JP2006074619A - 通信制御装置、通信制御方法、ノード及び通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】 管理ノードが各ノードに通信タイミングを指示することなく、各ノードが有効な通信を実行できるようにする。
【解決手段】 通信システムを構成する各ノードには通信制御装置が設けられ、通信制御装置は、自ノードの位相の状態に基づいて自ノードからのデータ発信のタイミングを決定する通信タイミング計算手段を備える。通信タイミング計算手段は、近傍ノードのデータ発信のタイミングを表す位相が反映された近傍ノードからの状態変数信号の受信に基づき、予め定められている位相応答関数に基づく時間発展規則に従って自ノードの位相の状態を変化させる位相算出部と、自ノードと近傍ノードとの位相差を観測し、その位相差に基づいて、自ノードからのデータ発信のタイミングと近傍ノードからのデータ発信タイミングとの衝突率を算出する衝突率算出部と、位相応答関数の特性を衝突率に応じて変化させる位相応答関数特性決定部とを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は通信制御装置、通信制御方法、ノード及び通信システムに関し、例えば、センサネットワークやＬＡＮ（Local Area Network）に接続された複数の機器から構成されるシステム等のように、空間に分散配置された多数のノードや移動体に設置されたノードが、相互にデータ通信を行う場合において電波干渉等による通信データの衝突を回避しようとしたものである。

空間に分散配置された複数のノードが衝突することなくデータ通信し得るようにするための方式として、ＴＤＭＡ方式、ＣＳＭＡ（ＣＳＭＡ／ＣＡやＣＳＭＡ／ＣＤ）方式などがある（非特許文献１参照）。

ＣＳＭＡ方式は、発信しようとするノードは、他のノードが通信中か否かをキャリア（周波数）の存在に基づいて確認し、通信が実行されていないときに発信するものである。しかしながら、ＣＳＭＡ方式の場合、トラフィックを発生するノードが多くなるとオーバーヘッドが大きくなり、通信効率の低下が避けられない。

ＴＤＭＡ方式は、各ノードに異なるタイムスロットを割当て、各ノードは自己に割り当てられているタイムスロットでデータ送信を行うものであり、ＴＤＭＡ方式では、通信に供するノードが動的に変化する場合、あるノード（管理ノード）が、各ノードへのタイムスロットを動的に割り当てたりする。
松下温、中川正雄編著、「ワイヤレスＬＡＮアーキテクチャ」、共立出版、１９９６年、ｐ．４７、５３〜５９、６９

しかし、ＴＤＭＡ方式の場合、タイムスロットの割当てを行う管理ノードが故障すると、通信システム全体がダウンする。また、各ノードに動的にタイムスロットを再割当てする処理は煩雑であり、状況変化に迅速に対応できないことも生じる。さらに、ＴＤＭＡ方式の場合、タイムスロット自体の幅を変更するようなこともできない。

そのため、管理ノードが各ノードに通信タイミングを指示することなく、各ノードが有効な通信を実行できる柔軟性が高い通信制御装置、通信制御方法、ノード及び通信システムが望まれている。

第１の本発明は、通信システムを構成する複数のノードのそれぞれに搭載される、内部で変化させる位相の状態に基づいて自ノードからのデータ発信のタイミングを決定する通信タイミング計算手段を備えた通信制御装置であって、上記通信タイミング計算手段は、近傍ノードのデータ発信のタイミングを表す位相が反映された近傍ノードからの状態変数信号の受信に基づき、予め定められている位相応答関数に基づく時間発展規則に従って自ノードの位相の状態を変化させる位相算出部と、自ノードと近傍ノードとの位相差を観測し、その位相差に基づいて、自ノードからのデータ発信のタイミングと近傍ノードからのデータ発信タイミングとの衝突率を算出する衝突率算出部と、上記位相応答関数の特性を衝突率に応じて変化させる位相応答関数特性決定部とを有することを特徴とする。

第２の本発明のノードは、第１の本発明の通信制御装置を有することを特徴とする。

第３の本発明の通信システムは、第２の本発明のノードを複数分散配置して有することを特徴とする。

第４の本発明は、通信システムを構成する複数のノードのそれぞれに搭載される、内部で変化させる位相の状態に基づいて自ノードからのデータ発信のタイミングを決定する通信タイミング計算工程を含む通信制御方法であって、上記通信タイミング計算工程が、近傍ノードのデータ発信のタイミングを表す位相が反映された近傍ノードからの状態変数信号の受信に基づき、予め定められている位相応答関数に基づく時間発展規則に従って自ノードの位相の状態を変化させる位相算出サブ工程と、自ノードと近傍ノードとの位相差を観測し、その位相差に基づいて、自ノードからのデータ発信のタイミングと近傍ノードからのデータ発信タイミングとの衝突率を算出する衝突率算出サブ工程と、上記位相応答関数の特性を衝突率に応じて変化させる位相応答関数特性決定サブ工程とを含むことを特徴とする。

本発明の通信制御装置、通信制御方法、ノード及び通信システムによれば、集中管理ノードが存在しなくても、状態変数信号を授受し合うことを通じて、各ノードが近傍ノードと相互作用して、自律分散的にタイムスロットの割り当てを決定して通信を実行することができ、しかも、近傍ノード間において獲得されるタイムスロットの大きさをほぼ均等化することが可能になり、データ発信を行うために最低限必要な大きさのタイムスロットが獲得できず、実質的にデータの発信ができない状態に陥るノードの発生を抑制でき、ノード間におけるデータ通信の安定性及び通信効率を向上させることができる。

（Ａ）第１の実施形態
以下、本発明による通信制御装置、通信制御方法、ノード及び通信システムの第１の実施形態を、図面を参照しながら詳述する。なお、この第１の実施形態は、例えば、センサネットワークやアドホックネットワーク等のように、空間に分散配置された多数のノードが、相互に無線でデータをやり取りするシステムを想定している。

第１の実施形態は、各ノードがインパルス信号を発生し、また、自分以外のノードが発生するインパルス信号を有効に検出することによって、近傍のノードと相互に作用し合い、自律分散的にタイムスロットの割り当てを決定するものである。

第１の実施形態の通信システムは、無線回線を介してデータを授受する、空間中に分散配置された複数のノードを備えている。ここで、第１の実施形態は、各ノードの位置が通信中はほとんど変化しないものを想定している。

（Ａ−１）第１の実施形態のノード
各ノードは、図２の機能ブロック図に示す詳細構成を有している。図２において、ノード１０は、インパルス信号受信手段１１、通信タイミング計算手段１２、インパルス信号送信手段１３、同調判定手段１４、データ通信手段１５及びセンサ１６を有する。なお、通信制御装置としては、インパルス信号受信手段１１、通信タイミング計算手段１２、インパルス信号送信手段１３及び同調判定手段１４が構成要素となっている。

インパルス信号受信手段１１は、近傍ノード（例えば、そのノードの発信電波が届く範囲に存在する他のノード）が発信した出力インパルス信号（宛先情報は含まれていない）を入力インパルス信号Ｓｉｎ１１として受信するものである。ここで、インパルス信号はタイミング信号として授受されるものであり、例えば、ガウス分布形状等のインパルス形状を有するものである（なお、インパルス信号がなんらかのデータ情報を保持するものであっても良い）。受信インパルス信号Ｓｐｒ１１は、入力インパルス信号Ｓｉｎ１１を波形整形したものでも良く、信号を再生成したものであっても良い。

通信タイミング計算手段１２は、その詳細は後述するが、受信インパルス信号Ｓｐｒ１１に基づいて、当該ノードでの通信タイミングを規定する位相信号Ｓｐｒ１２を形成して出力するものである（なお、受信インパルス信号Ｓｐｒ１１がない場合であっても位相信号Ｓｐｒ１２を形成して出力する）。ここで、当該ノードｉの位相信号Ｓｐｒ１２の時刻ｔでの位相値をθｉ（ｔ）とすると、通信タイミング計算手段１２は、受信インパルス信号Ｓｐｒ１１に基づいて、後述するように、位相信号Ｓｐｒ１２（＝θｉ（ｔ））を非線形振動リズムで変化させる。この位相信号の変化は、近傍のノード同士が逆相（振動の位相が反転位相）又は他の位相になろうとする非線形特性を実現し、その特性を用いて衝突回避を実行させようとしたものである。すなわち、近傍のノード間における出力インパルス信号Ｓｏｕｔ１１の発信タイミングなどが衝突しないように、適当な時間関係（時間差）を形成させようとしている。

通信タイミング計算手段１２の機能の意味合いを図３及び図４を用いて詳述すると以下の通りである。なお、図３及び図４に示す状態変化は、インパルス信号送信手段１３の機能も関係している。

図３及び図４は、ある１つのノードに着目したときに、着目ノード（自ノード）と近傍ノード（他ノード）との間に形成される関係、すなわち、それぞれの非線形振動リズム間の位相関係が時間的に変化していく様子を示している。

図３は、着目ノードｉに対して近傍ノードｊが１個存在する場合である。図３において、円上を回転する２つの質点の運動は、着目ノードと近傍ノードに対応する非線形振動リズムを表しており、質点の円上の角度がその時刻での位相信号の値を表している。質点の回転運動を縦軸あるいは横軸に射影した点の運動が非線形振動リズムに対応する。後述する（１）式に基づく動作により、２つの質点は相互に逆相になろうとし、仮に、図３（ａ）に示すように初期状態で２つの質点の位相が近くても、時間経過と共に、図３（ｂ）に示す状態（過渡状態）を経て、図３（ｃ）に示すような２つの質点の位相差がほぼπである定常状態に変化していく。

２つの質点は、それぞれ固有角振動数パラメータωを基本的な角速度（自己の動作状態を遷移させる基本速度に相当）とする回転をしている。ここで、ノード間でインパルス信号の送受信に基づく相互作用が生じると、これらの質点は、それぞれ角速度を変化（緩急）させ、結果的に、適当な位相関係を維持する定常状態に到達する。この動作は、２つの質点が回転しながら相互に反発しあうことによって、安定な位相関係を形成するものと見ることができる。定常状態では、後述するように、それぞれのノードが所定の位相（例えば０）のときに出力インパルス信号Ｓｏｕｔ１１を発信するとした場合、互いのノードにおける発信タイミングは、適当な時間関係を形成していることになる。

また、図４は、着目ノードｉに対して２個の近傍ノードｊ１、ｊ２が存在する場合を表している。近傍ノードが２個存在する場合においても、上述と同様に、それぞれの質点が回転しながら相互に反発しあうことによって、安定な位相関係（時間的な関係に関する安定性）を形成する。近傍ノード数が３個以上の場合についても同様である。

上述の安定な位相関係（定常状態）の形成は、近傍ノード数の変化に対して非常に適応的（柔軟）な性質を持つ。例えば、今、着目ノードに対して近傍ノードが１個存在し、安定な位相関係（定常状態）が形成されているときに、近傍ノードが１個追加されたとする。定常状態は一旦崩壊するが、過渡状態を経た後、近傍ノードが２個の場合における新たな定常状態を再形成する。また、近傍ノードが削除された場合や故障等により機能しなくなった場合においても、同様に適応的な動作をする。

通信タイミング計算手段１２は、得られた位相信号Ｓｐｒ１２（＝θｉ（ｔ））を、インパルス信号送信手段１３、同調判定手段１４及びデータ通信手段１５に出力する。

インパルス信号送信手段１３は、位相信号Ｓｐｒ１２に基づいて、出力インパルス信号Ｓｏｕｔ１１を送信する。すなわち、位相信号Ｓｐｒ１２が所定の位相α（０≦α＜２π）になると、出力インパルス信号Ｓｏｕｔ１１を送信する。ここで、所定の位相αは、予めシステム全体で統一しておくことが好ましい。以下では、α＝０にシステム全体で統一されているとして説明する。なお、図３の例で言えば、ノードｉとノードｊとでは、定常状態で相互の位相信号Ｓｐｒ１２がπだけずれているので、α＝０にシステム全体で統一しても、ノードｉからの出力インパルス信号Ｓｏｕｔ１１の送信タイミングと、ノードｊからの出力インパルス信号Ｓｏｕｔ１１の送信タイミングとはπだけずれている。

同調判定手段１４は、自ノードや１又は複数の近傍ノードの間で行われる出力インパルス信号Ｓｏｕｔ１１の送信タイミングの相互調整が、「過渡状態」（図３（ｂ）、図４（ｂ）参照）あるいは「定常状態」（図３（ｃ）、図４（ｃ）参照）のいずれの状態にあるかを判定するものである。同調判定手段１４は、受信インパルス信号Ｓｐｒ１１（他ノードの出力インパルス信号Ｓｏｕｔ１１に対応する）及び出力インパルス信号Ｓｏｕｔ１１の発生タイミングを観測し、インパルス信号を授受し合う複数のノードの発生タイミング間の時間差が時間的に安定している場合に「定常状態」であると判定する。なお、この実施形態の場合には、同調判定手段１４には、自ノードからの出力インパルス信号Ｓｏｕｔ１１の発生タイミングを捉えるための信号として、出力インパルス信号Ｓｏｕｔ１１に代えて、位相信号Ｓｐｒ１２が入力されている。

同調判定手段１４は、例えば、以下の（ａ）〜（ｄ）のような処理を実行して同調判定を行う。

（ａ）受信インパルス信号Ｓｐｒ１１の発生タイミングにおける位相信号Ｓｐｒ１２の値βを、位相信号Ｓｐｒ１２の１周期に亘って観測する。ここでは、上記の観測を行った結果、得られる位相信号Ｓｐｒ１２の値βをそれぞれ、β１，β２，…，βＮ （０＜β１＜β２＜…＜βＮ＜２π）とする。

（ｂ）観測された位相信号Ｓｐｒ１２の値βに基づいて、隣接値間の差（位相差）△１＝β１，△２＝β２−β１，…，△Ｎ＝βＮ−β（Ｎ−１）を算出する。

（ｃ）上記（ａ）及び（ｂ）の処理を位相信号Ｓｐｒ１２の周期単位に行い、相前後する周期における位相差△の変化量（差分）γ１＝△１（τ+１）−△１（τ），γ２＝△２（τ+１）−△２（τ），…，γＮ＝△Ｎ（τ+１）−△Ｎ（τ）を算出する。ここで、τは、位相信号Ｓｐｒ１２のある周期を示しており、τ＋１は、位相信号Ｓｐｒ１２のその次の周期を示している。

（ｄ）上述の変化量γが、いずれも微小パラメータ（閾値）εよりも小さい場合、すなわち、γ１＜ε，γ２＜ε，…，γＮ＜εの場合に、「定常状態」であると判定する。

なお、γ１＜ε，γ２＜ε，…，γＮ＜εという条件がＭ周期にわたって満足される場合を定常状態と判定するようにしても良い。Ｍの値を大きくするほど、より安定性の高い状態で「定常状態」と判定できる。また、一部の受信インパルス信号Ｓｐｒ１１に基づいて、「定常状態」の判定を行っても構わない。

同調判定手段１４は、位相信号Ｓｐｒ１２の周期毎に、判定結果を示す同調判定信号Ｓｐｒ１３と、受信インパルス信号Ｓｐｒ１１の発生タイミングにおける位相信号Ｓｐｒ１２の値βの最小値β１をスロット信号Ｓｐｒ１４としてデータ通信手段１５に出力する。なお、最小値β１をスロット信号Ｓｐｒ１４として出力するようにしたのは、上述したように、α＝０としていることと関係しており、αの値の選定によっては、スロット信号Ｓｐｒ１４に適用するβの値は変化する。

当該ノード１０は、他のノードから受信したデータを中継して送信する機能と、自己を送信元とするデータ送信機能とを有している。

センサ１６は、後者の場合の一例として書き出したものであり、例えば、音や振動の強度、化学物質の濃度、温度など、物理的又は化学的な環境情報Ｓｉｎ１３を検知して観測データＳｐｒ１５をデータ通信手段１５に出力するものである。

また、前者の場合には、データ通信手段１５に、近傍ノードが送信したデータ信号（出力データ信号Ｓｏｕｔ１２）が入力データ信号Ｓｉｎ１２として受信される。

データ通信手段１５は、観測データＳｐｒ１５及び又は入力データ信号Ｓｉｎ１２（両方の場合を含む）を出力データ信号Ｓｏｕｔ１２として他ノードに送信する。データ通信手段１５は、この送信を、同調判定信号Ｓｐｒ１３が「定常状態」を示す場合に、後述するタイムスロット（システムなどが割り当てた固定的な時間区間ではないが、「タイムスロット」という用語を用いる）で行ない、同調判定信号Ｓｐｒ１３が「過渡状態」を示す場合には送信動作を停止している。なお、出力データ信号Ｓｏｕｔ１２は、出力インパルス信号Ｓｏｕｔ１１と同一周波数帯で送信周波数とするものであっても良い。

タイムスロットは、位相信号Ｓｐｒ１２の位相θｉ（ｔ）がδ１≦θｉ（ｔ）≦β１−δ２である期間である。タイムスロットの開始点（そのときの位相信号の値をδ１とする）は、出力インパルス信号Ｓｏｕｔ１１の送信が終了したタイミングであり、タイムスロットの終了点（そのときの位相信号の値をβ１−δ２とする）は、位相信号Ｓｐｒ１２の周期毎の最初の受信インパルス信号Ｓｐｒ１１のタイミングより多少のオフセット分δ２だけ前のタイミングとしている。δ１やδ２は、当該ノード１０の近傍の無線空間で、インパルス信号（送信元は自ノードの場合、他ノードの場合の双方を含む）と、データ信号（送信元は自ノードの場合、他ノードの場合の双方を含む）とが同時に存在しないことを補償するためのごく短い時間に対応する位相幅である。δ１及びδ２は、例えば、ノード１０の設置状況下で実験的に決定する。

例えば、図３（ｃ）に示すような「定常状態」の場合、ノードｉは、位相θｉが０から出力インパルス信号Ｓｏｕｔ１１を送信し始め、位相θｉがδ１になる前に、出力インパルス信号Ｓｏｕｔ１１の送信を終了させておき、位相θｉがδ１から出力データ信号Ｓｏｕｔ１２を送信し始め、位相θｉがβ１−δ２になると（但しβ１≒π）、出力データ信号Ｓｏｕｔ１２の送信が終了させ、それ以降、位相θｉが再び０になるまで、出力インパルス信号Ｓｏｕｔ１１の送信も出力データ信号Ｓｏｕｔ１２の送信も停止させる。他方のノードｊも、位相θｊに基づいて同様な動作を実行するが、位相θｉと位相θｊとがほぼπだけずれているので、送信動作が競合することはない。ノード数が３以上の場合も同様に動作し、送信動作が競合することはない。

（Ａ−２）通信タイミング計算手段１２の詳細
図１は、通信タイミング計算手段１２の詳細構成を示すブロック図である。図１において、通信タイミング計算手段１２は、位相算出部２１、衝突率算出部２２、蓄積ストレス算出部２３、ストレス応答関数値算出部２４及び位相応答関数特性決定部２５を有する。

通信タイミング計算手段１２は、上述したように、出力インパルス信号Ｓｏｕｔ１１を発信するタイミングを決定するための計算を行うものである。通信タイミング計算手段１２は、この発信タイミングを決定するための計算を、例えば、（１）式のような非線形振動をモデル化した数式を用いて行う。

（１）式は、受信インパルス信号Ｓｐｒ１１の入力に応じて、自ノード（ノードｉ）の非線形振動のリズムを時間的に変化させる規則（時間発展規則）を表す方程式である。ここで、受信インパルス信号Ｓｐｒ１１は、近傍ノードｊが発信した出力インパルス信号Ｓｏｕｔ１１に対応する。

（１）式において、変数ｔは時間を表し、関数θｉ（ｔ）は、時刻ｔにおける自ノードの非線形振動に対する位相を表す。関数θｉ（ｔ）は、ｍｏｄ ２π（２πで割った余り）の演算を施すことにより、常に、区間０≦θｉ（ｔ）＜２πの値を取るものとする。

また、Δθｉｊ（ｔ）は、（２）式に示すように、近傍ノードjの位相θｊ（ｔ）から自ノードｉの位相θｉ（ｔ）を引くことにより得られる位相差である。各ノードが位相θｉ（ｔ）＝０のときに、出力インパルス信号Ｓｏｕｔ１１を発信すると仮定すると、自ノードｉが観測可能な位相差Δθｉｊ（ｔ）は、近傍ノードｊから出力インパルス信号を受信したタイミング（このときθｊ（ｔ）＝０）における値のみであり、１周期に１回となる。このとき、位相差Δθｉｊ（ｔ）は、（２）式に示すように、−θｉ（ｔ）となる。但し、位相差Δθｉｊ（ｔ）は、２πを加算した値にｍｏｄ ２πの演算を施すことにより、便宜的に区間０≦Δθｉｊ（ｔ）＜２πの値を取るものとする。第１の実施形態では、位相差Δθｉｊ（ｔ）を上記のように与えられる量とする。上記では、各ノードが位相θｉ（ｔ）＝０のときに出力インパルス信号Ｓｏｕｔ１１を発信すると仮定したが、このような仮定をしても一般性を失うものではない。位相０以外で出力インパルス信号Ｓｏｕｔ１１を発信すると仮定しても、同様に動作させることが可能である。

ωｉは、固有角振動数パラメータであり、各ノードが備える基本的なリズムを表している。ここでは、一例として、ωｉの値を予めシステム全体で同一の値に統一しておくものと仮定する。

関数Ｐｊ（ｔ）は、近傍ノードｊから受信した受信インパルス信号Ｓｐｒ１１を表している。この関数は、矩形やガウス分布等のインパルス状の関数形状を有するタイミング信号（データをもたず、単にタイミングを伝達する信号）を表現している。関数Ｐｊ（ｔ）のパルス幅と振幅値は、例えば、実験的に決定する。

関数Ｒ（Δθｉｊ（ｔ））は、受信インパルス信号Ｓｐｒ１１の入力に応じて、自ノードの基本的なリズムを変化させる応答特性を表現する位相応答関数である。Ｎは、自ノードが受信インパルス信号Ｓｐｒ１１を受信可能な空間的距離範囲に存在する近傍ノードの総数を表す。

関数ξ（Ｓｉ（ｔ））は、自ノードと近傍ノードとの相対位相差が小さい場合にストレスを蓄積し、蓄積されたストレス値Ｓｉ（ｔ）に応じてランダムな大きさで位相シフト（位相状態変化）を実行する働きをする項である。ここで、相対位相差とは、次のように定義される量である。位相差をΔθｉｊ、相対位相差をＥとすると、（３−１）式及び（３−２）式を満たす値である。

Δθｉｊ≦π のときに Ｅ＝Δθｉｊ …（３−１）
Δθｉｊ＞π のときに Ｅ＝２π−Δθｉｊ …（３−２）
従って、関数ξ（Ｓｉ（ｔ））は、蓄積されたストレス値Ｓｉ（ｔ）に対する応答特性を表現する関数である。以下では、この関数ξ（Ｓｉ（ｔ））をストレス応答関数と呼ぶ。

第１の実施形態は、集中管理ノードが存在しなくても、各ノードが近傍ノードと相互作用し、非線形振動を表現するモデルに従っている位相信号を変化させることによって、自律分散的にタイムスロットの割り当てを決定できることに特徴を有し、また、自ノードと近傍ノードとの相対位相差が非常に小さい状態であっても定常状態として安定化してしまうノードが発生するような自体を避けるべく、非線形振動を表現するモデルにストレス応答関数ξ（Ｓｉ（ｔ））を導入したことに特徴を有している。

次に、ストレス応答関数ξ（Ｓｉ（ｔ））及び位相応答関数Ｒ（Δθｉｊ（ｔ））の具体例とその機能を説明する前に、これら関数に関連する用語、（ア）「データ発信の衝突」、（イ）「衝突率（衝突時間を基準とする場合）」、（ウ）「衝突率（衝突回数を基準とする場合）」について説明する。

（ア）「データ発信の衝突」
（ア−１） 各ノードがデータの発信を行うために最低限必要なタイムスロットの大きさＷminに対応する位相幅をφｃとする。位相幅φｃは、Ｗminと固有振動数パラメータωｉの積（φｃ＝Ｗmin・ωｉ）として算出することができる。また、Ｗminは、用途等に応じて決まる定数パラメータである。

（アー２） 各ノードにおいて、インパルス信号を受信可能な空間的距離範囲に存在する近傍ノードとの相対位相差が、上記位相幅φｃよりも小さい場合は「データ発信の衝突が生起している」ものとする。複数の受信インパルス信号Ｓｐｒ１１に対して、１つでも相対位相差が位相幅φｃよりも小さいものが存在する場合は衝突が生起しているものとする。

（イ）「衝突率（衝突時間を基準とする場合）」の算出方法の一例
自ノード（ノードｉ）において、時刻ｔにデータ発信の衝突が生起しているか否かを表す関数として、関数ｘｉ（ｔ）を（４）式に示すように定義する。

関数ｘｉ（ｔ）は、時刻ｔに衝突が生起しているとき（collision）に１、そうでないとき（else）に０の値を取る関数である。すると、ｎ周期間における累積衝突時間ｙｉ（ｔ）は、（５）式に示すように、関数ｘｉ（ｔ）の値をｎ周期に渡って累積（時間積分）することによって得られる。（５）式において、Ｔｉはノードｉの周期を表す。累積衝突時間ｙｉ（ｔ）は、ｎ周期間において関数ｘｉ（ｔ）が１の値を取る時間の総和を表し、関数ｘｉ（ｔ）の値を観測することによって算出することができる。

このような累積衝突時間ｙｉ（ｔ）を最大累積衝突時間で規格化した値ｃｉ（ｔ）は、ｎ周期間に生起した衝突の時間的な割合を表し、これを衝突率と定義する。ここで、最大累積衝突時間は、累積衝突時間ｙｉ（ｔ）の最大値である。各ノードが、大きさＷｍｉｎ（＝φｃ／ωｉ）のタイムスロットを用いて発信を行うと仮定すると、ｎ周期間における累積衝突時間の最大値は、ｎ・Ｗｍｉｎ（＝ｎ・φｃ／ωｉ）となる。従って、衝突率ｃｉ（ｔ）は、（６）式を用いて算出することができる。

但し、各ノードの位相θが（１）式に従って変化するため、周期Ｔｉは、毎周期ごとに異なる値を取り得る。このため、累積衝突時間ｙｉ（ｔ）が、最大累積衝突時間ｎ・Ｗｍｉｎを超える場合、すなわち、衝突率ｃｉ（ｔ）が１を超える場合が発生し得る。ここでは、衝突率ｃｉ（ｔ）が１を超える場合は、１として扱うものとする。

上記の衝突率の定義では、一例として、同時に複数の衝突が生起しているか否かを考慮しない形態を示した。しかし、衝突率の定義方法は、上記の方法に限定されないものである。例えば、同時に複数の衝突が生起している場合を考慮する方法を用いることも可能である。また、上記の衝突率の定義では、衝突時間を基準に衝突率を算出したが、衝突回数を基準に衝突率を算出することも可能である。

（ウ）「衝突率（衝突回数を基準とする場合）」の算出方法の一例
（Ｓ１）１周期単位に衝突が生起したか否かを観測する。但し、１周期内に衝突が複数回生起した場合においても、衝突の有無だけを問題にするものとし、カウントを１とする。

（Ｓ２）ｎ周期間に生起した衝突回数、すなわち、累積衝突数γをカウントする。

（Ｓ３）そして 累積衝突数γを最大累積衝突数（ｎ周期間に生起し得る最大衝突回数ｎ）で規格化した値を衝突率と定義する。すなわち、衝突率ｃｉ（ｔ）を、次の（７）式によって定義し、（７）式を用いて、衝突率を算出する。

ｃｉ（ｔ）＝γ／ｎ …（７）
（７）式の定義式を用いて衝突率を算出する場合においても、（６）式の場合と同様に、衝突率が１を超える場合が発生し得る。衝突率が１を超える場合は、１として扱うものとする。また、上記の衝突率の定義では、一例として、１周期内における複数回の衝突を考慮しない形態（衝突の有無だけを問題にする形態）を示したが、これを考慮する形態を用いることも可能である。

以上の（イ）及び（ウ）の項で説明した衝突率の定義（衝突時間を基準とする場合、及び、衝突回数を基準とする場合）は、衝突時間や衝突回数を一般化して衝突量と呼ぶことにすると、次のように表現することができる。

ｎ周期間における累積衝突量を観測し、それを最大累積衝突量（ｎ周期間に生起し得る最大衝突量）で規格化した値を衝突率と定義する。

図１における衝突率算出部２２は、（６）式又は（７）式で定義された衝突率ｃｉ（ｔ）を算出するものである。

次に、位相算出部２１が内部で算出処理している位相応答関数Ｒ（Δθｉｊ（ｔ））の具体例とその機能を説明する。

（１）式は、上述したように、受信インパルス信号Ｓｐｒ１１の入力に応じて、自ノード（ノードｉ）の非線形振動のリズムを時間的に変化させる規則（時間発展規則）を表す方程式である。ここで、受信インパルス信号Ｓｐｒ１１は、近傍ノードが発信した出力インパルス信号Ｓｏｕｔ１１に対応する。各ノードが（１）式に基づいて動作することにより、近傍ノード間において相互に安定な位相差を形成しようとする。その際、第１の実施形態では、位相応答関数Ｒ（Δθｉｊ（ｔ））の特性を、衝突率ｃｉ（ｔ）の変化に応じて変化させる。図１における位相応答関数特性決定部２５は、衝突率ｃｉ（ｔ）に応じて位相応答関数Ｒ（Δθｉｊ（ｔ））の特性を変化させる動作を実行する（すなわち、後述する（９）式の動作を実行する）。

第１の実施形態の位相応答関数Ｒ（Δθｉｊ（ｔ））の具体例は、（８−１）式〜（８−４）式及び（９）式で与えられる。

（８−１）式〜（８−４）式及び（９）式は、近傍ノード間において均等な位相差が形成されるようにした位相応答関数Ｒ（Δθｉｊ（ｔ））である。上式において、ｐは均等な位相差を決定する定数パラメータである。均等な位相差が、１周期をｐ分割した時間に対応する位相幅２π／ｐになるように定められている。ｐの最適な値は、ノードの配置状態等により変化するため、実験的に決定する。位相幅２π／ｐは、データ発信に最低限必要な位相幅φｃ以上の値を取る（２π／ｐ≧φｃ）。また、α及びｂは定数パラメータであり、その値はｐと同様に実験的に決定する。

図５は、分割数ｐが５の場合における（８−１）式〜（８−４）式及び（９）式で与えられる関数特性を図示したものである。図５（ａ）及び図５（ｂ）はそれぞれ、衝突率ｃｉ（ｔ）の値が大きい場合（ｃｉ（ｔ）≒１）と小さい場合（ｃｉ（ｔ）≒０）の関数特性を表している。衝突率ｃｉ（ｔ）の値が１から０に向かって小さくなるに従って、図５（ａ）から図５（ｂ）へと次第に関数特性が変化する。

図５（ａ）の場合には、上述した相対位相差Ｅが２π／ｐ以下の場合に、近傍ノードの位相に対して自ノードの位相を斥力が働く方向に変化させる力学的特性を有する。すなわち、自ノードと近傍ノードとの相対位相差Ｅを２π／ｐ以上にしようとする力学的特性が働く。

一方、図５（ｂ）の場合には、自ノードと近傍ノードとの位相差を２π／ｐの整数倍の値に接近させる力学的特性を有する。このような特性を備えさせることにより、自ノードと近傍ノードとの位相差分布を均等化する働きを与えている。

各ノードが（１）式に基づいて動作を開始すると、始めのうちは衝突率ｃｉ（ｔ）の値が大きいため、図５（ａ）の特性に従って動作する。その結果、近傍ノードとの相対位相差Ｅが２π／ｐ以下の値を取るノードが減少し、それに伴って衝突率ｃｉ（ｔ）の値も次第に小さくなる。しかし、この状態では、自ノードと近傍ノードとの位相差分布は均等化されていない。次に、衝突率ｃｉ（ｔ）の値が小さくなるに従って、関数特性が図５（ａ）から図５（ｂ）へと変化し、自ノードと近傍ノードとの位相差分布を均等化する力学的特性が作用し始める。その結果、位相差分布は、ほぼ２π／ｐの整数倍の値に集中していく。すなわち、ほぼ均等な位相差分布が形成される。こうした動作により、近傍ノード間において獲得されるタイムスロットの大きさをほぼ均等化することが可能になる。

但し、位相応答関数Ｒ（Δθｉｊ（ｔ））の関数形は上記のものに限定されないことは勿論である。自ノードと近傍ノードとの相対位相差を、衝突率ｃｉ（ｔ）の値に応じて変化させる関数は、種々の形態（関数形）を用いて実現可能である。

次に、蓄積ストレス算出部２３及びストレス応答関数値算出部２４の順次の算出処理によって求められるストレス応答関数ξ（Ｓｉ（ｔ））の具体例とその機能とを説明する。

ストレス応答関数ξ（Ｓｉ（ｔ））は、例えば、以下の（１０−１）式、（１０−２）式、（１１−１）式、（１１−２）式及び（１２）式によって規定されるものである。

（１２）式における関数ｓ（ｃｉ（ｔ））は、時刻ｔにおける衝突率ｃｉ（ｔ）に対するストレス値を表す関数である。例えば、衝突率ｃｉ（ｔ）が高いほど、大きなストレス値を示すような特性を備える関数として実現する。一例としては、シグモイド関数などの非線形関数を用いて、衝突率ｃｉ（ｔ）の増大とともに、急激に大きなストレス値を示すような特性を備える関数が挙げられる。

（１２）式で定義される関数Ｓｉ（ｔ）は、時刻ｔにおけるストレス値ｓ（ｃｉ（ｔ））を蓄積（時間積分）した値を示す関数である。蓄積する時間区間は、前回、蓄積されたストレス値Ｓｉ（ｔ）に応じてランダムな位相シフトを実行した時刻ｔｓから現在の時刻ｔまでである。つまり、関数Ｓｉ（ｔ）は、ランダムな位相シフトを実行すると、一旦、値がリセットされ、その時刻から再度ストレス値ｓ（ｃｉ（ｔ））を蓄積していく動作を繰り返す。関数Ｓｉ（ｔ）における積分演算は、時間ｔが離散化して与えられる場合、各時刻におけるストレス値ｓ（ｃｉ（ｔ））の総和として計算することができる。蓄積ストレス算出部２３が、蓄積ストレスＳｉ（ｔ）を算出する。

（１１−１）式又は（１１−２）式で定義される関数ｑ（Ｓｉ（ｔ））は、蓄積されたストレス値Ｓｉ（ｔ）に応じた確率で乱数値を返す関数である。確率Ｓｉ（ｔ）で値μを返し、確率１−Ｓｉ（ｔ）で値０を返す。値μは、区間ε≦μ＜δ内の乱数であり、値ε及びδは、実験的に決定する定数パラメータである。

ストレス応答関数ξ（Ｓｉ（ｔ））は、蓄積されたストレス値Ｓｉ（ｔ）をｎ周期ごとに評価し、それに応じた確率で乱数値（μ又は０）を返す関数である。ストレス応答関数ξ（Ｓｉ（ｔ））を、ストレス応答関数値算出部２４が算出する。

従って、上述した（１）式に示すように、非線形振動のモデルに対してストレス応答関数ξ（Ｓｉ（ｔ））を導入することにより、（Ｉ）蓄積されたストレス値Ｓｉ（ｔ）がｎ周期ごとに評価され、（II）その評価値に基づく確率でランダムな位相シフトが実行される、という動作が実現される。つまり、衝突によるストレス値の蓄積が大きい場合ほど、高い確率でランダムな位相シフトが実行されることになる。ｎ周期の整数倍の時刻以外では、ストレス応答関数ξ（Ｓｉ（ｔ））の値は０であり、ランダムな位相シフトは実行されない。但し、ストレスの蓄積は、前述したようにｎ周期間とは限らず、前回、ランダムな位相シフトを実行した時刻ｔｓから現在の時刻ｔまでであることに注意を要する。これは、例えば、ストレス値ｓ（ｃｉ（ｔ））が小さくても、ｎ周期以上の長時間に渡って持続的に蓄積され続けると、やがてストレス値の蓄積Ｓｉ（ｔ）が大きくなり、ランダムな位相シフトが実行され得ることを意味する。

位相算出部２１は、ストレス応答関数値ξ（Ｓｉ（ｔ））を適用しながら、（１）式によって定まる位相θｉ（ｔ）を算出する。

なお、以上のような演算を適宜実行する通信タイミング計算手段１２を、ソフトウェアによって実現しても良く、また、演算を実行する電子回路群によるハードウェアによって実現しても良く、さらには、ソフトウェアとハードウェアとを混在させて実現しても良い。

例えば、（１）式で示した演算の実行手段は、文献２「戸川隼人著、「ＵＮＩＸワークステーションによる科学技術計算ハンドブック―基礎篇Ｃ言語版」、サイエンス社発行」に開示されるルンゲ・クッタ法などの一般的なソフトウェアとしてノード上に実装することができる。ルンゲ・クッタ法は、微分方程式を差分化（連続時間変数ｔを離散化）して得られる差分方程式（漸化式）を用いて状態変数の変化（時間発展）を計算する手法の一つである。

（Ａ−３）第１の実施形態の効果
第１の実施形態によれば、集中管理ノードが存在しなくても、インパルス信号を授受し合うことを通じて、各ノードが近傍ノードと相互作用して、自律分散的にタイムスロットの割り当てを決定して通信を実行することができる。

ここで、第１の実施形態によれば、近傍ノード間において獲得されるタイムスロットの大きさをほぼ均等化することが可能になり、データ発信を行うために最低限必要な大きさのタイムスロットが獲得できず、実質的にデータの発信ができない状態に陥るノードの発生を抑制することができ、ノード間におけるデータ通信の安定性及び通信効率を向上させることができる。

（Ｂ）第２の実施形態
次に、本発明による通信制御装置、通信制御方法、ノード及び通信システムの第２の実施形態を、図面を参照しながら詳述する。

（Ｂ−１）第２の実施形態のノード
第１の実施形態では、各ノードが、相互に出力インパルス信号Ｓｏｕｔ１１を送受信する形態について説明した。その際、出力インパルス信号Ｓｏｕｔ１１は、ノード間における相互作用（互いの位相状態に影響を与える働き）を実現する手段として用いられていた。

本発明において、ノード間における相互作用を実現する手段は、第１の実施形態のものに限定されない。例えば、第１の実施形態における位相θｉ（ｔ）を直接送受信することによって相互作用させる形態を構成することも可能である。つまり、各ノードにおける位相状態等の動作状態の変化を連続信号のまま、相互に送受信する形態であっても動作させることができる。

第２の実施形態は、複数のノード間において連続的に位相信号を送受信することによって相互作用する形態である。図６は、連続的に位相信号を送受信する、第２の実施形態におけるノードの構成例を示すブロック図である。

第２の実施形態におけるノード３０は、位相信号受信手段３１、混信検知手段３２、データ通信手段３３、通信タイミング計算手段３４、位相信号送信手段３５を有すると共に、図６では省略しているが、第１の実施形態と同様な同調判定手段（１４）やセンサ（１６）も設けられている。なお、データ通信手段３３も、第１の実施形態の対応構成（１５）と同様なものである。

第１の実施形態のインパルス信号受信手段１１に代えて設けられている位相信号受信手段３１は、他ノードが発信し、当該ノード３０が受信した連続信号でなる入力位相信号Ｓｉｎ３１を受信処理してその信号に含まれている情報を取り出すものである。入力位相信号Ｓｉｎ３１は、その他ノードｊでの位相信号θｊ（ｔ）と混信帯域番号とを規定するものであり、混信帯域番号で定まる周波数の連続信号に対して位相信号θｊ（ｔ）を盛り込んだものである（例えば、ＰＭ信号）。位相信号受信手段３１は、入力位相信号Ｓｉｎ３１における他ノードｊでの位相信号θｊ（ｔ）を通信タイミング計算手段３４に与え、受信状態の検知結果（例えば、混信帯域番号とその受信タイミングなど）を混信検知手段３２に与える。

混信検知手段３２は、位相信号受信手段３１からの受信状態の検知結果に基づいて、複数ノードで出力位相信号Ｓｏｕｔ３１での混信帯域番号が重複（混信）するか否かの混信検知結果を通信タイミング計算手段３４に与えると共に、混信検知結果と、混信検知した混信帯域番号とを位相信号送信手段３５に与えるものである。

通信タイミング計算手段３４は、第１の実施形態とほぼ同様にして、他ノードの位相信号θｊ（ｔ）などに基づいて、自ノードの位相信号θｉ（ｔ）を形成するものである。通信タイミング計算手段３４については、後で詳述する。

第１の実施形態のインパルス信号送信手段１３に代えて設けられている位相信号送信手段３５は、自ノードの位相信号θｉ（ｔ）を盛り込んだ出力位相信号Ｓｏｕｔ３１を送信するものである。

ここで、第２の実施形態では、自ノード３０からの出力位相信号Ｓｏｕｔ３１と出力データ信号Ｓｏｕｔ３２とを、異なる周波数帯域を使用して発信することを前提としている。さらに、出力位相信号Ｓｏｕｔ３１発信用の周波数帯域はＮｂ個（Ｎｂ：整数）の帯域に細分化された構成になっている。

第２の実施形態のノードを複数有するシステムが動作を開始する際には、各ノードは、次のステップ１〜ステップ４でなる初期動作を実行する。

（ステップ１）Ｎｂ個の周波数帯域のうち、いずれかをランダムに選択し、選択した帯域を使用して出力位相信号Ｓｏｕｔ３１を発信する。

（ステップ２） 複数の近傍ノードが同一の周波数帯域を使用して出力位相信号Ｓｏｕｔ３１を発信したか否かを、入力位相信号Ｓｉｎ３１の受信状態によって検知する。各周波数帯域で入力位相信号Ｓｉｎ３１を正常に受信できれば、混信は発生していないと判定し、逆に受信に失敗した場合は、混信が発生していると判定する。また、キャリアセンスできない周波数帯域は未使用であると判定する。混信が発生している周波数帯域が存在する場合は、その混信帯域を示す番号を自ノードの出力位相信号Ｓｏｕｔ３１に付加して発信する。
（ステップ３）次の(a)又は(b)の場合は、自ノードが出力位相信号Ｓｏｕｔ３１の発信に使用する周波数帯域を、確率Ｐでシフトさせ、確率１−Ｐでそのままとする。ここで、確率Ｐは実験的に決定する定数パラメータである。上記の使用する帯域のシフトは、その時点で未使用の帯域の中からランダムに選択して実行する。

(a) 自ノードが出力位相信号Ｓｏｕｔ３１の発信に使用している周波数帯域の番号と、近傍ノードから受信した入力位相信号Ｓｉｎ３１に付加された混信帯域を示す番号とが一致する場合
(b) 自ノードが出力位相信号Ｓｏｕｔ３１の発信に使用している周波数帯域の番号と、近傍ノードから入力位相信号Ｓｉｎ３１を正常に受信できない帯域の番号とが一致する場合
（ステップ４）自ノードにおいて、入力位相信号Ｓｉｎ３１の受信に失敗した周波数帯域が存在せず、かつ、受信した全ての入力位相信号Ｓｉｎ３１に、混信帯域を示す番号が付加されていない場合は、近傍ノード間において、それぞれが異なる周波数帯域を使用して出力位相信号Ｓｏｕｔ３１の送受信を行うことに成功したと判定する。以下では、この状態を安定相互作用状態と呼ぶ。

上記の初期動作により安定相互作用状態が形成されると、以下のような通信タイミング計算手段３４の動作を開始する。しかし、一旦、安定相互作用状態が形成されても、新しくノードが追加された場合などは、その状態が崩れ、混信帯域が発生する可能性がある。この場合は、再度、上記ステップ２〜ステップ４の安定相互作用状態を形成するプロセスを実行する。但し、新しく追加されたノードだけは、上記ステップ１〜ステップ４の動作を実行する。

（Ｂ−２）第２の実施形態の通信タイミング計算手段
次に、第２の実施形態における通信タイミング計算手段３４の詳細構成と機能とについて説明する。

第２の実施形態の通信タイミング計算手段３４も、第１の実施形態の通信タイミング計算手段１２とほぼ同様に、位相算出部４１、衝突率算出部４２、蓄積ストレス算出部４３、ストレス応答関数値算出部４４及び位相応答関数特性決定部４５を有し、上述した安定相互作用状態が形成された以降は、第１の実施形態とほぼ同様に機能するものである。なお、位相算出部４１は、安定相互作用状態を形成させる初期動作をも実行するものである。

第２の実施形態の通信タイミング計算手段３４は、安定相互作用状態が形成された以降は、上述したように、出力位相信号Ｓｏｕｔ３１を発信するタイミングを決定するための計算を行うものである。通信タイミング計算手段３４は、この発信タイミングを決定するための計算を、例えば、（１３）式のような非線形振動をモデル化した数式を用いて行う。

第１の実施形態の場合、他ノードの受信インパルス信号に基づいて決定するのに対して、第２の実施形態の場合、他ノードの位相信号に基づいて決定するため、第２の実施形態の場合、（１）式に代えて（１３）式を適用する。なお、（１３）式において、Ｋは定数パラメータであり、その値は実験的に決定する。その他の関数やパラメータは、第１の実施形態のものとほぼ同様なものを表しており（例えば、他ノードの位相が直接的に与えられるか、インパルス信号の受信から得るかの相違などがあって厳密には一致していないが）、その説明は省略する。

第２の実施形態の通信タイミング計算手段３４が、（１３）式に基づいて、自ノードの位相信号θｉ（ｔ）を形成する処理について、第１の実施形態との相違点に言及すると以下の通りである。

第２の実施形態の場合、「データ発信の衝突」について、各ノードは、自分の位相θｉ（ｔ）が、０≦θｉ（ｔ）＜φｃである時間区間を用いてデータ通信を行うと仮定すると、自ノードの位相θｉ(t)が ０≦θｉ(t)＜φｃ（φｃは最低限必要なタイムスロットの大きさに対応する位相幅）であるときに、近傍ノードjの中で ０≦θｊ（ｔ）＜φｃ の位相を取るものが存在する場合は、データ発信の衝突が生起していることになる。第２の実施形態では、「データ発信の衝突が生起している」という用語を上記の意味で用いる。但し、第１の実施形態と同様に、各ノードにおいて、位相信号を受信可能な空間的距離範囲に存在する近傍ノードとの相対位相差が、上記のφｃよりも小さい場合に「データ発信の衝突が生起している」と定義しても構わない。

上記の点以外は、第１の実施形態と同様である。すなわち、衝突率算出部４２による衝突率ｃｉ（ｔ）の算出方法は、第１の実施形態の衝突率算出部２２による算出方法と同様である。また、位相算出部４１による位相応答関数Ｒ（Δθｉｊ（ｔ））の算出方法は、第１の実施形態の位相算出部２１による算出方法と同様である。さらに、蓄積ストレス算出部４３による蓄積ストレス値Ｓｉ（ｔ）の算出方法や、ストレス応答関数値算出部４４によるストレス応答関数値ξ（Ｓｉ（ｔ））の算出方法は、第１の実施形態の対応要素の算出方法と同様である。

さらにまた、第２の実施形態においても、位相応答関数特性決定部４５は、位相応答関数Ｒ（Δθｉｊ（ｔ））の特性を、衝突率ｃｉ（ｔ）の変化に応じて変化させる。第２の実施形態でも、衝突率ｃｉ（ｔ）の変化に応じて変化する位相応答関数Ｒ（Δθｉｊ（ｔ））の具体例は、第１の実施形態と同様に上述した（８−１）式〜（８−４）式及び（９）式で与えられる。

そのため、各ノードが（１３）式に基づいて動作を開始すると、始めのうちは衝突率ｃｉ（ｔ）の値が大きいため、上述した図５（ａ）の特性に従って動作し、その結果、近傍ノードとの位相差が２π／ｐ以下の値を取るノードが減少し、それに伴って衝突率ｃｉ（ｔ）の値も次第に小さくなる。しかし、この状態では、自ノードと近傍ノードとの位相差分布は均等化されていない。次に、衝突率ｃｉ（ｔ）の値が小さくなるに従って関数特性が図５（ａ）から図５（ｂ）へと変化し、自ノードと近傍ノードとの位相差分布を均等化する力学的特性が作用し始め、その結果、位相差分布は、ほぼ２π／ｐの整数倍の値に集中していく。

（Ｂ−２）第２の実施形態の効果
第２の実施形態によれば、集中管理ノードが存在しなくても、連続的な位相信号を授受し合うことを通じて、各ノードが近傍ノードと相互作用して、自律分散的にタイムスロットの割り当てを決定して通信を実行することができる。

ここで、第２の実施形態によれば、近傍ノード間において獲得されるタイムスロットの大きさをほぼ均等化することができ、データ発信を行うために最低限必要な大きさのタイムスロットが獲得できず、実質的にデータの発信ができない状態に陥るノードの発生を大きく抑制でき、ノード間におけるデータ通信の安定性及び通信効率を向上させることができる。

（Ｃ）他の実施形態
上記各実施形態の説明においても変形実施形態に言及したが、さらに、以下に例示するような変形実施形態を挙げることができる。

（Ｃ−１）第１の実施形態においては、通信タイミング計算手段１２における処理の説明に、（１）式の微分方程式を用いた。しかし、微分方程式を用いた記述は、算出方法を規定する一例の表現にしか過ぎない。ここでは、（１）式の微分方程式を差分化（連続時間変数ｔを離散化）して得られる差分方程式（漸化式）を用いた記述方法の例について説明する。

（１４）式において、変数ｕは、正の整数値をとる離散時間を表す変数である。その他の記号の表す意味は、第１の実施形態と同様であるが、全て離散時間変数ｕの関数になっている点に注意を要する。また、変数Δｔは時間の刻み幅を表し、連続時間変数ｔと離散時間変数ｕは、ｔ＝ｕ・Δｔの関係にある。（１４）式は、時刻ｕにおける位相θｉ（ｕ）の値から、次の時刻ｕ＋１における位相θｉ（ｕ＋１）の値が算出されることを表している。

また、上述の記述方法は、位相θｉ（ｔ）の時間発展を時間軸方向に離散化して扱う記述方法である。時間軸方向の離散化に加えて、さらに状態変数に対しても離散化、すなわち、位相θｉ（ｔ）の値そのものを離散化（量子化）して扱う記述方法を用いることも可能である。この場合、位相θｉ（ｔ）の取り得る値は、Ｍ個（Ｍ：自然数）の離散値になる。これは、例えば、（１５）式を用いて実現することができる。（１５）式において、関数ｑｕａｎ（＊）は、変数＊を量子化幅ｗで割り、小数点以下の数値を無視した値を表す。ここで、量子化幅ｗは変数＊のダイナミックレンジ（取り得る値の幅）をＭで割った値である。（１５）式において、位相θｉ（ｕ）は、離散時間ｕにおける量子化された位相の値を表す。

同様にして、第２の実施形態で示した（１３）式についても、上記のような差分化や離散化した形の記述方法を用いることが可能である。こうした演算は、いずれもソフトウェアとしてノード上に実装することが可能である。

（Ｃ−２） 第１及び第２の実施形態では、非線形振動をモデル化した数式として、（１）式及び（１３）式を示し、さらに、その他の記述方法として、種々の変形形態が可能であることを上述した。

しかし、本発明を実現する非線形振動をモデル化した数式の記述方法は、上記各実施形態や既に言及した変形実施形態に限定されない。例えば、文献３「戸田盛和、渡辺慎介著、「非線形力学」、共立出版発行」に開示されるファン・デル・ポール方程式等の一般的な非線形振動やカオス振動のモデルを用いることも可能である。無論、ノード間における相互作用が、時間に関して離散的（パルス的）な場合、及び連続的な場合、ともに実現することが可能である。ファン・デル・ポール方程式は、電子回路上で発生する非線形振動現象をモデル化した式である。ファン・デル・ポール方程式による動作は、電子回路を用いてハードウェアとしてノード上に実装することが可能である。また、ルンゲ・クッタ法等の一般的な数値計算法を用いて、ソフトウェアとしてノード上に実装することも可能である。

本発明は、時間や動作状態，あるいは相互作用等に関する離散モデル、及び連続モデル、その他、特定の振動現象を表現するモデルといった、個別的なモデルの記述方法の違いに依拠するものではなく、ある時間発展規則に従って動作状態が遷移する種々のモデルを用いて実現することが可能である。動作状態が周期的、あるいはカオス的に変化するモデルを用いる形態は、本発明の実施形態の例として位置付けられる。

（Ｃ−３）第１の実施形態では、空間に分散配置された多数のノードが、相互に無線でデータをやり取りするシステムを想定して説明した。しかし、本発明の利用形態は、無線通信を行うシステムに限定されない。空間に分散配置された多数のノードが、相互に有線でデータをやり取りするシステムに適用することも可能である。例えば、イーサネット（Ethernet；登録商標）などのように有線接続されたＬＡＮシステムに適用することも可能である。また、同様に有線接続されたセンサやアクチュエータ、あるいはサーバなど、異なる種類のノードが混在するネットワークに適用することも可能である。無論、有線接続されたノードと、無線接続されたノードが混在するネットワークに適用することも可能である。

さらに、本発明は、インターネット上で、各ルータが相互に異なるタイミングでルーティングテーブルを交換するための通信プロトコルとして利用することができる。ここで、ルータとは、ネットワーク上を流れる情報の行き先を振り分ける（通信経路選択）機能を有する中継機器のことである。また、ルーティングテーブルとは、情報の行き先を振り分ける際に参照される通信経路選択規則である。効率的な通信を実現するためには、ネットワーク上における変更や局所的なトラフィックの変化等に応じて、逐次、ルーティングテーブルを更新する必要がある。このため、ネットワーク上に存在する多数のルータは、相互に一定の時間間隔でルーティングテーブルの交換を行っている。しかし、文献４「Floyd,S.,and Jacobson,V.,“The Synchronization of Periodic Routing Messages”, IEEE/ACM Transactions on Networking, Vol.2 No.2, pp.122-136, April 1994.」に開示されるように、各ルータがそれぞれ独立にルーティングテーブルを発信しているにもかかわらず、ルータ相互の発信が次第に同期（衝突）する現象が発生することが分かっている。上記文献４では、ルーティングテーブルの交換に用いられる通信プロトコルに対して、各ノードの処理周期にランダムな変動性を与えることによって、この問題に対処する方法を提案し、一定の効果が得られることを示している。しかし、上記文献に開示される方法は、基本的にランダム性のみに依存した方法であるため、その効果は十分ではない。

それに対して、本発明を上記の問題に適用すると、近傍のルータ間において、ルーティングテーブルを発信するタイムスロットを自律的に相互調整することが可能である。従って、各ルータの発信は、相互に異なるタイミングとなり、上記文献４に開示される方法に比べて高い効果を得ることができる。

以上、説明したように、本発明は無線系、有線系を問わず、あらゆるネットワークに存在する発信データの衝突や同期の問題に適用可能であり、適応性と安定性を兼ね備えた効率的なデータ通信を実現する通信プロトコルとして利用することが可能である。

（Ｃ−４）第１及び第２の実施形態では、一例として、固有角振動数パラメータωｉは、システム全体で同一の値に統一すると仮定した。しかし、これは本発明を実施する上で必須事項ではない。ノードごとにωｉの値が異なっても動作させることが可能である。例えば、各ノードのωｉの値が、基準値を中心にその近傍でガウス分布等の確率分布に従って小さくばらついていても動作させることができる。

（Ｃ−５）本発明は、通信タイミング情報（実施形態での位相信号）の取得制御に特徴を有し、そのタイミング情報を通信にどのような利用するかは問われない。例えば、各ノードからのデータ信号の送信周波数が異なる場合であれば、タイムスロットを設定することなく通信を行うようにしても良く、この場合であっても、データ通信の始期を通信タイミング情報から定めるようにすれば良い。

（Ｃ−６）第１及び第２の実施形態では、位相応答関数Ｒ（Δθｉｊ（ｔ））の具体例を示したが、関数の形態はこれに限定されず、本発明を実施する上で位相応答関数は他の種々の関数を用いて構成可能である。

（Ｃ−７）第１及び第２の実施形態では、位相Δθｉ（ｔ）に対し、衝突率ｃｉ（ｔ）を、
ストレス応答関数値として反映させ、かつ、位相応答関数Ｒ（Δθｉｊ（ｔ））の特性切替えという形で反映させるものを示したが、位相応答関数Ｒ（Δθｉｊ（ｔ））の特性切替えという形でのみ反映させるものであっても良い。

（Ｃ−８）本願発明に関係する先願の特許出願として、特願２００３−３２８５３０号があるが、その先願特許出願の明細書及び図面には多数の変形実施形態が記載されており、そのうち、本願に適用可能なものは本願の変形実施形態にもなる。

第１の実施形態の通信タイミング計算手段の詳細構成を示すブロック図である。 第１の実施形態のノード構成を示すブロック図である。 第１の実施形態の通信システムでのノード間の同調の説明図（１）である。 第１の実施形態の通信システムでのノード間の同調の説明図（２）である。 第１の実施形態の通信タイミング計算手段が用いる位相応答関数Ｒ（Δθｉｊ（ｔ））の変化説明図である 第２の実施形態のノード構成を示すブロック図である。 第２の実施形態の通信タイミング計算手段の詳細構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０、３０…ノード、１１…インパルス信号受信手段、１２…通信タイミング計算手段、１３…インパルス信号送信手段、１４…同調判定手段、１５…データ通信手段、１６…センサ、２１、４１…位相算出部、２２、４２…衝突率算出部、２３、４３…蓄積ストレス算出部、２４、４４…ストレス応答関数値算出部、２５、４５…位相応答関数特性決定部、３１…位相信号受信手段、３２…混信検知手段、３３…データ通信手段、３４…通信タイミング計算手段、３５…位相信号送信手段。

Claims (8)

1. 通信システムを構成する複数のノードのそれぞれに搭載される、内部で変化させる位相の状態に基づいて自ノードからのデータ発信のタイミングを決定する通信タイミング計算手段を備えた通信制御装置であって、
   上記通信タイミング計算手段は、
   近傍ノードのデータ発信のタイミングを表す位相が反映された近傍ノードからの状態変数信号の受信に基づき、予め定められている位相応答関数に基づく時間発展規則に従って自ノードの位相の状態を変化させる位相算出部と、
   自ノードと近傍ノードとの位相差を観測し、その位相差に基づいて、自ノードからのデータ発信のタイミングと近傍ノードからのデータ発信タイミングとの衝突率を算出する衝突率算出部と、
   上記位相応答関数の特性を衝突率に応じて変化させる位相応答関数特性決定部とを有する
   ことを特徴とする通信制御装置。
2. 上記位相応答関数特性決定部は、衝突率の値が大きい場合、上記位相応答関数に衝突率を小さくするのに適した特性を与え、衝突率の値が小さくなるに従って、位相差分布を均等化するのに適した特性に変化させることを特徴とする請求項１に記載の通信制御装置。
3. 上記通信タイミング計算手段は、衝突率に応じたストレス値を時間的に蓄積し、蓄積されたストレス値に応じて、上記位相算出部が用いている時間発展規則にランダムな大きさの位相シフトを生起させるストレス応答関数値生成部をさらに有することを特徴とする請求項１又は２に記載の通信制御装置。
4. 上記ストレス応答関数値生成部及び上記位相応答関数特性決定部が、衝突率の値が大きい場合、上記位相応答関数が、衝突率を小さくするのに適した特性を取って動作すると共に、蓄積されたストレス値に応じて、時間発展規則にランダムな大きさの位相シフトを生起させる動作を実行し、衝突率が小さくなるに従って、上記位相応答関数が位相差分布を均等化するのに適した特性に変化して動作するように機能することを特徴とする請求項３に記載の通信制御装置。
5. 上記位相応答関数特性決定部は、１周期をｐ（ｐは２以上の自然数）分割した時間に対応する位相幅２π／ｐに、均等な位相差を調整するものであり、相対位相差が２π／ｐ以下である衝突率の値が大きい場合には、近傍ノードの位相に対して自ノードの位相を斥力が働く方向に変化させる力学的特性を有し、衝突率の値が小さくなるに従って、自ノードと近傍ノードとの位相差を２π／ｐの整数倍の値に接近させる力学的特性に変化するように、位相応答関数の特性を変化させることを特徴とする請求項２に記載の通信制御装置。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の通信制御装置を有することを特徴とするノード。
7. 請求項６に記載のノードを複数分散配置して有することを特徴とする通信システム。
8. 通信システムを構成する複数のノードのそれぞれに搭載される、内部で変化させる位相の状態に基づいて自ノードからのデータ発信のタイミングを決定する通信タイミング計算工程を含む通信制御方法であって、
   上記通信タイミング計算工程は、
   近傍ノードのデータ発信のタイミングを表す位相が反映された近傍ノードからの状態変数信号の受信に基づき、予め定められている位相応答関数に基づく時間発展規則に従って自ノードの位相の状態を変化させる位相算出サブ工程と、
   自ノードと近傍ノードとの位相差を観測し、その位相差に基づいて、自ノードからのデータ発信のタイミングと近傍ノードからのデータ発信タイミングとの衝突率を算出する衝突率算出サブ工程と、
   上記位相応答関数の特性を衝突率に応じて変化させる位相応答関数特性決定サブ工程とを含む
   ことを特徴とする通信制御方法。
   
   

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