JP2008141596A - 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 - Google Patents

Abstract

【課題】ネットワークトポロジーやトラフィックパタン等が動的な変化に応じて、自律的な通信タイミングを形成する。
【解決手段】本発明の通信タイミング制御装置は、他ノードとの間のタイミング制御信号の授受により、自ノードのタイミング制御信号の通信タイミングを決定して、データ信号の送信期間を決定する通信タイミング制御装置において、他ノードとの間で上記タイミング制御信号の送受信を行なうタイミング制御信号送受信手段と、自ノードのデータ信号の送信に必要な所要送信期間と、他ノードのデータ信号の送信に必要な所要送信期間とに基づいて位相応答関数を調整する位相応答関数調整手段と、位相応答関数調整手段により調整された位相応答関数を用いて所定の時間発展規則に従って自ノードの上記タイミング制御信号の通信タイミングを計算する通信タイミング計算手段とを備える。
【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、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、適切な通信時間の割り当てを自律的に行い、通信タイミングを形成し効率よく通信を行なう方法に適用し得る。

特許文献１〜４には、集中管理サーバを必要とせず、空間的に分散配置された複数のノードがそれぞれ、近傍ノードとの間の相互調整によりタイムスロットの割り当てを行い、通信データの通信タイミングを自律的に形成し、衝突することなくデータ通信を実現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。

すなわち、各ノードが、近傍ノードとの間でタイミング制御信号を周期的に送受信しあい、近傍ノードとの間の通信タイミング関係を認識し、局所的な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時刻（発信タイミング）を制御することで、通信タイミングパタンを自律分散的に形成する。

ここで、通信タイミングパタンの形成としては、例えば、各ノードにおいて、自他のタイミング制御信号の発信タイミングが極力離れるような調整を相互に行なう方法、１周期の動作中に通信時間を事前に確保するように設定する方法、完全に均等な通信時間を実現しようとする方法など様々なパタンを提案している。

特開２００５−０９４６６３号公報 特開２００６−０７４６１７号公報 特開２００６−０７４６１９号公報 特開２００６−１５７４４１号公報

上述したように、特許文献１〜特許文献４に記載の通信タイミング制御方法としては、自他のタイミング制御信号の発信タイミングが極力離れるように調整する方法や、１周期の動作中に通信時間を事前に確保するよう設定する方法等が開示されている。

特許文献１〜特許文献４に記載の通信タイミング制御方法は、各ノードが通信データの通信タイミングを自律分散的に形成し、帯域を確保できる点において有効なものである。これにより、各ノードが正しく通信をするために、通信時間を充分大きく確保しておくことや、これから生じ得るトラフィックを想定した通信時間を予め設定しておくことができる。

しかしながら、従来の通信タイミング制御方法は、ネットワークトポロジーやトラフィックパタン等が動的に変化した場合に、この変化にあわせて通信時間を動的に対応することが困難である。

また、この種の通信ネットワーク（通信システム）の実現においては、ネットワークの利用効率を向上させること、各ノードの通信タイミング制御に関する事前設計のし易さ、管理コストの低減等が求められている。

そのため、ネットワークトポロジーやトラフィックパタン等が動的に変化した場合であっても、その変化に対応した通信タイミングパタンを各ノードにおいて形成することができる通信タイミングパタンの形成を実現す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の本発明に係る通信タイミング制御装置は、通信システムを構成するノードに設けられ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制御信号の通信タイミングを利用して、自ノードのタイミング制御信号の通信タイミングを決定し、自ノードのタイミング制御信号の通信タイミング及び他ノードのタイミング制御信号の通信タイミングに基づいて、データ信号の送信期間を決定する通信タイミング制御装置において、（１）他ノードとの間で上記タイミング制御信号の送受信を行なうタイミング制御信号送受信手段と、（２）自ノードのデータ信号の送信に必要な所要送信期間と、他ノードのデータ信号の送信に必要な所要送信期間とに基づいて、自ノード及び他ノードのタイミング制御信号の通信タイミング関係を決定する位相応答関数を調整する位相応答関数調整手段と、（３）位相応答関数調整手段により調整された位相応答関数を用いて、所定の時間発展規則に従って、自ノードの上記タイミング制御信号の通信タイミングを計算する通信タイミング計算手段とを備え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ノードに設けられ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制御信号の通信タイミングを利用して、自ノードのタイミング制御信号の通信タイミングを決定し、自ノードのタイミング制御信号の通信タイミング及び他ノードのタイミング制御信号の通信タイミングに基づいて、データ信号の送信期間を決定する通信タイミング制御方法において、（１）タイミング制御信号送受信手段が、他ノードとの間で上記タイミング制御信号の送受信を行なうタイミング制御信号送受信工程と、（２）位相応答関数調整手段が、自ノードのデータ信号の送信に必要な所要送信期間と、他ノードのデータ信号の送信に必要な所要送信期間とに基づいて、自ノード及び他ノードのタイミング制御信号の通信タイミング関係を決定する位相応答関数を調整する位相応答関数調整手段と、（３）通信タイミング計算手段が、位相応答関数調整手段により調整された位相応答関数を用いて、所定の時間発展規則に従って、自ノードの上記タイミング制御信号の通信タイミングを計算する通信タイミング計算手段とを備えることを特徴とする。

第３の本発明の通信タイミング制御プログラムは、通信システムを構成するノードに設けられる通信タイミング制御プログラムであって、他ノードからのタイミング制御信号の通信タイミングを利用して、自ノードのタイミング制御信号の通信タイミングを決定し、自ノードのタイミング制御信号の通信タイミング及び他ノードのタイミング制御信号の通信タイミングに基づいて、データ信号の送信期間を決定する通信タイミング制御プログラムにおいて、コンピュータに、（１）他ノードとの間で上記タイミング制御信号の送受信を行なうタイミング制御信号送受信手段と、（２）自ノードのデータ信号の送信に必要な所要送信期間と、他ノードのデータ信号の送信に必要な所要送信期間とに基づいて、自ノード及び他ノードのタイミング制御信号の通信タイミング関係を決定する位相応答関数を調整する位相応答関数調整手段と、（３）位相応答関数調整手段により調整された位相応答関数を用いて、所定の時間発展規則に従って、自ノードのタイミング制御信号の通信タイミングを計算する通信タイミング計算手段として機能させるものである。

第４の本発明のノードは、通信システムを構成するノードが、第１の本発明の通信タイミング制御装置を備えることを特徴とする。

第５の本発明の通信システムは、第４の本発明のノードを複数有して構成されることを特徴とする。

本発明によれば、ネットワークトポロジーやトラフィックパタン等が動的に変化した場合であっても、その変化に対応した通信タイミングパタンを各ノードにおいて形成することができる。

（Ａ）第１の実施形態
以下では、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、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の第１の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

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、センサネットワークで利用される無線通信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
（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（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。

多数のノード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が、シンクノードＳの機能は、基本的に、これから説明する各ノードＡが有する構成を備えるものである。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）ノードの内部構成
図３は、各ノードＡの内部構成を示す内部構成図である。図３において、各ノード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。

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の詳細については後述するが、基本的には、特許文献１〜特許文献４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。

また、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。

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。なお、図２では、送信するタイミング信号を出力タイミング信号と示し、受信するタイミング制御信号を入力タイミング信号と示す。

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。なお、タイミング制御信号の送信タイミングは、位相信号が所定の位相（例えば、α（０≦α＜２π））となるタイミングとし、例えば、システム全体で統一しておくことが好ましい。

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）通信タイミング計算手段１の詳細な構成
次に、第１の実施形態の通信タイミング計算手段１の詳細な構成を図面を参照しながら説明する。

図１は、第１の実施形態の通信タイミング計算手段１の内部構成を示すブロック図である。図１において、第１の実施形態の通信タイミング計算手段１は、近傍ノード状態管理手段１１、所要位相差計算手段１２、位相応答関数調整手段１３、位相ダイナミクス手段１４、を少なくとも有して構成される。

近傍ノード状態管理手段１１は、近傍ノードのタイミング制御信号を受信すると、近傍ノードのアドレス情報、近傍ノードのタイミング制御信号と自ノードのタイミング制御信号との位相差Δθij、近傍ノードのタイミング制御信号の信号受信強度等の情報を求め、これらの情報を逐次更新しながら管理するものである。近傍ノード状態管理手段１１は、一定時間経過して古くなった解析情報を削除するようにしてもよい。

また、近傍ノード状態管理手段１１は、管理する近傍ノードのアドレス情報を所要位相差計算手段１２に与えると共に、近傍ノードと自ノードとの位相差Δθijを位相ダイナミクス手段１４に与えるものである。

ここで、近傍ノードと自ノードの位相差Δθijは、近傍ノードｊのタイミング制御信号の位相値θj（t）から自ノードｉのタイミング制御信号の位相値θi（t）を引くことにより得られる位相差である。近傍ノード状態管理手段１１は、位相ダイナミクス手段１４において求められた自ノードの位相値を逐次受け取り、この自ノードの位相値を用いて、近傍ノードと自ノードとの位相差を求めている。

所要位相差計算手段１２は、近傍ノードのタイミング制御信号に基づいて解析される情報に基づいて、近傍ノードが確保したい通信時間を求めるものである。これにより、所要位相差計算手段１２は、近傍ノードがどれだけの時間送信権を必要としているかを管理することができる。また、所要位相差計算手段１２は、自ノードが確保したい通信時間を求めるものである。さらに、所要位相差計算手段１２は、自ノード及び近傍ノードのそれぞれが確保したい通信時間を位相応答計算手段に与えるものである。

ここで、第１の実施形態では、所要位相差計算手段１２が、近傍ノードのアドレス情報に基づいて当該近傍ノードの確保したい通信時間を求める場合を説明する。

つまり、所要位相差計算手段１２は、近傍ノード状態管理手段１１から受け取った近傍ノードのアドレス情報に基づいて、無線通信ネットワーク構造における近傍ノードの位置情報を解析し、これに基づいて近傍ノードの確保したい通信時間を決定して、この近傍ノードの確保したい通信時間に対応する位相差（所要位相差）φｃjを求める。また、所要位相差計算手段１２は、自ノードの確保したい通信時間に対応する位相差（所要位相差）φｃを求める。

近傍ノードに係る所要位相差φｃjの求める方法としては、例えば次に示す方法がある。

例えば、第１の実施形態の無線通信ネットワークＮＴが、Ｚｉｇｂｅｅ等で用いられるクラスタツリー構造で構成されているものとする。この場合、クラスタツリー構造に従ったネットワークアドレスを一定のルールに従って各ノードＡ及びシンクノードＳに割り当てて管理する。例えば、事前にツリーの深さ（Ｌｍ）、１つのＺｉｇＢｅｅルータに接続可能なデバイスの数（Ｃｍ）、そのうちＺｉｇＢｅｅルータとして接続可能なデバイスの数（Ｒｍ）を決めておき、このような一定のルールに基づいてアドレス割り当てをするようにする。これにより、ルーティングテーブルを持つことなくアドレス情報に基づいて、転送すべきデバイスを決定することができる。

この場合、所要位相差計算手段１２は、近傍ノードのアドレス情報から、当該近傍ノードの深さ（すなわち、クラスタツリー構造のネットワークＮＴにおける各ノードの深さ）を認識することができる。そこで、所要位相差計算手段１２は、一般にシンクノードＳに近いノードほど中継するパケットが多くなり多くの送信時間の権利が必要となることから、最も単純な例として次式（１）のように、ノードの深さから線形に通信時間を決定できる。

φｃj＝α（Ｌｍ−ｄj＋１）φｂ …（１）
ここで、Ｌｍはツリーの深さを示し、ｄjはノードｊの深さを示し、φｂは基本割り当て時間を示す。また、αは、係数であり、実験的に決定することができる。

また、自ノードに係る所要位相差φｃの求める方法としては、ノードがデータ信号の送信を行なうために最低限必要なタイムスロットの大きさＷminに対応する位相幅として、φｃ＝Ｗmin×ωiにより算出することができる。ωiは自ノードｉにおける固有振動数パラメータである、またＷminは、用途等に応じて決まる定数パラメータである。

位相応答関数調整手段１３は、近傍ノードの所要位相差φｃj及び自ノードの所要位相差φｃを所要位相差計算手段１２から受け取り、これら近傍ノードに係る所要位相差及び自ノードの所要位相差φｃに基づいて、位相応答関数Ｒ（Δθij（t））を更新するものである。

なお、位相応答関数Ｒ（Δθij（t））は、自ノードのタイミング制御信号の送信タイミングを計算する際に利用する時間発展規則を構成する関数であり、近傍ノード間において均等な位相差を形成するためのものである。すなわち、位相応答関数Ｒ（Δθij（t））は、自ノードと近傍ノードとの間の位相差分布を均等になるよう力学的特性を作用させ、近傍ノード間において獲得されるタイムスロットの大きさをほぼ均等化させる特性を有する。

これにより、自ノードよりも後に送信する近傍ノードとの関係においては、自ノードの位相値から近傍ノードの位相値までの位相差が、自ノードの確保したい通信時間に対応する所要位相差φｃだけ離れているように調整できる。また、自ノードより先に送信する近傍ノードとの関係においては、近傍ノードの位相値から自ノードまでの位相値が、近傍ノードｊの確保したい通信時間に対応するφｃjだけ離れているように調整することができる。

位相ダイナミクス手段１４は、近傍ノード状態管理手段１１から自ノードと近傍ノードとの位相差を受け取ると共に、位相応答関数調整手段１３により調整された位相応答関数Ｒ（Δθij（t））を受け取り、これら自ノードと近傍ノードとの位相差及び調整された位相応答関数Ｒ（Δθij（t））を利用して、自ノードのタイミング制御信号の送信タイミングを算出するものである。

自ノードのタイミング制御信号の送信タイミングを計算する方法としては、種々の方法を適用することができるが、例えば、特許文献１〜特許文献４のいずれかに記載の方法を適用できる。自ノードのタイミング制御信号の送信タイミングを計算する方法の詳細については、特許文献１〜４のそれぞれの記載に委ね、ここでの詳細な説明は省略する。

（Ａ−２）第１の実施形態の動作
次に、第１の実施形態の自ノードにおけるタイミング制御信号の送信タイミングを計算する処理の動作について図１を参照して説明する。

まず、近傍ノードから送信されたタイミング制御信号が自ノードに到来すると、当該タイミング制御信号は、タイミング制御信号受信手段２により受信され、近傍ノード状態管理手段１１に与えられる。

近傍ノード状態管理手段１１において、少なくとも、タイミング制御信号に含まれている近傍ノードのアドレス情報、近傍ノードと自ノードとの位相差が解析され、近傍ノードと自ノードの位相差が位相ダイナミクス手段１４に与えられる。なお、ここでは、近傍ノード状態管理手段１１が近傍ノードのアドレス情報及び近傍ノードと自ノードとの位相差を解析する場合を示したが、タイミング制御信号の受信信号強度を管理するようにしてもよい。

これにより、位相ダイナミクス手段１４において、時間発展規則に従って自ノードのタイミング制御信号の送信タイミングが計算されて出力される。

また、近傍ノード状態管理手段１１は、管理する近傍ノードのアドレス情報を所要位相差計算手段１２に与える。

所要位相差計算手段１２では、近傍ノード状態管理手段１１から受け取った近傍ノードのアドレス情報に基づいて、近傍ノードの所要位相差φｃjと自ノードの所要位相差φｃとが計算され、近傍ノード及び自ノードの所要位相差φｃj及びφｃが位相応答関数調整手段１３に与えられる。

位相応答関数調整手段１３では、所要位相差計算手段１２からの近傍ノード及び自ノードの所要位相差φｃj及びφｃに基づいて位相応答関数が調整され、調整された位相応答関数が位相ダイナミクス手段１４に与えられる。

これにより、位相ダイナミクス手段１４において、タイミング制御信号の送信タイミングを決定する位相応答関数が再構成され、各ノードの所要位相差を反映した通信タイミングパタンが形成される。

図４は、位相応答関数調整手段１３により調整された位相応答関数Ｒ（Δθij（t））の形状を示す。なお、位相応答関数Ｒ（Δθij（t））の形状によって収束状態が決定する。

例えば、位相差Δθij＝θj−θi（θjは近傍ノードｊの位相値、θiは自ノードｉの位相値）で表すものとする。そして、１周期が２πに対応する場合、ある近傍ノードｊとの位相差が（０〜π）のとき、近傍ノードｊは自分より先に通信するノードであり、ある近傍ノードｊとの位相差が（π〜２π）のとき、近傍ノートｊは自分より後に通信するノードと見ることができる。

つまり、位相応答関数調整手段１３によって調整された位相応答関数の形状は、図４に示すように、自ノードよりも後に送信するノードとは自己の確保したい通信時間に対応する所要位相差φｃ分離れている必要があり、自ノードよりも先に送信する近傍ノードｊとは近傍ノードｊの確保したい通信時間に対応するφｃjだけ位相差を形成することができる。これは近傍ノードｊそれぞれで異なるものをもつことになる。

（Ａ−３）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、近傍ノードのアドレス情報に基づいて、ネットワーク構造におけるノードの深さに応じた所要位相差を用いることにより、それぞれのノードの所要位相差を考慮した最適な位相応答関数を再構成することにより、近傍ノードとの間の最適な通信タイミングパタンを形成することができるので、通信タイミングを最適にでき、データ通信の効率化を実現できる。

（Ｂ）第２の実施形態
次に、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、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の第２の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

（Ｂ−１）第２の実施形態の構成
図５は、第２の実施形態の通信タイミング計算手段２０の内部構成を示すブロック図である。図５において、第２の実施形態の通信タイミング計算手段２０は、近傍ノード状態管理手段２１、所要位相差計算手段２２、位相応答関数調整手段１３、位相ダイナミクス手段１４、を少なくとも有して構成される。

第２の実施形態の通信タイミング計算手段２０が第１の実施形態の通信タイミング計算手段１と異なる点は、所要位相差計算手段２２による所要位相差の決定方法が異なる。また、近傍ノード状態管理手段２１の接続構成が、第１の実施形態の構成と異なる。

近傍ノード状態管理手段２１は、近傍ノードからのタイミング制御信号を受け取り、第１の実施形態と同様に、近傍ノードのアドレス情報、近傍ノードのタイミング制御信号と自ノードのタイミング制御信号の位相差、近傍ノードのタイミング制御信号の信号受信強度などを管理するものである。また、第２の実施形態の近傍ノード状態管理手段２１は、近傍ノードと自ノードのタイミング制御信号の位相差を、位相ダイナミクス手段１４に与えるものである。

所要位相差計算手段２２は、シンクノードＳからネットワークトポロジー情報を受け取り、ネットワークトポロジー情報に基づいて所要位相差を決定するものである。また、所要位相差計算手段２１は、決定した近傍ノードの所要位相差及び自ノードの所要位相差φｃj及びφｃを位相応答関数調整手段１３に与えるものである。

ここで、第２の実施形態において、シンクノードＳは、無線通信ネットワークＮＴを構成する各ノードが直接接続する下流ノードのノード数を認識するものである。また、シンクノードＳは、各ノードが直接接続する下流ノードのノード数を、各ノードに対して周期的又は常時通知するものである。

なお、この各ノードの下流ノードのノード数に関する情報は、タイミング制御信号とは異なる信号で各ノードに通知してもよいし、又はタイミング制御信号に含むようにしてもよい。

位相応答関数調整手段１３は、シンクノードＳからの下流ノードのノード数をネットワークトポロジー情報として受け取り、この下流ノードのノード数に基づいて、所要位相差を決定する。

例えば、ノードｊが、直接接続している下流ノードのノード数をＮjとし、基本割り当て時間をφｂとすると、下記式（２）に従って、ノードｊの所要位相差φｃjを求める。

φｃj＝α×Ｎj×φｂ …（２）
なお、αは係数であり、実験的に決定することができるものである。

上記式（２）に従ってノードｊの所要位相差を決定することにより、ノードｊが直接接続している下流ノードのノード数に応じて所要位相差を決定することができるので、下流ノード数が多い場合（すなわち、トラフィックが多い場合）、そのノードの所要位相差を多く設定することができる。

（Ｂ−２）第２の実施形態の動作
次に、第２の実施形態の自ノードにおけるタイミング制御信号の送信タイミングを計算する処理の動作について図５を参照して説明する。

まず、近傍ノードから送信されたタイミング制御信号が自ノードに到来すると、当該タイミング制御信号は、タイミング制御信号受信手段２により受信され、近傍ノード状態管理手段２１に与えられる。

近傍ノード状態管理手段２１において、少なくとも、近傍ノードと自ノードとの位相差が解析され、近傍ノードと自ノードの位相差が位相ダイナミクス手段１４に与えられる。

位相ダイナミクス手段１４では、時間発展規則に従って、自ノードのタイミング制御信号の送信タイミングが計算されて出力される。

一方、シンクノードＳは、無線通信ネットワークＮＴを構成する各ノードが直接接続する下流ノードのノード数を認識し、各ノードが直接接続する下流ノードのノード数をネットワークトポロジー情報として、各ノードに対して周期的又は常時通知する。

ここで、シンクノードＳによる各ノードの下流ノードのノード数を求める方法としては、種々の方法が考えられ、特に限定されないが、例えば次のような方法がある。

例えば、センサネットワークなどの無線通信ネットワークＮＴにおいて、各ノードは、直接接続する下流ノードからデータ信号を受信すると、下流ノードからのデータ信号をシンクノードＳに送信する。

これにより、センサノードＳは、下流ノードからのデータ信号の転送軌跡に基づいて各ノードの下流ノードを認識することができるので、下流ノードのノード数の合計を各ノード毎に計算することで、各ノードの下流ノードのノード数を求めることができる。

そして、シンクノードＳからのネットワークトポロジー情報が各ノードに到来すると、ネットワークトポロジー情報はノードの所要位相差計算手段２２に与えられる。

所要位相差計算手段２２では、シンクノードＳからのノードの下流ノードのノード情報に基づいて、（２）式に従って所要位相差φｃjが決定され、所要位相差φｃjが位相応答関数調整手段１３に与えられる。

位相応答関数調整手段１３では、第１の実施形態と同様にして、自ノードの所要位相差φｃと近傍ノードの所要位相差φｃjに基づいて、位相応答関数Ｒ（Δθij（t））が調整される。

そして、位相ダイナミクス手段１４により自ノードのタイミング制御信号の送信タイミングが計算されて出力される。

（Ｂ−３）第２の実施形態の効果
以上のように、第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、第２の実施形態は、シンクノードＳが大域的に管理するネットワークトポロジー情報に基づいて、各ノードが所要位相差を求めることができるから、より最適な通信タイミングパタンの形成ができ、通信タイミングを最適にでき、データ通信の効率化を実現できる。

（Ｃ）第３の実施形態
次に、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、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の第３の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

（Ｃ−１）第３の実施形態の構成
図６は、第３の実施形態の通信タイミング計算手段３０の内部構成を示す機能ブロック図である。図６において、第３の実施形態の通信タイミング計算手段３０は、近傍ノード状態管理手段３１、所要位相差決定手段３２、位相応答関数調整手段３３、位相ダイナミクス手段１４、を少なくとも有して構成される。

第３の実施形態の通信タイミング計算手段３０が第１の実施形態の通信タイミング計算手段１と異なる点は、所要位相差計算手段を備えず、その代わりに所要位相差決定手段３２を備える点、各ノードで決定した所要位相差をタイミング制御信号に乗せて送信する点、そのため、近傍ノード状態管理手段３１が所要位相差を解析して管理する点などである。

近傍ノード状態管理手段３１は、近傍ノードからのタイミング制御信号を受け取ると、近傍ノードのアドレス情報、近傍ノードと自ノードとの間のタイミング制御信号の位相差、近傍ノードの所要位相差等を各近傍ノード毎に管理するものである。また近傍ノード状態管理手段３１は、各近傍ノードの所要位相差を位相応答関数調整手段３３に与えると共に、近傍ノードと自ノードとのタイミング制御信号の位相差を位相ダイナミクス手段１４に与えるものである。

第３の実施形態は、上記のように、各ノードで決定した所要位相差をタイミング制御信号に乗せて送信する。そこで、第３の実施形態では、近傍ノード状態管理手段３１が、タイミング制御信号に含まれている近傍ノードの所要位相差を読み取り、その近傍ノードの所要位相差を位相応答関数調整手段３３に与えることで、位相応答関数の調整を行なう。

また、近傍ノード状態管理手段３１は、トラフィックが発生すると、近傍ノードの所要位相差を管理し、所要位相差の総和を測定する所要位相差測定機能を有する。そして、無線帯域の上限を上回ることを防止するために、近傍ノード状態管理手段３１は、所定の閾値を備えており、所要位相差の総和が閾値を超えたときに、自ノードの所要位相差を小さくするように制御する所要位相差制御機能を有する。これにより、近傍ノードからのトラフィックに係るデータレートが大きくなり、無線帯域を超えようとする場合に、近傍ノードからのトラフィックの増大に応じて、自ノードの通信時間を短く設定変更することができる。

所要位相差決定手段３２は、近傍ノード状態管理手段３１が近傍ノード状態として管理している各近傍ノードの所要位相差に基づいて、自ノードの所要位相差を決定するものである。また、所要位相差決定手段３２は、決定した自ノードの所要位相差をタイミング制御信号に乗せて送信させるものである。

ここで、第３の実施形態では、所要位相差決定手段３２が、近傍ノード状態管理手段３１が管理する近傍ノード状態より、過去の発生トラフィックを参照して、自ノードの所要位相差を決定する。

例えば、所要位相差決定手段３２は、近傍ノード状態管理手段３１の近傍ノード状態に基づいて、過去Ｓ秒間に発生したトラフィック（データ中継も含む）を観測して、単位時間のトラフィックの発生レートを決定する。そして、この発生レートに応じて自ノードの所要位相差を決定して、タイミング制御信号に乗せる。

（Ｃ−２）第３の実施形態の動作
次に、第３の実施形態の自ノードにおけるタイミング制御信号の送信タイミングを計算する処理の動作について図６を参照して説明する。

まず、近傍ノードから送信されたタイミング制御信号が自ノードに到来すると、当該タイミング制御信号は、タイミング制御信号受信手段２により受信され、近傍ノード状態管理手段３１に与えられる。

近傍ノード状態管理手段３１では、少なくとも、近傍ノードと自ノードとの位相差、近傍ノードのアドレス情報、近傍ノードの所要位相差等が解析され、所要位相差が位相応答調整手段３３に与えられると共に、近傍ノードと自ノードとの位相差が位相ダイナミクス手段１４に与えられる。

位相応答関数調整手段３３では、近傍ノード状態管理手段３１からの所要位相差に基づいて位相応答関数の調整が行なわれ、位相ダイナミクス手段１４では、位相応答関数調整手段３３により調整された位相応答関数を用いて、自ノードのタイミング制御信号が求められる。

一方、所要位相差決定手段３２では、近傍ノード状態管理手段３１において管理される各近傍ノード毎の近傍ノード状態に基づいて、発生したトラフィックのデータレートに応じて、自ノードの所要位相差が自律的に決定される。

例えば、所要位相差決定手段３２は、発生したトラフィックのデータレートが大きくなるにつれ、自ノードの所要位相差を小さくするように、所定の数式を予め設定し、この数式を用いて自ノードの所要位相差を決定することができる。また例えば、予め設定された、発生トラフィックのデータレートと自ノードの所要位相差との対応関係を示すテーブルを所要位相差決定手段３２が備えて、自ノードの所要位相差を決定するようにしてもよい。

また、決定された自ノードの所要位相差は、所要位相差決定手段３２によりタイミング制御信号に乗せられる。

このように、各ノードの所要位相差をタイミング制御信号に乗せることで、各近傍ノードの所要位相差を各ノードが求めることなく直接知ることができ、位相応答関数を再構成して、通信タイミングの最適化を図ることができる。

また、近傍ノード状態管理手段３１では、所要位相差の総和が測定され、その所要位相差の総和が閾値と比較され、所要位相差の総和が閾値を超えたか否か判定される。

そして、所要位相差の総和が閾値と判定された場合、自ノードの所要位相差を下げる旨が近傍ノード状態管理手段３１から所要位相差決定手段３２に指示される。

（Ｃ−３）第３の実施形態の効果
以上のように、第３の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、第３の実施形態によれば、自ノードで自律的に決定した自ノードの所要位相差をタイミング制御信号に乗せて他ノードに送信することで、直接他ノードの所要位相差を受け取ることができるので、簡単に通信タイミングパタンの形成ができる。

（Ｄ）他の実施形態
上述した第１の実施形態では、ノードの深さ（層）に基づいてノードの通信時間（所要位相差）を決定した場合を示した。しかし、これに限定されず、タイミング制御信号の信号受信強度に基づいて決定するようにしてもよい。

この場合、例えば、タイミング制御信号の受信強度が高い場合に、当該タイミング制御信号を送信した近傍ノードの所要位相差を大きくするような、所定の数式を予め設定しておく。そして、所要位相差計算手段が、タイミング制御信号に基づいて、数式に従った近傍ノードの所要位相差を計算することで実現することができる。

上述した第１〜第３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。

第１〜第３の実施形態において、位相ダイナミクス手段が算出する自ノードのタイミング制御信号の位相の計算方法は、位相応答関数を有する時間発展規則を利用したものであれば、特許文献１〜特許文献４に開示される方法に限定されるものではなく広く適用できる。

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。

第１〜第３の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の実施形態の通信タイミング計算手段の内部構成を示すブロック図である。 第１の実施形態の無線通信ネットワークの全体構成を示す構成図である。 第１の実施形態のノードの構成を示すブロック図である。 第１の実施形態の調整された位相応答関数の形状を示す説明図である。 第２の実施形態の通信タイミング計算手段の内部構成を示すブロック図である。 第３の実施形態の通信タイミング計算手段の内部構成を示すブロック図である。

符号の説明

１、２０及び３０…通信タイミング計算手段、１１、２１及び３１…近傍ノード状態管理手段、１２及び２２…所要位相差計算手段、３２…所要位相差決定手段、１３及び３３…位相応答関数調整手段、１４…位相ダイナミクス手段、ＮＴ…無線通信ネットワーク、Ａ…ノード、Ｓ…シンクノード。

Claims (9)

1. 通信システムを構成するノードに設けられ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制御信号の通信タイミングを利用して、自ノードのタイミング制御信号の通信タイミングを決定し、自ノードのタイミング制御信号の通信タイミング及び他ノードのタイミング制御信号の通信タイミングに基づいて、データ信号の送信期間を決定する通信タイミング制御装置において、
   他ノードとの間で上記タイミング制御信号の送受信を行なうタイミング制御信号送受信手段と、
   自ノードのデータ信号の送信に必要な所要送信期間と、他ノードのデータ信号の送信に必要な所要送信期間とに基づいて、自ノード及び他ノードの上記タイミング制御信号の通信タイミング関係を決定する位相応答関数を調整する位相応答関数調整手段と、
   上記位相応答関数調整手段により調整された上記位相応答関数を用いて、所定の時間発展規則に従って、自ノードの上記タイミング制御信号の通信タイミングを計算する通信タイミング計算手段と
   を備えることを特徴とする通信タイミング制御装置。
2. 上記位相応答関数調整手段が、上記他ノードのアドレス情報を参照してツリーネットワークを構成する上記他ノードの深さを認識し、この他ノードの深さに基づいて上記他ノードの所要送信期間を決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. 上記位相応答関数調整手段が、外部から各ノードの下流ノードのノード数情報を受け取り、上記各ノードの下流ノードのノード数情報に応じて、上記他ノードの所要送信期間を決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。
4. 過去に発生したトラフィックのデータレートに応じて、自ノードの所要送信期間を決定し、その決定した自ノードの所要送信期間を上記タイミング制御信号に含める所要送信期間決定手段を備え、
   上記位相応答関数調整手段が、上記タイミング制御信号送受信手段が受信した上記タイミング制御信号に含まれている他ノードの所要送信期間に基づいて、上記位相応答関数を調整する
   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。
5. 上記タイミング制御信号送受信手段が、上記他ノードの所要送信期間の総和を管理し、所要位相差の総和と閾値との比較により通信帯域を管理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. 通信システムを構成するノードに設けられ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制御信号の通信タイミングを利用して、自ノードのタイミング制御信号の通信タイミングを決定し、自ノードのタイミング制御信号の通信タイミング及び他ノードのタイミング制御信号の通信タイミングに基づいて、データ信号の送信期間を決定する通信タイミング制御方法において、
   タイミング制御信号送受信手段が、他ノードとの間で上記タイミング制御信号の送受信を行なうタイミング制御信号送受信工程と、
   位相応答関数調整手段が、自ノードのデータ信号の送信に必要な所要送信期間と、他ノードのデータ信号の送信に必要な所要送信期間とに基づいて、自ノード及び他ノードの上記タイミング制御信号の通信タイミング関係を決定する位相応答関数を調整する位相応答関数調整工程と、
   通信タイミング計算手段が、上記位相応答関数調整手段により調整された上記位相応答関数を用いて、所定の時間発展規則に従って、自ノードの上記タイミング制御信号の通信タイミングを計算する通信タイミング計算工程と
   を備えることを特徴とする通信タイミング制御方法。
7. 通信システムを構成するノードに設けられる通信タイミング制御プログラムであって、他ノードからのタイミング制御信号の通信タイミングを利用して、自ノードのタイミング制御信号の通信タイミングを決定し、自ノードのタイミング制御信号の通信タイミング及び他ノードのタイミング制御信号の通信タイミングに基づいて、データ信号の送信期間を決定する通信タイミング制御プログラムにおいて、
   コンピュータに、
   他ノードとの間で上記タイミング制御信号の送受信を行なうタイミング制御信号送受信手段、
   自ノードのデータ信号の送信に必要な所要送信期間と、他ノードのデータ信号の送信に必要な所要送信期間とに基づいて、自ノード及び他ノードの上記タイミング制御信号の通信タイミング関係を決定する位相応答関数を調整する位相応答関数調整手段、
   上記位相応答関数調整手段により調整された上記位相応答関数を用いて、所定の時間発展規則に従って、自ノードの上記タイミング制御信号の通信タイミングを計算する通信タイミング計算手段
   として機能させる通信タイミング制御プログラム。
8. 通信システムを構成するノードが、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備えることを特徴とするノード。
9. 請求項８に記載のノードを複数有して構成されることを特徴とする通信システム。

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