JP3865223B2 - 無線ネットワークの時刻同期方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は無線ネットワークの時刻同期方法に係り、特に、各無線ノードが分散配置された無線ネットワークに好適な時刻同期方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
上り下りに非対称なトラヒック特性を示すリンクを有する無線ネットワークでは時分割複信(TDD)方式が有効である。一般にTDD方式では、無線リンクを構成する対向無線ノード間で送受信の切り替えタイミングを合わせるために、対向する無線ノードの一方をマスタノード、他方をスレーブノードとし、マスタノードにおいて送信タイミングを管理することによりTDDフレーム時刻を管理している。
【0003】
TDD方式を採用するマルチホップ無線通信システムにおいては、複数の無線ノード同士がそれぞれ無線リンクによって接続されている。このような構成では、単一の無線リンク内でのマスタ/スレーブ間の時刻同期のみならず、無線ノード間を結ぶ複数の無線リンク間でTDD送受信タイミングを同期させることによって、複数リンクで共通の周波数を利用することが可能となり、周波数利用効率を上げることができる。しかしながら、そのためにはネットワークを構成する無線ノード同士が同期を保持する、即ち共通の基準時刻を共有することが必要である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
複数の無線ノード間で共通の基準時刻を保持する方法として、外部から基準時刻(例えばGPSからのクロックなど)を入力する方法が考えられる。しかしながら、このような方法は基準時刻を受信できない領域に無線ノードを設置することが出来ないので、システム展開の領域を制限することになる。
【0005】
ネットワーク全体で同期を取るためには、ネットワークの情報を集中制御・管理し、ネットワークトポロジーを考慮した上で同期情報を各ネットワークに分配する必要があった。
【0006】
例えば、電子情報通信学会論文誌B-II Vol.J81-B-II No.4 pp.278-288(矢幡)では、マイクロセルラ移動通信において、数百の基地局に1つの割合でマスタ局を設置し、マスタ局がGPS等を用いて正確な時間基準を受けることを提案している。しかしながら、ここではマスタ局やマスタ局に従属するスレーブ局がダウンした際の復旧手順が考慮されていない。
【0007】
電子情報通信学会信学技報DSP97-163(王他)では、車両ネットワークにおいて自律分散的に通信フレームの同期をとるためのシステムが提案されている。しかしながら、ここでは全てのユーザーが通信半径にある、即ちお互いの同期パルスを検出できることを前提としている。このため、ノードが広範囲に分布し、指向性アンテナを利用するメッシュ型システムには適応できない。
【0008】
さらに、メッシュ型無線通信システムにおいて各無線ノードが自律的に時刻同期を確立しようとする方法として、電子情報通信学会通信ソサイエティ大会B-5-210(田畑他)では、時刻基準ノードを基点として時刻同期ツリーを生成し、ネットワーク全体の同期を取ることを提案している。しかしながら、この方式ではツリーを作成するためにネットワークトポロジ情報が必要となる。また、リンク断によりトポロジ構成が変化した場合には、新たにツリーを作成し直す必要があった。
【0009】
本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決し、複数のノードが分散配置されたマルチホップ無線ネットワークにおいて、各ノードが基準時刻を外部から受信することなく、かつネットワークトポロジを必要とすることなく、自律分散的に動作しながら時刻同期を確立することのできる無線ネットワークの時刻同期方法を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明は、複数の無線ノードが分散配置され、各無線ノードが少なくとも一つの無線チャネル装置を含み、対向する無線ノードがそれぞれの無線チャネル装置間に無線リンクを確立する無線ネットワークにおいて、無線リンクを共有して対向する一対の無線ノードの一方の無線チャネル装置(マスタ)のフレーム同期用クロックに他方の無線チャネル装置(スレーブ)のクロックを同期させる手順と、マスタおよびスレーブが収容されている無線ノードにおいて、前記スレーブのクロックにマスタのクロックを同期させる手順とを含むことを特徴とする。
【0011】
上記した特徴によれば、各ノードは自ノードに収容されている無線チャネル装置のクロックと対向ノードに収容されている無線チャネル装置のクロックとを同期させることができるので、各ノードが自律分散的に時刻同期のための処理を行っても、リンクで繋がれたノード間では各無線チャネル装置のクロックを同期させることができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。図21は、本発明の時刻同期方法が適用される無線ネットワークの構成を示した図であり、複数の無線ノードNが分散配置され、対向する無線ノードNがそれぞれの無線チャネル装置間に無線リンクLを確立してマルチホップ無線ネットワークを構成している。
【0013】
本実施形態では、図1に示したように、無線リンクLを確立する一対の無線ノードN1,N2の各無線チャネル装置が、フレーム同期のタイミングに関して、一方がマスタM、他方がスレーブSとして機能する。スレーブSとして機能する無線チャネル装置(S)は、自身のクロックをマスタMとして機能する無線チャネル装置(M)のクロックに同期させる。対向する各無線チャネル装置のマスタM/スレーブSの関係は、図2に示したように、両者でネゴシエーションを行うことにより、いつでも入れ替わることができる。
【0014】
一般のマルチホップ無線ネットワークでは、一つのノードが複数の無線チャネル装置を備え、それぞれの無線チャネル装置にリンクが接続される。図3に示したノードN2のように、スレーブSとして機能する無線チャネル装置(S)およびマスタMとして機能する無線チャネル(M)を収容している場合には、前記ノード間のマスタM/スレーブSに適用されるルールとは逆に、無線チャネル装置(M)が、自身のクロックを無線チャネル装置(S)に同期させる。
【0015】
図3の形態では、ノードN2、N3の各無線チャネル装置のクロックは、その大元に位置するノードN1の無線チャネル装置(M)に同期することになる。本実施形態では、このように同期の確立されているリンクにおいて大元のクロック供給源となるマスタを、図4に示したように、特別に「ルートR」と定義し、無線チャネル装置(R)は、同期の確立されているリンク木内に唯一存在するものとする。
【0016】
ところで、ノード内に複数の無線チャネル装置が存在しても、全てのクロックが同期しているとは限らず、このような場合には、ネットワーク内に複数のリンク木が存在することになる。図5では、ノードN2に収容されている3つの無線チャネル装置のうち、リンクL12を終端する無線チャネル装置(S)とリンクL23を終端する無線チャネル装置(M)とは同期しているのに対して、この2つの無線チャネル装置と、リンクL24を終端する無線チャネル装置(S)とは同期していない。このため、ノードN1,N2,N3を含むリンク木およびノードN2,N3,N4を含むリンク木という、2つの独立したリンク木が存在し、それぞれノードN1,N4の無線チャネル装置がルートRとして機能している。
【0017】
なお、図5のノードN4のように、同一ノード内にルートRとして機能する無線チャネル装置(R)とマスタMとして機能する無線チャネル装置(M)とが存在する場合、無線チャネル装置(M)が、自身のクロックを無線チャネル装置(R)に同期させる。
【0018】
さらに、本実施形態では各無線チャネル装置に、そのシリアル番号等に基づいてネットワーク全体で一意に優劣を判断できる優先度を予め設定している。そして、図6(a)に示したように、優先度の異なる無線チャネル装置間にリンクが確立されると、スレーブSとして立ち上がった無線チャネル装置の優先度を、マスタとして立ち上がった無線チャネル装置の優先度と同じに変更する。したがって、優先度Aの無線チャネル装置がマスタMとして立ち上がれば、同図(b)に示したように、各無線チャネル装置の優先度はいずれもAとなる。優先度Bの無線チャネル装置がマスタMとして立ち上がれば、同図(c)に示したように、各無線チャネル装置の優先度はいずれもBとなる。各無線チャネル装置の優先度は、当該ノードN1,N2間に確立されたリンクの優先度にも適用される。
【0019】
次いで、図7のネットワークを例にして本実施形態の動作を詳細に説明する。ここでは、6つのノードN1〜N6を含むネットワークを例にして説明する。
【0020】
ノードN4の4つの無線チャネル装置T41(R),T42(R),T43(S),T44(S)は、それぞれノードN6の無線チャネル装置T61(S),ノードN3の無線チャネル装置T31(S),ノードN5の無線チャネル装置T51(R),ノードN2の無線チャネル装置T22(M)との間に無線リンクを確立し、ノードN2の無線チャネル装置T21(R)とノードN1の無線チャネル装置T11(S)との間にも無線リンクが確立されている。
【0021】
このような構成の無線ネットワークにおいて、たとえば停電によりシステム全体の同期が外れ、その後、各無線チャネル装置が独自のタイミングで立ち上がった場合を想定する。初期状態では、無線ネットワークが時間同期に関して4つのグループG1,G2,G3,G4に分割され、各グループ内では同期が確立されているものの、グループ間では同期が確立されていない。このため、グループ外とのリンクでは同一周波数を利用することができず、周波数利用効率を高めることができない。
【0022】
グループG1は、ノードN6の無線チャネル装置T61およびノードN4の無線チャネル装置T41を含む。グループG2は、ノードN2の無線チャネル装置T21,T22、ノードN4の無線チャネル装置T44およびノードN1の無線チャネル装置T11を含む。グループG3は、ノードN3の無線チャネル装置T31およびノードN4の無線チャネル装置T42を含む。グループG4は、ノードN5の無線チャネル装置T51およびノードN4の無線チャネル装置T43を含む。
【0023】
各グループG1,G2,G3,G4には、それぞれのグループにおいてルートRとして機能する無線チャネル装置T41,T21,T42,T51の優先度に基づいて優先度A,B,C,Dが割り当てられているものとし、優先度はA>B>C>Dの順とする。
【0024】
図14は、本実施形態における同期確立手順を示したフローチャートであり、各ノードにおいて自律分散的に実行されるが、ここでは、ノードN4における動作に例にして説明する。なお、ノードN4において同期確立手順が実行される場合、その対向ノードにおいて同時に同期確立手順が実行されるのを防ぐために、対向ノードのリンクを予めロックしておく。
【0025】
ステップS1では、ロック状態になっているリンクが制御対象から除外される。ステップS2では、制御対象となる無線チャネル装置が2つ以上か否かが判別される。本実施形態では、ノードN4が4つの無線チャネル装置を含むのでステップS3へ進む。ステップS3では、全ての無線チャネル装置の優先度が同一であるか否かが判別される。本実施形態では、ノードN4に収容されている全ての無線チャネル装置の優先度が同一ではないのでステップS4へ進み、優先度の一番高いルートRまたはスレーブSが基準チャネル装置として認識される。本実施形態では、無線チャネル装置T41(R)の優先度が最も高い(優先度A)ので、これが基準チャネル装置となる。
【0026】
ステップS5では、ノードN4に収容されている残りの無線チャネル装置T42,T43,T43のいずれかが注目チャネルとして順番に選択される。ここでは、無線チャネル装置T42(R)が今回の注目チャネルとして選択されたものとして説明を続ける。
【0027】
ステップS6では、注目チャネル装置T42(R)がスレーブであるか否かが判定される。注目チャネル装置T42はルートRであり、ここではスレーブ以外と判定されるのでステップS7へ進む。ステップS7では、当該注目チャネル装置T42(R)に対してノード内従属処理が実行される。
【0028】
図15は、前記「ノード内従属処理」の動作を示しフローチャートであり、ステップS71では、図8に示したように、今回の注目チャネル装置T42がマスタMに変換される。ステップS72では、マスタMに切り替わった注目チャネル装置T42(M)のクロックを基準チャネル装置(無線チャネル装置T41)のクロックに同期させる。すなわち、注目チャネル装置T42(M)を無線チャネル装置T41(R)に従属させる。ステップS73では、注目チャネル装置T42(M)およびこれに従属しているノードN3の無線チャネル装置T31の優先度が「A」に変更される。
【0029】
図14に戻り、ステップS9では、全ての無線チャネル装置に関して従属処理が完了したか否かが判定され、ここでは無線チャネル装置T43,T44に関する従属処理が完了していないのでステップS5へ戻る。
【0030】
ステップS5において、今回の注目チャネルとして無線チャネル装置T43(S)が新たに選択されると、ステップS6では、今回の注目チャネルがスレーブSと判定されるのでステップS8へ進む。ステップS8ではスレーブS/ルートR(またはマスタM)入替処理が実行され、図9に示したように、注目チャネル装置T43と対向チャネル装置T51との間でスレーブS/ルートRの役割が入れ替えられる。
【0031】
ステップS7では、前記と同様に優先度の低い側の無線チャネル装置T43(R)を、図10に示したように、ルートRからマスタMに変換し(ステップS71)、注目チャネル装置T43(M)を基準チャネル装置T41(R)に従属させ(ステップS72)、さらに注目チャネル装置T43(M)およびこれに従属しているノードN5の無線チャネル装置T51(S)の優先度を「A」に変更する。
【0032】
ステップS9では、全ての無線チャネル装置に関して従属処理が完了したか否かが判定され、ここでは無線チャネル装置T44(S)に関する従属処理が完了していないのでステップS5へ戻る。
【0033】
ステップS5において、今回の注目チャネルとして無線チャネル装置T44(S)が新たに選択されると、ステップS6では、今回の注目チャネル装置T44がスレーブSと判定されるのでステップS8へ進む。ステップS8では、スレーブS/ルートR(またはマスタM)入替処理が実行され、図11に示したように、今回の注目チャネル装置T44と対向チャネル装置T22との間でスレーブS/マスタMの役割が入れ替えられる。
【0034】
このとき、対向チャネル装置T22と、これに従属していた無線チャネル装置T21(R)との従属関係が解消されてルートRが存在しなくなるので、マスタに変更された注目チャネル装置T44がルートRに切り替わる。
【0035】
ステップS7では、図12に示したように、注目チャネル装置T44(R)をルートRからマスタMに変換し(ステップS71)、さらに、注目チャネル装置T44(M)のクロックを基準チャネル装置T41のクロックに同期させたのち(ステップS72)、注目チャネル装置T44(M)および対向ノードN2の無線チャネル装置T22(S)の優先度をAに変更する。
【0036】
これとは別に、ノードN2において同様の処理が実行されれば、図13に示したように、ノードN2の無線チャネル装置T21がルートRからマスタMに切り替わり、同一ノード内でスレーブSとして機能している無線チャネル装置T22に前記無線チャネル装置T21を従属させることにより、全てのノードの無線チャネル装置間で同期が確立されることになる。なお、他のノードN1,N3,N5,N6に関しては、前記ステップS2の判断が否定となるので、上記した同期処理は実質的に実行されない。
【0037】
このように、本実施形態によれば各ノードは自ノードに収容されている無線チャネル装置のクロックと対向ノードに収容されている無線チャネル装置のクロックとを同期させることができる。したがって、各ノードが自律分散的に時刻同期のための処理を行っても、リンクで繋がれたノード間では各無線チャネル装置のクロックを同期させることができる。
【0038】
なお、上記した実施形態では、対向する一対のノード間に確立される無線リンクが1チャネルのみである場合を例にして説明したが、本発明はこれのみに限定されるものではなく、無線リンクが複数のチャネルにより構成される場合にも同様に適用できる。
【0039】
図16は、リンクが複数のチャネルにより構成される場合の動作を模式的に示した図であり、前記と同一の符号は同一または同等部分を表している。
【0040】
本実施形態では、無線リンクを構成する複数の無線チャネルの中の1つを「リンク専用チャネル」と定義し、前記図14、15のフローチャートを参照して説明したアルゴリズムを、当該リンクに関しては「リンク専用チャネル」に対してのみ実行する。他のチャネルは、自身のクロックをリンク専用チャネルのクロックに同期させ、かつ自身の優先度をリンク専用チャネルの優先度に一致させる。
【0041】
なお、上記した構成では、「リンク専用チャネル」がダウンした場合に備えて、同一リンクの各チャネルに優先順位を予め設定しておき、図17に示したように、「リンク専用チャネル」がダウンすると、次に優先度の高い他のチャネルが「リンク専用チャネル」として機能するようにしている。なお、各チャネルに付する優先順位は、例えば、チャネルの立ち上がった順序として対向ノード間で記憶しておくことができる。
【0042】
図18,19,20は、本発明の効果を説明するための図である。図18に示したように、基準時刻ノードN4を中心としてノードN1〜N11間に確立された全ての無線リンクが同期している状態から基準時刻ノードN4がダウンすると、従来技術では、ノード内の各無線チャネル装置が相互に連携することができないので、図19に示したように、全ての無線リンクが相互に非同期になる。
【0043】
これに対して、本実施形態ではノード内の各無線チャネル装置が自立分散的に同期確立のためのアルゴリズムを実行し、相互に連携して同期を確立するので、リンクのつながっている範囲内であれば直ちに同期を確立することができる。
【0044】
【発明の効果】
本発明によれば、各ノードは自ノードに収容されている無線チャネル装置のクロックと対向ノードに収容されている無線チャネル装置のクロックとを同期させることができるので、各ノードが自律分散的に時刻同期のための処理を行っても、リンクで繋がれたノード間では各無線チャネル装置のクロックを同期させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 各無線チャネル装置間でのマスタ/スレーブの従属関係を示した図である。
【図2】 マスタ/スレーブの交換方法を示した図である。
【図3】 ノード内でのマスタ/スレーブの従属関係を示した図である。
【図4】 ルートの定義を説明するための図である。
【図5】 非同期のリンク木を含むネットワークを示した図である。
【図6】 各無線チャネル装置への優先度の割当方法を示した図である。
【図7】 同期手順を示した図(その1)である。
【図8】 同期手順を示した図(その2)である。
【図9】 同期手順を示した図(その3)である。
【図10】 同期手順を示した図(その4)である。
【図11】 同期手順を示した図(その5)である。
【図12】 同期手順を示した図(その6)である。
【図13】 同期手順を示した図(その7)である。
【図14】 本実施形態の動作を示したフローチャートである。
【図15】 ノード内従属処理のフローチャートである。
【図16】 無線リンクが複数のチャネルを含む場合の同期方法を示した図である。
【図17】 無線リンクが複数のチャネルを含む場合の同期方法を示した図である。
【図18】 本発明の効果を説明するための図である。
【図19】 本発明の効果を説明するための図である。
【図20】 本発明の効果を説明するための図である。
【図21】 本発明が適用されるマルチホップ無線ネットワークの構成を示した図である。
【符号の説明】
L…無線リンク,M…マスタとして機能している無線チャネル装置,N…無線ノード,R…ルートとして機能している無線チャネル装置,S…スレーブとして機能している無線チャネル装置,T…無線チャネル装置,
Claims (1)
- 複数の無線ノードが分散配置され、各無線ノードが少なくとも一つの無線チャネル装置を含み、各無線チャネル装置に優先度が設定され、対向する無線ノードがそれぞれの無線チャネル装置間に無線リンクを確立する無線ネットワークの時刻同期方法であって、
無線リンクを共有して対向する一対の無線ノードの一方の無線チャネル装置(マスタ)のフレーム同期用クロックに他方の無線チャネル装置(スレーブ)のクロックを同期させる手順と、
マスタおよびスレーブが収容されている無線ノードにおいて、前記スレーブのクロックにマスタのクロックを同期させる手順と、
同期のとれたリンクに繋がっている複数のマスタのうち、クロックに関して最も上流に位置してクロック供給源として機能するマスタをルートとして定義する手順と、
ルートおよびマスタが収容されている無線ノードにおいて、前記ルートのクロックにマスタのクロックを同期させる手順と、
さらに各無線ノードが自律分散的に、
ノード内のルートおよびスレーブの中で優先度が最も高い無線チャネル装置を基準チャネル装置に設定する手順と、
前記基準チャネル装置以外のルートをマスタに変更し、当該マスタのクロックを基準チャネル装置のクロックに同期させる手順と、
前記基準チャネル装置以外のスレーブと、これに対向するルートまたはマスタとを入れ替える手順と、
同期のとれたリンクに繋がっている全ての無線チャネル装置の優先度を一の優先度に統一する手順とを含むことを特徴とする無線ネットワークの時刻同期方法。
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