JP4341672B2

JP4341672B2 - 通信タイミング制御システム及び通信タイミング制御方法

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Publication number: JP4341672B2
Application number: JP2006333355A
Authority: JP
Inventors: 正晃伊達
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
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Priority date: 2006-12-11
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Publication date: 2009-10-07
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Description

本発明は、通信タイミング制御システム及び通信タイミング制御方法に関し、例えば、センサネットワーク等の空間に分散配置された多数のノードや移動体が、相互にデータ通信を行なう場合において、電波干渉等による通信データの衝突を回避する装置、方法、ノード及び通信システムに適用し得る。

特許文献１〜特許文献７には、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タイムスロット割当を行うことによって、通信データの発信衝突を回避する通信タイミング制御に関する技術が記載されている。

特許文献１〜特許文献７に記載の通信タイミング制御方法は、各ノードが近傍ノードとの間で周期的にインパルス信号（自ノードの発信タイミングを示す制御信号）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ものである。これにより、インパルス信号の到達範囲（以後、相互作用範囲と呼ぶ）内のノード間で、１周期（インパルス信号の発信周期）を相互に分割するタイムスロット割当を実現する。なお、インパルス信号は、必ずしもインパルス状の波形を有する信号という意味ではなく、一般的な制御信号と同様にパケット等で構成することが可能である。そこで、ここでは、インパルス信号をタイミング制御信号と呼ぶ。

ところで、上記のような通信タイミング制御方法の適用形態の１つとして、例えば無線センサネットワークがある。

一般に、無線センサネットワークでは、個々のセンサノードでセンシングされた観測データをシンクノードに集めるネットワークを構成することが多い。すなわち、各センサノードは観測データを近傍ノードに無線で送信し、その受信ノードはさらに別のノードに受信データを転送する動作（マルチホップ通信）を次々に実行することにより、最終的にシンクノードに観測データを到達させるネットワークを構成する。

このようなネットワークでは、シンクノードの近傍に存在するノードにトラヒックが集中する。したがって、シンクノードの近傍ノードがトラヒックを処理可能な大きさの無線帯域（チャネル占有時間）を確保しなければ輻輳（通信データの渋滞）が発生する。つまり、各センサノードは、一定期間（送信周期）に他ノードから受信した観測データ（転送すべきデータ）に、自ノードの観測データ、及び送信先等の制御情報を付加したデータを送信する必要がある。この「一定期間に送信する必要があるデータ量」が、「同一期間に送信可能なデータ量」を上回ると、送信すべき観測データが蓄積して輻輳が発生することになる。

そのため、特許文献１〜特許文献７に開示される技術を用いる場合、タイミング制御信号の発信周期、すなわちタイムスロット割当の周期（上記の一定期間に相当）は、上記の点を考慮して、シンクノードの近傍ノードがトラヒックを処理可能な大きさに設定する必要がある。

一方、上記のネットワークでは、タイムスロット割当の周期が大きいほど、通信遅延が大きくなる。ここで、通信遅延とは、各センサノードの観測データがシンクノードに到達するまでに要する時間を意味する。

したがって、通信遅延を極力小さくし、かつ輻輳を発生させないためには、あらかじめ、設計者がネットワークで発生するトラヒックを見積もって、タイムスロット割当の周期を適切な値に設定する必要がある。

特開２００５−９４６６３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

しかし、上記のように設計者がタイムスロット割当の周期を固定的にパラメータ設定するという方法は、ネットワークのノード構成が固定で、発生するトラヒックが変動しない場合は有効に機能するが、何らかの変化が生じた場合は、その都度、人手で設定変更しなければならないという問題がある。

例えば、あるネットワークに対して、後からノードを追加してネットワークを拡張する場合、一般に発生するトラヒックも増大するため、当初のネットワークに対して最適化されたタイムスロット割当の周期のままでは輻輳が発生する。したがって、ネットワークを拡張する場合、設計者が現場で設定変更する作業を強いられることになり、スケーラビリティーの欠如という問題が顕在化する。

そのため、上記のような問題に対して、タイムスロット割当の周期を固定パラメータとするのではなく、状況に応じてネットワークが自律的に適切な値を決定する機能を実現す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、通信タイミング制御プログラム、ノード及び通信システムが求められている。

かかる課題を解決するために、第１の本発明の通信タイミング制御システムは、通信システムを構成する複数のノードのそれぞれが、１又は複数の他ノードから受信したタイミング制御信号の送信タイミングと、自ノードのタイミング制御信号の送信タイミングとの相互調整に基づいて、所定の動作周期において自ノードがデータ信号を送信するタイムスロットを算出する通信タイミング算出手段を備え、（１）複数のノードのうち動作周期の決定を行う第１のノードが、（１−１）１又は複数の他ノードから受信したタイミング制御信号に含まれる送信データのデータ量情報に基づき、所定の方法により動作周期の更新周期情報の決定を行う周期決定手段と、（１−２）周期決定手段により決定された動作周期の更新周期情報をタイミング制御信号に含めて１又は複数の他ノードに送信するタイミング制御信号送信手段とを備え、（２）第１のノード以外の１又は複数の第２のノードは、（２−１）通信タイミング算出手段が、第１のノードから受信したタイミング制御信号に含まれている動作周期の更新周期情報を用いて動作周期を更新し、その更新した動作周期における自ノードのデータ信号のタイムスロットを算出することを特徴とする。

第２の本発明の通信タイミング制御方法は、通信システムを構成する複数のノードのそれぞれが、１又は複数の他ノードから受信したタイミング制御信号の送信タイミングと、自ノードのタイミング制御信号の送信タイミングとの相互調整に基づいて、所定の動作周期において自ノードがデータ信号を送信するタイムスロットを算出する通信タイミング算出手段を備え、（１）複数のノードのうち上記動作周期の決定を行う第１のノードは、（１−１）周期決定手段が、１又は複数の他ノードから受信したタイミング制御信号に含まれる送信データのデータ量情報に基づき、所定の方法により動作周期の更新周期情報の決定を行う周期決定工程と、（１−２）タイミング制御信号送信手段が、周期決定手段により決定された動作周期の更新周期情報をタイミング制御信号に含めて１又は複数の他ノードに送信するタイミング制御信号送信工程とを有し、（２）第１のノード以外の１又は複数の第２のノードは、（２−１）通信タイミング算出手段が、第１のノードから受信したタイミング制御信号に含まれる動作周期の更新周期情報を用いて動作周期を更新し、その更新した動作周期における自ノードのデータ信号のタイムスロットを算出する工程を有することを特徴とする。

本発明によれば、タイムスロット割当の周期を固定パラメータとするのではなく、状況に応じてネットワークが自律的に適切な値を決定する機能を実現することができる。

（Ａ）第１の実施形態
以下、本発明の通信タイミング制御システム装置及び通信タイミング制御方法を利用した第１の実施形態を、図面を参照して説明する。

第１の実施形態は、複数のノードを有して構成される無線通信ネットワーク（通信システム）において、本発明の通信制御装置、通信制御方法、通信制御プログラム、ノード及び通信システムを利用して、各ノードが自他のタイミング制御信号に基づく通信タイミングを計算する場合の実施形態を説明する。

なお、第１の実施形態では、個々のセンサノードでセンシングされた観測データを、マルチホップでシンクノードに転送することによってデータ収集を行う無線センサネットワークを例に挙げて説明する。

（Ａ−１）第１の実施形態の構成及び動作
（Ａ−１−１）無線通信ネットワークの構成
図２は、第１の実施形態の無線通信ネットワーク（無線センサネットワーク）ＮＴの全体構成図である。図２において、第１の実施形態の無線通信ネットワークＮＴは、多数のノードＡとシンクノードＳとを有して構成されるものである。

図２において、シンクノードＳを中心とする実線の円は、センサノードＡの発信したデータ信号が中継ノードを介することなく、直接（すなわち、１ホップで）、シンクノードＳに到達する空間範囲を示す。また、その周囲に存在する点線の円から実線の円を除く領域は、センサノードＡの発信したデータ信号が１段の中継ノードを介して（すなわち、２ホップで）シンクノードＳに到達する空間範囲を示す。

また、図２において、上記２種類の円（実線と点線の円）のさらに外側に示すセンサノードＡを中心とする点線の円は、センサノードＡの第１の近傍ノード範囲を示す。すなわち、内側の点線の円は、センサノードＡの第１の近傍ノード範囲を示し、第１の実施形態ではデータ信号の到達範囲とする。また、外側の点線の円は、センサノードＡの第２近傍ノード範囲を示し、第１の実施形態ではタイミング制御信号の到達範囲とする。このように、第１の実施形態では、タイミング制御信号の電波到達範囲が、データ信号の電波到達範囲の２倍程度であるものとして説明する。

ここで、タイミング制御信号とは、自ノードの発信タイミングを示す制御信号である。タイミング制御信号は、例えば、インパルス状の波形を有する信号（波形整形された信号も含む概念）であってもよいが、これに限定されるものではなく、パケット等で構成された信号であってよい。

多数のセンサノードＡはそれぞれ、予めセンサを備えており、周期的に又は常に観測データを観測し、自ノードの通信時間に、観測データを含む通信パケットを無線送信して近傍の他ノード（以下、近傍ノード；ノードの発信電波が届く範囲に存在する他ノード）に与える。また、その通信パケットを受信した近傍ノードは、受信した観測データと共に自ノードの観測データを含む通信パケットを、自ノードの通信時間に無線送信する。この転送を繰り返し行ない、最終的にシンクノードＳに観測データが到達する。

シンクノードＳは、各センサノードＡのセンサデータの最終到達先としてのノードである。シンクノードＳの機能は、基本的に、これから説明する各センサノードＡが有する構成を備えるものであるが、後述するように、各センサノードＡにおけるタイミング制御信号の発信周期（すなわち、タイムスロット割当周期）を決定し、そのタイムスロット割当周期を各センサノードＡに与えるものである。また、シンクノードＳは、所定の処理を行なう処理装置（例えばサーバ等）と接続（有線接続又は無線接続）若しくは搭載するものとしてもよい。

（Ａ−１−２）センサノードＡについて
各センサノードＡは、近傍ノードとの間で周期的にタイミング制御信号を送受信し、自他のタイミング制御信号の通信タイミングの相互調整を行なうことで、自ノードのデータ信号の送信期間であるタイムスロットの割当を自律的に行なうものである。

また、各センサノードＡは、所定の制御情報を付加したタイミング制御信号を送受信するものである。この制御情報の詳細については後述するが、データ信号の送受信を開始する以前に、タイミング制御信号のみを送受信している状態（すなわち、通信タイミング調整過程）においても、各センサノードＡは、制御情報の付加を行ない、制御信号を付加したタイミング制御信号を送受信する。

さらに、各センサノードＡは、受信タイミング制御信号に付加された制御情報を検出し、この制御情報に基づいて、通信タイミングの再調整を行なうものである。

図１は、第１の実施形態におけるセンサノードＡの内部構成を示すブロック図である。図１において、第１の実施形態のセンサノードＡは、通信タイミング計算手段１、タイミング制御信号受信手段２、タイミング制御信号送信手段３、同調判定手段４、データ通信手段５、センサ６、を少なくとも有して構成される。

タイミング制御信号受信手段２は、近傍ノードが送出したタイミング制御信号を受信し、受信したタイミング制御信号を、通信タイミング計算手段１及び同調判定手段４に与えるものである。

また、タイミング制御信号受信手段２は、受信したタイミング制御信号に付加されている制御情報を検出し、その検出した制御情報を、通信タイミング計算手段１及びタイミング制御信号送信手段３に与えるものである。

ここで、タイミング制御信号に付加される制御情報としては、「タイムスロット割当周期情報（周期情報）」、「データ信号のデータサイズ情報」、「送信先ノード番号」などが該当する。

「タイムスロット割当周期情報」は、シンクノードＳにより決定又は更新されたタイムスロット割当の周期に関する情報である。

「データ信号のデータサイズ情報」は、タイムスロット割当周期において、自ノードが送信すべきデータ信号のデータサイズ、あるいは対応するパケット数に関する情報である。この「データ信号のデータサイズ情報」は、当該周期において、実際に送信する各データ信号のデータサイズを意味するのではなく、データ通信開始後に自ノードで発生するトラヒックの見積り（すなわち、送信すべき全データ信号のデータサイズの総和）を示す情報である。

「送信先ノード番号」は、自ノードがデータ信号を直接送信する相手ノードを指定するための送信先ノード番号に関する情報であり、データ信号毎の送信先ノード番号を示す。

通信タイミング計算手段１は、タイミング制御信号受信手段２から受け取ったタイミング制御信号と自ノードの制御信号の送信タイミングとを利用して、自ノードのデータ信号の通信タイミングを計算するものである。

通信タイミング計算手段１における通信タイミングの計算方法としては、特許文献１〜特許文献７等に記載のメカニズムを利用して、近傍ノードとの間でタイミング制御信号の発信タイミング等が衝突しないように制御しながら、自ノードと近傍ノードの通信タイミング関係に基づいて自ノードのタイミング制御信号の送信タイミングを制御し、自律分散的に通信タイミングパタンを形成するものである。なお、通信タイミングパタンは、均等であってもよいし、又は、トラヒックに応じて不均等であってもよい。

また、通信タイミング計算手段１は、受信タイミング制御信号に付加されている制御情報をタイミング制御信号受信手段２から受け取り、その制御情報に含まれているタイムスロット割当周期を用いて、通信タイミングの再調整を行なうものである。

これにより、ネットワーク内のトラフィックが集中するシンクノードＳが決定した適切なタイムスロット割当周期を用いて、各センサノードＡが通信タイミングを再調整することができる。

さらに、通信タイミング計算手段１は、自ノードにおける通信タイミングを規定する位相信号を形成し、その位相信号（位相情報）を、タイミング制御信号送信手段３、同調判定手段４及びデータ通信手段５に与えるものである。

タイミング制御信号送信手段３は、通信タイミング計算手段１から位相情報を受け取り、出力タイミング制御信号を送信するものである。このとき、タイミング制御信号送信手段３は、出力タイミング制御信号に制御情報を付加するものである。

すなわち、タイミング制御信号送信手段３は、制御情報のうち、「送信先ノード番号」を変更すると共に、「データ信号のデータサイズ情報」を変更する。

ここで、「データ信号のデータサイズ情報」の内容を変更する方法としては、自ノードにおけるトラヒックに係る送信データサイズの総数を求めることができれば、種々の方法を適用することができるが、例えば次のような方法を適用することができる。

まず、タイミング制御信号送信手段３は、１周期間に他ノードから受信したタイミング制御信号に付加された制御情報である「データ信号のデータサイズ情報」、「送信先ノード番号」を参照し、「送信先ノード番号」が自ノードの番号に該当するものがあるか否かを判定する（ステップＳ１）。

「送信先ノード番号」が自ノードの番号に該当するものがある場合、タイミング制御信号送信手段３は「データ信号のデータサイズ情報」の総和を算出する（ステップＳ２）。

また、「送信先ノード番号」が自ノードの番号に該当するものがない場合、タイミング制御信号送信手段３は、「データ信号のデータサイズ情報」を０とする（ステップＳ３）。

次に、タイミング制御信号送信手段３は、１周期間にセンサ６がセンシングした観測データがある場合、その観測データをデータ信号に変換した際のデータ信号のデータサイズを算出し、そのデータ信号のデータサイズを、ステップＳ２及びＳ３の「データ信号のデータサイズ情報」に加算する（ステップＳ４）。

例えば、データ信号が一般に複数のパケットで構成され、各パケットのデータサイズを均一と仮定すると、データサイズは単にパケット数として扱うことができる。そこで、簡単のために、「データ信号のデータサイズ情報」を「データ信号のパケット数情報」として説明する。

例えば、データ信号が一般に複数のパケットで構成され、各パケットのデータサイズを均一と仮定すると、データサイズは単にパケット数として扱うことが可能である。そこで、以下では、簡単のため、「データ信号のデータサイズ」を「データ信号のパケット数」として説明する。

また、各センサノードにおけるセンシング周期を「タイムスロット割当の周期」と同一とし、１周期に１回のセンシングを行うと仮定する。さらに、１回のセンシングで得られる観測データは、全ノード一律に固定のデータサイズを有する１パケットのデータ信号に変換されると仮定する。

例えば、末端のセンサノードＡが、自ノードの観測データに対するデータ信号を１周期単位に１パケット送信すると、そのパケットの送信元センサノードは、受信した１パケットと、自ノードの観測データに対するデータ信号１パケット（計２パケット）を１周期毎に送信する。したがって、末端のセンサノードから多段の中継センサノードを介してシンクノードにデータ信号を送信する場合、一般にシンクノードに近いセンサノードほど、１周期間に送信すべきデータ信号のパケット数、すなわちデータサイズが増大する。

同調判定手段４は、自ノードや１又は複数の近傍ノードの間で行なわれる出力タイミング制御信号の送信タイミングの相互調整が、「過渡状態」あるいは「定常状態」のいずれの状態にあるかを判定するものである。この判定方法としては、例えば、入力タイミング制御信号及び出力タイミング制御信号の発生タイミングを観測し、タイミング制御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」であると判定し、そうでない場合に「過度状態」と判定する。なお、この実施形態の場合には、同調判定手段４には、自ノードからの出力タイミング制御信号の発生タイミングを捉えるための信号として、出力タイミング制御信号に代えて、通信タイミング計算手段１からの位相情報（位相信号）が入力されている。

また、同調判定手段４は、位相信号の周期毎に、判定結果を示す同調判定信号と、入力タイミング制御信号の発生タイミングにおける位相信号の位相値の最小値をスロット信号とをデータ通信手段５に与える。

センサ６は、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を観測するものであり、観測データをデータ通信手段に与える。

データ通信手段５は、観測データ及び又は入力データ信号（両方の場合を含む）を出力データ信号として他ノードに送信するものである。データ通信手段１５は、この送信を、同調判定信号が「定常状態」を示す場合に、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」を示す場合には送信動作を停止している。なお、出力データ信号は、出力タイミング制御信号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。

なお、タイムスロットとしては、タイムスロットの開始点は、出力タイミング制御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は、位相信号の周期毎の最初の入力タイミング制御信号のタイミングより多少のオフセット分だけ前のタイミングとする。

（Ａ−１−３）シンクノードＳについて
シンクノードＳは、近傍ノードを通じてマルチホップされた各センサノードＡからのデータ信号を受け取るものである。シンクノードＳは、例えばサーバ等の情報処理装置と接続しており、取得したデータ信号を情報処理装置に与えて所定の処理をさせるものである。

シンクノードＳは、自ノードを中心とする第２近傍範囲内のセンサノードＳとの間で、所定の制御情報を付加したタイミング制御信号を送受信するものである。また、シンクノードＳは、タイミング制御信号に付加された制御情報に基づいて、トラフィックに応じたタイムスロット割当周期を決定、更新し、その決定、更新したタイムスロット割当周期を制御情報として付加したタイミング制御信号を送信するものである。

なお、シンクノードＳ及びすべてのセンサノードＡにおける動作開始時点の周期（周期の初期値）は、共通の初期値が設定されているものとし、例えば、ノード間でタイミング制御信号の送受信のみができる程度の大きさが設定されている。

図３は、第１の実施形態のシンクノードＳの内部構成を示すブロック図である。図３において、第１の実施形態のシンクノードＳは、通信タイミング計算手段１１、タイミング制御信号受信手段１２、タイミング制御信号送信手段１３、周期決定手段１４、シンクデータ通信手段１５、を少なくとも有して構成される。

通信タイミング計算手段１１、タイミング制御信号受信手段１２及びタイミング制御信号送信手段１３は、各センサノードＡの通信タイミング計算手段１、タイミング制御信号受信手段２及びタイミング制御信号送信手段３と同様の機能を行なうものである。そのため、ここでの詳細な説明は省略する。

なお、シンクノードＳは、センサノードＡに対してデータ信号を送信する必要はなく、タイミング制御信号の発信が可能な大きさのタイムスロットを獲得できれば問題ない。したがって、通信タイミング計算手段１１は、この点を考慮して、通信タイミング計算処理を適用することができる。例えば、通信タイミング計算手段１１は、シンクノードＳがタイミング制御信号の発信のために必要なタイムスロットに対応する位相幅を決定し、その位相幅を確保できるように位相応答関数を設定して通信タイミングを計算する方法を適用することができる。

シンクデータ通信手段１５は、第１近傍ノード範囲内に存在するセンサノードＡから受信したデータ信号を一定期間毎にまとめてサーバ等の情報処理装置に出力するものである。ここで、サーバ等の情報処理装置は、ネットワークで収集されたすべての観測データを処理、及び管理する装置を意味する。

なお、シンクデータ通信手段１５は、センサノードＡからのデータ信号の受信とは独立して、シンクデータ信号の出力動作を実行できるようにしてもよい。すなわち、シンクデータ通信手段１５は、データ信号の受信中に、シンクデータ信号の出力ができるようにしてもよい。

周期決定手段１４は、タイミング制御信号受信手段１２から受信タイミング制御信号に付加されている制御情報を受け取り、制御情報に基づいて、トラフィックに応じたタイムスロット割当周期（以後、更新周期と呼ぶ）を決定するものである。また、周期決定手段１４は、決定した更新周期を通信タイミング計算手段１１、タイミング制御信号送信手段１３に与えるものである。

通信タイミング調整過程でデータ信号の送受信を行なわない場合、タイムスロット割当周期の初期値は、ノード間でタイミング制御信号の送受信のみ可能な大きさに設定すればよく、比較的小さな値を用いることができる。これは、周期の初期値が小さいほど、更新周期決定までに要する時間を小さく抑えることができるからである。

以下では、周期決定手段１４による更新周期決定方法の例を説明する。上述したように、シンクノードＳは、自ノードを中心とする第２近傍範囲内のセンサノードＳとの間でタイミング制御信号を送受信する。

周期決定手段１４は、受信したタイミング制御信号に付加された制御情報に基づいて、次式を用いて更新周期を決定する。但し、この更新周期の決定処理は、以下の条件を満足する場合のみ実行する。

「データ信号のデータサイズ情報」の制御情報は、シンクノードＳ及びセンサノードＡが、動作を開始すると、一般にその値は時間と共に増加し、やがて安定した値をとる定常状態になる。周期決定手段１４による更新周期の決定処理は、「データ信号のデータサイズ情報」の制御情報の値が定常状態になったことを検出した場合にのみ実行する。

ここで、周期決定手段１４は、受信タイミング制御信号に付加された「データ信号のデータサイズ情報」の制御情報の値が、いずれも一定期間変化しない状態が持続した場合に、定常状態であると判定する。この一定時間の値は、実験的に決定することができるものである。

ここで、
Ｔ_update：更新周期
α：定数パラメータ
Ｗ_data：１パケットのデータ信号を送信するのに要する時間
Ｗ_pulse：タイミング制御信号の送信に要する時間
ここでは、簡単のため、タイミング制御信号も１パケットとして扱う
Ｓ_pace：パケット送信後、次にパケットの送信開始までに要する時間、すなわち、パケット送信間隔
Ｎ_int：シンクノードの第２近傍範囲内におけるセンサノードの総数
Ｐ（ｎｏｄｅ＿ｎｕｍ）：シンクノードの第２近傍範囲内における各センサノードが、当該周期において送信すべきデータ信号のパケット数
ここで、ｎｏｄｅ＿ｎｕｍは、上記センサノードのノード番号を表し、Ｐ（ｎｏｄｅ＿ｎｕｍ）は、ノード番号ｎｏｄｅ＿ｎｕｍのセンサノードに対するパケット数を表す。

式（１．１）において、記号・は積を表す。また、αの値は、あらかじめ実験的に決定する定数パラメータである。αの値を適切に設定することにより、ノードの配置形態や配置環境に適した周期の見積もりが可能になる。

このように、周期決定手段１４は、式（１．１）に従って更新周期の決定処理が実行されると、その値を更新周期情報としてタイミング制御信号送信手段１３に与え、この更新周期情報を制御情報の「周期情報」としてタイミング制御信号に付加して発信させる。また、周期決定手段１４は、タイミング制御信号の発信後、更新周期情報を通信タイミング計算手段１１に与えてタイムスロット割当周期の更新をさせる。

また、シンクノードＳから発信された「周期情報（周期の更新情報）」が付加されたタイミング信号を受信したセンサノードＡは、タイミング制御信号にその制御情報を付加して発信する。そして、センサノードＡにおいては、タイミング制御信号を発信後、通信タイミング計算手段１が「周期情報」に基づいてタイムスロット割当周期を更新し、通信タイミングを計算する。

このような動作を各センサノードＡが次々に実行することにより、ネットワークＮＴ内のすべてのノードに「周期情報（周期の更新情報）」が与えられ、各ノードが更新周期を用いて通信タイミングの再調整を実行する。

（Ａ−２）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、相互に複数のノード間でタイミング制御信号を送受信することによって自律分散的にタイムスロット割当を相互調整するデータ通信において、制御情報が付加されたタイミング制御信号を用いることにより、ネットワーク内で発生するすべてのトラヒックが集中するシンクノードにおいて適切なタイムスロット割当周期を決定し、ネットワーク内の全ノードがそれに基づいて通信タイミングを再調整する動作を実行することができる。

これにより、ネットワークの拡張あるいは縮小等の変化が起こっても、通信遅延を極力小さくし、かつ輻輳を発生させない状態で動作する形態に自律的に変化することが可能になる。したがって、設計者が現場でパラメータを設定変更する作業から開放され、スケーラビリティーが向上する。

（Ｂ）他の実施形態
上述した第１の実施形態では、無線通信ネットワークの例として、各ノードがセンサデータを送信するセンサネットワークを例示した。しかし、センサネットワークに限定されず、ノード間で自律分散的に通信タイミングを形成して無線通信を実現する無線通信ネットワークであれば、広く適用することができる。

上述した第１の実施形態では、周期情報、データ信号のデータサイズ情報及び送信先ノード番号を制御信号としてタイミング制御信号に付加する場合を説明した。なお、タイミング制御信号に付加する制御情報としては、周期情報と、データ信号のデータサイズ情報及び送信先ノード番号とのいずれかの情報としてもよい。

第１の実施形態において、通信タイミング計算手段による自ノードの通信タイミングの算出方法については、特許文献１〜特許文献７に記載されている方法を適用するとした。しかし、自他のタイミング制御信号の送信タイミングを相互調整して、時間発展規則に従って算出するものであれば、他の方法も広く適用することができる。

上記の実施形態では、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のやり取りを行う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も適用することが可能である。例えば、イーサーネット（登録商標）等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、あるいはサーバ等、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。

上述した実施形態における通信タイミング計算手段が実現する機能は、ハードウェア資源が処理プログラムを実行することにより実現されるソフトウェア処理によるものを想定するが、実現可能であれば、電気回路等で構成されたハードウェアにより実現するようにしてもよい。

第１の実施形態のセンサノードの内部構成を示すブロック図である。第１の実施形態の無線センサネットワークの全体構成図である。第１の実施形態のシンクノードの内部構成を示すブロック図である。

符号の説明

１、１１…通信タイミング計算手段、２、１２…タイミング制御信号受信手段、３、１３…タイミング制御信号送信手段、Ａ…センサノード、Ｓ…シンクノード、ＮＴ…無線通信ネットワーク。

Claims

通信システムを構成する複数のノードのそれぞれが、１又は複数の他ノードから受信したタイミング制御信号の送信タイミングと、自ノードのタイミング制御信号の送信タイミングとの相互調整に基づいて、所定の動作周期において自ノードがデータ信号を送信するタイムスロットを算出する通信タイミング算出手段を備え、
上記複数のノードのうち上記動作周期の決定を行う第１のノードが、
１又は複数の他ノードから受信した上記タイミング制御信号に含まれる送信データのデータ量情報に基づき、所定の方法により上記動作周期の更新周期情報の決定を行う周期決定手段と、
上記周期決定手段により決定された上記動作周期の更新周期情報を上記タイミング制御信号に含めて１又は複数の他ノードに送信するタイミング制御信号送信手段と
を備え、
上記第１のノード以外の１又は複数の第２のノードは、
上記通信タイミング算出手段が、上記第１のノードから受信した上記タイミング制御信号に含まれている上記動作周期の更新周期情報を用いて上記動作周期を更新し、その更新した動作周期における自ノードのデータ信号のタイムスロットを算出する
ことを特徴とする通信タイミング制御システム。
上記周期決定手段が、当該第１のノード宛とする送信データのデータ量情報が一定時間変化しない状態のときに、上記動作周期の周期期間で、通信タイミングを取り合う１又は複数の他ノードから受信するデータの全データ量情報に応じて、上記動作周期の更新周期情報の決定を行うものであ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システム。
上記第１のノードは、上記各ノードが送信する送信データの最終到達先であるシンクノードであ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システム。
通信システムを構成する複数のノードのそれぞれが、１又は複数の他ノードから受信したタイミング制御信号の送信タイミングと、自ノードのタイミング制御信号の送信タイミングとの相互調整に基づいて、所定の動作周期において自ノードがデータ信号を送信するタイムスロットを算出する通信タイミング算出手段を備え、
上記複数のノードのうち上記動作周期の決定を行う第１のノードは、
周期決定手段が、１又は複数の他ノードから受信したタイミング制御信号に含まれる送信データのデータ量情報に基づき、所定の方法により上記動作周期の更新周期情報の決定を行う周期決定工程と、
タイミング制御信号送信手段が、上記周期決定手段により決定された上記動作周期の更新周期情報をタイミング制御信号に含めて１又は複数の他ノードに送信するタイミング制御信号送信工程と
を有し、
上記第１のノード以外の１又は複数の第２のノードは、
上記通信タイミング算出手段が、上記第１のノードから受信したタイミング制御信号に含まれる上記動作周期の更新周期情報を用いて上記動作周期を更新し、その更新した動作周期における自ノードのデータ信号のタイムスロットを算出する工程を有する
ことを特徴とする通信タイミング制御方法。
上記周期決定手段が、当該第１のノード宛とする送信データのデータ量情報が一定時間変化しない状態のときに、上記動作周期の周期期間で、通信タイミングを取り合う１又は複数の他ノードから受信するデータの全データ量情報に応じて、上記動作周期の更新周期情報の決定を行うことを特徴とする請求項４に記載の通信タイミング制御方法。
上記第１のノードは、上記各ノードが送信する送信データの最終到達先であるシンクノードであることを特徴とする請求項４又は６に記載の通信タイミング制御方法。