(57)【要約】【課題】ノード間のデータ通信を阻害することなく、通信タイミングの調整時間を短時間にすることができる通信制御装置、通信制御方法、ノード及び通信システムを提供する。【解決手段】本発明の通信制御装置は、通信システムを構成する複数のノードに搭載されるものであって、内部で変化する位相の状態に基づいて自ノードのデータ発信の通信タイミングを決定する通信タイミング計算手段を備える通信制御装置であって、少なくとも、他ノードがタイミング制御信号及びデータ信号の送信に要する位相幅を含むタイミング制御信号を送受信するタイミング制御信号送受信手段を備え、通信タイミング計算手段が、他ノードから受信したタイミング制御信号に基づき、他ノードがタイミング制御信号及びデータ信号の送信に要する位相幅を反映して、自ノードの通信タイミングを求めることを備えることを特徴とする。【選択図】      図１
2010154442.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
通信システムを構成する複数のノードに搭載されるものであって、内部で変化する位相の状態に基づいて自ノードのデータ発信の通信タイミングを決定する通信タイミング計算手段を備える通信制御装置であって、
少なくとも、他ノードがタイミング制御信号及びデータ信号の送信に要する位相幅を含むタイミング制御信号を受信するタイミング制御信号受信手段と、
少なくとも、自ノード及び他ノードの、タイミング制御信号及びデータ信号の送信に要する位相幅を含むタイミング信号を送信するタイミング制御信号送信手段と
を備え、
上記通信タイミング計算手段が、上記タイミング制御信号受信手段が受信したタイミング制御信号に基づき、他ノードがタイミング制御信号及びデータ信号の送信に要する位相幅を反映して、自ノードの通信タイミングを求めることを特徴とする通信制御装置。
【請求項２】
上記通信タイミング計算手段が、
上記タイミング制御信号受信手段が受信したタイミング制御信号に基づく、自ノードの位相に対する直前の位相を示す他ノードに関する位相、及び直後の位相を示す他ノードに関する位相と、
上記直前の位相を示す他ノードがタイミング制御信号及びデータ信号の送信に要する位相幅、及び自ノードがタイミング制御信号及びデータ信号の送信に要する位相幅と
に基づいて、自ノードの通信タイミングを求めることを特徴とする請求項１に記載の通信制御装置。
【請求項３】
上記通信タイミング計算手段は、
上記直前の位相の他ノードの位相と自ノードの位相との位相差を求める位相差算出部と、
上記位相差が、上記直前の位相の他ノードの必要とする位相幅よりも小さい場合には、自ノードの位相に位相反発特性を働かせ、逆に、上記位相差が、上記直前の位相の他ノードの位相幅よりも大きい場合は、自ノードの位相に位相同期特性を働かせる位相応答関数特性決定部と
を有し、近傍ノード間に形成される通信タイミングパターンにおいて、通信に使用していない時間区間を周期内の特定箇所に集中させることを特徴とする請求項２に記載の通信制御装置。
【請求項４】
上記位相応答関数特性決定部が、
自ノードの位相に対する直前の位相を示す他ノードと自ノードとの位相差に基づく位相応答特性を求める直前位相応答特性決定部と、
自ノードの位相に対する直後の位相を示す他ノードと自ノードとの位相差に基づく位相応答特性を求める直後位相応答特性決定部と
を有することを特徴とする請求項３に記載の通信制御装置。
【請求項５】
上記タイミング制御信号送信手段が、上記周期内の特定箇所に集中された通信に使用してない時間区間を用いて自ノードのタイミング制御信号を送信することを特徴とする請求項３又は４に記載の通信制御装置。
【請求項６】
通信システムを構成する複数のノードに搭載されるものであって、内部で変化する位相の状態に基づいて自ノードのデータ発信の通信タイミングを決定する通信タイミング計算を行う通信制御装置の通信制御方法であって、
少なくとも、他ノードがタイミング制御信号及びデータ信号の送信に要する位相幅を含むタイミング制御信号を受信するタイミング制御信号受信工程と、
少なくとも、自ノード及び他ノードの、タイミング制御信号及びデータ信号の送信に要する位相幅を含むタイミング信号を送信するタイミング制御信号送信工程と
を有し、
上記通信タイミング計算手段を、上記タイミング制御信号受信手段が受信したタイミング制御信号に基づき、他ノードがタイミング制御信号及びデータ信号の送信に要する位相幅を反映して、自ノードの通信タイミングを求めて行うことを特徴とする通信制御方法。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれかに記載の通信制御装置を搭載することを特徴とするノード。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通信制御装置、通信制御方法、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やアドホックネットワークあるいはＬＡＮ（Local  Area  Network）に接続された複数の機器から構成されるシステム等のように、分散配置された多数のノードや移動体に設置されたノードが、相互にデータ通信を行う場合において、電波干渉等による通信データの衝突を回避しようとしたものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、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通信タイミングを相互調整することによって、発信衝突を回避する方法として、特許文献１〜特許文献７に開示される技術がある。
【０００３】
これらの方法では、各ノードが近傍ノードとの間で周期的にインパルス信号（自ノードの発信タイミングを示す制御信号）を送受信することによって通信タイミングの相互調整を行う。これにより、インパルス信号の電波到達範囲内のノード間で、１周期（インパルス信号の発信周期）の期間を相互に分割する自律的なタイムスロット割当を実現する。
【０００４】
ここで、インパルス信号は、必ずしもインパルス状の波形を有する信号である必要はなく、一般的な制御信号と同様にパケット等で構成することが可能である。そこで、以下では、このようなインパルス信号をタイミング制御信号と呼ぶ。また、タイミング制御信号の発信周期を、以後、単に周期と呼ぶ。各ノードが送信するタイミング制御信号の電波到達範囲は、当該ノードが通信タイミング調整を行う相互作用範囲に対応する。
【０００５】
近傍ノード間におけるタイミング制御信号の送受信方法にはいくつかの形態がある。
【０００６】
第１番目の形態は、図２（ａ）に示すように、タイミング制御信号の電波到達範囲を、データ信号の電波到達範囲よりも広くし、例えばその比を２倍程度とする。この場合、タイミング制御信号とデータ信号との送信電力比を調節することによって、電波到達範囲の比を設定する。タイミング制御信号とデータ信号との電波到達範囲の比を、このようにする理由は、隠れ端末などによる発信衝突の発生を回避するためである。
【０００７】
第２番目の形態は、図２（ｂ）に示すように、タイミング制御信号とデータ信号の電波到達範囲は同一（つまり、送信電力は同一）とし、他ノードから受信したタイミング制御信号に基づいて、自身の内部に生成した当該ノードに対する仮想位相（特許文献５参照）を、自身がタイミング制御信号を送信する際に付加する方法である。着目ノードからタイミング制御信号を受信したノード（図２（ｂ）における実線の円内のノード）は、自身の内部に着目ノードに対する仮想位相が存在しなければ新たに生成し、すでに存在する場合はその値を調整する。生成あるいは調整された仮想位相の値は、その後、固有角振動数に相当する一定の速度で変化する。そして、自身がタイミング制御信号を送信する際に、現時刻における着目ノードに対する仮想位相の値を付加して送信する。このようにすることで、着目ノードの位相情報が１ホップ先のノード（図２（ｂ）における実線の円内のノード）を介して間接的に２ホップ先（図２（ｂ）において、点線の円内のノードで実線の円内に含まれないもの）のノードに伝えられる。
【０００８】
上記では、着目ノードの位相情報が２ホップ先のノードに間接的に伝えられる仕組みついて説明したが、すべてのノードの位相情報が同様にして２ホップ先のノードに伝えられる。したがって、通信タイミング調整における相互作用範囲は、各ノードの２ホップ近傍範囲となる。
【０００９】
以下では、近傍ノード間におけるタイミング制御信号の送受信方法として、図２（ｂ）の形態を用いる場合を仮定して説明する。ただし、説明上、このような仮定をするのであって、本発明は図２（ａ）の形態に対しても適用可能である。
【００１０】
【特許文献１】特許第４１７３７８９号
【特許文献２】特許第４１７３１２２号
【特許文献３】特開２００６−７４６１９号公報
【特許文献４】特許第４１７３１３１号
【特許文献５】特許第４１７３１３２号
【特許文献６】特許第４０９４０１１号
【特許文献７】特許第４１７３１４１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
例えばセンサネットワーク等で用いられるマルチホップ通信では、一般に、ノードによってデータ信号の送信に必要な時間区間の大きさが異なる。例えば、各ノードで観測されたセンサデータをマルチホップでシンクノードに送信するネットワークの場合、シンクノードに近いノードほど、他ノードのデータ信号に対する転送負荷が高くなる。すなわち、シンクノードに近いノードほど、送信に必要な時間区間の幅が大きくなる。
【００１２】
特許文献１〜特許文献７に記載の通信タイミング制御方法はいずれも有効な方法であるが、実際にネットワークを稼動させた場合には、次のような実用上の課題が生じ得る。この点について図３を参照しながら説明する。
【００１３】
例えば今、既存のセンサネットワークが稼動している（センサノード間でデータ信号の送受信を行っている）状況で、新たにセンサノードや転送用ノード（以後、追加ノードと呼ぶ）を追加する場合を考える。
【００１４】
図３において、白丸は既存のセンサノード、黒丸は追加ノードを示す。また、ノード間を結ぶ矢印は、データ信号の送信先を示す。図３の例は、センサノードＡとシンクノードＳとの間のリンク品質が思わしくない場合に、通信の信頼性を向上させる目的で追加ノードＢを設置した状況を示している。つまり、追加ノードＢが投入されたことによって、センサノードＡが、送信先をシンクノードＳから追加ノードＢに変更した場面である。
【００１５】
この場合、追加ノードＢは、センサノードＡがシンクノードＳに送信していたすべてのデータ信号に対する転送負荷を負うことになる。したがって、追加ノードＢは、これらのデータ信号の送信に要する位相幅（あるいは時間幅）を有する通信時間区間を、周期内で獲得する必要がある。
【００１６】
また、このような通信時間区間の獲得動作は、ネットワーク上におけるデータ信号の送受信を阻害することなく行うことが実用上求められる。すなわち、データ通信を止めずに追加ノードＢをネットワークに参入させることが求められる。
【００１７】
特許文献１〜特許文献７の通信タイミング制御方法を用いた場合、例えば図４に示すように、通信に使用されていない時間区間が周期内に散在した通信タイミングパターンが形成される。
【００１８】
ここで、図４は、追加ノードから２ホップ範囲のノード間に形成される通信タイミングパターンの例（ただし、追加ノードが参入していない状態の例）である。また、図４において、ノードが獲得した通信時間区間内の斜線部分は、ノードがタイミング制御信号及びデータ信号の送信に用いる時間区間を示し、残りの空白部分は、通信に使用していない時間区間を示す。あらかじめ追加ノードの参入等を考慮して、周期は、「個々のノードがタイミング制御信号、及びデータ信号の送信に要する時間」の総和よりも、大きく設定されている。
【００１９】
このような場合、追加ノードＢが比較的大きな通信時間区間が必要となるにもかかわらず、通信に使用していない時間区間が周期内に散在してしまうため、近傍ノードとの通信タイミング調整に時間を要し、その間、ノード間におけるデータ信号の送受信が阻害されてしまうおそれがある。
【００２０】
また、新たにノードを追加する場合だけでなく、送信経路を変更し、その送信経路の変更前よりも転送負荷が大きくなったノードについても同様の課題がある。
【００２１】
そのため、通信に使用していない時間区間を特定箇所に集中させて通信時間区間の獲得を容易にすることができ、通信タイミングの調整時間を短時間にすることができる通信制御装置、通信制御方法、ノード及び通信システムが求められている。
【００２２】
また、ネットワークへの新たなノードの参入や送信経路の変更等を、ノード間のデータ信号の送受信を阻害することなく行う通信制御装置、通信制御方法、ノード及び通信システムが求められている。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
かかる課題を解決するために、第１の本発明の通信制御装置は、通信システムを構成する複数のノーに搭載されるものであって、内部で変化する位相の状態に基づいて自ノードのデータ発信の通信タイミングを決定する通信タイミング計算手段を備える通信制御装置であって、（１）少なくとも、他ノードがタイミング制御信号及びデータ信号の送信に要する位相幅を含むタイミング制御信号を受信するタイミング制御信号受信手段と、（２）少なくとも、自ノード及び他ノードの、タイミング制御信号及びデータ信号の送信に要する位相幅を含むタイミング信号を送信するタイミング制御信号送信手段とを備え、（３）通信タイミング計算手段が、タイミング制御信号受信手段が受信したタイミング制御信号に基づき、他ノードがタイミング制御信号及びデータ信号の送信に要する位相幅を反映して、自ノードの通信タイミングを求めることを特徴とする。
【００２４】
第２の本発明の通信制御方法は、通信システムを構成する複数のノードに搭載されるものであって、内部で変化する位相の状態に基づいて自ノードのデータ発信の通信タイミングを決定する通信タイミング計算を行う通信制御装置の通信制御方法であって、（１）少なくとも、他ノードがタイミング制御信号及びデータ信号の送信に要する位相幅を含むタイミング制御信号を受信するタイミング制御信号受信工程と、（２）少なくとも、自ノード及び他ノードの、タイミング制御信号及びデータ信号の送信に要する位相幅を含むタイミング信号を送信するタイミング制御信号送信工程とを有し、（３）通信タイミング計算手段を、タイミング制御信号受信手段が受信したタイミング制御信号に基づき、他ノードがタイミング制御信号及びデータ信号の送信に要する位相幅を反映して、自ノードの通信タイミングを求めて行うことを特徴とする。
【００２５】
第３の本発明のノードは、第１の本発明の通信制御装置を搭載することを特徴とする。
【００２６】
第４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有して構成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、通信に使用していない時間区間を特定箇所に集中させて通信時間区間の獲得を容易にすることができ、通信タイミングの調整時間を短時間にすることができる。従って、ネットワークへの新たなノードの参入や送信経路の変更等を、ノード間のデータ信号の送受信を阻害することなく行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
（Ａ）第１の実施形態
以下、本発明の通信制御装置、通信制御方法、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ながら詳述する。
【００２９】
第１の実施形態は、マルチホップ通信を採用したセンサネットワークを構成するノードの通信制御装置に本発明を適用した実施形態を例示して説明する。
【００３０】
第１の実施形態の特徴は、各ノードの近傍ノード間における通信タイミング調整機構が、例えば図５に例示するように、「通信に使用していない時間区間」を周期内の特定箇所（例えば、周期の最後箇所や先頭箇所など）に集中させる機能を備える点である。
【００３１】
また、第１の実施形態の通信タイミング制御方法（通信制御方法）は、例えば特許文献１〜特許文献７に記載の通信タイミング制御方法と特に次の点で異なる。
【００３２】
（ａ）ノード間で送受信されるタイミング制御信号に付加される情報
（ｂ）図１の通信タイミング計算部１２における処理
なお、以下では、近傍ノード間におけるタイミング制御信号の送受信方法として、図２（ｂ）の形態を用いる場合を仮定して説明する。ただし、説明上、このような仮定をするのであって、本発明は図２（ａ）の形態に対しても適用可能である。
【００３３】
（Ａ−１）第１の実施形態の構成及び動作
第１の実施形態に係るネットワークの全体構成は、図３に示すネットワークの構成と同じなので、第１の実施形態でも図３を用いて説明する。
【００３４】
図３に示すように、第１の実施形態のネットワーク１は、複数のセンサノード（以下、単にノードという。）が分散配置されて構成されている。
【００３５】
各ノードは、後述するように他ノードとの間でタイミング制御信号を送受信し合い、自己の通信タイミングを自律的に求めるものである。また、各ノードは、送信の必要なデータ（例えば自ノードが取得したセンサデータや転送すべきデータ等）をマルチホップ通信により他ノードを介して例えばシンクノードＳに向けて送信する。
【００３６】
図１は、各ノード１０の内部構成を示す内部構成図である。図１に示すように、第１の実施形態のノード１０は、タイミング制御信号受信部１１、通信タイミング計算部１２、タイミング制御信号送信部１３、データ通信部１４を少なくとも有して構成されるものである。
【００３７】
タイミング制御信号受信部１１、通信タイミング計算部１２、タイミング制御信号送信部１３、データ通信部１４が、本発明の通信制御装置に相当する。
【００３８】
タイミング制御信号受信部１１は、近傍ノード（他ノード）が送信したタイミング制御信号を入力タイミング制御信号として受信し、このタイミング制御信号を通信タイミング計算部１２に与えるものである。
【００３９】
タイミング制御信号送信部１３は、後述する付加される制御情報をタイミング制御信号に付加して、これを出力タイミング制御信号として近傍ノードに向けて送出するものである。また、タイミング制御信号送信部１３は、例えば自身の１ホップ範囲内に存在する他ノードに対して送出するものとする。
【００４０】
ここで、タイミング制御信号とは、自ノードのデータ発信タイミングを示す制御信号である。タイミング制御信号は、インパルス状の波形を有する信号としても良いし、例えばパケット等の一般的な信号としてもよい。なお、このタイミング制御信号の発信周期を単に周期という。
【００４１】
また、タイミング制御信号は、以下のような、「タイミング制御信号の付加される制御情報」を少なくとも有する。また、後述する通信タイミング計算部１２は、下記の情報を用いて演算を行う。
【００４２】
（１）「自ノード」及び「自ノードの１ホップ範囲内に存在する他ノード」がタイミング制御信号あるいはデータ信号の送信に要する位相幅
ここで、位相幅とは、時間幅と比例関係にある量であり、送信に必要な時間幅から換算して求められるものである。以下では、位相幅を例示するが、時間幅自体であっても良い。
【００４３】
（２）「自ノードの１ホップ範囲内に存在する他ノード」の位相情報（仮想情報）
（３）データ信号の送信先ノード番号
（４）送信するデータ信号のサイズ
通信タイミング計算部１２は、タイミング制御信号受信部１１から他ノードのタイミング制御信号を受け取り、他ノードの位相情報、他ノードのタイミング制御信号あるいはデータ信号の送信に要する位相幅（あるいは時間幅）を反映させて、自ノードの位相情報、自ノードのタイミング制御信号あるいはデータ信号の送信に要する位相幅等の通信タイミングを求めるものである。また、通信タイミング計算部１２は、その結果をタイミング制御信号送信部１３に与えるものである。
【００４４】
ここで、通信タイミング計算部１２は、自ノードの１ホップ範囲内に存在する他ノードから受信したタイミング制御信号を用いて、通信タイミングの調整動作を実行する。この通信タイミングの調整動作は、自ノードのタイミング制御信号の送信タイミングを調整することで実現することができる。
【００４５】
つまり、新たに追加するノードだけでなく、各ノード１０がそれぞれ自ノードのタイミング制御信号の送信タイミングの調整を実行する。各ノード１０が並列して上記調整動作を実行することにより、ノード間における相互調整機構として機能することができる。
【００４６】
また、１ホップ範囲内の他ノードのタイミング制御信号には、他ノードの１ホップ範囲内に存在するすべての他ノードに対する仮想位相（上記「自ノードの１ホップ範囲内に存在する他ノードの位相情報（仮想情報）に相当する情報」が付加されている。
【００４７】
したがって、各ノード１０の通信タイミング計算部１２は、自ノードから１ホップ近傍範囲内に存在する他ノードからタイミング制御信号を受信することによって、間接的に自ノードから２ホップ近傍範囲の他ノードに対する位相情報を求めることができる。
【００４８】
さらに、通信タイミング計算部１２は、タイミング制御信号の受信タイミングで得られる自ノードから２ホップ近傍範囲内の他ノードに対する位相情報を用いて、当該ノードに対する仮想位相モデルを生成する。以後、タイミング制御信号の受信のたびに、その仮想位相の値を調整する。そして、通信タイミング計算部１２が実行する処理は、自ノードから２ホップ近傍範囲内の他ノードに対する仮想位相を用いて行う。
【００４９】
データ通信部１４は、観測データや転送されてきたデータ信号を入力データ信号とし、この入力データ信号を出力データ信号として他ノードに送信するものである。データ通信部１４は、タイミング制御信号送信部１３から取得した自ノードのタイミング制御信号の送信タイミング（位相情報）に基づく通信時間区間で行う。なお、出力データ信号は、出力タイミング制御信号と同一周波数帯を送信周波数としても良い。
【００５０】
（Ａ−１−１）通信タイミング計算部１２の詳細な説明
次に、通信タイミング計算部１２における、自ノードの通信タイミングの演算処理について図面を参照しながら説明する。
【００５１】
通信タイミング計算部１２が実行する通信タイミング制御方法について、例えば特許文献１〜特許文献７に記載の種々の通信タイミング制御方法と第１の実施形態とでは、特に、通信タイミング計算部１２が実行する演算と、その演算に、「自ノード」及び「自ノードの１ホップ範囲内に存在する他ノード」がタイミング制御信号あるいはデータ信号の送信に要する位相幅の情報を用いる点が異なる。
【００５２】
図９は、通信タイミング計算部１２における、自ノードの通信タイミングの演算処理の説明図である。
【００５３】
図９において、通信タイミング計算部１２は、仮想位相差算出手段２１、位相応答関数特性決定手段２２、位相算出手段２３、蓄積ストレス算出手段２４、ストレス応答関数値算出手段２５を少なくとも有して構成される。
【００５４】
以下では、第１の実施形態における通信タイミング計算部１２の演算処理について具体的に説明する。
【００５５】
通信タイミング計算部１２では、式（１．１）及び（１．２）の演算式を用いて実行する。なお、図９の位相算出手段２３が、式（１．１）及び（１．２）を用いて自ノードのタイミング制御信号の送信タイミングを調整する。
【数１】
2010154442.tif 000003
【００５６】
ここで、変数ｔは時間を示し、θｉ（ｔ）は、時刻ｔにおける自ノードｉの位相を示す。θｉ（ｔ）は、ｍｏｄ２π（２πで割った余り）の演算を施すことにより、常に、区間０≦θｉ（ｔ）＜２πの値を取るものとする。
【００５７】
ｄ／ｄｔは時間ｔに関する微分演算を表す記号であり、ｄθｉ（ｔ）／ｄｔは位相θｉ（ｔ）を時間ｔで微分した状態変数を表す。
【００５８】
ωｉは固有角振動数パラメータであり、各ノード固有の振動リズムを表す。ここでは、一例として、ωｉの値をあらかじめ全ノードで同一の値に統一しておくものと仮定する。
【００５９】
Δθ＾ｉｊは、他ノードｊに対する仮想位相θ＾ｉｊ（ｔ）と、自ノードｉの位相θｉ（ｔ）との位相差である。この位相差Δθ＾ｉｊは、仮想位相差算出手段２１が求める。
【００６０】
位相差Δθ＾ｉｊは、２πを加算した値にｍｏｄ２π（２πで割った余り）の演算を施すことにより、便宜的に区間０≦Δθ＾ｉｊ＜２πの値を取るものとする。
【００６１】
自ノードｉに対して、下記の条件を満足する他ノードｊのノード番号集合を記号Ｑで表す。また記号ｊ∈Ωは、ノード番号ｊが集合Ωの要素であることを示す。
【００６２】
ここで、通信タイミング計算部１２では、以下に示す条件を満足するノードを、演算に用いる他ノードｊとする。
【００６３】
（他ノードｊに関する条件）
図６は、他ノードｊに関する条件について説明する説明図である。今、図６に示すように、自ノードｉの２ホップ近傍範囲内に存在する全ての他ノードに対する仮想位相と、自ノードｉの位相とを、位相図上に配置した場合を考える。この位相図上において、自ノードｉの位相に対する直前の位相を示すノード、あるいは直後の位相を示すノードを、演算に用いる他ノードｊとする。
【００６４】
以下の説明において、自ノードｉの位相に対する直前の位相を示す他ノードを「他ノードＸ」と示し、また直後の位相を示す他ノードを「他ノードＹ」と示して説明する。
【００６５】
位相応答関数特性決定手段２２は、後述する位相応答関数によって、位相差Δθ＾ｉｊに応じて自ノードの振動リズムを変化させる位相応答特性を決定するものである。
【００６６】
また、位相応答関数特性決定手段２２は、自ノードｉの位相に対する直前の位相を示す他ノードＸに対する自ノードの位相応答特性を求める直前位相の他ノードの位相応答特性決定部３１と、自ノードｉの位相に対する直後の位相を示す他ノードＹに対する自ノードの位相応答特性を求める直後位相の他ノードの位相応答特性決定部３２とを有する。
【００６７】
Ｒ（Δθ＾ｉｊ）は、位相差Δθ＾ｉｊに応じて自ノードの振動リズムを変化させる位相応答特性を表現する位相応答関数である。
【００６８】
ここで、位相差Δθ＾ｉｊは、上述しようたように、自ノードｉの位相に対する直前の位相の他ノードＸ、あるいは直後の位相の他ノードＹとの位相差である。また、Ｒ（Δθ＾ｉｊ）は、自ノードｉが他ノードｊから受ける影響を表す関数である。
【００６９】
したがって、自ノードｉの位相に対する直前の位相を示す他ノードＸとの位相差、あるいは自ノードｉに対する直後の位相を示す他ノードＹとの位相差を用いることにより、直前の位相を示す他ノードＸ、あるいは直後の位相を示す他ノードＹから影響を受けて、自身の振動リズムを変化させる。つまり、それ以外の他ノードからは、影響を受けない。
【００７０】
Ｒ（Δθ＾ｉｊ）に対する総和記号Σは、自ノードｉの位相に対する直前の位相を示す他ノードＸと、直後の位相を示す他ノードＹとの両方から影響を受けることを表している。ここで、Ｒ（Δθ＾ｉｊ）の具体的な関数形の例を、次の式（１．３）〜（１．７）に示す。
【数２】
2010154442.tif 000004
【００７１】
式（１．３）〜（１．５）で与えられる関数は、他ノードＸに対する自ノードの位相応答関数であり、直前位相の他ノードの位相応答特性決定部３１が求める。
【００７２】
また、式（１．６）及び（１．７）で与えられる関数は、他ノードＹに対する自ノードの位相応答関数であり、直後位相の他ノードの位相応答特性決定部３２が求める。
【００７３】
以下では、これらの位相応答特性について説明する。
【００７４】
（他ノードＸに対する自ノードの位相応答特性）
図７は、この他ノードＸに対する自ノードの位相応答特性を説明する説明図である。図７において、横軸は、自ノードｉの位相に対する直前の位相の他ノードＸとの位相差Δθ＾ｉｊ（ただしｊ＝Ｘ）を示し、縦軸は、他ノードＸに対する自ノードの位相応答特性を示す。
【００７５】
式（１．３）〜（１．５）で与えられる関数によって、他ノードＸと自ノードｉとの位相差Δθ＾ｉｊ（ただし、ｊ＝Ｘ）に応じて、自ノードｉの位相に、下記に示すような応答特性が働く。
【００７６】
ただし、式（１．３）〜（１．５）において、φｘは、他ノードＸが、タイミング制御信号及びデータ信号の送信に要する位相幅である。また、αは定数パラメータであり、その値は実験的に決定することができる。
【００７７】
（i）０≦Δθ＾ｉｊ＜φｘのとき、位相反発特性
（ii）φｘ≦Δθ＾ｉｊ＜πのとき、位相同期特性
（iii）π≦Δθ＾ｉｊ＜２πのとき、位相応答なし
すなわち、他ノードＸと自ノードｉとの位相差Δθ＾ｉｊが、他ノードＸの必要とする位相幅φｘよりも小さい場合は、自ノードｉに位相反発特性が働く。逆に、位相差Δθ＾ｉｊが、他ノードＸの必要とする位相幅φｘより大きい場合（ただし、πよりも小さい場合）は、位相同期特性が働く。
【００７８】
ここで、位相反発特性とは、自ノードの位相が他ノードＸの位相から離れようとする特性をいう。また、位相同期特性とは、自ノードの位相が他ノードＸの位相に近づこうとする特性をいう。
【００７９】
Ｒ（Δθ＾ｉｊ）に、このような特性を導入することにより、他ノードＸと自ノードｉとの位相差Δθ＾ｉＸを、他ノードＸの必要とする位相幅φｘと一致させる機能が働く。
【００８０】
（他ノードＹに対する自ノードの位相応答特性）
図８は、この他ノードＹに対する自ノードの位相応答特性を説明する説明図である。図８において、横軸は、自ノードｉの位相に対する直後の位相の他ノードＹとの位相差Δθ＾ｉｊ（ただしｊ＝Ｙ）を示し、縦軸は、他ノードＹに対する自ノードの位相応答特性を示す。
【００８１】
他ノードＹと自ノードｉとの位相差Δθ＾ｉｊ（ただし、ｊ＝Ｙ）に応じて、自ノードｉの位相に下記のような応答特性が働く。
【００８２】
ただし、式（１．６）及び（１．７）において、φｃは、自ノードｉが、タイミング制御信号及びデータ信号の送信に要する位相幅である。
【００８３】
他ノードＹと自ノードｉとの相対位相差が、自ノードｉの必要とする位相幅φｃよりも小さい場合、自ノードｉに位相反発特性が働く。つまり、必要な位相幅φｃを獲得するため、他ノードＹの位相から離れようとする。その結果、自ノードｉがデータ信号の転送負荷が大きくなる場合でも、そのデータ信号の送信に必要な位相幅（時間幅）を有する時間区間を獲得することができる。
【００８４】
ここで、相対位相差とは次のように定義される量である。
【００８５】
位相差Δθ＾ｉｊ、相対位相差Ｅとすると、
Δθ＾ｉｊ≦πのとき、Ｅ＝Δθ＾ｉｊ      …（１−８）
Δθ＾ｉｊ＞πのとき、Ｅ＝２π−Δθ＾ｉｊ      …（１．９）
Ｋは、結合定数パラメータである。結合定数パラメータＫは、位相の時間発展に対するＲ（Δθ＾ｉｊ）を含む項の寄与度を決定するパラメータであり、その値は実験的に決定する。
【００８６】
ξ（Ｓｉ（ｔ））は、自ノードｉと他ノードとの相対位相差が小さい場合に、ストレスを蓄積し、蓄積されたストレス値Ｓｉ（ｔ）に応じてランダムな大きさで位相シフト（位相状態変化）を実行する働きをする項である。蓄積ストレス算出手段２４及びストレス応答関数値算出手段２５がξ（Ｓｉ（ｔ））によりストレス応答関数値を求める。
【００８７】
ξ（Ｓｉ（ｔ））の関数形の具体例としては、種々の方法を適用できる、例えば特許文献１〜７などに例示する方法を適用することができる。
【００８８】
例えば、ストレス応答関数ξ（Ｓｉ（ｔ））は、以下の式（１−１０）〜（１−１４）によって規定されるものである。
【数３】
2010154442.tif 000005
【００８９】
式（１−１４）における関数ｓ（ｃｉ（ｔ））は、時刻ｔにおける衝突率ｃｉ（ｔ）に対するストレス値を表す関数である。例えば、衝突率ｃｉ（ｔ）が高いほど、大きなストレス値を示すような特性を備える関数として実現する。一例としては、シグモイド関数などの非線形関数を用いて、衝突率ｃｉ（ｔ）の増大とともに、急激に大きなストレス値を示すような特性を備える関数が挙げられる。
【００９０】
式（１−１４）で定義される関数Ｓｉ（ｔ）は、時刻ｔにおけるストレス値ｓ（ｃｉ（ｔ））を蓄積（時間積分）した値を示す関数である。蓄積する時間区間は、前回、蓄積されたストレス値Ｓｉ（ｔ）に応じてランダムな位相シフトを実行した時刻ｔｓから現在の時刻ｔまでである。つまり、関数Ｓｉ（ｔ）は、ランダムな位相シフトを実行すると、一旦、値がリセットされ、その時刻から再度ストレス値ｓ（ｃｉ（ｔ））を蓄積していく動作を繰り返す。関数Ｓｉ（ｔ）における積分演算は、時間ｔが離散化して与えられる場合、各時刻におけるストレス値ｓ（ｃｉ（ｔ））の総和として計算することができる。蓄積ストレス算出手段２４が、蓄積ストレスＳｉ（ｔ）を算出する。
【００９１】
式（１−１２）、（１−１３）で定義される関数ｑ（Ｓｉ（ｔ））は、蓄積されたストレス値Ｓｉ（ｔ）に応じた確率で乱数値を返す関数である。確率Ｓｉ（ｔ）で値μを返し、確率１−Ｓｉ（ｔ）で値０を返す。値μは、区間ε≦μ＜δ内の乱数であり、値ε及びδは、実験的に決定する定数パラメータである。
【００９２】
ストレス応答関数ξ（Ｓｉ（ｔ））は、蓄積されたストレス値Ｓｉ（ｔ）をｎ周期ごとに評価し、それに応じた確率で乱数値（μ又は０）を返す関数である。ストレス応答関数ξ（Ｓｉ（ｔ））を、ストレス応答関数値算出手段２５が算出する。
【００９３】
従って、非線形振動のモデルに対してストレス応答関数ξ（Ｓｉ（ｔ））を導入することにより、（Ｉ）蓄積されたストレス値Ｓｉ（ｔ）がｎ周期ごとに評価され、（II）その評価値に基づく確率でランダムな位相シフトが実行される、という動作が実現される。つまり、衝突によるストレス値の蓄積が大きい場合ほど、高い確率でランダムな位相シフトが実行されることになる。ｎ周期の整数倍の時刻以外では、ストレス応答関数ξ（Ｓｉ（ｔ））の値は０であり、ランダムな位相シフトは実行されない。ただし、ストレスの蓄積は、前述したようにｎ周期間とは限らず、前回、ランダムな位相シフトを実行した時刻ｔｓから現在の時刻ｔまでであることに注意を要する。これは、例えば、ストレス値ｓ（ｃｉ（ｔ））が小さくても、ｎ周期以上の長時間に渡って持続的に蓄積され続けると、やがてストレス値の蓄積Ｓｉ（ｔ）が大きくなり、ランダムな位相シフトが実行され得ることを意味する。
【００９４】
上記では、ネットワーク１を構成するノード１０の内部構成及びその動作について説明した。各ノード１０が上記のような動作を実行することにより、近傍ノード間には、図５に例示するような通信タイミングが形成される。
【００９５】
（Ａ−１−２）ネットワーク１に新たに追加ノードが参入する際の処理
次に、ネットワーク１に新たにノードが追加された場合の追加ノードにおける動作について説明する。
【００９６】
図１０は、追加ノードにおける通信タイミングの形成処理を示すフローチャートである。
【００９７】
まず、新たなノードがネットワーク１に追加されると（ステップＳ１０１）、追加ノードは、所定周期の間、自ノードの１ホップ範囲内に存在する他ノードから送信されるタイミング信号を受信する（ステップＳ１０２）。この期間において、追加ノードは自ノードのタイミング制御信号を送信しない。
【００９８】
追加ノードでは、他ノードから受信したタイミング制御信号の受信処理により、現在、自ノードの近傍ノード間に形成されている通信タイミングパターンを検知し（ステップＳ１０３）、その周期内に存在する「通信に使用されていない時間区間」を検出する（ステップＳ１０４）。
【００９９】
その後、追加ノードは、この「通信に使用していない時間区間」を用いてタイミング制御信号の送信を開始する（ステップＳ１０５）。
【０１００】
例えば、追加ノードは、「通信に使用していない時間区間」の先頭タイミングで、自ノードのタイミング制御信号を送信する。
【０１０１】
追加ノードがタイミング制御信号の送信を開始後、所定時間、１ホップ範囲内の他ノードからのタイミング制御信号を受信し、近傍ノード間の通信タイミングパターンの変化を観測する（ステップＳ１０６）。
【０１０２】
この通信タイミングパターン変化の観測に係る時間は、例えば実験的に決定することができる。例えば、図３のように、追加ノードＢを送信先とするセンサノードＡが出現することにより、追加ノードＢは、他ノードのデータ信号に対する転送負荷を負うことになる。
【０１０３】
追加ノードでは、通信タイミング計算部１２が、他ノードから受信したタイミング制御信号に付加されている「送信するデータ信号のサイズ」を読み出し、この「送信するデータ信号のサイズ」に応じて、「自ノードがタイミング制御信号、あるいはデータ信号の送信に要する位相幅」を更新する（ステップＳ１０７）。
【０１０４】
追加ノードにおいて、通信タイミング計算部１２が、「自ノードがタイミング制御信号、あるいはデータ信号の送信に要する位相幅」を更新すると、他ノードとの発信衝突が発生しないと判断される時間区間内で、データ信号の送信を開始する（ステップＳ１０８）。
【０１０５】
なお、第１の実施形態では、ネットワークに追加ノードを新たに追加した場合を例示したが、送信経路が変更された場合にも適用することができる。各ノードの動作は、上述した処理と同じ処理を適用することで実現できる。送信経路が変更されたことにより、各ノードにおける転送負荷が大きく変化する場合がある。その場合に、送信経路変更前に比べて、転送負荷が非常に大きくなったノードは、「通信に使用していない時間区間」に、自ノードの位相をシフトさせる。
【０１０６】
このような動作により、タイミング調整がスムーズになり、従来よりも短時間で収束させることが可能になる。また、ネットワーク上におけるデータ信号の送受信を阻害することなく、送信経路を変更することが容易になる。
【０１０７】
（Ａ−２）第１の実施形態の効果
以上のように、第１の実施形態によれば、複数のノードがタイミング制御信号を送受信することによって、自律分散的に通信タイミングの相互調整を行うデータ通信方法において、図５の例に示されるように、近傍ノード間に形成される通信タイミングパターンにおいて、「通信に使用していない時間区間」を周期内の特定箇所に集中させる機能（手段）を備えさせることにより、新たにネットワークに参入する追加ノードが、比較的大きな送信時間区間を必要とする場合においても、タイミング調整がスムーズになり、従来よりも短時間で収束させることが可能になる。その結果、ネットワーク上におけるデータ信号の送受信を阻害することなく、追加ノードをネットワークに参入させることが容易になる。
【０１０８】
（Ｂ）他の実施形態
式（１．１）及び（１．２）で示した演算は、例えば、ルンゲ・クッタ法等の一般的な数値計算法を用いて、ソフトウェアとしてノード上に実装可能である。／レンゲ・クック法は、微分方程式を差分化（連続時間変数ｔを離散化）して得られる差分方程式（漸化式）を用いて状態変数の変化（時間発展）を計算する手法の一つである。また、文献２に開示される形態と同様に、ルンゲ・クッタ浜よりも簡易な他の差分化方法により得られる差分方程式を用いて状態変数の変化を計算することも可能である。さらに、式（１．１）及び（１．２）と同様の動作をする電子回路を構成すれば、ハードウェアとしてノード上に実装することも可能である。
【０１０９】
第１の実施形態では、センサネットワークに本発明を適用した場合を例示したが、例えば、他ノードとの間で相互に無線信号を送受信し合うアドホックネットワーク等にも本発明を適用することができる。
【０１１０】
また、有線接続されたセンサやアクチュエータ、あるいはサーバなど異なる種類のノードが混在するネットワークに適用することも可能である。勿論、有線接続されたノードと、無線接続されたノードとが混在するネットワークに適用することも可能である。
【０１１１】
本発明は、無線系、有線系を問わず、あらゆるネットワークに依存する発信データの衝突や同期の問題に適用可能であり、適応性と安定性を兼ね備えた効率的なデータ通信を実現する通信プロトコルとして利用することが可能である。
【０１１２】
第１の実施形態では、一例として、固有角振動数パラメータωｉがシステム全体で同一の値に統一すると仮定した。しかし、これは本発明を実施する上で必須事項ではない。ノード毎にωｉの値が異なっても動作させることが可能である。例えば、各ノードのωｉの値が、基準値を中心にその近傍でガウス分布などの確率分布に従って小さくばらついていても動作させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１３】
【図１】第１の実施形態におけるノードの内部構成を示す内部構成図である。
【図２】従来の近傍ノード間におけるタイミング制御信号の送受信方法を例示する説明図である。
【図３】既存のネットワークの課題を説明する説明図である。
【図４】従来のノードが形成する通信タイミングパターンを示す説明図である。
【図５】第１の実施形態のノードが形成する通信タイミングパターンを示す説明図である。
【図６】第１の実施形態において通信タイミング計算部が演算に用いる他ノードを説明する位相図及び位相順序関係を示す図である。
【図７】第１の実施形態において、自ノードの位相に対して直前の位相を示す他ノードに適用される自ノードの位相応答特性を説明する説明図である。
【図８】第１の実施形態において、自ノードの位相に対して直後の位相を示す他ノードに適用される自ノードの位相応答特性を説明する説明図である。
【図９】第１の実施形態の通信タイミング計算部の演算処理を機能的に示したブロック図である。
【図１０】第１の実施形態において、ネットワークに新たに参入するノードにおける処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【０１１４】
１…ネットワーク、１０…ノード、１１…タイミング制御信号受信部、
１２…通信タイミング計算部、１３…タイミング制御信号送信部、１４…データ通信部、
２１…仮想位相差算出手段、２２…位相応答関数特性決定手段、２３…位相算出手段、
２４…蓄積ストレス算出手段、２５…ストレス応答関数値算出手段、
３１…直前位相の他ノードの位相応答特性決定部、
３２…直後位相の他ノードの位相応答特性決定部。
【図１】
2010154442.tif 000006
【図２】
2010154442.tif 000007
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010154442.tif 000012
【図８】
2010154442.tif 000013
【図９】
2010154442.tif 000014
【図１０】
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