JP4196886B2 - 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、複数のノードでなる通信システムにおけるデータ通信の衝突回避に関するものである。

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、同時に通信可能なチャネル数は少なくなる。

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方式は、ＣＳＭＡ方式より同時に通信可能なチャネル数を多くし易い。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、一部のノードについてのみ、タイムスロット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、しかも、タイムスロットの再割り当てにも容易に対応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、（１）他ノードの動作タイミングを示す状態変数信号を受け取ると共に、自ノードの動作タイミングを示す状態変数信号を間欠的に送信する状態変数信号通信手段と、（２）上記状態変数信号通信手段が受け取った他ノードからの状態変数信号及び遷移の基本速度情報に基づいて、自ノードの動作タイミングを遷移させ、この遷移を反映させた自ノードからの状態変数信号を生成して上記状態変数信号通信手段に与えると共に、自ノード及び状態変数信号が届く近傍の１又は複数の他ノードがデータを送信し得るタイムスロットを認識するタイミング決定手段と、（３）自ノードの動作タイミングで定まる周期的なタイムスロット毎にデータ信号を送信するデータ送信手段と、（４）他ノードからのデータ信号を受信するデータ受信手段と、（５）自ノードのタイムスロット幅の変更可否を判定するタイムスロット幅変更判定手段と、（６）自ノードのタイムスロット幅の変更が必要となったときに、上記タイミング決定手段における自ノードの動作タイミングを強制的にシフトさせる動作タイミングシフト手段とを備えたことを特徴とする。

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、（１）他ノードの動作タイミングを示す状態変数信号を受け取ると共に、自ノードの動作タイミングを示す状態変数信号を間欠的に送信する状態変数信号通信工程と、（２）上記状態変数信号通信工程で受け取った他ノードからの状態変数信号及び遷移の基本速度情報に基づいて、自ノードの動作タイミングを遷移させ、この遷移を反映させた自ノードからの状態変数信号を生成して上記状態変数信号通信工程に与えると共に、自ノード及び状態変数信号が届く近傍の１又は複数の他ノードがデータを送信し得るタイムスロットを認識するタイミング決定工程と、（３）自ノードの動作タイミングで定まる周期的なタイムスロット毎にデータ信号を送信するデータ送信工程と、（４）他ノードからのデータ信号を受信するデータ受信工程と、（５）自ノードのタイムスロット幅の変更可否を判定するタイムスロット幅変更判定工程と、（６）自ノードのタイムスロット幅の変更が必要となったときに、上記タイミング決定工程における自ノードの動作タイミングを強制的にシフトさせる動作タイミングシフト工程とを含むことを特徴とする。

本発明の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よれば、管理ノードが存在しなくても、各ノードが有効な通信を実行できる柔軟性が高い、しかも、タイムスロットの再割り当てにも容易に対応することができる。

（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。

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り、また、割り当てを決定した後の再割当ても容易に実行可能としたものである。

（Ａ−１）第１の実施形態の構成
図２は、第１の実施形態が意図しているネットワーク内のノード配置例を示すブロック図であり、ノードＮ１及びＮ２を着目ノードとして示している。

図２において、着目ノードＮ１やＮ２を中心とする実線円は、他ノードが送信した後述するインパルス信号をノードＮ１やＮ２が受信できる範囲を示している。図２の例では、着目ノードＮ１は、ノードＮ２、Ｎ３、Ｎ９が送信したインパルス信号を受信でき、着目ノードＮ２は、ノードＮ１、Ｎ３〜Ｎ１２が送信したインパルス信号を受信できる。

また、実線円より狭い範囲の着目ノードＮ１やＮ２を中心とする点線円は、他ノードと着目ノードＮ１やＮ２がデータ信号を授受できる範囲を示している。図２の例では、着目ノードＮ１は、ノードＮ３とのみデータ信号を授受でき、着目ノードＮ２は、ノードＮ３、Ｎ７、Ｎ８とデータ信号を授受できる。

第１の実施形態は、以上のようなノードの配置に偏りなどがあっても、各ノードでのタイムスロットをできるだけ均等に割当て（再割当てによる場合を含む）ようとすることを意図している。

図１は、第１の実施形態の各ノードの内部構成を示すブロック図である。図１において、各ノードは、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、タイムスロット幅計測手段１６及び角速度変更手段１７を有する。

インパルス信号受信手段１１は、近傍のノード（例えば、そのノードの発信電波が届く範囲に存在する他ノード）が送信したインパルス信号（宛先情報は含まれていない）を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。インパルス信号受信手段１１は、受信したインパルス信号そのもの、それを波形整形したもの、又は、受信したインパルス信号に基づき再生成し直したインパルス信号を通信タイミング計算手段１２及び同調判定手段１４に与える。

通信タイミング計算手段１２は、インパルス信号受信手段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して出力するものである。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手段１２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、インパルス信号受信手段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から受信したインパルス信号に基づいて、インパルス信号受信手段１１が出力した信号を表しており、関数Ｒ（θｉ（ｔ），σ（ｔ））は、他ノードからのインパルス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インパルス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手段１２の上述した機能の意味合いを、図３及び図４を用いて詳述する。図３及び図４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）ｉ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。（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）として回転している。ここで、ノード間でインパルス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）のときにインパルス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。

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。

なお、図３及び図４は、着目ノードの近傍にインパルス信号を授受する他のノードが１個又は２個の場合を示したが、上述した図２に例示したように、実際の複数のノードの配置関係はこれら図３や図４が前提とする場合より複雑である。

通信タイミング計算手段１２は、得られた位相信号θｉ（ｔ）を、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及びタイムスロット幅計測手段１６に出力する。

インパルス信号送信手段１３は、位相信号θｉ（ｔ）に基づいて、インパルス信号を送信出力する。すなわち、位相信号θｉ（ｔ）が所定の位相α（０≦α＜２π）になると、インパルス信号を送信出力する。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からのインパルス信号の送信タイミングと、ノードｊからのインパルス信号の送信タイミングとはπだけずれる。

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、インパルス信号の受信タイミング（他ノードの出力タイミングに対応する）及びインパルス信号の自ノードからの送信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。同調判定手段１４には、自ノードからのインパルス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）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）インパルス信号受信手段１１からの信号の出力タイミングにおける位相信号θｉ（ｔ）の値βを、位相信号θｉ（ｔ）の１周期に亘って観測する。上記の観測を行った結果、得られる位相信号θｉ（ｔ）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θｉ（ｔ）の値βに基づいて、隣接値間の差（位相差）Δ１＝β１，Δ２＝β２−β１，…，ΔＮ＝βＮ−β（Ｎ−１）を算出する。

（ｃ）上記（ａ）及び（ｂ）の処理を位相信号θｉ（ｔ）の周期単位に行い、相前後する周期における位相差Δの変化量（差分）γ１＝Δ１（τ+１）−Δ１（τ），γ２＝Δ２（τ+１）−Δ２（τ），…，γＮ＝ΔＮ（τ+１）−ΔＮ（τ）を算出する。ここで、τは、位相信号θｉ（ｔ）のある周期を示しており、τ＋１は、位相信号θｉ（ｔ）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θｉ（ｔ）の周期毎に、判定結果を示す同調判定信号と、インパルス信号の受信タイミングにおける位相信号θｉ（ｔ）の値βの最小値β１をスロット信号としてデータ通信手段１５に出力する。

データ通信手段１５は、他ノードからのデータを受信すると共に、自己が送信元となるデータや、自己が中継するデータを送信するものである。データ通信手段１５は、データ送信を、同調判定信号が「定常状態」を示すときに、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、同調判定信号が「過渡状態」を示すときには送信動作を停止する。

タイムスロットは、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、インパルス信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インパルス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、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。

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からインパルス信号を送信し始め、位相θｉがδ１になる前に、インパルス信号の送信を終了させておき、位相θｉがδ１からデータ信号を送信し始め、位相θｉがβ１−δ２になると（但しβ１≒π）、データ信号の送信が終了させ、それ以降、位相θｉが再び０になるまで、インパルス信号の送信もデータ信号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。

上述のように、固有角振動数パラメータωは、例えば、通信システム（ネットワーク）全体で同一の値に統一することとしている。固有角振動数ωが統一されていると、各ノードで不規則にばらついている場合に比べ、定常状態に入りやすく、逆に、固有角振動数ωが統一されていないと、異常なインパルス信号を送信するノードも多くなり、定常状態に入り難い。

上述した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及びデータ通信手段１５の機能により、割り当てられたタイムスロットを見直すために、タイムスロット幅計測手段１６及び角速度変更手段１７が設けられている。タイムスロット幅計測手段１６及び角速度変更手段１７は、図示しない見直し起動スイッチが操作された場合に機能するようにしても良く、外部からの操作を待たずに、常に機能するものであっても良い。

タイムスロット幅計測手段１６は、当該ノードが受信するインパルス信号の受信間隔を計測するものである。また、タイムスロット幅計測手段１６は、１周期（自ノードのインパルス信号の送信間隔）での受信インパルス数を計測し、自ノードとインパルス信号の送受信可能なノード数を調べるものである。さらに、タイムスロット幅計測手段１６は、自ノードに割り当てられたタイムスロット幅及び周期から、割り当てタイムスロット幅を広くする制御を行うか否かを判定するものである。

角速度変更手段１７は、タイムスロット幅計測手段１６が割り当てタイムスロット幅を広くする制御を行うと判定したときに、通信タイミング計算手段１２に対して、位相変更を要求することで、インパルス信号の送信タイミングをずらす機能を担っている。

（Ａ−２）第１の実施形態の動作
以下、図５を適宜参照しながら、第１の実施形態の通信システムの動作を説明する。

図５（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、図２に示すようなノード配置の場合において、ノードＮ１、ノードＮ２から見た各ノードのタイムスロットの割当てを示している。ノードＮ１から見ると、半径Ｒ（実線円の半径）内にノードが４個（ノードＮ１も含む）あり、ノードＮ２から見ると、ノードが１２個（ノードＮ２も含む）あり、それぞれ、１周期が４分割（図５（ａ））、又は、１２分割（図５（ｂ））され、タイムスロットが割り振られる。

図５において「１」から「１２」を付与したタイムスロットは、それぞれ、図２のノードＮ１からノードＮ１２に割り当てられたタイムスロットを表している。ノードＮ１、Ｎ２、Ｎ３及びＮ９は同様なノードであるのに拘わらず、近傍ノードの相互作用の影響を受け、図５（ａ）に示すように、割り当てられたタイムスロットの幅に大きな相違を有している。このような割当てのアンバランスを少しでも是正するために（割り当てられたタイムスロットを見直すために）、タイムスロット幅計測手段１６及び角速度変更手段１７が設けられ、タイムスロットの再割り当てがなされる。

タイムスロットの再割当ての動作は、（１）タイムスロット幅拡張必要性の判定、（２）位相シフト制御、という２段階でなされる。

（１）タイムスロット幅拡張必要性の判定
各ノードのタイムスロット幅計測手段１６は、自インパルス信号を送信してから次に自インパルス信号を送信するまでの１周期の受信インパルス信号数をカウントし、インパルス信号の受信可能範囲のノード数を調べる。例えば、ノードＮ１のタイムスロット幅計測手段１６は、図３（ａ）における＜１＞のタイミングで、自インパルス信号を送信してから、次に自インパルス信号を送信するまでの１周期の受信インパルス信号数をカウントし、インパルス信号の受信可能範囲のノード数を調べる。これにより、ノードＮ１のタイムスロット幅計測手段１６は、ノード数「４」を得る。また、各ノードのタイムスロット幅計測手段１６は、自インパルス信号を送信してから、他ノードからのインパルス信号を受信するまでの時間を計測する。これにより、ノードＮ１のタイムスロット幅計測手段１６は、図３（ａ）における＜１＞及び＜２＞の間の時間、＜１＞及び＜３＞の間の時間、＜１＞及び＜９＞の間の時間を計測し、これら計測時間を整理することにより、各タイムスロットの割当て時間が得られる。

以上のようにして１周期分を計測すると、角速度変更手段１７は、自ノードのタイムスロット割当て幅が均等に割り当てられた場合に比べて、少ないか否かを判定する。例えば、「２π／ノード数−自ノードのタイムスロット幅」（ここでは差分であるが、比であっても良い）という値が、予め定められている閾値以下ならば、位相シフト制御を行うと判定する。図３（ａ）の例の場合、ノードＮ１のタイムスロット幅（１）が均等に割り当てた場合（４）に比べて小さいので、角速度変更手段１７によって、位相シフト制御を行うと判定される。

なお、位相シフト制御を行うか否かの判定基準は、これに限定されない。例えば、以下のような条件（Ａ）や条件（Ｂ）が成り立つならば、位相シフト制御を行うようにしても良く、また、複数の条件が満たされる場合に、位相シフト制御を行うようにしても良い。

条件（Ａ）：自ノードに割り当てられたタイムスロット幅＜最大タイムスロット幅／２
条件（Ｂ）：自インパルス信号の前後のタイムスロットの合計＜最大タイムスロット幅
（２）位相シフト制御
角速度変更手段１８は、自ノードのタイムスロットの終了を規定するインパルス信号を受信したとき（図５（ａ）の＜２＞）の位相θｉ（ｔ）を保持し、次に後続するインパルス信号を受信した時点（図５（ａ）の＜３＞）の位相θｉ（ｔ＋１）との位相差を調べ、位相差θｉ（ｔ＋１）−θｉ（ｔ）を保持する。さらに、角速度変更手段１８は、次のインパルス信号を受信した時点（図５（ａ）の＜９＞）の位相差θｉ（ｔ＋２）−θｉ（ｔ＋１）を調べ、この位相差が大きければ、インパルス信号の位相θｉ（ｔ＋１）及び位相差θｉ（ｔ＋２）−θｉ（ｔ＋１）を保持する。このような動作を、再び自インパルス信号を送信する段階まで繰り返す。そして、保持している位相＋（位相差の１／２）の位置まで、自ノードのインパルス信号の送信位相を変化させる。ノードＮ１から見ると、ノードＮ３に割り当てられたタイムスロットが最も大きいので（保持している位相差から分かる）、この位置に当該ノードＮ１の位相をシフトし、インパルス信号の送信を開始する（図６）。

図５（ｃ）及び図５（ｄ）は、位相シフト制御を行なった時点でのノードＮ１、ノードＮ２のそれぞれから見たタイムスロット幅である。ノードＮ１は、前後のノードの影響でタイムスロット幅が小さかったのが、割り当て幅が増加する。

位相シフト先は単純に最大タイムスロットの範囲内の位相に限定されず、これ以外でも良い。例えば、連続するタイムスロット（次のタイムスロット）が最も大きい位置に移動するようにしても良い。

（Ａ−３）第１の実施形態の効果
第１の実施形態によれば、各ノードが近傍ノードと相互作用することによって、自律分散的にタイムスロットの割り当てを決定することができる。

また、自ノードのタイムスロット割当て幅が均等に割り当てられた場合に比べて少ないときには、タイムスロット幅の広い位置を検出して位相をシフトして通信タイミングを制御し直すことにより、タイムスロット割り当て量を増やすことができる。

（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の実施形態は、自ノードのタイムスロット割当て幅が均等に割り当てられた場合に比べて少ないと判定したときに、タイムスロット幅の広い位置を検出して位相をシフトする構成及び方法が、第１の実施形態とは異なっており、第２の実施形態は、データ信号の受信幅をできるだけ減少させないことを考慮して位相をシフトするものである。

図７は、第２の実施形態のノードの内部構成を示すブロック図であり、第１の実施形態に係る図１との同一、対応部分には同一符号を付して示している。

第２の実施形態のノードは、第１の実施形態のノード構成に加え、近傍ノード情報保持手段１８を有する。近傍ノード情報保持手段１８は、インパルス信号を受信可能な範囲内の全ノードについて、タイムスロット幅及びデータ信号も送受信可能か否か等の情報を保持する機能を担っているものである。

第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様にして、タイムスロット幅拡張必要性の判定を行う。すなわち、位相シフトの制御を行うか否かを判定する。

ここで、位相シフトの制御を行うと判定したならば、インパルス信号の受信間隔を計測し、自ノードから見た各ノードの各タイムスロット幅を調べる。そして、近傍ノード情報保持手段１８によって各タイムスロット幅を保持する。また、データ信号を受信中であるか否かの情報が、データ通信手段１５から近傍ノード情報保持手段１８に入力され、データ信号を受信しているタイムスロットのデータフラグをオンにする。

以上のようにして近傍ノード情報保持手段１８に与えられた情報は、図８に示すようなテーブル構成で近傍ノード情報保持手段１８に保持される。図８は、自ノードがＮ１の場合であって、ノードＮ１が図２に示す位置に配置されている場合のものである。

第２の実施形態の角速度変更手段１７は、位相シフト先を、データ受信が行われず、かつ、最も大きなタイムスロット内となる位置とし、ここに位相をシフトする。図８の保持情報の場合、近傍ノードＮ２、Ｎ９の割当てタイムスロット位置でデータ信号を受信していない。これらのノードＮ２、Ｎ９のうち、ノードＮ９の方が、タイムスロット幅が大きいので、ノードＮ９に割り当てられたタイムスロット内の位置（例えば、そのタイムスロット幅の中央の位相）に位相をシフトする。

第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な効果に加え、以下の効果を奏することができる。自ノードのタイムスロット幅とインパルス信号の受信数に加え、データ信号の受信幅も利用して、位相シフト先を決定するようにしているため、インパルス信号のみ受信する他ノード数が多い状況でも、位相シフトによってデータ信号の送受信の効率が悪くなることを未然に防ぐことができる。

（Ｃ）第３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３の実施形態を、図面に基づいて説明する。

第３の実施形態は、自ノードのタイムスロット割当て幅が均等に割り当てられた場合に比べて少ないと判定したときに、タイムスロット幅の広い位置を検出して位相をシフトする構成及び方法が、第１や第２の実施形態とは異なっている。

図９は、第３の実施形態のノードの内部構成を示すブロック図であり、第１の実施形態に係る図１との同一、対応部分には同一符号を付して示している。

第３の実施形態のノードは、第１の実施形態のノード構成に加え、位相シフト幅保持手段１９を有すると共に、この位相シフト幅保持手段１９を有することにより、タイムスロット幅計測手段１６が計測する対象も変化している。

位相シフト幅保持手段１９は、位相シフト制御時用の予め定められている位相シフト幅（固定のものに限定されない）を格納する機能を担っている。第３の実施形態のタイムスロット幅計測手段１６は、自ノードのタイムスロット幅のみを計測する。

第３の実施形態においても、第１や第２の実施形態と同様にして、タイムスロット幅拡張必要性の判定を行う。すなわち、位相シフトの制御を行うか否かを判定する。

ここで、位相シフトの制御を行うと判定したならば、自インパルス信号の送信後、位相シフト幅保持手段１９から位相シフト幅を通信タイミング計算手段１２に入力し、通信タイミング計算手段１２は、この位相シフト幅が経過したときにインパルス信号を送信する。

このような自ノードからの位相を強制的に変更したインパルス信号の送信により、過渡状態に移行し、ノード間での相互作用が実行され、やがて、再び定常状態になってデータ信号の送信が再開される。

位相シフト幅分だけ位相を強制的に移動させた後に再び定常状態になったときでも、自ノードの割当てタイムスロット幅が小さいならば、さらに位相シフト制御を行う。このような位相シフト幅分ずつの位相シフト制御を繰り返し、割当てタイムスロット幅が小さい位置から抜け出すようにする。

ここで、位相シフト幅は固定のものに限定されない。例えば、ノード数が少ない場合は位相シフト幅を大きく、ノード数が多い場合は位相シフト幅を小さくする等、ノード数に応じ位相シフト幅を変更するようにしても良い。

第３の実施形態によれば、第１や第２の実施形態と同様な割当てタイムスロット幅の調整効果に加え、以下の効果を奏することができる。既述した実施形態までは、どの位置に位相をシフトするか決定するので全ノードのタイムスロット幅の計測を固有振動の１周期分行ってから、位相のシフト先を決定するようにしたものであったが、第３の実施形態では位相シフト幅は予め決められて位相シフト幅保持手段１９に格納されているので、自ノードの後発のインパルス信号を受信した時点で位相シフトの制御を開始することができる。

（Ｄ）第４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４の実施形態を、図面に基づいて説明する。

第４の実施形態は、位相シフト動作が他ノードで開始される状態か否かを容易に判定できる方法、言い換えると、位相シフト動作と関係する定常状態の判定方法について特徴を有するものである。第４の実施形態の技術思想は、既述した第１〜第３の実施形態の技術思想のいずれとも組み合わせ可能である。

図１０は、第４の実施形態のノードの内部構成を示すブロック図であり、第１の実施形態に係る図１との同一、対応部分には同一符号を付して示している。

第４の実施形態のノードは、第１の実施形態のノード構成に加え、インパルス信号変調手段２０を有する。インパルス信号変調手段２０は、自ノードのタイムスロット幅に基づいて、インパルス信号に正又は負の変調をかける機能を担っているものである。

第４の実施形態においても、既述した実施形態と同様にして、タイムスロット幅拡張必要性の判定を行う。すなわち、位相シフトの制御を行うか否かを判定する。

そして、位相シフトを行わないと判定したならば、インパルス信号変調手段２０によって、インパルス信号に負の変調をかけ、位相シフトを行うと判定したならば、インパルス信号変調手段２０によって、インパルス信号に正の変調をかけて送信する。

他の各ノードでは、インパルス信号受信手段１１が受信したインパルス信号の変調方式を判別し、正の変調がかけられているならば、その送信元ノードが位相シフトを行うと判定し、自ノードからのデータ信号の送信を停止させる。なお、受信したインパルス信号が負の変調がかけられていた場合には、既述した実施形態でインパルス信号を受信した際と同じ動作を実行する。正のインパルス信号を送信したノードは位相シフトを行い、再び相互作用が行われ、定常状態となる。各ノードは、定常状態と判定すればデータ信号の送信を開始する。

なお、正又は負のどちらに変調するかの判定を、以下の観点から判定するようにしても良い。まず、自インパルス信号から後発のインパルス信号を受信するまでの間隔、つまり自ノードのタイムスロット割り当て幅を測定する。そして、自ノードのタイムスロット割当て幅をＴＳａ、自ノードから見てノード数に均等に割り当てたときのタイムスロット幅をＴＳｂとしたとき、ＴＳａの方が小さい値ならばインパルス信号に正の変調をかけて送信し、ＴＳａの方が大きな値ならばインパルス信号に負の変調をかけて送信する。

第４の実施形態によれば、第１〜第３の実施形態と同様な割当てタイムスロット幅の調整効果に加え、以下の効果を奏することができる。自ノードに割り当てられたタイムスロット幅が均等に割り当てられた場合に比べ大きいか小さいかの情報、すなわち、位相シフト制御を開始するか否かの情報をインパルス信号に乗せて送信するようにしたので、受信したインパルス信号の変調方式を判別することにより、他ノードが定常状態になっているか否かの判定を行うことができる。

（Ｅ）他の実施形態
上記各実施形態では、割り当てられたタイムスロット幅が小さいときに、タイムスロット幅を広げるものであったが、逆に、割り当てられたタイムスロット幅が大きいときに、自ノードのタイムスロット幅を狭めるようにしても良い。例えば、図５（ａ）の例であれば、ノードＮ９は、今までのインパルス送信位相＜９＞を右側にずらすことにより、自ノードのタイムスロット幅を狭めることができる。例えば、自ノードに割り当てられたタイムスロット幅の全期間をデータ信号の送信に使用しないと分かる場合に適用でき、割り当てられたタイムスロット幅と、データ信号の送信に必要な期間の差分に応じて、自ノードのタイムスロット幅を狭める。

上記各実施形態では、一旦、定常状態になってから割り当てられたタイムスロット幅に基づいて位相をシフトさせるものを示したが、ノードが新規に追加された場合など近傍ノード数に変化があり、相互作用をやり直す必要が生じたときに、このタイミングで、割り当てられたタイムスロット幅に基づいた位相のシフトも行うようにしても良い。

本発明は、通信路が無線通信路の場合だけでなく、通信路が有線通信路であっても適用することができる。

上述した以外でも、本発明は種々の変形例が可能であり、例えば、特願２００３−３２８５３０号明細書及び図面に、本発明に適用可能な種々の変形例が記載されている。

第１の実施形態のノードの内部構成を示す機能ブロック図である。 第１の実施形態の通信システムのノードの配置例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の実施形態の位相シフト前後のタイムスロット幅の変化例を示す説明図である。 第１の実施形態の位相シフト前後の位相信号の内容を示す説明図である。 第２の実施形態のノードの内部構成を示す機能ブロック図である。 第２の実施形態の近傍ノード情報保持手段の保持内容の説明図である。 第３の実施形態のノードの内部構成を示す機能ブロック図である。 第４の実施形態のノードの内部構成を示す機能ブロック図である。

符号の説明

Ｎ１〜Ｎ１６…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…タイムスロット幅計測手段、１７…角速度変更手段、１８…近傍ノード情報保持手段、１９…位相シフト幅保持手段、２０…インパルス信号変調手段。

Claims (9)

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、
   他ノードの動作タイミングを示す状態変数信号を受け取ると共に、自ノードの動作タイミングを示す状態変数信号を間欠的に送信する状態変数信号通信手段と、
   上記状態変数信号通信手段が受け取った他ノードからの状態変数信号及び遷移の基本速度情報に基づいて、自ノードの動作タイミングを遷移させ、この遷移を反映させた自ノードからの状態変数信号を生成して上記状態変数信号通信手段に与えると共に、自ノード及び状態変数信号が届く近傍の１又は複数の他ノードがデータを送信し得るタイムスロットを認識するタイミング決定手段と、
   自ノードの動作タイミングで定まる周期的なタイムスロット毎にデータ信号を送信するデータ送信手段と、
   他ノードからのデータ信号を受信するデータ受信手段と、
   自ノードのタイムスロット幅の変更可否を判定するタイムスロット幅変更判定手段と、 自ノードのタイムスロット幅の変更が必要となったときに、上記タイミング決定手段における自ノードの動作タイミングを強制的にシフトさせる動作タイミングシフト手段と
   を備えたことを特徴とする通信タイミング制御装置。
2. 上記タイムスロット幅変更判定手段は、自ノードのタイムスロット幅と、状態変数信号が自ノードに届く全ての他ノードと自ノードとに均等に割り当てたと仮定した場合の自ノードのタイムスロット幅との相違量に基づいて、自ノードのタイムスロット幅の変更可否を判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。
3. 上記動作タイミングシフト手段は、上記タイミング決定手段が認識した最大なタイムスロット幅を有する他ノードのタイムスロット内のタイミングに、自ノードの動作タイミングを強制的にシフトさせることを特徴とする請求項１又は２に記載の通信タイミング制御装置。
4. 上記動作タイミングシフト手段は、データ信号が自ノードに届かない他ノードのタイムスロットの中で、上記タイミング決定手段が認識した最大なタイムスロット幅を有する他ノードのタイムスロット内のタイミングに、自ノードの動作タイミングを強制的にシフトさせることを特徴とする請求項１又は２に記載の通信タイミング制御装置。
5. 上記動作タイミングシフト手段は、予め定められているシフト量だけ自ノードの動作タイミングを強制的にシフトさせることを特徴とする請求項１又は２に記載の通信タイミング制御装置。
6. 上記動作タイミングシフト手段がシフト動作する場合には自ノードから送信する状態変数信号をそのことを表す特殊状態変数信号に切り替える送信状態変数信号切替手段と、
   他ノードから特殊状態変数信号が与えられたときに、上記データ送信手段からの送信動作を、上記タイミング決定手段の遷移状態が定常状態と判定できるまで停止させる送信停止制御手段と
   をさらに有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の通信タイミング制御装置。
7. 請求項１〜６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。
8. 請求項７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。
9. 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、
   他ノードの動作タイミングを示す状態変数信号を受け取ると共に、自ノードの動作タイミングを示す状態変数信号を間欠的に送信する状態変数信号通信工程と、
   上記状態変数信号通信工程で受け取った他ノードからの状態変数信号及び遷移の基本速度情報に基づいて、自ノードの動作タイミングを遷移させ、この遷移を反映させた自ノードからの状態変数信号を生成して上記状態変数信号通信工程に与えると共に、自ノード及び状態変数信号が届く近傍の１又は複数の他ノードがデータを送信し得るタイムスロットを認識するタイミング決定工程と、
   自ノードの動作タイミングで定まる周期的なタイムスロット毎にデータ信号を送信するデータ送信工程と、
   他ノードからのデータ信号を受信するデータ受信工程と、
   自ノードのタイムスロット幅の変更可否を判定するタイムスロット幅変更判定工程と、 自ノードのタイムスロット幅の変更が必要となったときに、上記タイミング決定工程における自ノードの動作タイミングを強制的にシフトさせる動作タイミングシフト工程と
   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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