JP4162093B2

JP4162093B2 - 通信システム

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Publication number: JP4162093B2
Application number: JP2005355904A
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Inventors: 俊彦畑中
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-12-09
Filing date: 2005-12-09
Publication date: 2008-10-08
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Description

この発明は、伝送路を介して接続された複数の端末が、伝送路を使って構成されるネットワークで利用される共通の時刻に時間同期して動作する通信システムに関する。

複数の端末間で伝送路を介してフレームの送受信を行う通信システム、特に車載機器や生産ラインなどの制御機器における通信システムでは、フレームの送信タイミングや設定変更のタイミングを時刻によって管理するタイムトリガーシステム(Time Trigger System：以下、ＴＴシステム)が注目を集めている。

既知のＴＴシステムとしては、車載機器のネットワークに用いられるフレックスレイ(FlexRay(商標登録))が挙げられる。このシステムでは、ネットワークで利用される共通時刻(global time)に対して時間同期を確立してネットワークへの統合を図る場合には、既にネットワークへの統合を完了した１台以上の端末から送信される開始フレーム(startup frame)と呼ばれるフレームの受信時刻と、ネットワークへの時間同期を図る端末が通信スケジュールから算出する開始フレームの受信予想時刻を用いて時間同期が行われる(例えば非特許文献１参照)。

FlexRay Communication System Protocol Specification Ver. 2.1

上記フレックスレイでは、ネットワークで利用される共通時刻に対して時間同期を図る場合には、最初の通信サイクルで開始フレームの受信予想時刻を求め、続く通信サイクルで開始フレームの受信時刻を得て、この受信時刻と上記受信予想時刻によって端末固有時刻(local time)の初期化を行い、さらに初期区間(startup phase)において端末固有時刻の初期化が完了すると、続く２つの連続した通信サイクルで開始フレームの受信時刻と受信予想時刻によって初期クロック調整を行っていた。ところで、伝送効率向上のためには、時間同期確立に要する時間をより短縮することが求められる。

この発明は、ネットワークで利用される共通時刻に端末が時間同期して動作する通信システムにおいて、フレームの送受信に先立ち、端末が端末固有時刻を共通時刻に時間同期させる際の時間同期確立に要する時間を短縮することのできる通信システムを提供することを目的とする。

この発明は、複数台の端末がネットワークを構成するように伝送路を介して接続されている通信システムであって、前記各端末が、フレームの送信を行う送信部と、前記フレームの受信を行う受信部と、端末固有の端末固有時刻を発生するクロック手段と、前記フレームの受信時刻、フレームの受信予想時刻、端末固有時刻の初期値、の算出と、クロックの調整を行う時間同期手段と、一定周期の通信サイクル内におけるフレームの送受信手順を規定した通信スケジュールと通信スケジュールに関する設定情報を記憶する記憶手段と、前記端末固有時刻と通信スケジュールに基き前記送信部及び受信部による端末の通信動作を制御する通信制御手段と、を備え、各端末の前記通信制御手段は、ネットワークが形成される初期区間において、前記複数台の端末のうちで最初に通信を始めた場合には通信スケジュールを主導する主端末として動作し、それ以外の場合にはネットワークへの統合を図る統合端末として動作し、前記主端末である場合には、端末固有時刻をネットワーク内で利用される共通時刻として通信スケジュールを開始した後、通信スケジュールで予め規定された送信タイミングで共通時刻参照用の開始フレームと統合端末の記憶する通信スケジュールにより受信予想時刻を算出可能なタイミングで補助開始フレームを同一の通信サイクルにおいて送信し、一方、前記統合端末である場合には、前記開始フレームと補助開始フレームを受信し、開始フレームの受信時刻と、補助開始フレームの受信時刻と受信予想時刻から算出された端末固有時刻の初期値に従った端末固有時刻により通信スケジュールを開始し、前記時間同期手段が、前記開始フレームの受信時刻と、補助開始フレームの受信時刻と受信予想時刻から端末固有時刻の初期値を算出する、ことを特徴とする通信システムにある。

この発明では、フレームの送受信に先立ち、端末が端末固有時刻を共通時刻に時間同期させる際の時間同期確立に要する時間を短縮できる。

この発明の各実施の形態を説明する前に、最初にこの発明のベースとなるこの種の通信システムの一般的な説明をフレックスレイを例に挙げて説明する。なお、フレックスレイの通信プロトコルは既知の技術であるため、この発明に直接関係しない詳細に関しては説明を省略する。

フレックスレイでは、フレーム(パケット／メッセージ)の送受信は一定長の通信サイクルを分割した時間スロットに基づいて行われ、各時間スロットにおける送信権は通信スケジュールにより規定される。図１には通信スケジュール、通信サイクル、時間スロットを用いた通信システムの通信パターンの一例を示す。例えば、図１では、スロット番号(ＩＤ)＝２で端末Ａ、スロット番号(ＩＤ)＝４で端末Ｂ、スロット番号(ＩＤ)＝５で端末Ｃに対してフレームの送信権が与えられている。

また、図２の(ａ)にはフレックスレイの通信パターンの１サイクル中の構成(通信スケジュール)、(ｂ)には(ａ)のパターンの各パラメータ(通信スケジュールに関する設定情報)を示す。１サイクルは静的区間(static segment)、動的区間(dynamic segment)、及びネットワーク・アイドル区間(Network Idle Time)からなる。なお、MTはマクロティック(Macrotick)、μTはマイクロティック(Microtick)に基づく時間長を示す。

フレームの送信を行うためには、端末は時間同期を確立し、ネットワークへ統合する必要がある。通信サイクルや時間スロットに基づく通信を行う場合、時間同期の確立は必須であり、フレーム衝突を回避するため時間同期の確立していない端末のフレーム送信は禁止される。フレックスレイでは、端末固有時刻をネットワークで利用される共通時刻に合わせることで、時間同期の確立が図られる。

ここで、通信システムの伝送効率を考慮した場合、端末がフレームの送信を行うことができない時間は伝送効率を低下させる要因となる。このため、フレックスレイでは時間同期の確立までに要する時間を短縮することで伝送効率の向上を図ることができる。

フレックスレイでは、時間同期を確立していない端末が時間同期を確立し、ネットワークへの統合を図る場合には、既にネットワークへの統合を完了した１台以上の端末から送信される開始フレームと呼ばれるフレームの受信時刻と、ネットワークへの時間同期を図る端末が通信スケジュールから算出する開始フレームの受信予想時刻を用いて時間同期が行われる。フレックスレイでは時間同期に関する処理は偶数通信サイクルにおいてのみ開始することができる。これは、クロック調整により偶数通信サイクルにおいて、共通時刻が更新されるためである。フレックスレイでは、共通時刻と端末固有時刻が完全に一致している必要はなく、許容誤差範囲内であれば時間同期しているとみなされる。許容誤差範囲については、ネットワークの設計者が規定値に基づいて自由に設定することができる。

ここでは、フレックスレイのネットワークを例として挙げるが、説明の簡略化のために、共通のネットワーク構成、通信スケジュールを用いる。ここで取り上げるフレックスレイのネットワーク構成、通信スケジュールは以下の通りとする。
・ネットワークへ接続され得る端末はＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの４台からなる
・端末Ａ，Ｂ，Ｃはコールドスタートノード(coldstart node)である
・端末Ｄはノンコールドスタートノード(non-coldstart node)である
・好適には端末Ａが主コールドスタートノード(leading coldstart node)となる
・通信サイクルは図３のような構成である。
なおコールドスタートとは、ネットワークで通信が行われていない状態からの通信開始を意味する。

なお、図２の(ｂ)に示した各パラメータは、通信スケジュールで規定されており、図２の(ａ)(ｂ)に示す通信スケジュールおよびその各種パラメータは、ネットワークに接続され得る全ての端末の通信制御部又は記憶部に記憶されている。またここでは、便宜上、ある１つの端末から送信される開始フレームを用いて行われるクロック調整を、複数の端末から送信される開始フレームを用いて行われるクロック調整と特に区別する必要のある場合、初期クロック調整と呼ぶ。

複数台の端末からネットワークが形成される初期区間において、端末はそれぞれの役割から２つに大別される。１つは自らの端末固有時刻を共通時刻として通信スケジュールを開始する主コールドスタートノード、もう１つは共通時刻に時間同期してネットワークへの統合を図る統合ノード(integration node)である。

フレックスレイのネットワークでは初期区間において、主コールドスタートノードの役割を果たすことができるコールドスタートノードが２台以上必要である。コールドスタートノードは開始フレームを送信可能な端末であり、１台のコールドスタートノードは、１通信サイクルにつき１時間スロットだけ開始フレームの送信権を持つ。複数台のコールドスタートノードの中で最初に通信スケジュールを開始したノードすなわち端末が主コールドスタートノードであり、その他のコールドスタートノードは共通時刻に対して時間同期を図る統合ノードとなるが、ノンコールドスタートノードと区別して、特に追従コールドスタートノード(following coldstart node)とも呼ばれる。

図３は端末Ａを主コールドスタートノード、端末Ｂ，Ｃ，Ｄを統合ノード(端末Ｂ，Ｃは追従コールドスタートノード)として、時間同期を確立し、ネットワークが形成されるまでの一例を示した通信サイクルのタイムチャートである。また、図４の(ａ)は図３のサイクル０〜３における時間同期の詳細を示したものであり、共通時刻と端末Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄそれぞれの端末固有時刻をサイクル０から示しており、(ｂ)は(ａ)の部分拡大図である。図４に示すpMacroInitialOffset(pマクロイニシャルオフセット)、pMicroInitialOffset(pマイクロイニシャルオフセット)は各端末の特性に応じて値が設定されるが、簡略化のため、全ての端末でpMacroInitialOffset=10MT、pMicroInitialOffset＝2μTとしている。

なお、図２、図４に関連して、フレックスレイではマクロティック(Macrotick)とこれより細かい単位のマイクロティック(Microtick)という２種類のタイマを使用し、MTはマクロティック、μTはマイクロティックに基づく時間長を示す。

なお、端末Ｂ，Ｃ，Ｄの端末固有時刻は共通時刻=0の時に、それぞれ800μT、500μT、200μTであるとしている(各端末毎にサイクル開始時点のタイミングで認知可能)。また、端末Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄのクロックは公称値に対して、それぞれ1倍、1.0025倍、1.001倍、0.9975倍の速度で進む物としている。フレックスレイで規定される最大クロック周波数偏差は0.0015であるため、クロック速度の許容誤差範囲は0.9985〜1.0015である。このため、端末Ｂ、Ｄの誤差は許容範囲を越えているが、時間同期の正確性を確認するために、あえて規定値より大きい誤差を与えている。

まず、コールドスタートノード(端末Ａ，Ｂ，Ｃ)は伝送路上にフレームやシンボルが伝送されていない時間を計測し、それぞれの端末に設定されたタイマ値が満了すると、衝突回避用のCAS(collision avoidance symbol)を送信した後、自らのクロックを共通時刻とし、主コールドスタートノード(端末Ａ)として通信スケジュールを開始する。タイマ値が満了する前にＣＡＳを検出したコールドスタートノード(端末Ｂ、端末Ｃ)は、統合ノードとなる。

＜端末固有時刻の初期化＞
主コールドスタートノード(端末Ａ)は通信スケジュールで規定された時間スロット(スロット１)において、開始フレーム(A_-st)を送信する。統合ノード(端末Ｂ、Ｃ、Ｄ)は、まず偶数通信サイクルにおいて開始フレームが受信されるまで伝送路上を観測する。偶数通信サイクル(サイクル０)における開始フレーム(A_-st0)の受信に成功すると、開始フレームの受信時刻を算出する。この段階では受信時刻として、図４の第２時刻基準sTRP(second Time Reference Point)が用いられる。端末Ｂ，Ｃ，ＤのsTRPにおける端末固有時刻L_-nodeはそれぞれL_-B=898μT、L_-C=598μT、L_-D=297μTである。このsTRPの時刻に対して通信スケジュールで規定された通信サイクル長(16000μT)を加算した時刻(Tw_-B=16898μT、Tw_-C＝16598μT、Tw_-D=16297μT)の近傍に時間ウィンドウ(time window)を設定する。

また、以下の式により端末固有時刻の初期値L_-iniを設定する。
L_-ini=
(cycle count+1)*cycle length+(slot count-1)*slot length+pMacroInitialOffset
但し
cycle countはサイクル数、cycle lengthはサイクル長、slot countはスロット数、slot lengthはスロット長、pMacroInitialOffsetはpマクロイニシャルオフセット、
pMacroInitialOffsetは全ての端末で10MT(=100μT)と仮定しているため、端末Ｂ，Ｃ，Ｄの初期値は全て、
L_-ini=1*16000+(1-1)*100+100=16100(μT)
となる。

続く奇数通信サイクル(サイクル１)において、統合ノード(端末Ｂ、Ｃ、Ｄ)はサイクル０で設定した時間ウィンドウ内で主コールドスタートノードが送信する開始フレーム(A_-st1)のsTRPを検出すると、pMicroInitialOffsetのタイマを起動する。pMicroInitialOffsetは、sTRPの時刻からsTRPに最も近いマクロティックの開始時刻＊Ａまでの時間である。タイマ(timer)が満了すると、統合ノードはサイクル０で設定した初期値L_-ini=16100μTにより端末固有時刻を初期化し、通信スケジュールを開始する。

＜初期クロック調整＞
続く２つの通信サイクル(サイクル２，３)で、追従コールドスタートノード(端末Ｂ，Ｃ)は主コールドスタートノード(端末Ａ)から送信される開始フレーム(A_-st2、A_-st3)の受信時刻と通信スケジュールから算出される受信予想時刻の差違により、初期クロック調整を行う。クロックの調整は共通時刻の進行速度に対して端末固有時刻の進行速度を調整する速度修正(rate correction)と、サイクルの開始時刻を調整するオフセット修正(offset correction)により行われる。

端末固有時刻の初期値を設定するサイクル０，１とは異なり、クロック調整では受信時刻として、フレームの開始エッジの算出値である第１時刻基準点pTRP(primary Time Reference Point)が用いられる。pTRPはsTRPの時刻Tsから以下の式で求められる。
pTRP＝Ts+pMicroInitialOffset-pMacroInitialOffset+gdActionPointOffset
また、受信予想時刻としては開始フレームに割当てられたスロットの開始時刻に対して、gdActionPointOffset(gd動作点オフセット)を加算した時刻が用いられる。

まず、速度修正について説明する。なお、速度修正における調整値の算出手順は端末による差違がないため、端末Ｂについて詳細な値を記述する。
図４では、サイクル２，３における開始フレーム(A_-st2、A_-st3)の受信時刻と受信予想時刻の差違(D_-cycle)はそれぞれ、D_-2=32089-32050=39μT、D_-3=48129-48050=79μTであり、１通信サイクル当たり40μTの差違が生じている。このことから、端末Ｂのマイクロティックは共通時刻のマイクロティックの16040/16000=1.0025倍の速度でカウントしていることが分かる。端末Ｂは１通信サイクル当たりのマイクロティック数を、16040μTとすることで、端末固有時刻の速度を共通時刻の速度に合わせることができる。この算出された速度調整値は、次の通信サイクル(サイクル４)から適用される。

次に、オフセット修正について説明する。なお、オフセット修正における調整値の算出手順は端末による差違がないため、端末Ｂについて詳細な値を記述する。
オフセット修正では、サイクル３における開始フレーム(A_-st3)の受信時刻と受信予想時刻の差違D_-3が用いられる。D_-3から、端末Ｂの次の通信サイクル開始時刻は共通時刻の通信サイクル開始時刻と比較して79μT早く開始されていると考えられる。そこで、サイクル３のネットワーク・アイドル時間NITの時間を79μT長くすることで、通信サイクル開始時刻が調整される。

ここで、初期クロック調整後の端末Ｂの端末固有時刻と共通時刻の誤差を検討する。オフセット修正を適用した結果として、端末Ｂのサイクル４開始時刻T_-4は、端末固有時刻で64079μTとなる。この時刻を共通時刻に換算するとT_-4は
T_-4＝16100＋(64079-16100)/1.0025
＝63959.35 →約63959μT
となる。共通時刻のサイクル４開始時刻と比較して、41μTの差違が残っていることが分かる。一方で、速度修正を適用した結果として、端末Ｂの端末固有時刻の速度は共通時刻と等しくなる。このため、サイクル４以降の端末Ｂの端末固有時刻と共通時刻の関係は
端末固有時刻＝共通時刻＋４１
となる。この誤差が許容誤差範囲内であれば、端末固有時刻は共通時刻に対して時間同期が確立されたことになる。

以上の手順により初期クロック調整が完了すると、追従コールドスタートノード(端末Ｂ、端末Ｃ)は通信スケジュールに規定された時間スロットにおいて開始フレームの送信を開始する。

＜クロック調整＞
サイクル４以降では複数台の端末(端末Ａ，Ｂ，Ｃ)から開始フレームが送信され、それぞれの受信時刻と受信予想時刻を用いてクロック調整が行われる。このクロック調整については、この発明に直接関係しないので省略する。

上述の＜端末固有時刻の初期化＞、＜初期クロック調整＞、および＜クロック調整＞を完了すると、端末は時間同期を確立し、ネットワークへの統合を完了することができる。

既に複数台の端末が共通時刻に対して時間同期を確立しており、フレームの送信を行っているネットワークに対して、時間同期を確立していない統合ノードがネットワークへの統合を図る場合(統合区間(integration phase))、統合ノードは偶数通信サイクルで送信される複数の開始フレームの中で最初に受信した開始フレームを基準として、端末固有時刻の初期値を算出し、通信スケジュールを開始する。このため、＜端末固有時刻の初期化＞に記述した初期区間における手順と異なり、統合ノードは既に時間同期を確立した複数台のコールドスタートノードの中から、任意の１台(主統合ノード(leading integration node))に対して時間同期を図る。

図５は端末Ａ，Ｂ，Ｃがコールドスタートノードであり、１通信サイクル内で３つの開始フレームが送信されているネットワークに対して、端末Ｄが統合ノードとして時間同期を図る場合の通信サイクルのタイムチャートを示す。

図５中の(ａ)は、偶数通信サイクル(サイクル2k)において、統合ノード(端末Ｄ)が端末Ａから送信された開始フレームを最初に受信した場合である(端末Ａが主統合ノード)。この場合、端末Ｄはサイクル2k、サイクル2k+1で端末Ａから送信される開始フレーム(A_-st2k、A_-st2k+1)によって、＜端末固有時刻の初期化＞と同様の算出手順で端末固有時刻を初期化し、通信スケジュールを開始する。

上記(ａ)と同様に、統合ノードは図５中の(ｂ)では端末Ｂを主統合ノード、図５中の(ｃ)では端末Ｃを主統合ノードとして、通信スケジュールを開始する。

図５のサイクル2k+2以降では、統合ノードは複数の台の端末から送信される開始フレームや同期フレーム(sync frame)を受信し、それぞれの受信時刻と受信予想時刻を用いてクロック調整が行われる。このクロック調整については、ここでは説明を省略する。図５のケース１に統合ノード(端末Ｄ)がノンコールドスタートノードである場合、図５のケース２に統合ノード(端末Ｄ)がコールドスタートノードである場合の端末固有時刻の初期化を示す。

以上説明したように、フレックスレイでは共通時刻に対して時間同期を図る場合、偶数通信サイクルにおける開始フレームの受信時刻と、続く奇数通信サイクルにおける開始フレームの受信時刻と受信予想時刻によって、端末固有時刻の初期化が行われる。また、追従コールドスタートノードは初期区間において端末固有時刻の初期化が完了すると、続く２つの連続した通信サイクルにおける開始フレームの受信時刻と受信予想時刻によって、初期クロック調整を行う。このため、端末固有時刻の初期化と、初期クロック調整においては、いずれも開始フレームの受信予想時刻が通信スケジュールから算出可能であることが求められる。

ここで、ネットワークへの統合に要する時間を考えた場合、図３に示したように、初期区間から通信区間(communication phase)へ移行するためには、主コールドスタートノードで６サイクル、追従コールドスタートノードで７サイクル、ノンコールドスタートノードで８サイクルを要する。また、図５に示したように、統合区間から通信区間へ移行するためには、ノンコールドスタートノードで３サイクル、コールドスタートノードで５サイクルを要する。上述したように、伝送効率の向上を図るためには、ネットワークへの統合に要する時間はできる限り短縮されるべきである。

ネットワークへの統合に要する時間を短縮する方法として、フレックスレイと同様に通信サイクル・通信スケジュールにより通信を行うTTP/C(Time Triggered Protocol SAE class C)では、共通時刻をフレーム内にデータとして持つ、I-frameの送信頻度を高める方法が用いられる。TTP/Cでは前述の方法により、ネットワークへの統合に要する時間を短縮することができるが、フレックスレイでは、TTP/Cと同様の方法を用いることができない。なぜなら、フレックスレイでは開始フレームの送信権が、「１コールドスタートノード・１通信サイクル」に対して、１時間スロットだけ、と規定されているためである。また、開始フレームに加えて、コールドスタートノードが送信する開始フレーム以外の通常のフレームを時間同期に用いる方法では、ネットワーク内のその他の端末が前記フレームを受信するように通信スケジュールで規定されているとは限らないため、フレームの受信予想時刻の算出が不可能であり、開始フレーム以外のフレームを用いてネットワークへの統合に要する時間を短縮することができない。

そこで以下に、この発明の好適な実施の形態としてフレックスレイにこの発明を適用した場合について述べるが、この発明の適用範囲は特許請求の範囲に記載の特徴を持つ通信プロトコルであり、フレックスレイに限定されるものではない。

この発明による通信システムの構成の一例を図６に示す。図６において伝送路１にはそれぞれ基本的に同一の構成を有するノードとなる複数の端末２が接続されてネットワークを構成している。各端末２は、他の端末との通信を行う送信部２２，受信部２３，これらによる通信の制御を行う通信制御手段２１、通信のためのクロックを発生するクロック手段２４、通信における時間同期を行う時間同期手段２５、図２や後述する図７に示したような通信スケジュールおよびこれの各種パラメータ(通信スケジュールに関する設定情報)を記憶している記憶手段２６を備える。例えば、通信制御手段２１、クロック手段２４、時間同期手段２５は例えば１つのコンピュータで構成され、記憶手段２６はメモリで構成される。また記憶手段２６は他の手段と共にコンピュータに内蔵されて構成されているものでもよい。なお、通信制御手段２１、クロック手段２４、時間同期手段２５、記憶手段２６を含めて通信制御部とする。

また、コールドスタートノードである端末とノンコールドスタートノードである端末では基本的構成は同じであるが、通信制御部２１及び時間同期手段２５での制御が異なる。

また、以下の実施の形態ではフレックスレイのネットワーク構成、通信スケジュールとして図３，図４に示した上述のネットワーク構成、通信スケジュールを用いる。

実施の形態１．
まず、実施の形態１として、静的区間において補助開始フレーム(sub-startup frame)を送信するシステムを示す。

図７はこの発明による通信システムにおける通信パターンの１サイクル中の通信スケジュールの一例を示すものである。図中のX_-suは端末名Ｘの補助開始フレームを表している。図７に示すように、各コールドスタートノードは開始フレームと補助開始フレームを送信する時間スロットが通信スケジュールに規定されており、ネットワークに接続され得る全ての端末は、補助開始フレームを全て受信するように通信スケジュールで規定されている。

まず、図８はこの発明による通信システムにおける通信パターンの一例を示すタイムチャートで、図８に示すように端末Ａが主コールドスタートノード(主端末)となった場合について説明する。図９は図８のサイクル０〜１における時間同期の詳細を示したものであり、端末Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄそれぞれの端末固有時刻をサイクル０から示している。各端末の端末固有時刻の諸元は先に図４に基づいて説明したものと同様である。なお、＝統合端末である統合ノード(端末Ｂ，Ｃ，Ｄ)の動作は各端末固有の設定値(pMacroInitialOffset、pMicroInitialOffset)を除いて同様であるため、以下の説明では端末Ｂについてのみ示す。

統合ノード(端末Ｂ)はA_-st0の受信に成功すると、上述の＜端末固有時刻の初期化＞と同様の方法によりA_-st0のsTRPを算出する(898μT)。A_-st0の受信情報から得られるA_-st0の受信されたサイクル番号(０)と、各端末の通信スケジュールで設定されたサイクル長(1600MT)、(静的)スロット長(100MT)、A_-su0に割当てられたスロットＩＤ(7)、pMacroInitialOffset(10MT)から、以下の式で端末固有時刻の初期値を設定する。
L_-ini=(cycle number*cycle length)+(slot ID-1)*slot length+pMacroInitialOffset
=0*1600+(7-1)*100+10
=610MT
但し
cycle numberはサイクル番号、cycle lengthはサイクル長、slot IDはスロットＩＤ(番号)、slot lengthはスロット長、pMacroInitialOffsetはpマクロイニシャルオフセット

また、A_-st0の受信されたスロットＩＤ(1)と上記パラメータから時間ウィンドウを以下の時刻の近傍に設定する。
Tw_-B=(slot ID-slot ID)*slot length+sTRP
=(7-1)*100+89.8w
=689.8MT=6898μT

続いて統合ノードは上述の＜端末固有時刻の初期化＞の最後の部分で説明したサイクルと同様の方法により、端末固有時刻の初期化を行う。統合ノードは上述のTw_-B近傍に設定した時間ウィンドウ内で補助開始フレームを受信すると、pMicroInitialOffset(2μT)のタイマを開始し、前記タイマが満了すると、サイクル０で設定した初期値L_-ini=610MTにより端末固有時刻を初期化し、通信スケジュールを開始する。

ここで、上述の一般的なフレックスレイとこの発明で設定された時間ウィンドウについて考える。図４から通常のフレックスレイで設定されたTw_-Bと実際のsTRPの時間差は40μT(16898-16838)、図９からこの発明で設定されたTw_-Bと実際のsTRPの時間差は15μT(6898-6913)である(いずれも端末Ｂの端末固有時刻)。このように、一般的なフレックスレイと比較してこの発明の方がTw_-BとsTRPの時間差が小さいため、一般的なフレックスレイのようにsTRPが検出されれば、必然的にこの発明でもsTRPが検出される。

続く通信サイクル(サイクル１)では、従属コールドスタートノード(端末Ｂ、Ｃ)は開始フレームと補助開始フレームにより初期クロック調整を行う。クロック調整についても、統合ノード(端末Ｂ、Ｃ)の動作は各端末固有の設定値(pMacroInitialOffset、pMicroInitialOffset)を除いて同様であるため、以下の説明では端末Ｂについてのみ詳細を示す。

まず、速度修正について説明する。図９から、サイクル１における開始フレームと補助開始フレーム、それぞれの受信時刻と受信時刻の差違はD_-st1=16074-16050=24μT、D_-su1=22089-22050=39μTであり、６スロットの間に15μTの差違が生じている。このため、１通信サイクル当たりの差違D_-cycleは、
D_-cycle=cycle length*(D_-su1-D_-st1)/(6*slot length)
=16000*(39-24)/(6*1000)
=40μT
となり、一般的なフレックスレイの説明で算出された結果の調整値と同じ値が得られる。端末Ｂは１通信サイクル当たりのマイクロティック数を16040μTとすることで、端末固有時刻の速度を共通時刻の速度に合わせることができる。この算出された値は、次の通信サイクル(サイクル２)から適用される。

次に、オフセット修正について説明する。オフセット修正では、サイクル１において開始フレームと補助開始フレームの２つで、オフセット修正を実施する時刻に近い時刻で受信されたフレームの受信時刻と受信予想時刻を用いる。本実施の形態では補助開始フレームの受信時刻と受信予想時刻の差違D_-su1を用いる。D_-su1から、端末Ｂの次の通信サイクル開始時刻は共通時刻の通信サイクル開始時刻と比較して39μT早く開始されていると考えられる。そこで、サイクル１のNIT(Network Idle Time)の時間を39μT長くすることで、通信サイクル開始時刻が調整される。

ここで、一般的なフレックスレイと同様、初期クロック調整後の端末Ｂの端末固有時刻と共通時刻のずれを検討する。オフセット修正を適用した結果として、端末Ｂのサイクル２開始時刻T_-2は、端末固有時刻で32039μTとなる。この時刻を共通時刻に換算するとT_-2は
T_-2=6100+(32039-6100)/1.0025
=31974.31 →31974μT
となる。共通時刻のサイクル２開始時刻と比較して、26μTの差違が残っていることが分かる。一方で、速度修正を適用した結果として、端末Ｂの端末固有時刻の速度は共通時刻と等しくなる。このため、サイクル２以降の端末Ｂの端末固有時刻と共通時刻の関係は
端末固有時刻＝共通時刻＋26
となる。このことから、この発明を用いることで一般的なフレックスレイよりも共通時刻に対する端末Ｂの端末固有時刻の誤差が小さくなっており、一般的なフレックスレイの端末固有時刻の誤差が許容範囲内であれば、この発明の初期クロック同期により時間同期を確立できることが分かる。

サイクル２以降のクロック調整は、一般的なフレックスレイのサイクル４以降と同様に行うため、説明を省略する。

以上より、複数台の端末２がネットワークを構成するように伝送路１を介して接続されている通信システムであって、各端末が、フレームの送信を行う送信部２２と、フレームの受信を行う受信部２３と、端末固有の端末固有時刻を発生するクロック手段２４と、フレームの受信時刻、フレームの受信予想時刻、端末固有時刻の初期値、の算出と、クロックの調整を行う時間同期手段２５と、一定周期の通信サイクル内におけるフレームの送受信手順を規定した通信スケジュールと通信スケジュールに関する設定情報を記憶する記憶手段２６と、端末固有時刻と通信スケジュールに基き前記送信部及び受信部による端末の通信動作を制御する通信制御手段２１と、を備え、各端末の通信制御手段２１は、ネットワークが形成される初期区間において、複数台の端末のうちで最初に通信を始めた場合には通信スケジュールを主導する主端末として動作し、それ以外の場合にはネットワークへの統合を図る統合端末として動作し、主端末である場合には、端末固有時刻をネットワーク内で利用される共通時刻として通信スケジュールを開始した後、通信スケジュールで予め規定された送信タイミングで共通時刻参照用の開始フレームと統合端末の記憶する通信スケジュールにより受信予想時刻を算出可能なタイミングで補助開始フレームを同一の通信サイクルにおいて送信し、一方、前記統合端末である場合には、前記開始フレームと補助開始フレームを受信し、開始フレームの受信時刻と、補助開始フレームの受信時刻と受信予想時刻から算出された端末固有時刻の初期値に従った端末固有時刻により通信スケジュールを開始し、時間同期手段２５が、開始フレームの受信時刻と、補助開始フレームの受信時刻と受信予想時刻から端末固有時刻の初期値を算出することを特徴とする通信システムとする、本実施の形態に記載の発明を用いることで、一般的なフレックスレイでは２サイクルを要する端末固有時刻の初期化を１サイクルに低減可能となっている。

また、複数台の端末２がネットワークを構成するように伝送路１を介して接続されている通信システムであって、各端末２は、フレームの送信を行う送信部２２と、フレームの受信を行う受信部２３と、端末固有の端末固有時刻を発生するクロック手段２４と、フレームの受信時刻、フレームの受信予想時刻、端末固有時刻の初期値、の算出と、クロックの調整を行う時間同期手段２５と、一定周期の通信サイクル内におけるフレームの送受信手順を規定した通信スケジュールと通信スケジュールに関する設定情報を記憶する記憶手段２６と、端末固有時刻と通信スケジュールに基き前記送信部及び受信部による端末の通信動作を制御する通信制御手段２１と、を備え、各端末の前記通信制御手段２１は、ネットワークが形成される初期区間において、複数台の端末のうちで最初に通信を始めた場合には通信スケジュールを主導する主端末として動作し、それ以外の場合にはネットワークへの統合を図る統合端末として動作し、主端末である場合には、端末固有時刻をネットワーク内で利用される共通時刻として通信スケジュールを開始した後、通信スケジュールで予め規定された送信タイミングで共通時刻参照用の開始フレームと統合端末の記憶する通信スケジュールにより受信予想時刻を算出可能なタイミングで補助開始フレームを同一の通信サイクルにおいて送信し、一方、統合端末である場合には、端末固有時刻により通信スケジュールを開始し、時間同期手段２５が、前記開始フレームと補助開始フレームを受信し、それぞれの受信時刻と受信予想時刻から端末固有時刻と共通時刻のクロック調整を行うことを特徴とする通信システムとすることで、一般的なフレックスレイでは２サイクルを要する初期クロック調整を１サイクルに低減可能となっている。サイクル２以降のクロック調整については一般的なフレックスレイと同様の処理を用いるために、所要時間は変化しない。従って、初期区間から通信区間へ移行するために要する時間は、主コールドスタートノード(主端末)で４サイクル、追従コールドスタートノード(統合端末)で５サイクル、ノンコールドスタートノード(統合端末)で６サイクルとなり、一般的なフレックスレイと比較して、いずれもネットワークへの統合に要する時間を短縮できていることが分かる。

図１０に端末Ｂが主コールドスタートノードになった場合、図１１に端末Ｃが主コールドスタートノードになった場合の初期区間から通信区間へ移行するまでのタイムチャートを示す。いずれの場合も、端末Ａが主コールドスタートノードとなった場合と同様の手順で端末固有時刻の初期化、初期クロック調整を行うため、説明は省略する。

実施の形態２．
実施の形態１では、補助開始フレームを静的区間に割当てることで、ネットワークへの統合に要する時間が短縮されている。補助開始フレームのフレームフォーマットは通常のフレームと同様であるために、補助開始フレームに割当てた時間スロットにおいてアプリケーションデータ(application data)を伝送することで、補助開始フレームを通信区間に移行後も効率的に用いることができる。

ここで、静的区間において補助開始フレームを送信すると、補助開始フレームを送信する時間スロットが通信スケジュールに割当てられるため、開始フレーム、補助開始フレーム以外のフレームを割当てる時間スロットが減少するため、通信スケジュールの設計自由度が損なわれる。さらに、サイクル２以降では主コールドスタートノード以外の端末から送信される補助開始フレームはネットワークの統合に用いられないにも関わらず、通信スケジュールで時間スロットが割当てられているため、割当てられた時間スロットにおいて必ずしもフレームを送信する必要がない場合でも、フレームの送信権が与えられる。

このような状態を解決するため、本実施の形態では、補助開始フレームをイベント型の通信部分である動的区間で送信する。このような場合の通信パターンの１サイクル中の通信スケジュールの一例を、図１２に示す。

図１２に示す通り、補助開始フレームは動的区間のminislot(ミニスロット) ID=1から順に割当てる。この時、主コールドスタートノードになる可能性の高い端末から順に、１、２、３、・・・とミニスロットを割当てる。本実施の形態では、端末Ａに対してminislot ID=1、端末Ｂに対してminislot ID=2、端末Ｃに対してminislot ID=3を割当てる。これらの設定については、通信スケジュールで規定されており、ネットワークに接続され得る全ての端末は全ての補助開始フレームを受信するように通信スケジュールで規定されている。

まず、図１３に示すように端末Ａが主コールドスタートノードとなった場合について説明する。図１４はサイクル０〜１における時間同期の詳細を示したものであり、端末Ａ，ＢＣ，Ｄそれぞれの端末固有時刻をサイクル０から示している。各端末の端末固有時刻の諸元は先に図４に基づいて説明したものと同様である。なお、統合ノード(端末Ｂ、Ｃ、Ｄ)の動作は各端末固有の設定値(pMacroInitialOffset、pMicroInitialOffset)を除いて同様であるため、以下の説明では端末Ｂについてのみ詳細を示す。

端末Ａは自らの端末固有時刻により通信スケジュールを開始した後、Ast0とAsu0をそれぞれ静的区間と動的区間で送信する。統合ノード(端末Ｂ)はA_-st0の受信に成功すると、上述の＜端末固有時刻の初期化＞と同様の方法によりA_-st1のsTRPの時刻を算出する(898μT)。A_-st0の受信情報から得られるA_-st0の受信されたサイクル番号(０)と、各端末の通信スケジュールで設定された動的区間の開始時刻Td(1000MT)、gdActionPointOffset(5)、gdMiniSlotActionPointOffset(7)、pMacroInitialOffset(10)(図２(ａ)(ｂ)参照、gdActionPointOffset(5)は静的動作点オフセット、gdMiniSlotActionPointOffset(7)はミニスロット動作点オフセットに相当、pMacroInitialOffset(10)は上述のように予め仮定)から、以下の式で端末固有時刻の初期値を設定する。
L_-ini=(cycle number*cycle length)+Td
+(pMacroInitialOffset-gdActionPointOffset+gdMinislotActionPointOffset)
=0*16000+10000+(100-50+70)
=10120μT
また、A_-st1の受信されたslot IDと上記パラメータから時間ウィンドウを以下の時刻の近傍に設定する。
Tw=Td+(gdMinislotActionPointOffset-gdActionPointOffset)+sTRP
=1000+(7-5)+89.8
=1091.8MT=10918μT

続いて統合ノードは上述の＜端末固有時刻の初期化＞の最後の部分で説明したサイクルと同様の方法により端末固有時刻の初期化を行う。統合ノードは本実施の形態で上述のように設定した時間ウィンドウ内で補助開始フレームを受信すると、pMicroInitialOffset(2μT)のタイマを開始し、前記タイマが満了すると、サイクル０で設定した初期値L_-ini=10120μTにより端末固有時刻を初期化し、通信スケジュールを開始する。

ここで、一般的なフレックスレイとこの発明で設定された時間ウィンドウについて考える。図４から一般的なフレックスレイのようにして設定されたTw_-Bと実際のsTRPの時間差は40μT、図１４から本実施の形態で設定されたTw_-Bと実際のsTRPの時間差は25μTである(いずれも端末Ｂの端末固有時刻)。このように、一般的なフレックスレイと比較してこの発明の方がTw_-BとsTRPの時間差が小さいため、一般的なフレックスレイの処理方法でsTRPが検出されれば、必然的にこの発明でもsTRPが検出される。

続く通信サイクル(サイクル１)では、追従コールドスタートノード(端末Ｂ、Ｃ、Ｄ)は開始フレームと補助開始フレームにより初期クロック調整を行う。クロック調整についても、統合ノード(端末Ｂ、Ｃ、Ｄ)の動作は各端末固有の設定値(pMacroInitialOffset、pMicroInitialOffset)を除いて同様であるため、以下の説明では端末Ｂについてのみ詳細を示す。

まず、速度修正について説明する。図１４から、サイクル１における開始フレームと補助開始フレーム、それぞれの受信時刻と受信時刻の差違はD_-st1=16064-16050=14μT、D_-su1=26109-26070=39μTであり、A_-st1のpTRPからA_-su1のpTRPの間に25μTの差違が生じている。A_-st1のpTRPからA_-su1までの時間T_-st_-suは
T_-st_-su=Td+(gdMinislotActionPointOffset-gdActionPointOffset)
=10000+(70-50)
=10020μT
であるため、１通信サイクル当たりの差違D_-cycleは、
D_-cycle=cycle length*(D_-su2-D_-su1)/T_-st_-su
=16000*(39-14)/(10020)
=39.92 →39μT
となり、上述の一般的なフレックスレイで算出された調整値とは異なる値となる。端末Ｂは１通信サイクル当たりのマイクロティック数を16039μTとすることで、端末固有時刻の速度を調整する。この算出された調整値は、次の通信サイクル(サイクル２)から適用される。

次に、オフセット修正について説明する。オフセット修正では、サイクル１において開始フレームと補助開始フレームの２つで、よりオフセット修正を実施する時刻に近い時刻で受信されたものを用いる。本実施の形態では補助開始フレームの受信時刻と受信予想時刻の差違D_-su1を用いる。D_-su1から、端末Ｂの次の通信サイクル開始時刻は共通時刻の通信サイクル開始時刻と比較して39μT早く開始されていると考えられる。そこで、サイクル１のNIT(Network Idle Time)の時間を39μT長くすることで、通信サイクル開始時刻が調整される。

ここで、一般的なフレックスレイと同様、初期クロック調整後の端末Ｂの端末固有時刻と共通時刻のずれを検討する。オフセット修正を適用した結果として、端末Ｂのサイクル２開始時刻T_-2は、端末固有時刻で32039μTとなる。この時刻を共通時刻に換算するとT_-2は
T_-2=6100+(32039-6100)/1.0025
=31974.31 →31974μT
となる。共通時刻のサイクル２開始時刻と比較して、26μTの差違が残っていることが分かる。一方で、速度修正を適用した結果として、端末Ｂの端末固有時刻の速度は共通時刻の速度と等しくなっていない。しかしながら、初期クロック調整実施後２通信サイクルの時間で発生する共通時刻と端末固有時刻の最大誤差は、一般的なフレックスレイの場合、上述の式から41μTであるのに対し、本例では、64000-T_-2-2*16000*(16039/16040)＝約28μTとなる。このため、次のクロック調整が実施されるまでの間では、この発明を用いた方が共通時刻に対する端末Ｂの端末固有時刻の誤差は小さくなる。このことから、一般的なフレックスレイの端末固有時刻の誤差が許容範囲内であれば、この発明の初期クロック同期により時間同期が確立できることが分かる。

サイクル２以降では、図１３に示すように追従コールドスタートノード(端末Ｂ、Ｃ)は補助開始フレームを送信せずに、以降のクロック調整を行う。クロック調整の方法は、一般的なフレックスレイの技術のサイクル４以降と同様に行うため、説明を省略する。

図１５に端末Ｂが主コールドスタートノードになった場合、図１６に端末Ｃが主コールドスタートノードになった場合の初期区間から通信区間へ移行するまでのタイムチャートを示す。いずれの場合も、端末Ａが主コールドスタートノードとなった場合と同様の手順であるが、動的区間が開始されてから、補助開始フレームが送信されるまでの空きミニスロットの影響を考慮してL_-ini、Twを以下のようにする。
L_-ini=(cycle number*cycle length)+Td+minislot length*(minislot ID-1)
+(pMacroInitialOffset-gdActionPointOffset+gdMinislotActionPointOffset)
Tw＝Td+minislot length*(minislot ID-1)
+(gdMinislotActionPointOffset-gdActionPointOffset)+sTRP
その他の手順については、端末Ａが主コールドスタートノード場合と同様であるために、説明は省略する。

主コールドスタートノードは自らの端末が通信区間に移行すると、通信制御手段２１からの補助開始フレームの送信指示が終了するため、補助開始フレームの送信を中止する。

以上より、通信制御手段２１は、主端末の場合に、フレームを送信するイベント型の通信部分を通信スケジュール内に備える場合には、補助開始フレームをイベント型の通信部分に規定し、通信スケジュールの初期区間にある場合に、補助開始フレームの送信を指示することを特徴とする通信システムという、本実施の形態に記載の発明を用いることで、上記実施の形態と同様にネットワークへの統合に要する時間を短縮でき、さらに主コールドスタートノード(主端末)となった端末だけが、初期区間の間に限定して補助開始フレームを送信するため、伝送効率を向上させることができる。

実施の形態３．
本実施の形態による通信システムは、図１７にタイムチャートで示すように、主コールドスタートノード(端末Ａ)の通信制御手段２１が伝送路１上を観測し、他の端末から送信されたフレームが検出された時に、補助開始フレームの送信指示を終了することで実現できる。

このように通信制御手段２１が、補助開始フレームの送信開始後、統合主端からフレームの送信が開始された場合に、補助開始フレームの送信指示を終了することを特徴とする通信システムとすることで、補助開始フレームが統合ノードにおいて用いられる間のみ補助開始フレームが送信され、伝送路の利用効率を向上させることができる。

実施の形態４．
本実施の形態による通信システムは、図１８にタイムチャートで示すように、通信制御手段２１が補助開始フレームの送信開始後にタイマを起動し、タイマが満了すると補助開始フレームの送信指示を終了することで実現できる。
このように通信制御手段２１は、補助開始フレームを送信開始後、一定時間経過すると補助開始フレームの送信指示を終了することを特徴とする通信システムとすることで、統合ノードがクロックの熱暴走などの不具合によりクロックの初期化を達成できない場合に、主コールドスタートノードが補助開始フレームを送信し続ける状態を回避することができる。

実施の形態５．
本実施の形態による通信システムは、静的区間において補助開始フレームを送信する。

図１９、２０は図７の通信スケジュールで既に端末Ａ，Ｂ，Ｃがフレームの送信を開始しているネットワークに対して、端末Ｄが統合ノードとして時間同期を図る場合のタイムチャートである。上述の一般的なフレックスレイと同様に、統合ノード(端末Ｄ)では既に時間同期を確立した複数台の端末の中から、任意の１台(主統合ノード)に対して時間同期が図られる。

図１９中の(a)は奇数通信サイクル2k+1において統合ノード(端末Ｄ)が端末Ａから送信された開始フレームを最初に受信した場合である(端末Ａが主コールドスタートノード)。この場合、端末Ｄは端末Ａから送信される開始フレームA_-st2k+1と補助開始フレームA_-su2k+1によって端末固有時刻の初期化を行う。端末固有時刻の初期値算出方法については、初期区間における端末固有時刻の初期化(実施の形態１で説明)と同様であるため説明を省略する。

図１９中の(b)、(c)はそれぞれ奇数通信サイクル2k+1において、端末Ｂ、端末Ｃが主統合ノードとなった場合を示している。それぞれの動作は(a)の場合と同様であるため説明を省略する。

統合ノードは端末固有時刻の初期化を完了すると、続く通信サイクル(偶数通信サイクル)以降では、上述の一般的なフレックスレイと同様の方法でクロック調整を行う。クロック調整の詳細については説明を省略する。

一方、図２０中の(a)は偶数通信サイクル2kにおいて統合ノード(端末Ｄ)が端末Ａから送信された開始フレームを最初に受信した場合である(端末Ａが主コールドスタートノード)。この場合、端末Ｄは端末Ａから送信される開始フレームA_-st2kと補助開始フレームA_-su2kによって端末固有時刻の初期化を行う。端末固有時刻の初期化方法については、初期区間における端末固有時刻の初期化(実施の形態１で説明)と同様であるため説明を省略する。

図２０中の(b)、(c)はそれぞれ偶数通信サイクル2kにおいて、端末Ｂ、端末Ｃが主統合ノードとなった場合を示している。それぞれの動作は(a)の場合と同様であるため説明を省略する。

統合ノードは端末固有時刻の初期化を完了すると、上述の一般的なフレックスレイと同様の方法でクロック調整を行うが、一般的なフレックスレイでは上述のように、時間同期に関する処理は偶数通信サイクルにおいて開始されるため、続く奇数通信サイクル(2k+1)ではクロック調整を行わず待機する。そして続く偶数通信サイクル(2k+2)以降では、上述したのと同様にしてクロック調整を行う。クロック調整の詳細については説明を省略する。

このように、複数台の端末２がネットワークを構成するように伝送路１を介して接続されている通信システムであって、各端末２が、フレームの送信を行う送信部２２と、フレームの受信を行う受信部２３と、端末固有の端末固有時刻を発生するクロック手段２４と、フレームの受信時刻、フレームの受信予想時刻、端末固有時刻の初期値、の算出と、クロックの調整を行う時間同期手段２５と、一定周期の通信サイクル内におけるフレームの送受信手順を規定した通信スケジュールと通信スケジュールに関する設定情報を記憶する記憶手段２６と、端末固有時刻と通信スケジュールに基き前記送信部及び受信部による端末の通信動作を制御する通信制御手段２１と、を備え、端末の通信制御手段２１は、ネットワークに接続され得る全ての端末を示すメンバリストを前記通信スケジュールから得て、メンバリストに示される端末の中で、一部の端末がフレームの送信を行っていない場合に、既にフレームの送信を行っている端末の内１台以上が、ネットワークへの統合を主導する主統合端末、フレームの送信を開始していない端末が統合端末として動作し、主統合端末である場合には、通信スケジュールで予め規定された送信タイミングで開始フレーム、統合端末の記憶する通信スケジュールにより受信予想時刻を算出可能なタイミングで補助開始フレームを同一の通信サイクルにおいて送信し、一方、統合端末である場合には、複数の端末から送信される開始フレームと補助開始フレームの中から１組を受信し、開始フレームの受信時刻と、補助開始フレームの受信時刻と受信予想時刻から算出された端末固有時刻の初期値に従った端末固有時刻により通信スケジュールを開始し、時間同期手段２５が、開始フレームの受信時刻と、補助開始フレームの受信時刻と受信予想時刻から端末固有時刻の初期値を算出する、ことを特徴とする本実施の形態による通信システムにより、統合区間において、統合ノード(統合端末)が端末固有時刻の初期化に要する時間は、一般的なフレックスレイにおいて端末固有時刻の初期化を行った場合と比較して、同等(２サイクル)か短縮(１サイクル)されており、ネットワークの統合に要する時間を短縮できることが分かる。

実施の形態６．
本実施の形態による通信システムとして、動的区間において補助開始フレームを送信する場合について示す。

図２１、図２２は図２３の通信スケジュールで既に端末Ａ、Ｂ、Ｃがフレームの送信を開始しているネットワークに対して、端末Ｄが統合ノードとして時間同期を図る場合である。全てのコールドスタートノードは静的区間において割当てられた時間スロットで開始フレームを送信し、コールドスタートノードの中で規定された１台(端末Ａ、主統合ノード)に対して、minislot ID=1における補助開始フレームの送信権を割当てている。

主統合ノードは伝送路１上を観測し、メンバリストに示される全ての端末のフレーム送信状況を確認する。そして、フレームの送信を行っていない端末が検出された場合、端末Ａは通信制御手段２１から補助開始フレームの送信を指示する。なおメンバリストは通信スケジュールから得られる。

図２１中の(a)は奇数通信サイクル(2k+1)において統合ノード(端末Ｄ)が、端末Ａから送信された開始フレームを最初に受信した場合であり、この場合、端末Ｄは端末Ａから送信される開始フレームA_-st2k+1と補助開始フレームA_-su2k+1によって端末固有時刻の初期化を行う。端末固有時刻の初期化については、例えば上述の実施の形態２で記載した初期区間における端末固有時刻の初期化と同様であるため説明を省略する。

図２１中の(b)は奇数通信サイクル(2k+1)において統合ノード(端末Ｄ)が、端末Ｂから送信された開始フレームを最初に受信した場合であり、この場合、端末Ｄは端末Ｂから送信される開始フレームB_-st2k+1と端末Ａから送信される補助開始フレームA_-su2k+1によって端末固有時刻の初期化を行う。端末固有時刻の初期化については、例えば上述の実施の形態２で記載した初期区間における端末固有時刻の初期化と同様である。

図２１中の(b)の場合、端末Ｄは端末Ａと端末Ｂの端末固有時刻によって端末固有時刻の初期化を行うことになる。端末Ａと端末Ｂの端末固有時刻は２通信サイクル毎にクロック調整値が更新されているため、誤差は小さいと考えられる。また、端末Ａの端末固有時刻と端末Ｂの端末固有時刻が共通時刻と同期しており、端末Ａの端末固有時刻と共通時刻の誤差がD_-A、端末Ｂの端末固有時刻と共通時刻の誤差がD_-Bであるとすると、端末Ｄが同期を図る時間と共通時刻の誤差D_-Dは、
D_-A＞0 かつ D_-B＞0 → D_-D=max(D_-A,D_-B)
D_-AとD_-Bが異符号 → D_-D=D_-A＋D_-B
D_-A＜0 かつ D_-B ＜0 → D_-D=min(D_-A,D_-B)
となるため、D_-Dも共通時刻と同期した時刻となり、上記により端末固有時刻の初期化が可能である。

図２１中の(c)は奇数通信サイクル(2k+1)において、端末Ｄが端末Ｃから送信された開始フレームを最初に受信した場合を示している。動作は(b)の場合と同様であるため説明を省略する。

図２２中の(a)は偶数通信サイクル(2k)において統合ノード(端末Ｄ)が、端末Ａから送信された開始フレームを最初に受信した場合であり、この場合、端末Ｄは端末Ａから送信される開始フレームA_-st2kと補助開始フレームA_-su2kによって端末固有時刻の初期化を行う。端末固有時刻の初期化方法については、例えば上述の実施の形態２で記載した初期区間における端末固有時刻の初期化と同様であるため説明を省略する。

図２２中の(b)は偶数通信サイクル(2k)において統合ノード(端末Ｄ)が、端末Ｂから送信された開始フレームを最初に受信した場合であり、この場合、端末Ｄは端末Ｂから送信される開始フレームB_-st2kと端末Ａから送信される補助開始フレームA_-su2kによって端末固有時刻の初期化を行う。端末固有時刻の初期化方法については、例えば上述の実施の形態２で記載した初期区間における端末固有時刻の初期化と同様である。そして同様にして、この手順で端末固有時刻の初期化が可能である。

図２２の(c)は偶数通信サイクル(2k)において、端末Ｄが端末Ｃから送信された開始フレームを最初に受信した場合を示している。動作は(b)の場合と同様であるため説明を省略する。

統合ノードは端末固有時刻の初期化を完了すると、上述の一般的なフレックスレイと同様の方法でクロック調整を行うが、一般的なフレックスレイでは先に述べた通り、時間同期に関する処理は偶数通信サイクルにおいて開始されるため、続く奇数通信サイクル(2k+1)ではクロック調整を行わず待機する。そして続く偶数通信サイクル(2k+2)以降では、一般的なフレックスレイと同様の方法でクロック調整を行う。クロック調整の詳細については説明を省略する。

以上、通信制御手段２１が、主統合端末の場合に、フレームを送信するイベント型の通信部分を通信スケジュール内に備える場合には、補助開始フレームをイベント信号として規定し、メンバリストに示される端末の中で、フレームの送信を行っていない端末がある場合に補助開始フレームの送信を指示することを特徴とする通信システムにより、端末固有時刻の初期化に要する時間は、一般的なフレックスレイにおいて端末固有時刻の初期化を行った場合と比較して、同等(２サイクル)か短縮(１サイクル)されており、ネットワークの統合に要する時間を短縮できる。さらに、上述のように補助開始フレームの送信が、統合ノード(統合端末)が存在する場合にイベントとして開始されるため、統合ノードが存在しない場合においては、補助開始フレームの送信に伝送路１が占有されない。このため、伝送路の利用効率を向上させることができる。

実施の形態７．
本実施の形態による通信システムとして、図２４に示すように補助開始フレームを送信する端末の通信制御手段２１が伝送路１上を観測し、メンバリストに示された全ての端末から送信されたフレームが検出された時に、補助開始フレームの送信指示を終了することで実現できる。

このように、通信制御手段２１が、メンバリストに示された全端末がフレームの送信を開始した場合に、補助開始フレームの送信指示を終了することを特徴とする通信システムとすることにより、補助開始フレームの送信に占有される時間が制限されるため、伝送路の利用効率を向上させることができる。

実施の形態８．
本実施の形態による通信システムとして、図２５に示すように補助開始フレームを送信する端末の通信制御手段２１が補助開始フレームの送信開始後にタイマ値を設定し、タイマが満了すると補助開始フレームの送信指示を終了することで実現できる。

このように、通信制御手段２１が、補助開始フレームを送信開始後、一定時間が経過すると補助開始フレームの送信指示を終了することを特徴とする通信システムとすることにより、補助開始フレームが送信される時間が限定され、統合ノード(統合端末)がクロックの熱暴走などの不具合によりクロックの初期化を達成できない場合に、主コールドスタートノード(主端末)が補助開始フレームを送信し続ける状態を回避することができる。

実施の形態９．
本実施の形態による通信システムとして、図２６に示すように補助開始フレームを送信する端末の通信制御手段２１がメンバリストに対してフラグ値を設定し、フラグの設定された端末からフレーム送信が検出さない場合に限定して、補助開始フレームを送信することで実現できる。

このように、特定の端末がフレームの送信を行っていない場合にのみ、補助開始フレームの送信を指示するような通信制御手段２１を用いることにより、ネットワークにおける統合ノード(統合端末)の重要度等に応じて、補助開始フレーム送信が可能となるため、伝送路の利用効率を向上させることができる。

実施の形態１０．
本実施の形態による通信システムとして、図２７に示すように統合ノードが補助開始フレームの受信に失敗した場合(ステップＳ１〜Ｓ５)、現在の通信サイクル(k)が偶数通信サイクルである場合には(ステップＳ７〜Ｓ１１)、続く通信サイクル(k+1)の開始フレームA_-stk+1を対象とした場合のL_-ini、Twを算出し、A_-stkとA_-stk+1により上述の一般的なフレックスレイと同じ方法で端末固有時刻の初期化を行う(ステップＳ８〜Ｓ１１)。一方で、現在の通信サイクルが奇数通信サイクルである場合、A_-stk+1とA_-suk+1により端末固有時刻の初期化を行う(ステップＳ１２〜Ｓ１８)。

このように、統合端末の場合に、通信制御手段２１が、主端末の送信する開始フレームの受信に成功し、補助開始フレームの受信に失敗した場合に、前記受信に成功した開始フレームの受信時刻と、開始フレームの受信に成功した通信サイクルの次の通信サイクルで主端末から送信される開始フレームの受信時刻と受信予想時刻、又は開始フレームの受信に成功した通信サイクルの次の通信サイクルで主端末から送信される開始フレームの受信時刻と補助開始フレームの受信時刻と受信予想時刻を用いて算出された端末固有時刻の初期値に従った端末固有時刻により通信スケジュールを開始し、時間同期手段２５、前記端末固有時刻の初期値の算出を行う、ことを特徴とする通信システム、及び、統合端末の場合に、通信制御手段２１が、主統合端末が送信する開示フレームの受信に成功し、補助開始フレームの受信に失敗した場合に、前記受信に成功した開始フレームの受信時刻と、および開始フレームの受信に成功した通信サイクルの次の通信サイクルで主統合端末から送信される開始フレームの受信時刻と受信予想時刻、又は開始フレームの受信に成功した通信サイクルの次の通信サイクルで主統合端末から送信される開始フレームの受信時刻と補助開始フレームの受信時刻と受信予想時刻を用いて算出された端末固有時刻の初期値に基づく端末固有時刻により通信スケジュールを開始し、時間同期手段２５が、前記端末固有時刻の初期値の算出を行う、ことを特徴とする通信システムとして、統合ノード(統合端末)を用いることにより、統合ノードは初期区間において開始フレームの受信に失敗した場合においても、一般的なフレックスレイと同等かそれ以下の時間で端末固有時刻の初期化を行うことができる。

実施の形態１１．
本実施の形態による通信システムとして、図２８に示すように統合ノードが補助開始フレームの受信に失敗した場合(ステップＳ１〜Ｓ５)、現在の通信サイクルが偶数通信サイクルである場合(k)には、A_-st1とA_-st2により、一般的なフレックスレイと同様の方法で初期クロック調整を行う(ステップＳ８〜Ｓ１２)。一方で、現在の通信サイクルが奇数通信サイクルである場合、続く通信サイクルにおける開始フレームと補助開始フレームによって初期クロック調整を行うことで実現できる(ステップＳ１３〜Ｓ１９)。

このように、統合端末の場合に、通信制御手段２１が、主端末の送信する開始フレームの受信に成功し、補助開始フレームの受信に失敗した場合に、前記時間同期手段２５が、前記受信に成功した開始フレームの受信時刻と受信予想時刻、および開始フレームの受信に成功した通信サイクルの次の通信サイクルで主端末から送信される開始フレームの受信時刻と受信予想時刻、又は開始フレームの受信に成功した通信サイクルの次の通信サイクルにおいて主端末から送信される開始フレーム、補助開始フレームそれぞれの受信時刻と受信予想時刻により、端末固有時刻と共通時刻のクロック調整を行う、ことを特徴とする通信システムとすることにより、補助開始フレームの受信に失敗した場合においても、従来技術と同等かそれ以下の時間で初期クロック調整を行うことができる。

実施の形態１２．
本実施の形態による通信システムとして、統合ノードが端末固有時刻により通信スケジュールが開始された次の通信サイクルにおいて、端末固有時刻の初期化で参照した端末(主統合ノード)から送信される開始フレームと補助開始フレーム、それぞれの受信時刻と受信予想時刻の差違を算出し、初期クロック調整と同様の手順で端末固有時刻を調整することにより実現可能である。

このように統合端末の場合に、通信制御手段２１が、端末固有時刻により通信スケジュールを開始した後、端末固有時刻の初期値の妥当性を確認し、不当な値となっている場合には、時間同期手段２５が端末固有時刻の初期値を調整することを特徴とする通信システムとすることで、図２２のように偶数通信サイクルが開始するまで待機している時間(サイクル2k+1)において、統合ノード(統合端末)の端末固有時刻を主統合ノード(主統合端末)の端末固有時刻に対してより精度よく時間同期させることができる。

フレックスレイ等に基づく通信スケジュール、通信サイクル、時間スロットを用いた通信システムの通信パターンの一例を示す図である。一般的なフレックスレイの１サイクル中の通信スケジュールおよびこれの各パラメータを示す図である。一般的なフレックスレイの通信サイクルの初期区間のタイムチャートである。図３のサイクル０〜３の詳細を示す図である。一般的なフレックスレイの通信サイクルの統合区間のタイムチャートである。この発明による通信システムの構成の一例を示す図である。この発明による通信システムの１サイクル中の通信スケジュールの一例を示す図である。この発明の実施の形態１による通信システムの通信サイクルの一例のタイムチャートである。図８のサイクル０〜３の詳細を示す図である。この発明の実施の形態１による通信システムの通信サイクルの別の例のタイムチャートである。この発明の実施の形態１による通信システムの通信サイクルのさらに別の例のタイムチャートである。この発明による通信システムの１サイクル中の通信スケジュールの別の例を示す図である。この発明の実施の形態２による通信システムの通信サイクルの一例のタイムチャートである。図１３のサイクル０〜１の詳細を示す図である。この発明の実施の形態２による通信システムの通信サイクルの別の例のタイムチャートである。この発明の実施の形態２による通信システムの通信サイクルのさらに別の例のタイムチャートである。この発明の実施の形態３による通信システムの通信サイクルの一例のタイムチャートである。この発明の実施の形態４による通信システムの通信サイクルの一例のタイムチャートである。この発明の実施の形態５による通信システムの通信サイクルの統合区間の一例のタイムチャートである。この発明の実施の形態５による通信システムの通信サイクルの統合区間の別の例のタイムチャートである。この発明の実施の形態６による通信システムの通信サイクルの統合区間の一例のタイムチャートである。この発明の実施の形態６による通信システムの通信サイクルの統合区間の別の例のタイムチャートである。この発明による通信システムの１サイクル中の通信スケジュールの別の例を示す図である。この発明の実施の形態７による通信システムの通信サイクルの統合区間の一例のタイムチャートである。この発明の実施の形態８による通信システムの通信サイクルの統合区間の別の例のタイムチャートである。この発明の実施の形態９による通信システムの通信サイクルの統合区間の一例のタイムチャートである。この発明の実施の形態１０による通信システムの動作を説明するためのフローチャートである。この発明の実施の形態１１による通信システムの動作を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１伝送路、２端末、２１通信制御手段、２２送信部、２３受信部、２４クロック手段、２５時間同期手段、２６記憶手段。

Claims

複数台の端末がネットワークを構成するように伝送路を介して接続されている通信システムであって、
前記各端末が、
フレームの送信を行う送信部と、
前記フレームの受信を行う受信部と、
端末固有の端末固有時刻を発生するクロック手段と、
前記フレームの受信時刻、フレームの受信予想時刻、端末固有時刻の初期値、の算出と、クロックの調整を行う時間同期手段と、
一定周期の通信サイクル内におけるフレームの送受信手順を規定した通信スケジュールと通信スケジュールに関する設定情報を記憶する記憶手段と、
前記端末固有時刻と通信スケジュールに基き前記送信部及び受信部による端末の通信動作を制御する通信制御手段と、
を備え、
各端末の前記通信制御手段は、
ネットワークが形成される初期区間において、前記複数台の端末のうちで最初に通信を始めた場合には通信スケジュールを主導する主端末として動作し、それ以外の場合にはネットワークへの統合を図る統合端末として動作し、
前記主端末である場合には、端末固有時刻をネットワーク内で利用される共通時刻として通信スケジュールを開始した後、通信スケジュールで予め規定された送信タイミングで共通時刻参照用の開始フレームと統合端末の記憶する通信スケジュールにより受信予想時刻を算出可能なタイミングで補助開始フレームを同一の通信サイクルにおいて送信し、
一方、前記統合端末である場合には、前記開始フレームと補助開始フレームを受信し、開始フレームの受信時刻と、補助開始フレームの受信時刻と受信予想時刻から算出された端末固有時刻の初期値に従った端末固有時刻により通信スケジュールを開始し、
前記時間同期手段が、前記開始フレームの受信時刻と、補助開始フレームの受信時刻と受信予想時刻から端末固有時刻の初期値を算出する、
ことを特徴とする通信システム。
複数台の端末がネットワークを構成するように伝送路を介して接続されている通信システムであって、
前記各端末が、
フレームの送信を行う送信部と、
前記フレームの受信を行う受信部と、
端末固有の端末固有時刻を発生するクロック手段と、
前記フレームの受信時刻、フレームの受信予想時刻、端末固有時刻の初期値、の算出と、クロックの調整を行う時間同期手段と、
一定周期の通信サイクル内におけるフレームの送受信手順を規定した通信スケジュールと通信スケジュールに関する設定情報を記憶する記憶手段と、
前記端末固有時刻と通信スケジュールに基き前記送信部及び受信部による端末の通信動作を制御する通信制御手段と、
を備え、
各端末の前記通信制御手段は、
ネットワークが形成される初期区間において、前記複数台の端末のうちで最初に通信を始めた場合には通信スケジュールを主導する主端末として動作し、それ以外の場合にはネットワークへの統合を図る統合端末として動作し、
前記主端末である場合には、端末固有時刻をネットワーク内で利用される共通時刻として通信スケジュールを開始した後、通信スケジュールで予め規定された送信タイミングで共通時刻参照用の開始フレームと統合端末の記憶する通信スケジュールにより受信予想時刻を算出可能なタイミングで補助開始フレームを同一の通信サイクルにおいて送信し、
一方、前記統合端末である場合には、端末固有時刻により通信スケジュールを開始し、
前記時間同期手段が、前記開始フレームと補助開始フレームを受信し、それぞれの受信時刻と受信予想時刻から端末固有時刻と共通時刻のクロック調整を行う、
ことを特徴とする通信システム。
前記通信制御手段は、主端末の場合に、フレームを送信するイベント型の通信部分を通信スケジュール内に備える場合には、補助開始フレームをイベント型の通信部分に規定し、通信スケジュールの初期区間にある場合に、補助開始フレームの送信を指示することを特徴とする請求項１又は２に記載の通信システム。
前記通信制御手段は、補助開始フレームの送信開始後、統合主端末からフレームの送信が開始された場合に、補助開始フレームの送信指示を終了することを特徴とする請求項３に記載の通信システム。
前記通信制御手段は、補助開始フレームを送信開始後、一定時間経過すると補助開始フレームの送信指示を終了することを特徴とする請求項３に記載の通信システム。
複数台の端末がネットワークを構成するように伝送路を介して接続されている通信システムであって、
前記各端末が、
フレームの送信を行う送信部と、
前記フレームの受信を行う受信部と、
端末固有の端末固有時刻を発生するクロック手段と、
前記フレームの受信時刻、フレームの受信予想時刻、端末固有時刻の初期値、の算出と、クロックの調整を行う時間同期手段と、
一定周期の通信サイクル内におけるフレームの送受信手順を規定した通信スケジュールと通信スケジュールに関する設定情報を記憶する記憶手段と、
前記端末固有時刻と通信スケジュールに基き前記送信部及び受信部による端末の通信動作を制御する通信制御手段と、
を備え、
各端末の前記通信制御手段は、ネットワークに接続され得る全ての端末を示すメンバリストを前記通信スケジュールから得て、メンバリストに示される端末の中で、一部の端末がフレームの送信を行っていない場合に、既にフレームの送信を行っている端末の内１台以上が、ネットワークへの統合を主導する主統合端末、フレームの送信を開始していない端末が統合端末として動作し、
前記主統合端末である場合には、通信スケジュールで予め規定された送信タイミングで開始フレーム、統合端末の記憶する通信スケジュールにより受信予想時刻を算出可能なタイミングで補助開始フレームを同一の通信サイクルにおいて送信し、
一方、前記統合端末である場合には、複数の端末から送信される開始フレームと補助開始フレームの中から１組を受信し、開始フレームの受信時刻と、補助開始フレームの受信時刻と受信予想時刻から算出された端末固有時刻の初期値に従った端末固有時刻により通信スケジュールを開始し、
前記時間同期手段が、開始フレームの受信時刻と、補助開始フレームの受信時刻と受信予想時刻から端末固有時刻の初期値を算出する、
ことを特徴とする通信システム。
前記通信制御手段は、主統合端末の場合に、フレームを送信するイベント型の通信部分を通信スケジュール内に備える場合には、補助開始フレームをイベント信号として規定し、メンバリストに示される端末の中で、フレームの送信を行っていない端末がある場合に補助開始フレームの送信を指示することを特徴とする請求項６に記載の通信システム。
前記通信制御手段が、メンバリストに示された全端末がフレームの送信を開始した場合に、補助開始フレームの送信指示を終了することを特徴とする請求項７に記載の通信システム。
前記通信制御手段が、補助開始フレームを送信開始後、一定時間が経過すると補助開始フレームの送信指示を終了することを特徴とする請求項７に記載の通信システム。
前記通信制御手段が、特定の端末がフレームの送信を行っていない場合にのみ、補助開始フレームの送信を指示することを特徴とする請求項７に記載の通信システム。
統合端末の場合に、前記通信制御手段が、主端末の送信する開始フレームの受信に成功し、補助開始フレームの受信に失敗した場合に、前記受信に成功した開始フレームの受信時刻と、開始フレームの受信に成功した通信サイクルの次の通信サイクルで主端末から送信される開始フレームの受信時刻と受信予想時刻、又は開始フレームの受信に成功した通信サイクルの次の通信サイクルで主端末から送信される開始フレームの受信時刻と補助開始フレームの受信時刻と受信予想時刻を用いて算出された端末固有時刻の初期値に従った端末固有時刻により通信スケジュールを開始し、
前記時間同期手段が、前記端末固有時刻の初期値の算出を行う、
ことを特徴とする請求項１に記載の通信システム。
統合端末の場合に、前記通信制御手段が、主端末の送信する開始フレームの受信に成功し、補助開始フレームの受信に失敗した場合に、前記時間同期手段が、前記受信に成功した開始フレームの受信時刻と受信予想時刻、および開始フレームの受信に成功した通信サイクルの次の通信サイクルで主端末から送信される開始フレームの受信時刻と受信予想時刻、又は開始フレームの受信に成功した通信サイクルの次の通信サイクルにおいて主端末から送信される開始フレーム、補助開始フレームそれぞれの受信時刻と受信予想時刻により、端末固有時刻と共通時刻のクロック調整を行う、
ことを特徴とする請求項２に記載の通信システム。
統合端末の場合に、前記通信制御手段が、主統合端末が送信する開示フレームの受信に成功し、補助開始フレームの受信に失敗した場合に、前記受信に成功した開始フレームの受信時刻と、および開始フレームの受信に成功した通信サイクルの次の通信サイクルで主統合端末から送信される開始フレームの受信時刻と受信予想時刻、又は開始フレームの受信に成功した通信サイクルの次の通信サイクルで主統合端末から送信される開始フレームの受信時刻と補助開始フレームの受信時刻と受信予想時刻を用いて算出された端末固有時刻の初期値に基づく端末固有時刻により通信スケジュールを開始、
前記時間同期手段が、前記端末固有時刻の初期値の算出を行う、
ことを特徴とする請求項６に記載の通信システム。
統合端末の場合に、前記通信制御手段が、端末固有時刻により通信スケジュールを開始した後、端末固有時刻の初期値の妥当性を確認し、不当な値となっている場合には、前記時間同期手段が端末固有時刻の初期値を調整することを特徴とする請求項１又は６に記載の通信システム。