CN100563147C - 通信控制装置、通信控制方法、节点及通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种通信控制装置、通信控制方法、节点及通信系统，管理节点不必向各节点指示通信定时，各节点就可执行有效的通信。通信控制装置具有根据自身节点的相位状态，决定来自自身节点的数据发送的定时的通信定时计算单元。通信定时计算单元具有：相位算出部，基于反映了附近节点相位的、来自附近节点的状态变量信号，按照预定的时间发展规则，改变自身节点的相位状态；冲突率算出部，观测自身节点与附近节点的相位差，根据该相位差，算出来自自身节点的数据发送的定时与来自附近节点的数据发送的定时的冲突率；应力响应函数值生成部，在时间上累积与冲突率相对应的应力值，对应累积应力值，按上述的时间发展规则发生随机大小的相移。

Description

通信控制装置、通信控制方法、节点及通信系统

技术领域

本发明涉及一种通信控制装置、通信控制方法、节点及通信系统，例如，象由连接于传感器网络或LAN(Local Area Network)上的多个设备构成的系统等那样，在空间中分散配置的多个节点或设置于移动体上的节点在相互进行数据通信时，避免由于电波干扰所引起的通信数据的冲突。

背景技术

作为在空间中分散配置的多个节点可以不冲突地进行数据通信的方式，包括TDMA方式、CSMA(CSMA/CA或CSMA/CD)方式等(参照非专利文献1)。

CSMA方式是要发信的节点根据载波(频率)的存在来确认其他节点是否在通信中，在不执行通信时发信的方式。但是，在CSMA方式的情况下，若产生通信量的节点增多，则管理费用增大，不能避免通信效率的降低。

TDMA方式是向各节点分配不同的时隙，各节点利用分配给自己的时隙进行发送的方式。在TDMA方式中，在供通信的节点动态地变化时，某节点(管理节点)动态地向各节点分配时隙。

非专利文献1：松下温、中川正雄编著、“无线LAN结构”、共立出版、1996年、p.47、53～59、69。

发明内容

但是，在TDMA方式的情况下，若进行时隙分配的管理节点产生故障，则通信系统整体停机。并且，对各节点动态地再分割时隙的处理烦杂，而且不能迅速地应对状况变化。并且，在TDMA方式的情况下，也不能变更时隙自身的宽度。

因此，希望提供一种管理节点不必向各节点指示通信定时，各节点就可执行有效通信的、灵活性高的通信控制装置、通信控制方式、节点及通信系统。

第1本发明是一种通信控制装置，具有通信定时计算单元，该通信定时计算单元安装在构成通信系统的多个节点的每一个上，根据在内部变化的相位状态来决定来自自身节点的数据发送的定时，其特征在于，上述通信定时计算单元具有：相位算出部，基于对反映了表示附近节点的数据发送定时的相位的、来自附近节点的状态变量信号的接收，按照预定的时间发展规则使自身节点的相位状态变化；冲突率算出部，观测自身节点与附近节点的相位差，根据该相位差，算出来自自身节点的数据发送的定时与来自附近节点的数据发送的定时的冲突率；和应力响应函数值生成部，在时间上累积与冲突率相对应的应力值，对应所累积的应力值，按上述相位算出部使用的时间发展规则产生随机大小的相移。

第2本发明的节点的特征在于：具有第1本发明的通信控制装置。

第3本发明的通信系统的特征在于：分散配置地具有多个第2本发明的节点。

第4本发明是一种通信控制方法，包含通信定时计算步骤，该通信定时计算步骤由构成通信系统的多个节点分别执行、根据在内部变化的相位状态决定来自自身节点的数据发送的定时，其特征在于，上述通信定时计算步骤包含：相位算出子步骤，基于对反映了表示附近节点的数据发送定时的相位的、来自附近节点的状态变量信号的接收，按照预定的时间发展规则，改变自身节点的相位状态；冲突率算出子步骤，观测自身节点与附近节点的相位差，根据该相位差，算出来自自身节点的数据发送的定时与来自附近节点的数据发送的定时的冲突率；和应力响应函数值生成子步骤，在时间上累积与冲突率相对应的应力值，对应所累积的应力值，按上述相位算出子步骤使用的时间发展规则，产生随机大小的相移。

根据本发明的通信控制装置、通信控制方法、节点及通信系统，即使不存在集中管理节点，也可通过相互收发状态变量信号，使各节点与附近节点相互作用，自律分散地确定时隙的分配来执行通信，而且，可以大大地抑制无法获得为执行数据发送所必需的最低限度大小的时隙、实质上处于不能进行数据发送状态的节点的产生，从而可提高节点间的数据通信的稳定性和通信效率。

附图说明

图1是表示实施方式1的通信定时计算单元的详细结构的框图。

图2是表示实施方式1的节点结构的框图。

图3是实施方式1的通信系统中的节点间调谐的说明图(1)。

图4是实施方式1的通信系统中的节点间调谐的说明图(2)。

图5是实施方式1的通信定时计算单元使用的相位响应函数R(Δθij(t))的说明图。

图6是表示实施方式2的节点结构的框图。

图7是表示实施方式2的通信定时计算单元的详细结构的框图。

具体实施方式

(A)实施方式1

下面，参照附图详述本发明的通信控制装置、通信控制方法、节点及通信系统的实施方式1。另外，本实施方式1假设例如象传感器网络或特别网络等那样，在空间中分散配置的多个节点相互通过无线来交换信息的系统。

在实施方式1中，各节点产生脉冲信号，并且，通过有效地检测自己以外的节点产生的脉冲信号，与附近的节点相互作用，自律分散地确定时隙的分配。

实施方式1的通信系统具有经由无线线路收发数据的、在空间中分散配置的多个节点。这里，实施方式1假定各节点的位置在通信中基本不变。

(A-1)实施方式1的节点

各节点具有图2的功能框图所示的详细结构。在图2中，节点10具有脉冲信号接收单元11、通信定时计算单元12、脉冲信号发送单元13、调谐判定单元14、数据通信单元15及传感器16。另外，作为通信控制装置，脉冲信号接收单元11、通信定时计算单元12、脉冲信号发送单元13及调谐判定单元14为构成要素。

脉冲信号接收单元11接收附近节点(例如，存在于该节点的发送电波到达的范围内的其它节点)发送的输出脉冲信号(不包含地址信息)作为输入脉冲信号Sin11。这里，脉冲信号被作为定时信号收发，例如，具有高斯分布形状等的脉冲形状(另外，脉冲信号也可以是保持某种数据信息的信号)。接收脉冲信号Spr11可以是对输入脉冲信号Sin11进行了波形整形后形成的信号，也可以是对信号进行再生成后形成的信号。

通信定时计算单元12的细节后述，它根据接收脉冲信号Spr11，形成规定该节点中的通信定时的相位信号Spr12后输出(另外，即使在没有接收脉冲信号Spr11的情况下，也形成相位信号Spr12后输出)。这里，如果设该节点i的相位信号Spr12在时刻t的相位值为θi(t)，则通信定时计算单元12根据接收脉冲信号Spr11，如后所述以非线性振动节奏使相位信号Spr12(＝θi(t))变化。该相位信号的变化实现了附近的节点彼此成为逆相(振动的相位为相反相位)或其它相位的非线性特性，并利用该特性来避免冲突。即，形成适当的时间关系(时间差)，以便使附近节点间的输出脉冲信号Sout11的发送定时等不冲突。

利用图3及图4详述通信定时计算单元12的功能的含义如下。另外，图3及图4所示的状态变化还关系到脉冲信号发送单元13的功能。

图3及图4表示在着眼于某一个节点A时，着眼节点(自身节点)与附近节点(其他节点)之间形成的关系，即，各个非线性振动节奏间的相位关系按时间变化的情况。

图3是相对着眼节点i存在1个附近节点j的情况。在图3中，在圆上旋转的2个质点的运动表示与着眼节点和附近节点相对应的非线性振动节奏，质点在圆上的角度表示该时刻的相位信号的值。使质点的旋转运动向纵轴或横轴上投影后形成的点的运动与非线性振动节奏相对应。通过基于后述的(1)式的动作，2个质点变成相互逆相，即使假设如图3(a)所示，在初始状态下2个质点的相位接近，随着时间的经过，经图3(b)所示的状态(过渡状态)，变化成如图3(c)所示的2个质点的相位差大致是π的稳定状态。

2个质点分别以固有的角振动频率参数ω为基本的角速度(相当于使自己的动作状态转变的基本速度)旋转。这里，若在节点间产生基于脉冲信号的收发的相互作用，则这些质点使各自的角速度发生变化(缓急)，结果，到达维持适当的相位关系的稳定状态。该动作可视为通过2个质点边旋转边互相排斥，来形成稳定的相位关系。在稳定状态下，如后所述，各节点在规定相位(例如0)时发送了输出脉冲信号Sout11的情况下，相互节点中的发送定时形成适当的时间关系。

另外，图4表示相对着眼节点i存在2个附近节点j1、j2的情况。在存在2个附近节点时，与上述相同，通过各质点边旋转边相互排斥，形成稳定的相位关系(与时间关系相关的稳定性)。在附近节点数为3个以上时也同样如此。

上述稳定的相位关系(稳定状态)的形成相对附近节点数的变化非常具有适应(灵活)性。例如，现在，在相对着眼节点存在1个附近节点、形成稳定的相位关系(稳定状态)时，追加1个附近节点。稳定状态虽暂时崩溃，但经过过渡状态后，再次形成附近节点为2个时的新的稳定状态。另外，即便在除去附近节点时或因故障不能发挥作用时，也同样地进行适应性动作。

通信定时计算单元12向脉冲信号发送单元13、调谐判定单元14及数据通信单元15输出得到的相位信号Spr12(＝θi(t))。

脉冲信号发送单元13根据相位信号Spr12，发送输出脉冲信号Sout11。即，若相位信号Spr12为规定的相位α(0≤α＜2π)，则发送输出脉冲信号Sout11。这里，最好是使规定的相位α预先在整个系统中统一。下面，说明在整个系统中统一成α＝0。另外，就图3的示例而言，由于节点i和节点j在稳定状态下相互的相位信号Spr12相差π，所以即便在整个系统中统一成α＝0，来自自身节点i的输出脉冲信号Sout11的发送定时与来自自身节点j的输出脉冲信号Sout11的发送定时也相差π。

调谐判定单元14判断在自身节点和1个或多个附近节点间进行的输出脉冲信号Sout11的发送定时的相互调整是否处于“过渡状态”(参照图3(b)、图4(b))或“稳定状态”(参照图3(c)、图4(c))中的一个状态。调谐判定单元14对接收脉冲信号Spr11(对应于其它节点的输出脉冲信号Sout11)及输出脉冲信号Sout11的发生定时进行观测，并在相互收发脉冲信号的多个节点的发生定时之间的时间差在时间上稳定时，判定为“稳定状态”。另外，在本实施方式的情况下，向调谐判定单元14输入相位信号Spr12，代替输出脉冲信号Sout11，作为用于捕捉来自自身节点的输出脉冲信号Sout11的发生定时的信号。

调谐判定单元14例如执行下述(a)～(d)的处理，来进行调谐判定。

(a)经过相位信号Spr12的1个周期观测接收脉冲信号Spr11的发生定时的相位信号Spr12的值β。这里，设进行上述观测后的得到的相位信号Spr12的值分别为β1，β2，...，βN(0＜β1＜β2＜...＜βN＜2π)。

(b)根据观测到的相位信号Spr12的值β，算出相邻值间的差(相位差)Δ1＝β1，Δ2＝β2-β1，...，ΔN＝βN-β(N-1)。

(c)在相位信号Spr12的周期单位中进行上述(a)及(b)的处理，算出前后周期中的相位差Δ的变化量(差分)γ1＝Δ1(τ+1)-Δ1(τ)，γ2＝Δ2(τ+1)-Δ2(τ)，...，γN＝ΔN(τ+1)-ΔN(τ)。这里，τ表示相位信号Spr12的某个周期，τ+1表示相位信号Spr12的下一周期。

(d)在上述变化量γ都比微小参量(阈值)ε小的情况下，即，在γ1＜ε，γ2＜ε，...，γ1＜ε时，判定为“稳定状态”。

另外，也可以将经过M周期后满足γ1＜ε，γ2＜ε，...，γ1＜ε条件的情况判定为稳定状态。在M的值越大、稳定性越高的状态下可判定为“稳定状态”。另外，也不妨根据一部分接收脉冲信号Spr11进行“稳定状态”的判定。

调谐判定单元14在相位信号Spr12的每个周期，将表示判定结果的调谐判定信号Spr13和接收脉冲信号Spr11的发生定时的相位信号Spr12的值β的最小值β1作为复归信号Spr14输出给数据通信单元15。另外，如上所述，将最小值β1作为复归信号Spr14输出与设α＝0有关，随着α值的选定不同，适用于复归信号Spr14的β值发生变化。

该节点10具有中继并发送从其它节点接收的数据的功能；和以自身为发送端的数据发送功能。

传感器16作为后者情况的一个例子被例举出，例如，检测声音或振动的强度、化学物质的浓度、温度等物理或化学的环境信息Sin13，然后向数据通信单元15输出观测数据Spr15。

另外，在前者的情况中，数据通信单元15接收附近节点发送的数据信号(输出数据信号Sout12)，作为输入数据信号Sin12。

数据通信单元15向其它节点发送观测数据Spr15和/或输入数据信号Sin12(包含两者的情况)，作为输出数据信号Sout12。数据通信单元15在调谐判定信号Spr13表示“稳定状态”时，在后述的时隙(虽然不是系统等分配的固定的时间区间，但也使用“时隙”这一用语)中执行该发送，在调谐判定信号Spr13表示“过渡状态”时，停止发送动作。另外，输出数据信号Sout12也可以具有与输出脉冲信号Sout11相同的频带中的发送频率。

时隙是相位信号Spr12的相位θi(t)为δ1≤θi(t)≤β1-δ2的期间。时隙的开始点(这时的相位信号的值为δ1)是输出脉冲信号Sout11的发送结束的定时，时隙的结束点(这时的相位信号的值为β1-δ2)是比相位信号Spr12的每个周期的最初的接收脉冲信号Spr11的定时稍微往前偏移δ2大小的定时。δ1和δ2是用于补偿在该节点10附近的无线空间中脉冲信号(发送端包含自身节点的情况和其它节点的情况这两者)和数据信号(发送端包含自身节点的情况和其它节点的情况这两者)未同时存在的、对应于极短时间的相位宽度。δ1及δ2例如在节点10的设置状况下根据实验确定。

例如，在如图(3)所示的“稳定状态”的情况下，节点i从相位θi为0开始发送输出脉冲信号Sout11，在相位θi变为δ1之前，结束输出脉冲信号Sout11的发送，从相位θi为δ1开始发送输出数据信号Sout12，在相位θi变为β1-δ2(其中

)后，结束输出数据信号Sout12的发送，之后，在相位θi再次变为0之前，输出脉冲信号Sout11的发送和输出数据信号Sout12的发送都停止。其它的节点j也基于相位θj执行同样的动作，但由于相位θi与θj大致相差π，所以发送动作不互相竞争。节点数为3以上时也同样的动作，发送动作不互相竞争。

(A-2)通信定时计算单元12的细节

图1是表示通信定时计算单元12的详细结构的框图。在图1中，通信定时计算单元12具有相位算出部21、冲突率算出部22、累积应力算出部23及应力响应函数值算出部24。

如上所述，通信定时计算单元12执行用于决定发送输出脉冲信号Sout11的定时的计算。通信定时计算单元12例如使用对(1)式的非线性振动进行模型化后得到的公式执行用于确定该发送定时的计算。

(公式1)

$\frac{d{\mathrm{\θ}}_i\left(t\right)}{\mathrm{dt}}={\mathrm{\ω}}_i+\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_j\left(t\right)\·R\left({\mathrm{\Δ\θ}}_{\mathrm{ij}}\left(t\right)\right)+\mathrm{\ξ}\left(S_i\left(t\right)\right)...\left(1\right)$

Δθ_ij(t)＝θ_j(t)-θ_i(t)＝-θ_i(t)    ...(2)

(1)式是表示对应接收脉冲信号Spr11的输入，在时间上改变自身节点(节点i)的非线性振动节奏的规则(时间发展规则)的方程式。这里，接收脉冲信号Spr11与附近节点j发送的输出脉冲信号Sout11相对应。

在(1)式中，变量t表示时间，函数θi(t)表示与时刻t的自身节点的非线性振动相对应的相位。函数θi(t)通过进行mod 2π(以2π除后的余数)的运算，始终取区间0≤θi(t)＜2π的值。

另外，如(2)式所示，Δθij(t)是通过从附近节点j的相位θj(t)减去自身节点i的相位θi(t)得到的相位差。若假定各节点在相位θi(t)＝0时，发送输出脉冲信号Sout11，则自身节点i可观测的相位差Δθij(t)仅是在从附近节点j接收到输出脉冲信号的定时(这时θj(t)＝0)的值，在1个周期为1次。这时，如图2所示，相位差Δθij(t)为-θi(t)。其中，相位差Δθij(t)通过对相加了2π的值实施mod 2π的运算，从而方便地取区间0≤θi(t)＜2π的值。在实施方式1中，使相位差Δθij(t)为如上述给出的量。在上述中，假定各节点在相位θi(t)＝0时发送输出脉冲信号Sout11，但即使作这样的假定也不失其普遍性。即使假定在相位0以外发送输出脉冲信号Sout11，也可同样地动作。

ωi是固有角振动频率参量，表示各节点具有的基本的节奏。这里，作为一个例子，假定将ωi的值预先在整个系统中统一成相同的值。

函数Pj(t)表示从附近节点j接收的接收脉冲信号Spr11。该函数表现的是具有矩形或高斯分布等脉冲状的函数形状的定时信号(不具有数据，简单地传递定时的信号)。函数Pj(t)的脉冲宽度和振幅值例如根据实验确定。

函数R(Δθij(t))是对应于接收脉冲信号Spr11的输入，表现改变自身节点的基本节奏的响应特性的相位响应函数。N表示在自身节点可接收接收脉冲信号Spr11的空间距离范围内存在的附近节点的总数。

函数ξ(Si(t))具有如下功能的项：在自身节点与附近节点的相对相位差小的情况下累积应力，对应于所累积的应力的值Si(t)，以随机的大小执行移相(相位状态变化)。这里，所谓相对相位差，是如下定义的量。相位差为Δθij，相对相位差为E时，是满足(3)式的值。

Δθij≤π时，E＝Δθij

Δθij＞π时，E＝2π-Δθij    ...(3)

因此，函数ξ(Si(t))是表现针对所累积的应力值Si(t)的响应特性的函数。下面，称该函数ξ(Si(t))为应力响应函数。

实施方式1具有如下特征：即使不存在集中管理节点，各节点也与附近节点相互作用，通过使依照表示非线性振动的模型的相位信号变化，可自律分散地决定时隙的分配，并且还具有如下特征：为了避免即使在自身节点与附近节点的相对相位差非常小的状态下，也产生作为稳定状态实现稳定化的节点这一问题，向表现非线性振动的模型中导入应力响应函数ξ(Si(t))。

下面，在说明应力响应函数ξ(Si(t))及相位响应函数R(Δθij(t))的具体例及其功能之前，说明与该函数相关的用语，(1)“数据发送的冲突”、(2)“冲突率(以冲突时间为基准的情况)”、(3)“冲突率(以冲突次数为基准的情况)”。

(1)“数据发送的冲突”

(1-1)设各节点为进行数据发送所必须的最低限度的时隙大小Wmin所对应的相位宽度为Φc。相位宽度Φc可作为Wmin与固有振动频率参量ωi的积(Φc＝Wmin·ωi)算出。另外，Wmin是与用途等相对应地决定的常数参量。

(1-2)在各节点中，与在可接收脉冲信号的空间距离范围内存在的附近节点的相对相位差比上述相位宽度Φc小时，“发生数据发送的冲突”。对于多个接收脉冲信号Spr11，即使存在1个相对相位差比相位宽度Φc小的信号时，也发生冲突。

(2)“冲突率(以冲突时间为基准的情况)”的算出方法的例子

在自身节点(节点i)中，作为表示在时刻t是否发生数据发送的冲突的函数，如(4)式所示定义了函数xi(t)。

(公式2)

$x_i\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& \mathrm{collision}\\ 0& \mathrm{else}\end{array}\right....\left(4\right)$

$y_i\left(t\right)={\∫}_{t-n\·T_i}^t{x}_i\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}...\left(5\right)$

$c_i\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\ω}}_i\·y_i\left(t\right)}{n\·{\mathrm{\φ}}_c}...\left(6\right)$

函数xi(t)是在时刻t发生冲突时(collision)取1、否则(else)取0值的函数。于是，如图5所示，n个周期的累积冲突时间yi(t)通过经n个周期累积(时间积分)函数xi(t)的值而得到。在(5)式中，Ti表示节点i的周期。累积冲突时间yi(t)表示在n个周期内函数xi(t)取1值的时间的总和，可通过观测函数xi(t)的值算出。

以最大累积冲突时间对上述累积冲突时间yi(t)进行标准化后形成的值ci(t)表示在n个周期内发生的冲突的时间比例，将其定义为冲突率。这里，最大累积冲突时间是累积冲突时间yi(t)的最大值。若假定各节点使用大小为Wmin(＝Φc/ωi)的时隙进行发信，则在n个周期内的累积冲突时间的最大值为n·Wmin(＝n·Φc/ωi)。因此，冲突率ci(t)可用(6)式算出。

但是，由于各节点的相位θ根据(1)式变化，所以周期Ti可在每个周期取得不同的值。因此，可产生累积冲突时间yi(t)超过最大累积冲突时间n·Wmin的情况，即冲突率ci(t)超过1的情况。这里，冲突率ci(t)超过1时，作为1处理。

在上述冲突率的定义中，作为一个例子，示出不考虑是否同时发生多个冲突的形态。但是，冲突率的定义方法不限于上述方法。例如，也可使用考虑同时发生多个冲突的情况的方法。另外，在上述冲突率的定义中，以冲突时间为基准来算出冲突率，但也可以冲突次数为基准来算出冲突率。

(3)“冲突率(以冲突次数为基准的情况)”的算出方法的例子

(S1)观测在1个周期单位中是否发生冲突。其中，在1个周期内发生多次冲突的情况下，仅以冲突的有无为考虑对象，计数为1。

(S2)对在n个周期内发生的冲突次数，即累积冲突数γ进行计数。

(S3)然后，将以最大累积冲突数(在n个周期内可发生的最大冲突次数n)对累积冲突数γ进行标准化后得到的值定义为冲突率。即，通过下面的(7)式定义冲突率ci(t)，并且使用(7)式算出冲突率。

Ci(t)＝γ/n    ...(7)

在利用(7)式的定义式算出冲突率时，与(6)式的情况相同，会产生冲突率超过1的情况。冲突率超过1时，作为1处理。另外，在上述冲突率的定义中，作为一个例子，示出不考虑1个周期内的多次冲突的形态(仅以冲突的有无为考虑对象的形态)，但也可使用考虑1个周期内的多次冲突的形态。

在下面的(2)及(3)项中说明的冲突率的定义(以冲突时间为基准的情况和以冲突次数为基准的情况)中，若使冲突时间或冲突次数普遍化地称为冲突量，则可如下表现。

观测n个周期内的累积冲突量，并将以最大累积冲突量(在n个周期内可发生的最大冲突量)对其进行标准化后得到的值定义为冲突率。

图1中的冲突率算出部22算出由(6)式或(7)式定义的冲突率ci(t)。

下面，说明相位算出部21在内部进行算出处理的相位响应函数R(Δθij(t))的具体例及其功能。

相位响应函数R(Δθij(t))例如由(8-1)式～(8-3)式定义。另外，图5是用图表表示由(8-1)式～(8-3)式定义的相位响应函数R(Δθij(t))的说明图。

(公式3)

$R\left({\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_{\mathrm{ij}}\left(t\right)\right)=\left\{\begin{array}{ccc}\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;({\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_{\mathrm{ij}}\left(t\right)-{\mathrm{\&phi;}}_d)& {\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_{\mathrm{ij}}\left(t\right)\&le;{\mathrm{\&phi;}}_d& ...(8-1)\\ 0& {\mathrm{\&phi;}}_d<{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_{\mathrm{ij}}\left(t\right)<2\mathrm{\&pi;}-{\mathrm{\&phi;}}_d& ...(8-2)\\ \mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;({\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_{\mathrm{ij}}\left(t\right)+{\mathrm{\&phi;}}_d-2\mathrm{\&pi;})& {\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_{\mathrm{ij}}\left(t\right)\&GreaterEqual;2\mathrm{\&pi;}-{\mathrm{\&phi;}}_d& ...(8-3)\end{array}\right.$

在上式中，Φd及α表示常数参量，其值根据实验确定。常数参量Φd取数据发送所必需的最低限度的相位宽度Φc以上的值(Φd＞＝Φc)。上述相位响应函数R(Δθij(t))具有使自身节点i的相位相对附近节点j的相位沿排斥力作用的方向变化的非线性特性。在自身节点i与附近节点的相对相位差Δθij(t)在Φd以下时，具有沿排斥力作用的方向变化的特性。通过使相位响应函数R(Δθij(t))具有这样的特性，可以提供使自身节点与附近节点的相对相位差Δθij(t)在冲突避免所必需的相位宽度Φc以上的力学特性。

但是，相位响应函数R(Δθij(t))的函数形式当然不限于上述的形式。可提供使自身节点与附近节点的相对相位差在相位宽度Φc以上的力学特性的函数可以利用各种形态(函数形式)来实现。

下面，说明通过累积应力算出部23及应力响应函数值算出部24依次的算出处理求出的应力响应函数ξ(Si(t))的具体例及其功能。

应力响应函数ξ(Si(t))例如由下面的(9-1)式、(9-2)式、(10-1)式、(10-2)式及(11)式规定。

(公式4)

$\mathrm{\&xi;}\left(S_i\left(t\right)\right)=\left\{\begin{array}{ccc}q\left(S_i\left(t\right)\right)& t=m\&CenterDot;n\&CenterDot;T_k& ...(9-1)\\ 0& t\&NotEqual;m\&CenterDot;n\&CenterDot;T_k(m=\mathrm{1,2},...)& ...(9-2)\end{array}\right.$

$S_i\left(t\right)={\&Integral;}_{t_s}^{t}s\left(c_i\left(\mathrm{\&tau;}\right)\right)\mathrm{d\&tau;}...\left(11\right)$

(11)式中的函数s(ci(t))是表示时刻t的冲突率ci(t)所对应的应力值的函数。例如，作为具有冲突率ci(t)越高、表示越大应力值的特性的函数来实现。作为一个例子，可以举出利用S形函数等的非线性函数，具有在冲突率ci(t)增大的同时，表示急剧增大的应力值的特性的函数。

(11)式中定义的函数Si(t)是表示对时刻(t)的应力值s(ci(t))进行累积(时间积分)后得到的值的函数。累积的时间区间是从根据上次累积的应力值Si(t)执行随机相移的时刻ts到当前的时刻t。即，在执行随机相移后，函数Si(t)的值被复位，从该时刻开始重复再次累积应力值s(ci(t))的动作。在时间t离散化给出时，函数Si(t)的积分运算可作为各时刻的应力值s(ci(t))的总和来计算。累积应力算出部23算出累积应力Si(t)。

(10-1)式或(10-2)式中定义的函数q(Si(t))是以与累积的应力值Si(t)相对应的概率返回随机数值的函数。以概率Si(t)返回值μ，以概率1-Si(t)返回值0。值μ是区间ε≤μ＜δ内的随机数，值ε及δ是根据实验确定的常数参量。

应力响应函数ξ(Si(t))是每隔n个周期评价所累积的应力值Si(t)，以与其相对应的概率返回随机数(μ或0)的函数。应力响应函数值算出部24算出应力响应函数ξ(Si(t))。

因此，如上述的(1)式所示，通过向非线性振动的模型导入应力响应函数ξ(Si(t))，(I)每隔n个周期评价所累积的应力值Si(t)，(II)实现以基于该评价值的概率执行随机相移的动作。即，在由冲突引起的应力值的累积越大的情况下，以越高的概率执行随机相移。在n个周期的整数倍的时刻以外，应力响应函数ξ(Si(t))的值为0，不执行随机相移。但是，如前所述，应力的累积不限于n个周期的期间，要注意是从上次执行随机相移的时刻ts开始到当前时刻t为止。这意味着，例如即使应力值s(ci(t))小，在经n个周期以上的长时间持续地累积后，应力值的累积Si(t)很快变大，可执行随机相移。

相位算出部21应用应力响应函数值ξ(Si(t))，算出由(1)式确定的相位θi(t)。

另外，也可通过软件实现适当执行上述运算的通信定时计算单元12，另外，也可通过执行运算的电子电路群的硬件实现，并且，也可混合软件和硬件来实现。

例如，(1)式中表示的运算的执行单元可作为文献2“户川隼人著、“UNIX工作站的科学技术计算手册-基础篇C语言版”、科学社发行”中公开的龙格-库塔法等的一般软件安装在节点上。龙格-库塔法是利用通过使微分方程式差分化(使连续时间变量t离散化)得到的差分方程(递推公式)来计算状态变量的变化(时间发展)的方法之一。

(A-3)实施方式1的效果

根据实施方式1，即使不存在集中管理节点，也可通过彼此收发脉冲信号，使各节点与附近节点相互作用，自律分散地确定时隙的分配，来执行通信。

这里，根据实施方式1，可以大大抑制不能获得为进行数据发送所必需的最低限度大小的时隙、实质上处于不能进行数据发送状态的节点的产生，从而可提高节点间的数据通信的稳定性及通信效率。

(B)实施方式2

下面，参照附图详述本发明的通信控制装置、通信控制方法、节点及通信系统的第2实施方式。

(B-1)第2实施方式的节点

在实施方式1中说明的是各节点相互收发输出脉冲信号Sout11的方式。这时，输出脉冲信号Sout11用作实现节点间的相互作用(对相互的相位状态产生影响的作用)的手段。

在本发明中，实现节点间的相互作用的方法不限于实施方式1。例如，也可构成通过直接收发实施方式1的相位θi(t)来相互作用的方式。即，也可以连续信号的形式相互收发各节点的相位状态等动作状态的变化来动作。

实施方式2是通过在多个节点间连续地收发相位信号来相互作用的方式。图6是表示连续收发相位信号的、实施方式2的节点的结构例的框图。

实施方式2的节点30具有相位信号接收单元31、干扰检测单元32、数据通信单元33、通信定时计算单元34、相位信号发送单元35，同时，虽然在图6中省略，但还设置有与实施方式1相同的调谐判定单元(14)和传感器(16)。另外，数据通信单元33也与实施方式1的对应结构相同。

代替实施方式1的脉冲信号接收单元11设置的相位信号接收单元31接收并处理由其它节点发送、该节点30接收的连续信号构成的输入相位信号Sin31，取出包含于该信号中的信息。输入相位信号Sin31规定在其它节点j中的相位信号θj(t)和干扰频带序号，向由干扰频带序号决定的频率的连续信号增添相位信号θj(t)(例如PM信号)。相位信号接收单元31向通信定时计算单元34提供输入相位信号Sin31中的其它节点j的相位信号θj(t)，并向干扰检测单元32提供接收状态的检测结果(例如，干扰频带序号及其接收定时等)。

干扰检测单元32根据来自相位信号接收单元31的接收状态的检测结果，向通信定时计算单元34提供在多个节点中输出相位信号Sout31中的干扰频带序号是否重复的干扰检测结果，并向相位信号发送单元35提供干扰检测结果和干扰检测后的干扰频带序号。

通信定时计算单元34与实施方式1大致相同，根据其它节点的相位信号θj(t)等，形成自身节点的相位信号θj(t)。关于通信定时计算单元34后面详述。

替代实施方式1的脉冲信号发送单元31设置的相位信号发送单元35发送添加了自身节点的相位信号θi(t)的输出相位信号Sout31。

这里，在实施方式2中，以使用不同的频带发送来自自身节点30的输出相位信号Sout31和输出数据信号Sout32为前提。并且，输出相位信号Sout31发送用的频带被细分成Nb个(Nb：整数)的频带。

实施方式2的具有多个节点的系统开始动作时，各节点执行由下面步骤1～步骤4构成的初始动作。

(步骤1)从Nb个频带中随机选择一个，使用所选择的频带发送输出相位信号Sout31。

(步骤2)根据输入相位信号Sin31的接收状态，检测多个附近节点是否使用相同频带发送输出相位信号Sout31。如果可以在各频带正常地接收输入相位信号Sin31，则判定为未产生干扰，相反，在接收失败时，判定为产生干扰。并且判定无法进行载波检测的频带未被使用。在存在产生干扰的频带时，在自身节点的输出相位信号Sout31上附加表示该干扰频带的序号后发送。

(步骤3)在下面(a)或(b)的情况下，以概率P变换自身节点在输出相位信号Sout31的发送中使用的频带，以概率1-P保持原样。这里，概率P是根据实验确定的常数参量。上述使用的频带的变换从在该时刻未使用的频带中随机地选择来执行。

(a)自身节点在输出相位信号Sout31的发送中使用的频带的序号、和表示附加在从附近节点接收的输入相位信号Sin31上的干扰频带的序号一致的情况

(b)自身节点在输出相位信号Sout31的发送中使用的频带的序号、和不能从附近节点正常接收输入相位信号Sin31的频带的序号一致的情况

(步骤4)在自身节点中不存在输入相位信号Sin31的接收失败的频带，并且在接收的全部输入相位信号Sin31上没有附加表示干扰频带的序号的情况下，判定在附近节点间使用分别不同的频带进行输出相位信号Sout31的收发成功。下面，将该状态称为稳定相互作用状态。

通过上述初始动作形成稳定相互作用状态后，开始如下的通信定时计算单元34的动作。但是，即使暂时形成稳定相互作用状态，在有新追加了节点等情况下，该状态也可能崩溃，并产生干扰频带。这种情况下，再次执行上述步骤2～步骤4的、形成稳定相互作用状态的过程。其中，仅新追加的节点执行上述步骤1～步骤4的动作。

(B-2)实施方式2的通信定时计算单元

下面，说明实施方式2的通信定时计算单元34的详细结构和功能。

实施方式2的通信定时计算单元34与实施方式1的通信定时计算单元12大致相同，也具有相位算出部41、冲突率算出部42、累积应力算出部43及应力响应函数值算出部44，在形成上述的稳定相互作用状态之后，与实施方式1大致相同地作用。另外，相位算出部41还执行形成稳定相互作用状态的初始动作。

实施方式2的通信定时计算单元34在稳定相互作用状态形成之后，如上所述，进行用于确定发送输出相位信号Sout31的定时的计算。通信定时计算单元34例如使用如(12)式所示的、使非线性振动模型化的公式进行用于确定该发送定时的计算。

(公式5)

$\frac{{\mathrm{d\&theta;}}_i\left(t\right)}{\mathrm{dt}}={\mathrm{\&omega;}}_i+\frac{K}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}R\left({\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_{\mathrm{ij}}\left(t\right)\right)+\mathrm{\&xi;}\left(S_i\left(t\right)\right)...\left(12\right)$

在实施方式1的情况下，根据其它节点的接收脉冲信号来确定，而在实施方式2的情况下，根据其它节点的相位信号来确定，所以在实施方式2的情况下，适用(12)式来代替(1)式。另外，在(12)式中，K是常数参量，其值根据实验确定。其它的函数或参量与实施方式1大致相同(例如，存在其它节点的相位是直接提供还是从脉冲信号的接收得到的差异等，严格地说不一致)，省略其说明。

就实施方式2的通信定时计算单元34根据(12)式形成自身节点的相位信号θi(t)的处理，说明与实施方式1的不同点如下。

在实施方式2的情况下，就“数据发送的冲突”，假定各节点使用自己的相位θi(t)为0≤θi(t)＜Φc的时间区间进行数据通信，自身节点的相位θi(t)为0≤θi(t)＜Φc(Φc是与所需最低限度的时隙的大小相对应的相位宽度)时，在附近节点j中存在取0≤θj(t)＜Φc的相位的节点的情况下，发生数据发送的冲突。在实施方式2中，以上述的含义使用“发生数据发送的冲突”这一用语。但是，与实施方式1相同，在各节点中，也可以在与存在于可接收相位信号的空间距离范围内的附近节点的相对相位差比上述的Φc小的情况下，定义为“发生数据发送的冲突”。

除上述点之外，与实施方式1相同。即，冲突率算出部24的冲突率ci(t)的算出方法与实施方式1的冲突率算出部22的算出方法相同。另外，相位算出部41的相位响应函数R(Δθij(t))的算出方法与实施方式1的相位算出部21的算出方法相同。并且，累积应力算出部43的累积应力值Si(t)的算出方法、和应力响应函数值算出部44的应力响应函数值ξ(Si(t))的算出方法与实施方式1的对应要素的算出方法相同。

(B-2)实施方式2的效果

根据实施方式2，即使不存在集中管理节点，也可通过彼此收发连续的相位信号，使各节点与附近节点相互作用，自律分散地确定时隙的分配来执行通信。

这里，根据实施方式2，可以大大抑制不能获得为进行数据发送所必需的最低限度大小的时隙、实质上处于不能进行数据发送状态的节点的产生，从而可提高节点间的数据通信的稳定性及通信效率。

(C)其它的实施方式

虽然在上述各实施方式的说明中也言及变形实施方式，但还可举出下面例示的变形实施方式。

(C-1)在实施方式1中，在通信定时计算单元12的处理说明中使用(1)式的微分方程式。但是，使用微分方程式的描述只不过是规定算出方法的一个例子的表现。这里，说明使用使(1)式的微分方程式差分化(使连续时间变量t离散化)得到的差分方程(递推公式)的描述方法的例子。

(公式6)

${\mathrm{\&theta;}}_i(u+1)={\mathrm{\&theta;}}_i\left(u\right)+[{\mathrm{\&omega;}}_i+\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_j\left(u\right)\&CenterDot;R\left({\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_{\mathrm{ij}}\left(u\right)\right)+\mathrm{\&xi;}\left(S_i\left(u\right)\right)]\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;t}$

u＝0，1，2，...                ···(13)

Δt：时间的节宽

在(13)式中，变量u是表示取正整数值的离散时间的变量。其它记号表示的含义与实施方式1相同，但要注意全部是离散时间变量u的函数这一点。另外，变量Δt表示时间的节宽，连接时间变量t和离散时间变量u存在t＝u·Δt的关系。(13)式表示根据时刻u的相位θi(u)的值，算出下一时刻u+1的相位θi(u+1)的值。

另外，上述的描述方法是使相位θi(t)的时间发展沿时间轴方向离散化来处理的描述方法。还可使用在时间轴方向的离散化的基础上，使状态变量离散化，即，使相位θi(t)的值本身离散化(量子化)来处理的描述方法。这种情况下，相位θi(t)的可取值为M个(M：自然数)离散值。这例如可使用(14)式来实现。在(14)式中，函数quan(^＊)表示以量子化宽度W来除变量^＊、忽视小数点以下的数值后得到的值。这里，量子化宽度W是以M来除变量^＊的动态范围(可取值的幅度)。在(14)式中，相位θi(u)表示离散时间u中量子化后的相位值。

(公式7)

${\mathrm{\&theta;}}_i(u+1)={\mathrm{\&theta;}}_i\left(u\right)+\mathrm{quan}\left(\right[{\mathrm{\&omega;}}_i+\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_j\left(u\right)\&CenterDot;R\left({\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_{\mathrm{ij}}\left(u\right)\right)+\mathrm{\&xi;}\left(S_i\left(u\right)\right)]\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;t})$

u＝0，1，2，...              ···(14)

Δt：时间的节宽

同样地，对实施方式2中示出的(12)式，也可使用上述的差分化或离散化形式的描述方法。这样的运算都可作为软件安装在节点上。

(C-2)如上所述，在实施方式1及2中，作为使非线性振动模型化的公式，示出(1)式及(12)式，并且，作为其它的描述方法，可以有各种变形方式。

但是，实现本发明的、使非线性振动模型化的公式的描述方法不限于上述各实施方式和已言及的变形实施方式。例如，也可使用文献3“户田盛和、渡边慎介著、“非线性力学”、共立出版发行”中公开的范德·保罗(フアン·デル·ポ一ル)方程等一般的非线性振动或无序振动模型。当然，节点间的相互作用在时间上离散的(脉冲)情况及连续的情况下都能实现。范德·保罗方程是使在电子电路上产生的非线性振动现象模型化的公式。范德·保罗方程的动作可使用电子电路，作为硬件安装在节点上。另外，也可使用龙格-库塔法等一般的数值计算法，作为软件安装在节点上。

本发明不依据与时间、动作状态或相互作用等有关的离散模型及连接模型、以及表现特定振动现象的模型等个别模型的描述方法的不同，而可以利用按某种时间发展规则转换动作状态的各种模型来实现。作为本发明实施方式的例子，定位于利用动作状态周期性或无序性变化的模型的方式。

(c-3)在实施方式1中，假设说明了在空间中分散配置的多个节点相互以无线方式交换数据的系统。但是，本发明的利用方式不限于进行无线通信的系统。也可适用于在空间分散配置的多个节点相互以有线方式交换数据的系统。例如，也可适用于象以太网(Ethernet：注册商标)等那样有线连接的LAN系统。另外，同样也可适用于有线连接的传感器、调节器或服务器等不同种类的节点混合存在的网络。当然，也可适用于有线连接的节点和无线连接的节点混合存在的网络。

并且，本发明在互联网上可用作各路由器在不同的定时相互交换例程表时所用的通信协议。这里，所谓路由器是具有分配在网络上流动的信息的目的地(通信路径选择)的功能的中继设备。另外，所谓例程表是在分配信息的目的地时参照的通信路径选择规则。为了实现有效的通信，必须对应网络上的变更或局部的通信量的变化等，依次更新例程表。因此，存在于网络上的多个路由器相互以一定时间间隔进行例程表的交换。但是，如在文献4“Floy d，S.，and Jacobson，V.，“The Synchronization of Periodic Routing Message”，IEEE/ACMTransactions on Networking，Vol.2.No.2，pp.122-136，April 1994.”中公开的那样，可知尽管各路由器分别独立地发送例程表，但产生路由器相互的发送逐渐同步(冲突)的现象。在上述文献4中，提出针对在例程表的交换中使用的通信协议，通过向各节点的处理周期提供随机的变动性来处理该问题的方法，并得到一定的效果。但是，上述文献公开的方法基本上是仅依赖于随机性的方法，所以其效果不充分。

相反，若将本发明适用于上述问题，则可在附近的路由器间，自律地互相调整发送例程表的时隙。因此，各路由器的发送变为各不相同的定时，可取得比上述文献4中公开的方法好的效果。

如上述说明，本发明可适用于无论无线系统还是有线系统的所有网络中存在的发送数据的冲突或同步的问题，可用作实现兼具适应性和稳定性的有效数据通信的通信协议。

(C-4)在实施方式1及2中，作为一个例子，假定固有角振动频率参量ωi在系统整体中统一成相同的值。但是，这在实施本发明方面不是必须事项。即使在每个节点中ωi的值不同，也可动作。例如，即使各节点的ωi的值以基准值为中心、在其附近按照高斯分布等概率分布略有波动，也可动作。

(C-5)本发明在通信定时信息(实施方式中的相位信号)的取得控制方面具有特征，与在通信中怎样利用该定时信息无关。例如，只要是来自各节点的数据信号的发送频率不同的情况，就可在不设定时隙的情况下进行通信，在这种情况下，也可根据通信定时信息确定数据通信的开始期间。

(C-6)作为与本申请发明有关的在先申请的专利申请，包括特愿2003-328530号，在该在先申请的专利申请的说明书及附图中记载了多个变形实施方式，其中，可适用于本申请的也构成本申请的变形实施方式。

Claims (11)

1、一种通信控制装置，具有通信定时计算单元，该通信定时计算单元安装在构成通信系统的多个节点的每一个上，根据在内部变化的相位状态来决定来自自身节点的数据发送的定时，其特征在于，

上述通信定时计算单元具有：

相位算出部，基于对反映了表示附近节点的数据发送定时的相位的、来自附近节点的状态变量信号的接收，按照预定的时间发展规则使自身节点的相位状态变化；

冲突率算出部，观测自身节点与附近节点的相位差，根据该相位差，算出来自自身节点的数据发送的定时与来自附近节点的数据发送的定时的冲突率；和

应力响应函数值生成部，在时间上累积与冲突率相对应的应力值，对应所累积的应力值，按上述相位算出部使用的时间发展规则产生随机大小的相移，

其中，上述相位算出部使用的上述时间发展规则在自身节点与附近节点的相对相位差小于等于避免冲突所必需的相位宽度的情况下，使用具有使自身节点的相位在排斥力作用的方向上相对于附近节点的相位变化这样的力学特性的相位响应函数。

2、根据权利要求1所述的通信控制装置，其特征在于：

上述冲突率算出部观测一定时间内的累积冲突量，将以最大累积冲突量对其进行标准化后得到的值作为冲突率，算出冲突率。

3、根据权利要求1所述的通信控制装置，其特征在于：

上述应力响应函数值生成部根据具有冲突率越高、表示越大的应力值的特性的函数，算出应力值。

4、根据权利要求3所述的通信控制装置，其特征在于：

上述应力响应函数值生成部将累积的时间区间设为从与上次所累积的应力值相对应地执行了随机相移的时刻开始至当前时刻。

5、根据权利要求4所述的通信控制装置，其特征在于：

上述应力响应函数值生成部每隔一定时间间隔，评价所累积的应力值，并以基于该评价值的概率，按时间发展规则产生随机大小的相移。

6、根据权利要求1所述的通信控制装置，其特征在于：

具有脉冲信号通信单元，按由自身节点的相位所决定的定时离散地发送作为状态变量信号的脉冲信号，并且接收附近节点发送的脉冲信号，使上述相位算出部可利用该附近节点的相位。

7、根据权利要求1所述的通信控制装置，其特征在于：

具有相位信号通信单元，持续地发送作为反映了自身节点的相位的状态变量信号的、连续的相位信号，并且接收附近节点发送的相位信号，使上述相位算出部可利用该附近节点的相位。

8、根据权利要求7所述的通信控制装置，其特征在于：

相位信号和数据信号使用不同的频带进行通信，同时，将相位信号发送用的频带细分成整数个频带，

具有相位信号频带选择单元，在该相位信号频带选择单元与附近节点之间彼此收发相位信号作为初始动作，选择各节点利用的相位信号发送用的频带。

9、一种节点，其特征在于：

具有如权利要求1～8中任意一个所述的通信控制装置。

10、一种通信系统，其特征在于：

分散配置有多个如权利要求9所述的节点。

11、一种通信控制方法，包含通信定时计算步骤，该通信定时计算步骤由构成通信系统的多个节点分别执行、根据在内部变化的相位状态决定来自自身节点的数据发送的定时，其特征在于，

上述通信定时计算步骤包含：

相位算出子步骤，基于对反映了表示附近节点的数据发送定时的相位的、来自附近节点的状态变量信号的接收，按照预定的时间发展规则使自身节点的相位状态变化；

冲突率算出子步骤，观测自身节点与附近节点的相位差，根据该相位差，算出来自自身节点的数据发送的定时与来自附近节点的数据发送的定时的冲突率；和

应力响应函数值生成子步骤，在时间上累积与冲突率相对应的应力值，对应所累积的应力值，按上述相位算出子步骤使用的时间发展规则，产生随机大小的相移，

其中在上述相位算出子步骤中使用的上述时间发展规则在自身节点与附近节点的相对相位差小于等于避免冲突所必需的相位宽度的情况下，使用具有使自身节点的相位在排斥力作用的方向上相对于附近节点的相位变化这样的力学特性的相位响应函数。

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