JP2011010018A - 通信制御装置及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】無線環境の変化に即応してノード間の通信タイミングと送信経路とを相互に調整し、発信衝突や輻輳を回避することができるようにする。
【解決手段】本発明の通信制御装置は、他ノードとの間でデータ信号を送信する帯域を取り合い、自ノードの通信タイミングの調整をする通信タイミング制御手段と、通信タイミング制御手段が獲得した自ノードの帯域幅の中で、それぞれのデータ信号を送信する１又は複数の送信経路を決定する経路制御手段と、経路制御手段により決定された各送信経路に係る送信先ノードに対して各データ信号を送信するデータ信号送信手段とを備え、通信タイミング制御手段及び経路制御手段は、それぞれの処理に係る状態情報を相互に受け渡し、相手の状態情報を拘束条件として、自ノードの帯域の調整及び各送信先ノードとの間のリンクの帯域の調整を行うことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、通信制御装置及びプログラムに関し、例えば、センサネットワークあるいはＬＡＮ（Local Network Area）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等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や輻輳を回避する装置や方法に適用し得るものである。

集中管理サーバを必要とせず、個々のノードが自律分散的に通信タイミングをスケジューリングすることによって、発信衝突を回避する方法として、特許文献１〜特許文献７に開示される発明がある。

特許文献１〜特許文献７に開示される方法では、各ノードが近傍ノードとの間で周期的に制御パケット（自ノードの発信タイミングを示す制御情報）を送受信することによって、通信タイミングの相互調整を行う。以後、制御パケットの発信周期を、単に周期と呼ぶ。

通信タイミングの相互調整により、近傍ノード間で１周期の期間を分け合って、各ノードが送信に必要な時間区間を獲得する。１周期内において、各ノードが送信に用いる時間区間は、通信タイミング制御ための演算における位相区間に対応する。すなわち、通信タイミングを示す時間は、制御演算上は、位相に置き換えて処理される。以後、本発明では、１周期内において、各ノードが送信に用いる時間区間や位相区間を、そのノードが獲得している帯域と呼ぶ。同様に、時間区間幅や位相区間幅を帯域幅と呼ぶ。

また、近傍ノード間における制御パケットの送受信方法にはいくつかの形態がある。図２は、この近傍ノード間の制御パケットの送受信方法を説明する説明図である。

図２（ａ）は、第１の形態例を説明する説明図である。図２（ａ）に示すように、制御パケットの電波到達範囲を、データパケットの電波到達範囲よりも広くし、例えばその比を２倍程度とする。この場合、制御パケットとデータパケットとの送信電力比を調節することによって、電波到達範囲の比を設定することができる。制御パケットとデータパケットとの電波到達範囲の比を、このようにする理由は、隠れ端末などによる発信衝突の発生を回避するためである。

図２（ｂ）は、第２の形態例を説明する説明図である。図２（ｂ）に示すように、制御パケットとデータパケットの電波到達範囲は同一（つまり、送信電力は同一）とし、他ノードから受信した制御パケットに基づいて、自身の内部に生成した当該ノードに対する仮想位相（特許文献５に開示される）を、自身が制御パケットを送信する際に付加する方法である。

着目ノードから制御パケットを受信したノード（図２（ｂ）における実線の円内のノード）は、自身の内部に着目ノードに対する仮想位相が存在しなければ新たに生成し、すでに存在する場合はその値を調整する。生成あるいは調整された仮想位相の値は、その後、固有角振動数に相当する一定の速度で変化する。そして、自身が制御パケットを送信する際に、現時刻における着目ノードに対する仮想位相の値を付加して送信する。このようにすることで、着目ノードの位相情報が１ホップ先のノード（図２（ｂ）における実線の円内のノード）を介して間接的に２ホップ先（図２（ｂ）において、点線の円内のノードで実線の円内に含まれないもの）のノードに伝えられる。

上記では、着目ノードの位相情報が２ホップ先のノードに間接的に伝えられる仕組みについて説明したが、すべてのノードの位相情報が同様にして２ホップ先のノードに伝えられる。したがって、通信タイミング調整における相互作用範囲は、各ノードの２ホップ近傍範囲となる。

以下では、近傍ノード間における制御パケットの送受信方法として、図２（ｂ）の形態を用いる場合を仮定して説明する。ただし、説明の便宜上、このような仮定をするのであって、本発明は図２（ａ）の形態に対しても適用可能である。また、シンクノードからのホップ数は、あらかじめ各ノードに与えられていると仮定する。これは、例えば、次のようにして与えることができる。シンクノードから制御パケットと同等のパケットを発信し、マルチホップで転送しながら転送回数をカウントして、各ノードに到達するまでのホップ数を観測する。各ノードは、自ノードで観測されたホップ数の最小値を、「自ノードからシンクノードまでのホップ数」として保持する。このような処理を事前に行うことにより、前記のホップ数を各ノードにあらかじめ与えておくことができる。

特開２００５−０９４６６３号公報 特開２００６−０７４６１７号公報 特開２００６−０７４６１９号公報 特開２００６−１５７４３８号公報 特開２００６−１５７４４１号公報 特開２００６−２１１５８５号公報 特開２００６−２１１５６４号公報

青木秀憲他３名，"無線ブロードバンドの核心−ＩＥＥＥ８０２．１１ｓ（後編） 無線に即した経路制御プロトコル 網容量を向上するふくそう制御技術"，日経ＢＰ社，日経コミュニケーション，２００６．６．１５，ｐｐ．８６−９３

センサネットワーク等で用いられるマルチホップ通信では、一般に、ノードによってデータパケットの送信に必要な時間区間の大きさが異なる。例えば、各ノードで観測されたセンサデータをマルチホップでシンクノードに送信するネットワークの場合、シンクノードに近いノードほど、他ノードのデータパケットに対する転送負荷（通信負荷）が高くなる傾向がある。したがって、シンクノードに近いノードほど、送信に必要な時間区間の幅（帯域幅）が大きくなる。このようなネットワークに対して、上記特許文献１〜特許文献７に開示される通信タイミング制御方法を用いる場合、次の実用上重要な問題が発生する。

今、上記特許文献１〜特許文献７に開示される通信タイミング制御方法を用いて、ネットワーク上でマルチホップ通信を行っている状況を考える。そのとき、障害物の出現等により無線環境が変化したため、通信負荷の高いノードＡが、データパケットの送信先を、ノードＢからノードＣに変更した場合を想定する。この場合、ノードＣの通信負荷、すなわち、ノードＣの送信に必要な帯域幅が急激に増大する。

しかし、上記特許文献１〜特許文献７に開示される通信タイミング制御方法を用いる場合、ノードＣは近傍ノードとの間で、通信タイミングを再調整する必要があり、しばしば必要な帯域幅を獲得するのにかなり時間を要する。これは、近傍ノード間で必要な帯域が重複して競合が発生し、その解消に時間を要するからである。

その結果、ノードＣでは、１周期内に送信できないデータパケットが蓄積して、バッファ溢れによるパケットロス（輻輳）が発生する。したがって、通信の信頼性が低下するという問題が生じる。

また、ノードが電池駆動の場合、元々、ノードＣの通信負荷が高い状態において、上記のように、さらに通信負荷が増大するような事態（すなわち、特定のノードへの通信負荷の集中）が発生すると、他のノードに比べて、ノードＣは電池の消耗が非常に早くなる。これは、電池交換等のメンテナンスコストを増大させ、システム運用上、大きなデメリットが生じる。

そのため、無線環境が変化した場合でも、ノードの通信負荷の増大を抑え、無線環境の変化に即応してノード間の通信タイミングと送信経路とを相互に調整し、発信衝突や輻輳を回避することができる通信制御装置及び方法が求められている。

かかる課題を解決するために、第１の本発明の通信制御装置は、ネットワークを構成する複数のノードのそれぞれに搭載される通信制御装置において、（１）他ノードとの間でデータ信号を送信する帯域を取り合い、自ノードの通信タイミングの調整をする通信タイミング制御手段と、（２）通信タイミング制御手段が獲得した自ノードの帯域幅の中で、それぞれのデータ信号を送信する１又は複数の送信経路を決定する経路制御手段と、（３）経路制御手段により決定された各送信経路に係る送信先ノードに対して各データ信号を送信するデータ信号送信手段とを備え、（４）通信タイミング制御手段及び経路制御手段は、それぞれの処理に係る状態情報を相互に受け渡し、相手の状態情報を拘束条件として、自ノードの帯域の調整及び各送信先ノードとの間のリンクの帯域の調整を行うことを特徴とする。

第２の本発明の通信制御プログラムは、ネットワークを構成する複数のノードのそれぞれに搭載される通信制御装置を、（１）他ノードとの間でデータ信号を送信する帯域を取り合い、自ノードの通信タイミングの調整をする通信タイミング制御手段、（２）通信タイミング制御手段が獲得した自ノードの帯域幅の中で、それぞれのデータ信号を送信する１又は複数の送信経路を決定する経路制御手段、（３）経路制御手段により決定された各送信経路に係る送信先ノードに対して各データ信号を送信するデータ信号送信手段として機能させ、（４）通信タイミング制御手段及び経路制御手段が、それぞれの処理に係る状態情報を相互に受け渡し、相手の状態情報を拘束条件として、自ノードの帯域の調整及び各送信先ノードとの間のリンクの帯域の調整を行うように機能させることを特徴とする。

本発明によれば、無線環境が変化した場合でも、ノードの通信負荷の増大を抑え、無線環境の変化に即応してノード間の通信タイミングと送信経路とを相互に調整し、発信衝突や輻輳を回避することができる。

第１の実施形態に係るノードの内部構成を示す内部構成図である。 従来のノード間における制御パケットの送受信形態を説明する説明図である。 本発明の基本概念を説明する説明図である。 第１の実施形態の通信タイミング制御演算部における位相応答関数の具体的な例を説明する説明図である。 第１の実施形態におけるノードが他ノードとの間のリンクの獲得帯域幅を示す説明図である。

（Ａ）第１の実施形態
以下、本発明の通信制御装置及びプログラムの第１の実施形態について図面を参照しながら説明する。

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や移動体等に設置されたノードが、例えばマルチホップ通信により相互にデータ通信を行う通信システムに本発明を利用した場合の実施形態を例示して説明する。

（Ａ−１）基本概念の説明
図３は、本発明の通信制御方法の特徴を概念的に示した図である。図３は、あるノードが、無線環境の変化に応じて、他ノードとの間の通信タイミングと送信経路とを相互調整する通信制御方法の概念を示す。

図３において、通信タイミング制御機構Ｍ１は、ノード間で通信タイミングをずらしあう動作を実行する機構である。また、通信タイミングパターン形成過程Ｐ１は、通信タイミング制御機構Ｍ１の動作により、ノード間に通信タイミングのずれを生じさせる過程である。通信タイミングは、各ノードがデータパケットの送信に要する時間だけずれる必要がある。もし、ずれの時間幅が必要な大きさ以上になっていなければ、ノード間で発信衝突が発生する。したがって、通信タイミングパターン形成過程Ｐ１は、ノード間で通信に必要な帯域を取り合う過程に対応する。

一方、経路制御機構Ｍ２は、ネットワーク上におけるデータパケットの送信経路を制御する機構である。また、ネットワークトポロジー形成過程Ｐ２は、経路制御機構Ｍ２の動作により、ネットワーク上におけるデータパケットの送信経路を決定する過程である。詳細は後述するが、本発明では、この過程は、ノード間のリンク同士で帯域を取り合う過程に対応する。

本発明の特徴は、無線環境の変化に応じて、上記の２つの過程が相互に拘束しあいながら、次第に整合する関係を形成する点にある。

一般に、ネットワーク上の送信経路が変化すれば、各ノードの通信負荷は変化し、それぞれが必要とする帯域幅も変化する。したがって、送信経路の決定は、通信タイミングパターン形成過程Ｐ１における拘束条件となる。

一方、通信タイミングパターン形成過程Ｐ１では、ノード間における通信タイミングの衝突や競合（以後、コンフリクトと呼ぶ）が発生する。

本発明では、通信タイミングパターン形成過程Ｐ１で発生するコンフリクトの状態を、ネットワークトポロジー形成過程Ｐ２における拘束条件としてフィードバックさせる。

すなわち、ノード間において通信に必要な帯域を取り合う過程で生じるコンフリクトの状態が、データパケットの送信経路を決定する過程に影響し、コンフリクトを低減する方向に作用する。

このようにして、本発明では、上記の２つの過程Ｐ１及びＰ２が相互に拘束しあいながら、次第に整合する関係を形成するように進行する。その結果、無線環境の変化に即応して、ノード間において通信タイミングと送信経路とが相互に調整され、発信衝突と輻輳をともに回避したマルチホップ通信が可能になる。

（Ａ−２）第１の実施形態の構成
図１は、第１の実施形態におけるノードの内部構成の例を示す内部構成図である。

図１において、第１の実施形態のノード１は、制御パケット受信部１１、通信タイミング制御演算部１２、経路制御演算部１３、制御パケット送信部１４、データパケット送受信部１５を少なくとも有して構成される。

第１の実施形態において、通信ネットワークは複数のノード１を有して構成される。各ノード１は、他のノードとの間で周期的に制御パケットの送受信を相互に行い、通信タイミングの相互調整を行う。これにより、各ノード１は自律的な通信タイミングを求めることができる。

また、各ノード１は、他ノードとの間で授受する制御パケットに基づいて、図３で説明した通信タイミング制御機構Ｍ１と経路制御機構Ｍ２との相互調整を行う。これにより、無線環境が変換した場合でも即応性のある通信制御を行うことができる。

通信タイミング制御演算部１２は、制御パケット受信部１１が他ノードから受信した制御パケットを受け取り、制御パケットに含まれる他ノードの位相情報に基づいて、１周期の期間を、近傍ノード及び自ノードの送信に必要な時間区間を分け合って、通信タイミングの調整を行うものである。

なお、１周期内において、各ノードの送信に必要な時間区間は、通信タイミング制御の演算における位相区間に対応する。すなわち、通信タイミングを示す時間は、制御演算上は、位相に置き換えて処理される。以後、１周期内において、各ノードが送信に用いる時間区間や位相区間を、そのノードが獲得している帯域と呼ぶ。同様に、時間区間幅や位相区間幅を帯域幅と呼ぶ。

通信タイミング制御演算部１２による通信タイミングの演算方法は、特許文献１〜特許文献７に記載の種々の方法を適用することができる。なお、第１の実施形態では、特許文献５に記載のように、自ノードに対する仮想位相を生成する場合を例示する。

経路制御演算部１３は、制御パケット受信部１１が他ノードから制御パケットを受け取り、制御パケットに基づいて、データパケットの送信先ノードを決定するための演算処理を行うものである。

経路制御演算部１３は通信タイミング制御演算部１２に対して自ノードが送信に必要な帯域幅を与え、又通信タイミング制御演算部１２は経路制御演算部１３に対して自ノードが獲得している帯域幅を与えて、相互調整する。この相互調整の詳細な説明は後述する。

制御パケット受信部１１は、他ノードが送信した制御パケットを入力制御パケットとして受信し、この受信した制御パケットを通信タイミング演算部１２及び経路制御演算部１３に与えるものである。

制御パケット送信部１４は、通信タイミング制御演算部１２及び経路制御演算部１３による演算結果を受け取り、これらの演算結果を含む制御パケットを周期的に出力制御パケットとして送出するものである。

ここで、制御パケットには、後述するように、ノードの位相情報（自ノードの１ホップ範囲内に存在するすべての他ノードに対する仮想位相を含む）、自ノードの深さ、自ノードの活性度、自ノードから他ノードへの中継要求帯域幅などが含まれている。

データパケット送受信部１５は、他ノードから入力データパケットを受信したり、自ノードが送信すべきデータや他ノードに転送すべきデータがある場合に出力データパケットとして送信したりするものである。データパケットの送信先ノードは、経路制御演算部１３の演算結果に基づいて決定される。

（Ａ−３）第１の実施形態の動作
次に、第１の実施形態のノードにおける通信制御処理の動作を図面を参照しながら説明する。

（Ａ−３−１）通信タイミング制御演算部１２における処理
自ノードの１ホップ範囲内に存在する他ノードから受信した制御パケットを用いて、通信タイミングの調整動作を実行する。

この通信タイミングの調整動作は、通信タイミング制御演算部１２の演算結果に基づいて、自ノードが制御パケットを送信するタイミングを制御することによって実行される。

各ノード１は、並列に自律的な調整動作を実行することにより、ノード間における相互調整機構として機能する。

ここで、自ノード１が他ノードＡから受信する制御パケットには、他ノードＡの１ホップ範囲内に存在するすべての他ノードに対する仮想位相が付加されている。したがって、各ノード１は、１ホップ近傍範囲内に存在する他ノードから制御パケットを受信することによって、間接的に２ホップ近傍範囲内の他ノードに対する位相情報を得ることができる。

通信タイミング制御演算部１２では、制御パケットの受信タイミングで得られる２ホップ近傍範囲内の他ノードに対する位相情報を用いて、当該ノードに対する仮想位相モデルを生成し、以後、制御パケットの受信のたびにその仮想位相の値を調整する。

そして、通信タイミング制御演算部１２における演算は、２ホップ近傍範囲内の他ノードに対する仮想位相を用いて実行される。

通信タイミングは、各ノードがデータパケットの送信に要する時間だけずれる必要がある。一般に、通信負荷は各ノードによって異なるため、各ノードが必要とする帯域幅も異なる。もし、それぞれが必要な帯域幅を獲得できなければ、ノード間で発信衝突が発生する。そのため、通信タイミング制御演算部１２では、ノード間で通信に必要な帯域を取り合う過程に対応する演算を実行する。

以下に、通信タイミング制御演算部１２における演算の例を示す。通信タイミング制御演算部１２の演算は、例えば、次の（１．１）、及び（１．２）式のような非線形振動子が結合した系をモデル化した数式を用いて行うことができる。

ここで、変数ｔは時間を表し、θ_ｉ（ｔ）は、時刻ｔにおける自ノードｉの位相を表す。

θ_ｉ（ｔ）は、ｍｏｄ２π（２πで割った余り）の演算を施すことにより、常に、区間０≦θ_ｉ（ｔ）＜２πの値を取るものとする。

ｄ／ｄｔは、時間ｔに関する微分演算を表す記号であり、ｄθ_ｉ（ｔ）／ｄｔは位相θｉ（ｔ）を時間ｔで微分した状態変数を表す。

Δθ＾_ｉｊ（ｔ）（＾はハット）は、他ノードｊに対する仮想位相θ＾_ｉｊ（ｔ）と、自ノードｉの位相θ_ｉ（ｔ）との位相差である。ただし、位相差Δθ＾_ｉｊ（ｔ）は、２πを加算した値にｍｏｄ２π（２πで割った余り）の演算を施すことにより、便宜的に区間０≦Δθ＾_ｉｊ＜２πの値を取るものとする。

ω_ｉは、固有角振動数パラメータであり、各ノード固有の振動リズムを表す。ここでは、一例として、ω_ｉの値をあらかじめ全ノードで同一の値に統一しておくものと仮定する。

Ｒ（Δθ＾_ｉｊ（ｔ））は、位相差Δθ＾_ｉｊ（ｔ）に応じて自ノードの振動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。位相応答関数Ｒ（Δθ＾_ｉｊ（ｔ））の具体的な関数形の例を図４に示す。

図４のような位相応答関数Ｒ（Δθ＾_ｉｊ（ｔ））を用いることにより、通信負荷、すなわち自ノード１が送信に必要な帯域幅ｂ_ｉ（ｔ）に応じて、他ノードの位相との間に反発特性が働く。図４に示す位相応答関数Ｒ（Δθ＾_ｉｊ（ｔ））において、反発特性の働く位相差範囲が、ｂ_ｉ（ｔ）に応じて決定されている点に注意されたい。また、図４のσは実験的に決定する定数パラメータである。帯域幅ｂ_ｉ（ｔ）と、後述の経路制御演算部１３で説明する変数ｂ_ｉ ^（rel）（ｔ），ｂ_ｉ ^（int）（ｔ）との間には、次の関係がある。

ｂ_ｉ（ｔ）＝ｂ_ｉ ^（rel）（ｔ）＋ｂ_ｉ ^（int）（ｔ） …（２）
上記のように、位相応答関数に対して通信負荷に応じた特性を持たせることにより、送信経路の決定が、通信タイミングパターン形成過程における拘束条件となる。

Ｒ（Δθ＾_ｉｊ（ｔ））を含む項のＮ＾_ｉは、時刻ｔにおける仮想位相モデルの総数、Ｋは結合定数パラメータを表す。ここで、結合定数パラメータＫは、位相の時間発展に対するＲ（Δθ＾_ｉｊ（ｔ））を含む項の寄与度を決定するパラメータであり、その値は実験的に決定する。

ξ（Ｓ_ｉ（ｔ））は、自ノードと他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Ｓ_ｉ（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Δθ＾_ｉｊ（ｔ）、相対位相差Ｅとすると
Δθ＾_ｉｊ（ｔ）≦π のとき Ｅ＝Δθ＾_ｉｊ（ｔ） …（３．１）
Δθ＾_ｉｊ（ｔ）＞π のとき Ｅ＝２π−Δθ＾_ｉｊ（ｔ） …（３．２）
すなわち、ξ（Ｓ_ｉ（ｔ））は、蓄積されたストレス値Ｓ_ｉ（ｔ）に対する応答特性を表現する関数である。ξ（Ｓ_ｉ（ｔ））の関数形の具体例は、特許文献１〜特許文献７で示した具体例を適用できる。

（Ａ−３−２）経路制御演算部１３における処理
経路制御演算部１３では、各ノードが時刻ｔに獲得している帯域を、リンク同士で取り合う過程に対応する演算を実行する。

ここで、リンクとは、各ノードに対する送信先候補ノード（１ホップ近傍範囲内に存在する他ノード）との間のリンクを指す。一般に、各ノードに対する送信先候補ノードは複数存在するため、各ノードに対するリンクも複数存在する。このリンク同士で帯域を取り合う。以後、ノードｉがノードｊを送信先候補ノードとするリンクを、リンクｉ→ｊと記述する。

以下に、経路制御演算部１３における演算の例を示す。経路制御演算部１３の演算は、例えば、次の（１．３）〜（１．８）式のような数式を用いて行うことができる。

ここで、変数ｔは時間を表し、ｗ_ｉｊ（ｔ）は、時刻ｔにノードｉが獲得している帯域幅Φ_ｉ（ｔ）の内、リンクｉ→ｊが獲得する割合、すなわち、時刻ｔにおけるリンクｉ→ｊの帯域獲得度を表す。

Ｎは、ノードｉの送信先候補ノードの総数である。ここで、送信先候補ノードとは、ノードｉの１ホップ近傍範囲内に存在する他ノードである。第１の実施形態では、簡単のため、ノードｉの送信先候補ノードは、ノードｉの１ホップ近傍範囲内に存在する他ノードで、「深さがノードｉより小さい」という条件を満たすノードとする。ただし、ノードｉの深さとは、シンクノードからノードｉまでの最短ホップ数を表す。以後、ノードｉの深さをＤ_ｉと記述する。

φ_ｉｊ（ｔ）は、Φ_ｉ（ｔ）とｗ_ｉｊ（ｔ）に基づいて、時刻ｔにリンクｉ→ｊが獲得している帯域幅を表す。φ_ｉｊ（ｔ）は、自ノードｉが他ノードｊに対して中継要求するデータパケットを送信するために必要な帯域幅に対応する。（１．４）式からわかるように、Φ_ｉ（ｔ）とφ_ｉｊ（ｔ）との間には、次の（１．９）式の関係がある。

ｄ／ｄｔは時間ｔに関する微分演算を表す記号であり、ｄｗ_ｉｊ（ｔ）／ｄｔはｗ_ｉｊ（ｔ）を時間ｔで微分した状態変数を表す。

μ_jk ^（i）は、実験的に決定する定数パラメータである。定数パラメータμ_jk ^（i）は、ノードｉが時刻ｔに獲得している帯域Φ_ｉ（ｔ）を、リンク同士で取り合う過程に対応する演算を実行する際に、リンクｉ→ｊが他のリンクｉ→ｋ（ｋ≠ｊ）から受ける影響度を表す。

ｆ_ｉｊ（ｔ）は、（１．５）式で定義される評価関数である。

（１．５）式において、Ｌ_ｉｊはリンクｉ→ｊのリンク品質である。リンク品質Ｌ_ｉｊは、ノードｉが送信したパケットを、ノードｊが受信に成功する割合（送信成功度）を表す。

ａ_ｊ（ｔ）は、（１．６）式で定義される評価関数である。

（１．６）式において、ｂ_ｊ ^(rel)（ｔ）は、（１．８）式で定義され、ノードｊが、１周期の間に、他ノードから中継要求されたデータパケットを送信するために必要な帯域幅である。（１．８）式において、Ｂは、１周期の間に、ノードｊに対して中継要求したノードの集合を表す。ただし、ノードｊに対して中継要求をすることができるノードは、ノードｊの１ホップ近傍範囲内に存在する他ノードである。

また、ｂ_ｊ ^（int）（ｔ）は、ノードｊが、１周期の間に、自ノード内部で発生したデータパケットを送信するために必要な帯域幅である。したがって、（１．６）式の分母は、ノードｊがパケットの送信に必要な帯域幅を表す。

一方、ｂ_ｊ ^（tra）（ｔ）は、（１．７）式で定義され、ノードｊの「実効的な送信帯域幅」を表す。リンクｊ→ｋが獲得している帯域幅φ_ｊｋ（ｔ）は、その送信成功度を表すリンク品質Ｌ_ｊｋ考慮すると、実効的にはＬ_ｊｋφ_ｊｋ（ｔ）で与えられる量の送信帯域幅であると考えることができる。すなわち、送信に成功する帯域幅の期待値は、Ｌ_ｊｋφ_ｊｋ（ｔ）である。したがって、Ｌ_ｊｋφ_ｊｋ（ｔ）のｋに関する総和は、ノードｊの「実効的な送信帯域幅」を表す。

（１．７）式において、Ａは、ノードｊの１ホップ近傍範囲内に存在する他ノードで、深さがノードｊより小さいノードの集合を表す。

また、（１．７）式では、リンクｊ→ｋのリンク品質Ｌ_ｊｋを用いてｂ_ｊ ^（tra）（ｔ）を定義しているが、Ｌ_ｊｋに換えて、ノードｊからノードｋを経由してシンクノードに至る径路に対する、リンク品質の累積加算値や累積積算値に基づく評価値（コスト）を用いて定義してもよい。上記のノードｋを経由する径路は複数存在するが、累積加算値であれば、例えば、最小値を選択することにより、評価値を決定することができる。

以上より、（１．６）式で定義されるａ_ｊ（ｔ）は、ノードｊがデータパケットの送信に必要な帯域幅（通信負荷に対応）と、ノードｊの「実効的な送信帯域幅」（送信に成功する帯域幅の期待値）との比を表している。したがって、ａ_ｊ（ｔ）は、時刻ｔにおけるノードｊに対する通信負荷と、それに対する実効的な送信能力とのバランスを表している。以後、ａ_ｊ（ｔ）を時刻ｔにおけるノードｊの「活性度」と呼ぶ。「活性度」の値が低いほど、上記のバランスが悪く、ノードｊにデータパケットの蓄積が発生する傾向が強いことを表している。

また、（１．５）式で定義されるｆ_ｉｊ（ｔ）は、リンクｉ→ｊにおける「実効的な送信帯域幅（送信に成功する帯域幅の期待値）Ｌ_ｉｊφ_ｉｊ（ｔ）」と、ノードｊの「活性度ａ_ｊ（ｔ）」との積で与えられる評価尺度である。したがって、ｆ_ｉｊ（ｔ）は、時刻ｔにおけるリンクｉ→ｊに対する「パケットの流れの良さ」を表すと考えることができる。ただし、リンクｉ→ｊに対する「パケットの流れの良さ」は、ノードｊにパケットの蓄積が発生する傾向を考慮した評価尺度になっている点に注意されたい。

（Ａ−３−３）経路制御動作について
上記の（１．３）〜（１．８）式を用いた経路制御動作処理の演算を実行することにより、自ノードｉのリンクの中で、「パケットの流れの良さｆ_ｉｊ（ｔ）」が大きい値をとるリンクほど、その帯域幅φ_ｉｊ（ｔ）が時間と共に増大する。すなわち、リンクｉ→ｊ（ｊ＝１、２、・・・、Ｎ）が獲得する帯域幅φ_ｉｊ（ｔ）は、そのリンクの「パケットの流れの良さｆ_ｉｊ（ｔ）」に依存して、時間と共に増大、あるいは減衰する。これは、自ノードｉのリンクの中で（上記のリンク同士で）、ノードｉが獲得している帯域Φ_ｉ（ｔ）を取り合う動作に相当する（図５参照）。あるリンクｉ→ｊの帯域幅φ_ｉｊ（ｔ）が増大すれば、その分、他のリンクｉ→ｋ（ｋ≠ｊ）の帯域φ_ｉｋ（ｔ）は減衰する。定数パラメータμ_jk ^（i）は、その演算を実行する際に、リンクｉ→ｊが他のリンクｉ→ｋ（ｋ≠ｊ）から受ける影響度を表す。その結果、次の２つ状態のいずれかに収束する。

（１）自ノードｉのリンクの中で、１個のリンクが帯域幅Φ_ｉ（ｔ）をすべて獲得する。

（２）自ノードｉのリンクの中で、複数のリンクが帯域幅Φ_ｉ（ｔ）をある比率で分割する。

上記の２つの状態の内、どちらに収束するかは、定数パラメータμ_jk ^（i）と「パケットの流れの良さｆ_ｉｊ（ｔ）」の値に依存する。定数パラメータμ_jk ^（i）の値は、アプリケーションの要求に合わせて実験的に決定する。

（Ａ−３−４）通信タイミングパターン形成過程の状態が経路制御動作に与える影響について
通信タイミングパターン形成過程で発生するコンフリクトは、ノードの「活性度」の値に反映される。例えば、ノードｊでコンフリクトが発生すれば、ノードｊの「活性度ａ_ｊ（ｔ）」の値が減少する。その結果、リンクｉ→ｊの「パケットの流れの良さｆ_ｉｊ（ｔ）」の値も減少し、リンクｉ→ｊが獲得する帯域幅φ_ｉｊ（ｔ）を減衰させる作用が働く。これは、ノードｉにおける他のリンクｉ→ｋ（ｋ≠ｊ）の帯域幅φ_ｉｋ（ｔ）を増大させる。このようにして、コンフリクトが発生しているノードｊに対する通信負荷を減少させ、それを他のノードに分散させる機能が働く。

したがって、ノード間において通信に必要な帯域を取り合う過程で生じるコンフリクトの状態が、データパケットの送信経路を決定する過程に影響し、コンフリクトを低減する方向に作用する。

（Ａ−３−５）制御パケット送信部１４及び制御パケット受信部１１における処理
制御パケット送信部１４では、通信タイミング制御演算部１２の演算結果に基づくタイミングで、制御パケットに制御情報を付加して送信する。また、制御パケット受信部１１では、他ノードが送信した制御パケットを受信し、制御情報の読み出しを行う。

制御パケットには、近傍ノードの位相情報以外に、以下の制御情報を付加する。

（１）自ノードｉの「活性度ａ_ｉ（ｔ）」
（２）他ノードｊに対して中継要求するデータパケットを送信するために必要な帯域幅φ_ｉｊ（ｔ）
（３）自ノードｉの深さＤ_ｉ
（Ａ−３−６）データパケット部１５における処理
自ノードｉは、経路制御演算部の演算結果に基づいて、他ノードｊに対して中継要求するデータパケットを、帯域幅φ_ｉｊ（ｔ）を用いて送信する。また、他ノードから中継要求されたデータパケットを受信する。

（Ａ−３−７）微分方程式の演算方法について
上述した（１．１）、（１．２）、及び（１．３）式で示した微分方程式の演算は、例えば、オイラー法やルンゲ・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可能である。これらの数値計算法は、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）を計算する手法である。さらに、（１．１）、（１．２）、及び（１．３）式と同様の動作をする電子回路を構成すれば、ハードウェアとしてノード上に実装することも可能である。

（Ａ−４）第１の実施形態の効果
以上のように、第１の実施形態によれば、無線環境の変化に基づいて、通信タイミング制御機構による通信タイミングパターン形成過程と、経路制御機構によるネットワークトポロジー形成過程とが、相互に拘束しあいながら、次第に整合する関係を形成するように進行する。

その結果、無線環境の変化に即応して、ノード間において通信タイミングと送信経路とが相互に調整され、発信衝突と輻輳をともに回避したマルチホップ通信が可能になる。

（Ｂ）第２の実施形態
次に、本発明の通信制御装置及びプログラムの第２の実施形態について図面を参照しながら説明する。

第１の実施形態では、図３における通信タイミング制御機構Ｍ１の実現手段として、特許文献１〜特許文献７に開示される方法を用いる場合を例示して説明した。

これに対して、第２の実施形態では、図２における通信タイミング制御機構Ｍ１の実現手段として、非特許文献１に開示されるＣＳＭＡ／ＣＡ方式を用いる場合を例示して説明する。すなわち、ＩＥＥＥ８０２．１１ｓのＭＡＣ層における輻輳制御方式を採用した通信タイミング制御を適用する場合である。

この場合、ノード間における通信タイミングの調整は、バックオフタイムを制御することによって行う。ここで、バックオフタイムとは、キャリアセンスにより他ノードの発信を検出した際に、データパケットを送信開始するまでの待機時間である。

通信負荷の大きいノード１ほど、上記のバックオフタイムを小さくする。ＣＳＭＡ／ＣＡ方式では、通信タイミングがノード間でスケジューリングされるわけではないため、完全に発信衝突を避けることはできない。

各ノード１は自身における発信衝突の発生頻度（自ノードの発信タイミングで、他ノードの発信を検出した頻度）を観測する。この情報を、経路制御機構によるネットワークトポロジー形成過程における拘束条件としてフィードバックする。経路制御機構の具体的な実現手段は第１の実施形態と同様である。

第２の実施形態に係るノードの内部構成は、図１で示した内部構成と同様である。そのため、第２の実施形態でも、図１を用いて説明する。

第１の実施形態では、図１における通信タイミング制御演算部１２の演算結果に基づくタイミングで、周期的に制御パケット及びデータパケットの送信を行った。

これに対して、第２の実施形態は、通信タイミング制御演算部１２は、ＣＳＭＡ／ＣＡ方式の制御ルールに従って、通信タイミングの調整動作を行う部分に相当する。従って、制御パケット及びデータパケットは、ＣＳＭＡ／ＣＡ方式に基づく通信タイミングで送信される。

ただし、ＣＳＭＡ／ＣＡ方式は、位相情報を扱わないため、制御パケットにノードの位相情報は付加されない。また、パケットの送信は周期的ではない。

第２の実施形態は、第１の実施形態と比べると、発信衝突の回避能力は劣るが、通信タイミング制御演算部１２の構成が簡素化できるため、ノードの低コスト化が図れるというメリットがある。

１…ノード、１１…制御パケット受信部、１２…通信タイミング制御演算部、１３…経路制御演算部、１４…制御パケット送信部、１５…データパケット送受信部。

Claims (6)

1. ネットワークを構成する複数のノードのそれぞれに搭載される通信制御装置において、
   他ノードとの間でデータ信号を送信する帯域を取り合い、自ノードの通信タイミングの調整をする通信タイミング制御手段と、
   上記通信タイミング制御手段が獲得した自ノードの帯域幅の中で、それぞれのデータ信号を送信する１又は複数の送信経路を決定する経路制御手段と、
   上記経路制御手段により決定された上記各送信経路に係る送信先ノードに対して各データ信号を送信するデータ信号送信手段と
   を備え、
   上記通信タイミング制御手段及び上記経路制御手段は、それぞれの処理に係る状態情報を相互に受け渡し、相手の状態情報を拘束条件として、自ノードの帯域の調整及び上記各送信先ノードとの間のリンクの帯域の調整を行うことを特徴とする通信制御装置。
2. 上記経路制御手段は、上記各送信経路の変更に伴う自ノードの通信負荷の大きさを上記通信タイミング制御手段に与え、上記通信タイミング制御手段が、上記自ノードの通信負荷の大きさを拘束条件として、他ノードとの間で自ノードの帯域の調整を行い、
   上記通信タイミング制御手段は、獲得した自ノードの帯域幅を上記経路制御手段に与え、上記経路制御手段が、上記自ノードの帯域幅に基づく通信タイミングのコンフリクト状態を拘束条件として、自ノードの帯域幅においてリンク同士の帯域の調整を行う
   ことを特徴とする請求項１に記載の通信制御装置。
3. 少なくとも、他ノードが自ノードに対して要求するデータ信号の送信に必要な中継要求帯域幅を含む制御情報を、他ノードとの間で送受信する制御情報通信手段を更に備え、
   上記経路制御手段は、
   上記制御情報に含まれる上記中継要求帯域幅に基づく上記各送信先ノードに対する通信負荷と、それに対する実効的な送信帯域幅との、上記自ノードの帯域幅におけるバランス関係に基づいて、上記通信タイミングのコンフリクト状態を示す第１の評価値を求める第１の評価値算出部を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. 上記経路制御手段は、
   上記各送信先ノードに対するデータ信号の送信が成功する帯域幅の期待値と、上記第１の評価値算出部が求めた上記各リンクの第１の評価値とに基づいて、上記各送信先ノードに対するデータ信号の流れの程度を示す上記各リンクの第２の評価値を求める第２の評価値算出部と、
   上記第２の評価値算出部が求めた上記各リンクの第２の評価値に基づき、上記自ノードの帯域幅における上記リンク同士の帯域を決定するリンク帯域決定部と
   を有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. 上記制御情報通信手段は、さらに、上記第１の評価値、自ノードの位置情報を上記制御情報に付加して、他ノードに送信することを特徴とする請求項３又は４に記載の通信制御装置。
6. ネットワークを構成する複数のノードのそれぞれに搭載される通信制御装置を、
   他ノードとの間でデータ信号を送信する帯域を取り合い、自ノードの通信タイミングの調整をする通信タイミング制御手段、
   上記通信タイミング制御手段が獲得した自ノードの帯域幅の中で、それぞれのデータ信号を送信する１又は複数の送信経路を決定する経路制御手段、
   上記経路制御手段により決定された上記各送信経路に係る送信先ノードに対して各データ信号を送信するデータ信号送信手段
   として機能させ、
   上記通信タイミング制御手段及び上記経路制御手段が、それぞれの処理に係る状態情報を相互に受け渡し、相手の状態情報を拘束条件として、自ノードの帯域の調整及び上記各送信先ノードとの間のリンクの帯域の調整を行うように機能させることを特徴とする通信制御プログラム。

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