JP2006211564A - 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

Abstract

【課題】 各ノードが所定の通信タイミングで自律的に有効な通信を実行できる柔軟性が高い通信タイミング制御装置を提供する。
【解決手段】 本発明は、通信システムを構成する各ノードに搭載されている通信タイミング制御装置であって、他ノードからのタイミング信号の受信タイミングを利用して、自ノードの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タイミング信号の受信タイミングに基づいて、データ信号の送信タイムスロットを決定する通信タイミング制御装置に関する。そして、他ノードからのタイミング信号を受信したときに、応答タイミング信号を送信する応答タイミング信号送信手段と、タイミング信号、及び応答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タイミング信号の送信タイミングを決定する通信タイミング制御手段とを有することを特徴とする。
【選択図】 図１

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各ノードのデータ送信タイミングの精度を向上させようとしたものである。

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、各ノードが所定の通信タイミングで自律的に有効な通信を実行できる柔軟性が高い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、他ノードからのタイミング信号の受信タイミングを利用して、自ノードの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タイミング信号の受信タイミングに基づいて、データ信号の送信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、他ノードからのタイミング信号を受信したときに、応答タイミング信号を送信する応答タイミング信号送信手段と、タイミング信号、及び応答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タイミング信号の送信タイミングを決定する通信タイミング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、他ノードからのタイミング信号の受信タイミングを利用して、自ノードの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タイミング信号の受信タイミングに基づいて、データ信号の送信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、他ノードからのタイミング信号を受信したときに、応答タイミング信号を送信する応答タイミング信号送信工程と、タイミング信号、及び応答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タイミング信号の送信タイミングを決定する通信タイミング制御工程とを含むことを特徴とする。

本発明によれば、各ノードが所定の通信タイミングで自律的に有効な通信を実行できる柔軟性が高い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を提供できる。

（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、そのタイムスロットの割当制度を向上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Ｎ１１〜Ｎ５５が格子状に分散配置された一例のものである。各ノードＮ１１、…、Ｎ５５はそれぞれ、距離Ｒ内にあるノードとデータ信号の送受信が可能とする。例えば、ノードＮ３３は、ノードＮ２３、Ｎ３２、Ｎ３４、Ｎ４３とデータ信号の送受信が可能である。一方、後述するインパルス信号（基準インパルス信号及び応答インパルス信号）は、データ信号と同じ距離Ｒ、又はそれ以上の距離に到達するように設定する。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Ｎ１１、…、Ｎ５５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。以下の説明においては、固定的に配置されている場合を想定して説明する。

図２は、ノードＮ（Ｎ１１〜Ｎ５５）の内部構成を示す機能ブロック図である。ノードＮは、インパルス信号受信手段１１、インパルス判定手段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及びデータ信号送受信手段１５を有する。

インパルス信号受信手段１１は、近傍のノードＮ（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インパルス判定手段１２に与える。

インパルス判定手段１２は、入力されたインパルス信号の種類を判定するものである。この第１の実施形態の場合、インパルス信号は基準インパルス信号と応答インパルス信号の２種類がある。基準インパルス信号は、各ノードＮのデータ信号の発信開始を表すタイミングを周囲に伝達するための信号である。応答インパルス信号は、受信した基準インパルス信号を転送した信号である。この２種類を区別するためにインパルス信号に、転送判定識別子（ＴＴＬ（Ｔｉｍｅ ｔｏ Ｌｉｖｅ）フィールド；波形形状）を設け、基準インパルス信号ではＴＴＬフィールドに「１」を設定し、応答インパルス信号ではＴＴＬフィールドに「０」を設定する（例えば、「１」と「０」とでそのフィールドでの波形形状が異なる）。インパルス判定手段１２は、入力されたインパルス信号のＴＴＬフィールドを見て、転送するか（基準インパルス信号）しないか（応答インパルス信号）の判定を行い、転送する場合にはインパルス信号送信手段１４に入力インパルス信号を与える。インパルス判定手段１２は、同一の基準インパルス信号に係る複数の応答インパルス信号の競合の調停機能をも有しているものである。また、インパルス判定手段１２は、入力されたインパルス信号の種類に関係なく、通信タイミング計算手段１３に対して、インパルス信号の入力を通知するものである。

なお、基準インパルス信号か応答インパルス信号かの識別のために、ＴＴＬフィールドを設けないようにしても良く、ノードＮがネットワークからインパルス信号を受信したときにＴＴＬを認識できない場合は応答インパルス信号と判定するようにしても良い。

インパルス信号送信手段１４は、通信タイミング計算手段１３からの送信要求ならば基準インパルス信号を送信し、インパルス判定手段１２からの送信要求ならば応答インパルス信号を送信するものである。

通信タイミング計算手段１３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１３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、インパルス信号判定手段１２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）から受信したインパルス信号（基準インパルス信号及び応答インパルス信号）に基づいて、インパルス信号判定手段１２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Ｎ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Ｎ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Ｎ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１３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１４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Ｎ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Ｎ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１３は、得られた位相信号θｉ（ｔ）に基づいて、基準インパルス信号の送信タイミングを定めて、インパルス信号送信手段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、基準インパルス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からの基準インパルス信号の送信タイミングと、ノードｊからの基準インパルス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手段１３は、自ノードや１又は複数の近傍ノードの間で行われる基準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も判定する（同調判定を行う）。通信タイミング計算手段１３は、インパルス信号（基準インパルス信号及び応答インパルス信号）の受信タイミング及び基準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。通信タイミング計算手段１３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）を利用する。

通信タイミング計算手段１３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）インパルス判定手段１２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。

通信タイミング計算手段１３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、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に基づいて、当該ノードＮからの送信時間（タイムスロット）を定めて、データ信号送受信手段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、基準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Ｎ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。

データ信号送受信手段１５は、通信タイミング計算手段１３から通達された時間内で、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２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。

ところで、基準インパルス信号だけを各ノード間で授受するようにしても、（１）式を適用することにより、各ノードの送信タイミングを規定するタイムスロットを各ノードが自律的に定めることができる。

しかし、第１の実施形態では、基準インパルス信号に加え、応答インパルス信号を各ノード間で授受して、各ノードの送信タイミングを規定するタイムスロットを各ノードが自律的に定めるようにした。この理由は、以下のような点を考慮したためである。

仮に、データ信号の到達距離とインパルス信号の到達距離とを同じにした場合、例えば、図５に示すようなノードの配置のときに問題が生じる。すなわち、ノードＮ１及びＮ３の双方のデータ信号の到達距離以内にノードＮ２が存在するが、ノードＮ１及びＮ３はデータ信号の到達距離以上に離れている場合には（ノードの隠れ問題）、ノードＮ１及びＮ３は、２個のノードの相互作用を実行しようとするが、ノードＮ３は、３個のノードの相互作用を実行しようとし、位相信号が定常状態になり難い。

この不都合を回避しようとすると、図５に波線で示すように、インパルス信号の到達距離を、データ信号の到達距離の２倍にし、データ信号の到達距離の２倍の範囲のノード間で相互作用を実行させることが考えられる。ここで、厳密に電波の到達距離を設定することは困難であるので、インパルス信号の到達距離はデータ信号の２倍以上にしておく必要がある。

以上のような回避方法であると、各ノードに対し、データ信号の到達距離（送信電力）やインパルス信号の到達距離（送信電力）の高精度な調整を必要としてしまう。

第１の実施形態は、データ信号の到達距離（送信電力）やインパルス信号の到達距離（送信電力）の高精度な調整をすることなく、ノードの隠れ問題を解決できるように、応答インパルス信号の概念を導入したものである。

（Ａ−２）第１の実施形態の動作
次に、図１のノードＮ３３の動作を中心に、第１の実施形態の各ノードの動作を説明する。第１の実施形態では、データ信号の到達距離やインパルス信号の到達距離はほぼ同様である。

ノードＮ３３は、半径Ｒ内のノードＮ２３、Ｎ３２、Ｎ３４、Ｎ４３との間でインパルス信号、データ信号を直接送受信することができる。図１において、ノード間の矢印のうち、太線は、ノード３３からの基準インパルス信号を表し、細線は、ノード３３からの基準インパルス信号を転送した応答インパルス信号を表している。

（Ａ−２−１）基準インパルス信号の送信
ノードＮ３３は、自ノードのインパルス信号の送信タイミング（例えば、位相０の位置）になると、基準インパルス信号をインパルス信号送信手段１４からネットワークに送信する。ノードＮ３３が送信した基準インパルス信号は、ノードＮ２３、Ｎ３２、Ｎ３４、Ｎ４３で受信される。

（Ａ−２−２）基準インパルス信号の受信、応答インパルス信号の送信
ノードＮ３３が送信した基準インパルス信号を受信したノードＮ２３、Ｎ３２、Ｎ３４、Ｎ４３はそれぞれ、そのインパルス判定手段１２で転送判定を行うが、受信インパルス信号のＴＴＬフィールドが「１」であるので、インパルス信号送信手段１４から応答インパルス信号を送信させる。

また、転送判定結果に関わらず、受信したインパルス信号の受信タイミングを利用して相互作用を行う。

例えば、ノードＮ２３が、ノードＮ３３からの基準インパルス信号の受信に基づいて送信した応答インパルス信号は、ノードＮ１３、Ｎ２２、Ｎ２４、Ｎ３３に到達する。

ここで、応答インパルス信号を転送する際に、所定時間のマスク時間内で応答インパルス信号の転送タイミングをノード毎にずらすことにより、他のノード宛の応答インパルス信号の衝突を回避することができる。

（Ａ−２−３）応答インパルス信号の受信
応答インパルス信号を受信したノードは、インパルス判定手段１２によって転送判定を行うが、ＴＴＬフィールドが「０」であるので、さらなる転送は行わず、通信タイミング計算手段１３への入力のみを行う。例えば、ノードＮ１３が、ノードＮ３３からの基準インパルス信号の受信に基づいてノードＮ２３が送信した応答インパルス信号を受信したときに、応答インパルス信号を受信すると、さらなる転送は行わず、通信タイミング計算手段１３への入力を行う。

いずれのノードも、相互作用については、基準インパルス信号及び応答インパルス信号を区別しないで実行する。

ノードＮ１３は、ノードＮ３３からはインパルス信号を間接的に受信するが、ノードＮ３３からのデータ信号を受信しない。また、ノードＮ１３、ノードＮ３３が送信したデータ信号は、ノードＮ２３で受信することができる。

すなわち、基準インパルス信号を転送する応答インパルス信号の存在によって、恰も、図５に示したようなインパルス信号の到達距離を、データ信号の到達距離の２倍にし、データ信号の到達距離の２倍の範囲のノード間で相互作用を実行させたと同様な状態を作り出すことができる。

ここで、各ノードは、同一の基準インパルス信号に対する複数の応答インパルス信号の重複到来を調整する機能を有する。この機能は、インパルス判定手段１２（又はインパルス信号受信手段１１）が担っている。インパルス判定手段１２は、所定時間でなる第１のマスク時間を設けており、最初の応答インパルス信号を受信したときから、第１のマスク時間を経過する前に、別の応答インパルス信号を受信した場合は、同一基準インパルス信号に基づいた応答インパルス信号とみなし、転送判定や相互作用を行わない。例えば、ノードＮ２２には、ノードＮ３２及びＮ３４が送信した２個の応答インパルス信号が到来するが、先に到来した応答インパルス信号のみに対して転送判定、相互作用を行い、第１のマスク時間内で後に到着した応答インパルス信号に対しては転送判定や相互作用を行わない。第１のマスク時間は、以上のような応答インパルス信号の重複到来を適切に調整できる時間に選定されている。

また、基準インパルス信号を送出したノードも、その基準インパルス信号に係る応答インパルス信号を無視する機能を有する。この機能は、インパルス判定手段１２（又はインパルス信号受信手段１１）が担っている。インパルス判定手段１２は、所定時間でなる第２のマスク時間を設けており、自己が基準インパルス信号を送信したときから、第２のマスク時間を経過する前に、応答インパルス信号を受信した場合は、自己が送信した基準インパルス信号に基づいた応答インパルス信号とみなし、転送判定や相互作用を行わない。例えば、ノードＮ３３でも、基準インパルス信号を送信した後、ノードＮ２３、Ｎ３２、Ｎ３４及びＮ４３が転送送信した応答インパルス信号を受信するが、自己が基準インパルス信号を送信してから、第２のマスク時間が経過する前にそのような応答インパルス信号が到来するので、廃棄する。第２のマスク時間は、以上のような自己へのフィードバックの応答インパルス信号を適切に廃棄できる時間に選定されている。

以上のようにして、あるノードが送信したインパルス信号（基準インパルス信号）は、基準インパルス信号が到達する４ノードと、応答インパルス信号が到達する８ノードの計１２ノードに送信される。ノードＮ３３がインパルス信号の送信元の場合、基準インパルス信号はノードＮ２３、Ｎ３２、Ｎ３４及びＮ４３に到達し、応答インパルス信号はＮ１３、Ｎ２２、Ｎ２４、Ｎ３１、Ｎ３５、Ｎ４２、Ｎ４４及びＮ５３に到達する。

例えば、逆に、これら１２ノードＮ２３、Ｎ３２、Ｎ３４及びＮ４３、並びに、Ｎ１３、Ｎ２２、Ｎ２４、Ｎ３１、Ｎ３５、Ｎ４２、Ｎ４４及びＮ５３がインパルス信号（基準インパルス信号）を送信すれば、ノードＮ３３にもインパルス信号が直接的又は間接的に受信されるので、ノードＮ３３は、１周期に最大１３（周囲ノードが１２プラス自ノードの計１３）分割された相互作用を行うことになる。

ノードＮ３３が送信したデータ信号が到達する範囲のノードＮ２３、Ｎ３２、Ｎ３４及びＮ４３について、そのノードで、データ信号を受信できる全てのノードと、ノードＮ３３は相互作用を行うので、データ信号のタイミングの衝突は発生しない。

例えば、図６に示すように、ノードＮ２３は、ノード３３以外にノードＮ１３、Ｎ２２、Ｎ２４からもデータ信号を受信するが、これらのノードＮ１３、Ｎ２２、Ｎ２４は、ノードＮ３３からのデータ信号を受信できないが、ノードＮ３３と相互作用を行っているので、データ信号の送信タイミングはずれており、ノードＮ２３においてデータ信号の衝突は発生しない。なお、図３において、インパルス信号を表す線のうち、太線が基準インパルス信号を表している。

（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、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、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、相互に影響が生じない位置の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、インパルス信号をデータ信号と同様な到達距離で送信し、受信したノードはさらにインパルス信号を転送するようにしたので、インパルス信号の到達距離をデータ信号の２倍以上にすることに比較すると、距離設定を簡単に行うことができると言うことができる。

さらに、第１の実施形態によれば、インパルス信号の転送ノード、及び、その転送ノードにデータ信号を送信することができるノードの範囲内のみで相互作用を行うので、インパルス信号の到達距離をデータ信号の２倍以上にすることに比較すると、相互作用ノード数が減り、その分、タイムスロットの割当幅が増加するという効果が得られる。例えば、仮に、ノードＮ２３が存在しないならば、ノードＮ３３とノードＮ１３は同時にデータ信号を送信しても衝突することがないので相互作用をする必要がない。データ信号の２倍以上の範囲にインパルス信号を送信するようにすると、このような場合でも相互作用を行っている。しかし、この第１の実施形態の方法では、インパルス信号は到達しないので、相互作用は行われず、この分、相互作用ノード数が減り、タイムスロット幅が増加する。

（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。

図７は、第２の実施形態のノードＮ（図１のノードＮ１１〜Ｎ５５に対応する）の機能的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。

第２の実施形態のノードＮは、第１の実施形態のノード構成に加えて、応答インパルス補正手段１６を有している。

応答インパルス信号は、基準インパルス信号と衝突しないように、基準インパルス信号を受信した後、一定時間経ってから送信する必要がある。そのため、応答インパルス信号を受信したノードにおいては、相互作用に誤差が生じる。そのため、第２の実施形態では、通信タイミング計算手段１３に関連付けて、応答インパルス補正手段１６を設けている。

応答インパルス補正手段１６は、インパルス判定手段１２によって応答インパルス信号と判定された場合に、その受信時の位相信号の値を、所定の補正値Δθｆ（後述する図８参照）だけ補正し、通信タイミング計算手段１３の相互作用の演算に利用させるようにする機能を担っている。上述の補正値Δθｆとして、実験等で予め求めておいた値を用いる。位相の補正値Δθｆの代わりに、補正時間ΔＴを決めておくようにしても良く、この場合には、角速度ωに基づいた位相への換算が必要となる。

第２の実施形態の各ノードＮは、第１の実施形態に比較すると、以下のような特徴的な動作を行う。

インパルス判定手段１２は、入力されたインパルス信号の種類を判定し、インパルス信号と判定すれば、第１の実施形態と同様に、その種類を問わずに通信タイミング計算手段１３に入力するが、第２の実施形態では、このときに、基準インパルス信号か応答インパルス信号のどちらであるかを表す情報も入力する。

通信タイミング計算手段１３は、応答インパルス信号が入力されたときには、応答インパルス補正手段１６からの補正値Δθｆだけ、位相信号（（１）式の位相信号θｉと同一）の値を後退させた値θ−Δθｆを取得し、この位相を応答インパルス信号の受信位相として使用して、上述した（１）式に示す相互作用の計算を行う。

以上のように、通信タイミング計算手段１３は、他ノードからのインパルス信号の受信タイミングや自ノードからのインパルス信号の送信タイミングを利用して相互作用を行い、自ノードのインパルス信号の送信タイミングを（１）式に従って決定しているが、応答インパルス信号が入力（受信）された場合には補正しているので、自ノードからのインパルス信号（基準インパルス信号）の送信タイミングは、第１の実施形態に比較して速まる。

図８は、図１における３個のノードＮ１３、Ｎ２３、Ｎ３３だけで相互作用を行っていると仮定した場合のインパルス信号の送受信タイミングの例を示している。なお、図８は、定常状態に達している場合を示している。

ノードＮ３３が時刻ｔ１で送信した基準インパルス信号は、ノードＮ２３には時刻ｔ１とほぼ同時刻に到達するが、ノードＮ２３は、ノードＮ１３からの基準インパルス信号と自ノードＮ２３からの応答インパルス信号との他ノードでの受信衝突を避けるため、基準インパルス信号の受信時刻（≒ｔ１）から所定時間ΔＴだけ経過した時刻ｔ１′で応答インパルス信号を送出する。そのため、ノードＮ１３は、ノードＮ３３からのインパルス信号を、間接的に時刻ｔ１′で受信する。この受信時刻ｔ１′を所定時間ΔＴだけ戻すことにより、受信時刻を、ノードＮ３３が基準インパルス信号を送信した時刻ｔ１に補正することができる。この所定時間ΔＴの補正は、位相的には、上述した補正値△θｆ分だけの位相の補正になる。これにより、ノードＮ３３が基準インパルスを送信した時刻ｔ１での位相に近い値を用いて相互作用を計算していることになる。

また、ノードＮ１３（の通信タイミング計算手段１３）は、自ノードのタイムスロットを補正後の受信タイミングまでとし（図８での時間Ｔ３１）、時刻ｔ１からｔ１′までの期間も、ノードＮ３３のタイムスロット（図８での時間Ｔ３３）と認識する。

第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な効果を奏すると共に、以下の効果をも奏することができる。

第２の実施形態によれば、応答インパルス補正手段１６を設け、応答インパルス信号の受信位相を、基準インパルス信号と応答インパルス信号の送信タイムラグに相当する分だけ補正し、通信タイミング計算手段１３による相互作用の演算に利用させるようにしたので、基準インパルス信号と応答インパルス信号の送信タイムラグにより、相互作用の計算に誤差が生じるのを防ぐことができる。

（Ｃ）他の実施形態
上記各実施形態においては、データ信号とインパルス信号の電波の到達距離はほぼ同様で良いので、データ信号の送受信手段とインパルス信号の送受信手段とは、ハードウェア上、兼用するようにしても良い。なお、データ信号とインパルス信号の電波の到達距離はほぼ同様で良いが、インパルス信号の到達距離がデータ信号の到達距離よりかなり長くても構わない。

また、上記各実施形態においては、インパルス信号の転送が１回のみであったが、２回以上転送するようにしても良い。インパルス信号のＴＴＬを２以上に設定することにより、基準インパルス信号、転送が何回目のインパルス信号（応答インパルス信号）かを区別させることができる。転送回数により、第２の実施形態での位相補正値も変更することが好ましい。

さらに、上記各実施形態では、各ノードＮが（１）式及び（２）式に従う相互作用（位相信号の変動）を行うものを示したが、演算式が他の場合であっても、本発明を適用することができる。

さらにまた、基準インパルス信号と応答インパルス信号とを区別化させる方法は、上記実施形態のものに限定されない。信号の形状自体を変更したり、周波数を変更させたりしたものであっても良い。

本発明は、タイミング決定に要するインパルス信号だけは転送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Ｎ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説明図（２）である。 第１実施形態で応答インパルス信号を導入した理由の説明図である。 第１の実施形態のタイムスロット割当の衝突が起きないことの説明図である。 第２の実施形態のノードＮの内部構成を示す機能ブロック図である。 第２の実施形態の応答インパルス補正手段の必要性の説明図である。

符号の説明

Ｎ、Ｎ１１〜Ｎ５５…ノード、１１…インパルス信号受信手段、１２…インパルス判定手段、１３…通信タイミング計算手段、１４…インパルス信号送信手段、１５…データ信号送受信手段、１６…応答インパルス補正手段。

Claims (8)

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、他ノードからのタイミング信号の受信タイミングを利用して、自ノードの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タイミング信号の受信タイミングに基づいて、データ信号の送信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、
   他ノードからのタイミング信号を受信したときに、応答タイミング信号を送信する応答タイミング信号送信手段と、
   タイミング信号、及び応答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タイミング信号の送信タイミングを決定する通信タイミング制御手段と
   を有することを特徴とする通信タイミング制御装置。
2. タイミング信号の到達距離が、データ信号の到達距離と同等になされてい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. 上記応答タイミング信号送信手段が送信する応答タイミング信号の形状を、タイミング信号の形状と異にしてい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. 受信した他ノードからのタイミング信号が、応答タイミング信号であるときに、その応答タイミング信号の受信位相を所定量だけ戻して、上記通信タイミング制御手段に入力する応答タイミング補正手段を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の通信タイミング制御装置。
5. 上記通信タイミング制御手段は、自ノードからタイミング信号を送信した時点から、後続する最初の補正後の応答インパルス信号の入力タイミングまでを、自ノードの送信タイムスロットとする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装置。
6. 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を有することを特徴とするノード。
7. 請求項６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。
8. 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、他ノードからのタイミング信号の受信タイミングを利用して、自ノードの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タイミング信号の受信タイミングに基づいて、データ信号の送信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、
   他ノードからのタイミング信号を受信したときに、応答タイミング信号を送信する応答タイミング信号送信工程と、
   タイミング信号、及び応答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タイミング信号の送信タイミングを決定する通信タイミング制御工程と
   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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