JP5905844B2 - 消失訂正符号を利用する通信システムの中継装置、その通信システム及び中継方法 - Google Patents

Description

本発明は、消失訂正符号を利用する通信システムに関し、特に通信システムの中継装置に関する。

通常、有線、無線を問わず、多くの通信ネットワークでは、通信路で発生する干渉、ノイズの重畳、信号の減衰響等によりデータパケットの消失が発生する。データパケットの消失対策の一つの方法として、消失訂正符号がある。消失訂正符号を用いた通信システムでは、送信側でデータパケットに、消失訂正用の冗長データパケットを付加して送信し、通信路でデータパケットの一部が消失した場合でも、受信側で他のデータパケットや消失訂正用の冗長データパケットから消失したデータパケットを消失訂正し、本来のデータを復元することが可能となる。しかし、消失訂正能力を超えるデータパケットが消失した場合には消失訂正が不可能となる。特に多段の中継装置を介してデータパケットを伝送する場合、各通信路において生じるデータパケットの消失が累積していくため、受信側において消失訂正能力を超えるデータパケットの消失が発生する可能性が高くなる。これを防ぐ方法として、中継装置において消失訂正復号及び消失訂正符号化を実施する方法が考えられる。

一方、監視及び制御情報などを伝送する通信システムにおいて、一定時間内にデータを伝送することが求められるため、遅延時間の低減とパケットの消失を低減することが求められる。

特許文献１では、消失訂正符号を利用する通信システムの中継装置において、受信したデータパケットを逐次中継し、消失訂正に用いる全てのデータパケットを受信した時点でデータパケットの消失訂正を行う方法が開示されている。特許文献１に記載の通信方法では、受信したデータパケットを逐次中継することで中継時間を低減し、中継装置で消失訂正を行うことでデータパケットの消失が中継毎に累積していくことを低減することが可能となる。

特開２００５−１２７５３号公報

しかしながら、特許文献１では、消失訂正に用いる全てのデータパケットを受信するまで待つため、消失訂正用に付加した冗長データパケットの伝送に必要な時間の待ち時間が発生する。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、消失訂正符号を利用する通信システムの中継装置において、遅延時間の低減とパケットの消失を低減するための技術を提供するものである。

上記課題を解決するために、開示する中継装置は、受信したデータパケットを逐次中継し、消失訂正に必要なデータパケットを受信した時点で消失したデータパケットの消失訂正を訂正し、消失訂正に必要なデータパケットを受信した時点で未到達の冗長データパケットを生成する。

より具体的に、中継装置は、データパケットを受信する受信部、消失訂正に必要なデータパケットの受信部による受信に応答して、消失したデータパケットを消失訂正した訂正データパケットを生成する消失訂正部、消失訂正に必要なデータパケットの受信部による受信に応答して、受信部が未受信の冗長データパケットを生成する未到達データ生成部、及び、受信部が受信した前記データパケット、訂正データパケット、及び冗長データパケットを送信する送信部を有する。

本発明によれば、中継待ち時間を削減しつつ、中継後の消失訂正能力を維持することが可能であり、遅延時間の短縮とパケットの消失を低減に寄与する。

通信システムの概略構成を示す図である。 複数経路通信システムの概略構成を示す図である。 無線計装制御システムの概略構成を示す図である。 スマートグリッドシステムの概略構成を示す図である。 消失訂正符号の概略を示す図である。 実施例１の送信装置の構成例を示すブロック図である。 実施例１の中継装置の構成例を示すブロック図である。 実施例１の受信装置の構成例を示すブロック図である。 実施例２の重複データ破棄処理部を備えた中継装置の構成例を示すブロック図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
＜通信システムの構成＞
図１は、本実施形態に係る通信システムの概略構成を示す図である。本通信システムは、送信装置１０１を１台以上と、中継装置１０２ａ〜ｂを１台以上と、受信装置１０３を１台以上有する。

送信装置１０１は、データパケットを中継装置１０２ａへ送信するとともに、送信した元のデータパケットから消失訂正用の冗長データパケットを生成して中継装置１０２ａへ送信する。

中継装置１０２ａ〜ｂは、受信したデータパケットを、次の中継装置１０２ｂ、または受信装置１０３へ逐次中継し、消失訂正に必要なデータパケットを受信した時点で消失したデータパケットの消失訂正と、未到達の冗長データパケットの生成を行い、消失訂正により復元したデータパケットと生成した冗長データパケットを次の中継装置１０２ｂ、または受信装置１０３へ送信する。詳細な中継方法に関しては、後述する。

受信装置１０３は、消失訂正に必要なデータパケットを受信した時点で元のデータパケットを復元する。

図２は、本実施形態に係る複数経路通信システムの概略構成を示す図である。本複数経路通信システムは、送信装置２０１を１台以上と、中継装置２０２ａ〜ｄを２台以上と、受信装置２０３を１台以上有する。

送信装置２０１は、データパケットを複数の中継装置２０２ａ〜ｂへ送信するとともに、送信した元のデータパケットから消失訂正用の冗長データパケットを生成して複数の中継装置２０２ａ〜ｂへ送信する。

中継装置２０２ａ〜ｄは、受信したデータパケットを次の中継装置２０２ｃ〜ｄ、または受信装置２０３へ逐次中継し、消失訂正に必要なデータパケットを受信した時点で消失したデータパケットの消失訂正と、未到達の冗長データパケットの生成を行い、消失訂正により復元したデータパケットと生成した冗長データパケットを次の中継装置２０２ｃ〜ｄ、または受信装置２０３へ送信する。詳細な中継方法に関しては、後述する。

受信装置２０３は、消失訂正に必要なデータパケットを受信した時点で元のデータパケットを復元する。

図３は、本実施形態に係る無線計装制御システムの概略構成を示す図である。図３の無線計装制御システムは、基地局３０１を１台と、中継装置３０２ａ〜ｃを１台以上と、端末局３０３a〜eを１台以上有し、センサ／アクチュエータ３０４a〜ｇ、集約装置３０５、通信ネットワーク３０６、監視装置３０７及び制御装置３０８を有する。本無線計装制御システムでは、センサ／アクチュエータ３０４a〜ｇで取得した監視データを端末局３０３a〜ｅ、中継装置３０２a〜ｃ、基地局３０１、通信ネットワーク３０６を介して、監視装置３０７や制御装置３０８に伝送し、制御装置３０８で作成した制御データを通信ネットワーク３０６、基地局３０１、中継装置３０２a〜ｃ、端末局３０２a〜ｅを介してセンサ／アクチュエータ３０４a〜ｇへ伝送する。このとき、複数個のセンサ／アクチュエータ３０４ｅ〜ｇからの監視データを集約装置３０５で集約してから伝送しても良いし、複数個のセンサ／アクチュエータ３０４ｅ〜ｇ宛の制御データを集約装置３０５で分配しても良い。なお、センサ／アクチュエータ３０４a〜ｇ、集約装置３０５、通信ネットワーク３０６、監視装置３０７及び制御装置３０８は、それぞれ１つ以上用いても良いし、必要に応じて用いなくても良い。ここで、基地局３０１は、制御データを端末局３０３a〜ｅに伝送する場合、図１の送信装置１０１及び図２の送信装置２０１に相当し、監視データが端末局３０３a〜ｅから伝送される場合、図１の受信装置１０３及び図２の受信装置２０３に相当する。また、端末局３０３a〜ｅは、監視データを基地局３０１に伝送する場合、図１の送信装置１０１及び図２の送信装置２０１に相当し、制御データが基地局３０１から伝送される場合、図１の受信装置１０３及び図２の受信装置２０３に相当する。

センサ／アクチュエータ３０４a〜ｇは、温度、湿度、圧力及び流量などを計測し、監視データを生成するセンサ、もしくは制御データにより駆動するアクチュエータのどちらか、もしくは両方の機能を備える。集約装置３０５は、複数個のセンサ／アクチュエータ３０４ｅ〜ｇからの監視データを集約してから伝送し、複数個のセンサ／アクチュエータ３０４ｅ〜ｇ宛の制御データを分配する。通信ネットワーク３０６は、基地局３０１、中継装置３０２a〜ｃ及び端末局３０３a〜ｅ以外の通信ネットワークを指し、制御ネットワークなどが該当する。監視装置３０７は、監視データを集約し、記憶しておく。また、監視装置３０７は、監視データや監視データを加工したデータを表示しても良い。制御装置３０８は、監視データなどの情報を基に制御データを生成し、センサ／アクチュエータ３０４a〜ｇ宛に伝送する。

図４は、本実施形態に係るスマートグリッドシステムの概略構成を示す図である。本システムは、基地局４０１a〜bを１台以上と、中継装置４０２a〜ｂを１台以上と、端末局を内蔵したスマートメータ４０３a〜dを１台以上有する。ここで、基地局４０１a〜bは、図１の受信装置１０３及び図２の受信装置２０３に相当し、スマートメータ４０３a〜dに内蔵された端末局は、図１の送信装置１０１及び図２の送信装置２０１に相当する。また、状況に応じてスマートメータ４０３a〜dは、内蔵した端末局の代わりに中継装置４０２a〜ｂを内蔵する場合もある。基地局４０１a〜bは、一般的に高い建物４０４の屋上付近や、電柱４０５a〜ｃの柱上など、見通しの良い高い位置に設置する。スマートメータ４０３a〜dは、工場４０６、集合住宅４０７及び一般住宅４０８a〜bなどに設置され、電力量計の値、ガスや水の使用量などのデータをデータセンター４１０や、電力会社や、ガス会社などの営業所４１１に通信網４０９を介して伝送する。通信網４０９は、基地局４０１a〜b、中継装置４０２a〜ｂ及び端末局以外の通信システムを指し、光通信などが該当する。

＜消失訂正符号の概略＞
図５は、本実施形態に係る消失訂正符号の概略を示す図である。
送信装置５０１は、データパケットを送信するとともに、送信した元のデータパケットから消失訂正用の冗長データパケットを生成して送信する。図５では、データパケット４つに対して２つの消失訂正用の冗長データパケットを生成した場合を示している。

受信装置側５０２は、データパケットの消失が発生する可能性のある通信路５０３を介して、データパケットと消失訂正用の冗長データパケットを受信する。このとき、通信路５０３にてデータパケットが消失する場合がある。図５では、２番目と４番目のデータパケットが消失した場合を示している。次に、受信装置側５０２は、受信したデータパケットから消失したデータパケットを消失訂正して、送信側で冗長データパケットを付加する前のデータパケットを復元する。

＜送信装置、中継装置、及び受信装置の構成＞
以下、送信装置、中継装置、及び受信装置の実施例を説明する。

図６は、本実施例の送信装置の構成例を示すブロック図である。送信装置６０１は、インターフェース部６０２と、データ蓄積部６０３と、消失訂正符号化部６０４と、通信処理部６０５を有する。

インターフェース部６０２は、外部から受信したデータを送信装置６０１が通信に用いるデータパケットの形式に変換し、データ蓄積部６０３に転送する。ここで、インターフェース部６０２は、データパケットに変換する際にデータパケットをフラグメントしても良い。

データ蓄積部６０３は、インターフェース部６０２から転送されたデータパケットを保存する。

消失訂正符号化部６０４は、データ蓄積部６０３に蓄積されたデータパケットに消失訂正符号化情報を付加して通信処理部６０５に転送するとともに、データ蓄積部６０３に蓄積されたデータパケットから消失訂正用の冗長パケットを生成し、消失訂正符号化情報を付加して通信処理部６０５に転送する。また、消失訂正符号化を行ったデータパケットをデータ蓄積部６０３から削除する。ここで、消失訂正符号化情報とは、消失訂正符号化を行う毎に１加算していく消失訂正符号化番号、消失訂正符号化を行う元のデータパケット数、消失訂正用に生成した冗長データパケット数、同じ消失訂正符号化番号中でのデータパケットの順番を示すデータ番号などである。

通信処理部６０５は、消失訂正符号化部６０４から転送されたデータパケットを通信路に適した形式に変調し、通信路へ送信する。

図７は、本実施例の中継装置の構成例を示すブロック図である。中継装置７０１は、通信処理部（受信部）７０２と、データ蓄積部７０３と、消失訂正部７０４と、未到達（未受信）データ生成部７０５と、通信処理部（送信部）７０６を有する。

通信処理部７０２は、受信した信号をデータパケットに復調し、通信処理部７０６と、データ蓄積部７０３に転送する。

データ蓄積部７０３は、通信処理部７０２と、消失訂正部７０４から転送されたデータパケットを保存する。ただし、同一データパケットが複数転送された場合、１つ目のデータパケットを保存し、以降のデータパケットを破棄する。また、データ蓄積部７０３に保存されたデータパケットと同じ送信元から送信されたデータパケットで消失訂正符号化番号が保存されたデータパケットよりも大きい数のデータパケットが転送された場合、保存されていた同じ送信元から送信されたデータパケットを削除してから転送されたデータパケットを保存する。

消失訂正部７０４は、データ蓄積部７０３に保存されたデータパケットの消失訂正符号化情報から、同じ消失訂正符号化番号中のデータ番号に抜けがある場合、データパケットが消失したと判定し、消失訂正に必要なデータパケットを受信した時点で消失訂正を行い、消失訂正で復元したデータパケットを通信処理部７０６と、データ蓄積部に転送する。

未到達データ生成部７０４は、データ蓄積部７０３に保存されたデータパケットの消失訂正符号化情報から、同じ消失訂正符号化番号中のデータ番号に抜けがなく、消失訂正符号化を行う元のデータパケット数のデータパケットがデータ蓄積部７０３に保存されてあり、消失訂正用に生成した冗長データパケット数分の冗長データパケットが保存されていない場合、消失訂正符号化を行う元のデータパケット数のデータパケットから消失訂正用の冗長データパケットを生成し、データ蓄積部７０３に保存されていなかった冗長データパケット（未到達の冗長データパケット）を通信処理部７０６に転送する。また、未到達データ生成部７０４は、冗長パケットを通信処理部７０６に転送した場合と、データ蓄積部７０３に同じ消失訂正符号化番号のデータパケットで消失訂正符号化を行う元のデータパケットが全て保存されている場合に当該データパケットをデータ蓄積部７０３から削除する。

通信処理部７０６は、通信処理部７０２と、消失訂正部７０４と、未到達データ生成部７０５から転送されたデータパケットを通信路に適した形式に変調し、通信路へ送信する。

図８は、本実施例の受信装置の構成例を示すブロック図である。受信装置８０１は、通信処理部８０２と、データ蓄積部８０３と、消失訂正復号部８０４と、インターフェース部８０５を有する。

通信処理部８０２は、受信した信号をデータパケットに復調し、データ蓄積部８０３に転送する。

データ蓄積部８０３は、通信処理部８０２から転送されたデータパケットを保存する。ただし、同一データパケットが複数転送された場合、１つ目のデータパケットを保存し、以降のデータパケットを破棄する。また、データ蓄積部８０３に保存されたデータパケットと同じ送信元から送信されたデータパケットで消失訂正符号化番号が保存されたデータパケットよりも大きい数のデータパケットが転送された場合、保存されていた同じ送信元から送信されたデータパケットを削除してから転送されたデータパケットを保存する。

消失訂正復号部８０４は、データ蓄積部８０３に保存されたデータパケットの消失訂正符号化情報から、データ番号が１のデータパケットが保存された場合、該当データパケットをインターフェース部８０５に転送する。また、消失訂正復号部８０４は、インターフェース部８０５に転送したデータパケットと同じ送信元で同一の消失訂正符号化番号のデータパケットにおいて、転送したデータパケットのデータ番号よりも１だけ大きいデータ番号のデータパケットが保存された場合、該当データパケットをインターフェース部８０５に転送する。さらに、消失訂正復号部８０４は、データ蓄積部８０３に保存されたデータパケットの消失訂正符号化情報から、同じ送信元で同じ消失訂正符号化番号中のデータ番号に抜けがある場合、データパケットが消失したと判定し、消失訂正に必要なデータパケットを受信した時点で消失訂正を行い、消失訂正で復元したデータパケットをインターフェース部８０５に転送する。また、消失訂正復号部８０４は、復元したデータパケットを通信処理部８０５に転送した場合と、データ蓄積部７０３に同じ消失訂正符号化番号のデータパケットで消失訂正符号化を行う元のデータパケットが全て保存されている場合に当該データパケットをデータ蓄積部８０３から削除する。

インターフェース部８０５は、消失訂正復号部８０４から転送されたデータパケットを外部に接続されたデバイスに応じた通信形式に変換し、送信する。また、インターフェース部８０５は、転送されたデータパケットがフラグメントされている場合、データパケットをデフラグメントした後に外部に接続されたデバイスに応じた通信形式に変換し、送信する。

実施例１によれば、中継装置において、受信したデータパケットを逐次中継し、消失訂正に必要なデータパケットを受信した時点で消失したデータパケットの消失訂正と、未到達の冗長データパケットの生成を行うことで遅延時間の低減とパケットの消失を低減に寄与する。

実施例２は、実施例１と中継装置の構成を異にするので、以下、中継装置の構成例について説明する。

図９は、本実施例の、重複データ破棄処理部を備えた中継装置の構成例を示すブロック図である。図９の中継装置９０１は、図７の中継装置７０１の構成に重複データ破棄処理部９０２を加えた構成である。重複データ破棄処理部９０２以外の各部の処理内容は、図７から通信処理部７０２と、消失訂正処理部７０４と、未到達データ生成部７０５は、通信処理部７０６へ転送していたデータパケットの転送先が重複データ破棄処理部９０２に変更になり、通信処理部７０６は、データパケットの転送元が通信処理部７０２、消失訂正処理部７０４、未到達データ生成部７０５から、重複データ破棄処理部９０２に変更になった以外同様であるので、その説明については省略する。

重複データ破棄処理部９０２は、通信処理部７０２と、消失訂正処理部７０４と、未到達データ生成部７０５から転送されたデータパケットを通信処理部７０６へ転送する。ただし、同一のデータパケットが重複データ破棄処理部９０２に転送された場合、重複データ破棄処理部９０２は、最初に転送されたデータパケットを通信処理部７０６へ転送し、後続する重複データパケットを転送せずに破棄する。

実施例２によれば、中継装置は、重複データを破棄することで無駄なデータパケットの送信を防ぎ、遅延時間の低減に寄与する。

以上説明したように、本実施形態は、消失訂正符号を利用した通信システムにおいて、中継装置が、受信したデータパケットを逐次中継し、消失訂正に必要なデータパケットを受信した時点で消失したデータパケットの消失訂正と、未到達の冗長データパケットを生成することが可能であり、遅延時間の低減とパケットの消失を低減に寄与する。特に高信頼性やリアルタイム性が求められる産業用途の無線通信システムに適用すると効果的であり、その工業的価値は大である。

１０１、２０１、５０１、６０１：送信装置、１０２、２０２、３０２、４０２、７０１、９０１：中継装置、１０３、２０３、５０２、８０１：受信装置、３０１、４０１：基地局、３０３：端末局、３０４：センサ／アクチュエータ、３０５：集約装置、３０６：通信ネットワーク、３０７：監視装置、３０８：制御装置、４０３：スマートメータ、４１０：データセンター、４１１：営業所、５０３：通信路、６０２、８０５：インターフェース部、６０３、７０３、８０３：データ蓄積部、６０４：消失訂正符号化部、６０５、７０２、７０６、８０２：通信処理部、７０４：消失訂正部、７０５：未到達データ生成部、８０４：消失訂正復号部、９０２：重複データ破棄処理部。

Claims (10)

1. 消失訂正符号を利用する通信システムの中継装置であって、
   データパケットを受信する受信部、
   消失訂正に必要なデータパケットの前記受信部による受信に応答して、消失したデータパケットを消失訂正した訂正データパケットを生成する消失訂正部、
   消失訂正に必要な前記データパケットの前記受信部による受信に応答して、前記受信部が未受信の冗長データパケットを生成する未到達データ生成部、及び
   前記受信部が受信した前記データパケット、前記訂正データパケット、及び前記冗長データパケットを送信する送信部を有することを特徴とする中継装置。
2. 請求項１に記載の中継装置において、
   消失訂正に必要な前記データパケットは、前記データパケットに消失訂正符号化に関する情報を付加したパケットであることを特徴とする中継装置。
3. 請求項２に記載の中継装置において、
   消失訂正符号化に関する前記情報は、消失訂正符号化を行う毎に１加算される消失訂正符号化番号、消失訂正符号化を行う元の前記データパケットの数、消失訂正用に生成した冗長データパケットの数、および同じ消失訂正符号化番号中での前記データパケットの順番を示すデータ番号であることを特徴とする中継装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の中継装置において、
   前記データパケット、前記訂正データパケット、及び前記冗長データパケットの各々のパケットを、前記送信部が送信する前に前記パケットと重複するパケットを破棄する重複データ破棄部を有することを特徴とする中継装置。
5. 消失訂正に必要なデータパケットを送信する送信装置、
   データパケットを受信する第１の受信部、消失訂正に必要な第１のデータパケットの前記第１の受信部による受信に応答して、消失した第１のデータパケットを消失訂正した第１の訂正データパケットを生成する消失訂正部、消失訂正に必要な前記第１のデータパケットの前記第１の受信部による受信に応答して、前記第１の受信部が未受信の冗長データパケットを生成する未到達データ生成部、及び、前記第１の受信部が受信した前記第１のデータパケット、前記第１の訂正データパケット、及び前記冗長データパケットを送信する送信部を含む中継装置、並びに
   前記第１のデータパケット、前記第１の訂正データパケット、及び前記冗長データパケットを受信する第２の受信部、及び、消失訂正に必要な第２のデータパケットの前記第２の受信部による受信に応答して、消失した第２のデータパケットを消失訂正した第２の訂正データパケットを生成し、前記第２の受信部が受信した前記第１のデータパケットと前記第１の訂正データパケット、及び前記第２の訂正データパケットを復号する消失訂正復号部を含む受信装置
   を有することを特徴とする通信システム。
6. 請求項５に記載の通信システムにおいて、
   前記消失訂正に必要な前記第１のデータパケットは、前記第１のデータパケットに消失訂正符号化に関する情報を付加したパケットであることを特徴とする通信システム。
7. 請求項６に記載の通信システムにおいて、
   消失訂正符号化に関する前記情報は、消失訂正符号化を行う毎に１加算される消失訂正符号化番号、消失訂正符号化を行う元の前記第１のデータパケットの数、消失訂正用に生成した冗長データパケットの数、および同じ消失訂正符号化番号中での前記第１のデータパケットの順番を示すデータ番号であることを特徴とする通信システム。
8. 請求項５〜７のいずれか１項に記載の通信システムにおいて、前記中継装置は、
   前記第１のデータパケット、前記第１の訂正データパケット、及び前記冗長データパケットの各々のパケットを、前記送信部が送信する前に前記パケットと重複するパケットを破棄する重複データ破棄部を有することを特徴とする通信システム。
9. 請求項５〜８のいずれか１項に記載の通信システムにおいて、
   前記送信装置と前記受信装置との間に、前記中継装置を介した通信経路とは異なる他の通信経路を有することを特徴とする通信システム。
10. 消失訂正符号を利用する通信システムの中継装置における中継方法であって、
    データパケットを受信し、
    消失訂正に必要なデータパケットの受信に応答して、消失したデータパケットを消失訂正した訂正データパケットを生成し、
    消失訂正に必要な前記データパケットの受信に応答して、未受信の冗長データパケットを生成し、
    前記データパケット、前記訂正データパケット、及び前記冗長データパケットを送信することを特徴とする中継方法。

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