JP4370944B2 - 通信システム - Google Patents

Description

本発明は、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、タイムスロット自体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通信システムが望まれている。

かかる課題を解決するため、第１の本発明は、通信ノードを複数有すると共に、制御用のノードを有する通信システムにおいて、それぞれの上記通信ノードは、他ノードの動作状態あるいは動作タイミングを示す状態変数信号を受け取ると共に、自ノードの動作状態あるいは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、自ノードの動作状態あるいは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タイミング決定手段と、遷移の基本速度情報を規定する外部からの制御信号を受信する制御信号受信手段とを備え、上記タイミング決定手段は、上記基本速度情報に基づいた基本周期で、自ノードの動作状態あるいは動作タイミングを遷移させ、上記基本周期において自ノードの動作状態あるいは動作タイミングの遷移に係る位相を、上記状態変数信号通信手段が状態変数信号を受取った他ノードの動作状態あるいは動作タイミングの遷移に係る位相とは、異なる位相にしようとする反発特性に基づいて制御し、上記制御用のノードは、上記タイミング決定手段が利用する遷移の基本速度情報に応じた間隔で制御信号を送信する制御信号形成送信手段を備えることを特徴とする通信システム。

本発明によれば、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通信システムを提供できる。しかも、各ノードには、外部からの間欠的な制御信号が統一的に与えられるので、他ノードとの動作タイミングなどを所定の安定状態にし易いものとなっている。

（Ａ）第１の実施形態
以下、本発明による通信システムの第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、各ノードがインパルス信号を発生するに際して必要な固有角振動数パラメータωをシステム全体（全てのノード）で安定させようとしたものである。

図１は、第１の実施形態の通信システム（ネットワーク）の全体構成を示す概略ブロック図である。第１の実施形態の通信システムは、データ通信に供する複数のノードＡと、全てのノードＡに対して後述するようなビーコン信号を与える唯一のビーコンノードＢとが分散配置されているものである。

なお、いずれかのノードＡがビーコンノードＢとしての機能を兼ねたものであっても良い。また、各ノードＡ、Ｂは、固定的に配置されているものであっても良く、また、移動可能なものであっても良い。

図２は、ノードＡの内部構成を示す機能ブロック図である。ノードＡ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、固有振動数受信手段１６及び固有振動数格納手段１７を有する。なお、通信タイミング制御装置としては、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、固有振動数受信手段１６及び固有振動数格納手段１７が構成要素となっている。

インパルス信号受信手段１１は、近傍のノードＡ（例えば、その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、それを波形成形したもの、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Ａ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Ａ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Ａ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Ａ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。なお、図３及び図４に示す状態変化は、インパルス信号送信手段１３の機能も関係している。

図３及び図４は、ある１つのノードＡに着目したときに、着目ノード（自ノード）と近傍のノードＡ（他ノード）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Ａ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。

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及びデータ通信手段１５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（他ノードの出力インパルス信号に対応する）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Ａ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。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」を示す場合に、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」を示す場合には送信動作を停止している。

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１０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、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。

第１の実施形態は、固有角振動数ωの通信システム（ネットワーク）での統一を実現するため、ビーコンノードＢを設けていると共に、ノードＡ内に、固有振動数受信手段１６及び固有振動数格納手段１７を設けている。

ノードＡにおける固有振動数受信手段１６及び固有振動数格納手段１７の機能を説明する前に、ビーコンノードＢの内部構成を説明する。図５は、ビーコンノードＢの内部構成を示す機能ブロック図である。ビーコンノードＢは、タイミング生成手段２１及びビーコン信号送信手段２２を有している。

タイミング生成手段２１は、タイミング信号の出力機能を持ち、固有振動数（固有角振動数）ωの周期Ｔ毎にタイミング信号をビーコン信号送信手段２２に入力与えるものである。周期Ｔは、例えば、高速クロックをカウントすることにより把握することができる。

なお、ビーコンノードＢは、固有振動数（固有角振動数）ωの可変設定素子を備え、タイミング生成手段２１は、その可変設定素子の設定による固有振動数ωに応じたタイミング信号を出力するものであっても良い。

ビーコン信号送信手段２２は、タイミング生成手段２１からタイミング信号が入力される毎に、ビーコン信号（無線標識信号）を外部に向けて送信するものである。

ビーコンノードＢのビーコン信号送信手段２２が送信したビーコン信号は、各ノードＡで受信される。

固有振動数受信手段１６は、ビーコン信号を受信して固有振動数（固有角振動数）ωを得て、固有振動数格納手段１７に格納させるものである。固有振動数格納手段１７は、固有振動数受信手段１６から与えられた固有振動数ωの値を格納するものであり、格納している固有振動数ωの値は、通信タイミング計算手段１２によって、適宜参照される。

なお、固有振動数格納手段１７が格納する固有振動数ωは固定値でなく、ビーコンノードＢのタイミング生成手段２１がタイミング信号の生成周期Ｔを変更した場合には、ビーコン信号の送信周期も変化し、それにより、ノードＡの固有振動数受信手段１６から出力される固有振動数も変化し、その結果、固有振動数格納手段１７が格納する固有振動数も変化する。

図６は、通信タイミングの制御の流れを示すシーケンス図である。なお、図６で示している信号は制御信号のみであり、データ信号の授受については記述していない。図６における「○」は、基本角速度や位相信号の変更タイミングを表している。

ビーコンノードＢのタイミング生成手段２１は、図７に示すように、時間間隔Ｔのビーコン信号送信タイミングＸ（ｔ）毎に、ビーコン送信要求をビーコン信号送信手段２２に与える。これにより、ビーコン信号送信手段２２からネットワークにビーコン信号が送信され、 各ノードＡ−１、Ａ−２、…は、固有振動数受信手段１６でビーコン信号を受信する（Ｓ１）。

固有振動数受信手段１６は、今回受信したビーコン信号及び前回受信したビーコン信号の受信タイミングから、固有振動数ωを修正し直し、固有振動数格納手段１７に格納する（Ｓ２）。各ノードＡ−１、Ａ−２、…はそれぞれ、例えば、ビーコン信号受信時間間隔Ｔ（連続するビーコン信号受信時刻Ｘ（ｔ−１）及びＸ（ｔ）の差時間）を用いて、（３）式に従って固有振動数ωを計算し直す。

２π／Ｔ＝２π／（Ｘ（ｔ）−Ｘ（ｔ−１））＝ω （３）
各ノードＡ−１、Ａ−２、…はそれぞれ、固有振動数格納手段１７内に格納されている固有振動数ωを用いて、通信タイミング計算手段１２で位相信号を生成したり、位相応答関数を変更したりする（Ｓ３）。

上記第１の実施形態によれば、以下の効果を奏することができる。

従来のＴＤＭＡ方式では、管理ノードが一元的にタイムスロットの割り当てを行っていたが、第１の実施形態では、管理ノードは存在せず、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。すなわち、個々のノードがタイムスロットの割り当てを自律的に相互調整する。従って、第１の実施形態では、管理ノードの故障により、その管理下にある全てのノードが通信不能になるといった問題を防止することができる。

また、第１の実施形態では、システムの一部にノードの追加や削除、あるいは故障や移動等の変化が発生した場合においても、その変化に関連するノード群が自律的かつ適応的にタイムスロットの再割り当てを行うことが可能であり、また、その変化に関連しないノード群は、タイムスロットを変更することなく、データ通信をそのまま継続して行うことができる。

さらに、上記のタイムスロットの自律的な相互調整は、近傍ノード間で行われるため、発信電波の到達距離を越えて相互に影響が生じないノード間においては、同時にデータを発信することが可能である。すなわち、第１の実施形態では、システムのいたるところで時間的に重複してデータの送信が行われるが、電波干渉の生じる可能性がある任意の近傍ノード間においては、タイムスロットの割り当てを自律的に相互調整することによって、送信データの衝突を回避する動作が実現される。

さらにまた、第１の実施形態においては、例えば、トラフィックを発生するノードだけがインパルス信号の送信を行う動作形態を取ることも可能であり、この場合、時間と共にトラフィックを発生するノードが変化しても、その都度、タイムスロットを有効に再割り当てすることでき、トラフィックを発生しているノード群による効率的なデータ通信を実現することが可能である。

また、第１の実施形態によれば、ネットワークに固定時間間隔Ｔでビーコン信号を送信するビーコンノードＢを設け、各ノードＡはビーコン信号を受信し、ビーコン周期と固有角振動数を合わせるようにしたので、各ノード間で固有振動数ωの値を統一され、固有振動数ωが各ノードで統一されていないと定常状態に保たれ難いが、統一することで改善することができる。

さらに、各ノードＡは、ビーコンノードＢから受信した固定時間間隔Ｔのビーコン信号を用いて固有振動数ωを決めるようにしたので、各ノードＡで予め固有振動数ωを設定する必要がなく、また、ネットワークの状況等により固有振動数ωの値を変更したい場合はビーコンノードＢのみ変更すれば良く、全ノードを変更する必要はない。

（Ｂ）第２の実施形態
次に、本発明による通信システムの第２の実施形態を、図面に基づいて説明する。

第２の実施形態の通信システム（ネットワーク）も、一般的なノードＡとビーコンノードＢとを有し、ビーコンノードＢは第１の実施形態のものと同様であり、ノードＡが第１の実施形態のものから変更されている。

図８は、第２の実施形態のノードＡ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２との同一、対応部分には同一符号を付して示している。

この第２の実施形態の場合、第１の実施形態と比較すると、計算し直された固有振動数を格納する固有振動数格納手段１７が省略されており、また、固有振動数受信手段１６及び通信タイミング計算手段１２の機能が変更されている。

第２の実施形態の場合、固有振動数受信手段１６は、ビーコン信号を受信すると、そのままビーコン信号を通信タイミング計算手段１２に与えるものである。

通信タイミング計算手段１２は、固有振動数受信手段１６から与えられたビーコン信号を、受信したインパルス信号とみなして所定の計算（上述した（１）式及び（２）式））を行う。

図９は、ビーコンノードＢを含むある範囲内でのノード間の位相信号の関係を示すものである。なお、ビーコンノードＢには、通信タイミング計算手段１２が存在しないので位相信号はないが、図９は、ビーコン信号の出力開始タイミングを位相０とし、固有振動数ωに従って位相変化しているとして示している。

範囲内にデータ通信に供するノードＡがない場合には、図９（ａ）のように、ビーコンノードＢのみが位相変化する。

その範囲内にデータ通信に供するノードとしてノードＡ−１が増えると、ビーコンノードＢからのビーコン信号（インパルス信号と扱われる）がノードＡ−１に影響を与えて、相互の位相関係が変化する。上述のように、ビーコンノードＢの位相は固有振動数ωに従って安定に変化しており、ビーコンノードＢは、固定時間間隔Ｔでビーコン信号を送信する。一方、ノードＡ−１は、上述した（１）式及び（２）式に従って、位相信号の位相を変化させるので、ビーコン信号の到来タイミングと逆位相（位相差がπ）となるように作用し、位相関係が安定した安定状態（定常状態）になると、その位相関係は図９（ｂ）に示すようになり、固有振動数ωで定まる固定時間間隔Ｔでインパルス信号を送信する。

さらに、この状態から、データ通信に供するノードとしてノードＡ２が増えると、ビーコンノードＢ、ノードＡ−１、ノードＡ−２の出力信号（ビーコン信号、インパルス信号）が相互に影響し合い、ノードＡ−１及びノードＡ−２の位相信号の位相は、上述した（１）式及び（２）式に従って変化する。そして、位相関係が安定状態になると、図９（ｃ）に示すようになり、ビーコンノードＢはビーコン信号を、ノードＡ−１及びノードＡ−２はそれぞれインパルス信号を、固有振動数ωで定まる固定時間間隔Ｔで送信する。

以上のように、ビーコン信号をインパルス信号と同様に扱っても、ノードＡが追加や移動、削除される毎に位相関係が変化し、安定状態においては、各ノードＡはそれぞれインパルス信号を、固有振動数ωで定まる固定時間間隔Ｔで送信する。このことは、ビーコンノードＢから各ノードＡへ、固有振動数ωの情報を与えたことになる。

第２の実施形態によっても、各ノードＡが協働し合いながら自律的にタイミングを調整することに伴う、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、ノードＡの通信タイミング計算手段１２にインパルス信号と共にビーコン信号も入力するようにし、ビーコン信号をインパルス信号とみなして位相信号を計算するようにしたので、固有振動数格納手段を設けることなく、ビーコンノードＢから各ノードＡへ固有振動数を伝播でき、ノードＡの構成を第１の実施形態より簡略化できる。

なお、第２の実施形態では、ビーコンノードＢにもデータ送信スロットを割り当てられたことになり、このスロットを使用して、ビーコンノードＢから全ノードＡに同報データを送信するような活用も可能となる。

（Ｃ）第３の実施形態
次に、本発明による通信システムの第３の実施形態を、図面に基づいて説明する。

第３の実施形態の通信システム（ネットワーク）も、一般的なノードＡとビーコンノードＢとを有し、ビーコンノードＢは第１の実施形態のものと同様であり、ノードＡが第１や第２の実施形態のものから変更されている。

図１０は、第３の実施形態のノードＡの内部構成を示すブロック図であり、第２の実施形態に係る図８との同一、対応部分には同一符号を付して示している。

この第３の実施形態の場合、第２の実施形態と比較すると、固有振動数受信手段１６が受信したビーコン信号を通信タイミング計算手段１２だけでなく、同調判定手段１４に与えるようにしている点が異なっており、また、同調判定手段１４が、固有振動数受信手段１６から与えられたビーコン信号を利用して、近傍ノード間との位相関係が安定状態（定常状態）になっているか否かの同調判定を行う点も異なっている。

以下では、第３の実施形態の同調判定手段１４が実行する同調判定動作について説明する。

第３の実施形態の同調判定手段１４は、各ノードＡからのインパルス信号の受信タイミングとビーコン信号の入力タイミングとの時間間隔の安定性を確認して同調判定を行う。

ビーコン信号の入力タイミングでの通信タイミング計算手段１２からの位相信号の値をβ０、各ノードＡからのインパルス信号の受信タイミングでの通信タイミング計算手段１２からの位相信号の値をβ１，β２，…，βＮとすると、まず、ビーコン信号の入力タイミングと各ノードＡからのインパルス信号の受信タイミングとの位相差Δ０＝β０，Δ１＝β１−β０，・・・，ΔＮ＝βＮ−β０を算出する。この算出処理をビーコン信号の周期単位に行う。

次に、これら位相差の変化量γ０＝Δ０（τ＋１）−Δ０（τ），γ１＝Δ１（τ＋１）−Δ１（τ），…，γＮ＝ΔＮ（τ＋１）−ΔＮ（τ）を求める。

そして、これら位相差の変化量が全て、予め定めておいた値ε以下ならば、すなわち、γ１≦ε，γ２≦ε，…，γＮ≦εならば、安定状態と判定する。

第１及び第２の実施形態では、上述したように、値β１，β２，…，βＮから同調判定を行っていたが、この第３の実施形態では、さらに、ビーコン信号の入力タイミングでの通信タイミング計算手段１２からの位相信号の値β０をも利用して同調判定を行っている。ビーコン信号は、他のノードＡの動作等に左右されずに安定的に位相変化するので、安定状態になると、各ノードＡのインパルス信号の送信間隔はビーコン信号の送信間隔に近付く。そのため、各ノードＡからのインパルス信号の受信タイミングとビーコン信号の入力タイミングとの時間間隔の安定性を確認することにより、過渡状態か安定状態（定常状態）かを判定することができる。

第３の実施形態によっても、第２の実施形態と同様な効果を奏することができると共に、さらに、同調判定精度を向上できるという効果をも奏する。なお、第３の実施形態によれば、基準となるビーコン信号の入力タイミングと比較しているので、どのノードＡが安定状態に収束していないかを探索することも可能である。

（Ｄ）第４の実施形態
次に、本発明による通信システムの第４の実施形態を、図面に基づいて説明する。

図１１は、第４の実施形態の通信システム（ネットワーク）の全体構成を示す概略ブロック図である。第４の実施形態の通信システムは、データ通信に供する複数のノードＡと、ノードＡに対してビーコン信号を与える唯一のマスタービーコンノードＢＭと、ノードＡに対してビーコン信号を与える複数のスレーブビーコンノードＢＳとが分散配置されているものである。すなわち、第４の実施形態は、ビーコンノードを複数配置しているものである。

なお、いずれかのノードＡがビーコンノードＢＭ、ＢＳとしての機能を兼ねたものであっても良い。また、各ノードＡ、ＢＭ、ＢＳは、固定的に配置されているものであっても良く、また、移動可能なものであっても良い。

マスタービーコンノードＢＭはビーコン信号を送信するものであり、その構成は、既述した実施形態のビーコンノードＢと同様であり（図５参照）、その機能説明は省略する。

各スレーブビーコンノードＢＳは、他のビーコンノードＢＭ、ＢＳからビーコン信号を受信するとビーコン信号を送信する、ビーコン信号の中継機能を有しているものである。

各スレーブビーコンノードＢＳは、図１２に示すように、固有振動数受信手段３１及びビーコン信号送信手段３２を有する。固有振動数受信手段３１は、第２、第３の実施形態のノードＡ内の固有振動数受信手段２１と同様にビーコン信号を受信するものであり、受信ビーコン信号をビーコン信号送信手段３２に与える。ビーコン信号送信手段３２は、既述した実施形態のビーコンノードＢ内のビーコン信号送信手段２２と同様に、入力された受信ビーコン信号をタイミング信号として取り込んでビーコン信号を送信するものである。

スレーブビーコンノードＢＳへのビーコン信号と、スレーブビーコンノードＢＳからのビーコン信号とが同様なものになるように、固有振動数受信手段３１及びビーコン信号送信手段３２が機能する。すなわち、マスタービーコンノードＢＭ、スレーブビーコンノードＢＳの区別なく、送信されるビーコン信号は同一である。

第４の実施形態でのノードＡの内部構成は、既述した実施形態とほぼ同様であるが、図１３に示すように、固有振動数受信手段１６の前段に、フィルタ手段１８が設けられている点が異なっている。この第４の実施形態の場合、複数のビーコンノードＢＭ、ＢＳからのビーコン信号がノードＡに与えられることがあり、ビーコンノードＢＭ、ＢＳとの距離の相違等により、複数のビーコン信号の受信タイミングがずれている可能性があり、そのため、フィルタ手段１８を設け、１個のビーコンノードからのビーコン信号のみを受信するようにする。なお、固有振動数受信手段１６が受信タイミングがずれている複数のビーコン信号が到来しているか否かを判定し、正規に受信するビーコン信号を決定して、フィルタ手段１８に指示を行う。

受信タイミングがずれている複数のビーコン信号が到来しているか否かの判定は、以下に例示するように行う。例えば、最小スロット幅を決めておき、これよりビーコン信号の到来間隔が狭い場合には複数のビーコン信号が到来していると判定する。また例えば、１個のビーコンノードからのビーコン信号だけであれば等間隔で受信するので、ビーコン信号の受信間隔を検出し、受信間隔に大小があれば複数のビーコン信号が到来していると判定する。

第４の実施形態によれば、既述した実施形態と同様な効果を奏すると共に、さらに、以下のような効果を奏することができる。

ビーコンノードを複数設け、マスタービーコンノードから送信したビーコン信号をスレーブビーコンノードが中継することにより、大規模なネットワーク（通信システム）でも、システム全体を通して、各ノードが適切な通信タイミング制御を行うことができる。

固有振動数受信手段１６の前段にフィルタ手段１８を設け、複数のビーコンノードからビーコン信号を受信したかの判定を行い、１個のビーコンノードのみから受信するようにしたので、複数のビーコンノードを設けても、各ノードＡで固有振動数ωの値の変動を抑えることができ、ノードＡを安定状態にし易くしている。

（Ｅ）他の実施形態
上記各実施形態では、固有振動数受信手段１６がビーコン信号の受信専用のものを示したが、固有振動数受信手段１６とインパルス信号受信手段１１とを兼用させるようにしても良い。例えば、ビーコン信号とインパルス信号とを付加されている識別ＩＤだけが異なるものとしておき、識別ＩＤに基づいて、受信した信号がビーコン信号かインパルス信号かを判別し、判別結果に応じて、受信信号の引き渡し先の手段を切り替えるようにすれば良い。

また、上記各実施形態では、各ノードＡが（１）式及び（２）式に従う状態遷移（位相信号の変動）を行うために、ビーコン信号を用いて固有振動数ωを通知又は伝播させるものを示したが、演算式が他の場合であっても、固有振動数ωを用いるものであれば、本発明を適用することができる。

さらに、上記各実施形態では、各ノードＡでの固有振動数が同じ値ωであるものを示したが、ノードＡによって固有振動数が異なっていても良い。但し、ωと、２×ωのように、固有振動数が異なっていても、同じビーコン信号で通知又は伝播し得る関係であることを要する。例えば、固有振動数ωに応じたビーコン信号を送信する場合、固有振動数が２×ωのノードＡでは、ビーコン信号の受信間隔の半分を、自ノードＡでのビーコン信号の受信間隔とみなして処理するようにすれば良い。

本発明は、タイミング決定に要する情報を各ノードに通知又は伝播させる点に特徴を有し、インパルス信号に基づいて、自律分散的に通信タイミングを決定する方法自体は、上記実施形態のものに限定されず、種々の変形例が可能である。例えば、特願２００３−３２８５３０号明細書及び図面に、種々の変形例が記載されている。

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。

第１の実施形態の通信システム（ネットワーク）の全体構成を示す概略ブロック図である。 第１の実施形態のノードＡ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実施形態のビーコンノードＢの内部構成を示す機能ブロック図である。 第１の実施形態の各ノードでの動作を示すシーケンス図である。 第１の実施形態のビーコン信号の送信タイミングの説明図である。 第２の実施形態のノードＡの内部構成を示す機能ブロック図である。 第２の実施形態のある範囲内でのノード間の位相信号の関係を示す説明図である。 第３の実施形態のノードＡの内部構成を示す機能ブロック図である。 第４の実施形態の通信システム（ネットワーク）の全体構成を示す概略ブロック図である。 第４の実施形態のスレーブビーコンノードＢＳ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Ａの要部構成を示す機能ブロック図である。

Ａ…ノード、Ｂ…ビーコンノード、ＢＭ…マスタービーコンノード、ＢＳ…スレーブビーコンノード、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、３１…固有振動数受信手段、１７…固有振動数格納手段、１８…フィルタ手段、２１…タイミング信号生成手段、２２、３２…ビーコン信号送信手段。

Claims (8)

1. 通信ノードを複数有すると共に、制御用のノードを有する通信システムにおいて、
   それぞれの上記通信ノードは、
   他ノードの動作状態あるいは動作タイミングを示す状態変数信号を受け取ると共に、自ノードの動作状態あるいは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、自ノードの動作状態あるいは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タイミング決定手段と、
   遷移の基本速度情報を規定する外部からの制御信号を受信する制御信号受信手段とを備え、
   上記タイミング決定手段は、上記基本速度情報に基づいた基本周期で、自ノードの動作状態あるいは動作タイミングを遷移させ、上記基本周期において自ノードの動作状態あるいは動作タイミングの遷移に係る位相を、上記状態変数信号通信手段が状態変数信号を受取った他ノードの動作状態あるいは動作タイミングの遷移に係る位相とは、異なる位相にしようとする反発特性に基づいて制御し、
   上記制御用のノードは、
   上記タイミング決定手段が利用する遷移の基本速度情報に応じた間隔で制御信号を送信する制御信号形成送信手段を備える
   ことを特徴とする通信システム。
2. いずれかの上記通信ノードが上記制御用のノードを兼ねていることを特徴とする請求項１に記載の通信システム。
3. 上記制御用のノードが送信した制御信号を中継送信する中継手段を有する中継用のノードを１又は複数有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。
4. いずれかの上記通信ノードが上記中継用のノードを兼ねていることを特徴とする請求項３に記載の通信システム。
5. 上記制御信号受信手段は、制御信号の到来時系列から遷移の基本速度情報を得るものであると共に、
   それぞれの上記通信ノードは、上記制御信号受信手段が得た遷移の基本速度情報を保持する基本速度情報保持手段をさらに備え、
   上記タイミング決定手段は、上記基本速度情報保持手段が保持している遷移の基本速度情報を利用する
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の通信システム。
6. 上記制御信号受信手段は、受信した制御信号を上記タイミング決定手段に与えるものであり、
   上記タイミング決定手段は、入力された制御信号を、他ノードから受信した状態変数信号と同様に扱って、自ノードの動作状態あるいは動作タイミングを遷移させる
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の通信システム。
7. それぞれの上記通信ノードは、上記制御信号受信手段が受信した制御信号、上記状態変数信号通信手段が受信した他ノードの状態変数信号、及び、上記タイミング決定手段が決定した自ノードの動作状態あるいは動作タイミングに基づいて、自ノードと他ノードとの動作状態あるいは動作タイミングの関係が安定状態になっているか否かを判定する定常性判定手段をさらに有することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の通信システム。
8. 上記制御信号形成送信手段は、上記制御信号の送信間隔を変更し得るものであることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の通信システム。

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