JP4974052B2 - 時刻同期方法及びこれを用いた無線ネットワークシステム - Google Patents

Description

本発明は、無線ノード間の時刻同期方法及びこれを用いた無線ネットワークシステムに関し、特に通信遅延等の影響を受けることなく正確な時刻同期を行なうことが可能な無線ノード間の時刻同期方法及びこれを用いた無線ネットワークシステムに関する。

従来の無線ノード間の時刻同期方法等に関連する先行技術文献としては次のようなものがある。

特開２００３−２７３８４９号公報 特開２００５−２８６７２０号公報 特開２００５−３２２９８２号公報 特開２００６−００３１１８号公報 特開２００６−２３４４２５号公報

図１４は従来の無線ノード間の時刻同期方法を用いた無線ネットワークシステムの一例を示す構成ブロック図である。図１４において、１は時刻同期を行なう無線ノード、２は基準となる時刻を有する時刻サーバ、１００は無線ネットワークである。

無線ノード１は、無線ネットワーク１００に相互に接続され、時刻サーバ２もまた無線ネットワーク１００に相互に接続される。

ここで、図１４に示す従来例の動作を図１５、図１６、図１７及び図１８を用いて説明する。図１５は無線ノード１の動作を説明するフロー図、図１６は時刻情報等のデータの伝播状況を説明する説明図、図１７及び図１８は時刻同期を説明する説明図である。

無線ノード１は、特段図示しないものの、無線ネットワーク１００を介して無線通信を行う無線通信手段、無線ノードを動作させるためのプログラム等が格納された記憶手段、前記プログラムを読み出して実行することにより無線ノード全体を制御するＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算制御手段等から構成されている。

同様に、時刻サーバ２は、特段図示しないものの、無線ネットワーク１００を介して無線通信を行う無線通信手段、時刻サーバを動作させるためのプログラム等が格納された記憶手段、前記プログラムを読み出して実行することにより時刻サーバ全体を制御するＣＰＵ等の演算制御手段等から構成されている。

また、無線ノード１は、インターネット等の有線ネットワークで一般に良く利用されるＳＮＴＰ（Simple Network Time Protocol：時刻情報の転送プロトコル）を用いて時刻サーバ２から正確に管理されている時刻情報を取得して時刻同期を行なうものとする。

図１５中”Ｓ００１”において、無線ノード１は、無線ネットワーク１００を介して時刻サーバ２に対して時刻情報の送信を要求するため時刻要求を送信し、図１５中”Ｓ００２”において時刻サーバから時刻応答を受信するまで待機する。この時、無線ノード１は時刻要求の送信時刻を記録しておく。

例えば、無線ノード１は、図１６中”ＲＱ０１”に示すように無線ネットワーク１００を介して時刻要求を時刻サーバ２に送信し、当該時刻要求を受信した時刻サーバ２は、図１６中”ＲＳ０１”に示すように無線ネットワーク１００を介して時刻要求の受信時刻及び時刻応答の送信時刻を包含した時刻応答を無線ノード１に返送する。

図１５中”Ｓ００２”において時刻応答を受信したと判断した場合には、図１５中”Ｓ００３”において無線ノード１は、時刻応答の受信時刻を記録すると共に時刻応答等に基づき無線ノード１と時刻サーバ２との間の時刻差を演算し、図１５中”Ｓ００４”において無線ノード１は求めた時刻差を現在時刻に加算することにより時刻同期を行なう。

例えば、図１７に示すように無線ノード１の時刻が時刻サーバ２の時刻よりも１秒進んでいる場合を想定する。また、無線ノード１から時刻サーバ２への時刻要求の伝播時間、時刻サーバ２から無線ノード１への時刻応答の伝播時間は共に１秒であると想定する。

図１７中”ＴＭ１１”に示す時刻に無線ノード１は時刻要求を時刻サーバ２に送信すると、図１７中”ＲＱ０１”に示すように伝播時間１秒をかけて図１７中”ＴＭ１２”に示す時刻に時刻サーバ２で受信される。

この時、無線ノード１の時刻が時刻サーバ２の時刻よりも１秒進んでいるので、図１７中”ＴＭ１１”に示す時刻要求の送信時刻を無線ノード時間の”０：０２”とすると、図１７中”ＴＭ１２”に示す時刻要求の受信時刻は時刻サーバ時間の”０：０２”となる。

そして、図１７中”ＴＭ１３”に示す時刻に時刻サーバ２は時刻応答（時刻要求の受信時刻及び当該時刻応答の送信時刻を包含する）を無線ノード１に送信すると、図１７中”ＲＳ０１”に示すように伝播時間１秒をかけて図１７中”ＴＭ１４”に示す時刻に無線ノード１で受信される。

この時、無線ノード１の時刻が時刻サーバ２の時刻よりも１秒進んでいるので、図１７中”ＴＭ１３”に示す時刻応答の送信時刻を時刻サーバ時間の”０：０３”とすると、図１７中”ＴＭ１４”に示す時刻応答の受信時刻は無線ノード時間の”０：０５”となる。

この場合、時刻差”ΔＴ”は、
ΔＴ＝{(ＴＭ１２−ＴＭ１１)＋(ＴＭ１３−ＴＭ１４)}／２ （１）
となり、時刻差”ΔＴ”を現在時刻に加算することにより時刻同期が行なわれる。

例えば、図１７の場合、
ΔＴ＝{(０：０２−０：０２)＋(０：０３−０：０５)}／２
＝−０：０２／２
＝−０：０１ （２）
となり、現在時刻、例えば、図１７中”ＴＭ１５”に示す時刻”０：０６”に時刻差”ΔＴ”を加算することにより、無線ノード１の現在時刻を”０：０５”と修正し、時刻サーバ２の現在時刻”０：０５”と同期させることが可能になる。

同様に、例えば、図１８に示すように無線ノード１の時刻が時刻サーバ２の時刻よりも１秒遅れている場合を想定する。また、無線ノード１から時刻サーバ２への時刻要求の伝播時間、時刻サーバ２から無線ノード１への時刻応答の伝播時間は共に１秒であると想定する。

図１８中”ＴＭ２１”に示す時刻に無線ノード１は時刻要求を時刻サーバ２に送信すると、図１８中”ＲＱ０１”に示すように伝播時間１秒をかけて図１８中”ＴＭ２２”に示す時刻に時刻サーバ２で受信される。

この時、無線ノード１の時刻が時刻サーバ２の時刻よりも１秒遅れているので、図１８中”ＴＭ２１”に示す時刻要求の送信時刻を無線ノード時間の”０：０１”とすると、図１８中”ＴＭ２２”に示す時刻要求の受信時刻は時刻サーバ時間の”０：０３”となる。

そして、図１８中”ＴＭ２３”に示す時刻に時刻サーバ２は時刻応答（時刻要求の受信時刻及び当該時刻応答の送信時刻を包含する）を無線ノード１に送信すると、図１８中”ＲＳ０１”に示すように伝播時間１秒をかけて図１８中”ＴＭ２４”に示す時刻に無線ノード１で受信される。

この時、無線ノード１の時刻が時刻サーバ２の時刻よりも１秒遅れているので、図１８中”ＴＭ２３”に示す時刻応答の送信時刻を時刻サーバ時間の”０：０４”とすると、図１８中”ＴＭ２４”に示す時刻応答の受信時刻は無線ノード時間の”０：０４”となる。

例えば、図１８の場合、時刻差”ΔＴ”は、
ΔＴ＝{(０：０３−０：０１)＋(０：０４−０：０４)}／２
＝０：０２／２
＝０：０１ （３）
となり、現在時刻、例えば、図１８中”ＴＭ２５”に示す時刻”０：０５”に時刻差”ΔＴ”を加算することにより、無線ノード１の現在時刻を”０：０６”と修正し、時刻サーバ２の現在時刻”０：０６”と同期させることが可能になる。

この結果、無線ノード１が、時刻要求の送信時刻及び時刻応答の受信時刻と、時刻サーバ２での時刻要求の受信時刻及び時刻サーバからの時刻応答の送信時刻に基づき時刻差”ΔＴ”を演算して現在時刻に加算することにより、時刻サーバ２との間での時刻同期を行うことができる。

しかし、図１４に示す従来例では、無線ノード１から時刻サーバ２への時刻要求の伝播時間、時刻サーバ２から無線ノード１への時刻応答の伝播時間は互いに等しいという仮定に基づいたＳＮＴＰを用いており、帯域が広く、高速通信が可能な有線ネットワーク等の環境下においては有効であるものの、無線ネットワークのような環境下では後述のような問題が発生する。

すなわち、他の無線通信やノイズの隙間を利用してデータ通信を行うような無線ネットワークでは、データを送信する直前に他の無線通信が割り込んできた場合には、当該データの送信は待ち状態になり、割り込んできた他の無線通信が完了した後にデータ送信が行なわれることになる。

このため、時刻要求若しくは時刻応答の送信時刻（送信しようとした時刻）と、実際にデータを送信できた時刻とが一致しなくなってしまい、時刻同期の精度が低下してしまうと言った問題点があった。

また、マルチホップ環境の無線ネットワークでは、時刻要求の伝播経路と、時刻応答の伝播経路が一致する保障はなく、また、中継ノードの処理能力や他のデータの処理状況等よって中継ノードにおける遅延時間が常に変化する。

このため、ＳＮＴＰを使用する前提である、無線ノード１から時刻サーバ２への時刻要求の伝播時間、時刻サーバ２から無線ノード１への時刻応答の伝播時間は互いに等しいという仮定が成立せず、時刻同期の精度が低下してしまうと言った問題点があった。
従って本発明が解決しようとする課題は、通信遅延等の影響を受けることなく正確な時刻同期を行なうことが可能な無線ノード間の時刻同期方法及びこれを用いた無線ネットワークシステムを実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
無線ノード間の時刻同期方法であって、
時刻同期を行なう無線ノードが近隣探査パケットをブロードキャストし、前記近隣探査パケットを受信した近隣無線ノードが近隣応答パケットを返送するステップと、前記無線ノードが前記近隣応答パケットに基づき仲介無線ノードを選択して仲介要求パケットを選択した近隣無線ノードに送信し、前記仲介要求パケットを受信した近隣無線ノードが時刻記録要求パケットをブロードキャストするステップと、前記時刻記録要求パケットを受信した無線ノードが受信時の時刻を記録し、前記時刻記録要求パケットを受信した近隣無線ノードが受信時の時刻を記録すると共に上位近隣無線ノードに指定されている場合に受信時の時刻を包含した時刻通知パケットを前記無線ノードに送信するステップと、前記無線ノードが記録した時刻と前記時刻通知パケットに包含されている時刻の差分を演算し現在時刻に加算するステップとから成ることにより、通信遅延等の影響を受けることなく正確な時刻同期を行なうことができる。

請求項２記載の発明は、
請求項１記載の発明である時刻同期方法であって、
前記近隣応答パケットが、
階層の情報と上位近隣無線ノードの情報を包含することにより、通信遅延等の影響を受けることなく正確な時刻同期を行なうことができる。

請求項３記載の発明は、
請求項２記載の発明である時刻同期方法であって、
前記近隣応答パケットが、
近隣探索パケット受信時の通信品質と最後に時刻同期を行なった時刻を包含することにより、通信遅延等の影響を受けることなく正確な時刻同期を行なうことができる。

請求項４記載の発明は、
請求項１記載の発明である時刻同期方法であって、
前記時刻記録要求パケットが、
前記仲介要求パケットの送信元の情報と上位近隣無線ノードに指定された近隣無線ノードの情報を包含することにより、通信遅延等の影響を受けることなく正確な時刻同期を行なうことができる。

請求項５記載の発明は、
請求項１記載の発明である時刻同期方法であって、
前記近隣探査パケットを受信した前記近隣無線ノードが予め設定された所定時間待機した後に前記近隣応答パケットを返送することにより、通信遅延等の影響を受けることなく正確な時刻同期を行なうことができる。

請求項６記載の発明は、
時刻同期方法を用いた無線ネットワークシステムにおいて、
近隣探査パケットをブロードキャストし、受信した近隣応答パケットに基づき仲介無線ノードを選択して仲介要求パケットを選択した近隣無線ノードに送信し、時刻記録要求パケットの受信時の時刻を記録し、記録した時刻と受信した時刻通知パケットに包含されている時刻の差分を演算し現在時刻に加算する無線ノードと、前記近隣探査パケットを受信した場合に前記近隣応答パケットを返送し、前記仲介要求パケットを受信した場合に前記時刻記録要求パケットをブロードキャストする第１の近隣無線ノードと、前記近隣探査パケットを受信した場合に前記近隣応答パケットを返送し、前記時刻記録要求パケットを受信した場合に受信時の時刻を記録すると共に上位近隣無線ノードに指定されている場合に受信時の時刻を包含した前記時刻通知パケットを前記無線ノードに送信する第２の近隣無線ノードとを備えたことにより、通信遅延等の影響を受けることなく正確な時刻同期を行なうことができる。

請求項７記載の発明は、
請求項６記載の発明である無線ネットワークシステムにおいて、
前記近隣応答パケットが、
階層の情報と上位近隣無線ノードの情報を包含することにより、通信遅延等の影響を受けることなく正確な時刻同期を行なうことができる。

請求項８記載の発明は、
請求項７記載の発明である無線ネットワークシステムにおいて、
前記近隣応答パケットが、
近隣探索パケット受信時の通信品質と最後に時刻同期を行なった時刻を包含することにより、通信遅延等の影響を受けることなく正確な時刻同期を行なうことができる。

請求項９記載の発明は、
請求項６記載の発明である無線ネットワークシステムにおいて、
前記時刻記録要求パケットが、
前記仲介要求パケットの送信元の情報と上位近隣無線ノードに指定された近隣無線ノードの情報を包含することにより、通信遅延等の影響を受けることなく正確な時刻同期を行なうことができる。

請求項１０記載の発明は、
請求項６記載の発明である無線ネットワークシステムにおいて、
前記第１及び第２の近隣無線ノードが、
前記近隣探査パケットを受信した場合に予め設定された所定時間待機した後に前記近隣応答パケットを返送することにより、通信遅延等の影響を受けることなく正確な時刻同期を行なうことができる。

本発明によれば次のような効果がある。
請求項１，２，３，４，５，６，７，８，９及び請求項１０の発明によれば、時刻同期を行なう無線ノードが、近隣探索を行い仲介無線ノードを選択して時刻記録要求パケットをブロードキャストさせ、時刻記録要求パケット受信時の時刻を記録すると共に上位近隣無線ノードで記録された時刻記録要求パケット受信時の時刻を包含する時刻通知パケットを無線ノードに送信させ、時刻差を求めて現在時刻に加算することにより、通信遅延等の影響を受けることなく正確な時刻同期を行なうことができる。

以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係る無線ノード間の時刻同期方法を用いた無線ネットワークシステムの一実施例を示す構成ブロック図である。

図１において、３は時刻同期を行なう無線ノード、４，５，６及び７は時刻同期済み、若しくは、基準時刻を有する近隣無線ノード、１０１は無線ネットワークである。

無線ノード３は無線ネットワーク１０１と相互に接続され、近隣無線ノード４，５，６及び７もまた無線ネットワーク１０１と相互に接続される。

ここで、図１に示す実施例の動作を図２、図３、図４、図５、図６、図７、図８、図９、図１０、図１１、図１２及び図１３を用いて説明する。図２は無線ノード３及び各近隣無線ノードの位置関係を示す説明図、図３は各近隣無線ノードの階層及び上位近隣無線ノードの各情報を示す表、図４は無線ノード３の動作を説明するフロー図、図５、図７、図８、図１０及び図１２はパケットの伝播状況を説明する説明図、図６、図９及び図１１は各近隣無線ノードの動作を説明するフロー図、図１３は時刻同期を説明する説明図である。

無線ノード３は、特段図示しないものの、無線ネットワーク１０１を介して無線通信を行う無線通信手段、無線ノードを動作させるためのプログラム等が格納された記憶手段、前記プログラムを読み出して実行することにより無線ノード全体を制御するＣＰＵ等の演算制御手段等から構成されている。

同様に、近隣無線ノード４〜７は、特段図示しないものの、無線ネットワーク１０１を介して無線通信を行う無線通信手段、近隣無線ノードを動作させるためのプログラム等が格納された記憶手段、前記プログラムを読み出して実行することにより近隣無線ノード全体を制御するＣＰＵ等の演算制御手段等から構成されている。

図２中”ＮＤ３１”は図１中の無線ノード３に相当し、図２中”ＡＲ３１”は図２中”ＮＤ３１”に示す無線ノードからの電波到達範囲を示している。

同様に、図２中”ＮＮ３１”、”ＮＮ３２”、”ＮＮ３３”及び”ＮＮ３４”はそれぞれ図１中の近隣無線ノード４，５，６及び７に相当し、図２中”ＡＲ３２”，”ＡＲ３３”、”ＡＲ３４”及び”ＡＲ３５”はそれぞれ図２中”ＮＮ３１”〜”ＮＮ３４”に示す各近隣無線ノードからの電波到達範囲を示している。

例えば、図２中”ＮＤ３１”に示す無線ノードからの電波到達範囲内には図２中”ＮＮ３１”，”ＮＮ３２”及び”ＮＮ３３”に示す近隣無線ノードが存在するので、図２中”ＮＤ３１”に示す無線ノードは、図２中”ＮＮ３１”，”ＮＮ３２”及び”ＮＮ３３”に示す近隣無線ノードとの間で相互に直接無線通信することが可能である。

また、例えば、図２中”ＮＤ３１”に示す無線ノードからの電波到達範囲内には図２中”ＮＮ３４”に示す近隣無線ノードが存在しないので、図２中”ＮＤ３１”に示す無線ノードは、図２中”ＮＮ３４”に示す近隣無線ノードとの間で直接無線通信することはできない。

一方、図３の表から近隣無線ノード”ＮＮ３１”は、階層が”１”で上位近隣無線ノードを有しないので、近隣無線ノード”ＮＮ３１”は自分自身が基準時刻を有していることを示している。

また、図３の表から近隣無線ノード”ＮＮ３２”は、階層が”２”で上位近隣無線ノードが近隣無線ノード”ＮＮ３１”であるので、近隣無線ノード”ＮＮ３２”は近隣無線ノード”ＮＮ３１”が有する基準時刻に時刻同期されていることを示している。

同様に、図３の表から近隣無線ノード”ＮＮ３３”及び”ＮＮ３４”は、それぞれ階層が”３”で上位近隣無線ノードが近隣無線ノード”ＮＮ３２”であるので、近隣無線ノード”ＮＮ３３”及び”ＮＮ３４”は近隣無線ノード”ＮＮ３２”が有する時刻同期済みの時刻に時刻同期されていることを示している。

先ず、第１に近隣探査のステップでは、図４中”Ｓ１０１”において無線ノード３は、電波到達範囲内に存在する近隣無線ノードに対して近隣探索パケットをブロードキャストすると共に、図４中”Ｓ１０２”において無線ノード３は、電波到達範囲内に存在する近隣無線ノードからの近隣応答パケットの受信を完了するまで所定の時間待機する。

例えば、図５中”ＢＣ４１”、”ＢＣ４２”及び”ＢＣ４３”に示すように、図５中”ＮＤ３１”に示す無線ノードは、図５中”ＮＮ３１”、”ＮＮ３２”及び”ＮＮ３３”に示す近隣無線ノードに対して近隣探索パケットをブロードキャストする。

但し、図５中”ＮＮ３４”に示す近隣無線ノードは図５中”ＮＤ３１”に示す無線ノードの電波到達範囲外に存在するので、近隣探索パケットは図５中”ＢＣ４４”に示すようには到達しない。

一方、図６中”Ｓ２０１”において近隣無線ノードは、このような近隣探索パケットを受信したか否かを判断し、もし、近隣探索パケットを受信したと判断した場合には、図６中”Ｓ２０２”において近隣無線ノードは、予め設定された所定時間待機した後、図６中”Ｓ２０３”において近隣無線ノードは、図３に示すような自分の階層の情報と上位近隣無線ノードの情報を包含した近隣応答パケットを近隣探索パケットの送信元に返信する。

例えば、図７中”ＮＮ３１”、”ＮＮ３２”及び”ＮＮ３３”に示す近隣無線ノードは、図７中”ＲＰ５１”、”ＲＰ５２”及び”ＲＰ５３”に示すように近隣応答パケットを図７中”ＮＤ３１”に示す無線ノードに返信する。

図７中”ＮＮ３１”に示す近隣無線ノードからの近隣応答パケットには、図３から分かるように階層の情報として”１”が上位近隣無線ノードの情報として”ｎｏｎｅ”が包含されており、図７中”ＮＮ３２”に示す近隣無線ノードからの近隣応答パケットには、図３から分かるように階層の情報として”２”が、上位近隣無線ノードの情報として”ＮＮ３１”が包含されている。

同様に、図７中”ＮＮ３３”に示す近隣無線ノードからの近隣応答パケットには、図３から分かるように階層の情報として”３”が、上位近隣無線ノードの情報として”ＮＮ３２”が包含されている。

第２に仲介無線ノード選択のステップでは、図４中”Ｓ１０２”において近隣応答パケットの受信を完了したと判断した場合には、図４中”Ｓ１０３”において無線ノード３は、受信した複数の近隣応答パケットに基づき最適な近隣無線ノードを仲介無線ノードとして選択し、図４中”Ｓ１０４”において無線ノード３は、仲介要求パケットを選択した近隣無線ノードに送信すると共に、図４中”Ｓ１０５”において無線ノード３は、時刻記録要求パケットを受信するまで待機する。

例えば、図３から分かるように、当該無線ネットワークの基準時刻（時刻同期すべき時刻）を有する近隣無線ノードは図７中”ＮＮ３１”に示す近隣無線ノードであり、図７中”ＮＮ３１”に示す近隣無線ノード自身は仲介無線ノードには適さないので、図７中”ＮＤ３１”に示す無線ノードは、階層の情報が”２”以下の近隣無線ノードであり、且つ、階層の情報が一番小さい近隣無線ノードを選択する。

すなわち、各近隣無線ノードの情報が図３に示すような場合には、図７中”ＮＤ３１”に示す無線ノードは、階層の情報が”２”である、図７中”ＮＮ３２”に示す近隣無線ノードを仲介無線ノードとして選択する。

このため、例えば、図８中”ＮＤ３１”に示す無線ノードは、図８中”ＲＱ６１”に示すように仲介要求パケットを仲介無線ノードとして選択した図８中”ＮＮ３２”に示す近隣無線ノードに送信する。

図９中”Ｓ３０１”において近隣無線ノードは、このような仲介要求パケットを受信したか否かを判断し、もし、仲介要求パケットを受信したと判断した場合には、図９中”Ｓ３０２”において近隣無線ノードは、時刻記録要求パケットをブロードキャストする。

例えば、図１０中”ＲＴ７１”、”ＲＴ７２”、ＲＴ７３”及び”ＲＴ７４”に示すように、図１０中”ＮＮ３２”に示す近隣無線ノード（仲介無線ノード）は、図１０中”ＮＤ３１”、”ＮＮ３１”、”ＮＮ３３”及び”ＮＮ３４”に示す無線ノードや近隣無線ノードに対して時刻記録要求パケットをブロードキャストする。

図１０中”ＮＮ３２”に示す近隣無線ノードからの時刻記録要求パケットには、仲介要求パケットの送信元の情報として”ＮＤ３１”が、上位近隣無線ノードに指定された近隣無線ノードの情報として”ＮＮ３１”が包含されている。

第３に時刻記録のステップでは、図４中”Ｓ１０５”において時刻記録要求パケットを受信したと判断した場合には、図４中”Ｓ１０６”において無線ノード３は、時刻記録要求パケット受信時の時刻を記録すると共に図４中”Ｓ１０７”において無線ノード３は、上位近隣無線ノードからの時刻通知パケットを受信するまで待機する。

一方、図１１中”Ｓ４０１”において仲介無線ノードに選択されなかった近隣無線ノードは、このような時刻記録要求パケットを受信したか否かを判断し、もし、時刻記録要求パケットを受信したと判断した場合には、図１１中”Ｓ４０２”において近隣無線ノードは、時刻記録要求パケット受信時の時刻を記録する。

そして、図１１中”Ｓ４０３”において近隣無線ノードは、時刻記録要求パケット内の上位近隣無線ノードに指定された近隣無線ノードの情報が自分自身の情報に一致するか否かを判断、言い換えれば、上位近隣無線ノードに指定されているか否かを判断し、もし、上位近隣無線ノードに指定されている場合には、図１１中”Ｓ４０４”において近隣無線ノードは。先に記録した時刻記録要求パケット受信時の時刻を包含する時刻通知パケットを仲介要求パケットの送信元に送信する。

例えば、図１２中”ＴＮ８１”に示すように、図１２中”ＮＮ３１”に示す近隣無線ノード（上位近隣無線ノード）は、図１２中”ＮＤ３１”に示す無線ノード（仲介要求パケットの送信元）に対して時刻通知パケットを送信する。

最後に時刻同期のステップでは、図４中”Ｓ１０７”において時刻通知パケットを受信したと判断した場合には、図４中”Ｓ１０８”において無線ノード３は、自分自身が記録した時刻記録要求パケット受信時の時刻と、時刻通知パケットに包含されている上位近隣無線ノードにおいて記録された時刻記録要求パケット受信時の時刻の差分を演算し現在時刻に加算することにより時刻同期を行なうと共に階層を設定する。

例えば、図１３に示すように無線ノード（図１２中”ＮＤ３１”に示す無線ノード）の時刻が上位近隣無線ノード（図１２中”ＮＮ３１”に示す上位近隣無線ノード）の時刻よりも１秒進んでいる場合を想定する。

図１３中”ＴＭ９１”に示す時刻に近隣無線ノード（仲介無線ノード）が、図１３中”ＲＴ９１”及び”ＲＴ９２”に示すように時刻記録要求パケットをブロードキャストした場合、時刻記録要求パケットは、同じ伝播時間（例えば、図１３においては１秒）をかけて無線ノードと上位近隣無線ノードに同時に到達する。

そして、無線ノード及び上位近隣無線ノードにおいて、時刻記録要求パケット受信時の時刻である図１３中”ＴＭ９２”及び”ＴＭ９３”に示す時刻がそれぞれ記録される。

この時、無線ノードの時刻が上位近隣無線ノードの時刻よりも１秒進んでいるので、図１３中”ＴＭ９２”に示す記録された時刻は無線ノード時間の”０：０３”、図１３中”ＴＭ９３”に示す記録された時刻は上位近隣無線ノード時間の”０：０２”となる。

さらに、図１３中”ＴＭ９４”に示す時刻に上位近隣無線ノードは記録した時刻記録要求パケット受信時の時刻を包含した時刻通知パケットを図１３中”ＴＮ９１”に示すように送信し、伝播時間（例えば、図１３においては１秒）をかけて無線ノードに到達する。

ここで、時刻差”ΔＴ”は、上位近隣無線ノードにおいて記録された時刻記録要求パケット受信時の時刻から自分自身が記録した時刻記録要求パケット受信時の時刻を減算した値となり、例えば、図１３に示す例では、
ΔＴ＝０：０２−０：０３＝−０：０１ （４）
となり、現在時刻、例えば、図１３中”ＴＭ９５”に示す時刻”０：０５”に時刻差”ΔＴ”を加算することにより、無線ノードの現在時刻を”０：０４”と修正し、上位近隣無線ノードの現在時刻”０：０４”と同期させることが可能になる。

また、図１３中”ＴＮ９２”に示すように時刻通知パケットの伝播時間が長くなり、図１３中”ＴＭ９６”に示す時刻に無線ノードに到達したとしても、上位近隣無線ノードにおいて記録された時刻記録要求パケット受信時の時刻は何ら変化することがないので、通信遅延等の影響を受けることなく正確な時刻同期を行なうことができる。

一方、例えば、時刻同期した上位近隣無線ノードは、当該無線ネットワークの基準時刻（時刻同期すべき時刻）を有する近隣無線ノードで階層の情報は”１”であるので、無線ノード３は時刻同期した上位近隣無線ノードの階層の情報に”１”を加算した”２”を自らの階層の情報として設定する。

この結果、時刻同期を行なう無線ノードが、近隣探索を行い仲介無線ノードを選択して時刻記録要求パケットをブロードキャストさせ、時刻記録要求パケット受信時の時刻を記録すると共に上位近隣無線ノードで記録された時刻記録要求パケット受信時の時刻を包含する時刻通知パケットを無線ノードに送信させ、時刻差を求めて現在時刻に加算することにより、通信遅延等の影響を受けることなく正確な時刻同期を行なうことができる。

なお、図１に示す実施例では近隣応答パケットを返送してくる近隣無線ノードが２以上（仲介無線ノードと上位近隣無線ノードの２つ）存在することが前提となっているが、近隣応答パケットを返送してくる近隣無線ノードが１つの場合には、精度は劣るものの従来の時刻同期(ＳＮＴＰ)を用いて一旦時刻同期を行ない、電波到達範囲内の近隣無線ノードが増加した段階で再度時刻同期を行なうことで対応が可能である。

この場合、時刻同期した無線ノードの同期精度には問題があるので階層の情報としては、上位近隣無線ノードの階層の情報に”１”を加算した”２”ではなく、上位近隣無線ノードの階層の情報に”１０”等を加算した”１１”として、同期精度には問題があることを明示しても構わない。

また、近隣応答パケットを返送してくる近隣無線ノードが無い場合には、電波到達範囲内に近隣無線ノードが現れるまで近隣探索パケットを送信し続けるか、或いは、自分自身の時刻を基準時刻として階層の情報が”１”の無線ノードとなっても構わない。

また、図１に示す実施例の説明に際しては、近隣応答パケットには、近隣無線ノードの階層の情報と上位近隣無線ノードの情報を包含する旨記載しているが、近隣探索パケット受信時の通信品質や最後に時刻同期を行なった時刻等を併せて包含させても構わない。

この場合には、時刻同期を行なう無線ノードは、近隣無線ノードの階層の情報と上位近隣無線ノードの情報のみならず、近隣探索パケット受信時の通信品質や最後に時刻同期を行なった時刻等に基づき仲介無線ノードを選択することができる。

また、図１に示す実施例の説明に際しては、各近隣無線ノードが近隣探索パケットを受信した場合、予め設定された所定時間待機した後に近隣応答パケットを返送する旨記載しているが、所定時間待機を省略しても構わない。

さらに、前記所定時間を適宜設定して階層の情報が上位の近隣無線ノードから順番、例えば、階層の情報が”１”、”２”、”３”…の順番で近隣応答パケットを返送するようにしても構わない。この場合には、無線ノード側で早く届いた複数の近隣応答パケットに基づき仲介無線ノードを選択できるので、仲介無線ノードの選択処理の効率が良くなる。

また、時刻記録要求パケット受信時の時刻を記録する機能をハードウェアで実現することにより、記録された時刻と実際の時刻記録要求パケット受信時の時刻とのソフトウェア処理に起因する誤差を吸収することができる。

また、時刻同期のシーケンスに無線ノードの起動やスリープ期間等の情報を付加することにより、無線ノードの電力制御等を行うことができる。

また、時刻通知パケットは、図１２中”ＴＮ８１”に示すような直接無線通信によって送信される場合のみならず、例えば、図１２中”ＮＮ３１”、”ＮＮ３２”、”ＮＤ３１”と言ったマルチホップによる無線通信で送信されるものであっても構わない。

言い換えれば、「無線ノードと仲介無線ノード」及び「上位近隣無線ノードと仲介無線ノード」とが直接無線通信が可能であれば、「無線ノードと上位近隣無線ノード」はマルチホップの無線通信であっても構わない。

本発明に係る無線ノード間の時刻同期方法を用いた無線ネットワークシステムの一実施例を示す構成ブロック図である。 無線ノード及び各近隣無線ノードの位置関係を示す説明図である。 各近隣無線ノードの階層及び上位近隣無線ノードの各情報を示す表である。 無線ノードの動作を説明するフロー図である。 パケットの伝播状況を説明する説明図である。 各近隣無線ノードの動作を説明するフロー図である。 パケットの伝播状況を説明する説明図である。 パケットの伝播状況を説明する説明図である。 各近隣無線ノードの動作を説明するフロー図である。 パケットの伝播状況を説明する説明図である。 各近隣無線ノードの動作を説明するフロー図である。 パケットの伝播状況を説明する説明図である。 時刻同期を説明する説明図である。 従来の無線ノード間の時刻同期方法を用いた無線ネットワークシステムの一例を示す構成ブロック図である。 無線ノードの動作を説明するフロー図である。 時刻情報等のデータの伝播状況を説明する説明図である。 時刻同期を説明する説明図である。 時刻同期を説明する説明図である。

符号の説明

１，３ 無線ノード
２ 時刻サーバ
４，５，６，７ 近隣無線ノード
１００，１０１ 無線ネットワーク

Claims (10)

1. 無線ノード間の時刻同期方法であって、
   時刻同期を行なう無線ノードが近隣探査パケットをブロードキャストし、前記近隣探査パケットを受信した近隣無線ノードが近隣応答パケットを返送するステップと、
   前記無線ノードが前記近隣応答パケットに基づき仲介無線ノードを選択して仲介要求パケットを選択した近隣無線ノードに送信し、前記仲介要求パケットを受信した近隣無線ノードが時刻記録要求パケットをブロードキャストするステップと、
   前記時刻記録要求パケットを受信した無線ノードが受信時の時刻を記録し、前記時刻記録要求パケットを受信した近隣無線ノードが受信時の時刻を記録すると共に上位近隣無線ノードに指定されている場合に受信時の時刻を包含した時刻通知パケットを前記無線ノードに送信するステップと、
   前記無線ノードが記録した時刻と前記時刻通知パケットに包含されている時刻の差分を演算し現在時刻に加算するステップと
   から成る時刻同期方法。
2. 前記近隣応答パケットが、
   階層の情報と上位近隣無線ノードの情報を包含することを特徴とする
   請求項１記載の時刻同期方法。
3. 前記近隣応答パケットが、
   近隣探索パケット受信時の通信品質と最後に時刻同期を行なった時刻を包含することを特徴とする
   請求項２記載の時刻同期方法。
4. 前記時刻記録要求パケットが、
   前記仲介要求パケットの送信元の情報と上位近隣無線ノードに指定された近隣無線ノードの情報を包含することを特徴とする
   請求項１記載の時刻同期方法。
5. 前記近隣探査パケットを受信した前記近隣無線ノードが予め設定された所定時間待機した後に前記近隣応答パケットを返送することを特徴とする
   請求項１記載の時刻同期方法。
6. 時刻同期方法を用いた無線ネットワークシステムにおいて、
   近隣探査パケットをブロードキャストし、受信した近隣応答パケットに基づき仲介無線ノードを選択して仲介要求パケットを選択した近隣無線ノードに送信し、時刻記録要求パケットの受信時の時刻を記録し、記録した時刻と受信した時刻通知パケットに包含されている時刻の差分を演算し現在時刻に加算する無線ノードと、
   前記近隣探査パケットを受信した場合に前記近隣応答パケットを返送し、前記仲介要求パケットを受信した場合に前記時刻記録要求パケットをブロードキャストする第１の近隣無線ノードと、
   前記近隣探査パケットを受信した場合に前記近隣応答パケットを返送し、前記時刻記録要求パケットを受信した場合に受信時の時刻を記録すると共に上位近隣無線ノードに指定されている場合に受信時の時刻を包含した前記時刻通知パケットを前記無線ノードに送信する第２の近隣無線ノードと
   を備えたことを特徴とする無線ネットワークシステム。
7. 前記近隣応答パケットが、
   階層の情報と上位近隣無線ノードの情報を包含することを特徴とする
   請求項６記載の無線ネットワークシステム。
8. 前記近隣応答パケットが、
   近隣探索パケット受信時の通信品質と最後に時刻同期を行なった時刻を包含することを特徴とする
   請求項７記載の無線ネットワークシステム。
9. 前記時刻記録要求パケットが、
   前記仲介要求パケットの送信元の情報と上位近隣無線ノードに指定された近隣無線ノードの情報を包含することを特徴とする
   請求項６記載の無線ネットワークシステム。
10. 前記第１及び第２の近隣無線ノードが、
    前記近隣探査パケットを受信した場合に予め設定された所定時間待機した後に前記近隣応答パケットを返送することを特徴とする
    請求項６記載の無線ネットワークシステム。

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