JP4254708B2 - 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、センサネットワーク、移動体通信ネットワークあるいはＬＡＮ（Local Area Network）上に、空間的に分散配置されたノードに搭載され得る通信タイミング制御装置に適用し得る。

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）。

ＴＤＭＡ方式を採用した場合、タイムスロットの割り当てを行なう集中管理サーバが故障したときに通信システムがダウンしてしまう等の問題がある。そのため、集中管理サーバを必要とせず、個々のノードが自律分散的にタイムスロットの割り当てを相互調整することによって、通信データの衝突を回避する方法が種々提案されている。

上記提案されている各ノードが自律分散的にタイムスロットの割り当てを調整する方法は、各ノードが近傍ノードとの間で周期的なインパルス信号の送受信により相互作用することで調整する技術である。すなわち、非線形振動をモデル化した数式を用いて、他ノードがインパルス信号を発信するタイミングに応じて、自ノードがインパルス信号を発信するタイミングを調整する。これにより、各ノードおいて、自ノード及び他ノードのインパルス信号の発信タイミングが極力離れるような調整を相互に行なうことにより、自律分散的なタイムスロットの獲得を実現することができる。

上記のような通信タイミング制御方法を無線通信環境で採用した場合、隠れ端末の問題を解消するために、送信タイミング信号（インパルス信号）の到達範囲が、データ信号の到達範囲の２倍以上となるように送信出力強度を調整する必要がある。

例えば、図２において、実線はデータ信号の到達範囲を示し、点線は送信タイミング信号の到達範囲を示すが、ノード１、ノード２、ノード３が、送信タイミング信号の到達範囲を、データ信号の到達範囲の２倍以上とすることで、ノード１及びノード３は、同時にノード２にデータを送信しないようにすることができる。このようにして、ノード間で相互作用を行ないデータ信号の送信タイミングを制御する。
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

しかしながら、例えば、障害物による電波の減衰といったノード設置環境等の影響により、送信タイミング信号の到達距離がデータ信号の到達距離の２倍以上となるように送信出力強度を設定していても、送信タイミング信号の到達距離がデータ信号の到達距離の２倍未満となるおそれがある。

例えば、図２のようにノード４は、ノード１とノード５とからデータ信号の受信が可能である。しかし、このとき、ノード５はノード１における送信タイミング信号を受信で行なない位置にあるため、ノード１とノード５とは相互作用を行なえず、ノード１とノード５は同時にデータ信号を送信し、ノード４ではデータ信号の衝突が発生する可能性がある。

このように、送信タイミング信号の到達距離がデータ信号の到達距離の２倍未満であることによるデータ通信の衝突が発生しないように、送信タイミング信号、データ通信の到達距離を制御できるようにすることが望まれている。

そこで、管理ノードにより各ノードの送信タイミングが管理されることなく、各ノードが自律分散的に自ノードの送信タイミングを決定することができ、データ通信の衝突についての判定及び回避ができ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を提供する。

かかる課題を解決するために、第１の本発明の通信タイミング制御装置は、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、近傍ノードのデータ発信タイミングを表す位相が反映された状態変数信号を近傍ノードから受信し、所定規則に従って自ノードの位相状態を変化させて、自ノードのデータ発信タイミングを決定する通信タイミング決定手段と、自ノードの送信元識別情報及び自ノードが受信したデータ信号の送信元ノード情報を送信すると共に、近傍ノードが送信したノード情報を受信するノード情報通信手段と、ノード情報通信手段が受信した近傍ノードの送信元識別情報及び送信元ノード情報に基づいて、データ信号を受信した全近傍ノード情報を収集する近傍ノード情報収集手段と、通信タイミング決定手段がデータ発信タイミングの制御に係る近傍ノードの数と、全近傍ノード情報に基づくノードの数との比較結果に基づいて、データ通信の衝突可能性を判定する衝突判定手段とを備え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２の本発明のノードを複数有することを特徴とする。

第４の本発明の通信タイミング制御方法は、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方法であって、近傍ノードのデータ発信タイミングを表す位相が反映された状態変数信号を近傍ノードから受信し、所定規則に従って自ノードの位相状態を変化させて、自ノードのデータ発信タイミングを決定する通信タイミング決定工程と、自ノードの送信元識別情報及び自ノードが受信したデータ信号の送信元ノード情報を送信すると共に、近傍ノードが送信したノード情報を受信するノード情報通信工程と、ノード情報通信工程が受信した近傍ノードの送信元識別情報及び送信元ノード情報に基づいて、データ信号を受信した全近傍ノード情報を収集する近傍ノード情報収集工程と、通信タイミング決定工程がデータ発信タイミングの制御に係る近傍ノードの数と、全近傍ノード情報に基づくノードの数との比較結果に基づいて、データ通信の衝突可能性を判定する衝突判定工程とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、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、各ノードが柔軟に有効な通信を実行でき、近傍ノードからのノード情報に基づいて、他ノードにおけるデータ通信の衝突可能性を判定し、その判定結果に応じて送受信制御できる。

以下、本発明の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実施形態について図面を参照して説明する。

（Ａ）第１の実施形態
まず、本発明の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の実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態は、例えばアドホックネットワーク等のような対等分散型の通信ネットワークにおいて、空間的に分散配置された複数のノードのそれぞれが有する通信制御手段に、本発明の通信タイミング制御装置及び方法を適用した場合を説明する。

ここで、ノードとは、計算機能や通信機能等を少なくとも有する装置をいい、例えば、コンピュータ、移動通信端末、ＰＤＡ端末等を含むものである。

（Ａ−１）第１の実施形態の構成
図１は、本実施形態の通信ネットワークを構成する各ノードの内部構成を示す機能ブロック図である。図１に示すように、本実施形態のノード１０Ａは、インパルス信号受信手段１１、通信タイミング計算手段１２、インパルス信号送信手段１３、データ信号受信手段１４、データ信号送信手段１５、衝突判定手段１６、間接データ受信ノード表１７、直接データ信号ノード表１８を少なくとも有する。

インパルス信号受信手段１１は、近傍ノード（例えば、ノードの発信電波が届く範囲に存在する他のノード）が発信した出力インパルス信号（これには宛先情報が含まれていない）を入力インパルス信号として受信するものである。また、インパルス信号受信手段１１は、入力インパルス信号に基づく受信インパルス信号を通信タイミング計算手段１２に与えるものである。ここで、インパルス信号は、通信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。また、インパルス信号が、自ノードの空間位置を示す宛先情報（例えば、アドレス情報）が付加されていてもよい。なお、受信インパルス信号は、入力インパルス信号を波形整形したものでも良く、信号を再生成したものであっても良い。

通信タイミング計算手段１２は、インパルス信号受信手段１１から受信インパルス信号を受け取り、受信インパルス信号に基づいて通信タイミングを規定する位相信号を生成するものである。また、通信タイミング計算手段１２は、後述する通信タイミングの計算の際に、受信インパルス信号に基づいて相互作用を行なっているノード数を計数し、その相互作用ノード数を保持するものである。

また、通信タイミング計算手段１２は、生成した位相信号をインパルス信号送信手段１３及びデータ信号送信手段１５に与えるものである。なお、通信タイミング計算手段１２は、受信インパルス信号がない場合であっても位相信号を生成し、出力する。

ここで、ノードｉの位相信号の時刻ｔでの位相値をθ_ｉ（ｔ）とすると、通信タイミング計算手段１２は、受信インパルス信号に基づいて、式（１）に示すように、位相信号（＝θ_ｉ（ｔ））を非線形振動リズムで変化させる。この位相信号の変化は、近傍のノード同士が逆相（振動の位相が反転位相）又は他の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、近傍のノード間における出力インパルス信号の発信タイミングなどが衝突しないように、適当な時間関係（時間差）を形成させようとしている。

（１）式は、インパルス信号受信手段１１から与えられた信号に応じて、自ノードｉの位相信号θ_ｉ（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Ｐ_ｋ（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、インパルス信号受信手段１１が出力した信号を表しており、関数Ｒ（θ_ｉ（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、近傍の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（θ_ｉ（ｔ），σ（ｔ））の最も簡単な例として、ｓｉｎ関数を用いる形式を示したが、位相応答関数として他の関数を用いてもよい。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、近傍のノード同士が逆相ではなく、異なる位相になろうとする機能とする。

通信タイミング計算手段１２の機能の意味合いを図３及び図４を用いて詳述すると以下の通りである。なお、図３及び図４に示す状態変化は、インパルス信号送信手段１３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。

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。後述する（１）式に基づく動作により、２つの質点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）とする回転をしている。ここで、ノード間でインパルス信号の送受信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（例えば０）のときに出力インパルス信号を発信するとした場合、互いのノードにおける発信タイミングは、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。

図１に戻り、インパルス信号送信手段１３は、通信タイミング計算手段１２からの位相信号に基づいて、出力インパルス信号を送信する。すなわち、位相信号が所定の位相α（０≦α＜２π）になると、出力インパルス信号を送信する。ここで、所定の位相αは、予めシステム全体で統一しておくことが好ましい。以下では、α＝０にシステム全体で統一されているとして説明する。なお、図３の例で言えば、ノードｉとノードｊとでは、定常状態で相互の位相信号がπだけずれているので、α＝０にシステム全体で統一しても、ノードｉからの出力インパルス信号の送信タイミングと、ノードｊからの出力インパルス信号の送信タイミングとはπだけずれている。

データ信号受信手段１４は、他ノードが送信したユーザデータ又は制御信号を入力データ信号として受信するものである。データ信号受信手段１４は、入力データ信号を受信すると、その入力データ信号に含まれている発信元ノード番号に基づいて、直接データ受信ノード表１８を作成するものである。また、データ信号受信手段１４は、その入力データ信号を発信した近傍ノードが送信した直接データ受信ノード表１８を受信し、その近傍ノードのノード番号（送信元ノード番号から判断する）と直接データ受信ノード表１８とに基づいて、間接データ受信ノード表１７を作成するものである。

ここで、直接データ受信ノード表１８は、自ノードが入力データ信号を直接受信することができる近傍ノードのノード番号の一覧を示す表である。

また、間接データ受信ノード表１７は、自ノードが入力データ信号を直接受信することができる近傍ノードのノード番号と、その近傍ノードが入力データ信号を受信したノードのノード番号の一覧を示す表である。

なお、本実施形態において、ノード番号とは、例えば予め各ノードに固定的に割り当てられた番号（例えば、ＭＡＣ（Media Access Control）アドレス等）を適用できるが、これは各ノードを識別することができる識別情報の一例である。

データ信号送信手段１５は、自ノードが送信元となるユーザデータや、又は中継するユーザデータを送信するものである。データ信号送信手段１５は、通信タイミング計算手段１２が「定常状態」を通知する場合に、後述するタイムスロット（システム等が各ノードに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）でデータ信号を送信するものである。

また、データ信号送信手段１５は、データ信号を送信すると共に、自ノードが有する直接データ受信ノード表もネットワークに送信するものである。なお、データ信号送信手段１５が制御信号を送信する方法は、自ノードのデータ信号の送信タイミングであって、データ信号の送信が行なわれていないタイミングに送信したり、又はデータ信号に制御信号を付加して送信したりする。

ここで、タイムスロットは、位相信号θ_ｉ（ｔ）がδ１≦θ_ｉ（ｔ）≦β１−δ２である期間である。タイムスロットの開始点（そのときの位相信号の値をδ１とする）は、インパルス信号の送信が終了したタイミングであり、タイムスロットの終了点（そのときの位相信号の値をβ１−δ２とする）は、位相信号の周期毎の最初の受信インパルス信号のタイミングより多少のオフセット分δ２だけ前のタイミングとしている。δ１やδ２は、当該ノードの近傍の無線空間で、インパルス信号（送信元は自ノードの場合、他ノードの場合の双方を含む）と、データ信号（送信元は自ノードの場合、他ノードの場合の双方を含む）とが同時に存在しないことを補償するためのごく短い時間に対応する位相幅である。

例えば、図３（ｃ）に示すような「定常状態」の場合、ノードｉは、位相θ_ｉが０からインパルス信号を送信し始め、位相θ_ｉがδ１になる前に、インパルス信号の送信を終了させておき、位相θ_ｉがδ１からデータ信号を送信し始め、位相θ_ｉがβ１−δ２になると（但しβ１≒π）、データ信号の送信を終了させ、それ以降、位相θ_ｉが再び０になるまで、インパルス信号の送信もデータ信号の送信も停止させる。他方のノードｊも、位相θ_ｊに基づいて同様な動作を実行するが、位相θ_ｉと位相θ_ｊとがほぼπだけずれているので、送信動作が競合することはない。ノード数が３以上の場合も同様に動作し、送信動作が競合することはない。

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としている。固有角振動数パラメータ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。

なお、データ信号送信手段１５が制御信号を送信する方法は、自ノードのデータ信号の送信タイミングであって、データ信号の送信が行なわれていないタイミングに送信したり、又はデータ信号に制御信号を付加して送信したりする。

衝突判定手段１６は、通信タイミング計算手段１２が保持している相互作用ノード数と、間接データ受信ノード表１７におけるノード数とを比較し、その比較結果に基づいて、近傍ノードにおいてデータ信号が衝突する可能性があるか否かを判定するものである。また、衝突判定手段１６は、データ信号の衝突可能性の判定結果に応じて、インパルス信号及び又はデータ信号の送信能力若しくは受信能力を制御するものである。

つまり、衝突判定手段１６は、間接データ受信ノード表１７のノード数が相互作用ノード数よりも多い場合、データ信号が衝突する可能性があると判定し、間接データ受信ノード表１７のノード数が相互作用ノード数以下の場合、データ信号が衝突する可能性はないと判断する。

データ信号の衝突可能性の判定結果に応じて衝突判定手段１６が信号の送受信能力を制御するのは、データ信号の衝突可能性がある場合、間接データ受信ノード表１８におけるノードのうち相互作用ノードでないノードと、自ノードとが送信するデータ信号の衝突を回避するためである。なお、データ信号の衝突可能性がない場合にも送受信能力を制御することで、自ノードの送受信に係る負担を軽減することができる。

すなわち、データ信号の衝突可能性がある場合に、例えば、衝突判定手段１６がインパルス信号の受信感度をよくすることで、それまで相互作用を行なっていなかった、間接データ受信ノード表１８におけるノードのうち相互作用ノードでないノードからインパルス信号を受信できるようになり、そのノードを含めた新たな相互作用による送信タイミングを作成できる。勿論、インパルス信号の受信感度の制御だけでなく、衝突判定手段１６は、インパルス信号の送信出力強度の制御、データ信号の受信感度の制御、データ信号の送信出力強度の制御を行なうようにしてもよく、これらを組み合わせて制御してもよい。

（Ａ−２）第１の実施形態の動作
次に、本実施形態の通信ネットワークを構成するノードにおける動作について図面を参照しながら説明する。

以下の本実施形態の動作におけるノードの位置関係は、図２に示すような位置関係を例にして説明する。

図２において、実線円はデータ信号の到達範囲を示し、点線円はインパルス信号の到達範囲を示す。そして、ノード１は、実線円の範囲内のノード２、３とデータ通信が可能であり、点線円の範由内のノード２、３、４と相互作用を行ない、データ送信タイミング制御を行なう。また、ノード４は、実線円の範囲内のノード１、５からデータ信号を受信することができる。

このようなノード位置関係を有して構成する通信システムにおいて、ノードがデータ信号の衝突可能性を判定する動作について説明する。

（Ａ−２−１）インパルス信号受信時の動作
まず、ノードにおけるインパルス信号受信時の動作について図５を参照して説明する。このインパルス信号の受信時には、データ信号の衝突可能性を判定するために用いられる近傍ノード情報が収集される。

通信システムを構成する近傍ノードが発信したインパルス信号が到来すると、インパルス信号はインパルス信号受信手段１１により受信される（ステップ１）。このとき、インパルス信号受信手段１１は受信したインパルス信号を通信タイミング計算手段１２に与え、通信タイミング計算手段１２は、この受信インパルス信号に基づいて送信タイミングを再計算する。

インパルス信号受信手段１１によるインパルス信号の受信に引き続き、近傍ノードの送信時間内に、近傍ノードが発信したデータ信号又は制御信号が到来すると、データ信号又は制御信号はデータ信号受信手段１４により受信される（ステップ２）。

このとき、近傍ノードの送信時間内に、近傍ノードからデータ信号又は制御信号の受信が確認できなかった場合は、自ノードは当該近傍ノードから見てデータ信号到達範囲外に存在するノードであるとみなし、動作を終了する。

なお、本実施形態では、近傍ノードが発信するデータ信号又は制御信号を、特にデータ到達ノード信号と示して説明する。このデータ到達ノード信号は、少なくとも送信元ノード番号と受信ノード番号リストとから構成されており、この受信ノード番号リストに、直接データ受信ノード表１７が含まれているものとする。

データ信号受信手段がデータ到達ノード信号を受信すると、データ信号受信手段１４は送信元ノード番号を見て、直接データ受信ノード表１８に当該送信元ノード番号を記入する（ステップ３）。

図６は、図２におけるノード２及びノード４の直接データ受信ノード表１８の内容例を示す。例えば、ノード２が実線円の範囲内のノード１、３からデータ到達ノード信号を受信すると、ノード２の直接データ受信ノード表１８にはノード１、ノード３を記入する（図６（Ａ）参照）。また、ノード４が実線円の範囲内のノード１、５からデータ到達ノード信号を受信すると、ノード４の直接データ受信ノード表１８にはノード１、ノード５を記入する（図６（Ｂ）参照）。

また、データ信号受信手段１４は、データ到達ノード信号に含まれている受信ノード番号リストに基づいて、間接データ受信ノード表１７を作成する（ステップ４）。

このとき、今回の受信で受信ノード番号リストから読み出したノード番号がすでに間接データ受信ノード表１７に記入されている場合、当該ノード番号の再記入は必要ない。また、一度間接データ受信ノード表１７にノード番号を記入すると、その削除はされないので、相互作用が定常状態からはずれたときに間接データ受信ノード表１７を消去し、再度定常状態になったときに間接データ受信ノード表１７を再構成する等により、データ信号を受信しなくなったノードについては間接データ受信ノード表に残らないようにする。また、データ到達ノード信号の受信ノード番号リストに自ノードのノード番号が含まれていなければデータ信号が到達していないということなので、間接データ受信ノード表を更新しないようにする。

例えば、図２のノード１がノード１及びノード４から直接データ受信ノード表１７（図６（Ａ）及び（Ｂ）参照）を受信すると、ノード１は、図６（Ｃ）に示すような間接データ受信ノード表１７を作成する。

以上のようにして、インパルス信号の受信時に、データ信号の衝突可能性を判定するための近傍ノード情報の収集が行なわれる。

（Ａ−２−２）タイミング信号送信時の動作
次に、ノードにおけるタイミング信号の送信時の動作について図７の動作フローチャートを参照して説明する。また、図８は、本実施形態の動作を説明するための説明図である。

このタイミング信号の送信時には、データ信号の衝突可能性の判定を行なうと共に、他ノードに自ノードのデータ信号受信情報を伝達する。

まず、通信タイミング計算手段１２が計算した送信タイミングになると、通信タイミング計算手段１２はインパルス信号送信手段１３に送信タイミングを知らせる旨を通知する。これにより、インパルス信号がインパルス信号送信手段１３からネットワーク（通信システム）に送信される（ステップ１１）。

インパルス信号送信手段１３からインパルス信号が送信されると引き続き、自ノードが有する直接データ受信ノード表１８を含むデータ信号が、データ信号送信手段１５からネットワークに送信される（ステップ１２）。

直接データ受信ノード表１８を含むデータ信号が送信されると、衝突判定手段１６により、タイミング生成手段１２で保存されている相互作用ノード数と、間接データ受信ノード表１７のノード数とが比較される（ステップ１３）。

そして、衝突判定手段１６が間接データ受信ノード表１７のノード数の方が相互作用ノード数より多いならば、データ信号の衝突可能性があると判定する（ステップ１４）。一方、そうでない場合、データ信号の衝突可能性はないと判定する（ステップ１５）。

例えば、インパルス信号受信時に、ノード１が図６（Ｃ）に示す間接データ受信ノード表１７を作成したとする。つまり、間接データ受信ノード表１７のノード数は４個である。このとき、ノード１の相互作用を行なっているノードはノード２、ノード３及びノード４であるから、相互作用ノード数は３個である。

よって、ノード１の衝突判定手段１６は、間接データ受信ノード表１７のノード数（４個）と、相互作用ノード数（３個）との比較により、衝突可能性有りと判定する。

つまり、この例の場合、ノード１が相互作用を行なっていないノードであって、間接データ受信ノード表１７のノード（この場合はノード５が該当する）と受信可能範囲にあるノード（この場合ノード４に該当する）において、ノード１が送信したデータ信号と、ノード５が送信したデータ信号とが衝突する可能性があると判定される。

衝突判定手段１６によりデータ信号の衝突可能性が判定されると、衝突判定手段１６は、その判定結果に応じて、インパルス信号及び又はデータ信号の送信能力若しくは受信能力を制御する。本実施形態では、衝突判定手段１６がデータ信号の衝突可能性があると判定した場合に、衝突判定手段１６が、インパルス信号の受信感度を上げるようにインパルス信号受信手段１１を制御する（ステップ１６）。

このように、衝突判定手段１６がインパルス信号の受信感度を上げるようにするのは、インパルス信号の受信感度を上げると、ノード１はノード５からインパルス信号を受信し得る。そのため、ノード１においての相互作用ノード数が変わり、相互作用ノード数と間接データ受信ノード表１７のノード数とが同一になる。また、相互作用ノード数が変わるので、ノード１の通信タイミング計算手段１２による通信タイミングは再計算され、衝突可能性を回避することができる。つまり、ノード１とノード５との間でも相互作用を行なうので、ノード４が同時にノード１及びノード５からデータ信号を受信する可能性はなくなる。

なお、本実施形態では、衝突判定手段１６がデータ信号の衝突可能性があると判定した場合に、衝突判定手段１６が、インパルス信号の受信感度を上げるようにインパルス信号受信手段１１を制御するとしたが、これに限定されない。

例えば、逆に、衝突可能性がないと判定し場合に、受信感度を下げるようにデータ信号送信手段に要求するようにしてもよい。また、衝突判定手段１６が、データ信号の受信感度を調整したり、インパルス信号及び又はデータ信号の送信出力を調整するようにしてもよい。なお、衝突判定手段１６による衝突回避方法が異なると図７に示した動作フローチャートも異なる。

このようにして、衝突判定手段１６による送信能力又は受信能力の調整が行なわれ（ステップ１６）、送信データが存在すれば、後続のインパルス信号を受信するまでの間（すなわち、自ノードのタイムスロット内に）、データ信号送信手段１
５はデータ信号を送信する（ステップ１７）。

（Ａ−３）第１の実施形態の効果
以上、第１の実施形態によれば、各ノードは、直接データ受信ノード表をデータ信号と共に送信し、間接データ受信ノード表を作成して、間接データ受信ノード表のノード数と相互作用ノード数とを比較することで、タイミング制御を行なうべきノードと、実際にはタイミング制御を行なっていないことを検知することができ、その結果、データ信号の衝突可能性を判定することができる。

（Ｂ）第２の実施形態
次に、本発明の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の実施形態について図面を参照して説明する。

第１の実施形態では、ノード１０Ａが、受信したデータ信号に含まれている信元ノード番号に基づいて、直接データ受信ノード表１８及び間接データ受信ノード表１７を作成し、これらを基にして衝突可能性を判断することとしたが、本実施形態では、ノードが受信したインパルス信号に基づいて所定の相互作用対象ノード表を作成し、これも用いて衝突可能性を判断する。

（Ｂ−１）第２の実施形態の構成
図９は、本実施形態の通信ネットワークを構成する各ノードの内部構成を示す機能ブロック図である。図９に示すように、本実施形態のノード１０Ｂは、インパルス信号受信手段１１、通信タイミング計算手段１２、インパルス信号送信手段１３、データ信号受信手段１４、データ信号送信手段１５、衝突判定手段１６、間接データ受信ノード表１７、直接データ信号ノード表１８、タイミング制御信号解析手段２１、相互作用対象ノード表２２、ノード番号付与手段２３を少なくとも有する。

図９において、第１の実施形態で説明した同一・対応する構成要件については、同一符号を付して示し、第１の実施形態ですでに説明した機能についての詳細な説明は省略し、本実施形態に特有の機能については以下で詳細に説明する。

タイミング制御信号解析手段２１は、インパルス信号受信手段１１が入力インパルス信号を受信すると、その入力インパルス信号を受け取り、入力インパルス信号に含まれている送信元アドレス情報を取得するものである。また、タイミング制御信号解析手段２１は、受信インパルス信号から取得した送信元アドレス情報に基づいて、相互作用対象ノード表２２を作成するものである。

ここで、本実施形態のインパルス信号には、送信元のアドレス情報が付与されているものとする。このアドレス情報は、ネットワークにおいてノード１０Ｂを他のノードと識別することができる識別情報であればよい。

相互作用対象ノード表２２は、自ノード１０Ｂがインパルス信号を受信することができる近傍ノードのノード番号の一覧を示す表である。すなわち、相互作用対象ノード表２２は、ノード１０Ｂが相互作用を行なっているノードを示すことができる表である。

ノード番号付与手段２３は、予め自ノード１０Ｂを識別させるためのノード番号を格納し、インパルス信号の送信時に、格納しているノード番号をインパルス信号に付与し、インパルス信号送信手段１３に与えるものである。

また、本実施形態の衝突判定手段１６の機能について説明する。衝突判定手段１６は、データ信号の衝突可能性の判定時に、相互作用対象ノード表２２におけるノード数と、間接データ受信ノード表１７におけるノード数とを比較して、データ信号の衝突可能性を判定するものである。つまり、衝突判定手段１６は、間接データ受信ノード表１７におけるノード数が、相互作用対象ノード表２２におけるノード数よりも多い場合に、衝突可能性があると判定する。

なお、衝突判定手段１６によるインパルス信号及び又はデータ信号の送信能力若しくは受信能力を制御する方法は、第１の実施形態と同様であるので省略する。

（Ｂ−２）第２の実施形態の動作
次に、本実施形態の通信ネットワークを構成するノードにおける動作について図面を参照しながら説明する。

本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、図２に示すノード位置関係を例にして説明する。

（Ｂ−２−１）インパルス信号受信時の動作
図１０は、ノードにおけるインパルス信号受信時の動作を示すフローチャートである。また、図１３は、本実施形態の動作を説明するための説明図である。図１０において、図５で説明した処理に対応する処理については同一符号を付して示し、以下では、本実施形態の特有の処理について詳細に説明する。

ネットワークからインパル信号が到来すると、入力インパルス信号はノード１０Ｂのインパルス信号受信手段１１により受信され、受信インパル信号が通信タイミング計算手段１２に与えられる。また、入力インパルス信号がインパルス信号受信手段１１に受信されると、受信された入力インパルス信号がタイミング制御信号解析手段２１に与えられる（ステップ２１）。

入力インパルス信号が与えられると、タイミング制御信号解析手段２１において、入力インパルス信号に含まれている送信元アドレス情報が取り出され、取り出された送信元アドレス情報に基づいて相互作用対象ノード表２２が作成される（ステップ２２）。

例えば、図１１は、図２のノード１が作成した相互作用対象ノード表２２の内容例である。図２において、ノード１は点線円の範囲内のノード２、３及び４と相互作用を行なっているので、ノード１における相互作用対象ノード表２２は、図１１に示すように、ノード１を含むノード２、３及び４のノード番号を有して構成される。

インパルス信号受信手段１１によるインパルス信号の受信に引き続き、近傍ノードの送信時間内に、近傍ノードが発信したデータ信号又は制御信号が到来すると、データ信号又は制御信号はデータ信号受信手段１４により受信される（ステップ２）。

データ信号が受信されると、データ信号受信手段１４により、直接データ受信ノード表１８及び間接データ受信ノード表１７が作成される。これらの処理は第１の実施形態と同様なので詳細な説明は省略する（ステップ２〜４）。

このようにして、ノード１０Ｂにおけるインパルス信号受信時には、相互作用対象ノード表２２、直接データ受信ノード表１８及び間接データ受信ノード表１８が作成され、データ信号の衝突可能性を判定するためのノード情報が収集される。

（Ｂ−２−２）インパルス信号送信時の動作
図１２は、ノードにおけるインパルス信号送信時の動作を示すフローチャートである。図１２において、図７で説明した処理に対応する処理については同一符号を付して示し、以下では、本実施形態の特有の処理について詳細に説明する。

通信タイミング計算手段１２が計算した送信タイミングになると、通信タイミング計算手段１２はノード番号付与手段２３に通知し、ノード番号付与手段２３により、インパルス信号に自ノード１０Ｂのノード番号が付与される。そして、インパルス信号送信手段１３は、ノード番号が付与されたインパルス信号をネットワークに送信する（ステップ２３）。

インパルス信号送信手段１３からノード番号が付与されたインパルス信号が送信されると引き続き、自ノードが有する直接データ受信ノード表１８を含むデータ信号が、データ信号送信手段１５からネットワークに送信される（ステップ１２）。

直接データ受信ノード表１８を含むデータ信号が送信されると、衝突判定手段１６により、相互作用対象ノード表２２におけるノード数と、間接データ受信ノード表１７のノード数とが比較される（ステップ２４）。

そして、衝突判定手段１６が間接データ受信ノード表１７のノード数の方が、相互作用対象表２のノード数より多いならば、データ信号の衝突可能性があると判定する（ステップ１４）。一方、そうでない場合、データ信号の衝突可能性はないと判定する（ステップ１５）。

衝突判定手段１６によりデータ信号の衝突可能性が判定されると、第１の実施形態と同様に、衝突判定手段１６は判定結果に応じてインパルス信号及び又はデータ信号の送信能力若しくは受信能力を制御し（ステップ１６）、データ信号送信手段１５はデータ信号を送信する（ステップ１７）。

（Ｂ−３）第２の実施形態の効果
以上、本実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

さらに、本実施形態によれば、インパルス信号中のノード番号と照合するので、受信エラー等でデータ受信数が増減するような場合でもノードの対応付けを行なうことができるという効果が得られる。

（Ｃ）他の実施形態
（Ｃ−１）衝突判定手段１６は、第１の実施形態では、通信タイミング計算手段１２が記憶する相互作用を行なっているノード数と、間接データ受信ノード表に基づくノード数とを比較する場合を説明した。また、第２の実施形態では、相互作用対象ノード数と、間接データ受信ノード表に基づくノード数とを比較する場合を説明した。しかし、衝突判定手段１６は、双方の判定方法を行ない、いずれか一方の判定結果又は双方の判定結果において、間接データ受信ノード表に基づくノード数が多い場合を衝突可能性があると判定してもよい。

（Ｃ−２）上述した第１及び第２の実施形態において、インパルス信号受信手段１１とデータ信号受信手段１４とを別構成として示し、また同様に、インパルス信号送信手段１２とデータ信号送信手段１５とを別構成として示したが、これらをそれぞれ同一の構成としてもよい。

（Ｃ−３）上述した第１及び第２の実施形態では、ノードが送信元ノード番号と共に、自ノードの直接データ受信ノード表を送信するものとした。しかし、データ信号の送信元について、各ノードが管理するノードは直前のノードに限らず、更にさかのぼって送信元を管理してもよい。これにより、各ノードが衝突判定できる範囲を広めることができる。

（Ｃ−４）上述した第１及び第２の実施形態において、通信タイミング計算手段１２が計算する通信タイミング方法は、インパルス信号に基づいて自律分散的に決定することができれば、上述した方法以外の方法を適用することができる。

（Ｃ−５）本発明は、通信路が無線通信路の場合だけでなく、有線通信路の場合にも適用することができる。

第１の実施形態の通信ネットワークを構成する各ノードの内部構成を示す機能ブロック図である。 通信システムにおける各ノードの位置関係例を示す図である。 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の実施形態のノードにおけるインパルス信号受信時の動作フローチャートである。 第１の実施形態の直接データ受信ノード表及び間接データ受信ノード表の内容例を示す図である。 第１の実施形態のノードにおけるインパルス信号送信時の動作フローチャートである。 第１の実施形態における動作を説明するための説明図である。 第２の実施形態の通信ネットワークを構成する各ノードの内部構成を示す機能ブロック図である。 第２の実施形態のノードにおけるインパルス信号受信時の動作フローチャートである。 第２の実施形態の相互作用対象ノード表の内容例を示す図である。 第２の実施形態のノードにおけるインパルス信号送信時の動作フローチャートである。 第２の実施形態における動作を説明するための説明図である。

符号の説明

１０Ａ及び１０Ｂ…ノード、１１…インパルス信号受信手段、１２…通信タイミング計算手段、１３…インパルス信号送信手段、１４…データ信号受信手段、１５…データ信号送信手段、１６…衝突判定手段、１７…間接データ受信ノード表、１８…直接データ受信ノード表、２１…タイミング制御信号解析手段、２２…相互作用対象ノード表、２３…ノード番号付与手段。

Claims (9)

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、
   近傍ノードのデータ発信タイミングを表す位相が反映された状態変数信号を上記近傍ノードから受信し、所定規則に従って自ノードの位相状態を変化させて、自ノードのデータ発信タイミングを決定する通信タイミング決定手段と、
   自ノードの送信元識別情報及び自ノードが受信したデータ信号の送信元ノード情報を送信すると共に、近傍ノードが送信したノード情報を受信するノード情報通信手段と、
   上記ノード情報通信手段が受信した近傍ノードの送信元識別情報及び上記送信元ノード情報に基づいて、データ信号を受信した全近傍ノード情報を収集する近傍ノード情報収集手段と、
   上記通信タイミング決定手段がデータ発信タイミングの制御に係る近傍ノードの数と、上記全近傍ノード情報に基づくノードの数との比較結果に基づいて、データ通信の衝突可能性を判定する衝突判定手段と
   を備えることを特徴とする通信タイミング制御装置。
2. 上記通信タイミング決定手段が、
   近傍ノードが送信した上記状態変数信号を受信する状態変数信号受信部と、
   自ノードの識別情報を付与した状態変数信号を送信する状態変数信号送信部と、
   上記状態変数信号受信部が受信した上記状態変数信号に含まれている近傍ノードの識別情報に基づいて、自ノードの位相の相互作用を行なう相互作用対象ノード情報を作成する相互作用対象ノード情報作成手段と
   を有し、
   上記衝突判定手段が、上記相互作用対象ノード情報に基づくノードの数と、上記全近傍ノード情報に基づくノードの数との比較結果に基づいて、データ通信の衝突可能性を判定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. 上記衝突判定手段が、上記全近傍ノード情報に基づくノードの数が上記データ発信タイミングの制御に係る近傍ノードの数より多い場合、データ通信の衝突可能性があると判定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装置。
4. 上記衝突判定手段が、上記全近傍ノード情報に基づくノードの数が上記相互作用対象ノード情報に基づくノードの数より多い場合、データ通信の衝突可能性があると判定することを特徴とする請求項２に記載の通信タイミング装置。
5. 上記衝突判定手段がデータ通信の衝突可能性があると判定した場合に、上記状態変数信号の送信出力能力及び又は受信能力を制御する送受信制御手段を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の通信タイミング装置。
6. 上記衝突判定手段がデータ通信の衝突可能性があると判定した場合に、上記データ信号の送信出力能力及び又は受信能力を制御する送受信制御手段を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の通信タイミング装置。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の通信タイミング装置を有することを特徴とするノード。
8. 請求項７に記載のノードを複数有して構成されることを特徴とする通信システム。
9. 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方法であって、
   近傍ノードのデータ発信タイミングを表す位相が反映された状態変数信号を上記近傍ノードから受信し、所定規則に従って自ノードの位相状態を変化させて、自ノードのデータ発信タイミングを決定する通信タイミング決定工程と、
   自ノードの送信元識別情報及び自ノードが受信したデータ信号の送信元ノード情報を送信すると共に、近傍ノードが送信したノード情報を受信するノード情報通信工程と、
   上記ノード情報通信工程が受信した近傍ノードの送信元識別情報及び上記送信元ノード情報に基づいて、データ信号を受信した全近傍ノード情報を収集する近傍ノード情報収集工程と、
   上記通信タイミング決定工程がデータ発信タイミングの制御に係る近傍ノードの数と、上記全近傍ノード情報に基づくノードの数との比較結果に基づいて、データ通信の衝突可能性を判定する衝突判定工程と
   を備えることを特徴とする通信タイミング制御方法。
   
   

Images