JP6223605B2 - 無線通信装置、無線通信システムおよび無線通信方法 - Google Patents

Description

本発明は、産業用ネットワークで使用する無線通信装置、無線通信システムおよび無線通信方法に関する。

従来、産業用ネットワークにおいて、フィールドネットワークでは、コントローラがマスタ機器となり、各種のＩＯ（Input Output）機器、測定器がスレーブ機器となり、１対多で接続されている。マスタ機器と複数のスレーブ機器間では、あらかじめ設定された時間間隔でサイクリック通信が行われる。このような技術が下記非特許文献１において開示されている。さらに、モーション制御ネットワークでは、複数のモータを駆動して動作させるため、より高精度なタイミング同期が求められている。

定周期通信を前提とした既存の産業用ネットワークにおいて、無線機を外部に接続することで既存の産業用機器を変更せず利用出来れば、敷設コスト、配線コストを低減することが可能である。

しかしながら、産業用ネットワークに使用される産業用機器には、電源、ファン、モータなどを備えるものがあり、電源、ファン、モータなどに起因する一定周期の雑音が生じることが一般的に知られている。下記非特許文献２では、周期性雑音が無線機に与える影響に関して論じられている。周期性雑音の存在する環境下で定周期の無線通信と周期性雑音の各周期の関係が整数倍に近い場合、一定時間、特定のフレーム、例えば、同期用フレーム、特定端末からの通信フレームが連続して欠落する可能性がある。

エアコンのファンを駆動するモータに起因した周期性雑音による通信阻害を低減するため、下記特許文献１では、路車間通信または車車間通信を行う場合、通信機が、パケットを送信する毎にパケット送信周期をランダムに変更する技術が開示されている。通信機は、１つのパケットを送信する毎に乱数を発生させ、乱数の値に基づいて次のパケットを送信するまでのパケット送信周期を決定する。

特開２０１１−１８８２７３号公報

内藤辰彦，渡辺紀著「産業用イーサネット（登録商標）入門」ＣＱ出版社 ２００９年５月 Blankenship,T.K.;Kriztman,D.M.;Rappaport,T.S."Measurements and simulation of radio frequency impulsive noise in hospitals and clinics"Vehicular Technology Conference,1997,IEEE 47th Volume:3

しかしながら、上記特許文献１の技術によれば、送信するパケットは報知情報であり、乱数を発生して送信タイミングを変更することは各端末側が自由に決めている。そのため、協調動作を前提とした定周期通信の無線化に適用した場合、各端末が送信タイミングをランダム化すると、受信側での周期性が崩れて再生タイミングが崩れる、また、無線区間で衝突が発生する、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、無線通信による定周期通信において周期性雑音の影響を低減可能な無線通信装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、無線子局と無線通信を行う無線親局である無線通信装置であって、入力された信号に対して伝送周期毎にランダムに遅延時間を設定する遅延制御手段と、前記遅延時間に基づいて前記信号を遅延させて前記無線子局へ送信する無線送信手段と、を備え、前記無線送信手段は、入力された前記信号のうち、前記伝送周期の起点となる信号に前記遅延時間の情報を格納して前記無線子局へ送信する、ことを特徴とする。

本発明によれば、無線通信による定周期通信において周期性雑音の影響を低減できる、という効果を奏する。

実施の形態１にかかる無線通信システムを含む産業用ネットワークの構成例を示す図 従来の産業用ネットワークの構成例を示す図 実施の形態１にかかる無線マスタ装置および無線スレーブ装置の構成例を示す図 実施の形態１にかかる無線通信システムを含む産業用ネットワーク内の各装置における信号の送受信のタイミングを示す図 実施の形態１にかかる無線通信システムにおいて無線信号を送受信する各装置の動作を示すフローチャート 実施の形態２にかかる無線通信システムを含む産業用ネットワーク内の各装置における信号の送受信のタイミングを示す図 実施の形態３にかかる無線通信システムを含む産業用ネットワーク内の各装置における信号の送受信のタイミングを示す図 実施の形態４にかかる無線通信システムを含む産業用ネットワーク内の各装置における信号の送受信のタイミングを示す図 実施の形態１から４の無線マスタ装置の処理回路を専用のハードウェアで構成する場合の例を示す図 実施の形態１から４の無線マスタ装置の処理回路をＣＰＵおよびメモリで構成する場合の例を示す図

以下に、本発明の実施の形態にかかる無線通信装置、無線通信システムおよび無線通信方法を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる無線通信システムを含む産業用ネットワークの構成例を示す図である。産業用ネットワークは、産業用ネットワークのコントローラである産業用マスタ機器Ｎ１と、産業用ネットワークにおける各種のＩＯ機器、測定器などである産業用スレーブ機器Ｎ１０１，Ｎ１０２，Ｎ１０３，…，Ｎ１００＋ｍと、産業用マスタ機器Ｎ１と有線接続して産業用スレーブ機器Ｎ１０１，Ｎ１０２，Ｎ１０３，…，Ｎ１００＋ｍ側と無線通信を行う無線親局となる無線通信装置である無線マスタ装置Ｎ２０１と、産業用スレーブ機器Ｎ１０１，Ｎ１０２，Ｎ１０３，…，Ｎ１００＋ｍと１対１で有線接続して産業用マスタ機器Ｎ１側と無線通信を行う無線子局となる無線通信装置である無線スレーブ装置Ｎ３０１，Ｎ３０２，Ｎ３０３，…，Ｎ３００＋ｍと、を備える。

本発明の実施の形態にかかる無線通信システムは、無線マスタ装置Ｎ２０１、および無線スレーブ装置Ｎ３０１，Ｎ３０２，Ｎ３０３，…，Ｎ３００＋ｍで構成される。無線通信システムでは、１個の産業用マスタ機器Ｎ１に接続される無線マスタ装置Ｎ２０１と、ｍ個ある産業用スレーブ機器Ｎ１０１，Ｎ１０２，Ｎ１０３，…，Ｎ１００＋ｍに接続される無線スレーブ装置Ｎ３０１，Ｎ３０２，Ｎ３０３，…，Ｎ３００＋ｍとの間で、従来の定周期で行われる制御通信を無線通信によって行う。

図２は、従来の産業用ネットワークの構成例を示す図である。産業用マスタ機器Ｎ１と、産業用スレーブ機器Ｎ１０１，Ｎ１０２，Ｎ１０３，…，Ｎ１００＋ｍとが、定周期で行われる制御通信の間で相互に連携して動作を行っている。ここでは、接続トポロジーがデイジーチェーンであるが、一例であり、スター、バス、リングの構成でもよい。図１に示すように、本発明の実施の形態で適用される無線化後の無線通信システムでのトポロジーはツリー型とするが、これに限定するものではない。

つづいて、無線マスタ装置Ｎ２０１および無線スレーブ装置Ｎ３０１，Ｎ３０２，Ｎ３０３，…，Ｎ３００＋ｍの構成について説明する。図３は、本発明の実施の形態１にかかる無線マスタ装置Ｎ２０１および無線スレーブ装置Ｎ３０１の構成例を示す図である。無線スレーブ装置Ｎ３０１，Ｎ３０２，Ｎ３０３，…，Ｎ３００＋ｍは同様の構成のため、ここでは、無線スレーブ装置Ｎ３０１を用いて説明する。

産業用ネットワークにおいて、産業用マスタ機器Ｎ１と無線マスタ装置Ｎ２０１との間の有線接続されている区間を有線区間Ｓ１とする。また、無線マスタ装置Ｎ２０１と無線スレーブ装置Ｎ３０１，Ｎ３０２，Ｎ３０３，…，Ｎ３００＋ｍとの間の無線接続されている区間を無線区間Ｓ２とする。また、無線スレーブ装置Ｎ３０１，Ｎ３０２，Ｎ３０３，…，Ｎ３００＋ｍと産業用スレーブ機器Ｎ１０１，Ｎ１０２，Ｎ１０３，…，Ｎ１００＋ｍとの間の有線接続されている区間を有線区間Ｓ３とする。

無線マスタ装置Ｎ２０１は、産業用マスタ機器Ｎ１との間で、従来の産業用ネットワークにおける定周期通信の信号を有線区間Ｓ１で送受信する有線通信部１１と、無線スレーブ装置Ｎ３０１〜Ｎ３００＋ｍとの間で、無線区間Ｓ２で無線信号の送受信を行う無線通信部１２と、を備える。無線通信部１２は、有線通信部１１から入力された産業用マスタ機器Ｎ１からの信号を無線信号にして、無線区間Ｓ２経由で無線スレーブ装置Ｎ３０１〜Ｎ３００＋ｍへ送信する無線送信手段である無線送信部１３と、無線区間Ｓ２経由で無線スレーブ装置Ｎ３０１〜Ｎ３００＋ｍから受信した無線信号を、有線通信部１１へ出力する無線受信部１５と、を備える。また、無線送信部１３は、無線区間Ｓ２経由で無線スレーブ装置Ｎ３０１〜Ｎ３００＋ｍへ無線信号を送信する場合に、伝送周期毎に無線信号にランダムに遅延時間を設定し、無線信号の送信タイミングを遅延させる制御を行う遅延制御手段である遅延制御部１４を備える。なお、遅延制御部１４については、無線送信部１３と独立の構成にし、無線送信部１３の外部にあってもよい。

無線スレーブ装置Ｎ３０１は、産業用スレーブ機器Ｎ１０１との間で、従来の産業用ネットワークにおける定周期通信の信号を有線区間Ｓ３で送受信する通信手段である有線通信部２１と、無線マスタ装置Ｎ２０１との間で、無線区間Ｓ２で無線信号の送受信を行う無線通信部２２と、を備える。無線通信部２２は、有線通信部２１から入力された産業用スレーブ機器Ｎ１０１からの信号を無線信号にして、無線区間Ｓ２経由で無線マスタ装置Ｎ２０１へ送信する無線送信部２３と、無線区間Ｓ２経由で無線マスタ装置Ｎ２０１から受信した無線信号を、有線通信部２１へ出力する無線受信部２５と、を備える。また、無線受信部２５は、伝送周期毎に送信タイミングがランダムに遅延された無線信号から取得した遅延情報に基づいて、無線マスタ装置Ｎ２０１から受信した信号を有線区間Ｓ３経由で産業用スレーブ機器Ｎ１０１へ送信するタイミングを制御する送信タイミング設定手段である送信タイミング制御部２６を備える。なお、送信タイミング制御部２６については、無線受信部２５と独立の構成にし、無線受信部２５の外部にあってもよい。

つづいて、産業用ネットワーク内の各装置によって行われる信号を送受信する動作について説明する。図４は、本発明の実施の形態１にかかる無線通信システムを含む産業用ネットワーク内の各装置における信号の送受信のタイミングを示す図である。ここでは、一例として、産業用マスタ機器Ｎ１、無線マスタ装置Ｎ２０１、無線スレーブ装置Ｎ３０１〜Ｎ３０３、産業用スレーブ機器Ｎ１０１〜Ｎ１０３を用いて説明する。なお、無線スレーブ装置および産業用スレーブ機器の数は３つに限定するものではなく、１つまたは複数の場合において同様の効果を得ることができる。また、産業用ネットワークの構成は図４に示すものに限定するものではなく、他の産業用ネットワークの形態に適用することも可能である。

図４において、ＳＹＮＣは、産業用マスタ機器Ｎ１が、各伝送周期の最初に産業用スレーブ機器Ｎ１０１〜Ｎ１０３へ共通に送信する、伝送周期の起点となる制御用の信号である。産業用スレーブ機器Ｎ１０１〜Ｎ１０３は、ＳＹＮＣを受信しても応答信号は送信しない。また、ＣＭＤ＃１は、産業用マスタ機器Ｎ１が、各伝送周期において産業用スレーブ機器Ｎ１０１へ送信する制御用の信号である。産業用スレーブ機器Ｎ１０１は、ＣＭＤ＃１を受信すると応答信号であるＲＳＰ＃１を産業用マスタ機器Ｎ１へ送信する。同様に、ＣＭＤ＃２は、産業用マスタ機器Ｎ１が、各伝送周期において産業用スレーブ機器Ｎ１０２へ送信する制御用の信号である。産業用スレーブ機器Ｎ１０２は、ＣＭＤ＃２を受信すると応答信号であるＲＳＰ＃２を産業用マスタ機器Ｎ１へ送信する。同様に、ＣＭＤ＃３は、産業用マスタ機器Ｎ１が、各伝送周期において産業用スレーブ機器Ｎ１０３へ送信する制御用の信号である。産業用スレーブ機器Ｎ１０３は、ＣＭＤ＃３を受信すると応答信号であるＲＳＰ＃３を産業用マスタ機器Ｎ１へ送信する。ＳＹＮＣ、ＣＭＤ＃１〜＃３、ＲＳＰ＃１〜＃３の各信号は、従来の産業用ネットワークで使用されている信号と同様のものである。

図５は、本発明の実施の形態１にかかる無線通信システムにおいて無線信号を送受信する各装置の動作を示すフローチャートである。

まず、無線マスタ装置Ｎ２０１では、有線通信部１１が、有線区間Ｓ１にて産業用マスタ機器Ｎ１から産業用スレーブ機器Ｎ１０１〜Ｎ１０３への送信信号であるＳＹＮＣを受信すると（ステップＳＴ１：ＳＹＮＣ）、遅延制御部１４が、ＳＹＮＣに対して遅延時間Δｔ（ｎ）を設定する（ステップＳＴ２）。遅延制御部１４は、産業用スレーブ機器Ｎ１０１〜Ｎ１０３へ送信するＳＹＮＣが各伝送周期において周期的にならないように、すなわち、無線区間Ｓ２でのＳＹＮＣの送信間隔が一定にならないように、遅延設定の可能な上限値である最大遅延時間内において、伝送周期毎にランダムにＳＹＮＣに対して遅延時間Δｔ（ｎ）を設定する。遅延制御部１４において、ランダムに遅延時間Δｔ（ｎ）を設定する方法としては、乱数を用いる方法があるがこれに限定するものではなく、他の方法を用いてもよい。

無線送信部１３は、ＳＹＮＣのフレーム内に遅延制御部１４で設定された遅延時間Δｔ（ｎ）の情報を格納し（ステップＳＴ３）、遅延時間Δｔ（ｎ）だけＳＹＮＣの送信タイミングを遅延させて、無線区間Ｓ２経由で無線スレーブ装置Ｎ３０１〜Ｎ３０３へＳＹＮＣを送信する（ステップＳＴ４）。無線送信部１３から無線スレーブ装置Ｎ３０１〜Ｎ３０３へ送信されるＳＹＮＣは無線信号である。

無線スレーブ装置Ｎ３０１〜Ｎ３０３では、無線受信部２５が、無線区間Ｓ２経由で無線マスタ装置Ｎ２０１からＳＹＮＣを受信すると（ステップＳＴ５）、ＳＹＮＣに格納されている遅延時間Δｔ（ｎ）の情報を抽出する（ステップＳＴ６）。

無線スレーブ装置Ｎ３０１〜Ｎ３０３では、送信タイミング制御部２６が、遅延時間Δｔ（ｎ）の情報から有線区間Ｓ１における現在の伝送周期での遅延時間を再生し、有線通信部２１から有線区間Ｓ３を経由して自装置と接続する産業用スレーブ機器Ｎ１０１〜Ｎ１０３へ送信するＳＹＮＣの送信タイミングを設定する（ステップＳＴ７）。無線スレーブ装置Ｎ３０１〜Ｎ３０３の送信タイミング制御部２６は、例えば、無線マスタ装置Ｎ２０１で遅延時間Δｔ（ｎ）だけ遅延されたＳＹＮＣを、さらに、「最大遅延時間−遅延時間Δｔ（ｎ）」だけ遅延、すなわち、産業用マスタ機器Ｎ１の送信時から最大遅延時間だけ遅延させた送信タイミングを設定する。なお、送信タイミング制御部２６では、「最大遅延時間−遅延時間Δｔ（ｎ）」以外の方法で送信タイミングを設定してもよい。

無線スレーブ装置Ｎ３０１〜Ｎ３０３の有線通信部２１は、送信タイミング制御部２６で設定された送信タイミングで、有線区間Ｓ３経由で自装置と接続する産業用スレーブ機器Ｎ１０１〜Ｎ１０３へＳＹＮＣを送信する（ステップＳＴ８）。

無線通信システムでは、無線マスタ装置Ｎ２０１が、無線区間Ｓ２において伝送周期毎にランダムに遅延時間Δｔ（ｎ）を設定することで、伝送周期毎に異なる送信タイミングでＳＹＮＣを無線スレーブ装置Ｎ３０１〜Ｎ３０３へ送信する。一方で、無線スレーブ装置Ｎ３０１〜Ｎ３０３は、さらに最大遅延時間を用いてＳＹＮＣの送信タイミングを設定することで、産業用マスタ機器Ｎ１がＳＹＮＣを送信した伝送周期の起点に対して、常に同じ時間、ここでは最大遅延時間だけ遅延された状態で、ＳＹＮＣを産業用スレーブ機器Ｎ１０１〜Ｎ１０３へ送信する。これにより、産業用スレーブ機器Ｎ１０１〜Ｎ１０３では、各伝送周期において同じタイミング、すなわち、一定の受信間隔でＳＹＮＣを受信することができる。産業用スレーブ機器Ｎ１０１〜Ｎ１０３でのＳＹＮＣの受信間隔は、産業用マスタ機器Ｎ１でのＳＹＮＣの送信間隔と同じである。

つぎに、無線マスタ装置Ｎ２０１では、有線通信部１１が、有線区間Ｓ１にて産業用マスタ機器Ｎ１から産業用スレーブ機器Ｎ１０１への送信信号であるＣＭＤ＃１のフレームを受信すると（ステップＳＴ１：ＣＭＤ）、遅延制御部１４が、遅延時間Δｔ（ｎ）だけ遅延されたＳＹＮＣを基準にして、遅延時間Δｔ（ｎ）に基づいてＣＭＤ＃１への遅延時間Δｔ´（ｎ）を設定する（ステップＳＴ９）。遅延制御部１４は、ＣＭＤ＃１への遅延時間Δｔ´（ｎ）について、ＳＹＮＣへの遅延時間Δｔ（ｎ）と同一で設定してもよく、ＳＹＮＣへの遅延時間Δｔ（ｎ）と異なるように設定してもよい。遅延制御部１４は、例えば、遅延時間Δｔ（ｎ）に対して規定の係数を乗算した値を遅延時間Δｔ´（ｎ）にしてもよいが、これに限定するものではない。

ただし、遅延制御部１４は、産業用スレーブ機器Ｎ１０１へのＣＭＤ＃１の遅延時間Δｔ´（ｎ）、後述する産業用スレーブ機器Ｎ１０２へのＣＤＭ＃２の遅延時間Δｔ´（ｎ）、後述する産業用スレーブ機器Ｎ１０３へのＣＤＭ＃３の遅延時間Δｔ´（ｎ）を共通にすることで、制御が煩雑になることを防止することができる。ここでは、遅延制御部１４は、ＣＤＭ＃１〜＃３で同じ遅延時間Δｔ´（ｎ）を設定する。

無線送信部１３は、遅延制御部１４で設定された遅延時間Δｔ´（ｎ）だけＣＭＤ＃１の送信タイミングを遅延させて、無線区間Ｓ２経由で無線スレーブ装置Ｎ３０１へＣＭＤ＃１を送信する（ステップＳＴ１０）。

無線スレーブ装置Ｎ３０１では、無線受信部２５が、無線区間Ｓ２経由で無線マスタ装置Ｎ２０１からＣＭＤ＃１を受信すると（ステップＳＴ１１）、送信タイミング制御部２６が、ＳＹＮＣに格納されていた遅延時間Δｔ（ｎ）の情報に基づいて、ＣＭＤ＃１を産業用スレーブ機器Ｎ１０１へ送信する送信タイミングを設定し（ステップＳＴ１２）、ＣＭＤ＃１の送信タイミングを制御する。送信タイミング制御部２６は、例えば、遅延時間Δｔ（ｎ）の情報を用いて、ＳＹＮＣのときと同じ遅延時間とする送信タイミングを設定してもよく、また、無線マスタ装置Ｎ２０１の遅延制御部１４と同様、遅延時間Δｔ（ｎ）に対して規定の係数を乗算した値だけ遅延させる送信タイミングを設定してもよいが、これに限定するものではない。一例として、送信タイミング制御部２６は、無線マスタ装置Ｎ２０１の遅延制御部１４と同様の方法で遅延させる送信タイミングを設定する。

ここでは、無線スレーブ装置Ｎ３０１の送信タイミング制御部２６が、遅延時間Δｔ（ｎ）に基づいてＣＭＤ＃１の送信タイミングを設定しているが、後述するＣＭＤ＃２，＃３についても同様とする。すなわち、無線スレーブ装置Ｎ３０２の送信タイミング制御部２６は、無線スレーブ装置Ｎ３０１の送信タイミング制御部２６と同様の方法で、遅延時間Δｔ（ｎ）に基づいてＣＭＤ＃２の送信タイミングを設定する。また、無線スレーブ装置Ｎ３０３の送信タイミング制御部２６は、無線スレーブ装置Ｎ３０１の送信タイミング制御部２６と同様の方法で、遅延時間Δｔ（ｎ）に基づいてＣＭＤ＃３の送信タイミングを設定する。

有線通信部２１は、送信タイミング制御部２６で設定された送信タイミングで、有線区間Ｓ３経由で産業用スレーブ機器Ｎ１０１へＣＭＤ＃１を送信する（ステップＳＴ１３）。

産業用スレーブ機器Ｎ１０１は、無線スレーブ装置Ｎ３０１から有線区間Ｓ３経由でＣＭＤ＃１を受信すると、ＣＭＤ＃１への応答信号であるＲＳＰ＃１を、有線区間Ｓ３経由で無線スレーブ装置Ｎ３０１へ送信する（ステップＳＴ１４）。

無線スレーブ装置Ｎ３０１では、有線通信部２１が、有線区間Ｓ３経由で産業用スレーブ機器Ｎ１０１から産業用マスタ機器Ｎ１へのＲＳＰ＃１を受信すると、ＲＳＰ＃１を無線送信部２３へ出力し、無線送信部２３が、無線区間Ｓ２経由で無線マスタ装置Ｎ２０１へＲＳＰ＃１を送信する。

無線マスタ装置Ｎ２０１では、無線受信部１５が、無線区間Ｓ２経由でＲＳＰ＃１を受信すると、ＲＳＰ＃１を有線通信部１１へ出力し、有線通信部１１が、有線区間Ｓ１経由で産業用マスタ機器Ｎ１へＲＳＰ＃１を送信する。

このように、産業用スレーブ機器Ｎ１０１から送信するＲＳＰ＃１については、産業用マスタ機器Ｎ１が受信するまでの間で遅延制御は行われない。産業用スレーブ機器Ｎ１０２から送信するＲＳＰ＃２、産業用スレーブ機器Ｎ１０３から送信するＲＳＰ＃３についても同様である。

産業用ネットワークでは、産業用マスタ機器Ｎ１、無線マスタ装置Ｎ２０１、無線スレーブ装置Ｎ３０１、産業用スレーブ機器Ｎ１０１の間でＣＭＤ＃１およびＲＳＰ＃１の信号の送受信が終了すると、つぎに、産業用マスタ機器Ｎ１、無線マスタ装置Ｎ２０１、無線スレーブ装置Ｎ３０２、産業用スレーブ機器Ｎ１０２の間で、上記のＣＭＤ＃１およびＲＳＰ＃１の信号の送受信と同様の方法で、ＣＭＤ＃２およびＲＳＰ＃２の信号の送受信を行う。

また、産業用ネットワークでは、産業用マスタ機器Ｎ１、無線マスタ装置Ｎ２０１、無線スレーブ装置Ｎ３０２、産業用スレーブ機器Ｎ１０２の間でＣＭＤ＃２およびＲＳＰ＃２の信号の送受信が終了すると、つぎに、産業用マスタ機器Ｎ１、無線マスタ装置Ｎ２０１、無線スレーブ装置Ｎ３０３、産業用スレーブ機器Ｎ１０３の間で、上記のＣＭＤ＃１およびＲＳＰ＃１の信号の送受信と同様の方法で、ＣＭＤ＃３およびＲＳＰ＃３の信号の送受信を行う。

産業用マスタ機器Ｎ１、無線マスタ装置Ｎ２０１、無線スレーブ装置Ｎ３０１〜Ｎ３０３、産業用スレーブ機器Ｎ１０１〜Ｎ１０３では、１つの伝送周期内でのＳＹＮＣ、ＣＭＤ＃１〜＃３、ＲＳＰ＃１〜＃３の信号の送受信が終了すると、つぎの伝送周期でも同様に、ＳＹＮＣ、ＣＭＤ＃１〜＃３、ＲＳＰ＃１〜＃３の信号の送受信を行う。

このとき、無線マスタ装置Ｎ２０１では、有線通信部１１が、有線区間Ｓ１にて産業用マスタ機器Ｎ１から産業用スレーブ機器Ｎ１０１〜Ｎ１０３への送信信号であるＳＹＮＣを受信すると（ステップＳＴ１：ＳＹＮＣ）、遅延制御部１４が、ＳＹＮＣに対して遅延時間Δｔ（ｎ＋１）を設定する（ステップＳＴ２）。遅延制御部１４は、産業用スレーブ機器Ｎ１０１〜Ｎ１０３へ送信するＳＹＮＣが各伝送周期で周期的にならないように、ここでは前回の伝送周期のときの遅延時間Δｔ（ｎ）と異なるように、遅延時間Δｔ（ｎ＋１）を設定する。

遅延制御部１４は、以降の伝送周期でも同様に、遅延時間Δｔ（ｎ＋１）と異なるように遅延時間Δｔ（ｎ＋２）を設定し、遅延時間Δｔ（ｎ＋２）と異なるように遅延時間Δｔ（ｎ＋３）を設定していく。

また、無線マスタ装置Ｎ２０１では、有線通信部１１が、有線区間Ｓ１にて産業用マスタ機器Ｎ１から産業用スレーブ機器Ｎ１０１への送信信号であるＣＭＤ＃１のフレームを受信すると（ステップＳＴ１：ＣＭＤ）、遅延制御部１４が、遅延時間Δｔ（ｎ＋１）だけ遅延されたＳＹＮＣを基準にして、遅延時間Δｔ（ｎ＋１）に基づいてＣＭＤ＃１への遅延時間Δｔ´（ｎ＋１）を設定する（ステップＳＴ９）。

遅延制御部１４は、以降の伝送周期でも同様に、遅延時間Δｔ´（ｎ＋１）と異なるように遅延時間Δｔ´（ｎ＋２）を設定し、遅延時間Δｔ´（ｎ＋２）と異なるように遅延時間Δｔ´（ｎ＋３）を設定していく。

図４に示すように、無線区間Ｓ２では伝送周期毎に周期の長さが不定で異なるため、無線マスタ装置Ｎ２０１は、伝送周期の起点で送信するＳＹＮＣについて、各伝送周期において異なる送信タイミングで送信することになる。同様に、無線マスタ装置Ｎ２０１は、産業用スレーブ機器Ｎ１０１〜Ｎ１０３へ送信するＣＭＤ＃１〜＃３についても、各伝送周期で異なる遅延時間が設定されるため、各伝送周期において異なる送信タイミングで送信することになる。

このように、無線マスタ装置Ｎ２０１は、産業用マスタ機器Ｎ１からの各信号を、伝送周期毎にランダムに遅延時間を設定して異なるタイミングで送信することから、産業用ネットワークが周期性雑音の存在する環境下にあっても、周期性雑音の影響を低減でき、産業用スレーブ機器Ｎ１０１〜Ｎ１０３において、特定の信号を一定時間連続して受信できない状態を防止することができる。

また、図４に示すように、産業用マスタ機器Ｎ１と無線マスタ装置Ｎ２０１との間の有線区間Ｓ１において、産業用マスタ機器Ｎ１は、各伝送周期で、伝送周期の起点から同一タイミングでＳＹＮＣ、ＣＭＤ＃１〜＃３を送信することができる。一方で、産業用マスタ機器Ｎ１では、ＣＭＤ＃１〜＃３へのＲＳＰ＃１〜＃３については、同一の伝送周期内では、ＣＭＤ＃１〜＃３送信後から遅延時間Δｔ（ｎ）に基づく同一時間経過後に受信することができるが、各伝送周期で異なる時間経過後に受信することになる。

そのため、産業用マスタ機器Ｎ１では、ＲＳＰの受信とＣＭＤの送信が衝突しないように、最大遅延時間を考慮して、ＣＭＤ＃１〜＃３について、送信間隔に余裕を持たせて送信することとする。産業用マスタ機器Ｎ１では、遅延時間Δｔ（ｎ）の設定によっては、前の産業用スレーブ機器からのＲＳＰを受信してから次の産業用スレーブ機器へのＣＭＤの送信までの間隔が空くこともあるが、ＣＭＤの送信間隔に余裕を持たせることで、信号の衝突を防止し、確実に定周期通信を実現することができる。

また、無線スレーブ装置Ｎ３０１〜Ｎ３０３では、有線区間Ｓ１での伝送周期に対して最大遅延時間だけ遅延されたタイミングを有線区間Ｓ３の伝送周期の起点とし、有線区間Ｓ３の各伝送周期の起点から同一タイミングでＳＹＮＣを送信する。これにより、産業用スレーブ機器Ｎ１０１〜Ｎ１０３では、有線区間Ｓ３の各伝送周期の起点と同一タイミングでＳＹＮＣを受信することができる。

無線スレーブ装置Ｎ３０１〜Ｎ３０３では、無線マスタ装置Ｎ２０１から受信するＣＭＤ＃１〜＃３は伝送周期毎に異なる遅延がされていることから、伝送周期毎にＣＭＤ＃１〜＃３を受信するタイミングが異なり、また、産業用スレーブ機器Ｎ１０１〜Ｎ１０３へ送信する際にも送信タイミングを制御している。そのため、産業用スレーブ機器Ｎ１０１〜Ｎ１０３では、伝送周期毎にＣＭＤ＃１〜＃３を受信するタイミングは異なることになる。しかしながら、伝送周期毎にＣＭＤ＃１〜＃３を受信するタイミングが異なることで、産業用スレーブ機器Ｎ１０１〜Ｎ１０３では、ＣＭＤ＃１〜＃３を受信後、直ちにＲＳＰ＃１〜＃３を送信することで、無線マスタ装置Ｎ２０１に対して異なるタイミングでＲＳＰ＃１〜＃３を送信することができる。無線スレーブ装置Ｎ３０１〜Ｎ３０３は、ＲＳＰ＃１〜＃３については送信タイミングを制御することなく無線マスタ装置Ｎ２０１へ送信する。

このように、無線スレーブ装置Ｎ３０１〜Ｎ３０３は、産業用スレーブ機器Ｎ１０１〜Ｎ１０３からの信号を、異なるタイミングで送信できることから、産業用ネットワークが周期性雑音の存在する環境下にあっても、周期性雑音の影響を低減でき、無線マスタ装置Ｎ２０１において、特定の無線スレーブ装置からのＲＳＰの信号を一定時間連続して受信できない状態を防止することができる。

なお、無線スレーブ装置Ｎ３０１〜Ｎ３０３では、産業用マスタ機器Ｎ１において余裕を持たせたＣＭＤの送信間隔の範囲で、ＣＭＤ＃１〜＃３を受信することができる。

無線マスタ装置Ｎ２０１では、設定した遅延時間値Δｔ（ｎ）の情報を、ＳＹＮＣに格納して無線スレーブ装置Ｎ３０１〜Ｎ３０３へ通知していたが、これに限定するものではない。無線マスタ装置Ｎ２０１は、システムの運用開始の初期または定期的に乱数のシード値を無線スレーブ装置Ｎ３０１〜Ｎ３０３へ通知することで、無線スレーブ装置Ｎ３０１〜Ｎ３０３側で遅延時間値Δｔ（ｎ）を生成できるようにしてもよい。

以上説明したように、本実施の形態によれば、１つの産業用マスタ機器と１つまたは複数の産業用スレーブ機器との間で伝送周期毎に通信を行う通信ネットワークにおいて、産業用マスタ機器と接続する無線マスタ装置と、産業用スレーブ機器と１対１で接続する産業用スレーブ機器と同数の無線スレーブ装置とが無線通信を行う無線通信システムにおいて、無線マスタ装置は、産業用マスタ機器から入力された信号に対して、伝送周期毎にランダムに遅延時間を設定し、遅延時間に基づいて産業用マスタ機器からの信号を遅延させて無線スレーブ装置へ送信し、無線スレーブ装置は、無線マスタ装置から通知された遅延時間の情報に基づいて、現在の伝送周期での、無線マスタ装置から受信した信号の産業用スレーブ機器への送信タイミングを設定し、設定した送信タイミングで送信することとした。これにより、通信ネットワークである産業用ネットワークにおいて、機器同士が相互に連携して動作を行うために定周期で行われる制御通信に対して、産業用マスタ機器と産業用スレーブ機器の間の通信を無線通信により実現する場合に、周期性雑音がある環境下であっても、特定の信号または特定の機器からの通信が連続して誤る可能性を低減できることから、周期性雑音の影響を低減することができる。

なお、本実施の形態では、無線マスタ装置Ｎ２０１が１つの産業用マスタ機器Ｎ１と接続し、無線スレーブ装置Ｎ３０１，Ｎ３０２，Ｎ３０３，…，Ｎ３００＋ｍが、産業用スレーブ機器Ｎ１０１，Ｎ１０２，Ｎ１０３，…，Ｎ１００＋ｍと１対１で接続する場合について説明したが、これに限定するものではない。産業用ネットワークの構成によって、無線マスタ装置Ｎ２０１は、異なる産業用ネットワークに属する複数の産業用マスタ機器Ｎ１と接続してもよい。また、無線スレーブ装置Ｎ３０１，Ｎ３０２，Ｎ３０３，…，Ｎ３００＋ｍでは、１つの無線スレーブ装置において複数の産業用スレーブ機器と接続してもよい。

実施の形態２．
実施の形態１では、無線マスタ装置Ｎ２０１の遅延制御部１４および無線スレーブ装置Ｎ３０１〜Ｎ３０３の送信タイミング制御部２６において、ＣＭＤ＃１〜＃３に対して送信タイミングを遅延させる制御をしているが、送信タイミングの制御方法はこれに限定するものではない。

図６は、本発明の実施の形態２にかかる無線通信システムを含む産業用ネットワーク内の各装置における信号の送受信のタイミングを示す図である。無線通信システムの構成は実施の形態１と同様である。無線スレーブ装置Ｎ３０１〜Ｎ３０３では、産業用スレーブ機器Ｎ１０１〜Ｎ１０３へＳＹＮＣを送信するタイミングと産業用スレーブ機器Ｎ１０１〜Ｎ１０３へＣＭＤ＃１〜＃３を送信するタイミングが衝突しなければ、ＣＭＤ＃１〜＃３については、送信タイミングを制御せず、すなわち、遅延させずに産業用スレーブ機器Ｎ１０１〜Ｎ１０３へ送信してもよい。なお、無線スレーブ装置Ｎ３０１〜Ｎ３０３でのＳＹＮＣに対する送信タイミングの制御は実施の形態１と同様である。

これにより、無線スレーブ装置Ｎ３０１〜Ｎ３０３の送信タイミング制御部２６では、図５に示すフローチャートのステップＳＴ１２において、ＣＭＤ＃１〜＃３を遅延させない送信タイミングとすることで、演算負荷を軽減することができる。

実施の形態３．
実施の形態１では、無線マスタ装置Ｎ２０１の遅延制御部１４および無線スレーブ装置Ｎ３０１〜Ｎ３０３の送信タイミング制御部２６において、ＣＭＤ＃１〜＃３に対して送信タイミングを遅延させる制御をしているが、送信タイミングの制御方法はこれに限定するものではない。実施の形態２と異なる方法について説明する。

図７は、本発明の実施の形態３にかかる無線通信システムを含む産業用ネットワーク内の各装置における信号の送受信のタイミングを示す図である。無線通信システムの構成は実施の形態１と同様である。無線マスタ装置Ｎ２０１の遅延制御部１４のみで、図４に示す無線マスタ装置Ｎ２０１でのＣＭＤ＃１〜＃３への遅延時間と図４に示す無線スレーブ装置Ｎ３０１〜Ｎ３０３でのＣＭＤ＃１〜＃３への遅延時間を合わせた遅延時間を、ＣＭＤ＃１〜＃３に与えるようにしてもよい。なお、無線スレーブ装置Ｎ３０１〜Ｎ３０３でのＳＹＮＣに対する送信タイミングの制御は実施の形態１と同様である。

実施の形態２と同様、無線スレーブ装置Ｎ３０１〜Ｎ３０３の送信タイミング制御部２６では、図５に示すフローチャートのステップＳＴ１２において、ＣＭＤ＃１〜＃３を遅延させない送信タイミングとすることで、演算負荷を軽減することができる。

実施の形態４．
実施の形態１では、無線スレーブ装置Ｎ３０１〜Ｎ３０３の送信タイミング制御部２６は、無線マスタ装置Ｎ２０１から通知された遅延時間Δｔ（ｎ）に基づいて、無線マスタ装置Ｎ２０１の遅延制御部１４と同様、遅延時間Δｔ（ｎ）に対して規定の係数を乗算した値だけ遅延させる送信タイミングを設定していたがこれに限定するものではない。

図８は、本発明の実施の形態４にかかる無線通信システムを含む産業用ネットワーク内の各装置における信号の送受信のタイミングを示す図である。無線通信システムの構成は実施の形態１と同様である。送信タイミング制御部２６は、例えば、無線マスタ装置Ｎ２０１で遅延時間Δｔ´（ｎ）だけ遅延されたＣＭＤを、さらに、「無線マスタ装置Ｎ２０１で設定されたＣＭＤの送信間隔−遅延時間Δｔ´（ｎ）」だけ遅延させた送信タイミングを設定する。無線スレーブ装置Ｎ３０１〜Ｎ３０３では、無線マスタ装置Ｎ２０１での定周期通信を再生でき、無線マスタ装置Ｎ２０１で設定された遅延時間Δｔ（ｎ）に関わらず、産業用スレーブ機器Ｎ１０１〜Ｎ１０３に対して、各伝送周期で常に同じタイミングでＣＭＤ＃１〜＃３を送信することができる。なお、無線スレーブ装置Ｎ３０１〜Ｎ３０３でのＳＹＮＣに対する送信タイミングの制御は実施の形態１と同様である。

この場合、定周期通信から再生される同期タイミングを必要とする既存の産業用ネットワークの産業用マスタ機器Ｎ１、産業用スレーブ機器Ｎ１０１〜Ｎ１０３を変更することなく利用可能となるが、産業用スレーブ機器Ｎ１０１〜Ｎ１０３では、産業用マスタ機器Ｎ１へのＲＳＰ＃１〜＃３を各伝送周期で常に同じタイミングで送信することになり、伝送周期毎で異なるタイミングでＲＳＰ＃１〜＃３を送信することができなくなる。

本発明にかかる無線通信システムは、無線区間において各信号の送信周期をランダムに遅延させる無線マスタ装置と、ランダムに遅延された各信号の送信タイミングを制御する無線スレーブ装置と、が無線接続され、産業用ネットワークシステムを実現する場合に有用である。

つづいて、無線マスタ装置Ｎ２０１のハードウェア構成について説明する。無線マスタ装置Ｎ２０１において、有線通信部１１は、有線通信のインターフェース回路により実現される。無線通信部１２において、遅延制御部１４を含まない場合の無線送信部１３、または遅延制御部１４を含む無線送信部１３において遅延制御部１４以外の部分と、無線受信部１５と、については無線通信のインターフェース回路により実現される。遅延制御部１４は処理回路により実現される。すなわち、無線マスタ装置Ｎ２０１は、入力された信号に対して伝送周期毎にランダムに遅延時間を設定するための処理回路を備える。処理回路は、専用のハードウェアであってもよいし、メモリに格納されるプログラムを実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）およびメモリであってもよい。

図９は、実施の形態１から４の無線マスタ装置Ｎ２０１の処理回路を専用のハードウェアで構成する場合の例を示す図である。処理回路が専用のハードウェアである場合、図９に示す処理回路９１は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、またはこれらを組み合わせたものが該当する。遅延制御部１４の機能各々を処理回路９１で実現してもよいし、各機能をまとめて処理回路９１で実現してもよい。

図１０は、実施の形態１から４の無線マスタ装置Ｎ２０１の処理回路をＣＰＵおよびメモリで構成する場合の例を示す図である。処理回路がＣＰＵ９２およびメモリ９３で構成される場合、遅延制御部１４の機能は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアまたはファームウェアはプログラムとして記述され、メモリ９３に格納される。処理回路では、メモリ９３に記憶されたプログラムをＣＰＵ９２が読み出して実行することにより、各部の機能を実現する。すなわち、無線マスタ装置Ｎ２０１は、処理回路により実行されるときに、入力された信号に対して伝送周期毎にランダムに遅延時間を設定するステップが結果的に実行されることになるプログラムを格納するためのメモリ９３を備える。また、これらのプログラムは、遅延制御部１４の手順および方法をコンピュータに実行させるものであるともいえる。ここで、ＣＰＵ９２は、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、またはＤＳＰ（Digital Signal Processor）などであってもよい。また、メモリ９３とは、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable ＲＯＭ）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically ＥＰＲＯＭ）などの、不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、またはＤＶＤ（Digital Versatile Disc）などが該当する。

なお、遅延制御部１４の各機能について、一部を専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェアまたはファームウェアで実現するようにしてもよい。

このように、処理回路は、専用のハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはこれらの組み合わせによって、上述の各機能を実現することができる。

無線マスタ装置Ｎ２０１のハードウェア構成について説明したが、無線スレーブ装置Ｎ３０１〜Ｎ３００＋ｍについても、同様の構成により説明することができる。無線スレーブ装置Ｎ３０１〜Ｎ３００＋ｍにおいて、有線通信部２１は、有線通信のインターフェース回路により実現される。無線通信部２２において、送信タイミング制御部２６を含まない場合の無線受信部２５、または送信タイミング制御部２６を含む無線受信部２５において送信タイミング制御部２６以外の部分と、無線送信部２３と、については無線通信のインターフェース回路により実現される。送信タイミング制御部２６は、無線マスタ装置Ｎ２０１の遅延制御部１４と同様、処理回路により実現される。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１１，２１ 有線通信部、１２，２２ 無線通信部、１３，２３ 無線送信部、１４ 遅延制御部、１５，２５ 無線受信部、２６ 送信タイミング制御部、Ｎ１ 産業用マスタ機器、Ｎ１０１，Ｎ１０２，Ｎ１０３，…，Ｎ１００＋ｍ 産業用スレーブ機器、Ｎ２０１ 無線マスタ装置、Ｎ３０１，Ｎ３０２，Ｎ３０３，…，Ｎ３００＋ｍ 無線スレーブ装置。

Claims (8)

1. 無線子局と無線通信を行う無線親局である無線通信装置であって、
   入力された信号に対して伝送周期毎にランダムに遅延時間を設定する遅延制御手段と、
   前記遅延時間に基づいて前記信号を遅延させて前記無線子局へ送信する無線送信手段と、
   を備え、
   前記無線送信手段は、入力された前記信号のうち、前記伝送周期の起点となる信号に前記遅延時間の情報を格納して前記無線子局へ送信する、
   ことを特徴とする無線通信装置。
2. 無線子局と無線通信を行う無線親局である無線通信装置であって、
   入力された信号に対して伝送周期毎にランダムに遅延時間を設定する遅延制御手段と、
   前記遅延時間に基づいて前記信号を遅延させて前記無線子局へ送信する無線送信手段と、
   を備え、
   前記遅延制御手段は、入力された前記信号のうち、送信すると応答が返信されてくる各信号に対して、同一伝送周期内では同一の遅延時間を設定する、
   ことを特徴とする無線通信装置。
3. 前記無線子局に接続するスレーブ機器と伝送周期毎に通信を行うマスタ機器と接続し、
   前記遅延制御手段は、前記マスタ機器から前記信号が入力されることを特徴とする請求項１または２に記載の無線通信装置。
4. 無線親局と無線通信を行う無線子局である無線通信装置であって、
   前記無線親局に接続するマスタ機器と、前記無線通信装置に接続するスレーブ機器とが、前記無線親局および前記無線通信装置を介して伝送周期毎に通信を行い、
   前記無線親局が、前記マスタ機器から入力された信号に対して伝送周期毎にランダムに遅延時間を設定し、前記遅延時間に基づいて前記信号を遅延させて前記無線子局へ送信する場合に、
   前記無線親局から通知された前記遅延時間の情報に基づいて、現在の伝送周期での前記信号の送信タイミングを設定する送信タイミング設定手段と、
   前記無線親局から受信した前記信号を、前記送信タイミングで前記スレーブ機器に送信する通信手段と、
   を備えることを特徴とする無線通信装置。
5. 前記送信タイミング設定手段は、前記スレーブ機器が前記無線通信装置から前記信号を受信すると前記スレーブ機器が前記無線通信装置および前記親局を介して前記マスタ機器に応答信号を送信することになる前記信号に対して、前記遅延時間に基づいて送信を遅延させる送信タイミングを設定する、
   ことを特徴とする請求項４に記載の無線通信装置。
6. 前記送信タイミング設定手段は、前記スレーブ機器が前記無線通信装置から前記信号を受信すると前記スレーブ機器が前記無線通信装置および前記親局を介して前記マスタ機器に応答信号を送信することになる前記信号に対して、送信を遅延させない送信タイミングを設定する、
   ことを特徴とする請求項４に記載の無線通信装置。
7. 無線親局と無線子局との間で無線通信を行う無線通信システムであって、
   前記無線親局に接続するマスタ機器と、前記無線子局に接続するスレーブ機器とが、前記無線親局および前記無線子局を介して伝送周期毎に通信を行っている場合に、
   前記無線親局は、
   前記マスタ機器から入力された信号に対して伝送周期毎にランダムに遅延時間を設定する遅延制御手段と、
   前記遅延時間に基づいて前記信号を遅延させて前記無線子局へ送信する無線送信手段と、
   を備え、
   前記無線子局は、
   前記無線親局から通知された前記遅延時間の情報に基づいて、現在の伝送周期での前記信号の送信タイミングを設定する送信タイミング設定手段と、
   前記無線親局から受信した前記信号を、前記送信タイミングで前記スレーブ機器に送信する通信手段と、
   を備えることを特徴とする無線通信システム。
8. 無線親局と無線子局との間で無線通信を行う無線通信システムの無線通信方法であって、
   前記無線親局に接続するマスタ機器と、前記無線子局に接続するスレーブ機器とが、前記無線親局および前記無線子局を介して伝送周期毎に通信を行っている場合に、
   前記無線親局が、前記マスタ機器から入力された信号に対して伝送周期毎にランダムに遅延時間を設定する制御を行う遅延制御ステップと、
   前記無線親局が、前記遅延時間に基づいて前記信号を遅延させて前記無線子局へ送信する無線送信ステップと、
   前記無線子局が、前記無線親局から通知された前記遅延時間の情報に基づいて、現在の伝送周期での前記信号の送信タイミングを設定する送信タイミング設定ステップと、
   前記無線子局が、前記無線親局から受信した前記信号を、前記送信タイミングで前記スレーブ機器に送信する通信ステップと、
   を含むことを特徴とする無線通信方法。

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