（Ｔ_ＣＨ＋Ｔ_ＨＦ）＋２Ｔ_ＤＤＩ＋Ｔ_ＵＤＩにおいて終了する。

このＤＤＩパターン及びＵＤＩパターンは継続する。コントローラの場合に一般的に、ＤＤＩ_ｎ（ｎ＝１，２，．．．）はコントローラ時刻
Ｔ_Ｃ０＋（ｎ−１）［２（Ｔ_ＣＨ＋Ｔ_ＨＦ）＋Ｔ_ＤＤＩ＋Ｔ_ＵＤＩ］
において開始し、コントローラ時刻
Ｔ_Ｃ０＋（ｎ−１）［２（Ｔ_ＣＨ＋Ｔ_ＨＦ）＋Ｔ_ＤＤＩ＋Ｔ_ＵＤＩ］＋Ｔ_ＤＤＩ
において終了し、そのＵＤＩ_ｎ（ｎ＝１，２，．．．）はコントローラ時刻
Ｔ_Ｃ０＋（２ｎ−１）（Ｔ_ＣＨ＋Ｔ_ＨＦ）＋ｎＴ_ＤＤＩ＋（ｎ−１）Ｔ_ＵＤＩ＋Ｔ_ＭＦ
において開始し、コントローラ時刻
Ｔ_Ｃ０＋ｎ［２（Ｔ_ＣＨ＋Ｔ_ＨＦ）＋Ｔ_ＤＤＩ＋Ｔ_ＵＤＩ］
において終了する。

移動ノードの場合、そのＤＤＩ_ｎ（ｎ＝１，２，．．．）は移動ノード時刻
Ｔ_Ｍ０＋（ｎ−１）［２（Ｔ_ＣＨ＋Ｔ_ＨＦ）＋Ｔ_ＤＤＩ＋Ｔ_ＵＤＩ］
において開始し、移動ノード時刻
Ｔ_Ｍ０＋２（ｎ−１）（Ｔ_ＣＨ＋Ｔ_ＨＦ）＋ｎＴ_ＤＤＩ＋（ｎ−１）Ｔ_ＵＤＩ
において終了し、そのＵＤＩ_ｎ（ｎ＝１，２，．．．）は移動ノード時刻
Ｔ_Ｍ０＋２（ｎ−１）（Ｔ_ＣＨ＋Ｔ_ＨＦ）＋ｎＴ_ＤＤＩ＋（ｎ−１）Ｔ_ＵＤＩ
において開始し、移動ノード時刻
Ｔ_Ｍ０＋２（ｎ−１）（Ｔ_ＣＨ＋Ｔ_ＨＦ）＋ｎＴ_ＤＤＩ＋ｎＴ_ＵＤＩ
において終了する。

各ＤＤＩにおいて送信される第１のダウンリンクパケットの長さに制限がない場合には、ＤＤＩ及びＵＤＩの開始時刻及び終了時刻のための一般式は存在しないことは理解されたい。ＤＤＩ_１における第１のダウンリンクパケットによって、ＤＤＩ_１及びＵＤＩ_１の開始時刻及び終了時刻が決まる。ＤＤＩ_２における第１のダウンリンクパケットによって、ＤＤＩ_２及びＵＤＩ_２の開始時刻及び終了時刻が決まる。一般的に、ＤＤＩ_ｎ内の第１のダウンリンクパケットによって、ＤＤＩ_ｎ及びＵＤＩ_ｎ（ｎ＝１，２，．．．）の開始時刻及び終了時刻が決まる。ＤＤＩ_ｎ及びＵＤＩ_ｎの開始時刻及び終了時刻の計算は、上記のようなＤＤＩ_１及びＵＤＩ_１の計算と同じである。

図３を参照すると、コントローラ及び移動ノードのためのＤＤＩ及びＵＤＩは、マルチホップハイブリッド無線通信ネットワーク内のパケット移動時間に起因して一致しない。また、図３は、ＤＤＩと次のＵＤＩとの間にコントローラのための空き間隔（ＦＩ）が存在することも示す。また、ＵＤＩと次のＤＤＩとの間に移動ノードのためのＦＩも存在する。ＦＩの長さは、移動ノードためのＦＩの長さとは異なることができ、ＤＤＩ及びＵＤＩの開始が周期であるか否かによって、時々変化する場合もある。

可変長ＤＤＩ及び可変長ＵＤＩのスケジューリング
この実施の形態では、ＤＤＩ又はＵＤＩ内にそれ以上送信されるデータが存在しない場合に、ＤＤＩ又はＵＤＩを早期に終了することが許される。

ＤＤＩ及びＵＤＩのスケジューリングは、ＤＤＩ及びＵＤＩについて定義されたデフォルト長を用いて、固定長ＤＤＩ及び固定長ＵＤＩと同じように開始する。ＤＤＩ及びＵＤＩは予め定めた時刻において、又は動的に開始することができる。しかしながら、帯域幅を最適化するために、コントローラがＤＤＩ内で送信すべきいかなるパケットも有しない場合には、コントローラはＤＤＩを早期に終了することができ、移動ノードがＵＤＩ内で送信すべきいかなるパケットも有しない場合には、移動ノードはＵＤＩを早期に終了することができる。

図４ＡはコントローラによるＤＤＩ早期終了を示す。ＵＤＩ_ｎ後に、コントローラは次のＤＤＩにおいてダウンリンクデータ送信を開始する。ＤＤＩの終了前に、コントローラは、移動ノードに送信される最後のダウンリンクパケットにおいて現在のＤＤＩの終了を指示する。

移動ノードがこのＤＤＩ終了パケットを受信するとき、移動ノードはそのＤＤＩを終了し、その次のＵＤＩを開始する。コントローラは、移動ノードがＤＤＩ終了パケットを受信し、その次のＵＤＩを開始する時刻を求めることができる。それゆえ、コントローラは、次のＵＤＩを開始すべき時刻を判断することができる。このＵＤＩ_１から開始して、コントローラ又は移動ノードのいずれかによって早期終了が行われるまで、ＤＤＩ及びＵＤＩのためのデフォルト長を用いてＤＤＩ及びＵＤＩパターンが継続する。

図４Ｂは、移動ノードが１つだけの場合のＵＤＩの早期終了を示す。ＤＤＩ_ｎが終了するとき、移動ノードは次のＵＤＩにおいてアップリンクデータ送信を開始する。ＵＤＩの終了前に、移動ノードがコントローラに送信される最後のアップリンクパケットにおいて現在のＵＤＩの終了を指示する。コントローラがこのＵＤＩ終了パケットを受信するとき、コントローラは自らのＵＤＩを終了し、次のＤＤＩを開始する。移動ノードは次のダウンリンクパケットを受信するとき、次のＤＤＩを開始する。このＤＤＩ_１から開始して、コントローラ又は移動ノードのいずれかによって早期終了が行われるまで、ＤＤＩ及びＵＤＩのためのデフォルト長を用いてＤＤＩ及びＵＤＩパターンが継続する。

複数の移動ノードが存在する場合には、全ての移動ノードによってＵＤＩの終了が指示される。例えば、２つの移動ノードＭＮ_１及びＭＮ_２が存在する。ＭＮ_１がＵＤＩの終了を指示する場合には、コントローラはそのＵＤＩを終了せず、現在のＵＤＩの終了まで、ＭＮ_２からアップリンクパケットを受信し続ける。この場合、ＭＮ_１は送信すべきいかなるアップリンクパケットも有しない。それゆえ、ＭＮ_１は、コントローラからの次のダウンリンクパケットを待ち、次のＤＤＩを開始する。しかしながら、コントローラがＭＮ_１及びＭＮ_２の両方からＵＤＩ終了を受信する場合には、コントローラはそのＵＤＩを終了し、次のＤＤＩを開始する。

専用のダウンリンク通信チャネル及びアップリンク通信チャネルを有する、コントローラ及び固定ノードを備えるネットワークのためのＤＤＩのスケジューリング
有線ネットワークが専用のダウンリンクチャネル及びアップリンクチャネルを備えている場合には、より効率的なスケジューリング方法が提供される。この場合、コントローラは、先頭ノードへの専用ダウンリンクチャネルと、先頭ノードからの専用アップリンクチャネルとを有する。また、有線ネットワークも専用ダウンリンクチャネル及び専用アップリンクチャネルを有する。

図５に示されるように、コントローラはＤＤＩ_２のために早期にダウンリンクデータ送信を開始することができる（５０１）。正確には、コントローラは時刻Ｔ_Ｃ０＋Ｔ_ＤＤＩ＋Ｔ_ＵＤＩ＋ΔＴにおいてＤＤＩ_２ダウンリンク送信を開始することができる。ただし、ΔＴは全ての移動ノードのためのターンアラウンドタイムに対応する。一般に、コントローラは、時刻Ｔ_Ｃ０＋（ｎ−１）（Ｔ_ＤＤＩ＋Ｔ_ＵＤＩ）＋ΔＴ（ｎ＝２，３，．．．）において、ＤＤＩ_ｎのためのダウンリンク送信を開始することができる。このスケジューリング方法は、移動ノードの空き間隔を完全に利用する。

ＤＤＩ又はＵＤＩ内で送信するための複数のデータパケットのスケジューリング
大部分の通信ネットワークでは、パケットが生成されるときに、そのパケットは送信待ち行列に格納される。パケットは送信されるまで、送信待ち行列内にとどまる。パケット生成からパケット送信までの時間は待ち時間と呼ばれる。安全システムでは、優先順位の高いパケットのためのレイテンシーに関して厳しい制限がある。特定のレイテンシー要件を満たすために、優先順位の高いパケットが送信されなければならない。それゆえ、パケット待ち時間は注意深く制限されなければならない。

パケット待ち時間
コントローラ及び移動ノードは、パケットが生成されるときに、相対的なタイミングを開始する。制御信号パケットのような優先順位の高いパケットの場合、レイテンシー要件に基づいて、待ち時間が制限される。

図６Ａに示されるように、優先順位の高いダウンリンクパケットの場合、待ち時間Ｔ_Ｑは以下の条件を満たす。
Ｔ_Ｑ＋Ｔ_Ｄ＜＝Ｌ_Ｄ （３）
ただし、待ち時間Ｔ_Ｑ＝Ｔ_ＴＸ−Ｔ_Ｇであり、Ｔ_Ｇはパケットが生成された時刻であり、Ｔ_ＴＸはパケットが送信される時刻であり、Ｔ_Ｄはダウンリンクパケットのための移動時間であり、Ｌ_Ｄはダウンリンクパケットのためのレイテンシー要件である。

同様に、図６Ｂに示されるように、優先順位の高いアップリンクパケットの場合、待ち時間Ｔ_Ｑは以下の条件を満たす。
Ｔ_Ｑ＋Ｔ_Ｕ＜＝Ｌ_Ｕ （４）
ただし、待ち時間Ｔ_Ｑは式（３）の場合と同じであり、Ｔ_Ｕはアップリンクパケットによって必要とされる移動時間であり、Ｌ_Ｕはアップリンクパケットのためのレイテンシー要件である。

ダウンリンクパケットのための最大待ち時間Ｔ_ＱＭは、
Ｔ_ＱＭ＝Ｌ_Ｄ−Ｔ_Ｄ
であり、アップリンクパケットのための最大待ち時間Ｔ_ＱＭは、
Ｔ_ＱＭ＝Ｌ_Ｕ−Ｔ_Ｕ
である。Ｔ_Ｑ≦Ｔ_ＱＭである場合には、送信されるパケットはそのレイテンシー要件を満たす。しかしながら、Ｔ_Ｑ＞Ｔ_ＱＭである場合には、そのパケットの送信はレイテンシー要件を満たさない。

送信のための複数のパケットのスケジューリング
ＤＤＩ又はＵＤＩを与えられると、コントローラ又は移動ノードは、送信することができるパケットの数を求める。コントローラの場合、スケジューリングはＴ_ＤＤＩ、ダウンリンク送信待ち行列内のパケットの数、待ち時間、優先順位、レイテンシー要件及び各ダウンリンクパケットの移動時間による。移動ノードの場合、スケジューリングは、Ｔ_ＵＤＩ、アップリンク送信待ち行列内のパケットの数、待ち時間、優先順位、レイテンシー要件、及び各アップリンクデータパケットの移動時間による。

米国特許出願第１２／９６４，２８３号に記述されているように、フィードバックに起因するレイテンシーを回避するために、パケット肯定応答は用いられない。それゆえ、データ間隔内で送信されることになるパケットの数を求めることができる。コントローラがカテゴリＣ_ｊ（ｊ＝１，２，．．．，ｎ）からのＫ_ｊ個のパケットを送信すると仮定すると、以下の条件が満たされる。
Ｋ_１＊Ｔ_Ｃ１＋Ｋ_２＊Ｔ_Ｃ２＋…＋Ｋ_ｎ＊Ｔ_Ｃｎ＜＝Ｔ_ＤＤＩ （５）
移動ノードの場合にも、同様の不等式が成り立つ。

待ち行列に入れた順序においてパケットが送信される必要はない。例えば、同じ待ち時間の場合、優先順位の低いパケットの前に、優先順位の高いパケットが送信される。同じ優先順位の場合、待ち時間が短いパケットの前に、待ち時間が長いパケットが送信される。帯域幅が不足している場合、優先順位の低いパケットよりも、優先順位の高いパケットが優先される。したがって、優先順位の高いパケットのためのレイテンシー要件が保証される。

図７はスケジューリング例を示しており、送信待ち行列内に、次のＤＤＩにおいて送信されることになるｋ個のダウンリンクパケットが存在する。ｋ個のパケットは全て同じ優先順位を有する。Ｔ_Ｇ１＜Ｔ_Ｇ２＜．．．＜Ｔ_{Ｇ（ｋ−１）}＜Ｔ_Ｇｋとなるようにパケットが生成される。すなわち、Ｔ_Ｑ１＞Ｔ_Ｑ２＞．．．＞Ｔ_{Ｑ（ｋ−１）}＞Ｔ_Ｑｋである。しかしながら、第ｋのパケットは、Ｔ_Ｇｋ＋Ｌ_ｋ＜Ｔ_Ｇ１＋Ｌ_１＜．．．＜Ｔ_{Ｇ（ｋ−１）}＋Ｌ_ｋ−１となるような、より短いレイテンシーを有する。ただし、Ｌ_１、Ｌ_２、．．．、Ｌ_ｋは、ｋ個のパケットのためのそれぞれのレイテンシー要件である。それゆえ、送信時刻Ｔ_ＴＸ１、Ｔ_ＴＸ２、．．．、Ｔ_ＴＸｋは、Ｔ_ＴＸｋ＜Ｔ_ＴＸ１＜．．．＜Ｔ_{ＴＸ（ｋ−１）}のようにスケジューリングされる。すなわち、第ｋのパケットが最初に送信される。

コントローラ及び移動ノードは、レイテンシー要件が満たされる限り、異なるカテゴリからパケットの数を選択し、帯域幅の使用法を最適化することができる。

コントローラ及び移動ノードは、それらのスケジューリングされたパケット送信が所与のデータ間隔内で完了できることを保証する。また、コントローラ及び移動ノードは、それらのパケット送信が、その宛先のためのスケジューリングされた受信時間間隔内で、宛先によって完全に受信できることも保証する。言い換えると、ＤＤＩ又はＵＤＩ内の最後のパケットの送信は、ＤＤＩ又はＵＤＩの終わりにあまり近くない。コントローラの場合、ＤＤＩの始まりに対する最後のダウンリンクパケットの開始送信時刻Ｔ^Ｌ _ＴＸは以下の式を満たす。
Ｔ^Ｌ _ＴＸ＜＝Ｔ_ＤＤＩ＋Ｔ^１ _ＣＨ＋Ｔ^１ _ＨＦ−Ｔ^Ｌ _Ｄ （６）
ただし、Ｔ^１ _ＣＨ及びＴ^１ _ＨＦは式（１）において定義されるようなＤＤＩの第１のダウンリンクパケットのための時間であり、Ｔ^Ｌ _Ｄは最後のダウンリンクパケットの移動時間である。

移動ノードの場合、ＵＤＩの始まりに対する最後のアップリンクパケットの開始送信時時刻Ｔ^Ｌ _ＴＸは以下の式を満たす。
Ｔ^Ｌ _ＴＸ＜＝Ｔ_ＵＤＩ＋Ｔ^Ｃ１ _ＭＦ−Ｔ^Ｌ _Ｕ （７）
ただし、Ｔ^Ｃ１ _ＭＦはカテゴリＣ_１パケットの場合に式（２）において定義され、Ｔ^Ｌ _Ｕは、中継が終端ノードから開始する場合の最後のアップリンクパケットの移動時間である。言い換えると、移動ノードは、ＵＤＩにおいて送信される最後のアップリンクパケットのための最も遅い送信時刻を求める。

アップリンクパケット中継
移動ノードからアップリンクパケットを受信するのに成功した全ての固定ノードは、受信したパケットを、有線ネットワークを介して先頭ノードに中継する。しかしながら、先行するノードから中継されたパケットを受信する固定ノードは、パケットＩＤを調べて、同じパケットが次のノードに既に転送されているか否かを判断する。転送されている場合には、そのノードはパケットを破棄し、転送されていない場合には、そのパケットは次のノードに中継される。

上記の実施の形態によれば、本発明はエレベーターシステム又は列車システムにおいて使用できることが説明されるが、本発明はそれには限定されない。例えば、本発明は、インフラストラクチャ装置（道路上に設けられるインフラストラクチャセンサ、又は交通信号機等）及び自動車が無線通信を介して接続される場合にも使用することができる。

さらに、本発明の先頭ノードは道路上に設けることができ、移動ノードは別々の車上に設けられる。

Claims (23)

1. 輸送安全システムのためのハイブリッド通信ネットワークにおいて送信されることになるダウンリンクパケットをスケジューリングするための方法であって、前記ハイブリッド通信ネットワークは、有線ネットワーク及び無線ネットワークを含み、前記有線ネットワークは１組の固定ノードを含み、前記１組の固定ノードは、前記有線ネットワークの第１の端部にあって、有線インターフェースを介してコントローラに接続される先頭ノードと、前記有線ネットワークの第２の端部にある終端ノードと、前記先頭ノードと前記終端ノードとの間に配置される１組の中継ノードとを含み、前記無線ネットワークは１組の移動ノードを含み、各移動ノードは前記輸送安全システムに関連付けられた移動可能な車内に配置され、前記コントローラはダウンリンクパケットを生成し、前記ダウンリンクパケットを前記有線インターフェースを介して前記先頭ノードに送信する手段を備え、前記ダウンリンクパケットは前記有線ネットワークを介して前記１組の中継ノード及び前記終端ノードに非同期に中継され、前記終端ノードが前記ダウンリンクパケットを受信した後に、全ての前記固定ノードは、前記ダウンリンクパケットを、前記無線ネットワークを介して前記１組の移動ノードに同期して再送し、前記１組の固定ノードは、前記移動可能な車の軌道に沿って順次に配置され、前記方法は、
   前記ダウンリンクパケットが、前記コントローラから前記先頭ノードまで移動し、前記先頭ノードから前記１組の中継ノードまたは前記終端ノードまで移動し、前記１組の中継ノードまたは前記終端ノードから前記１組の移動ノードまで移動するのにかかるダウンリンク移動時間を求めることと、
   前記ダウンリンク移動時間に基づいてダウンリンクデータ間隔（ＤＤＩ）をスケジューリングすることと、
   前記輸送システムのレイテンシー要件が満たされるように、前記ＤＤＩ中に前記ダウンリンクパケットを前記１組の移動ノードに送信することと、
   を含む、輸送安全システムのためのハイブリッド通信ネットワークにおいて送信されることになるダウンリンクパケットをスケジューリングするための方法。
2. 前記ＤＤＩは固定長を有する、請求項１に記載の方法。
3. 前記ＤＤＩは可変長を有する、請求項１に記載の方法。
4. 前記ＤＤＩ中に複数のダウンリンクパケットが送信される、請求項１に記載の方法。
5. 前記スケジューリングは固定的である、請求項１に記載の方法。
6. 前記スケジューリングは動的である、請求項１に記載の方法。
7. 前記ＤＤＩの終わりの前に、前記ダウンリンクパケットの前記送信を終了することを更に含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記コントローラ及び前記１組の固定ノードは専用ダウンリンクチャネルを有する、請求項１に記載の方法。
9. 前記コントローラは送信待ち行列内に前記ダウンリンクパケットを格納し、
   前記レイテンシー要件が満たされるように、前記ダウンリンクパケットのための待ち時間を決定することを更に含む、請求項４に記載の方法。
10. 前記スケジューリングは、前記ＤＤＩの長さ、前記ダウンリンクパケットの長さ、前記送信待ち行列内の前記ダウンリンクパケットの数、前記待ち時間、前記ダウンリンクパケットの優先順位、前記レイテンシー要件、及び各ダウンリンクパケットの前記ダウンリンク移動時間に基づく、請求項９に記載の方法。
11. 前記ＤＤＩ内で送信される最後のダウンリンクパケットのための最も遅い送信時刻を決定することを更に含む、請求項１に記載の方法。
12. 前記１組の移動ノードはアップリンクパケットを生成し、
    前記アップリンクパケットが前記１組の移動ノードから前記１組の固定ノードに移動し、前記１組の固定ノードから前記コントローラに移動するのにかかるアップリンク移動時間を求めることと、
    前記アップリンク移動時間に基づいてアップリンクデータ間隔（ＵＤＩ）をスケジューリングすることと、
    前記レイテンシー要件が満たされるように、前記ＵＤＩ中に前記アップリンクパケットを送信することと、
    を更に含む、請求項１に記載の方法。
13. 前記ＵＤＩは固定長を有する、請求項１２に記載の方法。
14. 前記ＵＤＩは可変長を有する、請求項１２に記載の方法。
15. 前記ＵＤＩ中に複数のアップリンクパケットが送信される、請求項１２に記載の方法。
16. 前記ＵＤＩの前記スケジューリングは固定的である、請求項１２に記載の方法。
17. 前記ＵＤＩの前記スケジューリングは動的である、請求項１２に記載の方法。
18. 前記ＵＤＩの終わりの前に、前記アップリンクパケットの前記送信を終了することを更に含む、請求項１に記載の方法。
19. 前記ＤＤＩ及び前記ＵＤＩは交互に生じ、前記コントローラのための各ＤＤＩと次のＵＤＩとの間に空き期間があり、各移動ノードのための各ＵＤＩと次のＤＤＩとの間に空き期間がある、請求項１２に記載の方法。
20. 前記１組の移動ノードは非同期に動作する、請求項１に記載の方法。
21. 前記ＵＤＩ内で送信される最後のアップリンクパケットのための最も遅い送信時刻を決定することを更に含む、請求項１２に記載の方法。
22. 前記先頭ノードは道路上に設けられ、前記移動ノードは移動可能な車上に設けられる、請求項１に記載の方法。
23. 請求項１に記載の方法における前記有線ネットワークに含まれる１組の固定ノードであって、
    前記１組の固定ノードは、
    前記有線ネットワークの第１の端部にあって、前記有線インターフェースを介してコントローラに接続される先頭ノードと、前記有線ネットワークの第２の端部にある終端ノードと、前記先頭ノードと前記終端ノードとの間に配置される１組の中継ノードとを含み、前記無線ネットワークは１組の移動ノードを含み、各移動ノードは前記輸送安全システムに関連付けられた移動可能な車内に配置され、前記コントローラはダウンリンクパケットを生成し、前記ダウンリンクパケットを前記有線インターフェースを介して前記先頭ノードに送信する手段を備え、前記ダウンリンクパケットは前記有線ネットワークを介して前記１組の中継ノード及び前記終端ノードに非同期に中継され、前記終端ノードが前記ダウンリンクパケットを受信した後に、全ての前記１組の固定ノードは、前記ダウンリンクパケットを、前記無線ネットワークを介して前記１組の移動ノードに同期して再送し、前記１組の固定ノードは、前記移動可能な車の軌道に沿って順次に配置される
    前記１組の固定ノード。

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