JP4004517B2 - 通信タイミング制御装置、通信タイミング制御方法、ノード及び通信システム - Google Patents

Description

本発明は、通信タイミング制御装置、通信タイミング制御方法、ノード及び通信システムに関し、特に、各ノードがデータ送信タイミング（タイムスロット）を自律的に決定するネットワークに適用し得るものである。

従来、ネットワーク内のノードが近傍ノードと協働して自律的にデータ送信タイミングを制御する方法として、特許文献１に記載の方法がある。

特許文献１の記載技術においては、ネットワークの各ノード（無線端末）は、通信タイミング信号（インパルス信号）をほぼ周期的に送信する。また、各ノードは、近傍のノードが送信した通信タイミング信号を受信し、自ノードの通信タイミング信号の送信タイミング（送信位相）の調整を行う。以上のような通信タイミング信号の授受により、各ノードの通信タイミング信号の送信タイミングはほぼ安定した位相になる。ネットワークにデータ信号を送信しようとするノードは、自ノードからの通信タイミング信号を送信してから、他ノードが通信タイミング信号を送信する直前までの期間を、自ノードに割り当てられたタイムスロットとしてデータ信号を送信することができる。

各ノードについて見れば、通信タイミング信号の送信周期（フレーム）を、自ノードと、自ノードが通信タイミング信号を受信可能な他ノードとの複数のノードで分割し、分割された各期間を各ノードのデータ送信タイミングとしている。
特開２００５−９４６６３号公報

しかしながら、特許文献１の記載技術は、以下のような課題を有するものであった。

ネットワークにおけるノードの密度はネットワークの全域で一定ではなく、ノードの疎密を持つ場合がある。ノード密度が低い疎の領域に配置されたノードのタイムスロット割当量（タイムスロット期間）は、送信周期（フレーム）を分割し合うノード数が少ないために大きい。一方、ノード密度が高い密な領域に配置されたノードのタイムスロット割当量は、送信周期（フレーム）を分割し合うノード数が多いために小さい。タイムスロット割当量が小さい場合、データ通信に支障をきたす恐れがある。

また、ノードによって近傍ノード数が必ずしも一致せず、そのため、同様な領域の各ノードに、公平かつ効率的なタイムスロットを割り当てようとしても、その最適な割当量（最適な分割数）を決定することができない（最適な割当量が分からない）。

さらに、近傍ノード間は通信タイミング信号を授受し合うことで、自ノードからの通信タイミング信号を調整し、十分な幅のタイムスロットを確保しようとするが、通信タイミング信号を授受し合う開始時での送信タイミングの位相関係によっては、先行するノード及び後続するノードの両方共に、送信タイミングを近付けるような制御を行い、その結果、十分なタイムスロットが割り当てられない恐れがある。

そのため、各ノードが、ノード配置状況を考慮してタイムスロットを自律的に適切に割り当てることができる通信タイミング制御装置、通信タイミング制御方法、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設けられている通信タイミング制御装置であって、他ノードからの通信タイミング信号の受信タイミングを利用して、自ノードからの通信タイミング信号の送信タイミングを決定し、この送信タイミング及び他ノードからの通信タイミング信号の受信タイミングに基づいて、自ノードからデータ信号を送信するタイムスロットを決定する通信タイミング制御装置において、（１）他ノードから到来した通信タイミング信号に基づいて、自ノードの近傍にある他ノードの数である近傍ノード数を測定する近傍ノード数測定手段と、（２）測定された近傍ノード数を含む信号を送信する近傍ノード数送信手段と、（３）受信した、自ノードの近傍にある他ノードの近傍ノード数に基づいて、自ノードからの通信タイミング信号の送信タイミングを制御する近傍ノード数反映制御手段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の本発明の通信タイミング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が実行する通信タイミング制御方法であって、他ノードからの通信タイミング信号の受信タイミングを利用して、自ノードからの通信タイミング信号の送信タイミングを決定し、この送信タイミング及び他ノードからの通信タイミング信号の受信タイミングに基づいて、自ノードからデータ信号を送信するタイムスロットを決定する通信タイミング制御方法において、（１）他ノードから到来した通信タイミング信号に基づいて、自ノードの近傍にある他ノードの数である近傍ノード数を測定する近傍ノード数測定工程と、（２）測定された近傍ノード数を含む信号を送信する近傍ノード数送信工程と、（３）受信した、自ノードの近傍にある他ノードの近傍ノード数に基づいて、自ノードからの通信タイミング信号の送信タイミングを制御する近傍ノード数反映制御工程とを含むことを特徴とする。

本発明によれば、各ノードが自ノードの近傍ノード数を測定して近傍ノードに通知すると共に、近傍ノードから通知された近傍ノード数に基づいて、通信タイミング信号の送信タイミングや送信開始位置を調整するようにしたので、ノード密度に疎密があっても、各ノードにタイムスロットを適切に割り当てることができるようになる。

（Ａ）第１の実施形態
以下、本発明による通信タイミング制御装置、通信タイミング制御方法、ノード及び通信システムの第１の実施形態を、図面に基づいて説明する。

（Ａ−１）第１の実施形態の構成
図１は、第１の実施形態のノード１０の内部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は、図１に示す内部構成を有する複数のノードが分散配置されたものである。

図１において、各ノード１０は、通信タイミング信号受信手段１１、通信タイミング計算手段１２、通信タイミング信号生成手段１３、通信タイミング信号送信手段１４及びデータ通信手段１５を有する。通信タイミング計算手段１２は、通信タイミング計算部１２Ａ及び近傍ノード数測定部１２Ｂを有している。

なお、通信タイミング信号受信手段１１、通信タイミング計算手段１２の通信タイミング計算部１２Ａ、通信タイミング信号送信手段１４及びデータ通信手段１５は、特許文献１のノードと同様の機能を担っているものである。

通信タイミング信号受信手段１１は、近傍のノード（当該ノードの発信電波が届く範囲に存在する他のノード）が送信した通信タイミング信号を受信するものである。

通信タイミング計算手段１２の通信タイミング計算部１２Ａは、通信タイミング信号受信手段１１から与えられた信号に基づき、当該ノードでの通信タイミングを規定する位相信号を形成するものである。ここで、当該ノードをノードｉとし、その位相信号の時刻ｔでの位相値をθｉ（ｔ）とすると、通信タイミング計算部１２Ａは、（１）式に示すような変化分ずつ位相信号θｉ（ｔ）を変化させる。なお、（１）式は、非線形振動をモデル化した式であるが、他の非線形振動をモデル化した式を適用することも可能である。また、位相信号θｉ（ｔ）は、当該ノードの状態変数信号と見ることができる。

（１）式は、通信タイミング信号受信手段１１から与えられた信号に応じて、自ノードｉの位相信号θｉ（ｔ）の非線形振動のリズムを変化させる規則を表している。（１）式において、右辺第１項ω（固有角振動数パラメータ）は、各ノードが備える基本的な変化リズム（「自己の動作状態を遷移させる基本速度」に対応する）を表しており、右辺第２項が非線形変化分を表している。ここで、ωの値は例えばシステム全体で同一値に統一している。関数Ｐｋ（ｔ）は、近傍ノードｋ（ｋは１〜Ｎまでとする）から受信した通信タイミング信号を表しており、関数Ｒ（θｉ（ｔ），σ（ｔ））は、他ノードからの通信タイミング信号の受信に応じて自己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り、例えば、（２）式に従っている。

（２）式は、時刻ｔにおける位相信号θｉ（ｔ）の逆相にランダムノイズを重畳させた位相値の正弦波で位相応答関数を定めていることを表している。

近傍のノード同士が逆相（振動の位相が反転位相）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通信タイミング信号の送信タイミングなどが衝突しないように、各ノードの位相信号の値が同じ値になるタイミングに、適当な時間関係（時間差）が形成させようとしている。

（２）式において、関数σ（ｔ）を表現する定数項π［ｒａｄ］は、近傍のノード同士が逆相になろうとする非線形特性の働きをし、ランダムノイズ関数φ（ｔ）は、その非線形特性にランダムな変動性を与える働きをする（関数φ（ｔ）は、例えば、平均値が０のガウス分布に従う）。ここで、上記非線形特性にランダムな変動性を与えているのは、システムが目的とする安定状態（最適解）に到達せず、別の安定状態（局所解）に陥ってしまう現象に対処するためである。

なお、（２）式では、位相応答関数Ｒ（θｉ（ｔ），σ（ｔ））の最も簡単な例としてｓｉｎ関数を用いる形態を示したが、位相応答関数として他の関数を用いても良い。また、関数σ（ｔ）の定数項πに代え、π以外の定数λ（０＜λ＜２π）を用いても良く、この場合、近傍のノード同士が逆相ではなく、異なる位相になろうと機能する。

通信タイミング計算部１２Ａの上述した機能の意味合いを、図２を用いて詳述する。なお、図２に示す状態変化は、通信タイミング信号送信手段１４の機能も関係している。

図２は、ある１つのノードｉに着目したときに、着目ノード（自ノード）と近傍のノード（他ノード）ｊ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２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２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。（１）式及び（２）式に基づく動作により、２つの質点には相互に逆相になろうとし、仮に、図２（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２（ｂ）に示す状態（過渡状態）を経て、図２（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）として回転している。ここで、ノード間で通信タイミング信号の授受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α（例えばα＝０）のときに通信タイミング信号を送信するとした場合、互いのノードにおける送信タイミングは、適当な時間関係を形成していることになる。

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部１２Ａは、得られた位相信号θｉ（ｔ）に基づいて、通信タイミング信号の送信タイミングを定めて、通信タイミング信号生成手段１３経由で通信タイミング信号送信手段１４に指示する。すなわち、位相信号θｉ（ｔ）が所定の位相α（０≦α＜２π）になると、通信タイミング信号の送信を指示する。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。図２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θｉ（ｔ）及びθｊ（ｔ）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からの通信タイミング信号の送信タイミングと、ノードｊからの通信タイミング信号の送信タイミングとはπだけずれる。

また、通信タイミング計算部１２Ａは、自ノードや１又は複数の近傍ノードの間で行われる通信タイミング信号の送信タイミングの相互調整が、「過渡状態」（図２（ｂ）参照）あるいは「定常状態」（図２（ｃ）参照）のいずれの状態にあるかをも判定する（同調判定を行う）。通信タイミング計算部１２Ａは、通信タイミング信号の受信タイミング及び通信タイミング信号の自ノードからの送信タイミングを観測し、通信タイミング信号を授受し合う複数のノードの送信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。通信タイミング計算部１２Ａは、自ノードからの通信タイミング信号の送信タイミングを捉えるための信号として、位相信号θｉ（ｔ）を利用する。

通信タイミング計算部１２Ａは、同調判定結果が「定常状態」を示す場合に、位相信号θｉ（ｔ）の周期毎に、当該ノードからのタイムスロットを定めて、通信タイミング新生成手段１３経由でデータ通信手段１５に指示する。

タイムスロットは、例えば、位相信号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、通信タイミング号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、位相信号の周期毎の最初の受信した通信タイミング信号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、当該ノードの近傍の無線空間で、通信タイミング信号（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。

通信タイミング計算手段１２は、以上のような従来と同様の機能を担当する通信タイミング計算部１２Ａに加え、近傍ノード数測定部１２Ｂを有する。

近傍ノード数測定部１２Ｂは、通信タイミング信号を受信しているノード数（近傍ノード数）をカウントするものである。この第１の実施形態の場合、通信タイミング信号には、送信元ノードの識別子（送信元アドレス）と、送信元ノードでの近傍ノード数情報を含んでおり、近傍ノード数測定部１２Ｂは、近傍ノード数を、通信タイミング信号中の送信元アドレスを参照してカウントする。すなわち、近傍ノード数は、１周期間で受信した送信元アドレスが異なる通信タイミング信号の数である。なお、近傍ノードが通信を開始したり終了したり、電波状況によりノード数が急激に変動する場合があるので、変動を抑えるために、近傍ノード数として複数周期での平均値を適用するようにしても良い。

通信タイミング信号生成手段１３は、上述したような自ノードの識別子（上述した送信元アドレス）及び近傍ノード数情報を含む通信タイミング信号を生成するものである。生成された通信タイミング信号は、通信タイミング信号送信手段１４及びデータ通信手段１５に与えられる。

ここで、通信タイミング信号における自ノードの識別子には、例えば、ＭＡＣ（Ｍｅｄｉａ Ａｃｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ）アドレスを適用でき、予めノード毎に固有に割り当てておいたアドレスであれば良い。このノード識別子を参照して近傍ノード（及び自ノード）を識別し、近傍ノード数をカウントする。また、通信タイミング信号における近傍ノード数は、近傍ノード数測定部１２Ｂでカウントした近傍ノード数を記述したものである。なお、通信タイミング信号にはこれら以外の情報も含ませるようにしても良い。

通信タイミング信号送信手段１４は、通信タイミング信号生成手段１３が生成した通信タイミング信号を、通信タイミング計算部１２Ａが指示した送信タイミングで送信するものである。

データ通信手段１５は、通信タイミング計算部１２Ａから通信タイミング信号生成手段１３経由で通達されたタイムスロット内で、ネットワークにデータ信号を送信し、また、ネットワークから到来したデータ信号を受信する機能を担っている。なお、図１では、データ信号の出力元であると共に、受信データ信号の供給先である情報処理構成を省略している。

（Ａ−２）第１の実施形態の動作
次に、第１の実施形態の通信システムにおける動作（特に、各ノードでの動作）を説明する。図３は、各ノードの通信タイミング制御動作を示すフローチャートである。

なお、以下では、図４に示すようなノード間の位置関係を利用しながら、具体的な動作例にも言及する。図４において、破線円は、各ノードからの電波到達範囲を表している。図４の例の場合、ノードＡはノードＢ及びＣの２ノードと通信可能であり、ノードＢはノードＡ、Ｃ及びＤの３ノードと通信可能であり、ノードＣはノードＡ、Ｂ、Ｄ及びＥの４ノードと通信可能であり、ノードＤはノードＢ、Ｃ及びＥの３ノードと通信可能であり、ノードＥはノードＣ及びＤの２ノードと通信可能である。

各ノード１０は、送信すべきデータ信号が生じたときに、図３に示す通信タイミング制御動作を開始し、まず、通信タイミング信号受信手段１１によって、他ノードからの通信タイミング信号を受信しているか否かを確認すると共に（Ｓ１１）、自ノードからのデータ送信タイミングになったか否かを確認する（Ｓ１４）。

他ノードからの通信タイミング信号を受信している場合には、以下のような情報の取得処理を行う（Ｓ１２）。通信タイミング信号受信手段１１から、受信タイミング情報と共に、通信タイミング信号中に記述されている近傍ノード数が通信タイミング計算手段１２に渡される。近傍ノード数測定部１２Ｂで保持している最大ノード数と比較し、大きければ保持している最大ノード数を、受信した近傍ノード数に書き換える。

なお、最大ノード数は、自ノードから通信タイミング信号を送信してから、次の周期で通信タイミング信号を送信するまでの１周期の間に測定した、各他ノードの近傍ノード数の中の最大値であり、通信タイミング信号を送信すれば、新たに最大ノード数を再設定し直す。ここで、自ノードが測定した近傍ノード数も考慮にいれて最大ノード数を決定するようにしても良い。

例えば、図４のノード配置において、ノードＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅの順に通信タイミング信号を送信しているとする。また、ステップＳ１２の受信タイミング情報の取得動作が繰り返し実行されている状態を考える（後述するＳ１７からＳ１１に戻るループが繰り返されているとする）。ノードＡがノードＢからの通信タイミング信号を受信したタイミングではその通信タイミング信号における近傍ノード数３を最大ノード数とする。ノードＡがノードＣからの通信タイミング信号を受信したタイミングではその通信タイミング信号における近傍ノード数が４であるので、最大ノード数を４に書き換える。ノードＡには、ノードＤ及びＥからの通信タイミング信号は到達しないので、ノードＡはその周期での最大ノード数を４に設定する。仮に、ノードＤ及びＥからの通信タイミング信号がノードＡに到達したとしても、その受信通信タイミング信号における近傍ノード数はそれぞれ３、２であるので、その周期での最大ノード数は４に設定される。

以上のようにしてステップＳ１２で最大ノード数を取得すると、最小タイムスロット割当量を設定する（Ｓ１３）。通信タイミング計算手段１２で保持している最大ノード数を用い、１周期を（最大ノード数＋１）で割った時間を最小タイムスロット幅とする。例えば、１周期が１００ミリ秒で最大ノード数が９の場合には、最小タイムスロット幅は１０ミリ秒（＝１００ミリ秒／（９＋１））となる。最大ノード数＋１で割るようにしたので、自ノードの存在も考慮したためである。

ステップＳ１１の判断で通信タイミング信号を受信していないという結果を得た場合や、ステップＳ１３の最小タイムスロット幅の設定が終了した場合には、自己からの通信タイミング信号の送信タイミング（このタイミングはデータの送信タイミングとを規定している）を決定し直すと共に、通信タイミング信号の送信タイミングになったか否かを判別する（Ｓ１４）。上述したように、自ノードからの直前の通信タイミング信号の送信タイミングや他ノードからの通信タイミング信号の受信タイミングを利用しながら、通信タイミング信号の新たな送信タイミングを計算する。

このとき、自ノードから通信タイミング信号を送信してから後続の他ノードからの通信タイミング信号の受信タイミングとの差の時間や、自ノードに先行する他ノードからの通信タイミング信号を受信してから自ノードが通信タイミング信号を送信するまでのタイミング間の差時間が、設定された最小タイムスロット幅より大きい場合には、そのタイミングの差時間を広げるような動作を行わないように制限する。すなわち、上述した（１）式に従って位相信号θｉ（ｔ）を変化させる場合において、タイムスロット幅を拡大させる方向に変化させる状況であっても、上述したタイミング間の差時間が、設定された最小タイムスロット幅より大きい場合には、この差時間の増大を抑制させる。

例えば、図４のノードＣが図３の処理を実行しているとする。ノードＣは、周囲の４ノードＡ、Ｂ、Ｄ、Ｅと自ノードを合わせた５ノードの間で通信タイミング信号を授受しているので、言い換えると、（１）式の相互作用を行うノード数が５ノードであるので、図５（ａ）のように１周期（ここでは１００ミリ秒とする）を５分割してタイムスロット割り当てを実行すれば最適な状態にあり、最大ノード数に基づいた最小タイムスロット幅は１周期を５分割したものとなる。

一方、隣接するノードＤは、自ノードを含めて４ノードの間で通信タイミング信号を授受しており、ノードＣとは異なってノードＡとは通信タイミング信号を授受していないので、（１）式に示すような相互作用により、ノードＤでのタイムスロット割り当ては、ノードＣにおいてノードＤに割り当てているタイムスロット幅（２０ミリ秒）より大きくなろうとし（１周期を４分割した２５ミリ秒に向けて大きくなろうとする）、その分、ノードＣの割り当てを減らそうとする可能性がある。

しかしながら、近傍ノード数の授受により、ノードＤも最大ノード数は４となっており、最小タイムスロット幅は１周期を最大ノード数＋１である５等分した幅である。そのため、自己のタイムスロット幅を増大させようとしても、ステップＳ１４の処理での制約のために、最小タイムスロット幅よりタイムスロット幅が大きい状況では、さらなるタイムスロット幅の増大はなされない。

このようにすることにより、ノードＣにおいても、タイムスロットの割り当てが減少するような動作にならず、安定して通信を行うことができる。

以上のような処理を行いながら、自ノードからの通信タイミング信号の送信タイミングになっているか否かを判定する。自ノードからの通信タイミング信号の送信タイミングになっていなければ、上述したステップＳ１１に戻る。

一方、自ノードからの通信タイミング信号の送信タイミングになれば、通信タイミング生成手段１３によって、通信タイミング信号を組み立てる（Ｓ１５）。自ノードの識別子、通信タイミング計算手段１２で保持している近傍ノード数（又は最大ノード数）を記述した通信タイミング信号を生成する。

そして、通信タイミング送信手段１４から生成させた通信タイミング信号を送信させる（Ｓ１６）。なお、通信開始直後における通信タイミング信号の最初の送信は、例えば、ノードが内蔵するタイマなどの計時に基づいた１周期内の所定の位置（位相）で実行する。

通信タイミング信号の送信に引き続き、送信すべきデータ信号があるならば、データ信号をデータ通信手段１５によって送信させる（Ｓ１７）。自ノードから通信タイミング信号を送信してから、送信タイミングが後続する他ノードから通信タイミング信号を受信するまでの間、データ信号を送信することができる。

ステップＳ１１からステップＳ１６でなる処理ループを、送信するデータ信号がなくなるまで繰り返し（Ｓ１７）、送信するデータ信号がなくなれば、図３に示す一連の処理を終了する。

（Ａ−３）第１の実施形態の効果
上記第１の実施形態によれば、各ノードは、通信タイミング信号を受信する他のノード数情報（近傍ノード数）を周囲に知らせ、周囲ノードからの通信タイミング信号中の受信ノード数情報を利用して最小タイムスロット割当量を決定し、この値より近傍ノードとの通信タイミング信号の送信時間差が狭まらないような制御を行うようにしたので、ノード密度に疎密があって、通信タイミング信号を授受する他ノード数が非常に多いノードがあっても、タイムスロットの割り当てが最適な値未満に陥るような状態をなくすことができ、タイムスロットが非常に狭くなってデータ通信に支障をきたすようなことを未然に防止することができる。

（Ｂ）第２の実施形態
次に、本発明による通信タイミング制御装置、通信タイミング制御方法、ノード及び通信システムの第２の実施形態を、図面に基づいて説明する。

第２の実施形態のノードも、第１の実施形態のノードと同様に、通信タイミング信号受信手段１１、通信タイミング計算手段１２、通信タイミング信号生成手段１３、通信タイミング信号送信手段１４及びデータ通信手段１５を有し、通信タイミング計算手段１２が、通信タイミング計算部１２Ａ及び近傍ノード数測定部１２Ｂを有している（図１参照）。

しかし、第２の実施形態のノードは、図６に示すように、近傍ノード数測定部１２Ｂが、近傍ノード毎に、その近傍ノードでの近傍ノード数と、その近傍ノードに割り当てられたタイムスロット割当量とを保持している点が第１の実施形態とは異なっている。なお、近傍ノード数測定部１２Ｂが、自ノードが測定した近傍ノード数や通信タイミング制御動作を通じて得る最大ノード数を保持したりする点は、第１の実施形態と同様である。また、通信タイミング計算部１２Ａが、上述したような保持情報をも保持し、利用するように通信タイミング制御動作を実行する点も第１の実施形態と異なっている。

図７は、第２実施形態のノードにおける通信タイミング制御動作の特徴部分を示すフローチャートであり、第２の実施形態の場合、図７に示した動作を経た後に、上述した図３に示すステップＳ１１以降の動作を実行する。

データ送信を開始しようとしているノードが、図７に示す処理を開始すると、まず、他ノードからの通信タイミング信号を１周期分だけ観測する（Ｓ２１、Ｓ２２）。そして、各ノードについて、受信した近傍ノード数を近傍ノード数測定部１２Ｂに保持すると共に、通信タイミング信号と後続する通信タイミング信号との受信タイミング差を、それら２つの通信タイミング信号の先行側の送信元ノードについてのタイムスロット割当量として近傍ノード数測定部１２Ｂで保持する。

全ての近傍ノードについてのタイムスロット割当量や近傍ノード数）を得るように１周期分の観測が終了すると（自ノードが近傍ノードとの相互作用に参加する前の状態を把握すると）、通信タイミング計算手段１２は、自ノードからの最初の通信タイミング信号の送信開始位置（開始位相）を決定する（Ｓ２３）。ここでは、例えば、自ノードから見たタイムスロット割当量が多く、かつ、近傍ノード数の多い他ノードのタイムスロットに後続する位置（例えば、その他ノードのタイムスロットの中間位置やタイムスロットの終了直前の位置）を送信開始位置とするように決定する。このような決定方法を採用したのは、以下のような考え方による。タイムスロット割当量が多いノードは、実際には、そのノードはその割当量以下の範囲でデータ信号を送信している可能性がある。また、近傍ノード数の多いノードは１周期に対する分割数が多いので、そのノードのタイムスロット割当量が少ない確率が高く、第１の実施形態で説明した動作を実行する場合には、タイムスロット幅を維持するように機能する。そのため、自ノードから見たタイムスロット割当量が多く、かつ、近傍ノード数の多い他ノードのタイムスロット内の位置を送信開始位置とするように決定することとした。

以上のようにして自ノードからの最初の通信タイミング信号の送信開始位置を決定すると、第１の実施形態でのステップＳ１５と同様にして、自ノードからの通信タイミング信号を生成し、その通信タイミング信号を、ステップＳ２３で決定した通信タイミング信号送信開始位置において送信する（Ｓ２４、Ｓ２５）。そして、上述した図３におけるステップＳ１１の処理に移行する。これ以降は、第１の実施形態について説明したと同様な処理が実行される。

図８（ａ）は、図４のノード配置状態において、ノードＣだけが通信を実行しておらず、ノードＣがこれから通信を開始する直前におけるノードＣから見た他ノードのタイムスロット割当量を示している。言い換えると、図７のステップＳ２２で肯定結果が得られた際の他ノードのタイムスロット割当量を示している。

図８（ａ）の例では、タイムスロット割当量はノードＡ及びＢが大きく、ノードＡの近傍ノード数が２、ノードＢの近傍ノード数が３である。そのため、ノードＣの通信タイミング計算手段１２は、ノードＢに後続する位置で送信を開始することに決定する。

図８（ｂ）は、ノードＣが通信を開始した直後のノードＣから見た各ノードのタイムスロット割当量である。ノードＢは、通信を行う近傍ノード数が多いためタイムスロット割当量が少ない。しかし、ノードＣから見ると、タイムスロット割当量が多く見える。よって、ノードＢに後続したタイミング位置でノードＣが送信を行ってもタイムスロット割当量の変動の影響が小さい。

上記第２の実施形態によっても、第１の実施形態と同様な効果を奏することができる。また、第２の実施形態によれば、通信を開始しようとするノードは、近傍ノードにおける近傍ノード数や近傍ノードへのタイムスロット割当量を観測して、その観測情報に基づいて、通信タイミング信号の送信開始位置を決定して通信タイミング信号の最初の送信を実行するようにしたので、他ノードへのタイムスロット割当量を、自ノードが通信を開始した場合（ネットワークに追加した場合）に極端に小さくなるようなことを防止することができる。

（Ｃ）他の実施形態
上記第２の実施形態にけるデータ通信を開始しようとするノードの通信タイミング信号の開始位置の決定方法は、上記第１の実施形態の通信タイミング制御動作と組み合わせることなく適用するようにしても良い。すなわち、新たなノードは、自ノードを追加する前の状態を観測して、近傍ノードの近傍ノード数とタイムスロット割当量とを得て、自ノードからの通信タイミング信号の最初の送信位置を決定する方法を、広く適用することができる。そのため、開始位置の決定条件も、第２の実施形態で説明した条件に限定されるものではない。

また、第２の実施形態では、通信開始時について説明したが、通信途中に通信タイミング位置を変化させたい際でも適用可能である。すなわち、近傍ノードでの近傍ノード数とタイムスロット割当量とを把握し、タイムスロット割当量が大きく近傍ノード数が多い他ノードに後続する位置を変化後の位置に決定するようにしても良い。

第１の実施形態では、近傍ノードの近傍ノード数を取り込んで最小タイムスロット割当量を決定し、これを利用して、通信タイミング信号の送信タイミングを制御するものを示したが、これに加え、近傍ノードの近傍ノード数に基づいて最大タイムスロット割当量をも決定し、自ノードからの通信タイミング信号の送信タイミングが、先行する他ノードの通信タイミング信号の受信タイミングから過度に離れたり、後続する他ノードの通信タイミング信号の予測される受信タイミングから過度に離れたりすることを抑制するようにしても良い。

なお、近傍ノードの近傍ノード数を取り込んで算出する最小タイムスロット割当量の算出方法は、上記第１の実施形態で説明したものに限定されないことは勿論である。

上記各実施形態では、近傍ノード数を通信タイミング信号に盛り込んで授受するものを示したが、通信タイミング信号とは異なる信号によって、ノード間で授受するようにしても良い。

第１の実施形態のノードの内部構成を示すブロック図である。 通信タイミング計算部の原理動作の説明図である。 第１の実施形態のノードの通信タイミング制御動作を示すフローチャートである。 図３の通信タイミング制御動作の具体的な説明に用いるネットワークでのノード配置を示す説明図である。 第１の実施形態の最大ノード数に基づいたタイムスロット幅の制約の説明図である。 第２の実施形態の近傍ノード数測定部による保持情報の説明図である。 第２の実施形態のノードの通信タイミング制御動作の特徴部分を示すフローチャートである。 第２の実施形態の特徴動作の説明図である。

符号の説明

１０…ノード、１１…通信タイミング信号受信手段、１２…通信タイミング計算手段、１２Ａ…通信タイミング計算部、１２Ｂ…近傍ノード数測定部、１３…通信タイミング信号生成手段、１４…通信タイミング信号送信手段、１５…データ通信手段。

Claims (6)

1. 通信システムを構成する複数のノードのそれぞれに設けられている通信タイミング制御装置であって、他ノードからの通信タイミング信号の受信タイミングを利用して、自ノードからの通信タイミング信号の送信タイミングを決定し、この送信タイミング及び他ノードからの通信タイミング信号の受信タイミングに基づいて、自ノードからデータ信号を送信するタイムスロットを決定する通信タイミング制御装置において、
   他ノードから到来した通信タイミング信号に基づいて、自ノードの近傍にある他ノードの数である近傍ノード数を測定する近傍ノード数測定手段と、
   測定された近傍ノード数を含む信号を送信する近傍ノード数送信手段と、
   受信した、自ノードの近傍にある他ノードの近傍ノード数に基づいて、自ノードからの通信タイミング信号の送信タイミングを制御する近傍ノード数反映制御手段と
   を有することを特徴とする通信タイミング制御装置。
2. 上記近傍ノード数反映制御手段は、自ノードと通信タイミング信号を授受する全ての近傍ノードにおける近傍ノード数の中の最大ノード数、又は、自ノードで測定された近傍ノード数と自ノードと通信タイミング信号を授受する全ての近傍ノードにおける近傍ノード数との中の最大ノード数を得、この最大ノード数に基づいて、タイムスロットの許容最小割当量を定め、この許容最小割当量を自ノード及び近傍ノードで確保できるように、自ノードからの通信タイミング信号の送信タイミングを制御することを特徴とする請求項１に記載の通信タイミング制御装置。
3. 送信された通信タイミング信号が到達する全ての近傍ノードのタイムスロットの割当てを、ノードの識別情報を含む通信タイミング信号に基づいて推測するタイムスロット割当観測手段をさらに有し、
   上記近傍ノード数反映制御手段は、自ノードがデータ信号の送信を開始する前に、上記タイムスロット割当観測手段によって得られた近傍ノードのタイムスロットの割当てと、受信した近傍ノード数とに基づいて、自ノードからの通信タイミング信号の送信開始位置を決定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の通信タイミング制御装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の通信タイミング制御装置を有することを特徴とするノード。
5. 請求項４に記載のノードを複数有することを特徴とする通信システム。
6. 通信システムを構成する複数のノードのそれぞれが実行する通信タイミング制御方法であって、他ノードからの通信タイミング信号の受信タイミングを利用して、自ノードからの通信タイミング信号の送信タイミングを決定し、この送信タイミング及び他ノードからの通信タイミング信号の受信タイミングに基づいて、自ノードからデータ信号を送信するタイムスロットを決定する通信タイミング制御方法において、
   他ノードから到来した通信タイミング信号に基づいて、自ノードの近傍にある他ノードの数である近傍ノード数を測定する近傍ノード数測定工程と、
   測定された近傍ノード数を含む信号を送信する近傍ノード数送信工程と、
   受信した、自ノードの近傍にある他ノードの近傍ノード数に基づいて、自ノードからの通信タイミング信号の送信タイミングを制御する近傍ノード数反映制御工程と
   を含むことを特徴とする通信タイミング制御方法。
   

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