JP6080968B2

JP6080968B2 - 受信装置および通信装置

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Publication number: JP6080968B2
Application number: JP2015538798A
Authority: JP
Inventors: 重枝　哲也; 哲也重枝
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2017-02-15
Anticipated expiration: 2033-09-30
Also published as: EP3054631B1; US20160212059A1; EP3054631A4; US10897426B2; EP3054631A1; JPWO2015045151A1; WO2015045151A1

Description

本発明は、複数の機器と通信を行う通信装置を構成する受信装置に関するものである。

通信システムの一形態として、１台の通信装置が複数の通信装置と通信する構成が存在する。例えば、１台の制御機器と複数の被制御機器により形成されたネットワークにおいては、制御機器が複数の被制御機器の一部または全てに対して動作指示を行い、指示を受けた被制御機器は指示内容に応じた動作を実行する。指示を受けた被制御機器は、所定のタイミングで応答信号を返送する場合もある。応答信号としては、指示された動作を開始したことや動作が完了したことを示す信号、被制御機器が保持している各種データの信号など、いくつかの種類が考えられる。また、ネットワークの管理などの目的のために、制御機器からの指示を受けることなく被制御機器が独自に送信する信号も存在する。

一般的に、信号の種類が異なる場合、それらの受信処理にかかる処理負荷（処理遅延時間）も異なる。処理負荷が大きい第１の通信を実行してから処理負荷が小さい第２の通信を実行する場合、第２の通信に着目すると、第２の通信にかかる処理を開始するタイミングが遅くなるため、第２の通信が完了するまでの所要時間は通常よりも大きくなる。ここで、例えば、第２の通信が第１の通信よりも重要であり、通信が完了するまでの所要時間が大きくなることが問題となる場合には、特許文献１に記載された手法を適用することにより問題を解決できる。特許文献１に記載されたデータ通信装置によれば、複数の通信処理パスを備え、データ通信とその他の通信を異なる通信処理パスを使用して行うため、処理スループットが低下するのを回避できる。

特開２０００−２３５５３６号公報

しかしながら、特許文献１に記載のデータ通信装置は、処理負荷の異なる複数種類の信号を続けて受信する場合には有効であるが、例えば、複数の相手と通信するネットワーク構成において、複数の通信装置が同じ種類の信号をある通信装置へ一斉に送信した場合、すなわち、１台の通信装置が同じ種類の信号を続けて受信する場合については考慮されていない。

複数の通信装置が同じ種類の信号（パケット）を１台の通信装置に向けて一斉に送信した場合、受信側の通信装置は短時間で多数のパケットを処理する必要性が生じる。しかし、処理能力を超える数のパケットが到着した場合、処理が追いつかずにパケットを取りこぼす（パケットロスが発生する）可能性がある。この問題に対して、処理能力の高いＣＰＵを採用するなどの対策を選択することが可能であるが、その場合には装置コストが増大するという別の問題が発生する。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、短期間に多数のパケットを受信した場合にもパケットロスが発生するのを回避可能な受信装置および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、複数の相手通信装置と１対多通信を行う通信装置を構成する受信装置であって、受信パケットを処理するパケット処理部と、相手通信装置から受信したパケットの入力があると、前記パケット処理部へ連続して入力されるパケット同士の間隔を規定値以上に調整して前記パケット処理部へ出力するバッファ部と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、パケット処理にかかる処理負荷が高くなるのを回避してパケットロスが発生するのを防止できる、という効果を奏する。

図１は、列車内に構築された通信システムの構成例を示す図である。図２は、実施の形態１の受信装置の構成例を示す図である。図３は、実施の形態２の受信装置の構成例を示す図である。図４は、実施の形態３の受信装置の構成例を示す図である。

以下に、本発明にかかる受信装置および通信装置の実施の形態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、本発明にかかる受信装置を適用した通信装置を含んだ通信システムの一例として、列車内に構築された通信システムの構成例を示す図である。なお、ここでは列車内に構築された通信システムに対して本発明にかかる受信装置を適用する場合の例を説明するが、適用可能な通信システムはこれに限定されない。

図１に示される列車の編成は、複数台の車両からなり、一例として両先頭車両１０ａと先頭車両以外の車両１０ｂとで構成されている。先頭車両１０ａには、情報制御中央装置（以下単に「中央装置」と称する）１１が搭載されている。各車両１０ａおよび１０ｂには、車両間伝送路２０および車両内伝送路２１を介して中央装置１１に接続された複数の列車搭載機器（以下単に「機器」と称する）１２が設置されている。

中央装置１１は、本発明にかかる受信装置などを備えて構成されており、図示しない主幹制御器（マスコン）等の制御操作装置へ接続され列車情報の入出力処理を行う。また、制御情報などを含むデータを各機器１２に対して送信すると共に、各機器１２からデータを収集する。例えば、動作状態を問い合わせる信号をシステム内の機器１２に対してブロードキャストし、その応答信号を各機器１２から受信する。機器１２は、空調装置、照明装置、表示装置、モータ、ブレーキ装置などである。

図２は、本実施の形態にかかる受信装置１００の構成例を示す図である。上述したように、受信装置１００は、中央装置１１を構成しており、複数の機器１２から送信された信号を受信する。受信装置１００は、パケット処理部１０１、バッファ部１０２および受信部１０３を含んでいる。受信部１０３は、機器１２から送信された信号であるパケットを受信し、バッファ部１０２へ出力する。バッファ部１０２は、受信部１０３から入力されたパケットを、直ちに、または、所定時間が経過するのを待ってから、パケット処理部１０１へ出力する。パケット処理部１０１は、バッファ部１０２から受け取ったパケットに対し、パケットを解析して必要な情報を取り出すなどの各種処理を実行する。

図１および図２に示したように、中央装置１１は、複数の機器１２と通信を行うが、各機器１２は、中央装置１１へパケットを送信する場合、他の機器１２と中央装置１１の通信状態を考慮することなく、送信処理を開始する。そのため、多数の機器１２が同様のタイミングでパケットを送信する可能性があり、その場合、中央装置１１の受信装置１００は、短時間で多数のパケットを処理する必要がある。受信装置１００は、このようなケースを想定した構成となっており、バッファ部１０２は、パケット処理部１０１部が過負荷状態となってしまい処理エラー（パケットロス）が発生するのを回避するため、以下に示す動作を実行する。

バッファ部１０２の詳細動作を説明する。バッファ部１０２は、受信部１０３からパケットを受け取ると、その前に受け取ったパケットをパケット処理部１０１へ出力してからの経過時間を考慮して、新たに受け取ったパケットのパケット処理部１０１への出力タイミングを決定し、決定したタイミングでパケットを出力する。具体的には、バッファ部１０２は、パケット処理部１０１へパケットを出力するタイミングの間隔が一定値Ｔ未満とならないよう、パケット処理部１０１への出力タイミングを決定する。すなわち、バッファ部１０２は、期間長がＴの期間において受信部１０３から複数のパケットを受け取った場合、この期間内に受け取った複数のパケットのうち、２番目のパケットを、１番目のパケットを出力してからの経過時間がＴとなった時点で出力する。３番目のパケットが存在する場合には、２番目のパケットを出力してからの経過時間がＴとなった時点で３番目のパケットを出力する。４番目およびこれ以降のパケットが存在する場合も同様である。なお、Ｔはパケット処理部１０１の処理能力を考慮して予め決定した値とする。例えば、Ｔ＝０．５ｍｓとする。

バッファ部１０２は、例えば、時間Ｔをカウントするためのタイマを保持しており、このタイマは、パケット処理部１０１へパケットを出力する毎に起動する（時間Ｔのカウントを開始する）。バッファ部１０２は、受信部１０３からパケットを受け取ると、上記タイマを確認し、タイマが満了している場合（時間Ｔのカウントが完了している場合）、受け取ったパケットを直ちに出力するとともに、タイマを起動する。これに対して、タイマが満了していない場合には、タイマが満了するまで待ってから、パケットを出力する（タイマの起動も併せて実施する）。

このように、本実施の形態の受信装置１００は、機器１２から受信したパケットを処理するパケット処理部１０１に対して短期間で多数のパケットが入力されるのを回避するため、パケット処理部１０１へのパケット入力タイミングを調整するバッファ部１０２を備えることとした。これにより、パケット処理部１０１が過負荷状態となってしまい処理エラーが発生するのを防止できる。

また、処理エラーが発生するのを防止できるので、パケットの取りこぼし（パケットロス）が無くなり、取りこぼしたパケットの再送を機器１２に要求してパケットを再送信してもらう再送制御を行う頻度も低く抑えることができる。よって、機器１２から受信装置１００へのトラフィックが必要以上に増加することもなくなる。

実施の形態２．
実施の形態２の受信装置を説明する。なお、実施の形態２の受信装置を適用した通信システムの構成は実施の形態１と同様とする（図１参照）。

図３は、実施の形態２の受信装置１００ａの構成例を示す図である。受信装置１００ａは、図２に示した実施の形態１の受信装置１００に対してフィルタ部１０４を追加した構成となっている。フィルタ部１０４以外の構成要素は、パケットの出力先や入力元が一部異なるが、実質的な動作は実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。

フィルタ部１０４は、受信部１０３からパケットを受け取り、その全てまたは一部をバッファ部１０２へ出力する。すなわち、制御信号による指示に従い、特定種類のパケットをバッファ部１０２へ出力する。制御信号で指示された特定種類以外のパケットについては、例えば破棄する。破棄せずに図示を省略した他の構成要素（中央装置１１を構成している他の装置など）へ出力するようにしてもよい。なお、制御信号は、全てのパケットをバッファ部１０２へ出力するように指示する（フィルタ機能の停止を指示する）場合もある。制御信号は、例えば、列車の運転台に設置されたマスターコントローラ（主幹制御器）等の制御操作装置（図示せず）から入力される。

フィルタ部１０４は、受信部１０３から入力されたパケットを、例えば、機器１２の制御で使用するデータ（以下、制御データと称する）を含んだ第１のパケットとこれ以外の第２のパケットに分類し、第１のパケットはパケット処理部１０１へ出力し、第２のパケットは破棄する。受信部１０３から入力されたパケットの識別は、例えば、ポート番号を利用して行う。例えば、制御データを送信する場合、ポート番号を８００１とするように予め決定しておく。ポート番号を使用したパケットの識別方法は一例であり、他の方法で識別しても構わない。優先度で識別しても構わないし、データの先頭部分に制御データであることを示す識別情報を付加し、この識別情報を使用して識別するようにしても構わない。ポート番号と優先度など、複数の情報を使用して識別するようにしても構わない。なお、第２のパケットは、例えば、ＩＣＭＰ（Internet Control Message Protocol）パケット、ＡＲＰ（Address Resolution Protocol）パケットなどである。

前記第２のパケットの全てまたは一部を処理する機能をフィルタ部１０４に持たせてもよい。例えば、ＩＣＭＰパケットやＡＲＰパケットを処理する機能をフィルタ部１０４に持たせ、フィルタ部１０４は、ＩＣＭＰパケットやＡＲＰパケットを受信した場合、破棄するのではなく、パケット処理部１０１に代わって応答パケットを返送するようにしてもよい。例えば、Echo Messageを受信した場合にEcho Reply Messageを返送する。このように構成した場合、パケット処理部１０１の処理負荷を軽減できるとともに、他の機器の動作に与える影響を最小限に抑えることができる。

このように、本実施の形態の受信装置１００ａは、実施の形態１の受信装置１００に対して、受信したパケットの種類を判別し、特定種類のパケットをバッファ部１０２へ通過させるフィルタ部１０４を追加した構成としたので、パケット処理部１０１が優先的に処理する必要がある重要なパケット（例えば、制御データを含んだパケット）を選択してパケット処理部１０１が処理を行うことができるようになり、パケット処理部１０１の負荷が増大するのを防止できる。また、フィルタ部１０４が通過させるパケットの種類を可変としているので、例えば、制御データを含んだパケット（制御パケット）が集中的に送られてくると予測される場合はフィルタリングを行い、制御パケットが集中的に送られてこないと予測される場合はフィルタリングを行わないなど、柔軟な動作を実現できる。例えば、制御パケットが集中的に送られてくるのは、中央装置１１が機器１２に対する制御データ送信指示をブロードキャストやマルチキャストで行った場合のため、このような指示を行ってから一定期間（例えば、システム内の機器１２の数に応じて決定した長さの期間とする）の間はフィルタリングを行う、などの動作が可能である。

なお、図３では、説明を分かり易くするために、バッファ部１０２とフィルタ部１０４に分けた構成例を示したが、これらを一つにまとめた構成としてもよい。すなわち、バッファ部１０２が実行する処理とフィルタ部１０４が実行する処理の双方をバッファ部１０２またはフィルタ部１０４が実行するようにしてもよい。

実施の形態３．
実施の形態３の受信装置を説明する。なお、実施の形態３の受信装置を適用した通信システムの構成は実施の形態１，２と同様とする（図１参照）。

図４は、実施の形態３の受信装置１００ｂの構成例を示す図である。受信装置１００ｂは、図３に示した実施の形態２の受信装置１００ａのパケット処理部１０１、バッファ部１０２およびフィルタ部１０４をパケット処理部１０１ｂ、バッファ部１０２ｂおよびフィルタ部１０４ｂに置き換えた構成となっている。受信部１０３の動作は実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。

実施の形態１の受信装置１００および実施の形態２の受信装置１００ａにおいては、パケット処理部１０１に対して短期間で複数のパケットが入力されないように考慮してバッファ部１０２がパケットを出力することとしていた。これに対して、本実施の形態の受信装置１００ｂにおいては、パケット処理部１０１ｂが、バッファ部１０２ｂで保持されているパケットを独自のタイミングで読み出す。すなわち、パケット処理部１０１ｂは、自身の処理負荷状態に応じて、パケットを読み出すタイミングを調整する。パケット処理部１０１ｂは、負荷が高い状態では読み出しタイミングを遅らせ、負荷が低い状態では読み出しタイミングを早める。

バッファ部１０２ｂは、特定種類のパケットを送信元の機器１２ごとに分類して保持するための複数の第１の領域と、特定種類のパケットとは異なるその他のパケットを一纏めにして保持する第２の領域とを有している。第１の領域に格納されたパケットはパケット処理部１０１ｂから指示を受けるまで、出力することなく保持し続ける。第２の領域に格納されたパケットは、バッファ部１０２ｂが所定のタイミングでパケット処理部１０１ｂへ出力する。例えば、実施の形態１のバッファ部１０２と同様の方法で出力タイミングを決定する。

フィルタ部１０４ｂは、実施の形態２で説明したフィルタ部１０４と同様に、制御信号により指定された特定種類のパケットをバッファ部１０２ｂへ出力する。ここで、フィルタ部１０４ｂは、バッファ部１０２ｂへ出力するパケットの送信元の機器１２を確認し、バッファ部１０２ｂに存在する複数の領域（上記第１の領域）のうち、送信元の機器１２と対応付けられている領域へパケットを格納する。なお、フィルタ部１０４ｂは、特定種類ではないパケットの全てまたは一部を、バッファ部１０２ｂの上記第２の領域に格納するようにしてもよい。また、実施の形態２のフィルタ部１０４と同様に、ＩＣＭＰパケットを処理する機能やＡＲＰ機能をフィルタ部１０４ｂに持たせるようにしてもよい。

パケット処理部１０１ｂは、処理負荷が低い状態（処理負荷が規定値よりも低く、多数のパケットを処理できる状態）では一定周期でバッファ部１０２ｂの上記第１の領域（図４に示した機器＃１〜機器＃ｘと記載された領域）にアクセスしてパケットを読み出し、実施の形態１，２のパケット処理部１０１と同様に処理する。これに対して、処理負荷が高い状態（処理負荷が規定値以上であり多数のパケットを処理できない状態）では、実行中の処理を進め、処理負荷が規定値よりも低くなった後に、上記第１の領域にアクセスしてパケットを読み出し、読み出したパケットを処理する。なお、パケット処理部１０１ｂは、特定種類ではないパケットがバッファ部１０２ｂから入力された場合、処理負荷が低い状態であれば当該パケットに対する処理を行い、処理負荷が高い状態であれば当該パケットを破棄してもよい。

このように、本実施の形態の受信装置１００ｂにおいて、バッファ部１０２ｂは、特定種類のパケットとして、例えば、制御データを含んだパケット（制御パケット）を送信元の機器毎に分類して保持し、パケット処理部１０１ｂは、自身の処理負荷状態を考慮した独自のタイミングで、バッファ部１０２ｂから制御パケットを取得する。

実施の形態１，２では、受信するパケットが集中した場合、パケット処理部１０１の処理負荷状態を考慮することなく、パケット処理部１０１へのパケット入力タイミングをバッファ部１０２が調整していた。そのため、パケット処理部１０１へのパケット入力タイミングが必要以上に遅くなり、受信装置全体としての処理遅延が必要以上に大きくなる可能性があった。これに対して、本実施の形態ではパケット処理部１０１ｂが自身の処理負荷状態を考慮したタイミングで制御パケットを読み出すので、パケット処理部１０１ｂが過負荷状態となるのを回避できるとともに、装置全体として必要以上に大きな処理遅延が発生するのを回避できる。

なお、本実施の形態では、フィルタ部１０４ｂがパケットの送信元を確認して分類し、送信元に対応付けられている領域（バッファ部１０２ｂ内の領域）へ格納することとしたが、パケットの送信元による分類をバッファ部１０２ｂで行うようにしてもよい。

以上のように、本発明にかかる受信装置は、通信相手が複数存在し、各通信相手が個別に決定したタイミングで信号を送信してくる通信装置に有用であり、特に、列車内に構築されたネットワークに接続され、多数の機器を制御対象として１対多通信を行う通信装置の受信装置に適している。

１０ａ先頭車両、１０ｂ車両、１１情報制御中央装置、１２列車搭載機器、２０車両間伝送路、２１車両内伝送路、１００，１００ａ，１００ｂ受信装置、１０１，１０１ｂパケット処理部、１０２，１０２ｂバッファ部、１０３受信部、１０４，１０４ｂフィルタ部。

Claims

列車に搭載された複数の相手通信装置と１対多通信を行う通信装置を構成する受信装置であって、
受信パケットを処理するパケット処理部と、
相手通信装置から受信したパケットのうち、前記列車に搭載された機器の制御で使用する制御パケットを抽出して出力するフィルタ部と、
前記フィルタ部から前記制御パケットの入力があるごとに、前記パケット処理部へ連続して入力される制御パケット同士の間隔をカウントするタイマ、を有し、前記制御パケット同士の間隔を規定値以上に調整して前記パケット処理部へ出力するバッファ部と、
を備えることを特徴とする受信装置。
前記フィルタ部は、前記列車に搭載された情報制御中央装置が前記列車に搭載された機器に対する制御データ送信指示をブロードキャスト又はマルチキャストで行った場合に、一定期間の間は前記制御パケットを抽出して前記バッファ部へ出力することを特徴とする請求項１に記載の受信装置。
前記フィルタ部は、前記制御パケットに該当しないパケットの全てまたは一部を前記パケット処理部に代わって処理することを特徴とする請求項１に記載の受信装置。
前記フィルタ部は、ＩＣＭＰパケットおよびＡＲＰパケットの双方または一方を処理することを特徴とする請求項３に記載の受信装置。
請求項１に記載の受信装置を備えることを特徴とする通信装置。
列車に搭載された複数の相手通信装置と１対多通信を行う通信装置を構成する受信装置であって、
受信パケットを処理するパケット処理部と、
相手通信装置から受信したパケットのうち、前記列車に搭載された機器の制御で使用する制御パケットを抽出して出力するフィルタ部と、
パケットの各送信元と１対１で対応付けられた複数の第１のパケット格納領域を有するバッファ部と、
を備え
前記フィルタ部は、抽出した前記制御パケットを、その送信元に対応付けられている前記第１のパケット格納領域へ格納し、
前記パケット処理部は、自身の処理負荷が規定値未満の状態において、前記第１のパケット格納領域から前記制御パケットを読み出す、
ことを特徴とする受信装置。
前記バッファ部は、前記制御パケットに該当しないその他のパケットを格納する第２のパケット格納領域を有し、前記パケット処理部へ連続して入力される前記その他のパケット同士の間隔を規定値以上に調整して前記パケット処理部へ出力し
前記フィルタ部は、前記その他のパケットの全てまたは一部を、前記第２のパケット格納領域に格納し、
前記パケット処理部は、自身の処理負荷が規定値未満の状態において、前記バッファ部から前記その他のパケットが入力された場合は、当該その他のパケットに対する処理を行い、自身の処理負荷が規定値以上の状態において、前記バッファ部から前記その他のパケットが入力された場合は、当該その他のパケットを破棄する、
ことを特徴とする請求項６に記載の受信装置。
前記バッファ部は、前記第２のパケット格納領域に格納された前記その他のパケット同士の間隔を規定値以上に調整して前記パケット処理部へ出力することを特徴とする請求項７に記載の受信装置。