JP5331591B2 - Ｔｄｍａマルチホップ無線ネットワークにおける時間同期化の方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、通信ネットワークの分野に関する。

本発明は特に、ＴＤＭＡ（「時分割多元接続」）マルチホップ無線ネットワークに関する。

マルチホップ無線ネットワークでは、無線インタフェースを装備したノードの組がネットワーク・インフラストラクチャを形成し、ネットワーク・インフラストラクチャでは、データが複数の無線ホップを介して、意図された宛先に向けて転送される。当初は、アドホック・ネットワークなどの軍事アプリケーションで使用されたマルチホップ無線通信のパラダイムは今日では、メッシュ・ネットワーク、センサ・ネットワーク、パーソナル・エリア・ネットワークや無線ワイド・エリア・ネットワークなどの台頭する商用アプリケーションに適用されている。

本発明は、伝送が時分割多元接続（ＴＤＭＡ）プロトコルによって連係されるマルチホップ無線ネットワークを考慮に入れている。競合のない周期的伝送スケジュールにより、帯域幅及び遅延の保証を行うことが可能であるので、ＴＤＭＡプロトコルは魅力的である。前述のＴＤＭＡプロトコルは、現在のシングルホップＩＥＥＥ８０２．１６無線システムのカバレッジを拡充することを狙いとし、マルチホップ無線環境における既存のキャリア検知多重アクセス（ＣＳＭＡ）プロトコルが受ける周知の性能の問題にも対処する、ＩＥＥＥ８０２．１６ｊモバイル・マルチホップ・リレー（ＩＥＥＥ８０２．１６のモバイル・マルチホップ・リレー（ＭＭＲ）研究グループ、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｉｅｅｅ８０２．ｏｒｇ／１６／ｓｇ／ｍｍｒ／）などの台頭するマルチホップ無線標準によって現在、考慮に入れられている。

ＴＤＭＡプロトコルでは、ノードは全て、共通時間基準に同期化され、伝送は周期的に、マルチスロット・フレーム系列で行われる。各フレームは、制御サブフレーム、及びこれに続くデータ・サブフレームを含む。何れのサブフレームも持続時間が固定であり、いくつかの時間スロットを含む。各制御サブフレーム中に、同期化及びスケジュール計算／配布を含む種々の管理機能が行われる。データ・サブフレームの各スロット中、一部のノードは、先行制御サブフレ―ム中に計算されているネットワーク・スケジュールに応じて、競合なしで送信する。スケジュール計算は、分散化されていても（ノードによって計算されても）、集中化されていても（ネットワーク・コントローラとして動作する単一ノードによって計算され、ノードに配布されても）よい。

何れのＴＤＭＡプロトコルの動作にも中心的であるのは、ノード・クロックを共通時間基準と同期化させた状態にし続ける同期化機構である。この時間基準は、ネットワーク・スケジュールに基づいて各スロットでノードが送信することを可能にする。集中化スケジューリングの場合、ネットワーク内のノード全てに帯域幅及び遅延の保証を提供するネットワーク全体の競合のないスケジュールをコントローラ・ノードが計算することも可能にする。何れのＴＤＭＡシステムの同期化機構も、非常に正確であり、有界の実行時間（遅延）及び低オーバヘッドを有し、費用が低く、広く適用可能である。以下に、前述の構成をより詳細に記載し、ＴＤＭＡプロトコル特性に対するその影響を説明する。

実際には、ノード・クロックは、決して完全に同期化することが可能な訳でない。非常に精度が高い同期化機構は、共通時間基準からのノード・クロック・ドリフト全てを最小にする。前述の同期化機構は、ＴＤＭＡプロトコル動作中、スロット毎オーバヘッドが一定であるスロット・ガード時間などのＴＤＭＡ ＭＡＣプロトコル・パラメータの（オフライン）設計を可能にするようクロック・ドリフト全てに限度を設ける。精度が非常に高い同期化機構により、スロット毎ガード時間が低くなり、よって、スロット持続時間が短くなる。スロット持続時間が短いと、フレーム持続時間が短くなり、これは、遅延が小さいということになる。これは、高速時間スケールにおける伝送の制御も可能にし、これはプロトコル動作が効率的であるということになる。

クロック同期化機構は制御サブフレーム中に実行され、その実行時間はフレーム毎オーバヘッドである。このオーバヘッドは、ＴＤＭＡプロトコル動作中、固定である、制御サブフレームの持続時間などのＴＤＭＡ ＭＡＣプロトコル・パラメータの最適な設計を可能にするよう限度が設けられ、最小にされなければならない。

同期化機構により、無線システムに、追加費用が必要以上にかかるべきでない。

理想的には、同期化機構は、別々の無線環境（屋内／屋外）、各種マルチホップ無線ネットワーク（メッシュ・ネットワーク。パーソナル・エリア・ネットワーク、センサ・ネットワーク）、及び各種装置（インフラストラクチャ内で動作している無線ルータ、又は無線ネットワーク・エッジで動作しているクライアント）にあてはまり得る。

上記構成全てをサポートすることが可能なマルチホップ無線ネットワークの既存の同期化機構は存在しない。

既存の同期化機構は、帯域外又は帯域内に大別することが可能である。帯域外同期化機構は、更なるハードウェアを使用して共通時間基準を実現する。例えば、無線ノード全てが、全地球測位システム（ＧＰＳ）装置を介して外部のグローバル・クロックにチューニングされた場合、クロック同期化は高精度で達成することが可能である。ＧＰＳ装置の費用が高く、晴天の眺めの屋外環境でしか機能しないので、この手法はあまり広く受け入れられていない。

帯域内同期化機構は、ネットワーク内でビーコン同期化メッセージを送出することにより、ノード・クロックを同期化させようとする。帯域内同期化機構の最も単純なバージョンは、サーバ・ノードが、固定クライアント・ノード又はモバイル・クライアント・ノードに対してシングルホップ無線アクセスを提供する現行のスター型トポロジの無線システムで動作する。例としては、ＧＳＭ／ＴＤＭＡセルラ・ネットワーク、衛星システム、ＩＥＥＥ８０２．１６広帯域無線システム、一点整合機能（ＰＣＦ）又はブルートゥース・システムを使用したＩＥＥＥ８０２．１１無線ＬＡＮがある。前述のシングルホップ無線ＴＤＭＡシステムでは、時間同期化は、サーバからクライアント全てへの信号又はビーコン・パケットの周期的ブロードキャスト伝送によって達成することが可能である（例えば、「Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｉｍｉｎｇ ａｎｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ ＴＤＭ／ＴＤＭＡ ｎｅｔｗｏｒｋｓ」と題する米国特許第７２６３０９０号明細書を参照されたい）。ネットワーク時間標準を備えるノードが、単一のブロードキャスト伝送で他のノード全てに達することが可能でないので、前述の手法はマルチホップ無線ネットワークに適用することが可能でない。
マルチホップ無線ネットワークの帯域内同期化機構を開発するための潜在的なやり方は、マルチホップ有線ネットワークの同期化機構を適合させるというものである。ネットワーク時間プロトコル（ＮＴＰ）は、インターネットにおいて現在使用されている最もよく知られたクロック同期化機構である（Ｄ． Ｌ． Ｍｉｌｌｓによる、「Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｔｉｍｅ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ， Ｔｈｅ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｔｉｍｅ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ， Ｚｈｏｎｇｈｕａ Ｙａｎｇ ａｎｄ Ｔ． Ａｎｔｈｏｎｙ Ｍａｒｓｌａｎｄ （Ｅｄｓ．）， Ｇｌｏｂａｌ Ｓｔａｔｅｓ ａｎｄ Ｔｉｍｅ ｉｎ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ， ＩＥＥＥ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｏｃｉｅｔｙ Ｐｒｅｓｓ， １９９４」を参照されたい）。ＮＴＰシグナリングは無線環境にとって有力であると考えられている。すなわち、ＮＴＰの既存の無線適合は、シングルホップ無線ネットワークの単純なケースの場合でも、低い精度及び高いオーバヘッドをもたらす。

マルチホップ無線センサ・ネットワークについて提案されている帯域内クロック同期化アルゴリズムがいくつかあり、
●Ｊ． Ｅｌｓｏｎ， Ｌ． Ｇｉｒｏｄ及びＤ． Ｅｓｔｒｉｎによる「Ｆｉｎｅ−Ｇｒａｉｎｅｄ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｔｉｍｅ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ Ｕｓｉｎｇ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｂｒｏａｄｃａｓｔｓ．Ｉｎ Ｐｒｏｃ．５ｔｈ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ （ＯＳＤＩ）， ２００２」
●Ｓ． Ｇａｎｅｒｉｗａｌ， Ｒ． Ｋｕｍａｒ及びＭ． Ｓｒｉｖａｓｔａｖａによる「Ｔｉｍｉｎｇ−ｓｙｎｃ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｆｏｒ Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ． Ｉｎ ＳＥＮＳＹＳ， Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２００３」
●Ｑ． Ｌｉ及びＤ． Ｒｕｓによる「Ｇｌｏｂａｌ Ｃｌｏｃｋ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｉｎ Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ， ２００４」
●Ｍ． Ｍａｒｏｔｉ， Ｂ． Ｋｕｓｙ， Ｇ． Ｓｉｍｏｎ及びＡ． Ｌｅｄｅｃｚｉによる「Ｔｈｅ Ｆｌｏｏｄｉｎｇ Ｔｉｍｅ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ， ＡＣＭ Ｓｅｎ−Ｓｙｓ ２００４， ２００４」
●Ｍ． Ｍｏｃｋ， Ｒ． Ｆｒｉｎｇｓ， Ｅ． Ｎｅｔｔ及びＳ． Ｔｒｉｋａｌｉｏｔｉｓによる「Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｃｌｏｃｋ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｉｎ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｒｅａｌ−Ｔｉｍｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｉｎ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｓｏｆｔｗａｒｅ， ２０００」
●Ｋ． Ｒｏｍｅｒによる「Ｔｉｍｅ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｉｎ Ａｄ Ｈｏｃ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ， ＡＣＭ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｍｏｂｉｌｅ Ａｄ Ｈｏｃ Ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ ａｎｄ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ （ＭｏｂｉＨｏｃ ０１），
●Ｊ． ｖａｎ Ｇｒｅｕｎｅｎ， Ｊ． Ｒａｂａｅｙによる「Ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ Ｔｉｍｅ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ， Ｉｎ ＰｒｏｃＷＳＮＡ， Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ２００３， ｓａｎ Ｄｉｅｇｏ， ＣＡ」
●Ｍ． Ｘｕ， Ｍ． Ｚｈａｏ及びＳ． Ｌｉによる「Ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｔｉｍｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ， Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ， Ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ ａｎｄ Ｍｏｂｉｌｅ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ， ２００５」
が含まれる。

上記アルゴリズムは、無線媒体のブロードキャスト特性を活用して同期化精度を向上させる。しかし、前述のアルゴリズムは全て、ランダム・アクセスＭＡＣプロトコルを使用して、ネットワーク内で同期化ビーコン・パケットを配布する。同期化ビーコン・パケットの喪失を生じる予測可能でない遅延及び衝突をもたらすので、前述のプロトコルはＴＤＭＡシステムには適切でない。したがって、前述のアルゴリズムは、同期化オーバヘッドを最小にすることができず、同期化オーバヘッドに限度を設けることもできない。更に、前述のアルゴリズムの大半は、実世界のマルチホップ無線環境において実現され、検査されている訳ではない。

ＩＥＥＥ８０２．１６リレー・タスク群（８０２．１６ｊ標準）は、ツリー・トポロジ構造を有するマルチホップ８０２．１６無線システムの帯域内同期化機構を規定している。前述の同期化機構は８０２．１６ＴＤＭＡプロトコルの上で動作するが、ツリー・トポロジ構造に特有である。すなわち、同期化プリアンブルは、ツリー・ネットワーク構造にわたり、中央根ノードから葉ノードに配布される。この機構は、親子の役割が事前に分からない一般位相幾何構造のマルチホップ無線ネットワークに施すことが可能でない。更に、ツリー構造にわたるクロック配布は個々のリンク障害を受ける。少なくとも１つのリンクがプリアンブルを配布することができない場合、同期化アルゴリズムは、共通時間基準の下でのノード全てを同期化させることができない。最後に、８０２．１６ｊドラフト標準は、一般的なシグナリング及びメッセージ交換を規定するに過ぎない一方、ＴＤＭＡプロトコルの競合がなく、限度が設けられた遅延要求が充足されるように同期化信号の配布を効率的にスケジューリングするためのアルゴリズムを提供するものでない。

●Ｒｅｌａｙ Ｔａｓｋ Ｇｒｏｕｐ ｏｆ ＩＥＥＥ ８０２．１６， 「Ｐａｒｔ １６： Ａｉｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｆｏｒ Ｆｉｘｅｄ ａｎｄ Ｍｏｂｉｌｅ Ｂｒｏａｄｂａｎｄ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ａｃｃｅｓｓ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｍｕｌｔｉｈｏｐ Ｒｅｌａｙ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ」Ａｉｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｆｏｒ Ｆｉｘｅｄ ａｎｄ Ｍｏｂｉｌｅ Ｂｒｏａｄｂａｎｄ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ａｃｃｅｓｓ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｍｕｌｔｉｈｏｐ Ｒｅｌａｙ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ， ＩＥＥＥ Ｐ８０２．１６ｊ／Ｄ３， Ｆｅｂ． ２９ ２００８」
ＥＣＭＡ高速超広帯域ＰＨＹ及びＭＡＣ標準は、ＴＤＭＡ ＭＡＣプロトコルの上で動作する帯域内分散クロック同期化機構を定義する。この機構では、各ＴＤＭＡフレーム中、各ノードはそのクロックをその１ホップ近傍に周期的にブロードキャストし、そのクロックをその最低速の１ホップ近傍の受信クロック値と同期化させる。前述の「最低速のクロックに従う」手法は、ノード全てが互いに聴くことが可能なシングルホップ・ネットワークでノードを同期化させることが可能である。しかし、マルチホップ無線ネットワークでは、このアルゴリズムは、最低速のクロックを伝搬させ、ネットワーク全体の共通時間基準をもたらすためには、無限の数のＴＤＭＡフレームが必要になる。よって、ＥＣＭＡ標準に開示されたアルゴリズムは、グローバル・ネットワーク時間標準が最小の時間及び有界の遅延で必要なアプリケーションの解決策を提供するものでない。

●「Ｓｔａｎｄａｒｄ ＥＣＭＡ ３６８， Ｈｉｇｈ Ｒａｔｅ Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅｂａｎｄ ＰＨＹ ａｎｄ ＭＡＣ ｓｔａｎｄａｒｄ， ２ｎｄ ｅｄｉｔｉｏｎ， Ｄｅｃｅｍｂｅｒ ２００７」
従来技術の刊行物の中でも、ＰＣＴ特許出願公開第２００６／０５６１７４号（Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ‐独国）には、同期化及びデータ伝送方法が開示されている。前述の先行技術のＰＣＴ特許出願公開に開示された同期化手法は、有界の遅延及び低オーバヘッドのＴＤＭＡプロトコル要件を満たさず、マルチホップ無線環境に該当しない。

本発明は、従来技術の解決策の上記欠点を解決することを目的とする。

既存の手法と対照的に、本発明は、ＴＤＭＡプロトコル・スロット構造を利用する同期化アルゴリズムを導入する。同期化アルゴリズムは、共通時間基準を提供するネットワーク内の特定の点から生じるクロック同期化メッセージを配布する。同期化メッセージは、制御サブフレームにおける、競合のないネットワーク・スケジュールを使用してネットワーク内で配布される。前述のスケジュールは、同期化メッセージが最小かつ有限の時間でネットワーク全体に配布されるように構成される。アルゴリズムは、ＴＤＭＡフレームにわたって周期的に実行して、共通時間基準に応じてノード・クロックをリフレッシュすることが可能である。

本発明が解決しようとする技術的課題は、ＴＤＭＡマルチホップ・無線ネットワーク内のノード全てに共通時間基準をどのようにして供給するかというものである。

現在、前述の課題を効率的なやり方で解決することが可能な、有限の実行時間及び最小のオーバヘッドに対するＴＤＭＡプロトコル要件に対処し、広く適用可能でもあり得る既存のアルゴリズムは存在しない。ＧＰＳ装置は、晴天の眺めの屋外で、かつ、費用が課題でない場合にのみ、適用することが可能な帯域外解決策である。帯域内解決策は、より広く適用可能であり、費用対効果が高く、ネットワーク・インフラストラクチャを利用してクロック同期化メッセージを配布する。既存の帯域内同期化解決策の大半は、スター型トポロジのシングルホップ無線ネットワーク用である。一部の帯域内解決策は、任意のトポロジのネットワークに利用可能でないツリー型トポロジ（８０２．１６ｊ標準）のＴＤＭＡマルチホップ・ネットワークについて考え出されている。一方、特定の他の帯域内解決策が任意のトポロジのマルチホップ無線センサ・ネットワークについて考え出されているが、同期化はランダム・アクセス機構を使用して行われ、これは、オーバヘッドを最小にするか、又はオーバヘッドに限度を設けることを不可能にする。本願提案の機構の大半は、マルチホップ無線環境では実現も検査もされていない。

本発明は一般に、ネットワークを共有するノードの組のクロックの同期化に関し、特に、マルチホップ無線ネットワークにおいてＴＤＭＡプロトコルを実行する無線ノードの共通時間基準を生成するクロック同期化機構に関する。クロック同期化アルゴリズムは、ＴＤＭＡプロトコル・スロット構造を利用して、共通時間基準を提供するネットワーク内の特定の点から生じるクロック同期化メッセージを配布する。クロック同期化メッセージは、制御サブフレームにおける、競合のないネットワーク・スケジュールを使用して配布される。前述のスケジュールは、同期化メッセージが最小時間でネットワーク全体に配布されるように構成される。アルゴリズムは、ＴＤＭＡフレームにわたって周期的に実行して、共通時間基準に応じてノード・クロックをリフレッシュすることが可能である。これは、広い範囲のマルチホップ無線ＴＤＭＡネットワークに適用することが可能であり、低オーバヘッドで正確なクロック同期化をもたらす。最後に、アルゴリズムは、ネットワークにおけるノードの残りに、時間基準を提供するノードからのクロック同期メッセージに更なる制御情報を配布するために使用することが可能である。

本発明は、複数のノード（このうち、時間基準（ＴＲ）ノードは、所定の帯域外同期化機構を介して共通時間基準に同期化され、他のノードは非ＴＲノードと呼ばれる）を含むＴＤＭＡ（「時分割多元接続」）通信ネットワークにおけるノードの組のクロックを同期化させる方法として、そのより広い意味合いで定義されており、上記方法は、
●ＴＲノードのうちの少なくとも１つのレベルで、サブフレームの所定の時間スロット中にブロードキャスト・ビーコン・パケットを送信する工程であって、各サブフレームが複数の時間スロットを含む工程と、
●ＴＤＭＡプロトコルのスロット構造を使用してビーコン・パケットを残りのノードのうちで伝搬する工程であって、各ノードは、サブフレームにおいて、競合がない時間スロットが予め割り当てられて、サブフレームの先行スロット内の別のノードから受信されたビーコン・パケットをブロードキャストする工程と、
●ビーコン・パケットを受信すると、更新オフセット推定に基づいて内部クロックを、非ＴＲノードのうちの少なくとも２つにおいて更新する工程とを含む。

効果的には、方法は、別のノード（Ａ）からノード（Ｂ）により、ビーコン・パケットを受信すると、ノード（Ａ）がビーコン・パケットを送信した時間を推定する工程と、ノード（Ａ）の内部クロックとノード（Ｂ）の内部クロックとの間のオフセットを計算する工程とを含む。

好ましくは、ビーコン・パケットは、ビーコン・パケットがＴＲノードによって送信される時点でのＴＲノードの現行クロック値を備えたタイムスタンプを備える。

特定の実施例によれば、更なる制御情報が、通信ネットワークにおける少なくとも２つの非ＴＲノードに、ＴＲノードの少なくとも１つから配布される。

更なる制御情報は好ましくは、ビーコン・パケットにおいて配布される。

効果的には、サブフレームは、制御サブフレームの一部である同期化制御サブフレーム（ＳＣＳ）である。

一実施例によれば、特定の時間スロットでは、１つのノードのみが送信し、残りのノードは「受信」モードにある。

好ましくは、サブフレームの各時間スロットに、通信ネットワークを介してビーコン・パケットを送信又は伝搬するためのノードが割り当てられる。

一実施例によれば、ノードが、サブフレームの所定の時間スロット中に送信するよう割り当てられた場合、その近傍ノードのうちの少なくとも１つに先行時間スロットにおいて送信するよう割り当てられる。

好ましくは、方法は、少なくとも１つのモードにより、ルックアップ・テーブルを保持し、更新する工程を含み、ルックアップ・テーブルは、ビーコン・パケットにおけるデータ速度値に応じて値（デルタ）を求めるために使用される。

特定の実施例では、値（デルタ）は以下の３つの値の和に等しい。

送信側でのＭＡＣ送信遅延、
伝搬遅延、及び
受信側でのＭＡＣ受信遅延
一実施例では、方法は、ＭＡＣ（媒体アクセス制御）層と呼ばれる通信ネットワーク・プロトコル層で行われる、送信ノードでのタイムスタンプを備える工程を含む。

好ましくは、方法は、ＭＡＣ（媒体アクセス制御）層と呼ばれる通信ネットワーク・プロトコル層において行われる、ビーコン・パケットを受信し、復号化する工程を含む。

効果的には、少なくとも２つのサブフレームが、サブフレーム内の少なくとも一時間指数（ｔ）及び少なくとも一チャネル番号（ｋ）と関連付けられ、時間指数（ｔ）では、ノードの特定の群（ｊ）に属するノードはチャネル（ｋ）に戻り、少なくとも一同期化工程を行う。

一実施例によれば、２つのチャネル番号及び１つの時間指数（ｔ）が存在しており、一同期化工程が、時間指数（ｔ）で、２つのチャネルそれぞれに対して行われる。

別の実施例によれば、単一のチャネル番号及び別個の２つの時間指数が存在しており、２つの同期化工程が、２つの別個の時間指数において単一のチャネルに対して行われる。

効果的には、チャネル番号（ｋ）は、複数の直交通信チャネルのうちの一通信チャネルを指定する。

本発明は、複数の装置を含むＴＤＭＡ（「時分割多元接続」）通信ネットワークにおける通信装置にも関し、複数の装置のうち、時間基準（ＴＲ）ノードと呼ばれる一部のノードは、所定の帯域外同期化機構により、共通時間基準に同期化され、上記通信装置は、
●サブフレームの特定の時間スロット中に先行して送信されているブロードキャスト・ビーコン・パケットを受信する工程であって、各サブフレームが複数の時間スロットを含む工程と、
●ビーコン・パケットを受信すると、更新されたオフセットの推定に基づいてその内部クロックを更新する工程と、
●ＴＤＭＡプロトコルのスロット構造を使用して、制御サブフレーム内の割り当てられた送信スロット上でビーコン・パケットを再ブロードキャストする工程とを含む。

本発明によってもたらされる効果は以下の通りである。

●有界の実行時間及び最小オーバヘッドというＴＤＭＡの厳しい要件に対処する。各同期化ビ―コンは、ネットワーク内のノードの数であるＮよりも通常少ないＰに等しい時間スロット数でネットワークに配布される。

●高精度。ＩＥＥＥ８０２．１１ハードウェアによる、本発明による方法の実現形態は、数マイクロ秒程度のクロック同期化を達成する。

同期化制御サブフレーム（ＳＣＳ）スケジュールの例を示す図である。 ２つのノードＡ及びＢ間のデルタの推定のためのメッセージ交換を示す図である。 ２つのＴＲノード、及びＫ＝２個の直交チャネルを有する、本発明による方法の実行の例を表す図である。

以下の詳細な説明は、図面を参照してよりよく理解されるであろう。

本発明による方法は例えば、Ｎ個のノードを含むマルチホップ無線ネットワークにおいて使用することが可能である。一実施例では、前述のノードの一部は時間基準（ＴＲ）ノードである。ＴＲノードは、ＧＰＳ（全地球測位システム）などの帯域外同期化機構を介して共通時間基準に同期化させる。本発明による同期化アルゴリズムの目的は、ＴＲノードの時間基準にネットワークにおけるノード全てのクロックを同期化させた状態にすることである。アルゴリズムはＴＤＭＡプロトコル・スロット構造を利用して、正確な同期化を達成し、通信オ―バヘッドを最小にする。これは、制御サブフレームの一部である同期化制御サブフレーム（ＳＣＳ）中に行われる。主たる考えは、ＴＲノードが、ＳＣＳの第１のスロットにおいてブロードキャスト・ビーコンを送信することにより、同期化をトリガし、ＴＲクロックのその推定値を更新する間に、残りのノードに、このビーコンをネットワークにすばやく伝搬させるというものである。

汎用性を失うことなく、単一のＴＲノードの場合にまず、注力することが可能である。その後、複数のＴＲノードに関係する性能拡充を説明する。まず、ネットワークにおけるＴＲ同期化ビーコンのすばやい伝搬を目的とするノード送信系列を定めるＳＣＳ構造を説明する。次いで、ＳＣＳ構造を利用する同期化アルゴリズム、及び正確なクロック同期化の達成を支援する実験的なパラメータ推定手順を提示する。

ＳＣＳスケジュールはＰ個のスロットを含む。各スロットの間、単一のノードのみが送信し、残りは「受信」モードにある。ＳＣＳの間、各ノードが送信するのは、せいぜい一度である。ＳＣＳスケジュールを構成する目標は、単一のビーコン・メッセージが、ネットワーク内でＴＲノードからノードの残りまで、信頼度の高いやり方で伝搬されることを確実にする、小さなＰを備えたスロット割り当てを求めるというものである。第１のＳＣＳスロットをＴＲノードに割り当てて、ネットワーク内で伝搬される対象のビーコン・パケットを送信する。残りのＳＣＳスロットを他のノードに割り当てて、マルチホップ無線ネットワークのネットワーク通信グラフＧ（Ｎ，Ｌ）を使用してビーコンを伝搬させる。グラフＧ（Ｎ，Ｌ）の頂点はネットワーク・ノードであり、エッジは全て、ノードｉからの送信が、確率ｐ（ｉ．ｊ）でノードｉに達することが可能である一方向リンク（ｉ，ｊ）である。Ｇ（Ｎ，Ｌ）に基づいてノードにスロットを割り当てるためのやり方がいくつか存在している。スロットにおいて送信するようノ―ドが割り当てられた場合、Ｇ（Ｎ，Ｌ）における少なくとも１つの近傍ノードは、先行スロット中に送信するよう割り当てられているということを何れの割り当ても確実にする。各ノードがＳＣＳ中に、各ノードが送信可能であるのは、せいぜい一度であるのでこの制約が生じる。最善の割り当ては、オーバヘッドと信頼度との間のトレードオフに依存する。ＳＣＳ持続時間Ｐがより長い割り当ては、より長いオーバヘッド及び実行時間をもたらす。一方、送信がより多く、近傍からビーコン・パケットを受信する確率がより高いので、より高い信頼度がもたらされ得る。

図１は、Ｎ＝１２ノードの場合の、マルチホップ無線ネットワークＧ（Ｎ，Ｌ）のＰ＝７個のスロットの同期化制御サブフレーム（ＳＣＳ）スケジュールの例を示す。ネットワーク・グラフＧ（Ｎ，Ｅ）のエッジは、ノード終点間のリンクの何れかの方向の通信を表す。この例では、アルゴリズムが、各制御サブフレーム（ｌａｍｄａ＝１）におけるＳＣＳ中に実行される。ＴＲ（時間基準）ノードには、ＳＣＳにおける第１のスロットが割り当てられる。ノードの中の数字は、ＳＣＳ中に前述のノードが、送信するよう割り当てられているスロットを表す。

アルゴリズムの説明は、ノードの数が固定のマルチホップ無線ネットワークにおける同期化の保守に注力する。更なるノードは、現在の無線ＴＤＭＡシステムにおいてみられるレンジング手順と同様なレンジング手順により、ネットワークに加えた後に、アルゴリズム実行に組み入れることが可能である。

アルゴリズムの目標は、ＴＲノードとの同期化が維持されるようにノードのクロック値を更新するというものである。アルゴリズムはＳＣＳ中に実行し、ラムダ制御サブフレーム毎に周期的に実行される。アルゴリズムを施すことが可能な最大周波数はＴＤＭフレームの持続時間（Ｆ）で定められる。この場合、アルゴリズムが各制御サブフレーム（ラムダ＝１）で施される。

ＳＣＳにおける各スロットは、ＳｌｏｔＴｉｍｅに等しい固定のものである。ＳｌｏｔＴｉｍｅは、固定持続時間の２つの部分（すなわち、アイドル・ガード時間部Ｔ＿Ｇ及びデータ伝送部）を含む。ガード時間は、瞬間的なクロック・ドリフトをマスクするために必要なスロット毎オーバヘッドである。スロット・ガ―ド時間Ｔ＿ＧがＳＣＳの持続時間Ｐ^＊ＳｌｏｔＴｉｍｅのクロック・ドリフトの吸収に十分大きいものとすることが必要である。これは、ノード全てが同期化されており、アルゴリズム実行中にサブフレーム（制御、ＳＣＳ、データ）全ての開始及び終了の共通のビューを有することを確実にする。Ｔ＿Ｇも、別々のＴＤＭＡフレームにおける別々のアルゴリズム実行間に生じるドリフトをマスクするのに十分大きい。ｄｒ＿ｉが、共通時間基準からのノードｉのクロック・ドリフト・レートである場合、スロット・ガード時間は、

を満たすはずである。

アルゴリズムは、ＳＣＳの第１のスロットにおいてその現在のクロック値を有するタイムスタンプを含むビーコンをＴＲノードがブロードキャストすると始まる。ビーコンを受信する各ノードは、現在のＳＣＳにおいて受信した第１のビーコンである場合、ＴＲクロックに対するそのクロック・オフセットの推定値を計算し、ＴＲノードのクロックに基づいて、次のデータ・サブフレーム（ＤＳ）の最初を求める。次いで、ＳＣＳにおけるその割り当てられたスロット中にビーコン（未修正）を再ブロードキャストする。スロット割り当ては、ＳＣＳの最後までに、ノード全てが、高い確率でビーコンの少なくとも一複製を受信することができることを確実にする。ＳＣＳの最後に、ノードは全て、そのクロックをその更新されたオフセット推定に基づいて更新する。以下に、アルゴリズムが終了すると、ＳＣＳの終了時にノード全てによって行われるクロック更新動作及びビーコンの受信による、オフセットの計算を詳細に説明する。

次に、スロットｉでビーコンを受信する際の各ノードｎの動作を説明する。Ｔ＿ｎ（Ｌ）を、ビーコンを受信する際のノードｎの局所クロック値とする。ノードｎはまず、ノードｉがビーコンを送出した時点の推定値Ｔ＿ｉ（ｎ）を計算する。

ここで、デルタ（δ）は、ノードｉからノードｎにビーコンが送信されるのに要する合計時間の推定値である。デルタがどのようにして推定されるかを次に説明する。Ｔ＿ｉ（Ｌ）があれば、ノードｎは次いで、ＴＲノードがビーコンを送出した時点のその推定値Ｔ＿ｓ（Ｌ）を計算する。

最後に、ノードｎはビーコン・タイムスタンプ値Ｔ＿ｓ（Ｒ）を使用して、ノードｉからのサンプルに基づいてＴＲクロックのそのオフセットを推定する。

ＳＣＳのスロットＰの最後に、各ノードｎはその局所クロックを、新たに計算されたオフセットに基づいて更新する。ノード全てがそのクロックをＳＣＳの最後に同時に更新する理由は、ノードが他よりも前に、新たなクロック値でそのクロックを更新することによる非同期化を避けるためである。

デルタの推定
同期化アルゴリズムのオフセット推定手順における唯一の未知の数量は式（１）における遅延デルタである。デルタは、タイムスタンプが送出側においてビーコン・パケットに入れられる時点と、受信側におけるビーコン・パケットの受信の時点との間の合計遅延である。

一実施例によれば、送出側におけるタイムスタンプ動作がＭＡＣ層で行われる実現形態を考察する。受信側では、ビーコン・パケットの受信及び復号化もＭＡＣ層で実現される。前述の実現形態は、ネットワーク層データ経路による遅延及び動作システム・コンテキスト・スイッチなどの、ネットワーク・プロトコル・スタックの高位層による遅延の不確実性を回避する。更に、同期化アルゴリズムはＴＤＭＡプロトコルの上で動作し、デルタは時間スロット内で生じ、よって、ＭＡＣプロトコル動作によるアクセス遅延は存在しない。これは、ランダム・アクセス・プロトコルの上で動作する従来技術の前述のクロック同期化アルゴリズムと対照的である。前述の従来技術のアルゴリズムでは、アクセス遅延成分は大きく、同期化アルゴリズム実行中にオンライン推定を必要とする。

デルタの唯一の成分は送出側におけるＭＡＣ送信遅延、伝搬遅延、及びＭＡＣ受信遅延である。送出側におけるＭＡＣ送信遅延は決定論的であり、ビーコン・パケット・サイズ及び物理層データ伝送速度によって決まり得る。通常のマルチホップ無線ネットワークにおいて遭遇するノード間距離の伝搬遅延は、ＴＤＭプロトコルの時間スロット細粒度に対して、低い振幅及び変動を有する。例えば、半キロメートルに及ぶ伝搬遅延は、マイクロ秒の数分の１程度である一方、ＩＥＥＥ８０２．１１無線ハードウェアによるＴＤＭプロトコル実現形態では、クロック細粒度は一マイクロ秒である。主たる未知数量は、受信器無線割り込みがＭＡＣ層で到着する際のＭＡＣ受信遅延である。未知であるが、この数量は、比較的小さく、変動が小さいことが見込まれる。

ＭＡＣ受信遅延の不確実性はデルタをオフラインで測定することによって捕捉する。これは、送出側・受信側同期化ハンドシェーク・プロトコルをエミュレートする実験的な手法によって達成される。この実験は、図２に示し、図２では、ノードＡは送出側であり、ノードＢは受信側である。前述の実験によれば、ノードＡはビーコンを時点Ｔ１（Ａ）で送出し、これは、ノードＢにより、時点Ｔ２（Ｂ）で受信される。ノードＢは、それ自身のビーコンにより、時点Ｔ３（Ｂ）で直ちに回答し、ノードＡはこのビーコンを時点Ｔ４（Ａ）で受信する。時点Ｔ１（Ａ）、Ｔ４（Ａ）はＡのクロックで測定され、時点Ｔ２（Ｂ）、Ｔ３（Ｂ）はＢのクロックで測定される。Ｔ１（Ａ）は、ノードＡがそのビーコンに入れるタイムスタンプである。

図２は、２つのノードＡ及びＢ間のデルタ推定のためのメッセージ交換を示す。

Ｂは、ビーコンをＡから受信すると、Ａがビーコンを送信（タイムスタンプ）した時点を、

として推定する。ここで、デルタは求める対象のパラメータである。

更に、２つのクロック間のオフセットが、

として計算される。

時点Ｔ３（Ｂ）では、ノードＢは、それ自身のビーコンを送出するが、Ｔ３（Ｂ）、Ｔ３（Ａ）でのＡのクロックのその推定を使用してタイムスタンプする。

この手順は、ノード全てが同じ値（すなわち、ＴＲノードによって当初送出されるタイムスタンプ）でビーコンにタイムスタンプするオンライン同期化アルゴリズムと異なる。Ａは、時点Ｔ４（Ａ）で回答を受信すると、時点Ｔ３’（Ａ）を推定し、回答は、

として送出されている。

時点Ｔ３（Ａ）及びＴ３’（Ａ）はともに同じクロック基準で推定されるので、等しいはずである。

式（５）（６）（７）を式（８）に代入すれば、デルタについて以下の式が得られる。

式（９）に基づけば、ノードＡでＴ１（Ａ）、Ｔ４（Ａ）を測定し、ノードＢでＴ２（Ｂ）、Ｔ３（Ｂ）を推定することが可能である。

上記実験手順を、サポートされたデータ・レート毎に複数回繰り返して、データ・レート毎の平均デルタを計算する。クロック同期化アルゴリズム実行中、各ノードはルックアップ・テーブルを使用して、受信ビーコン・パケットにおけるデータ・レート値に対応するデルタを求める。

ＳＣＳスケジュールの各スロット中、単一のノードのみが送信し、ノードの残りはリッスンする。これは、保守的なスケジュールである。競合なしで同じスロットで送信することが可能な離間したノードが存在し得るからである。しかし、一般に、特にプロトコル動作中に干渉関係が動的に変動する場合、どの送信が干渉するかを事前に正確に推定することは自明でない。なお、更なる並列性及びオーバヘッド削減を、クロック同期化を干渉推定アルゴリズムと統合して空間再使用を活用することによって達成することが可能である。干渉推定アルゴリズムは、非干渉ノードの組を求め、ＳＣＳスケジュールの設計において使用することが可能である。

アルゴリズムは複数のＴＲノードで動作することが可能である。ＭをＴＲノードの数とする。ネットワークはＭ個の群に分割され、それぞれはＴＲノードによってサービスされる。ＴＲノードｊの群は、ネットワーク通信グラフＧ（Ｎ，Ｌ）の連結サブグラフである。群ｊ毎に、Ｐｊスロットの別個のＳＣＳが構成される。群ｊのＳＣＳ中、単一のＴＲノード・アルゴリズムが実行され、ビーコン・メッセージが対応するＴＲノードから送信される。単一のチャネルのみがネットワークに存在する場合、Ｍ個のＭＣＳが制御サブフレーム内に順番に入れられ、このことは、アルゴリズムが群間で順次実行されることを示唆している。Ｋ個の直交チャネルが存在している場合、時間上、アルゴリズム実行を重複させること（重複係数Ｋ）により、オーバヘッドを削減することが可能である。この場合、各ＳＣＳは、制御サブフレーム内の時間指数ｔ及びチャネル番号ｋと関連付けられる。よって、制御サブフレームの時間指数ｔでは、群ｊのノードは全て、チャネルｋに切り替わり、同期化アルゴリズムを実行する。図３は、図１のネットワークにおけるＭ＝２個のＴＲノード及びＫ＝２個のチャネルの場合のＳＣＳ構造及びアルゴリズム実行の例を示す。

例えば、２つのチャネル番号及び１つの時間指数（ｔ）が存在し得る。この構成では、一同期化工程が、時間指数（ｔ）で２つのチャネルそれぞれに対して行われる。

更に、例えば、１つの単一のチャネル番号及び２つの別個の時間指数も存在し得る。この構成では、２つの同期化工程が、２つの別個の時間指数で単一のチャネルに対して行われる。

図３は、２つのＴＲノード、及び、直交チャネル（Ｋ＝２）を有する、本発明による方法の実行の例を表す。各群のＳＣＳはＰ＝３個のスロットを含む。２つのＳＣＳは時間上、重複し得る。各群は別のチャネルに対してアルゴリズムを実行するからである。

本願明細書及び図面は、本発明による方法の完全な説明を記載している。本発明の多くの実施例は、本発明の趣旨及び範囲から逸脱しない限り、行うことが可能であり、本発明は、特許請求の範囲記載の範囲内に存在する。

ＴＲ 時間基準

Claims (12)

1. 複数のノードを含むＴＤＭＡ（「時分割多元接続」）通信ネットワークにおけるノードの組のクロックを同期化させる方法であって、前記複数のノードのうち、時間基準（ＴＲ）ノードと呼ばれる一部のノードは所定の帯域外同期化機構を介して共通時間基準に同期化され、他のノードは非ＴＲノードと呼ばれ、それぞれのノードは内部クロックを有し、前記方法は、
   前記ＴＲノードのうちの少なくとも１つにおいて、サブフレームの所定の時間スロット中にブロードキャスト・ビーコン・パケットを送信する工程であって、各サブフレームが複数の時間スロットを含む工程と、
   ＴＤＭＡプロトコルのスロット構造を使用して前記ビーコン・パケットを残りのノードのうちで伝搬する工程であって、各ノードは、サブフレームにおいて、競合がない時間スロットが予め割り当てられて、前記サブフレームの先行スロット内の別のノードから受信されたビーコン・パケットをブロードキャストする工程と、
   前記ビーコン・パケットを受信すると、更新オフセット推定に基づいて前記内部クロックを、前記非ＴＲノードのうちの少なくとも２つにおいて更新する工程とを含む方法。
2. 請求項１記載のＴＤＭＡ通信ネットワークにおけるノードの組のクロックを同期化させる方法であって、別のノード（Ａ）からノード（Ｂ）により、前記ビーコン・パケットを受信すると、ノード（Ａ）が前記ビーコン・パケットを送信した時点を推定する工程と、ノード（Ａ）の内部クロックとノード（Ｂ）の内部クロックとの間のオフセットを計算する工程とを含む方法。
3. 請求項１又は２に記載のＴＤＭＡ通信ネットワークにおけるノードの組のクロックを同期化させる方法であって、前記ビーコン・パケットは、前記ビーコン・パケットが前記ＴＲノードによって送信される時点での前記ＴＲノードの現時のクロック値によるタイムスタンプを備える方法。
4. 請求項１、２又は３に記載のＴＤＭＡ通信ネットワークにおけるノード通信の組のクロックを同期化させる方法であって、制御情報が、前記通信ネットワークにおける少なくとも２つの前記非ＴＲノードに前記ＴＲノードの少なくとも１つから配布される方法。
5. 請求項４記載のＴＤＭＡ通信ネットワークにおけるノードの組のクロックを同期化させる方法であって、前記制御情報が前記ビーコン・パケットにおいて配布される方法。
6. 請求項１乃至５のうちの何れか一項に記載のＴＤＭＡ通信ネットワークにおけるノードの組のクロックを同期化させる方法であって、前記サブフレームは、制御サブフレームの一部である同期化制御サブフレーム（ＳＣＳ）である方法。
7. 請求項１乃至６のうちの何れか一項に記載のＴＤＭＡ通信ネットワークにおけるノードの組のクロックを同期化させる方法であって、特定の時間スロットでは、一ノードのみが送信し、残りのノードが「受信」モードにある方法。
8. 請求項１乃至７のうちの何れか一項に記載のＴＤＭＡ通信ネットワークにおけるノードの組のクロックを同期化させる方法であって、ルックアップ・テーブルを保持し、少なくとも一ノードだけ、更新し、前記ルックアップ・テーブルは、前記ビーコン・パケットにおけるデータ・レート値に応じて値（デルタ）を求めるよう使用される方法。
9. 請求項８記載のＴＤＭＡ通信ネットワークにおけるノードの組のクロックを同期化させる方法であって、前記値（デルタ）は、
   送信側でのＭＡＣ送信遅延、
   伝搬遅延、及び
   受信側でのＭＡＣ受信遅延
   の３つの値の和に等しい方法。
10. 請求項２記載のＴＤＭＡ通信ネットワークにおけるノードの組のクロックを同期化させる方法であって、送信側ノードにおいてタイムスタンプを供給する工程は、ＭＡＣ（媒体アクセス制御）層と呼ばれる通信ネットワーク・プロトコル層において行われる方法。
11. 請求項１乃至１０記載のうちの何れか一項に記載のＴＤＭＡ通信ネットワークにおけるノードの組のクロックを同期化させる方法であって、ＭＡＣ（媒体アクセス制御）層と呼ばれる通信ネットワーク・プロトコル層において行われる、前記ビーコン・パケットを受信し、復号化する工程を含む方法。
12. 複数の装置を含むＴＤＭＡ（「時分割多元接続」）通信ネットワークにおける通信装置であって、前記複数の装置のうち、時間基準（ＴＲ）ノードと呼ばれる一部のノードは、所定の帯域外同期化機構を介して共通時間基準に同期化され、前記装置は、ＴＤＭＡプロトコルの時間スロット構造を使用して通信し、前記装置間の通信は周期フレームにおいて行われ、各フレームは少なくとも一サブフレームを含み、各サブフレームは複数の時間スロットを含み、各装置は内部クロックを有し、前記通信装置は更に、
    サブフレーム内の第１の時間スロットにおいてブロードキャスト・ビーコン・パケットを受信する手段であって、前記第１の時間スロットは、前記ビーコン・パケットをブロードキャストするために前記ネットワークの１つの他の装置に予め割り当てられる手段と、
    前記ビーコン・パケットを受信すると、更新されたオフセット推定に基づいてその内部クロックを更新する手段と、
    前記装置に予め割り当てられている前記サブフレームの第２の時間スロット上で前記ビーコン・パケットをブロードキャストする手段とを更に備え、前記第２の時間スロットは、前記サブフレームにおける前記第１の時間スロット後に生じる通信装置。

Images