JP5811895B2 - 通信装置及び通信方法 - Google Patents

Description

本発明は、無線ネットワークにおいて高精度に時刻同期を行わせる通信装置及び通信方法に関するものである。

無線ネットワークの中でも、センサネットワークをはじめとする分散計測・制御分野では、計測・制御のタイミングを一致させるために各端末の時刻同期が必須である。端末同士で時刻同期を行う方法としては、現在時刻を記録したパケットを送信することが考えられる。しかしながら、無線ネットワークにおいては、送信時にＭＡＣ（Ｍｅｄｉａ Ａｃｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ）レイヤでＣＳＭＡ−ＣＡ（Ｃａｒｒｉｅｒ Ｓｅｎｓｅ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ−Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ Ａｖｏｉｄａｎｃｅ）と呼ばれる輻輳制御が行われるため、パケットの送信遅延時間が大きく変動する。

具体的には、ＭＡＣレイヤに渡された送信データは、他の送信パケットとの衝突を防ぐためにチャネルの未使用を待ってから送信される。ＭＡＣレイヤは、チャネルが使用中であることを検出した場合、バックオフ時間と呼ばれるランダムな時間待機する。待機後、再度チャネルの使用状況を確認し、未使用であれば物理層からデータを送信する。そのため、パケットに記録された時刻と実際に受信側の端末でパケットを受信する時刻との間にランダムな誤差が生じる。
こうした送信時の遅延を補正し、時刻同期を行う先行技術として、ＲＢＳ（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ−Ｂｒｏａｄｃａｓｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ：非特許文献１）やＦＴＳＰ（Ｆｌｏｏｄｉｎｇ Ｔｉｍｅ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ：非特許文献２）が知られている。

ＲＢＳは、任意のブロードキャストパケットを受信した２つ以上のノードが受信時刻をお互いに交換し、その統計平均から同期時刻を求める。同手法は、異なるノード間の受信時刻のずれがガウシアン分布になることを利用しており、受信ノード数が多いほど同期精度が向上する。

またＦＴＳＰでは、ＭＡＣレイヤにてチャネル未使用が検出され、実際に物理層から時刻同期パケットが送信される時刻を同パケットに記載することで正確な送信時刻を受信側に伝える。受信側は時刻同期パケットに記載された正確な送信時刻と、同パケットを受信してからの経過時間の和から同期時刻を知ることができる。ＦＴＳＰは物理層からデータが送信される時刻を用いるため、ＲＢＳと比較して高い精度で時刻同期が可能である。また、１パケットで時刻同期を実現することができるため、トラヒックも低減できる。

ＦＴＳＰと類似の方法により時刻同期を実現する方式の一例として、物理層から同期パケット（先行パケット）が送信される時刻を次パケット（補正パケット）により伝える方法がある（特許文献１）。同方式では、ＦＴＳＰと同等の精度で時刻同期を行うことができる。また、送信時刻情報は補正パケットで送信するため、ＦＴＳＰで問題となっていた誤り検出用の情報の再計算が不要である。

Ｆｉｎｅ−Ｇｒａｉｎｅｄ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｔｉｍｅ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｂｒｏａｄｃａｓｔｓ Ｔｈｅ Ｆｌｏｏｄｉｎｇ Ｔｉｍｅ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ ＩＥＥＥ８０２．１５．４ 特開２００９−１１１６５４

一般に無線ネットワークにおいて、パケットの送受信により時刻同期を行う場合、ＣＳＭＡ−ＣＡによる送信遅延に起因する同期誤差の問題がある。

ＲＢＳ（非特許文献１）は、ブロードキャストパケットを受信した端末同士が受信時刻を交換し、統計平均をとることで、同期誤差を補正することを可能にする。しかしながら、多数のノードがお互いにパケットを交換する必要があるため、ノード数が多くなるとトラヒックや消費電力が増加するといった問題がある。

またＦＴＳＰ（非特許文献２）では、時刻同期情報として物理層から時刻同期パケットが送信される時刻を用いるため高い精度で同期することができる。しかしながら、同手法では物理層がデータ送信中にパケットを操作するため、計算負荷が高い。特に、ＩＥＥＥ８０２．１５．４（非特許文献３）をはじめとする多くの通信標準規格では、送信パケットに誤り検出用の情報を記載する。この誤り検出用の情報は、送信データ全体から計算するため、パケットを操作した場合には再計算する必要がある。

同送信時刻を次パケットで送信する方法（特許文献１）もあるが、時刻同期に対となる２パケットが必要となるため、トラヒックの増加や、パケット損失時のオーバーヘッドが問題となる。

本発明は、各バックオフ回数に対応しそのバックオフにかかる時間を示す各補正情報を生成する補正情報生成部、補正情報生成部で生成された各補正情報及び時刻同期の開始時刻に基づいて複数の時刻同期フレームを生成するフレーム生成部、フレーム生成部で生成された複数の時刻同期フレームから自己が行ったバックオフ回数に基づいて時刻同期フレームを選択するフレーム選択部、フレーム選択部で選択された時刻同期フレームを送信する送信部、を備えたことを特徴とする。

本発明は、更に、フレーム生成部は時刻同期の配信の要求を受けた場合、送信作業を中断させることを特徴とする。

本発明は、更に、時刻同期フレームは、通信データを含むことを特徴とする。

本発明は、更に、時刻同期フレームには、送信元の通信装置から自己まで経た通信装置数を示す同期階層情報が記載され、自己が予め記憶している同期階層情報より受信した時刻同期フレームに記載の同期階層情報が小さい場合、受信した時刻同期フレームの補正情報及び開始時間に基づいて自己の管理する時刻の補正をすることを特徴とする。

本発明によれば、複数の時刻同期フレームから自己が行ったバックオフ回数に基づいて時刻同期フレームを選択して送信するため、このフレームを受信する通信装置は時刻同期フレームに基づいて精度良く時刻補正を行うことができる。

また、本発明によれば、時刻同期の配信の要求を受けた場合に送信作業を中断させるため、時刻同期フレームを送信する際にアイドル状態を待機しなくなり短時間で時刻同期フレームを送信することができる。

また、本発明によれば、生成する時刻同期フレームは通信データを含むため、１回の時刻同期フレームの送信により時刻同期を完了し時刻同期によるトラヒックの増加を抑えることができる。

また、本発明によれば、時刻同期フレームには、送信元の通信装置から自己まで経た通信装置数を示す同期階層情報が記載されており、自己が予め記憶している同期階層情報より受信した時刻同期フレームに記載の同期階層情報が小さい場合、受信した時刻同期フレームに基づいて自己の管理する時刻の補正をするため、誤差が少ないと思われる時刻補正をすることができる。

実施の形態１における無線ネットワーク環境を示す図 実施の形態１における時刻同期制御装置の構成を示す図 実施の形態１における同期パケット記録部の詳細を示す図 実施の形態１における送信側及び受信側の時間関係を示す図 実施の形態１における時刻同期パケットのフォーマットを示す図 実施の形態１における時刻同期パケット送信手順を示すフローチャート 実施の形態１におけるパケット受信手順を示すフローチャート 実施の形態２における時刻同期パケット送信手順を示すフローチャート 実施の形態３における通信パケットのフォーマットを示す図 実施の形態３における時刻同期制御装置の構成例を示す図 実施の形態４を実施する無線ネットワーク環境を示す図 実施の形態４における時刻同期パケットのフォーマットを示す図 実施の形態４における時刻同期制御装置の構成を示す図 実施の形態４におけるパケット受信手順を示すフローチャート 実施の形態５を実施する無線ネットワーク環境を示す図

実施の形態１．
以下に、本発明にかかる時刻同期制御装置を備えた通信装置の実施の形態１を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明を実施する無線ネットワーク環境を示す図である。同無線ネットワークは、例としてＩＥＥＥ８０２．１５．４などの無線ＰＡＮ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）を通じて時刻情報を送受信する、２つ以上の無線端末（通信装置）１で構成される。また、各無線端末１は、時刻同期パケットを処理する時刻同期制御装置２及び同パケットを無線信号として送受信するアンテナ（送信部及び受信部）３によって構成される。

各無線端末１が持つ時刻同期制御装置２は、周辺の無線端末１を自装置の時刻に同期させたい場合、時刻情報と同期誤差補正情報を記載した時刻同期パケットを生成し、同パケットをアンテナ３からブロードキャストする。なお、ここでのネットワークは無線ＰＡＮを想定して説明するがこれに限られない。また、無線端末１をスマートメータに設けることで、スマートメータネットワークを形成することができる。

一方で同期される無線端末１は、時刻同期パケットの無線信号をアンテナ３より受信する。このとき時刻同期制御装置２は、受信した時刻同期パケットの受信時刻と、同パケットに記載されている時刻情報及び同期誤差補正情報と、に基づいて時刻同期処理を行う。

図２は、各無線端末１が持つ時刻同期制御装置２の構成例を示す図である。時刻同期処理装置２は、無線ネットワーク上で時刻同期パケットを送受信することにより複数の端末間で時刻同期を行う装置であって、例えばＩＥＥＥ８０２．１５．４規格を満たすように拡張されたＭＡＣである。時刻同期制御装置２は、上位レイヤ６から入力された制御信号、時刻同期配信要求及び送信データに基づいてＰＨＹフレームを生成して、物理層２７に出力する。

また、物理層２７からＰＨＹフレームが入力された場合は、後述する一連の受信処理を行った上で、時刻同期処理をし、上位レイヤ６に受信データを出力する。さらに時刻同期制御装置２は、上位レイヤ６に対して後述する時計部２２の時刻情報を入出力する機能も有する。

時刻同期ＭＡＣフレーム生成部１１は、上位レイヤ６からの時刻同期配信要求を受け付けて、時計部２２から提供される時刻同期の開始時刻である時刻情報と誤差補正情報計算部２１から提供されるバックオフ回数に対応して、そのバックオフにかかる時間であるＮ個の同期誤差補正情報からＮパターンの時刻同期ＭＡＣフレームを生成する。また、生成した時刻同期ＭＡＣフレームをＰＨＹフレーム生成部１３に出力する。時刻同期ＭＡＣフレームの生成には、同期誤差補正情報が必要であるため、時刻同期ＭＡＣフレームを生成する前に、送信制御部１６に時刻同期を開始したことを通知し、バックオフ時間生成部２０にＮ回分のバックオフ時間を生成させる。

一方で、ＭＡＣフレーム生成部１２は、汎用のデータＭＡＣフレームを生成するための装置であり、上位レイヤ６から入力された送信データにヘッダ・フッタ情報を付加したうえで、データＭＡＣフレームをＰＨＹフレーム生成部１３に出力する。

時計部２２は、自装置の時刻情報を提供する装置であり、時刻同期ＭＡＣフレームの生成やパケットの受信時刻の計測などに用いられる。同装置は、上位レイヤ６、時刻同期ＭＡＣフレーム生成部１１、受信制御部１７、及び時刻同期処理部２５に対して時刻情報を提供する。また、上位レイヤ６、及び時刻同期処理部２５から時刻情報を入力・設定する機能も有する。

誤差補正情報計算部２１は、バックオフ回数に対応し、そのバックオフにかかる時間を示すとともに時刻同期ＭＡＣフレームの生成に必要な同期誤差補正情報を生成する。具体的には、誤差補正情報計算部２１は、バックオフ時間記録部１９から取得したバックオフ時間を基に同期時刻情報を算出する装置である。算出した同期補正情報は、時刻同期ＭＡＣフレーム生成部１１に出力する。なお、バックオフ回数ｎにおける同期誤差補正情報Ｔ_{ｃｏｒｒｅｃｔ}（ｎ）は、例として次式で計算される。ただし、Ｔ_ＣＣＡはキャリアセンス時間、Ｔ_{ｂａｃｋｏｆｆ}（ｉ）はｉ番目のバックオフ時間を表わす。バックオフにかかる時間である同期誤差補正情報Ｔ_{ｃｏｒｒｅｃｔ}（ｎ）は、キャリアセンスの総時間であるｎＴ_ＣＣＡとキャリアセンスの総時間であるΣＴ_{ｂａｃｋｏｆｆ}の和である。

ＰＨＹフレーム生成部１３は、時刻同期ＭＡＣフレーム生成部１１から入力されたＮパターンの時刻同期ＭＡＣフレームにヘッダ情報などを追加し、Ｎパターンの時刻同期ＰＨＹフレームを生成する。生成された各時刻同期ＰＨＹフレームは、同期パケット記録部１４に個別に記録される。また、ＭＡＣフレーム生成部１２から入力されたデータＭＡＣフレームについても、ヘッダ情報などを追加し、データＰＨＹフレームを生成する。生成されたデータＰＨＹフレームは、データパケット記録部１５に記録される。

図３は、同期パケット記録部１４、及びその周辺の構成を詳細に示した図である。同期パケット記録部１４は、Ｎ個の記録領域１０１、１０２・・・があり、ＰＨＹフレーム生成部から入力されたＮパターンの時刻同期ＰＨＹフレームを個別に格納する。また、Ｎ個の記録領域１０１、１０２・・・は、すべてセレクタ１８に接続されている。Ｎ個の記録領域１０１、１０２・・・は、バックオフ回数と対応付けられており、セレクタ１８は選択して取り出すことができる。

図２において、送信制御部１６は、時刻同期ＭＡＣフレーム生成部１１に自身の通信状態の情報を提供する。また、時刻同期パケットの送信制御開始時、送信制御部１６は時刻同期ＭＡＣフレーム生成部１１から時刻同期の開始通知を受信する。時刻同期の開始通知の受信を合図にバックオフ時間生成部２０に対してバックオフ時間更新要求を出力する。

また、送信制御部１６は、ＣＳＭＡ−ＣＡの手順を踏んで時刻同期ＰＨＹフレームを物理層２７に出力する。ＣＳＭＡ−ＣＡの手順では、バックオフ時間記録部１９から提供されるバックオフ時間を用いる。
時刻同期ＰＨＹフレームを物理層２７に出力する際、送信制御部１６は、セレクタ１８に送信データ選択信号を送り、実際に行ったバックオフ回数に対応した同期誤差補正情報が記載されている時刻同期ＰＨＹフレームを取り出す。一方で、汎用のデータＰＨＹフレームを物理層２７に出力する際は、同じくセレクタ１８に送信データ選択信号を送り、データパケット記録部に記録されているデータＰＨＹフレームを取り出す。

セレクタ１８は、送信制御部１６からの送信データ選択信号に基づいて、同期パケット記録部１４、またはデータパケット記録部１５からＰＨＹフレームを取り出し、送信制御部１６に出力する。

受信制御部１７では、パケット受信時、その受信時刻を時計部２２の提供する時刻情報を用いて計測し、受信時刻記録部２３に記録する。また、物理層２７からＰＨＹフレームを取得し、ＰＨＹ／ＭＡＣフレーム解析部２４に出力する。

ＰＨＹ／ＭＡＣフレーム解析部２４は、受信制御部１７から入力されたＰＨＹフレームについて、ＭＡＣフレームの抽出及びＭＡＣフレームから格納データの抽出を行う。また、抽出した格納データを基にパケットの種別を識別し、時刻同期パケットであった場合は、時刻同期処理部２５に格納データを出力する。パケットが時刻同期パケットでなかった場合は、上位レイヤ６に受信データを出力する。

時刻同期処理部２５は、詳細は後述するが、受信した時刻同期パケットに含まれる格納データから、時刻情報５１と同期誤差補正情報５２を抽出し、補正時刻５７を計算する。また、計算した補正時刻５７を時計部２２に設定する。

図４は、補正時刻５７（Ｔ’_{ｃｌｏｃｋ}）、時刻同期パケット５４の受信時刻５５（Ｔ_ＲＸ）、現在時刻５６（Ｔ_{ｃｌｏｃｋ}）、時刻情報５１（Ｔ_ｓｙｎｃ）、及び同期誤差補正情報５２（Ｔ_{ｃｏｒｒｅｃｔ}）の関係を詳細に示した図である。

時刻情報５１、及び同期誤差補正情報５２は、送信側の時計部２２を基準とした時間であり、送信する時刻同期パケット５３に記載される。時刻情報５１は、時刻同期ＭＡＣフレーム生成部１１が時刻同期ＭＡＣフレームを生成する時点での時刻を、同期誤差補正情報５２は、送信制御部１６がＣＳＭＡ−ＣＡの手順に要する時間、即ち、時刻同期を開始してから実際に送信したまでの時間をそれぞれ表わしている。

また、受信時刻５５、及び現在時刻５６は、受信側の時計部２２を基準とした時間である。受信時刻５５は、受信制御部１７が計測した時刻同期パケット５４の受信時刻を、現在時刻５６は、時刻同期処理部２５が補正時刻５７を算出する時点での時刻をそれぞれ表わしている。

これより、時刻同期処理部２５が補正時刻５７を算出する時点での、送信側における時刻５８（補正時刻５７に等しい）は式（２）で表される。

図２において、バックオフ時間生成部２０は、送信制御部１６がＣＳＭＡ−ＣＡを行う際に用いられるバックオフ時間を生成するための装置である。送信制御部１６からバックオフ時間の更新要求があった場合は、１〜Ｎ回までのバックオフ時間を生成し、バックオフ時間記録部１９に記録する。なお、ｎ回目のバックオフ時間Ｔ_{ｂａｃｋｏｆｆ}（ｎ）は、例としてＩＥＥＥ８０２．１５．４の場合、次式で計算される。ただし、Ｔ_ｕｎｉｔは単位バックオフ時間、ｒａｎｄｏｍ（ｘ）は０〜ｘの範囲で整数の乱数を計算する関数、ｍｉｎ（ａ，ｂ）は与えられた整数ａとｂを比較して、小さい方の値を出力する関数、ｍａｃＭａｘＢＥは設定可能な値でバックオフ時間の最大値を制限する値を表わす。

バックオフ時間記録部１９は、バックオフ時間生成部２０で生成した、１〜Ｎ回までのバックオフ時間を記録する。また、記録したバックオフ時間を送信制御部１６、及び誤差補正情報計算部２１に提供する。

図５は、時刻同期制御装置２が送受信する時刻同期パケットのフレームフォーマットの例を示す図である。同パケットのフレームフォーマットはＩＥＥＥ８０２．１５．４規格に準拠しており、ＭＡＣフレームの格納データには、データが時刻同期情報であることを示すデータ種別、時刻情報、及び同期誤差補正情報が記載されている。また、ＭＡＣフレーム末尾の誤り検出情報は、パケットのビット誤りをチェックするための値であり、誤り検出情報計算部２６がＭＡＣヘッダ及び格納データ全域から算出する。

図６は、時刻同期制御装置２の時刻同期パケット送信手順を示すフローチャートである。時刻同期パケット送信手順は、上位レイヤ６が時刻同期制御装置２に対して時刻同期配信要求を行うことで開始される。はじめに、時刻同期ＭＡＣフレーム生成部１１は、送信制御部１６の通信状態がアイドル状態になるまで待機する（ステップＳ１）。ステップＳ１で送信制御部１６がアイドル状態であると判定されると、時刻同期ＭＡＣフレーム生成部１１が送信制御部１６に時刻同期の開始通知を送り、ＣＳＭＡ−ＣＡを行う際に必要となるバックオフ時間をＮ回分、バックオフ時間生成部２０で生成する（ステップＳ２）。

ステップＳ３〜Ｓ６は、時刻同期ＰＨＹフレームの生成手順を表わす。バックオフ時間の生成後、時刻同期ＭＡＣフレーム生成部１１は、フレーム種別、シーケンス番号、アドレス情報などから、ＭＡＣヘッダを作成する（ステップ３）。次に、時計部２２及び誤差補正情報計算部２１から取得した時刻情報と同期誤差補正情報を格納データとして時刻同期ＭＡＣフレームに書き込む（ステップ４）。誤り検出情報計算部２６は、作成した時刻同期ＭＡＣフレームのＭＡＣヘッダと格納データから誤り検出情報を計算し、時刻同期ＭＡＣフレーム生成部１１に出力する。時刻同期ＭＡＣフレーム生成部１１は、誤り検出情報計算部２６によって計算した誤り検出情報を時刻同期ＭＡＣフレームに書き込む（ステップ５）。つづいて、ＰＨＹフレーム生成部１３は、時刻同期ＭＡＣフレームにＰＨＹヘッダ情報を付加し時刻同期ＰＨＹフレームを作成する（ステップＳ６）。

時刻同期ＰＨＹフレームの生成手順（ステップＳ３〜Ｓ６）は、式（１）で表されるＮパターンの同期誤差補正情報Ｔ_{ｃｏｒｒｅｃｔ}（１），Ｔ_{ｃｏｒｒｅｃｔ}（２）…Ｔ_{ｃｏｒｒｅｃｔ}（Ｎ）について繰り返し実行し、各々、同期パケット記録部１５に記録する（ステップＳ７）。

ステップＳ８〜Ｓ１０は、送信制御部１６が時刻同期ＰＨＹフレームを物理層２７に出力する手順を表わす。Ｎパターンの時刻同期ＰＨＹフレーム作成後、送信制御部１６は、ＣＳＭＡ−ＣＡの手順を開始する（ステップＳ８）。具体的には、物理層２７において、チャネルが使用中であることを検出した場合、バックオフ時間待機する。待機後、再度チャネルの使用状況を確認し、未使用であれば物理層２７にデータを出力する。使用中であれば、再度バックオフ時間待機する。以降これを繰り返す。物理層２７において、チャネルの未使用が確認された場合、送信制御部１６は、セレクタ１８に送信データ選択信号を出力し、バックオフ回数に対応する時刻同期ＰＨＹフレームを選択・取得する（ステップ９）。送信制御部１６は、取得した時刻同期ＰＨＹフレームを物理層２７に出力し（ステップ１０）、時刻同期パケットの送信を完了する。

図７は、時刻同期制御装置２のパケット受信手順を示すフローチャートである。物理層２７がパケットの無線信号を検出すると、時刻同期制御装置２において、パケット受信手順が開始される。時刻同期装置２の受信制御部１７は、同パケットの受信時刻を計測し、受信時刻記録部２３に同時刻を記録する（ステップＳ１）。

つづいて、物理層２７から受信パケットのＰＨＹフレームを取得し、ＰＨＹ／ＭＡＣフレーム解析部２４に出力する（ステップＳ２）。ＰＨＹ／ＭＡＣフレーム解析部２４は、はじめにＰＨＹフレームからＭＡＣフレーム部を抽出し、ＭＡＣヘッダ部のフレーム種別及び宛先アドレスを確認する（ステップＳ３）。ＭＡＣフレームの種別がデータＭＡＣフレーム、かつ宛先アドレスに自装置を含む場合、ステップ５に分岐し、それ以外の場合は、ステップ９に分岐する（ステップＳ４）。

ステップＳ４において、ステップＳ５に分岐した場合、ＰＨＹ／ＭＡＣフレーム解析部２４は、さらに格納データを抽出し（ステップＳ５）、時刻同期パケットであるかどうかの判定を行う（ステップＳ６）。判定には、例としてＭＡＣデータ部に記載されたデータ種別情報や、データ長の一致を用いる。ステップＳ６により、受信パケットが時刻同期パケットであると判定された場合は、ステップＳ７に分岐し、それ以外の場合は、ステップＳ９に分岐する。

ステップＳ６において、受信パケットが時刻同期パケットであると判定されステップＳ７に分岐した場合、ＰＨＹ／ＭＡＣフレーム解析部２４から時刻同期処理部２５に受信パケットの格納データが渡され、時刻同期処理が行われる。時刻同期処理部２５は、はじめに格納データから時刻情報と同期誤差補正情報を取り出す（ステップＳ７）。次に、式（２）を用いて補正時刻を計算し、計算した補正時刻を時計部２２に設定して時刻同期を完了する（ステップＳ８）。

ステップ６において、ステップ９に分岐した場合、受信したパケットは、通常の通信パケットとして処理する。ＰＨＹ／ＭＡＣフレーム解析部２４は、パケットから格納データを取り出し、受信データとして上位レイヤ６に出力する。一方、ステップ４において、宛先アドレスに自装置が含まれないと判定され、ステップ９に分岐した場合、該当するパケットは破棄する。

なお、受信パケットに対しては、ＰＨＹフレーム長がＰＨＹヘッダ部の記載と一致しているか、ＭＡＣフッタ部の誤り検出情報を確認して、データ部にビット誤りが発生していないか、といったパケットの異常のチェックを行う。パケットに異常があった場合は、エラーパケットとして破棄する。

本実施の形態においては、時刻同期制御装置２が、時刻同期の開始時刻である時刻情報及び同期誤差補正情報を記載した時刻同期パケットを無線ネットワーク上で送信し、同パケットを受信した時刻同期制御装置２が、受信時刻と、時刻同期パケットに記載された時刻情報及び同期誤差補正情報に基づいて精度良く時刻補正を行うことができる。

また、時刻同期制御装置２では、あらかじめＣＳＭＡ−ＣＡで必要となる一連のバックオフ時間をバックオフ時間生成部２０で生成し、バックオフ時間記録部１９に記録する。これにより、既知の情報から時刻同期ＭＡＣフレームを生成することができるため、ＭＡＣフレーム生成後のパケット変更に伴う誤り検出情報の再計算が不要となり、計算負荷が軽減される。

実施の形態２．
以下に、本発明にかかる時刻同期制御装置２の実施の形態２を説明する。先に説明した実施の形態１では、時刻同期パケット送信手順開始後、送信制御部１６がアイドル状態になるまで時刻同期パケットの送信を待機したが、本実施の形態では、送信制御部１６が実行中の送信動作を中断して時刻同期パケットを優先的に送信するものである。本実施の形態は、先に説明した実施の形態１の構成を基本とし、時刻同期パケットの送信手順のみ異なる。なお、実施の形態１に示す時刻同期パケット送信手順と重複する手順については、同一符号を付すことで、その手順の説明については省略する。

図８は、本実施の形態における時刻同期制御装置２の時刻同期パケット送信手順を示すフローチャートである。先に説明した実施の形態１の時刻同期パケットの送信手順では、はじめに、時刻同期ＭＡＣフレーム生成部１１が送信制御部１６に現在の通信状態を確認し、アイドル状態になるまで待機していた。本実施の形態では、時刻同期の配信の要求を受けた際、送信制御部１６がアイドル状態でない場合、時刻同期ＭＡＣフレーム生成部が、送信制御部１６の動作を強制的に中断し、時刻同期パケットの送信手順を開始する（ステップ２１）。

本実施の形態によれば、時刻同期パケット送信手順を開始する際に、送信制御部のアイドル状態を待機しないため、短時間で時刻同期を完了することが可能である。

実施の形態３．
以下に、本発明にかかる時刻同期制御装置２の実施の形態３を説明する。本実施の形態は先に説明した実施の形態１の構成を基本とするが、時刻情報、同期誤差補正情報の伝達手段、及び時刻同期パケットのフレームフォーマットが異なる。実施の形態１では、通信データと、時刻情報及び同期誤差補正情報と、を別のパケットで送信していたが、本実施の形態では、１パケットに集約して送信する。なお、実施の形態１に示す時刻同期制御装置２と重複する構成については、同一符号を付すことで、その構成及び動作の説明については省略する。

図９は、本実施の形態で用いる通信パケットのフレームフォーマットを示したものである。同パケットのフレームフォーマットはＩＥＥＥ８０２．１５．４規格に準拠しており、ＭＡＣフレームの格納データには、通信データ、時刻情報、及び同期誤差補正情報を含んでいる。

図１０は、本実施の形態における時刻同期制御装置２の構成例を示すものである。パケット送信時、時刻同期情報埋め込みＭＡＣフレーム生成部３１は、上位レイヤ６から送信データが入力されると、送信制御部１６に時刻同期を開始したことを通知し、バックオフ時間生成部２０にＮ回分のバックオフ時間を生成させる。つづいて、時刻同期情報埋め込みＭＡＣフレーム生成部３１は、上位レイヤ６から入力された送信データと、時計部２２から提供される時刻情報と、誤差補正情報計算部２１から提供されるＮ個の同期誤差補正情報とからＮパターンの時刻同期情報を埋め込んだＭＡＣフレームを生成する。生成したＭＡＣフレームはＰＨＹフレーム生成部１３を介して、ＰＨＹフレームとしてパケット記録部３２に入力される。

パケット記録部３２は、Ｎ個の記録領域を持っており、Ｎパターンの時刻同期情報を埋め込んだＰＨＹフレームを同時に記録する。

一方、パケット受信時は、ＰＨＹ／ＭＡＣフレーム解析部３３が、受信制御部１７から入力されたＰＨＹフレームについて、ＭＡＣフレームの抽出、及びＭＡＣフレームから格納データの抽出を行う。つづいて、格納データから送信データ、時刻情報、及び同期誤差補正情報を分離し、送信データは上位レイヤ６に、時刻情報及び同期誤差補正情報は時刻同期処理部２５にそれぞれ出力する。

本実施の形態においては、データパケットに時刻情報及び同期誤差補正情報を埋め込むことにより、データパケットの送受信と同時に時刻同期が可能となり、通信の効率が向上する。

実施の形態４．
以下に、本発明にかかる時刻同期制御装置の実施の形態４を説明する。本実施の形態は、先に説明した時刻同期制御装置２をマルチホップネットワーク環境に適用するものである。

図１１は、本実施の形態を実施する無線ネットワーク環境を示した図である。同無線ネットワークは、実施の形態１と同様、例としてＩＥＥＥ８０２．１５．４などの無線ＰＡＮ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）を通じて時刻情報を送受信する２つ以上の無線端末４で構成される。また、各無線端末４は、時刻同期パケットを処理する時刻同期制御装置５、及び同パケットを無線信号として送受信するためのアンテナ３によって構成される。各無線端末４には、時刻同期パケットの送信側を親、受信側を子とする親子関係があり、その親子関係に基づく階層構造を形成する。また各無線端末４は、階層構造の頂点を０とし、送信元の無線端末から自己まで経た無線通信端末数である同期階層情報(Rank)を個別に予め持っている。

図１２は、本実施の形態で用いる時刻同期パケットのフレームフォーマットを示したものである。同パケットのフレームフォーマットはＩＥＥＥ８０２．１５．４規格に準拠しており、ＭＡＣフレームの格納データには、時刻情報、同期誤差補正情報、及び同期階層情報が記載されている。親から子へ時刻同期を繰り返すたびに同期誤差が積算されるため時刻同期制御装置５は受信した時刻同期パケットの中で、同期誤差が小さくなるよう、同期階層情報が小さいもの選択して同期処理を行う。なお、時刻情報及び同期誤差補正情報については、実施の形態１と同一である。

図１３は、各無線端末４が持つ時刻同期制御装置５の構成例を示す図である。時刻同期処理装置５は、先に説明した実施の形態１を基本としており、上位レイヤ６及び物理層２７とのインターフェイスに関して、時刻同期制御装置２と同一のインターフェイスを備える。そのうえで、時刻同期制御装置５は、同期階層情報を扱う機能が追加されている。なお、実施の形態１に示す時刻同期制御装置２と重複する構成については、同一符号を付すことで、その構成及び動作の説明については省略する。

時刻同期フレーム生成部４１は、上位レイヤ６からの時刻同期配信要求を受け付けて、同期階層管理部４３から提供される同期階層情報と、時計部２２から提供される時刻情報と、誤差補正情報計算部２１から提供されるＮ個の同期誤差補正情報と、からＮパターンの時刻同期ＭＡＣフレームを生成する。また、生成した時刻同期ＭＡＣフレームをＰＨＹフレーム生成部１３に出力する。実施の形態１における時刻同期ＭＡＣフレーム生成部１１と同様、時刻同期フレーム生成部４１は、時刻同期ＭＡＣフレームを生成する前に送信制御部１６に時刻同期の開始を通知する。

時刻同期処理部４２は、ＰＨＹ／ＭＡＣフレーム解析部２４から入力された時刻同期情報から、同期階層情報、時刻情報、及び同期誤差補正情報を抽出する。時刻同期情報から抽出した同期階層情報が、同期階層管理部４３から取得した自装置の同期階層情報よりも小さい場合、式（２）を用いて補正時刻を計算する。また時刻同期処理部４２は、計算した補正時刻を時計部２２に、時刻同期情報から抽出した同期階層情報に＋１した値を同期階層管理部４３に、それぞれ設定する。一方、時刻同期情報から抽出した同期階層情報が、同期階層管理部４３から取得した自装置の同期階層情報よりも大きい場合は、時刻同期情報を破棄して、同期処理を終了する。

同期階層管理部４３は、自装置の同期階層情報を記録し、時刻同期ＭＡＣフレーム生成部４１及び時刻同期処理部４２に同情報を提供する。また、時刻同期処理部４２から同期階層情報を入力し、自装置の同期階層情報を更新する。

図１４は、時刻同期制御装置５のパケット受信手順を示すフローチャートである。なお、実施の形態１に示すパケット受信手順と重複する手順については、同一符号を付すことで、その手順の説明については省略する。

ステップ６において、受信したパケットが時刻同期パケットであると判定された場合、時刻同期処理部４２によってステップ１１が実行される。ステップ１１では、時刻同期処理部４２がＰＨＹ／ＭＡＣフレーム解析部２４から入力された時刻同期パケットの格納データから、同期階層情報、時刻情報、及び同期誤差補正情報を抽出する。つづいて、時刻同期情報から抽出した同期階層情報と、同期階層管理部４３から取得した自装置の同期階層情報とを比較する（ステップ１２）。ステップ１２において、受信した時刻同期パケットから抽出された同期階層情報が、同期階層管理部４３から提供される同期階層情報よりも小さいと判定された場合、ステップ８に分岐し、式（２）を用いて補正時刻を計算する。また時刻同期処理部４２は、計算した補正時刻を時計部２２に、時刻同期情報から抽出した同期階層情報に＋１した値を同期階層管理部４３に、それぞれ設定する。

一方、ステップ１２で、受信した時刻同期パケットから抽出された同期階層情報が、同期階層管理部４３から提供される同期階層情報よりも大きいと判定された場合、時刻同期パケットを破棄して、パケット受信手順を終了する。

図１１に示すマルチホップネットワーク環境においては、親から子へ時刻同期を繰り返すたびに同期誤差が積算され大きくなる。したがって、同期階層情報が小さい時刻同期パケットほど同期誤差が小さい。本実施の形態においては、時刻同期制御装置５が、あらかじめ準備した時刻情報及び同期誤差補正情報とともに自装置の同期階層情報を記載した時刻同期パケットを無線ネットワーク上で送信する。同パケットを受信した時刻同期制御装置５は、受信した複数の時刻同期パケットから、同期階層情報が最小となるパケットを選択して時刻同期を実施する。これにより、時刻同期制御装置５は、同期誤差が最小となる時刻情報及び同期誤差補正情報に基づいて、時刻補正をすることができる。

例えば図１１において、時刻同期パケットを配信する経路が複数（経路８１、８２）ある場合、受信した時刻同期パケットに記載されている同期階層情報が小さいもの（経路８１）を選択して同期処理を行うことにより、積算誤差を最小にすることができる。

実施の形態５．
以下に、本発明にかかる時刻同期制御装置の実施の形態５を説明する。先に説明した実施の形態４では、すべての無線端末間について、同一の時刻同期方式を用いて時刻同期を行ったが、本実施の形態においては、各無線端末４間で異なる時刻同期方式を選択して用いる。

図１５は、本実施の形態を実施する無線ネットワーク環境を示した図である。同無線ネットワークは、実施の形態４と同様、例としてＩＥＥＥ８０２．１５．４などの無線ＰＡＮ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）を通じて時刻情報を送受信する２つ以上の無線端末７０、７１・・・で構成される。各無線端末７０、７１・・・は、ツリー構造のネットワークを構成しており、それぞれ時刻同期制御装置５及び既存の時刻同期方式（例えば、特許文献１の方法）を実施する機能を有する。

本実施の形態においては、あらかじめ決められた経路（無線端末７０−７２間）について、既存の時刻同期方式を用いる。その他、ツリー構造の末端に相当する経路（無線端末７２−７３間、及び無線端末７２−７４間）については、実施の形態４記載の時刻同期方式を用いる。

各無線端末７０、７１・・・は、時刻同期パケットの送信側を親、受信側を子とする親子関係があり、その親子関係に基づく階層構造を形成する。また各無線端末７０、７１・・・は、階層構造の頂点を０とする同期階層情報(Rank)を個別に持っている。本実施の形態においては、先に説明した実施の形態４と同様に、時刻同期パケットを受信した際、格納データに記載されている同期階層情報に基づいて、同期階層管理部４３に同期階層情報を設定する。実施の形態４においては、同期階層管理部４３に設定する同期階層情報を計算する際に、受信した時刻同期パケットに記載されている同期階層情報に１を加算したが、本実施の形態においては、実施した時刻同期方式に応じて加算する値を変える。加算する値は、同期精度の高い方式ほど小さい値を用い、例として既存の時刻同期方式の場合に１、実施の形態４記載の方式の場合１０を用いる。

既存の時刻同期方式は、時刻同期パケットの送信時刻を記載したパケットを送信するため、実施の形態４記載の方式と比較して高い精度で時刻同期を行うことが可能である。しかしながら、１回の時刻同期に最低２パケットが必要となるため、トラヒックが増加する。本実施の形態によれば、実施の形態４記載の方式と比較して、各無線端末の時刻同期精度を上げることができる。また、ネットワークの末端に近いほど無線端末の台数が多くなる、ツリー構造のネットワークにおいて、全無線端末に対して既存の時刻同期方式を適用した場合と比較して、トラヒックを効果的に削減することが可能である。

１：無線端末、２：時刻同期制御装置、３：アンテナ、４：無線端末、５：時刻同期制御装置、６：上位レイヤ、１１：時刻同期ＭＡＣフレーム生成部、１２：ＭＡＣフレーム生成部、１３：ＰＨＹフレーム生成部、１４：同期パケット記録部、１５：データパケット記録部、１６：送信制御部、１７：受信制御部、１８：セレクタ、１９：バックオフ時間記録部、２０：バックオフ時間生成部、２１：誤差補正情報計算部、２２：時計部、２３：受信時刻記録部、２４：ＰＨＹ／ＭＡＣフレーム解析部、２５：時刻同期処理部、２６：誤り検出情報計算部、２７：物理層、３１：ＭＡＣフレーム生成部、３２：パケット記録部３２、３３：ＰＨＹ／ＭＡＣフレーム解析部、４１：時刻同期フレーム生成部、４２：時刻同期処理部、４３：同期階層管理部、５１：時刻情報、５２：同期誤差補正情報、５３：時刻同期パケット、５４：時刻同期パケット、５５：受信時刻、５６：現在時刻、５７：補正時刻、５８：送信側時刻、７０乃至７４：無線端末、１０１乃至１０２：記憶領域

Claims (6)

1. 各バックオフ回数に対応しそのバックオフにかかる時間を示す各補正情報を生成する補正情報生成部、
   該補正情報生成部で生成された各補正情報及び時刻同期の開始時刻に基づいて複数の時刻同期フレームを生成するフレーム生成部、
   該フレーム生成部で生成された複数の時刻同期フレームから自己が行ったバックオフ回数に基づいて時刻同期フレームを選択するフレーム選択部、
   該フレーム選択部で選択された時刻同期フレームを送信する送信部、
   を備えたことを特徴とする通信装置。
2. 更に送信の制御を行う送信制御部を備え、前記フレーム生成部は時刻同期の配信の要求を受けた場合、前記送信制御部に対して、送信作業を中断させること
   を特徴とする請求項１に記載の通信装置。
3. 前記時刻同期フレームは、通信データを含むこと
   を特徴とする請求項１又は２に記載の通信装置。
4. 更に受信した時刻同期フレームに基づいて時刻を補正する時刻同期処理部を備え、前記時刻同期フレームには、送信元の通信装置から自己まで経た通信装置数を示す同期階層情報が記載され、
   前記時刻同期処理部は、自己が予め記憶している同期階層情報より受信した時刻同期フレームに記載の同期階層情報が小さい場合、前記受信した時刻同期フレームの補正情報及び開始時刻に基づいて自己の管理する時刻の補正をすること
   を特徴とする請求項１乃至３に記載の通信装置。
5. 各バックオフ回数に対応しそのバックオフにかかる時間を示す各補正情報を生成する補正情報生成部、
   該補正情報生成部で生成された各補正情報及び時刻同期の開始時刻に基づいて複数の時刻同期フレームを生成するフレーム生成部、
   該フレーム生成部で生成された複数の時刻同期フレームから自己が行ったバックオフ回数に基づいて時刻同期フレームを選択するフレーム選択部、
   該フレーム選択部で選択された時刻同期フレームを送信する送信部、
   他の通信装置から受信した時刻同期フレームの補正情報及び開始時刻に基づいて自己の管理する時刻を補正する時刻同期処理部、
   を備えたことを特徴とする通信装置。
6. バックオフにかかる時間を示す補正情報を生成する補正情報生成部、時刻同期フレームを生成するフレーム生成部、複数の前記時刻同期フレームから時刻同期フレームを選択するフレーム選択部、時刻同期フレームを送信する送信部、を備えた通信装置における送信方法において、
   前記補正情報生成部において、各バックオフ回数に対応しそのバックオフにかかる時間を示す各補正情報を生成する補正情報生成ステップ、
   前記フレーム生成部において、前記補正情報生成ステップで生成された各補正情報及び時刻同期の開始時刻に基づいて複数の時刻同期フレームを生成するフレーム生成ステップ、
   前記フレーム選択部において、前記フレーム生成ステップで生成された複数の時刻同期フレームから自己が行ったバックオフ回数に基づいて時刻同期フレームを選択するフレーム選択ステップ、
   前記送信部において、前記フレーム選択ステップで選択された時刻同期フレームを送信する送信ステップ、
   を備えたことを特徴とする送信方法。

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