JP6811916B1

JP6811916B1 - 時分割多重通信システム、時分割多重通信方法及びプログラム

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Publication number: JP6811916B1
Application number: JP2020560288A
Authority: JP
Inventors: 奉行林
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-03-06
Filing date: 2020-03-06
Publication date: 2021-01-13
Anticipated expiration: 2040-03-06
Also published as: US20230069599A1; DE112020006209T5; CN115280691A; WO2021176697A1; JPWO2021176697A1

Abstract

マスタノード（１１）は、拡張期間ＤＥＸ、拡張タイムスロット番号ＮＥＸ及び拡張時刻ＴＥＸを含む帯域拡張指示を、複数のスレーブノード（１２）に送信する。マスタノード（１１）及び複数のスレーブノード（１２）は、拡張時刻ＴＥＸで指定された周期の後の周期において、開始時刻を拡張期間ＤＥＸだけ早め、拡張タイムスロット番号ＮＥＸで識別されるタイムスロットを拡張期間ＤＥＸだけ拡張し、短縮タイムスロット番号ＮＳＨで特定されるタイムスロットを拡張期間ＤＥＸだけ短縮した通信フレームに変更する帯域拡張処理を実行する。マスタノード（１１）及びスレーブノード（１２）は、割り当てられたタイムスロットを用いて通信する。

Description

本開示は、時分割多重通信システム、時分割多重通信方法及びプログラムに関する。

時分割多重ネットワークにおいて、帯域の保証を行う場合は、予め定められた間隔で周期的に通信を行い、１周期内を予め定められた期間のタイムスロットに分割し、帯域保証を行う各通信を各タイムスロットに割り当てる。このような時分割多重ネットワークにおいて、帯域保証を行う通信の帯域を、通信中に拡張する方法が提案されている（例えば、特許文献１）。

特許文献１には、時分割多重ネットワークにおける回線切替チャネルの帯域幅を変更する方法が記載されている。特許文献１に記載の帯域幅変更方法において、ビットストリームが予め定められた期間の反復フレームに分割され、各フレームは複数のタイムスロットに分割される。１つのチャンネルに１以上のタイムスロットを割り当てることができ、チャンネルに割り当てるタイムスロット数を増加させることで、チャンネルの帯域を拡張できると説明されている。

一方、時分割多重ネットワークにおいてタイムスロット自体を拡張する方法も提案されている（例えば、特許文献２）。特許文献２に記載の通信システムは、予め定められた期間の通信サイクルを繰り返して時分割多重通信を行うものである。通信サイクルは、定期送信セグメントとイベント送信セグメントとネットワークアイドル時間とに分割され、各セグメントは複数のタイムスロットに分割される。イベント送信セグメントは可変長のタイムスロットを含み、タイムスロット長を最小単位の整数倍に拡張することができると説明されている。

特表２００２−５２５９１５号公報特開２００９−３８４７７号公報

特許文献１に記載されているような、１つのチャンネルに１以上のタイムスロットを割り当てて帯域幅を拡張する方法において、１つのチャンネルに対してタイムスロットが連続して割り当てられない場合がある。この場合は１反復フレーム内であるチャネルの通信が開始してから終了するまでの期間の最大値は反復フレームの期間と同一となり、それ以上短縮することができない。つまり、通信に使用されない無駄な期間が生じる可能性がある。これは、例えば、ＰＬＣ (Programmable Logic Controller) 間の通信のような同じ種別のデータを定期的に通信する場合には無駄な期間が積み重なり通信速度の低下に繋がるという問題があった。

また、特許文献２に記載の時分割多重ネットワークによれば、イベント送信セグメントにおいて、通信中にタイムスロットの帯域を拡張できるが、拡張によって後続のタイムスロットの通信開始及び終了時刻が遅延する問題があった。また、遅延によりタイムスロットごとの帯域保証ができないという課題もあった。

本開示は、上述のような事情に鑑みてなされたものであり、一部のタイムスロットの拡張によって、後続のタイムスロットの通信が遅延することなく、各タイムスロットの帯域保証が可能な時分割多重通信システム、時分割多重通信方法及びプログラムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本開示の時分割多重通信システムは、マスタノード及び複数のスレーブノードが、複数のタイムスロットを含む通信フレームを用いて通信する時分割多重通信システムであって、マスタノードは、拡張期間、拡張タイムスロット番号及び拡張時刻を含む帯域拡張指示を、複数のスレーブノードに送信する帯域拡張指示部を備える。また、マスタノード及び複数のスレーブノードは、拡張時刻で指定された周期の後の周期において、開始時刻を拡張期間だけ早め、拡張タイムスロット番号で識別されるタイムスロットを拡張期間だけ拡張し、短縮タイムスロット番号で識別されるタイムスロットを拡張期間だけ短縮したフレームに前記通信フレームを変更する帯域拡張処理部を備えることを特徴とする。

本開示によれば、マスタノードからの帯域拡張指示により指定された短縮タイムスロットを短縮し、指定された拡張タイムスロットを拡大するため、一部のタイムスロットの拡張によって、後続のタイムスロットの通信が遅延することなく、各タイムスロットの帯域を保証することが可能となる。

実施の形態１に係る時分割多重通信システムの構成例を示すブロック図通信フレームの１周期の概略を示す図マスタノードとスレーブノードの機能構成例を示す機能ブロック図実施の形態１に係るマスタノードとスレーブノードの動作を示すシーケンス図帯域拡張処理をしない場合と帯域拡張処理をする場合の通信フレームの概略を示す図実施の形態２に係るマスタノードとスレーブノードの動作を示すシーケンス図拡張回数を変えたときの通信フレームの違いを示す図

（実施の形態１）
以下に、実施の形態１について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、実施の形態１に係る時分割多重通信システム１０の構成例を示すブロック図である。時分割多重通信システム１０は、図１に示すように、マスタノード１１と複数のスレーブノード１２を含む。マスタノード１１とスレーブノード１２は互いに通信可能に接続されている。通信方法は、有線又は無線の時分割多重方式の任意の方法である。

図２は、ノード間の通信で用いられる通信フレームの１周期の概略を示す図である。通信フレームの１周期は、複数のタイムスロットに分割されている。図２ではｎ個（ｎは自然数）のタイムスロットに分割された例を示している。各タイムスロットの長さは、互いに異なってもよい。スレーブノード１２はマスタノード１１により予め割り当てられたタイムスロットを用いてデータの送受信を行う。通信フレームは、図２に示した周期を繰り返し配列した構成を有する。

図３は、マスタノード１１とスレーブノード１２の機能構成例を示す機能ブロック図である。マスタノード１１は、図３に示すように、制御部１１０、通信部１１５、記憶部１１６を備える。制御部１１０は、記憶部１１６に格納されているプログラムを実行する演算処理装置であり、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）である。制御部１１０は、プログラムを実行することにより、帯域拡張指示をスレーブノード１２に送信する帯域拡張指示部１１１と、通信フレームを帯域拡張指示に従ったフレームに変更する帯域拡張処理部１１２と、通信フレームのうち割り当てられたタイムスロットの期間中にデータの送受信を実行する送受信実行部１１３として機能する。

スレーブノード１２は、図３に示すように、制御部１２０、通信部１２５、記憶部１２６を備える。制御部１２０は、記憶部１２６に格納されているプログラムを実行する演算処理装置であり、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）である。制御部１２０は、プログラムを実行することにより、通信フレームをマスタノード１１から受信した帯域拡張指示に従ったフレームに変更する帯域拡張処理部１２２と、通信フレームのうち割り当てられたタイムスロットの期間中にデータの送受信を実行する送受信実行部１２３として機能する。

以上のように構成された時分割多重通信システム１０の動作について、図４に示すシーケンス図を用いて説明する。図４は、本実施の形態１に係るマスタノード１１とスレーブノード１２の動作を示すシーケンス図である。

まず、マスタノード１１は、特定のタイムスロットを拡張するために、拡張期間Ｄ_ＥＸと、拡張タイムスロット番号Ｎ_ＥＸと、短縮タイムスロット番号Ｎ_ＳＨと、拡張時刻Ｔ_ＥＸと、を決定し帯域拡張指示を作成する（ステップＳ１０１）。タイムスロットの拡張は、例えばスレーブノード１２からの通信容量の増加要求に対応し、又は上位装置からの指令により行われる。

拡張期間Ｄ_ＥＸは、通信容量の増加に対応したタイムスロットの期間の拡張量であり、拡張するタイムスロットの拡張後の期間と拡張前の期間の差である。拡張タイムスロット番号Ｎ_ＥＸは、通信容量の増加を必要とするスレーブノード１２に予め割り当てられたタイムスロットを識別する番号である。拡張タイムスロット番号Ｎ_ＥＸは予め定めたタイムスロットの識別子を用いてもよく、又は、周期の先頭からの位置を表す番号を用いてもよい。

短縮タイムスロット番号Ｎ_ＳＨは、帯域拡張時に短縮するタイムスロットを識別する番号である。短縮タイムスロット番号Ｎ_ＳＨで識別されるタイムスロットは、例えば、予め通信量が少ないことがわかっていて期間の短縮が許容されるタイムスロットである。拡張時刻Ｔ_ＥＸは、帯域拡張を行う周期を指定する値である。拡張時刻Ｔ_ＥＸは実時間であってもよく、又は、周期の番号であってもよい。

次に、マスタノード１１は、ネットワーク内のすべてのスレーブノード１２に対し、帯域拡張指示を送信する（ステップＳ１０２）。マスタノード１１は、自己に割り当てられたタイムスロットを用いて帯域拡張指示を送信する。あるいは、マスタノード１１とスレーブノード１２の通信開始前である場合には、図２のタイムスロットの内、いずれのタイムスロットを用いて帯域拡張指示を送信してもよい。

送信する帯域拡張指示は拡張期間Ｄ_ＥＸ、拡張タイムスロット番号Ｎ_ＥＸ、短縮タイムスロット番号Ｎ_ＳＨ、拡張時刻Ｔ_ＥＸの情報を含む。なお、帯域拡張時に短縮するタイムスロットが予め決められていて、全てのノードにおいて設定済みである場合は、短縮タイムスロット番号Ｎ_ＳＨは帯域拡張指示に含めなくてもよい。

マスタノード１１は、帯域拡張指示を送信した後、拡張時刻Ｔ_ＥＸで指定された周期の前まで、拡張前のタイムスロットで通信を継続して、帯域拡張を待機する（ステップＳ１０３）。同様に、スレーブノード１２は、マスタノード１１からの帯域拡張指示を受信した後、拡張時刻Ｔ_ＥＸで指定された周期の前まで、拡張前のタイムスロットで通信を継続して、帯域拡張を待機する（ステップＳ１０３）。

その後、マスタノード１１及びスレーブノード１２は拡張時刻Ｔ_ＥＸで指定した周期以降において帯域拡張処理を実行する（ステップＳ１０４）。

ステップＳ１０４で実行する帯域拡張処理について、図５を用いて具体的に説明する。図５は、帯域拡張処理をしない場合と帯域拡張処理をした場合の通信フレームの概略を示す図である。図５において、ｃ回目周期は拡張時刻Ｔ_ＥＸが存する周期であり、拡張時刻Ｔ_ＥＸによって指定された周期である。ｃ＋１回目周期はｃ回目周期の次の周期である。

タイムスロットｍは拡張タイムスロット番号Ｎ_ＥＸによって識別されるタイムスロットである。タイムスロットｎは短縮タイムスロット番号Ｎ_ＳＨによって識別されるタイムスロットである。タイムスロットｍおよびタイムスロットｎは順番が前後してもよい。

帯域拡張をする場合について、図５の下の通信フレームを参照して説明する。まず、マスタノード１１およびスレーブノード１２はｃ回目周期においてタイムスロットｎを拡張期間Ｄ_ＥＸの期間だけ短縮する。図５に示した例において、タイムスロットｎはｃ回目周期の最後のスロットであるが、タイムスロットｎ以降にもタイムスロットが存する場合には、タイムスロットｎの後のタイムスロットの開始時刻および終了時刻を拡張期間Ｄ_ＥＸだけ早める。

次に、ｃ＋１回目周期以降の周期において周期の開始時刻および終了時刻を拡張期間Ｄ_ＥＸだけ早める。また、ｃ＋１回目周期においてタイムスロットｍを拡張期間Ｄ_ＥＸだけ拡張する。また、ｃ＋１回目周期においてタイムスロットｎを拡張期間Ｄ_ＥＸだけ短縮する。

以上のように変更した通信フレームを用いて、マスタノード１１及びスレーブノード１２の送受信実行部１１３及び１２３はデータの送受信を実行する。このようにして拡張タイムスロット番号Ｎ_ＥＸで指定したタイムスロットｍを後続のタイムスロットを遅延させることなく拡張することができる。

以上説明したように本実施の形態に係る時分割多重通信システム１０は、マスタノード１１が複数のスレーブノード１２に対して、拡張期間Ｄ_ＥＸ、拡張タイムスロット番号Ｎ_ＥＸ、短縮タイムスロット番号Ｎ_ＳＨ及び拡張時刻Ｔ_ＥＸを含む帯域拡張指示を送信する。その後、マスタノード１１及び複数のスレーブノード１２は、拡張時刻Ｔ_ＥＸで指定された周期の後の周期において、開始時刻を拡張期間Ｄ_ＥＸだけ早め、拡張タイムスロット番号Ｎ_ＥＸで識別されたタイムスロットを、拡張期間Ｄ_ＥＸだけ拡張し、短縮タイムスロット番号Ｎ_ＳＨで識別されたタイムスロットを、拡張期間Ｄ_ＥＸだけ短縮した通信フレームに変更する帯域拡張処理を実行することとした。これにより一部のスロットの拡張によって、後続のスロットの通信が遅延することなく、各スロットの帯域を保証することが可能となる。

（実施の形態２）
以下に、実施の形態２について図６，７を参照して詳細に説明する。本実施の形態２の時分割多重通信システム１０もまた、マスタノード１１が送信する帯域拡張指示に基づいて、マスタノード１１及び複数のスレーブノード１２が、指定したタイムスロットの期間を拡張する帯域拡張処理を実行する。本実施の形態２の時分割多重通信システム１０は、実施の形態１とハードウェア構成は同じであるが、帯域拡張指示と帯域拡張処理の内容が実施の形態１と異なる。

図６は、本実施の形態２に係るマスタノード１１とスレーブノード１２の動作を示すシーケンス図である。まず、マスタノード１１は、特定のタイムスロットを拡張するために、拡張期間Ｄ_ＳＨと、拡張タイムスロット番号Ｎ_ＥＸと、短縮タイムスロット番号Ｎ_ＳＨと、拡張時刻Ｔ_ＥＸと、拡張回数Ｒ_ＥＸと、を決定し帯域拡張指示を作成する（ステップＳ１０１）。拡張回数Ｒ_ＥＸは、帯域拡張処理を実行する周期の回数である。拡張期間Ｄ_ＳＨは、１周期内において帯域拡張処理で拡張する期間である。

次に、マスタノード１１は、ネットワーク内のすべてのスレーブノード１２に対し、帯域拡張指示を送信する（ステップＳ１０２）。帯域拡張指示は実施の形態１と同様の拡張期間Ｄ_ＳＨ、拡張タイムスロット番号Ｎ_ＥＸ、短縮タイムスロット番号Ｎ_ＳＨ、拡張時刻Ｔ_ＥＸに加えて、拡張回数Ｒ_ＥＸの情報を含む。

マスタノード１１及びスレーブノード１２は、拡張時刻Ｔ_ＥＸで指定された周期の前まで、拡張前のタイムスロットで通信を継続して、帯域拡張を待機する（ステップＳ１０３）。

その後、マスタノード１１及びスレーブノード１２は拡張時刻Ｔ_ＥＸで指定した周期以降において帯域拡張処理を実行する（ステップＳ１０４）。実施の形態１と同様に、拡張時刻Ｔ_ＥＸにより指定したｃ回目周期の次のｃ＋１回目の周期において、タイムスロットｍを拡張期間Ｄ_ＳＨだけ拡張し、タイムスロットｎを拡張期間Ｄ_ＳＨだけ短縮する。

マスタノード１１及びスレーブノード１２はｃ＋１回目の周期で実行した帯域拡張処理を、ｃ＋１回目の周期以降、拡張回数Ｒ_ＥＸで指定した回数だけ繰り返し行う。これにより、拡張タイムスロット番号Ｎ_ＥＸで指定したタイムスロットｍを徐々に拡張する。

帯域拡張処理を繰り返し行う効果について図７を用いて説明する。図７は、拡張する回数を変えたときの通信フレームの違いを示した図である。１回で帯域拡張をする場合は、周期１において短縮タイムスロット番号Ｎ_ＳＨで識別されるタイムスロットを拡張期間Ｄ_ＥＸ分短縮する必要があり、短縮タイムスロット番号Ｎ_ＳＨのタイムスロットの通信容量への影響が大きかった。

これに対し、図７に示すように複数回で帯域拡張する場合は、複数の周期において短縮タイムスロット番号Ｎ_ＳＨで識別されるタイムスロットを拡張期間Ｄ_ＳＨ分短縮すればよく、短縮タイムスロット番号Ｎ_ＳＨのタイムスロットの帯域縮小の影響を抑えることができる。

以上説明したように本実施の形態に係る時分割多重通信システム１０は、マスタノード１１が複数のスレーブノード１２に対して、拡張期間Ｄ_ＳＨ、拡張タイムスロット番号Ｎ_ＥＸ、短縮タイムスロット番号Ｎ_ＳＨ、拡張時刻Ｔ_ＥＸ及び拡張回数Ｒ_ＥＸを含む帯域拡張指示を送信する。その後、マスタノード１１及び複数のスレーブノード１２は、拡張タイムスロット番号Ｎ_ＥＸで識別されるタイムスロットを拡張期間Ｄ_ＳＨだけ拡張し、短縮タイムスロット番号Ｎ_ＳＨで識別されるタイムスロットを拡張期間Ｄ_ＳＨだけ短縮したフレームに変更する帯域拡張処理をＲ_ＥＸ回繰り返すこととした。これにより１周期内での拡張期間を短くすることができ、短縮するタイムスロットへの帯域縮小の影響を小さくすることが可能となる。

（変形例）
上記実施の形態は、種々の変更が可能である。

上記実施の形態において、マスタノード１１は、拡張タイムスロット番号及び短縮タイムスロット番号を１つずつ指定した帯域拡張指示を送信するが、拡張タイムスロット番号又は短縮タイムスロット番号を複数指定して帯域拡張を実行してもよい。

また、上記実施の形態に示したハードウェア構成及び制御部１１０，１２０の処理内容は一例であり、任意に変更及び修正が可能である。制御部１１０，１２０で実現する各機能は、専用のシステムによらず、通常のコンピュータシステムを用いて実現可能である。

例えば、上記実施の形態の動作を実行するためのプログラムを、コンピュータが読み取り可能なＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disc Read-Only Memory）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）、ＭＯ（Magneto Optical Disc）、メモリカード等の記録媒体に格納して配布し、プログラムをコンピュータにインストールすることにより、各機能を実現することができるコンピュータを構成してもよい。そして、各機能をＯＳ（Operating System）とアプリケーションとの分担、又はＯＳとアプリケーションとの協同により実現する場合には、ＯＳ以外の部分のみを記録媒体に格納してもよい。

本開示は、本開示の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、本開示を説明するためのものであり、本開示の範囲を限定するものではない。すなわち、本開示の範囲は、実施の形態ではなく、請求の範囲によって示される。そして、請求の範囲内及びそれと同等の開示の意義の範囲内で施される様々な変形が、本開示の範囲内とみなされる。

１０時分割多重通信システム、１１マスタノード、１２スレーブノード、１１０，１２０制御部、１１１帯域拡張指示部、１１２，１２２帯域拡張処理部、１１３，１２３送受信実行部、１１５，１２５通信部、１１６，１２６記憶部。

Claims

マスタノード及び複数のスレーブノードが、複数のタイムスロットを含む通信フレームを用いて通信する時分割多重通信システムであって、
前記マスタノードは、拡張期間、拡張タイムスロット番号及び拡張時刻を含む帯域拡張指示を、複数の前記スレーブノードに送信する帯域拡張指示部を備え、
前記マスタノード及び複数の前記スレーブノードは、前記拡張時刻で指定された周期の後の周期において、開始時刻を前記拡張期間だけ早め、前記拡張タイムスロット番号で識別されるタイムスロットを前記拡張期間だけ拡張し、短縮タイムスロット番号で識別されるタイムスロットを前記拡張期間だけ短縮したフレームに前記通信フレームを変更する帯域拡張処理部を備える、
時分割多重通信システム。
前記帯域拡張指示は、前記短縮タイムスロット番号を更に含み、
前記帯域拡張処理部は、前記拡張時刻で指定された周期以降の周期において、前記短縮タイムスロット番号で識別されるタイムスロットを、前記拡張期間だけ短縮することにより、前記拡張時刻で指定された周期以降の周期の前記開始時刻を早める、
請求項１に記載の時分割多重通信システム。
前記短縮タイムスロット番号は、帯域拡張時に短縮することを予め定めたタイムスロットを識別する番号であって、
前記帯域拡張処理部は、前記拡張時刻で指定された周期以降の周期において、前記短縮タイムスロット番号で識別されるタイムスロットを、前記拡張期間だけ短縮することにより、前記拡張時刻で指定された周期以降の周期の前記開始時刻を早める、
請求項１に記載の時分割多重通信システム。
前記帯域拡張指示は、拡張回数を更に含み、
前記帯域拡張処理部は、前記拡張回数に示された回数の周期の間、前記開始時刻を早め、前記拡張タイムスロット番号で識別されるタイムスロットを拡張し、前記短縮タイムスロット番号で識別されるタイムスロットを短縮したフレームに前記通信フレームを変更する、
請求項１から３のいずれか１項に記載の時分割多重通信システム。
複数のタイムスロットを含む通信フレームを用いて通信する時分割多重通信方法であって、
マスタノードがスレーブノードに対して、拡張期間、拡張タイムスロット番号及び拡張時刻を含む帯域拡張指示を送信する帯域拡張指示ステップと、
前記マスタノード及び前記スレーブノードが、前記拡張時刻で指定された周期の後の周期において、開始時刻を前記拡張期間だけ早め、前記拡張タイムスロット番号で識別されるタイムスロットを前記拡張期間だけ拡張し、短縮タイムスロット番号で識別されるタイムスロットを前記拡張期間だけ短縮させる帯域拡張処理ステップと、有する、
時分割多重通信方法。
複数のタイムスロットを含む通信フレームを用いて通信する時分割多重通信システムのマスタノードのコンピュータを、
スレーブノードに対して、拡張期間、拡張タイムスロット番号及び拡張時刻を含む帯域拡張指示を送信する帯域拡張指示部、
前記拡張時刻で指定された周期の後の周期において、開始時刻を前記拡張期間だけ早め、前記拡張タイムスロット番号で識別されるタイムスロットを前記拡張期間だけ拡張し、短縮タイムスロット番号で識別されるタイムスロットを前記拡張期間だけ短縮させる帯域拡張処理部、
として機能させるプログラム。
複数のタイムスロットを含む通信フレームを用いて通信する時分割多重通信システムのスレーブノードのコンピュータを、
マスタノードから、拡張期間、拡張タイムスロット番号及び拡張時刻を含む帯域拡張指示を受信したときに、前記拡張時刻で指定された周期の後の周期において、開始時刻を前記拡張期間だけ早め、前記拡張タイムスロット番号で識別されるタイムスロットを前記拡張期間だけ拡張し、短縮タイムスロット番号で識別されるタイムスロットを前記拡張期間だけ短縮させる帯域拡張処理部、
として機能させるプログラム。