JP4196910B2 - 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

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、例えば、障害物などが介在するために直接通信し得ないノードを含めた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。また、管理ノードを設けずに、ノード間のネゴシエーションに送信権の取得を任せた場合には、データ通信の衝突が多く発生する恐れが大きくなるだけでなく、障害物などが介在するために直接通信し得ない複数のノードがあるような状況でどのように送信権を付与するのかという問題なども生じる。

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、（１）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基本的な状態変数信号を送信する状態変数信号通信手段と、（２）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、（３）自ノードからの状態変数信号の送出タイミングに応じて定まるタイムスロットでデータ信号を送信すると共に、他ノードが送信したデータ信号を受信するデータ信号通信手段と、（４）複数の他ノードが送信したデータ信号の受信衝突を検知するデータ信号衝突検知手段と、（５）複数の他ノードが送信したデータ信号の受信衝突を検知したときに、自ノードのタイムスロットを操作するタイムスロット変更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３の本発明のノードを複数分散配置して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、（１）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基本的な状態変数信号を送信する状態変数信号通信処理と、（２）上記状態変数信号通信処理で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処理に与えるタイミング決定工程と、（３）自ノードからの状態変数信号の送出タイミングに応じて定まるタイムスロットでデータ信号を送信すると共に、他ノードが送信したデータ信号を受信するデータ信号通信処理と、（４）複数の他ノードが送信したデータ信号の受信衝突を検知するデータ信号衝突検知処理と、（５）複数の他ノードが送信したデータ信号の受信衝突を検知したときに、自ノードのタイムスロットを操作するタイムスロット変更処理と含むことを特徴とする。

本発明によれば、管理ノードが存在しなくても、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。従って、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、データ信号の受信に衝突が発生したと検知したノードが、自ノードのタイムスロットの数又は位置を操作して再度の相互作用を引き起こすので、データ信号の衝突を解消することができる。

（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る。

図２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（図２ではノードＡ〜Ｄ）が分散配置されているものである。各ノードは、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。この第１の実施形態は、例えば、障害物の存在などにより、インパルス信号及びデータ信号を授受し得ないノードの組（図２の例では、ノードＢ及びノードＣ）が存在しても、全てのノードにタイムスロットを適切に割り当てられることを意図している。

図１は、第１の実施形態の各ノードの内部構成を示す機能ブロック図である。第１の実施形態のノード１０は、インパルス信号通信手段１１、通信タイミング計算手段１２、擬似通信タイミング計算手段１３、同期判定手段１４、データ信号通信手段１５及び衝突検知手段１６を有する。

インパルス信号通信手段１１は、近傍ノード（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。インパルス信号通信手段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、擬似通信タイミング計算手段１３及び同期判定手段１４に与える。

インパルス信号通信手段１１は、送信機能については、以下の通りである。インパルス信号通信手段１１は、通信タイミング計算手段１２が後述するようにして得た位相信号θｉ１（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θｉ１（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α１は、予めシステム全体で統一しておくことが好ましい。また、インパルス信号通信手段１１は、擬似通信タイミング計算手段１３が後述するようにして得た位相信号θｉ２（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θｉ２（ｔ）が所定の位相α１（０≦α＜２π）になると、インパルス信号を送信出力する。

通信タイミング計算手段１２及び擬似通信タイミング計算手段１３はほぼ同様なものである。通信タイミング計算手段１２は、衝突検知手段１６が衝突を検知していないときも、また、衝突を検知した以降も動作するものである。一方、擬似通信タイミング計算手段１３は、衝突検知手段１６が衝突を検知した以降だけ（衝突を検知している期間だけ）動作するものである。さらに、通信タイミング計算手段１２及び擬似通信タイミング計算手段１３はそれぞれ、他方の擬似通信タイミング計算手段１３又は通信タイミング計算手段１２を恰も他のノードのものとみなして処理する。これらの点を除けば、通信タイミング計算手段１２及び擬似通信タイミング計算手段１３はほぼ同様なものであるので、以下では、通信タイミング計算手段１２を例に機能を説明する。

通信タイミング計算手段１２は、インパルス信号通信手段１１が他ノードからのインパルス信号の受信時に出力した信号に基づき、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）（＝θｉ１（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１０の状態変数信号と見ることができる。

（１）式は、インパルス信号通信手段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、インパルス信号通信手段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、近傍ノード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、近傍ノード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、近傍ノード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、インパルス信号通信手段１１の機能も関係している。

図３及び図４は、ある１つのノードに着目したときに、着目ノード（自ノード）と近傍のノード（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。なお、図３及び図４は、着目ノード及び近傍ノード共に、擬似通信タイミング計算手段１３が機能していない場合を示している。

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θｉ１（ｔ）を、インパルス信号通信手段１１、同期判定手段１４及びデータ信号通信手段１５に出力し、擬似タイミング計算手段１３は、得られた位相信号θｉ２（ｔ）を、インパルス信号通信手段１１、同期判定手段１４及びデータ信号通信手段１５に出力する。

同期判定手段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。同期判定手段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。同期判定手段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）（＝θｉ１（ｔ）及び又はθｉ２（ｔ））が入力されている。

同期判定手段１４は、例えば、以下の（ａ）〜（ｄ）のような処理を実行して同期判定を行う。なお、同期判定の基準的な位相信号として、位相信号θｉ１（ｔ）だけを用い、位相信号θｉ２（ｔ）を他ノードでの位相を表すものととらえるようにしても良い。

（ａ）インパルス信号通信手段１１からのインパルス信号の受信通知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。

同期判定手段１４は、位相信号θｉ（ｔ）の周期毎に、判定結果を示す同期判定信号と、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信号通信手段１５に出力する。

データ信号通信手段１５は、他ノード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。データ信号通信手段１５は、データ送信を、同期判定信号が「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、同期判定信号が「過渡状態」を示す場合には送信動作を停止している。

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。

衝突検知手段１６は、他ノードから受信したデータ信号が衝突しているか否か、また、衝突する可能性があるか否かを判定する機能を有している。

各ノードに対してタイムスロットを自律分散的に割り当てる基本的な構成（１１、１２、１４、１５）に加え、擬似通信タイミング計算手段１３及び衝突検知手段１６を設けたのは、以下のような点を考慮したためである。

タイムスロットの最大幅を考慮すると、自ノードからのインパルス信号を送信してから、後続の他ノードがインパルス信号を送信する直前まで、データ信号を送信することができる。このようにして、信号の到達範囲内で衝突なしにデータ信号を送受信することができる（図３及び図４参照）。

しかしながら、障害物等の影響が及ぶことによる隠れノード問題が発生する可能性がある。例えば、上述した図２のようなノード位置関係のネットワークがある場合において、ノードＡが、全ての他のノードＢ、Ｃ、Ｄと相互作用を行っているとする。

図５（ａ）は、ノードＡ、Ｂ、Ｃのそれぞれから見たタイムスロットの割り当て幅を表している。ノードＢとノードＣとの間には、障害物があるため、ノードＢとノードＣとが直接通信することができず、ノードＢとノードＣとは相互作用を行わない。そのため、ノードＡ、Ｂ、Ｃのそれぞれから見たタイムスロットの割り当て幅は、図５（ａ）に示すようになる。ノードＢは、自ノードでのタイムスロットの割り当て幅において自ノードＢのタイミングでデータ信号を送信し、ノードＣは、自ノードでのタイムスロットの割り当て幅において自ノードＣのタイミングでデータ信号を送信する（図５（ａ）の矢印はそのノードがデータ信号を送信している）期間を表している）。ノードＡでは、ノードＣに割り当てられていると判定しているタイムスロットで、ノードＢ及びノードＣからのデータ信号が衝突し、受信できない。

なお、このような隠れノード問題の解決策として、ＲＴＳ／ＣＴＳ（Ｒｅｑｕｅｓｔ Ｔｏ Ｓｅｎｄ／Ｃｌｅａｒ Ｔｏ Ｓｅｎｄ）のようにデータ発信権獲得信号を送信し、受信ノードから応答が返れば送信開始するという方法がある。しかし、相互作用で、既に発信権を獲得しており、この方法を用いると二重に送信権獲得制御を行うことになるので有効な手段とは言えず、また、データ信号に１チャネルのみ割り当てている条件下でこの方法を用いると、スループットが低くなる。

そこで、第１の実施形態では、擬似通信タイミング計算手段１３及び衝突検知手段１６をも設け、隠れノード問題を解決する。概略を言えば、他ノードからのデータ信号の受信で衝突が発生しているか否かを判定し、発生しているならば、衝突位置に、自ノードとして２種類目のインパルス信号を挿入する制御を行う。

以下、次の６段階に分けて、隠れノード問題を解決する、第１の実施形態のノード動作を説明する。すなわち、（Ｓ１）定常状態へ遷移、（Ｓ２）衝突検知、（Ｓ３）新規インパルス追加、（Ｓ４）再相互作用、（Ｓ５）データ信号送信再開、（Ｓ６）通常状態へ遷移、の６段階で動作を説明する。

Ｓ１：定常状態へ遷移
上述したように、各ノードは、近傍ノードと相互作用を行い、定常状態に遷移すると、自ノードにおけるタイムスロットで、データ信号の送信を開始する。各ノードは、例えば、自ノードのインパルスの送信後から後続のインパルス信号の受信直前までの間をタイムスロットとして、データ信号の送信が可能である。

Ｓ２：衝突検知
衝突検知手段１６では、インパルス信号通信手段１１内の受信部及びデータ信号通信手段１５内の受信部からの信号入力を用いて、タイムスロットを越えてデータ信号が送信されてきていないかを判別する。衝突検知手段１６では、自ノードでのタイムスロットの認識では、タイムスロットの順番が次のノードからのインパルス信号受信タイミングでも、先行するノードからのデータ信号を受信し続けているならば、そのタイミングで衝突したと判定する。ここで、データ信号を受信しないタイムスロットについては衝突判定を実行しないようにしても良い。図５（ａ）の場合におけるノードＡの衝突検知手段１６は、ノードＢからのデータ信号がノードＣのインパルス信号の受信後も受信し続けるので衝突していると判定し、ノードＣのインパルス信号受信位置を衝突位置として保持する。なお、ノードＡがノードＣからのデータ信号を受信しないと確定している場合ならば、衝突しないと判定するようにしても良い。データ信号を受信しないタイムスロットかどうかは、複数周期にわたりデータ信号が送信されているかを測定し、送信されていなければ、受信対象外ノードと判定する方法で行うようにしても良い。

インパルス信号とデータ信号が、別チャネルを使用しているときは、上記の方法で衝突検知を行う。なお、同一チャネルの場合は、同期判定手段１４で次の受信タイミングを予想できるので、インパルス信号通信手段１１の受信部に代え、同期判定手段１４に格納されているノードごとの予想受信タイミングを用い、予想受信タイミングを超えデータ信号が受信されていると衝突と判定することができる。

さらに、図２に示すように、ノードＢとノードＣは互いの信号を受信できないため、位相差が狭まる可能性がある。そこで、タイムスロットの最低保証幅を設け、データ信号受信可能なノードのタイムスロットがこの最低保証幅未満ならば、衝突と判定するようにしても良い。

Ｓ３：新規インパルス追加
衝突検知手段１６が衝突検知したノードでは、通信タイミング計算手段１２と同一の処理を行う擬似通信タイミング計算手段１３での計算を開始し、擬似インパルス信号の送信を行う。擬似インパルス信号は、インパルス信号と同様なタイミング信号であり、送信開始位置は衝突検知で保持した衝突位置に後続するように発信する。図５（ａ）の例では、ノードＢからのインパルス信号の受信直後にノードＡから擬似インパルス信号の送信を開始する。なお、擬似インパルス信号の送信開始位置は、図５（ａ）におけるノードＢのタイムスロット内であっても良い。

Ｓ４：再相互作用
擬似インパルス信号も、ある１個のノードが発信したものとして相互作用を行う。擬似インパルス信号の送信開始後は、そのノードでは、通信タイミング計算手段１２による計算タイミングに基づいたインパルス信号（基本インパルス信号）と、擬似通信タイミング計算手段１３による計算タイミングに基づいた擬似インパルス信号との２インパルス信号を１周期の間に送信することになる。

ここで、擬似通信タイミング計算手段１３は基本インパルス信号を他ノードからのインパルス信号とし、通信タイミング計算手段１２は擬似インパルス信号を他ノードからのインパルス信号として扱って相互作用を行う。

Ｓ５：データ信号送信
定常状態になれば、各ノードがデータ信号の送信を再開する。図５（ａ）の状態のときに、ノードＢのインパルス信号に続きノードＡの擬似インパルスが挿入された場合、定常状態になると、図５（ｂ）に示すようなタイムスロットの割り当てとなる。ノードＡにおけるタイムスロットの割り当てでは、ノードＢ、Ｃタイムスロットの間に自ノードＡのタイムスロットが挿入され、ノードＢ、Ａ、Ｃの順にデータ信号が送信されるようになる。図５（ｂ）における「（Ａ）」は、ノードＡからの擬似インパルス信号に基づいて形成されたタイムスロットを表している。

なお、ノードＢ、Ｃでは、ノードＡと通信可能であり、ノードＣ、Ｂとは通信不可能であるので、図５（ｂ）に示すようなタイムスロットでも、異なるノードからのデータ信号の衝突は起こらない。

Ｓ６；通常状態へ遷移
定常状態から外れたならば、擬似インパルス信号を送信せず、基本インパルス信号の１インパルス信号のみで相互作用を再開し、定常状態になれば、データ信号の送信を再開する。

上記第１の実施形態によれば、管理ノードが存在しなくても、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。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。

また、第１の実施形態によれば、データ信号の受信に衝突が発生したと判定すると、衝突位相位置に擬似インパルス信号を挿入するようにし、衝突する２ノードの位相間に直接通信できるノードが入るようにしたので、衝突が発生しない範囲まで位相差を広げることができる。これにより、隠れノード問題を解消することができる。

（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。

上記第１の実施形態は、擬似インパルス信号の挿入を１個のノードだけが行う場合を例に動作を説明したが、複数のノードが擬似インパルス信号を挿入することもあり得る。複数のノードが擬似インパルス信号を挿入すると、タイムスロット幅が短くデータ信号の送信が不十分になるノードが発生する可能性がある。第２の実施形態は、このような点に鑑み、第１の実施形態の一部を変形したものである。なお、上述した図２のノード配置の場合であれば、ノードＡとノードＤとが共に、擬似インパルス信号の挿入動作を行う可能性がある。

第２の実施形態のノード構成も、第１の実施形態とほぼ同様であるが、インパルス信号通信手段１１の機能が第１の実施形態のものと多少異なっている。図６は、第２の実施形態のインパルス信号通信手段１１の内部構成を示す機能ブロック図である。

第２の実施形態のインパルス信号通信手段１１は、インパルス信号送信手段２１、擬似インパルス信号発生手段２２、インパルス信号受信手段２３及びインパルス信号復元手段２４を有している。

擬似インパルス信号発生手段２２は、擬似通信タイミング計算手段１３からの信号送信要求がくると、インパルス信号に変調をかけたものを擬似インパルス信号として、インパルス信号送信手段２１から送信させるものである。

なお、インパルス信号送信手段２１は、通信タイミング計算手段１２からの信号送信要求に対してはインパルス信号を送信し、擬似インパルス信号発生手段２２から与えられた変調処理後の擬似インパルス信号も送信する。

インパルス信号復元手段２４は、インパルス信号受信手段２３で受信したインパルス信号に変調がかけられているか否か、言い換えると、基本インパルス信号か擬似インパルス信号かを判定するものである。インパルス信号受信手段２３は、インパルス信号復元手段２４の判別結果に基づき、基本インパルス信号の受信時には、受信した基本インパルス信号又はそれを受信したことを表す信号を通信タイミング計算手段１２に与え、擬似インパルス信号の受信時には、擬似インパルス信号又はそれを受信したことを表す信号を擬似通信タイミング計算手段１３に与える。なお、インパルス信号復元手段２４が、擬似インパルス信号又はそれを受信したことを表す信号を擬似通信タイミング計算手段１３に与えるようにしても良い。

擬似インパルス信号発生手段２２が擬似インパルス信号にＩＤを付与し、インパルス信号復元手段２４がＩＤが付与されているか否かで、基本インパルス信号か擬似インパルス信号かを判定するようにしても良い。また、送信時には、基本インパルス信号及び擬似インパルス信号で異なるＩＤを付与し、受信時には、付与されているＩＤに基づいて、基本インパルス信号か擬似インパルス信号かを判定するようにしても良い。

以上のように、この第２の実施形態においては、基本インパルス信号と擬似インパルス信号とを識別可能としている。各ノードは、受信インパルス信号がこのどちらかにより、タイムスロットの衝突回避の処理内容を変更するようになされている。このような処理は、概ね、（Ｓ１１）衝突検知、（Ｓ１２）擬似インパルス信号の送信、（Ｓ１３）擬似インパルス信号の連続検知、（Ｓ１４）擬似インパルス信号送信停止、という４段階の処理でなる。

Ｓ１１：衝突検知
衝突検知処理までは、第１の実施形態の処理（Ｓ１、Ｓ２）と同様であり、その詳細説明は省略する。

Ｓ１２：擬似インパルス信号の送信
各ノードは、衝突検知手段１６が衝突を検知すると、擬似通信タイミング計算手段１３を有効動作させ、擬似通信タイミング計算手段１３は、衝突検知で保持した衝突位置に後続するタイミングで擬似インパルス信号発生手段２２に発信要求を入力する。擬似インパルス信号発生手段２２は、インパルス信号に変調をかけ、変調後のインパルス信号がインパルス信号送信手段２１から擬似インパルス信号としてネットワークに送信される。

例えば、図７（ａ）は、図２に示すようなノード配置の場合において、ノードＡ及びＤにおける当初の定常状態でのタイムスロットの割り振りを示すものである（なお、ノードＢ、Ｃは図５（ａ）と同様）。ノードＡ及びＤにおいては、衝突が検知され、ノードＡ及びＤから擬似インパルス信号が送信される。これにより、図７（ｂ）に示すように、擬似インパルス信号によるタイムスロット期間（Ａ）及び（ｄ）が形成される。

Ｓ１３：擬似インパルス信号の連続検知
各ノードにおいて、ネットワークからインパルス信号受信手段２３が受信したインパルス信号は、インパルス信号復元手段２４に入力される。インパルス信号復元手段２４は、受信インパルス信号を復元処理し、受信インパルス信号が擬似インパルス信号であるかを確認する。擬似インパルス信号であるならば、擬似インパルス信号又はそのことを表す信号が擬似通信タイミング計算手段１３に入力される。

擬似通信タイミング計算手段１３は、自己（擬似通信タイミング計算手段１３）から発信要求後に、擬似インパルス信号が入力されたならば、擬似インパルス信号が連続すると判定する。なお、後続でなく、自ノードに先行する位置の擬似インパルス信号を検知するようにしても良い。

ノードＡ及びＤでのタイムスロットの割り振りを示す図７（ｂ）の例では、ノードＡから擬似インパルス信号を送信後、ノードＤから擬似インパルス信号を送信している。これにより、自己からの擬似インパルス信号が先行しているノードＡは、擬似インパルス信号の連続を検知する。一方、ノードＤは、擬似インパルス信号の連続を検知できない。

Ｓ１４：擬似インパルス信号送信停止
各ノードにおいて、擬似通信タイミング計算手段１３で擬似インパルス信号の連続を検知すると、擬似通信タイミング計算手段１３での計算を停止し（擬似通信タイミング計算手段１３の有効動作を停止し）、擬似インパルス信号の送信を中止する。

上述した例では、ノードＡが擬似インパルス信号の送信を停止するので、図７（ｃ）に示すように、ノードＤの擬似インパルス信号が有効となる。そのため、ノードＡやＤにおいては、図７（ｂ）に示すような６ノード（ノードＡ〜Ｄ、プラス、擬似インパルス信号に係るノードＡ、Ｄ）で相互作用を行っていたのが、５ノードでの相互作用となり、１タイムスロット当たりの幅が増加する。

第２の実施形態によっても、第１の実施形態と同様な効果を得ることができる。これに加え、第２の実施形態によれば、擬似インパルス信号と基本インパルス信号とを区別し得るようにしたので、自ノード以外のノードが擬似インパルス信号を送信していることを検知でき、擬似インパルス信号を送信するノードを１個又は最小限に抑えることができ、タイムスロット幅が小さくなりすぎることを抑えることができる。

（Ｃ）第３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３の実施形態を、図面に基づいて説明する。

上述した第１及び第２の実施形態は、複数の他ノードからのデータ信号の受信衝突を検知したときに、擬似インパルス信号を発信させることを行うことにより、そのような衝突状態を解消しようとしたものである。

第３の実施形態は、擬似インパルス信号を送信することなく、複数の他ノードからのデータ信号の受信衝突を解消しようとしたものである。

図８は、第３の実施形態のノードの構成例を示すブロック図であり、第１の実施形態に係る図１との同一、対応部分には同一符号を付して示している。

図８において、第３の実施形態のノード１０は、インパルス信号通信手段１１、通信タイミング計算手段１２、同期判定手段１４、データ信号通信手段１５、衝突検知手段１６及び位相転換手段３１を有する。すなわち、第１の実施形態と比較すると、位相転換手段３１が追加され、擬似通信タイミング計算手段１３が省略されている。なお、第３の実施形態のインパルス信号通信手段１１は、第１の実施形態のものと異なり、擬似インパルス信号の送受信機能は持っていない。

新たに設けられた位相転換手段３１は、通信タイミング計算手段１２にリセット信号を入力し、相互作用を再起動させる機能を有している。

次に、第３の実施形態におけるデータ信号の衝突の解消動作を図９をも参照しながら説明する。なお、図９は、図２のノード配置におけるノードＡでのタイムスロットの割り振りを示している。

この第３の実施形態においても、衝突検知処理までは、第１の実施形態の処理（Ｓ１、Ｓ２）と同様であり、その詳細説明は省略する。

衝突検知手段１６が、他ノードからのデータ信号の衝突を検知すると、位相転換手段３１は、その衝突位置（の位相信号の値）を保持し、この位置にくると、通信タイミング計算手段１２をリセットさせ、自ノードからのインパルス信号の送信を衝突位置位相から開始させる。すなわち、元の位相でのインパルス信号の送信を停止させ、衝突位置位相でのインパルス信号の送信を実行させ、１周期に１インパルス信号の送信状態を継続させる。

ノードＡにおいて、ノードＢ及びＣからのデータ信号が、図９（ａ）におけるタイムスロットＢとタイムスロットＣの境界で衝突した場合には、この衝突位置でインパルス信号を送信するように、通信タイミング計算手段１３をリセットさせる。従って、再度、定常状態になったときには、図９（ｂ）に示すように、衝突位置からノードＡのタイムスロットが挿入され、元の位置にあったノードＡのタイムスロットは削除される。すなわち、衝突回避制御を行う前後共に、タイムスロットの割り当ては４分の１ずつでタイムスロット幅は変化していない。

第３の実施形態によっても、衝突解消以外の効果は第１の実施形態と同様である。また、第３の実施形態によれば、衝突を検知したノードが、元の位相位置から衝突位置に位相を移動し、１周期に１インパルス信号の送信を維持したまま衝突を解消するようにしたので、余分なタイムスロットを割り当てずに衝突解消を実行することができる。

（Ｄ）第４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４の実施形態を、図面に基づいて説明する。

第４の実施形態のノード１０は、図１０に示すように、上述した第２の実施形態での特徴構成（２１〜２４）と、第３の実施形態での特徴構成（３１）とを有しており、その他の構成要素は、第１の実施形態のものと同様である。但し、各構成要素が有効に機能するタイミングは、後述する動作説明のように、既述した実施形態とは必ずしも一致していない。

なお、第４の実施形態は、例えば、図１１に示すように、障害物の存在のために、すべての他のノードとインパルス信号を授受し得るノードが存在しないようなネットワークなどを前提としている。図１１は、ノードＡ及びＤ間、ノードＢ及びＣ間は障害物があり、直接通信を行うことができず、これら以外のノード間は直接通信が可能である場合を示している。

第４の実施形態の各ノードは、衝突回避制御時において、自ノードからの基本インパルス信号の送信後に、他ノードからの擬似インパルス信号を受信したならば、後続ノードとデータ信号が衝突しているとして、自ノードの位相をシフトさせるものである。

以下、第４の実施形態の衝突回避制御を、（Ｓ２１）擬似インパルス信号の送信、（Ｓ２２）擬似インパルス信号の検知、（Ｓ２３）位相シフト、の３段階で説明する。

Ｓ２１：擬似インパルス信号の送信
擬似インパルス信号の送信までは、第２の実施形態と同様である（Ｓ１１、Ｓ１２）。例えば、図１１に示すようなノード配置の場合において、当初の定常状態が、図１２（ａ）のような位相関係のときに（上述した図７（ａ）参照）、ノードＡ及びＤが擬似インパルス信号を挿入すると、図１２（ｂ）（図１３（ａ））のように変化する。

なお、図１２及び図１３は、ネットワーク全体での位相関係やタイムスロットの割り振りを示しており、各ノードから見た場合には、図１２及び図１３に示すものとは一致していないことに注意を要する。例えば、図１２（ａ）について言えば、ノードＡはノードＤと通信し得ないので、自己の位相信号の１周期のうち、１／４、１／４、１／２周期ずつがノードＡ、Ｂ、Ｃのタイムスロットに対応し、ノードＢはノードＣと通信し得ないので、自己の位相信号の１周期のうち、１／４、１／２、１／４周期ずつがノードＡ、Ｂ、Ｄのタイムスロットに対応する。ノードＣやノードＤも同様である。

図１２（ｂ）（図１３（ａ））のように変化した場合であっても、ノードＡ及びＤは、基本インパルス信号Ａ、Ｄ同士は互いに受信できないので、まだ、データ信号の衝突する可能性がある。また、擬似インパルス信号同士（Ａ）、（Ｄ）も互いに受信できないので、データ信号の衝突の可能性があり、ノードＡ及びＤは、自ノードの基本インパルス信号に後続した擬似インパルス信号を検知できないので、擬似インパルス信号の送信を停止することもない。

Ｓ２２：擬似インパルス信号の検知
擬似インパルス信号の送信を実行していないノードであっても、自ノードの基本インパルス信号の送信に続いて、擬似インパルス信号が受信するかどうかを測定する。図１２（ｂ）（図１３（ａ））の場合、ノードＢは、自ノードの基本インパルス信号の送信に続いて、擬似インパルス信号（ノードＡ）を検知する。

Ｓ２３：位相シフト
自ノードの基本インパルス信号の送信に続く擬似インパルス信号を検知したノードは、第３の実施形態と同様にして、位相シフトを行う。位相シフトするノード以外は、定常状態から外れたと検知し、擬似インパルス信号を送信していれば擬似インパルス信号の送信を停止し、基本インパルス信号のみで再相互作用を行う。なお、位相シフト方法は、第３の実施形態と同様であるが、第４の実施形態の場合、シフト先の位相は以下の通りである。擬似インパルス信号の送信ノードの基本インパルス信号に先行する位置に、自ノードからのインパルス信号（基本インパルス信号）が位置するように位相シフトを行う。

図１２（ｂ）（図１３（ａ））において、ノードＢがノードＡが送信した擬似インパルス信号（Ａ）を検知すると、ノードＢは、自己に先行するノードＡの基本インパルス信号に係るタイムスロットに先行する位置に、自己の基本インパルス信号に係る位相をシフトし相互作用を再開する。他のノードＡ、Ｃ、Ｄは定常状態から外れたと検知し、擬似インパルス信号を送信していたノードＡ及びＤは擬似インパルス信号の送信を停止し、１周期、１インパルス信号で相互作用を行う。この再開された相互作用が再び定常状態になったときには、図１２（ｃ）（（図１３（ｂ））のようなタイムスロットの割り振りとなり、各ノードはそれぞれ、十分なタイムスロット幅を得ることができる。

第４の実施形態によっても、衝突解消以外の効果は第１の実施形態と同様である。また、第４の実施形態によれば、各ノードは、データ信号の衝突を検知すると、擬似インパルス信号と識別し得る擬似インパルス信号の送信を開始し、さらに、自ノードからの基本インパルス信号に後続する擬似インパルス信号を検知すると、自ノードの基本インパルス信号の位相をシフトするようにしたので、擬似インパルス信号数を抑制することができる。すなわち、基本インパルス信号を送信するノードと、その基本インパルス信号に後続の擬似インパルス信号を送信するノード間は互いに通信可能であるので、位相シフトすることにより、その擬似インパルス信号が消失してもデータ信号が衝突しない可能性を高めることができ、障害物等によるノード間の通信不可箇所が多いことによって擬似インパルス信号数が増大することを防ぐことができる。擬似インパルス信号数が少なければ少ないほど、各ノードに割り振ったタイムスロット幅が広くなることは当然である。

（Ｅ）他の実施形態
上記各実施形態の説明においても、種々変形実施形態に言及したが、さらに、以下に例示するような変形実施形態を挙げることができる。

上記各実施形態の説明においては、データ信号が衝突する理由が障害物が存在するためであったが、各ノードは、そのような理由を認識できず、データ信号の衝突を検知すれば上記解消制御動作を実行する。すなわち、データ信号の衝突理由は問われないものである。

本発明は、データ信号の衝突解消に特徴を有し、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の実施形態のノード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（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実施形態の衝突検知前後のタイムスロットの割り振り例を示す機能ブロック図である。 第２の実施形態のノードにおけるインパルス信号通信手段の詳細構成を示すブロック図である。 第２の実施形態における衝突回避制御時のタイムスロットの割り振り変化例を示す説明図である。 第３の実施形態のノードの内部構成を示す機能ブロック図である。 第３の実施形態における衝突回避制御時のタイムスロットの割り振り変化例を示す説明図である。 第４の実施形態のノード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。

符号の説明

１０…ノード、１１…インパルス信号通信手段、１２…通信タイミング計算手段、１３…擬似通信タイミング計算手段、１４…同期判定手段、１５…データ信号通信手段、２１…インパルス信号送信手段、２２…擬似インパルス信号発生手段、２３…インパルス信号受信手段、２４…インパルス信号復元手段、３１…位相転換手段。

Claims (11)

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基本的な状態変数信号を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、
   自ノードからの状態変数信号の送出タイミングに応じて定まるタイムスロットでデータ信号を送信すると共に、他ノードが送信したデータ信号を受信するデータ信号通信手段と、
   複数の他ノードが送信したデータ信号の受信衝突を検知するデータ信号衝突検知手段と、
   複数の他ノードが送信したデータ信号の受信衝突を検知したときに、自ノードのタイムスロットを操作するタイムスロット変更手段と
   を有することを特徴とする通信タイミング制御装置。
2. 上記データ信号衝突検知手段は、ある他ノードのデータ信号の長さが、その他ノードからの状態変数信号と、次に到来したさらに他ノードの状態変数信号との間隔より、大きい場合に衝突したと検知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. 上記データ信号衝突検知手段は、ある他ノードからの状態変数信号と、次に到来したさらに他ノードの状態変数信号との間隔が、最低保障タイムスロット幅未満ならば衝突したと検知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. 上記タイムスロット変更手段は、データ信号が衝突すると検知されたときに、データ信号が衝突した２個の他ノードのうち、先行する他ノードの状態変数信号の後であって後続する他ノードの状態変数信号の前のタイミングに、自ノードからの基本的な状態変数信号と同様な擬似的な状態変数信号を挿入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. 基本的な状態変数信号と擬似的な状態変数信号とを識別可能とした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. 上記タイムスロット変更手段は、自ノードからの擬似的な状態変数信号に連続して他ノードからの擬似的な状態変数信号が生じているときに、自ノードからの擬似的な状態変数信号の送信を停止することを特徴とする請求項５に記載の通信タイミング制御装置。
7. 上記タイムスロット変更手段は、データ信号の受信衝突が検知されたときに、その衝突に係る２個の他ノードの状態変数信号のうち、先行する状態変数信号より前に、自ノードからの状態変数信号の送信タイミングをシフト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。
8. 上記タイムスロット変更手段は、自ノードからの基本的な状態変数信号に後続する、他ノードからの擬似的な状態変数信号を検知したときに、自ノードからの基本的な状態変数信号の送信タイミングを、自ノードからの基本的な状態変数信号より先行する他ノードの状態変数信号の送信タイミングの前にシフトすることを特徴とする請求項５に記載の通信タイミング制御装置。
9. 請求項１〜８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。
10. 請求項９に記載のノードを複数分散配置して有することを特徴とする通信システム。
11. 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基本的な状態変数信号を送信する状態変数信号通信処理と、
    上記状態変数信号通信処理で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処理に与えるタイミング決定工程と、
    自ノードからの状態変数信号の送出タイミングに応じて定まるタイムスロットでデータ信号を送信すると共に、他ノードが送信したデータ信号を受信するデータ信号通信処理と、
    複数の他ノードが送信したデータ信号の受信衝突を検知するデータ信号衝突検知処理と、
    複数の他ノードが送信したデータ信号の受信衝突を検知したときに、自ノードのタイムスロットを操作するタイムスロット変更処理と
    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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