JP7113149B2 - 伝播遅延認識スケジューリングを含む、産業用マシンツーマシン通信のためのワイヤレスｔｄｍａスケジューリングの方法およびシステム - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、産業用モニタリングおよび制御の目的（たとえば、電力システムのモニタリングおよび制御、産業用製造設備におけるモニタリングおよび制御機器、ならびに／または、他の産業オートメーション制御およびモニタリングタスクの実行）での通信方法およびシステムなどの産業用通信に関する。特に、本発明は、ＴＤＭＡ通信のスケジューリングに関し、ワイヤレスおよびワイヤード通信に関連している。

背景技術および先行技術
産業用通信では、センサおよび／またはアクチュエータノードなどの多数のスレーブノードが、マスタノードなどの中央ネットワークコントローラまたはゲートウェイに接続される。多くの産業用途（たとえば、変電所オートメーション）では、スレーブノードは、マスタノードまでの距離がさまざまである位置に配置される。衝突を回避するための公知の方法は、ワイヤード通信システムを使用するというものであり、スレーブノードとマスタノードとの間の各通信リンクについて光ファイバ上で同一の長さを使用することにより、各スレーブノードのマスタノードへの送信時間が同一になる。このような解決策は、衝突の回避には有効であるが、費用効果に欠けている。ワイヤレス通信を使用することが代替案であり、同等に低いコストを提供することができるが、通信距離を等しくすることによる衝突の回避を提供することはできない。

ワイヤレスＴＤＭＡシステムにおいて衝突を回避する１つの方法は、さまざまなノードからのパケット間のガード時間を利用するというものである。ノードは、スロットで送信を行うようにスケジューリングされることができ、各スロットにおけるガード時間は、送信が後続のスロットにおける送信と干渉しないことを確実にする。このようなスケジューリングは、同等に単純であるが、ガード時間の使用は、ノード間の通信レイテンシに対して悪影響を及ぼす可能性がある。スロットと比較してガード時間が短ければ、レイテンシ全体に対するガード時間の悪影響は小さいであろう。ガード時間のサイズが同等、たとえば送信スロットの期間の２０％またはそれ以上であれば、ガード時間はより大きな悪影響を及ぼすであろう。多くの場合、使用されるガード時間は、同等に小さい。たとえば大きなパケットの近距離送信に関連するＷｉ－Ｆｉ（商標）通信システムでは、ガード時間は同等に小さく、たとえば、衝突を回避するためのガード時間は、送信時間の１％未満（１００μｓ（マイクロ秒）の長いパケットを有する、および、１μｓのガード時間を使用するなど）であってもよい。他の用途では、ガード時間の使用は、より大きな悪影響を及ぼす。

チェン等による論文「ＬＤＭＡＣ：長距離ＵＡＶネットワークのための伝播遅延認識ＭＡＣスキーム」（Ｅ１）には、時間制約が厳しいワイヤレス通信における伝播遅延の問題に対処することが記載されている。Ｅ１は、具体的には、基地局と複数のドローンまたは無人航空機（ＵＡＶ）との間のワイヤレス通信に関連している。ＵＡＶと基地局との間の距離はさまざまであり、それによって伝播遅延が発生する。通信衝突を回避するために、Ｅ１では、「伝播遅延認識アクセススキーム」を使用することが提案されている（Ｅ１の要約を参照）。手短に言えば、ドローン（ＵＡＶ）は、ＧＰＳユニットを備え、ＧＰＳを使用して基地局からのその距離および伝播遅延を求める（Ｅ１の第４．１章を参照）。次いで、ドローンは、通信についての到達時刻スロットを選択して、対応する送信時間を計算する。

Ｅ１の方法は、主にキロメートルなどの大きな距離を意図しており、この「伝播遅延認識スキーム」は、より狭い範囲の通信におけるガード時間の使用よりも複雑であり得る。

（Ｅ１における通信よりも）近距離の通信は、同様の衝突問題に見舞われる可能性がある。産業用途（たとえば、製造オートメーションまたは変電所オートメーション）では、同等の頻度で同等に短いパケットを送信する必要がある。センサからの情報を収集して制御データまたは設定をアクチュエータまたは制御ユニットに通信するパケットの通信は、約１００ビットを備えるパケットで提供されてもよく、送信時間およびそれによるスロット期間は、約１μｓであり得る。電波は、１μｓ間に約３００ｍ進むため、３０メートル離れたノード間の衝突を回避するためのガード時間は、このような１μｓの長さのタイムスロット期間の約１０分の１であってもよい。

ワイヤード通信では、送信時間を等しくするためにさまざまな長さの光ファイバを使用することができる。ワイヤレス送信は、設置の点でより経済的であり得て、ガード時間の設定は、衝突を回避するための有効な方法であり得るが、ガード時間は、通信のサイクル時間全体に対して悪影響を及ぼすことによって問題を生じさせる可能性がある。ガード時間が各タイムスロットの約３０％に及ぶと、通信サイクルの遅延が３０％増加することになる。

低レイテンシに対する需要が高い産業用途では、ガード時間は短くすべきであるが、ガード時間を短くすることにより、衝突のリスクが増大する。Ｅ１のシステムに見られるような遅延認識スケジューリングを使用することは、衝突を回避しかつレイテンシを低く保つことができるが、衝突を回避するためにガード時間を使用することは、スケジューリングの複雑さを軽減できる可能性がある。

ＵＳ８０８６２４９（Ｅ２）には、スレーブノードとマスタノードと同様のワイヤレス通信デバイスとアクセスノードとの間の距離を求めるステップと、上記距離を使用して通信の遅延を求めるステップとを含む通信方法が記載されている。さらに、Ｅ２には、遅延に基づいて「スレーブ」ノードと「マスタ」ノードとの間の通信のタイミングをとることが開示されている（Ｅ２の要約および図４）。Ｅ２では、通常よりも長い遅延を生じさせるデバイス間の大きな距離（Ｅ２の第１欄第２６～３３行）、特に使用される通信プロトコルに従って許容されるものよりも長い遅延を生じさせる距離（Ｅ２の第９欄第４３～５５行）の問題に対処する。Ｅ２に係る解決策は、アクセスノードとデバイスとの間の通信リンクの遅延が予め規定された閾値を超えるか否かを判断し、閾値を超えるか否かに応じて、アクセスノードとデバイスとの間のタイミングを適合させるというものである（Ｅ２の第７欄第１４行～第８欄第９行）。一般に、閾値は、使用されるプロトコルに従って通信リンクの最大許容遅延に設定される（Ｅ２の第９欄第５４～５５行を参照）。

発明の概要
本発明の目的は、産業オートメーションなどの産業機器に適したワイヤレス通信の方法を提供することであり、このワイヤレス通信はさらに、低レイテンシおよび高い信頼性に寄与することができ、または少なくとも先行技術のワイヤレス通信方法の代替案を提供することができる。

この目的のために、本発明の第１の局面は、ＴＤＭＡベースの通信システムにおけるスケジューリングの方法を提供し、上記通信システムでは、第１のノードまたはアクセスノードが複数の第２のノードまたはスレーブノードと、それぞれの通信リンクを使用して通信する。上記方法は、複数のタイムスロットに上記通信をスケジューリングすることを含む。特に、上記スケジューリングの方法は、
各通信リンクのための伝播時間を取得するステップと、
２つの通信リンク間の伝播時間の最大差を求めるステップと、
上記最大差と閾値とを比較するステップと、
上記最大差が上記閾値よりも小さい場合、第１モードのスケジューリングを使用するステップと、
上記最大差が上記閾値よりも大きい場合、第２モードのスケジューリングを使用するステップとを備える。

上記第１モードのスケジューリングは、
上記タイムスロットの各々に適用されるガード時間を選択するステップを含み、上記ガード時間（ＧＴ）は、上記最大差に基づき、
上記タイムスロットのうちのそれぞれのタイムスロット内で送信を行うように各第２のノードをスケジューリングするステップを含む。

上記第２モードのスケジューリングは、
上記タイムスロットのうちのそれぞれのタイムスロット内で上記第１のノードに到達するように各第２のノードからの上記送信をスケジューリングするステップを含み、各第２のノードの上記送信をスケジューリングするステップは、対象の上記第２のノードの上記通信リンクの上記それぞれの伝播時間に基づく。好ましくは、上記第２モードの上記スケジューリングは、上記第２のノードの上記伝播時間に等しいタイミングアドバンスで各第２のノードをスケジューリングするステップを含む。

第１モードのガード時間は、最大差を吸収するのに十分なほどに大きくすべきである一方、第２モードでは、第２のノードからの送信をスケジューリングすることによって伝播時間または遅延に対処する。第１モードのスケジューリングは、通信衝突を回避するようにガード時間を調整する。

動作モードの選択は、伝播時間の最大差に基づく。第１モードでは、タイムスロットのガード時間の選択は、伝播時間の最大差に基づき、スケジューリングは、最大差に基づく。第２モードでは、スケジューリングは、通信リンクのそれぞれの伝播時間または伝播遅延に基づき、各（第２の）ノードからの送信のスケジューリングは、対象のノードと第１のノードとの間の伝播時間に基づく。したがって、第２モードのスケジューリングは、伝播遅延認識的であり、すなわち伝播遅延認識を使用して通信衝突を回避する。

第１の局面の実施形態において、上記第１モードはさらに、上記第１のノードから上記第２のノードへの送信をスケジューリングして、上記第２のノードからの送信から上記第１のノードからの送信に切り替えるステップを含み、上記方法はさらに、上記第２のノードからの上記送信から上記第１のノードからの上記送信に切り替えるときに、１つまたは複数の空のタイムスロットをスケジューリングするステップを含む。

第１の局面の実施形態において、上記第２モードは、上記第１のノードから上記第２のノードへの送信をスケジューリングして、上記第１のノードからの送信から上記第２のノードからの送信に切り替えるステップを含み、上記方法はさらに、上記第１のノードからの上記送信から第２のノードからの上記送信に切り替えるときに、１つまたは複数の空のタイムスロットをスケジューリングするステップを含む。

第１の局面の実施形態において、上記第２モードのスケジューリングは、上記伝播時間に等しいタイミングアドバンスで各第２のノードからの上記送信をスケジューリングするステップを含む。

本発明の第２の局面は、タイムスロットでＴＤＭＡベースの通信をスケジューリングするためのネットワークを提供する。上記ネットワークコントローラは、第１の局面のいずれかの実施形態に係るスケジューリングの方法を実行するように構成される。上記ネットワークコントローラは、
スケジューリング対象の通信ノードと通信するための通信インターフェイスと、
通信リンクの伝播時間を取得するための伝播時間取得部と、
取得された伝播時間の差を求めるための差計算部と、
計算された伝播時間の最大差に基づいて動作モードを選択するための動作モード選択部と、
第１モードのスケジューリングに従って上記ＴＤＭＡベースの通信をスケジューリングするための第１モードスケジューリング部と、
第２モードのスケジューリングに従って上記ＴＤＭＡベースの通信をスケジューリングするための第２モードスケジューリング部と、
上記スケジューリングを各スケジューリングされたノードに通知するためのノード通知部とを備える。

アクセスノードと複数のスレーブノードとを備えるワイヤレス通信ネットワークを示す図である。 一実施形態に係るＴＤＭＡスケジューリングを示す図である。 一実施形態に係るＴＤＭＡスケジューリングを示す図である。 一実施形態に係るスケジューリングの方法を示す図である。 本発明のネットワークコントローラの実施形態を示す図である。 コンピュータ読取可能媒体を示す図である。

実施形態の説明
図１は、ワイヤレス通信ネットワーク１を示す図であり、ワイヤレス通信ネットワーク１は、第１のノードまたはアクセスノード２が多数のスレーブノード、すなわち第２のノードまたは制御ノード３と通信する星形構成を有する。一般に、アクセスノード２は、全体制御システムとスレーブノード３との間にアクセスを提供するためにも、全体制御システムに通信可能に接続されているが、このような全体制御システムは、図１には図示されていない。一般に、各制御ノード３は、基礎をなす産業オートメーションプロセスのアクチュエータまたはセンサに接続されており、またはこのようなアクチュエータまたはセンサを備えているが、このような産業プロセスは、図１には図示されていない。ネットワークコントローラ５は、制御ノード３とアクセスノード２との間の通信をスケジューリングするように構成されている。図１の実施形態では、ネットワークコントローラ５は、アクセスノード２に含まれているが、ネットワークコントローラ５は、代替的に別個のユニットであってもよい。スレーブノード３同士を区別するために、これらは、３．１，３．２，３．３，...３．ｎの番号が付けられており、示されている実施形態は、複数のｎ個のスレーブノード３．１～３．ｎを示している。アクセスノード２と各スレーブノード３．１～３．ｎとの間のそれぞれの通信リンク４．１～４．ｎは、点線によって示されている。以下では、これらのスレーブノード３．１～３．ｎのうちのいずれか１つをスレーブノード「３．ｋ」とも称する。

図２および図３は、アクセスノード２と３つのスレーブノード３．１～３．３によって例示される複数のスレーブノード３．１～３．ｎとの間のＴＤＭＡ通信のスケジューリングを示す図である。

図２の下部には、本明細書において使用されるいくつかの概念が示されている。ここでは、データ通信をスケジューリングするためにタイムスロットＴＳが使用される。第２のノード３．ｋからの送信に使用されるタイムスロットＴＳ（ｎｏ １）は、ガード時間ＧＴから開始し、その後に、データの送信、たとえば送信時間ＴＴ中のアップリンクＵＬ送信が続く。タイムスロットＴＳの期間は、送信時間ＴＴ＋ガード時間ＧＴに等しい。アップリンクデータは、第１のノード２に移動し、この移動時間は、伝播時間ＰＴと称される。アップリンクデータは、次のタイムスロットＴＳ（ｎｏ ２）において受信され、この受信は、次のタイムスロットＴＳ（ｎｏ ２）へと伝播時間ＰＴに等しい量を拡張する。ガード時間ＧＴは、伝播時間ＰＴよりも大きく、この場合、受信は、次のアップリンクデータ（破線内のＵＬ ｎｏ ２）が（不図示のさらなる第２のノードから）送信される前に終了する。アップリンクデータの受信は、送信時間ＴＴに等しい、受信時間ＲＴと呼ばれる時間間隔中に受信される。

本発明に従って、タイムスロット内で送信が受信および／または送信されるように通信をスケジューリングすることができる。受信および／または送信が１つのタイムスロットから別のタイムスロットに延在するように通信をスケジューリングすることができる。タイムスロットＴＳは、通常は、図２の下部に見られるようにガード時間ＧＴから開始するが、代替的にタイムスロットをガード時間ＧＴで終了させることも可能である。

図２は、本発明の第１モードに係るスケジューリングを図の上部にさらに示している。この第１モードでは、ガード時間ＧＴは、衝突を回避するために各タイムスロットについて設定される。ＤＬ１，ＤＬ２およびＤＬ３として例示される第１モードのダウンリンク通信は、好ましくは連続的なタイムスロットでスケジューリングされる。また、ＵＬ１，ＵＬ２，ＵＬ３として例示されるアップリンク通信は、好ましくは連続的なタイムスロットでスケジューリングされる。ダウンリンクおよびアップリンクの両方の各送信は、ガード時間の終わりに開始するようにスケジューリングされる。すなわち、各タイムスロットは、ガード時間から開始し、送信は、ガード時間が終了したときに開始するようにスケジューリングされ、その結果、タイムスロットの残りの部分において送信が実行される。分かるように、各送信は、一部が後続のタイムスロットにおいて受信される。この例では、ガード時間ＧＴは、０．３μｓに設定される。各々のそれぞれの第２の（スレーブ）ノード３．１，３．２，３．３と第１の（アクセス）ノード２との間の伝播時間ＰＴ．１，ＰＴ．２，ＰＴ．３は、それぞれ０．４μｓ、０．１μｓおよび０．３μｓである。この第１モードでは、１つまたは複数の伝播時間ＰＴ．ｋがガード時間ＧＴよりも大きいということに注目すべきである。ガード時間は、最大伝播時間と最小伝播時間との間の差よりもわずかに大きく設定されるべきである。また、図２におけるノード３．１とノード２との間の最大伝播時間を有する送信は、ガード時間が終了した後に受信される、ということにも注目すべきである。最大伝播時間ＰＴよりも小さなガード時間ＧＴを使用することは、低レイテンシに寄与する。このようなガード時間の選択により、アップリンク送信同士は分離され、ダウンリンク送信同士は分離され、その結果、アップリンクでもダウンリンクでも衝突が回避される。しかし、アップリンク通信からダウンリンク通信に、またはダウンリンク通信からアップリンク通信に切り替えるときに、たとえばこの切替の前の最後の送信がガード時間よりも大きな伝播時間を有する場合には、空のスロットをスケジューリングすることができる。示されている例において、ＵＬ３の伝播時間（ＰＴ．３＝０．３μｓ）が、例示されているガード時間ＧＴ＞０．３μｓに等しいかまたはそれよりも小さくても、空のスロットが「ＵＬ３」の後にスケジューリングされる。アップリンクとダウンリンクとの間の空のタイムスロットは、レイテンシを増加させるが、この増加は、通信サイクル全体では、特にノードの数が多い場合には、小さいことが多い。アップリンクとダウンリンクとの間に空のタイムスロットが必ずしも必要でなかったとしても、このような空のタイムスロットを含む場合にスケジューリングは容易になる。２つ以上の空のタイムスロットを使用することができる。空のタイムスロットの数は、最大伝播時間などの伝播時間ＰＴ．１～ＰＴ．ｎに基づき得る。スケジューリングは、スケジュールの中で最後の、最も短い、または同等に短い伝播時間を有する第２のノード３．１～３．ｎのうちの１つをスケジューリングするように適合されてもよく、すなわちダウンリンクに切り替える前にアップリンクのうちの最後の１つを送信するように適合されてもよい。このような短い伝播時間を有する第２のノード３．ｋをスケジューリングすることにより、空のスロットの必要性が減少する。

例を挙げると、スレーブノード３．１～３．ｎのグループがアクセスノード２から約１００ｍのところに（互いに比較的接近して）位置する場合、伝播時間ＰＴ．１～ＰＴ．ｎは、０．３μｓ～０．４μｓの間でさまざまであってもよい。ガード時間は、最大差、すなわち０．１μｓに設定することができる。ガード時間を、最大伝播時間（この場合、０．４μｓ）よりも大きくする代わりに、最大差を吸収するよう設定して、最大差（この場合、約０．１μｓ）よりもわずかに大きくなるようにすることによって、ダウンリンクとアップリンクとを切り替えるまたはその逆に切り替えるときに空のスロットが追加されても、レイテンシを低く保つことができる。ノードの数が多い場合、合計サイクル時間の低減は大きい。この例のタイムスロット期間は、最大伝播時間を考慮する代わりに伝播時間の最大差を考慮してガード時間を選択する場合、約０．３μs低くなり、このような５０個のタイムスロットでは、合計サイクル時間は１５μｓ低くなり得る。各送信時間または受信時間が約１μｓであるシステムでは、１５μｓの差はかなり大きい。

スレーブノード３．１～３．ｎおよびアクセスノード２の伝播時間ＰＴ．１～ＰＴ．ｎの最大差ＭＡＸΔが大きくなると、この第１モードでは、当然のことながら、ガード時間も大きくなる。

第２モードは、最大差ＭＡＸΔが大きすぎる、すなわち設定された閾値よりも大きいと判断される場合に本発明に従って選択される。この閾値は、基礎をなす産業プロセスの要件、特にセンサノードからの測定サンプルの周波数に関する要件、またはたとえばモニタリングされた信号に応答するアクチュエータの制御のための要件に従って設定されるべきである。第２モードは、スケジューリングに複雑さを追加するが、レイテンシ全体を低下させ、基礎をなす産業プロセスを考慮して閾値が選択されるべきである。通信システムのノードの数もサイクル時間全体に影響を及ぼし、ノードの数が同等に少ないシステムでは、同等に大きなガード時間を許容することができる。閾値は、好適には、タイムスロットの期間の割合として設定されてもよい。閾値をタイムスロットの割合として設定することによって、閾値は、通信システムにおける他の変更、たとえば基礎をなす産業オートメーションプロセスのサイクル時間によって引き起こされ得るタイムスロットの長さの変更に適合する。閾値の一般的な値は、タイムスロットの１０％～３０％であろう。しかし、上記のように、閾値は、基礎をなす産業オートメーションプロセスに左右され、通信ノードの数が非常に少ない（１０個未満）通信システムまたは通信ノードの数が多い（２００個を超える）通信システムでは、３０％よりも大きな閾値または１０％未満の閾値が非常に適しているであろう。

第２モードでは、通信は、伝播時間ＰＴ．１～ＰＴ．ｎを考慮して、すなわち各スレーブノード３．ｋについてそのそれぞれの伝播時間ＰＴ．ｋを考慮してスケジューリングされる。図３は、第２モードに従ったスケジューリングを示す。

本明細書に記載されている例では、タイムスロットＴＳで送信するようにスケジューリングされるアップリンクＵＬまたはダウンリンクＤＬ通信は、図２の下部において送信時間ＴＴがそうであるように、ガード時間ＧＴが終了すると送信を開始し、タイムスロットＴＳが終了するまで送信するようにスケジューリングされる。

また、これらの例では、ＵＬまたはＤＬ通信は、タイムスロットＴＳで受信するようにスケジューリングされる場合、ガード時間ＧＴが終了すると受信を開始し、タイムスロットＴＳが終了するまで受信するようにスケジューリングされる。第２モードの遅延認識スケジューリングでは、ＵＬ通信の各々は、タイムスロット、すなわちそれぞれのタイムスロット内でアクセスノード２において受信するようにスケジューリングされる。このようなタイムスロット内での受信のスケジューリングでは、通信は、たとえば図３の上部に示されるアップリンク通信ＵＬ１，ＵＬ２，ＵＬ３のように、ガード時間ＧＴの開始前に伝播時間ＰＴに等しい期間を開始するようにスケジューリングされる。図３の下部には、第２モードの遅延認識スケジューリングにおいて使用可能なタイミングアドバンスの概念が示されている。第２のアップリンク「ＵＬ ｎｏ ２」は、ガード時間後の第２のタイムスロット（ＴＳ ｎｏ ２）においてアクセスノード２で受信されるように、第２のタイムスロット（ＴＳ ｎｏ ２）の一定時間前にスレーブノード３．ｋから送信される。この例では、送信時点は、第２のタイムスロット（ＴＳ ｎｏ ２）のガード時間ＧＴの終了の一定時間前に発生し、この一定時間は、通信リンク４．ｋの伝播時間ＰＴに等しい。この時間は、「タイミングアドバンス」ＴＡと称することができる。

ＵＬ通信の遅延認識スケジューリングの場合、ＵＬ通信は、タイムスロットＴＳのガード時間ＧＴ内に、またはタイムスロットＴＳのガード時間ＧＴ前に、すなわち以前のタイムスロットＴＳ中に送信するようにスケジューリングされてもよい。図３の上部に示される第２モードの実施形態においては、各々の第２のノード３．ｋは、受信タイムスロットのガード時間の終了の一定時間前に、すなわち「タイミングアドバンス」ＴＡ．ｋで送信を開始するようにスケジューリングされ、この時間は、対象の第２のノード３．ｋのＵＬ通信の伝播時間ＰＴ．ｋに等しい。

図３に示されるように、通信は、アクセスノード２がタイムスロット内でアップリンクデータ通信を受信してダウンリンクデータ通信を送信するようにスケジューリングされる。第２のノード３．１～３．ｎの各ノード３．ｋは、そのそれぞれの伝播時間ＰＴ．ｋに従ってダウンリンクデータを受信する。したがって、ダウンリンクデータ通信のスケジューリングは、第２のノード３．１～３．ｎについての、好ましくは連続的なそれぞれのタイムスロットで送信を行うようにアクセスノード２をスケジューリングすることを含む。好ましくは、各々の第２のノード３．ｋについてタイムスロットは１つである。また、アップリンクデータ通信のスケジューリングは、伝播時間ＰＴ．ｋに等しいタイミングアドバンスＴＡ．ｋで送信を行うように各々の第２のノード３．ｋをスケジューリングすることを含み、その結果、ＵＬデータは、当該第２のノード３．ｋからのデータ通信の受信に専用のタイムスロットにおいて第１のノード２、すなわちアクセスノード２に到達する。したがって、第２のノード３．１，３．２，３．３は、それぞれのタイミングアドバンスＴＡ．１，ＴＡ．２，ＴＡ．３でアップリンクデータを送信するようにスケジューリングされ、各タイミングアドバンスは、対象の通信リンク４．ｋの対応する伝播時間ＰＴ．１，ＰＴ．２，ＰＴ．３に等しい。

図３の上部における実施形態の伝播遅延認識スケジューリングは、ＤＬ送信からＵＬ送信に切り替えるときに空のスロットを使用することを含む。このような空のスロットの使用は、通信衝突を防止するための好ましい方法であり、その理由は、別のスレーブノード３．ｋがそのＤＬ送信を受信する前にスレーブノード３．ｋがそのＵＬ送信を開始するからである。したがって、第２モードでは、第２のノード３．１～３．ｎは、好ましくは、第２のノードのうちの最後のノードがそのＤＬを受信する前に送信を行うことを許可されるべきではない。最後のＤＬ通信（図３の上部にＤＬ３によって図示）の伝播時間（たとえば、ＰＴ．３）および最初のアップリンク送信（図３の上部にＵＬ１として図示）のタイミングアドバンス（たとえば、ＴＡ．１）を考慮して、２つ以上の空のスロットが使用されてもよい。

この第２モードでは、ガード時間は、同等に低くすることができ、好ましくは第２のノードのそれぞれのクロックに基づいて、すなわちそれぞれの第２のノード３．ｋおよびアクセスノード２の各クロックの同期差を吸収するように設定されるべきである。ガード時間は、ネットワークにおけるノードの同期精度に従って設定されるべきである。同期プロセス自体は、本発明の特徴ではなく、本明細書でさらに説明することはしない。図３の例では、ガード時間は、０．１μｓに設定され、これは、図２の０．３μｓのガード時間未満であり、閾値未満である。したがって、第２の動作モードのガード時間は、伝播時間ＰＴ．１～ＰＴ．ｎにも最大差（ＭＡＸΔ）にも基づかず、その代わりに好ましくはスレーブノード３．１～３．ｎのクロックとアクセスノード２のクロックとの間のそれぞれの同期差に基づく。

図４は、ワイヤード通信およびワイヤレス通信に適用可能なＴＤＭＡ通信をスケジューリングする方法１００を示す図である。この方法は、通信システムにおける各リンク４．１～４．ｎ（図１の例におけるアクセスノード２とスレーブノード３．１～３．ｎとの間のリンクの各リンクなど）のための伝播時間または遅延を取得するステップ１０２から開始する。伝播時間を取得するステップ１０２は、任意の公知の態様で実行することができる。たとえば、
・各ノード３．ｋまたはノード３のうちのいくつかは、ＧＰＳユニットまたは他の位置決定機器を備えており、それらの位置をネットワークコントローラ５に報告してもよく、ネットワークコントローラ５は、位置表示から送信時間を求める
・各ノード３．ｋまたはノード３のうちのいくつかとアクセスノード２との間の距離は、たとえば到達角（ＡｏＡ）、到達時刻（ＴｏＡ）、到達時間差（ＴＤｏＡ）を使用して、ノード間のメッセージに含まれる情報を見ることによって推定することができ、この距離は、ネットワークコントローラ５に報告されて、伝播時間を求めるために使用することができる、または
・アクセスノード２を含む各ノード３．ｋまたはノード３のうちのいくつかの位置は、特に設置後に静止したままであるノードでは、通信ノード３の設置中に求められてもよく、その後、これらの位置は、ネットワークコントローラ５に転送されて、伝播時間を求めるために使用され、またはこれらの位置は、伝播時間を求めるために使用され、その後、ネットワークコントローラ５に報告される。また、伝播時間を取得するステップ１０２は、例示された技術の組み合わせによって実行されてもよい。

続いて、スケジューリング方法１００は、上記伝播時間を比較するステップ１０３を実行する。伝播時間を比較するステップ１０３は、通信リンク４．１～４．ｎの伝播時間の差を求めるステップ１０４を含む。特に、比較するステップ１０３は、ノード３．１～３．ｎのうちのいずれかからアクセスノード２への通信リンク４．１～４．ｎの伝播時間の最大差（ＭＡＸΔ）を求めるステップ１０４を含む。また、スケジューリング方法１００は、２つの伝播時間の最大差（ＭＡＸΔ）が予め定められた閾値よりも小さいか大きいかを判断するステップ１０６を含む。この閾値は、好ましくは、通信によって制御および／またはモニタリングされる基礎をなす産業プロセスを考慮して設定することができる。このような産業プロセスを考慮して、通信サイクルの合計遅延または期間の最大値を使用して、通信において最大のまたはより短い合計遅延を生じさせる閾値を求めることができる。なお、同様の合計遅延を許容する、異なっているが同様の産業プロセスにおける通信のスケジューリングは、ノードの数を考慮して異なる閾値を使用してもよい。なぜなら、ノードの数は、通信サイクルの全長に影響を及ぼすからである。

閾値との比較に基づいて、方法１００は、さまざまなスケジューリングモードを適用する。最大差ＭＡＸΔが閾値よりも小さい場合、通信は、特に送信時間の差によって衝突を回避するためのガード時間を利用して、送信時間の最大差に従ってスケジューリングされる（１０８）（第１モード）。ガード時間を利用するスケジューリング（１０８）は、好ましくは、連続的な送信の間のガード時間を、最大差ＭＡＸΔを吸収するのに十分なほどに大きくなるように設定するステップ（１０９）を含む。したがって、ガード時間は、好ましくは、求められた最大差にまたはわずかに大きくなるように設定されるべきである。そして、閾値は、最大許容可能伝播遅延差を規定する。

代替的に、この第１モードでは、ガード時間は閾値に等しくてもよい。このようなスケジューリングは、ガード時間を設定するステップ（１０９）を回避することによって複雑さが減少するが、遅延は、必要以上に長くなることが多い。

最大差（ＭＡＸΔ）が閾値よりも大きい場合、スケジューリング方法は、別の（第２の）制御モード（１１０，１１２，１１４）を選択する。第２の制御モード（１１０，１１２，１１４）は、伝播遅延認識制御モードであり、求められた伝播時間ＰＴ．１～ＰＴ．ｎに従って送信をスケジューリングするステップ１１０を含む。連続的な送信の間のガード時間は、好ましくは、閾値よりもはるかに小さいであろう小さな値に設定される（１１２）。なぜなら、このスケジューリングモードでは伝播遅延に対処するからである。この第２モードの示されている実施形態では、連続的なタイムスロットにおいてアクセスノード２に到達するように、アップリンクにおける送信がタイミングアドバンスでスケジューリングされ（１１４）、全てのアップリンク送信は、異なるタイムスロットにおいて到達するようにスケジューリングされる。好ましくは、各アップリンク送信は、取得された（１０２）伝播遅延に基づいて、当該リンクの伝播時間に等しいタイミングアドバンスでスケジューリングされる。

制御モードが決定されて、アップリンク送信およびダウンリンク送信の両方のスケジュールが計算されると、ネットワークコントローラ５は、スケジューリングをノード３．１～３．ｎに通知する（１１６）。これは、たとえば通信サイクルの最初にアクセスノード２によって送信されるブロードキャストビーコンフレームを介してなされることができる。

この方法は、スケジュールが更新される（１２２）ように繰り返されることができる。たとえば、この方法は、一定回数の通信サイクル後または一定時間後など、定期的に繰り返されることができる。代替的にまたは加えて、通信インターフェイスは、モニタリングされることができ、伝播時間が予め定められた量以上変化すると、ネットワークコントローラ５は、スケジュールを更新する（１２２）。したがって、スケジュールの更新（１２２）は、定期的にまたは無線通信インターフェイスの変化を考慮して行われてもよい。この目的のために、ステップ１０２～１１６は繰り返され、新たなスケジュールが作成されてノード３．１～３．ｎに配信される。

図５は、図４に例示されている本発明に係るスケジューリングの方法を実行するように構成されたネットワークコントローラ５の一例を示す図である。ネットワークコントローラ５は、アクセスノード２の一体部分として示されているが、独立したユニットであってもよい。ネットワークコントローラ５は、本明細書に記載されているスケジューリング方法を実行するように構成された機能ブロックによって示されるハードウェアおよびソフトウェアを備えている。この目的のために、ネットワークコントローラ５は、スレーブノード３．１～３．ｎとのワイヤレス通信のために構成された通信インターフェイス５１を備えており、さらなる制御システム（図示せず）とのワイヤードまたはワイヤレス通信のための回路も含んでもよい。ネットワークコントローラは、第２のノード３．１～３．ｎの各通信リンク４．１～４．ｎの伝播時間ＰＴ．１～ＰＴ．ｎを取得して、各々の第２のノード３．ｋに通信スケジュールを通信するための通信インターフェイスを使用するように構成される。ネットワークコントローラ５は、スケジューリング方法１００における伝播時間を取得するプロセス１０２に対応する伝播時間取得部５２を備えており、伝播時間取得部５２は、上記通信インターフェイス５１を使用して上記伝播時間を取得するように構成されている。ネットワークコントローラはさらに、通信システムのタイムスロットのガード時間ＧＴおよびそれぞれのタイミングアドバンスＴＡ．ｋを通知することを含む、第２のノード３．ｋのスケジューリングを各々の第２のノード３．１～３．ｎに通知するように構成されたノード通知部６６を備えている。

ネットワークコントローラ５はさらに、第２のノード３．１～３．ｎの間の伝播時間ＰＴ．１～ＰＴ．ｎの最大差を求めるように構成された差計算部５４を備えており、差計算部５４は、スケジューリング方法１００における最大伝播遅延差を求めるステップ１０４を実行するように構成されている。

ネットワークコントローラ５はさらに、求められた最大差ＭＡＸΔに基づいて動作モードを選択するように構成されたモード選択部５６を備えている。ネットワークコントローラ５は、モード選択部によって最大差が閾値よりも大きいか小さいかを判断するステップ１０６を実行して、最大差ＭＡＸΔが大きい場合には第１モードを選択し、最大差ＭＡＸΔが小さい場合には第２モードを選択するように構成されている。

ネットワークコントローラ５は、第１モード（１０８，１０９）を実行するための回路（５８，５９）と、第２モード（１１０，１１２，１１４）を実行するための回路（６０，６２，６４）とを備えている。

ネットワークコントローラ５は、アクセスノード２と第２のノード３．１～３．ｎとの間の通信をスケジューリングするための第１モードスケジューリング部５８を備えており、第１モードスケジューリング部５８は、最大差ＭＡＸΔに基づいて通信をスケジューリングするように構成されている。第１モードスケジューリング部５８は、好ましくは、最大差ＭＡＸΔに基づいてタイムスロットのガード時間を設定し、特に最大差ＭＡＸΔを吸収するのに十分なほどに大きくタイムスロットのガード時間を設定するガード時間設定部５９を含む。

ネットワークコントローラ５は、アクセスノード２と第２のノード３．１～３．ｎとの間の通信をスケジューリングするための第２モードスケジューリング部６０を備えており、第２モードスケジューリング部６０は、伝播時間ＰＴ．１～ＰＴ．ｎに基づいて通信をスケジューリングするように構成されている。通信は、各タイムスロットにおいてアクセスノード２で受信および送信を行うようにスケジューリングされる。特に、第２モードスケジューリング部６０は、対象の第２のノード３．ｋの伝播時間４．ｋに等しいタイミングアドバンスＴＡ．ｋで各々の第２のノード３．ｋをスケジューリングするように構成されたノードスケジューリング部６４を備える。また、好ましくは、第２モードスケジューリング部６０は、通信タイムスロットのガード時間を設定するように構成されたガード時間設定部６２を備えており、このガード時間は、モード選択部５６によるモード選択１０６に使用される閾値よりも小さな値に設定される。

図６は、コンピュータ読取可能光媒体９０を示す図である。図４の方法は、命令を備えるコンピュータプログラム９１（ソフトウェア）として実現されてもよく、これらの命令は、プログラムがプログラム可能なコンピュータによって実行されると、コンピュータにこれらの方法のうちのいずれかを実行させる。特に、これらの命令は、タイムスロット（ＴＳ）でＴＤＭＡベースの通信をスケジューリングするためのネットワークコントローラ５に図４の方法を実行させるようなものであってもよく、ネットワークコントローラ５は、以下を備える。

・スケジューリング対象の通信ノード２，３．１～３．ｎと通信するための通信インターフェイス５１
・通信リンク４．１～４．ｎの伝播時間を取得するための伝播時間取得部（５２）
・取得された伝播時間の差を求めるための差計算部５４
・計算された伝播時間の最大差に基づいて動作モードを選択するための動作モード選択部５６
・第１モードのスケジューリングに従ってＴＤＭＡベースの通信をスケジューリングするための第１モードスケジューリング部５８
・第２モードのスケジューリングに従ってＴＤＭＡベースの通信をスケジューリングするための第２モードスケジューリング部６０
・スケジューリングを各スケジューリングされたノード２，３．１～３．ｎに通知するためのノード通知部６６。

コンピュータプログラム９１は、図６に示されるもののようなコンピュータ読取可能媒体９０上に格納または配信されてもよい。さらなるコンピュータ読取可能媒体は、ランダムアクセスメモリ、磁気、光またはソリッドステートメモリ、固定式および可動式メモリドライブなどの不揮発性媒体（永久および非永久記憶装置）および揮発性媒体を含む。コンピュータ読取可能媒体はさらに、ストレージメディアを含む非一時的な媒体、および、変調された電磁波または光波搬送情報などの一時的な媒体として体系化されてもよい。

図面を参照しながら実施形態において本発明について説明してきた。これらの実施形態において、本発明は、それぞれの通信リンク４．１～４．ｎによる第１のノード２と複数の第２のノード３．１～３．ｎとの間のＴＤＭＡベースの通信システム１におけるスケジューリングの方法を提供する。また、本発明は、これらの実施形態においてスケージューリングの方法を実行するためのネットワークコントローラについても説明している。この方法は、各通信リンク（４．１～４．ｎ）のための伝播時間（ＰＴ．１～ＰＴ．ｎ）を取得するステップ（１０２）と、２つの通信リンク（４．１～４．ｎ）の伝播時間（ＰＴ．１～ＰＴ．ｎ）の最大差（ＭＡＸΔ）を求めるステップ（１０４）とを備える。この方法はさらに、最大差（ＭＡＸΔ）が閾値よりも小さい場合、第１モードのスケジューリング（１０８，１０９）を選択するステップと、最大差（ＭＡＸΔ）が閾値よりも大きい場合、第２モードのスケジューリング（１１０，１１２，１１４）を選択するステップとを備える。第１モード（１０８～１０９）は、タイムスロット（ＴＳ）のガード時間（ＧＴ）を選択するステップ（１０９）を含み、ガード時間（ＧＴ）は、最大差（ＭＡＸΔ）に基づく。第２モードのスケジューリング（１１０，１１２，１１４）は、伝播遅延認識的であり、それぞれの伝播時間（ＰＴ．ｋ）に基づいて各第２のノード（３．ｋ）からの送信をスケジューリングするステップ（１１０）を含む。

しかし、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で当業者によって変更されてもよい。

参照文献
Ｅ１：Chen, X. et al. LDMAC: A propagation delay-aware MAC scheme for long-distance UAV networks. Computer Networks, Volume 144, 24 October 2018, Pages 40-52（チェン，Ｘ等、「ＬＤＭＡＣ：長距離ＵＡＶネットワークのための伝播遅延認識ＭＡＣスキーム」、コンピュータネットワーク、第１４４巻、２０１８年１０月２４日、第４０～５２頁）
Ｅ２：ＵＳ８，０８６，２４９ Ｂ１

Claims (7)

1. ＴＤＭＡベースの通信システム（１）におけるスケジューリングの方法であって、前記通信システム（１）では、第１のノード（２）が複数の第２のノード（３．１～３．ｎ）と、各第２のノード（３．ｋ）のそれぞれの通信リンク（４．ｋ）を使用して通信し、前記方法は、複数のタイムスロット（ＴＳ）に前記通信をスケジューリングすることを含み、前記方法はさらに、ネットワークコントローラ（５）が、
   各通信リンク（４．１～４．ｎ）のための伝播時間（ＰＴ．１～ＰＴ．ｎ）を取得するステップ（１０２）と、
   ２つの通信リンク（４．１～４．ｎ）の伝播時間（ＰＴ．１～ＰＴ．ｎ）の最大差（ＭＡＸΔ）を求めるステップ（１０４）と、
   前記最大差（ＭＡＸΔ）と閾値とを比較するステップ（１０６）と、
   前記最大差（ＭＡＸΔ）が前記閾値よりも小さい場合、第１モードのスケジューリング（１０８～１０９）を使用するステップと、
   前記最大差（ＭＡＸΔ）が前記閾値よりも大きい場合、第２モードのスケジューリング（１１０，１１２，１１４）を使用するステップとを備え、
   前記第１モードのスケジューリング（１０８～１０９）は、
   前記タイムスロット（ＴＳ）の各々に適用されるガード時間（ＧＴ）を選択するステップ（１０９）を含み、前記ガード時間（ＧＴ）は、前記最大差（ＭＡＸΔ）に基づき、
   前記タイムスロット（ＴＳ）のうちのそれぞれのタイムスロット内で送信を行うように各第２のノード（３．１～３．ｎ）をスケジューリングするステップ（１０８）を含み、
   前記第２モードのスケジューリング（１１０，１１２，１１４）は、
   前記タイムスロット（ＴＳ）のうちのそれぞれのタイムスロット内で前記第１のノード（２）に到達するように各第２のノード（３．ｋ）からの前記送信をスケジューリングするステップ（１１０）を含み、各第２のノード（３．ｋ）の前記送信をスケジューリングするステップ（１１０）は、前記第２のノード（３．ｋ）の前記通信リンク（４．ｋ）の前記それぞれの伝播時間（ＰＴ．ｋ）に基づく、方法。
2. 前記第１モードのスケジューリング（１１０，１１２，１１４）はさらに、前記第１のノード（２）から前記第２のノード（３．１～３．ｎ）への送信をスケジューリングして、前記第２のノード（３．１～３．ｎ）からの送信を前記第１のノード（２）からの送信へと切り替えるステップを含み、前記方法はさらに、前記第２のノード（３．１～３．ｎ）からの前記送信を前記第１のノード（２）からの前記送信へと切り替えるときに、１つまたは複数の空のタイムスロット（ＴＳ）をスケジューリングするステップを含む、請求項１に記載のスケジューリングの方法。
3. 前記第２モードのスケジューリング（１１０，１１２，１１４）はさらに、前記第１のノード（２）から前記第２のノード（３．１～３．ｎ）への送信をスケジューリングして、前記第１のノード（２）からの送信を前記第２のノード（３．１～３．ｎ）からの送信へと切り替えるステップを含み、前記方法はさらに、前記第１のノード（２）からの前記送信を第２のノード（３．１～３．ｎ）からの前記送信へと切り替えるときに、１つまたは複数の空のタイムスロット（ＴＳ）をスケジューリングするステップを含む、請求項１または請求項２に記載のスケジューリングの方法。
4. 第２モードのスケジューリング（１１０，１１２，１１４）は、前記伝播時間（ＰＴ．ｋ）に等しいタイミングアドバンス（ＴＡ．ｋ）で各第２のノード（３．ｋ）からの前記送信をスケジューリングするステップ（１１０）を含む、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のスケジューリングの方法。
5. 複数のタイムスロット（ＴＳ）にＴＤＭＡベースの通信をスケジューリングするためのネットワークコントローラ（５）であって、スケジューリング対象の通信ノード（２，３．１～３．ｎ）と通信するための通信インターフェイス（５１）と、通信リンク（４．１～４．ｎ）の伝播時間を取得するための伝播時間取得部（５２）と、取得された伝播時間の差を求めるための差計算部（５４）と、計算された伝播時間の最大差に基づいて動作モードを選択するための動作モード選択部（５６）と、第１モードのスケジューリングに従って前記ＴＤＭＡベースの通信をスケジューリングするための第１モードスケジューリング部（５８）と、第２モードのスケジューリングに従って前記ＴＤＭＡベースの通信をスケジューリングするための第２モードスケジューリング部（６０）と、前記スケジューリングを各スケジューリングされたノード（２，３．１～３．ｎ）に通知するためのノード通知部（６６）とを備え、前記ネットワークコントローラ（５）は、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のスケジューリングの方法を実行するように構成される、ネットワークコントローラ（５）。
6. 命令を備えるコンピュータプログラムであって、前記命令は、前記プログラムがコンピュータによって実行されると、前記コンピュータに請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の通信方法を実行させる、コンピュータプログラム。
7. 請求項６に記載のコンピュータプログラムを格納するコンピュータ読取可能媒体。

Images