(57)【要約】【課題】近傍ノード間において獲得されるタイムスロットの大きさがほぼ均等にすることができ、ネットワークの利用効率を上げるようにする。【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のそれぞれに搭載されるものであって、内部で変化される位相の状態に基づいて自ノードからのデータ発信のタイミングを決定する通信タイミング計算手段を備えた通信制御装置であって、通信タイミング計算手段は、近傍ノードのデータ発信のタイミングを表す位相を反映させた近傍ノードからの状態変数信号の受信に基づき、当該発信元ノードに対する仮想的な位相状態を算出する仮想ノード計算部と、近傍ノードの状態変数信号と仮想ノード計算部が算出した仮想的な位相状態とに基づき、予め定められている時間発展規則に従って自ノードの位相の状態を変化させる位相算出部とを備えることを特徴とする。【選択図】      図１
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【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のそれぞれに搭載されるものであって、内部で変化される位相の状態に基づいて自ノードからのデータ発信のタイミングを決定する通信タイミング計算手段を備えた通信制御装置であって、
上記通信タイミング計算手段は、
近傍ノードのデータ発信のタイミングを表す位相を反映させた上記近傍ノードからの状態変数信号の受信に基づき、当該発信元ノードに対する仮想的な位相状態を算出する仮想ノード計算部と、
上記近傍ノードの上記状態変数信号と上記仮想ノード計算部が算出した上記仮想的な位相状態とに基づき、予め定められている時間発展規則に従って自ノードの位相の状態を変化させる位相算出部と
を備えることを特徴とする通信制御装置。
【請求項２】
上記仮想ノード計算部が、上記近傍ノードからの上記状態変数信号の受信の際に、自ノードの位相における上記近傍ノードの位相に対する相対性により、自ノード内部における上記近傍ノードに対する仮想的な位相モデルを生成し、その生成した仮想的な位相モデルを用いて上記近傍ノードに対する仮想的な位相を算出す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】
上記仮想ノード計算部が生成する上記仮想的な位相モデルは、上記近傍ノードに対する仮想的な位相の時間発展が固有角振動数パラメータで決定される一定のリズムで振動する現象を表す数理モデルであ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】
上記仮想ノード計算部が、上記近傍ノードに対する仮想的な位相を算出する際、その仮想的な位相算出動作を１周期実行して、上記生成した仮想的な位相モデルを消滅させることを特徴とする請求項２又は３に記載の通信制御装置。
【請求項５】
上記仮想ノード計算部が、上記近傍ノードに対する仮想的な位相を算出する際、その仮想的な位相算出動作を数周期実行して、上記生成した仮想的な位相モデルを消滅させることを特徴とする請求項２又は３に記載の通信制御装置。
【請求項６】
上記仮想ノード計算部は、上記近傍ノードについて保持している仮想的な位相と上記状態変数信号に基づく上記近傍ノードの位相との位相差に基づいて、新たに上記近傍ノードの仮想的な位相モデルを生成するか若しくは上記近傍ノードの位相を修正するかを選択することを特徴とする請求項５に記載の通信制御装置。
【請求項７】
上記近傍ノードから受信した上記状態変数信号が有するノード識別情報を検出するノード識別情報検出手段を備え、
上記仮想ノード計算部が、上記ノード識別情報検出部が検出したノード識別情報に上記近傍ノードの仮想的な位相モデルを対応付けて管理することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の通信制御装置。
【請求項８】
上記通信タイミング計算手段が、
自ノードと近傍ノードとの位相差を観測し、その位相差に基づいて、自ノードからのデータ発信のタイミングと近傍ノードからのデータ発信のタイミングとの衝突率を算出する衝突率算出部と、
衝突率に応じたストレス値を時間的に蓄積し、蓄積されたストレス値に応じて、上記位相算出部が用いている時間発展規則にランダムな大きさの位相をシフト生起させるストレス応答関数値生成部と、
位相応答関数の特性を衝突率に応じて変化させる位相応答関数特性決定部と
を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の通信制御装置。
【請求項９】
通信システムを構成する複数のノードのそれぞれに搭載される、内部で変化される位相の状態に基づいて自ノードからのデータ発信のタイミングを決定する通信タイミング計算工程を備えた通信制御方法であって、
上記通信タイミング計算工程は、
近傍ノードのデータ発信のタイミングを表す位相を反映させた上記近傍ノードからの状態変数信号の受信に基づき、当該発信元ノードに対する仮想的な位相状態を算出する仮想ノード計算サブ工程と、
上記近傍ノードの上記状態変数信号と上記仮想ノード計算部が算出した上記仮想的な位相状態とに基づき、予め定められている時間発展規則に従って自ノードの位相の状態を変化させる位相算出サブ工程と
を備えることを特徴とする通信制御方法。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれかに記載の通信制御装置を有することを特徴とするノード。
【請求項１１】
請求項１０に記載のノードを複数配置して有す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、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、空間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なう場合において、電波干渉等による通信データの衝突を回避する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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）。
【０００３】
しかし、ＴＤＭＡ方式の場合、タイムスロットの割り当てを行なう集中管理ノード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ために、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（特願２００３−３２８５３０号、特願２００４−２５７５６２号、特願２００４−２５７５６７号）。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
また、上記提案されている技術では、インパルス信号を用いてノード間の相互作用が離散的な形態だけでなく、ノード間の相互作用が連続的な形態についても示されている。この形態は、ノード間において、位相信号を連続的に送受信することによって適切に位相関係を形成し、自律分散的なタイムスロットの獲得を実現する。
【非特許文献１】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
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上記技術を用いた場合、次の問題が生じるおそれがある。各ノードにおけるインパルス信号を発信するタイミングの調整動作は他ノードからインパルス信号を受信したタイミングだけでしか機能しない。つまり、調整機能は離散的な時刻にしか働かない。このため、位相信号を用いた連続的な相互作用形態に比べて適切な位相関係を形成する性能が低下し、近傍ノード間において獲得されるタイムスロットの大きさが均等になりにくい。その結果、ネットワークの利用効率が低下するという問題が生じるおそれがある。
【０００８】
そのため、近傍ノード間において獲得されるタイムスロットの大きさがほぼ均等にすることができ、ネットワークの利用効率を上げることができる、通信制御装置、通信制御方法、ノード及び通信システムが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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ドのそれぞれに搭載されるものであって、内部で変化される位相の状態に基づいて自ノードからのデータ発信のタイミングを決定する通信タイミング計算手段を備えた通信制御装置であって、通信タイミング計算手段は、近傍ノードのデータ発信のタイミングを表す位相を反映させた近傍ノードからの状態変数信号の受信に基づき、当該発信元ノードに対する仮想的な位相状態を算出する仮想ノード計算部と、近傍ノードの状態変数信号と仮想ノード計算部が算出した仮想的な位相状態とに基づき、予め定められている時間発展規則に従って自ノードの位相の状態を変化させる位相算出部とを備えることを特徴とする。
【００１０】
また、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のそれぞれに搭載される、内部で変化される位相の状態に基づいて自ノードからのデータ発信のタイミングを決定する通信タイミング計算工程を備えた通信制御方法であって、通信タイミング計算工程は、近傍ノードのデータ発信のタイミングを表す位相を反映させた近傍ノードからの状態変数信号の受信に基づき、当該発信元ノードに対する仮想的な位相状態を算出する仮想ノード計算サブ工程と、近傍ノードの状態変数信号と仮想ノード計算部が算出した仮想的な位相状態とに基づき、予め定められている時間発展規則に従って自ノードの位相の状態を変化させる位相算出サブ工程とを備えることを特徴とする。
【００１１】
さらに、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備えることを特徴とする。
【００１２】
また、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配置して有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
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によれば、集中管理サーバにより通信タイミングの指示されることなく、自律分散的にデータ発信タイミングを調整することができると共に、近傍ノード間において獲得されるタイムスロットの大きさがほぼ均等にすることができ、ネットワークの利用効率を上げることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
（Ａ）第１の実施形態
以下、本発明による通信制御装置、通信制御方法、ノード及び通信システムの第１の実施形態を、図面を参照しながら詳述する。
【００１５】
（Ａ−１）第１の実施形態のノード
図２は、各ノード１０の構成を示す機能ブロック図である。図２において、ノード１０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、同調判定手段１４、データ通信手段１５及びセンサ１６を有する。なお、通信制御装置としては、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及び同調判定手段１４が構成要素となっている。
【００１６】
インパルス信号受信手段１１は、近傍ノード（例えば、その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を入力インパルス信号Ｓｉｎ１１として受信するものである。ここで、インパルス信号は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。受信インパルス信号Ｓｐｒ１１は、入力インパルス信号Ｓｉｎ１１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。
【００１７】
通信タイミング計算手段１２は、その詳細は後述するが、受信インパルス信号Ｓｐｒ１１に基づいて、当該ノードでの通信タイミングを規定する位相信号Ｓｐｒ１２を形成して出力するものである（なお、受信インパルス信号Ｓｐｒ１１がない場合であっても位相信号Ｓｐｒ１２を形成して出力する）。ここで、当該ノードｉの位相信号Ｓｐｒ１２の時刻ｔでの位相値をθｉ（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Ｓｐｒ１１に基づいて、後述するように、位相信号Ｓｐｒ１２（＝θｉ（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Ｓｏｕｔ１１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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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（２）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。
【００２１】
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Ｓｏｕｔ１１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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
また、通信タイミング計算手段１２は、得られた位相信号Ｓｐｒ１２（＝θｉ（ｔ））を、インパルス信号送信手段１３、同調判定手段１４及びデータ通信手段１５に出力する。
【００２５】
インパルス信号送信手段１３は、位相信号Ｓｐｒ１２に基づいて、出力インパルス信号Ｓｏｕｔ１１を送信する。すなわち、位相信号Ｓｐｒ１２が所定の位相α（０≦α＜２π）になると、出力インパルス信号Ｓｏｕｔ１１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Ｓｐｒ１２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Ｓｏｕｔ１１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Ｓｏｕｔ１１の送信タイミングとはπだけずれている。
【００２６】
同調判定手段１４は、自ノードや１又は複数の近傍ノードの間で行われる出力インパルス信号Ｓｏｕｔ１１の送信タイミングの相互調整が、「過渡状態」（図３（ｂ）、図４（ｂ）参照）あるいは「定常状態」（図３（ｃ）、図４（ｃ）参照）のいずれの状態にあるかを判定するものである。同調判定手段１４は、受信インパルス信号Ｓｐｒ１１（他ノードの出力インパルス信号Ｓｏｕｔ１１に対応する）及び出力インパルス信号Ｓｏｕｔ１１の発生タイミングを観測し、インパルス信号を授受し合う複数のノードの発生タイミング間の時間差が時間的に安定している場合に「定常状態」であると判定する。なお、この実施形態の場合には、同調判定手段１４には、自ノードからの出力インパルス信号Ｓｏｕｔ１１の発生タイミングを捉えるための信号として、出力インパルス信号Ｓｏｕｔ１１に代えて、位相信号Ｓｐｒ１２が入力されている。
【００２７】
同調判定手段１４は、例えば、以下の（ａ）〜（ｄ）のような処理を実行して同調判定を行なう。
【００２８】
（ａ）受信インパルス信号Ｓｐｒ１１の発生タイミングにおける位相信号Ｓｐｒ１２の値βを、位相信号Ｓｐｒ１２の１周期に亘って観測する。ここでは、上記の観測を行った結果、得られる位相信号Ｓｐｒ１２の値βをそれぞれ、β１，β２，…，βＮ（０＜β１＜β２＜…＜βＮ＜２π）とする。
【００２９】
（ｂ）観測された位相信号Ｓｐｒ１２の値βに基づいて、隣接値間の差（位相差）△１＝β１，△２＝β２−β１，…，△Ｎ＝βＮ−β（Ｎ−１）を算出する。
【００３０】
（ｃ）上記（ａ）及び（ｂ）の処理を位相信号Ｓｐｒ１２の周期単位に行い、相前後する周期における位相差△の変化量（差分）γ１＝△１（τ+１）−△１（τ），γ２＝△２（τ+１）−△２（τ），…，γＮ＝△Ｎ（τ+１）−△Ｎ（τ）を算出する。ここで、τは、位相信号Ｓｐｒ１２のある周期を示しており、τ＋１は、位相信号Ｓｐｒ１２のその次の周期を示している。
【００３１】
（ｄ）上述の変化量γが、いずれも微小パラメータ（閾値）εよりも小さい場合、すなわち、γ１＜ε，γ２＜ε，…，γＮ＜εの場合に、「定常状態」であると判定する。
【００３２】
なお、γ１＜ε，γ２＜ε，…，γＮ＜εという条件がＭ周期にわたって満足される場合を定常状態と判定するようにしても良い。Ｍの値を大きくするほど、より安定性の高い状態で「定常状態」と判定できる。また、一部の受信インパルス信号Ｓｐｒ１１に基づいて、「定常状態」の判定を行っても構わない。
【００３３】
同調判定手段１４は、位相信号Ｓｐｒ１２の周期毎に、判定結果を示す同調判定信号Ｓｐｒ１３と、受信インパルス信号Ｓｐｒ１１の発生タイミングにおける位相信号Ｓｐｒ１２の値βの最小値β１をスロット信号Ｓｐｒ１４としてデータ通信手段１５に出力する。
【００３４】
なお、最小値β１をスロット信号Ｓｐｒ１４として出力するようにしたのは、上述したように、α＝０としていることと関係しており、αの値の選定によっては、スロット信号Ｓｐｒ１４に適用するβの値は変化する。
【００３５】
当該ノード１０は、他のノードから受信したデータを中継して送信する機能と、自己を送信元とするデータ送信機能とを有している。
【００３６】
センサ１６は、後者の場合の一例として書き出したものであり、例えば、音や振動の強度、化学物質の濃度、温度など、物理的又は化学的な環境情報Ｓｉｎ１３を検知して観測データＳｐｒ１５をデータ通信手段１５に出力するものである。
【００３７】
また、前者の場合には、データ通信手段１５に、近傍ノードが送信したデータ信号（出力データ信号Ｓｏｕｔ１２）が入力データ信号Ｓｉｎ１２として受信される。
【００３８】
データ通信手段１５は、観測データＳｐｒ１５及び又は入力データ信号Ｓｉｎ１２（両方の場合を含む）を出力データ信号Ｓｏｕｔ１２として他ノードに送信するものである。データ通信手段１５は、この送信を、同調判定信号Ｓｐｒ１３が「定常状態」を示す場合に、後述するタイムスロット（システムなどが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）で行ない、同調判定信号Ｓｐｒ１３が「過渡状態」を示す場合には送信動作を停止している。なお、出力データ信号Ｓｏｕｔ１２は、出力インパルス信号Ｓｏｕｔ１１と同一周波数帯で送信周波数とするものであっても良い。
【００３９】
タイムスロットは、位相信号Ｓｐｒ１２の位相θｉ（ｔ）がδ１≦θｉ（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、出力インパルス信号Ｓｏｕｔ１１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Ｓｐｒ１２の周期毎の最初の受信インパルス信号Ｓｐｒ１１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１０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。δ１及びδ２は、例えば、ノード１０の設置状況下で実験的に決定する。
【００４０】
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θｉが０から出力インパルス信号Ｓｏｕｔ１１を送信し始め、位相θｉがδ１になる前に、出力インパルス信号Ｓｏｕｔ１１の送信を終了させておき、位相θｉがδ１から出力データ信号Ｓｏｕｔ１２を送信し始め、位相θｉがβ１−δ２になると（但しβ１≒π）、出力データ信号Ｓｏｕｔ１２の送信が終了させ、それ以降、位相θｉが再び０になるまで、出力インパルス信号Ｓｏｕｔ１１の送信も出力データ信号Ｓｏｕｔ１２の送信も停止させる。他方のノードｊも、位相θｊに基づいて同様な動作を実行するが、位相θｉと位相θｊ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。
【００４１】
（Ａ−２）通信タイミング計算手段１２の詳細
続いて、上述した通信タイミング計算手段１２の詳細な構成について図面を参照して説明する。
【００４２】
通信タイミング計算手段１２は、上述したように、出力インパルス信号Ｓｏｕｔ１１を決定するための計算を行なうものである。
【００４３】
図１は、通信タイミング計算手段１２の詳細構成の機能ブロック図である。図１において、通信タイミング計算手段１２は、位相算出手段３１、衝突率算出手段３２、蓄積ストレス算出手段３３、ストレス応答関数値算出手段３４、位相応答関数特性決定手段３５、仮想ノードモデル計算手段３６を有する。
【００４４】
まず、以下では、仮想ノードモデル計算手段３６について図１及び図５を参照して説明する。
【００４５】
仮想ノードモデル計算手段３６は、近傍ノード（他ノード）が出力した出力インパルス信号Ｓｏｕｔ１１を入力インパルス信号Ｓｉｎ１１として受信した受信インパルス信号Ｓｐｒ１１を受け取り、その受信する際に、近傍ノードに対する仮想的な位相状態を生成するものである。また、仮想ノードモデル計算手段３６は、生成した近傍ノードに対する仮想的な位相状態を、位相算出手段３１に与えるものである。このように、仮想ノードモデル計算手段３６が近傍ノードに対する仮想的な位相を生成することにより、通信タイミング計算手段１２において、近傍ノードに対する位相状態を用いた連続的な相互作用を擬似的に実現する計算をすることができる。
【００４６】
図５は、仮想ノードモデル計算手段３６の内部構成を示す機能ブロック図である。図５に示すように、仮想ノードモデル計算手段３６は、仮想位相モデル生成手段４１、仮想位相計算手段４２を有する。
【００４７】
仮想位相モデル生成手段４１は、他ノードｊから受信した受信インパルス信号Ｓｐｒ１１を受け取り、その受信の際に、その発信元ノードｊに対する仮想的な位相状態モデル（位相モデル）を生成するものである。また、仮想位相モデル生成手段４１は、生成した他ノードｊに対する仮想的な位相モデルを仮想位相計算手段４２に与えて追加するものである。なお、仮想位相モデル生成手段４１は、受信インパルス信号の受信するたびに、当該発信元ノードｊに対する仮想的な位相モデルを生成するものとする。
【００４８】
ここで、仮想的な位相モデルとは、仮想位相モデル生成手段４１が他ノードｊの位相状態を仮想的に計算する数理モデルを意味する。最も簡単な場合の例は、次のように与えられる。
【数１】
2006157441.tif 000003
【００４９】
ここで、Θｉｊ（なお、以下において「Θ」は仮想を示す記号とする。）は、自ノードｉ内部で生成される他ノードｊに対する仮想的な位相状態（位相信号）を表す。そのとり得る値は、０≦Θｉｊ＜２πとする。また、Ωｉｊ（以下、「Ω」は仮想を示す記号とする。）、自ノードｉにおける他ノードｊに対する仮想的な位相モデルの固有角振動数パラメータ（以後、仮想固有角振動数パラメータと呼ぶ）を表す。仮想固有角振動数パラメータΩｉｊは、最も簡単な場合の例として、後述する自ノードｉの固有角振動数パラメータωｉと同一の値を設定すればよい。但し、この場合、予め各ノードの固有角振動数パラメータωｉを、システム全体で同一の値にしておくものと仮定する。ｄ/ｄｔは、微分演算を表す記号である。
【００５０】
（１）式は、他ノードｊに対する仮想的な位相Θｉｊが、仮想固有角振動数パラメータΩｉｊで与えられる一定のリズムで振動する現象を表す数理モデル（時間発展規則）を用いて算出されることを意味する。
【００５１】
ここで、仮想的な位相Θｉｊを算出する際の初期位相（初期値）は、予め各ノードがインパルス信号を位相Ψ（上記インパルス信号送信手段１３の構成で説明したαに相当する。）で発信することに統一しておけば、同一の値をΨとして設定すればよい。なお、本実施形態における以後の説明では、位相Ψ＝０で統一されているものと仮定する。このような仮定をしても一般性を失うものではない。
【００５２】
（１）式に示した演算は、微分方程式を差分化（連続時間変数ｔで離散化）して得られる差分方程式（漸化式）を用いて、ソフトウェアとしてノード１０上に実装可能である。さらに、（１）式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１０上に実装することも可能である。
【００５３】
仮想位相計算手段４２は、上記のようにして、仮想位相モデル生成手段４１が生成した他ノードｊ（１，２，…，Ｎ＾）に対する仮想的な位相モデルを、仮想位相モデル生成手段４１から受け取り、複数の他ノードｊに対する仮想的な位相モデルに基づいて、他ノードｊに対する仮想的な位相状態（位相）を算出するものである。また、仮想位相計算手段４２は、算出した他ノードｊに対する仮想的な位相を位相算出手段３１に与えるものである。
【００５４】
また、上述したように、仮想位相モデル生成手段４１は、他ノードｊからインパルス信号を受信するたびに、その発信元ノードｊに対する仮想的な位相モデルを生成するものである。この動作だけでは、時間を追う毎に他ノードｊに仮想的な位相モデルが次々と重複して生成されることになる。そこで、本実施形態の仮想位相計算手段４２は、仮想位相モデル生成手段４１から受け取った仮想的な位相モデルを１周期で消滅させるものとする。すなわち、仮想的な位相Θｉｊの時間発展は、初期位相０で動作を開始し、位相２πに至る動作を終了する。１周期の動作終了後は、他ノードｊに対する仮想的な位相Θｉｊは消滅する。他ノードｊは周期的にインパルス信号を発信しているので、他ノードｊに対する仮想的な位相モデルは１周期で消滅しても、次に他ノードｊからインパルス信号を受信したタイミングで、仮想的な位相モデルは再生成される。これは、他ノードｊの実際の位相と、自ノード内部における他ノードｊに対する仮想的な位相Θｉｊとの差を１周期単位にリセットして、その差が拡大するのを抑制する効果を持つ。
【００５５】
このように、他ノードｊに対する仮想的な位相モデルの動作（位相状態の時間発展）を１周期単位に更新（消滅と生成とに対応）することにより、自ノード内部に他ノードｊに対する位相状態を擬似的に生成することができる。
【００５６】
図１に戻り、通信タイミング計算手段１２の他の内部機能について説明する。通信タイミング計算手段１２は、発信タイミングを決定するための計算を、例えば、（２）、（３）式のような非線形振動をモデル化した数式を用いて行なう。
【数２】
2006157441.tif 000004
【００５７】
（２）、（３）式は、受信インパルス信号Ｓｐｒ１１（相互作用範囲に存在する他ノードが発信した出力インパルス信号を受信することによって得られる信号）の入力に応じて、自ノード（ノードｉ）の非線形振動のリズムを時間的に変化させる規則（時間発展規則）を表す方程式である。
【００５８】
以下、（２）、（３）式の各部分について説明する。（２）、（３）式において、変数ｔは時間を表し、関数θｉ（ｔ）は、時刻ｔにおける自ノードの非線形振動に対する位相を表す。関数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。
【００５９】
また、△Θｉｊ（ｔ）は、（３）式に示すように、他ノードｊに対する仮想的な位相Θｊ（ｔ）から自ノードｉの位相θｉ（ｔ）を引くことにより得られる位相差である。但し、位相差ΔΘｉｊ（ｔ）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≦ΔΘｉｊ＜２πの値をとるものとする。
【００６０】
ωｉは、固有角振動数パラメータであり、各ノードが備える基本的リズムを表す。ここでは、一例として、ωｉの値を予めシステム全体で同一の値に統一しておくものとして仮定する。
【００６１】
関数Ｒ（△Θｉｊ（ｔ））は、位相差ΔΘｉｊ（ｔ）に応じて自ノードｉの振動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る。位相応答関数Ｒ（ΔΘｉｊ（ｔ））は、他ノードｊの仮想的な位相Θｉｊ（ｔ）に対して、自ノードの位相θｉ（ｔ）を反発する方向に変化（斥力が働く方向に変化）させる非線形特性を有する。位相応答関数Ｒ（ΔΘｉｊ（ｔ））を含む項のＮ＾ｉは時刻ｔにおける仮想的な位相モデルの総数を示し、Ｋは結合定数パラメータを表す。ここで、結合定数パラメータＫとは、位相の時間発展に対する関数Ｒ（ΔΘｉｊ（ｔ））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される。
【００６２】
関数ξ（Ｓｉ（ｔ））は、自ノードｉと他ノードｊ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。ここで、相対位相差とは次のように定義される量である。
【数３】
2006157441.tif 000005
【００６３】
すなわち、関数ξ（Ｓｉ（ｔ））は、蓄積されたストレス値Ｓｉ（ｔ）に対する応答特性を表現する関数である。以下では、この関数ξ（Ｓｉ（ｔ））をストレス応答関数という。
【００６４】
第１の実施形態は、集中管理ノードが存在しなくても、各ノードが近傍ノードと相互作用し、非線形振動を表現するモデルに従っている位相信号を変化させることによって、自律分散的にタイムスロットの割り当てを決定できることに特徴を有し、また、自ノードと近傍ノードとの相対位相差が非常に小さい状態であっても定常状態として安定化してしまうノードが発生するような自体を避けるべく、非線形振動を表現するモデルにストレス応答関数ξ（Ｓｉ（ｔ））を導入した。
【００６５】
次に、本実施形態における位相応答関数Ｒ（ΔΘｉｊ（ｔ））とストレス応答関数ξ（Ｓｉ（ｔ））の具体例を説明するが、その前にこれら関数に関連する用語、（ア）「データ発信の衝突」、（イ）「衝突率（衝突時間を基準とする場合）」、（ウ）「衝突率（衝突回数を基準とする場合）」について説明する。
【００６６】
（ア）「データ発信の衝突」
（ア−１）  各ノードがデータの発信を行なうために最低限必要なタイムスロットの大きさＷｍｉｎに対応する位相幅をφｃとする。位相幅φｃは、Ｗｍｉｎと固有振動数パラメータωｉの積（φｃ＝Ｗｍｉｎ・ωｉ）として算出することができる。また、Ｗｍｉｎは、用途等に応じて決まる定数パラメータである。
【００６７】
（アー２）  各ノードにおいて、インパルス信号を受信可能な空間的距離範囲に存在する近傍ノードとの相対位相差が、上記位相幅φｃよりも小さい場合は「データ発信の衝突が生起している」ものとする。複数の受信インパルス信号Ｓｐｒ１１に対して、１つでも相対位相差が位相幅φｃよりも小さいものが存在する場合は衝突が生起しているものとする。
【００６８】
（イ）「衝突率（衝突時間を基準とする場合）」の算出方法の一例
自ノード（ノードｉ）において、時刻ｔにデータ発信の衝突が生起しているか否かを表す関数として、関数ｘｉ（ｔ）を（６）式に示すように定義する。
【数４】
2006157441.tif 000006
【００６９】
関数ｘｉ（ｔ）は、時刻ｔに衝突が生起しているとき（collision）に１、そうでないとき（else）に０の値を取る関数である。すると、ｎ周期間における累積衝突時間ｙｉ（ｔ）は、（７）式に示すように、関数ｘｉ（ｔ）の値をｎ周期に渡って累積（時間積分）することによって得られる。（７）式において、Ｔｉはノードｉの周期を表す。累積衝突時間ｙｉ（ｔ）は、ｎ周期間において関数ｘｉ（ｔ）が１の値を取る時間の総和を表し、関数ｘｉ（ｔ）の値を観測することによって算出することができる。
【００７０】
このような累積衝突時間ｙｉ（ｔ）を最大累積衝突時間で規格化した値ｃｉ（ｔ）は、ｎ周期間に生起した衝突の時間的な割合を表し、これを衝突率と定義する。ここで、最大累積衝突時間は、累積衝突時間ｙｉ（ｔ）の最大値である。各ノードが、大きさＷｍｉｎ（＝φｃ／ωｉ）のタイムスロットを用いて発信を行なうと仮定すると、ｎ周期間における累積衝突時間の最大値は、ｎ・Ｗｍｉｎ（＝ｎ・φｃ／ωｉ）となる。従って、衝突率ｃｉ（ｔ）は、（８）式を用いて算出することができる。
【００７１】
但し、各ノードの位相θが（２）式に従って変化するため、周期Ｔｉは、毎周期ごとに異なる値を取り得る。このため、累積衝突時間ｙｉ（ｔ）が、最大累積衝突時間ｎ・Ｗｍｉｎを超える場合、すなわち、衝突率ｃｉ（ｔ）が１を超える場合が発生し得る。ここでは、衝突率ｃｉ（ｔ）が１を超える場合は、１として扱うものとする。
【００７２】
上記の衝突率の定義では、一例として、同時に複数の衝突が生起しているか否かを考慮しない形態を示した。しかし、衝突率の定義方法は、上記の方法に限定されないものである。例えば、同時に複数の衝突が生起している場合を考慮する方法を用いることも可能である。また、上記の衝突率の定義では、衝突時間を基準に衝突率を算出したが、衝突回数を基準に衝突率を算出することも可能である。
【００７３】
（ウ）「衝突率（衝突回数を基準とする場合）」の算出方法の一例
（Ｓ１）１周期単位に衝突が生起したか否かを観測する。但し、１周期内に衝突が複数回生起した場合においても、衝突の有無だけを問題にするものとし、カウントを１とする。
【００７４】
（Ｓ２）ｎ周期間に生起した衝突回数、すなわち、累積衝突数γをカウントする。
【００７５】
（Ｓ３）そして、累積衝突数γを最大累積衝突数（ｎ周期間に生起し得る最大衝突回数ｎ）で規格化した値を衝突率と定義する。すなわち、衝突率ｃｉ（ｔ）を、次の（９）式によって定義し、（９）式を用いて、衝突率を算出する。
【００７６】
ｃｉ（ｔ）＝γ／ｎ    …（９）
（９）式の定義式を用いて衝突率を算出する場合においても、（８）式の場合と同様に、衝突率が１を超える場合が発生し得る。衝突率が１を超える場合は、１として扱うものとする。また、上記の衝突率の定義では、一例として、１周期内における複数回の衝突を考慮しない形態（衝突の有無だけを問題にする形態）を示したが、これを考慮する形態を用いることも可能である。
【００７７】
以上の（イ）及び（ウ）の項で説明した衝突率の定義（衝突時間を基準とする場合、及び、衝突回数を基準とする場合）は、衝突時間や衝突回数を一般化して衝突量と呼ぶことにすると、次のように表現することができる。
【００７８】
ｎ周期間における累積衝突量を観測し、それを最大累積衝突量（ｎ周期間に生起し得る最大衝突量）で規格化した値を衝突率と定義する。
【００７９】
図１における衝突率算出手段３２は、（８）式又は（９）式で定義された衝突率ｃｉ（ｔ）を算出するものである。
【００８０】
次に、位相算出手段３１が内部で算出処理している位相応答関数Ｒ（ΔΘｉｊ（ｔ））の具体例とその機能を説明する。
【００８１】
（２）式は、上述したように、受信インパルス信号Ｓｐｒ１１の入力に応じて、自ノード（ノードｉ）の非線形振動のリズムを時間的に変化させる規則（時間発展規則）を表す方程式である。ここで、受信インパルス信号Ｓｐｒ１１は、近傍ノードｊが発信した出力インパルス信号Ｓｏｕｔ１１に対応する。各ノードが（２）式に基づいて動作することにより、近傍ノード間において相互に安定な位相差を形成しようとする。その際、第１の実施形態では、位相応答関数Ｒ（ΔΘｉｊ（ｔ））の特性を、衝突率ｃｉ（ｔ）の変化に応じて変化させる。図１における位相応答関数特性決定手段３５は、衝突率ｃｉ（ｔ）に応じて位相応答関数Ｒ（ΔΘｉｊ（ｔ））の特性を変化させる動作を実行する（すなわち、後述する（１１）式の動作を実行する）。
【００８２】
第１の実施形態の位相応答関数Ｒ（ΔΘｉｊ（ｔ））の具体例は、（１０−１）式〜（１０−４）式及び（１１）式で与えられる。
【数５】
2006157441.tif 000007
【００８３】
（１０−１）式〜（１０−４）式及び（１１）式は、近傍ノード間において均等な位相差が形成されるようにした位相応答関数Ｒ（ΔΘｉｊ（ｔ））である。上式において、ｐは均等な位相差を決定する定数パラメータである。均等な位相差が、１周期をｐ分割した時間に対応する位相幅２π／ｐになるように定められている。ｐの最適な値は、ノードの配置状態等により変化するため、実験的に決定する。位相幅２π／ｐは、データ発信に最低限必要な位相幅φｃ以上の値を取る（２π／ｐ≧φｃ）。また、α及びｂは定数パラメータであり、その値はｐと同様に実験的に決定する。
【００８４】
但し、位相応答関数Ｒ（ΔΘｉｊ（ｔ））の関数形は上記のものに限定されないことは勿論である。自ノードと近傍ノードとの相対位相差を、衝突率ｃｉ（ｔ）の値に応じて変化させる関数は、種々の形態（関数形）を用いて実現可能である。
【００８５】
次に、蓄積ストレス算出手段３３及びストレス応答関数値算出手段３４の順次の算出処理によって求められるストレス応答関数ξ（Ｓｉ（ｔ））の具体例とその機能とを説明する。
【００８６】
ストレス応答関数ξ（Ｓｉ（ｔ））は、例えば、以下の（１２−１）式、（１２−２）式、（１３−１）式、（１３−２）式及び（１４）式によって規定されるものである。
【数６】
2006157441.tif 000008
【００８７】
（１４）式における関数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。
【００８８】
（１４）式で定義される関数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３３が、蓄積ストレスＳｉ（ｔ）を算出する。
【００８９】
（１３−１）式又は（１３−２）式で定義される関数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。
【００９０】
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３４が算出する。
【００９１】
従って、上述した（２）式に示すように、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。但し、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。
【００９２】
位相算出手段３１は、ストレス応答関数値ξ（Ｓｉ（ｔ））を適用しながら、（１）式によって定まる位相θｉ（ｔ）を算出する。
【００９３】
なお、以上のような演算を適宜実行する通信タイミング計算手段１２を、ソフトウェアによって実現しても良く、また、演算を実行する電子回路群によるハードウェアによって実現しても良く、さらには、ソフトウェアとハードウェアとを混在させて実現しても良い。
【００９４】
また、例えば、（２）式で示した演算の実行手段は、文献２「戸川隼人著、「ＵＮＩＸワークステーションによる科学技術計算ハンドブック―基礎篇Ｃ言語版」、サイエンス社発行」に開示されるルンゲ・クッタ法などの一般的なソフトウェアとしてノード上に実装することができる。ルンゲ・クッタ法は、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、同文献に開示される形態と同様に、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。
【００９５】
また、特願２００４−２５７５６２号及び特願２００４−２５７５６７号の第１の実施形態においても、相互作用信号としてインパルス信号を用い、非線形振動をモデル化した数式に基づく動作によって通信タイミング制御を実現する方法が開示されている。しかし、これらの方法では、自ノードと他ノードとの位相差（位相関係）に応じて自ノードの振動リズムを変化させる機能（位相関係調整機能）が、他ノードからインパルス信号を受信したタイミングだけでしか働かない。つまり、他ノードからインパルス信号を受信した離散的な時間にしか位相関係調整機能は働かない。
【００９６】
それに対して、本発明では、他ノードからインパルス信号を受信した際に、その発信元ノードに対する仮想的な位相モデルを自ノード内部に生成する。この仮想的な位相モデルを用いて擬似的に他ノードの位相を算出し、自ノードと他ノードとの位相差を時間連続的に観測可能とする。これにより、自ノードと他ノードとの位相差（位相関係）に応じて自ノードの振動リズムを変化させる機能（位相関係調整機能）を、時間連続的に働かせることが可能となる。
【００９７】
その結果、近傍ノード間において最適な位相関係を形成する動作が、現在の位相関係をリアルタイムに反映したスムーズな調整動作となり、それぞれのノードが獲得するタイムスロットの大きさをほぼ均等にすることが可能になる。
【００９８】
（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、複数のノードがインパルス信号を送受信することによって自律分散的にタイムスロット割り当ての相互調整を行なうデータ通信方法において、通信タイミング計算手段の構成に対して、仮想ノードモデル計算手段を新たに導入することにより、近傍ノード間において適切な位相関係を形成する動作が、現在の位相関係をリアルタイムに反映したスムーズな連続調整過程となり、それぞれのノードが獲得するタイムスロットの大きさをほぼ均等にすることが可能になる。その結果、ネットワークの利用効率の低下を抑制し、個々のノードが多くのトラフィックを発生する状況においても効率的な通信を行なうことが可能になる。
【００９９】
（Ｂ）第２の実施形態
次に、本発明による通信制御装置、通信制御方法、ノード及び通信システムの第２の実施形態を、図面を参照しながら詳説する。
【０１００】
（Ｂ−１）第２の実施形態のノード
第１の実施形態では、インパルス信号の受信エラーが発生する状況について何ら考慮しない場合について説明した。一方、インパルス信号の発信に電波等（無線通信）を用いる場合、通常、ノード間の距離に応じた確率で受信エラーが発生する。そのため、電波等を用いてインパルス信号を通信するシステムに第１の実施形態を適用した場合、インパルス信号の受信エラーが発生すると、他ノードに対する仮想的な位相モデルが生成されない場合が起こりうる。そうすると、近傍ノード間において適切な位相関係を形成する機能が充分に発揮できず、その結果、第１の実施形態の効果が奏す必要な性能が大きく低下する場合がある。
【０１０１】
そこで、第２の実施形態では、上記のようなインパルス信号の受信エラーが発生する状況に対しても対応可能にする方法について説明する。
【０１０２】
第１の実施形態と第２の実施形態とが異なる構成上の違いは、図１における仮想ノードモデル計算手段の構成だけである。仮想ノードモデル計算手段以外の部分の構成及び動作は、第１の実施形態と同様であるから詳細な説明は省略する。
【０１０３】
（Ｂ−２）仮想ノードモデル計算手段の詳細
第２の実施形態の仮想ノードモデル計算手段３６は、第１の実施形態と同様に、他ノードｊからの受信インパルス信号Ｓｐｒ１１を受け取り、他ノードｊに対する仮想的な位相モデルを生成して、擬似的に他ノードｊの位相を算出するものである。しかし、第２の実施形態の仮想ノードモデル計算手段３６が、第１の実施形態と異なる点は、他ノードｊの位相を算出する方法が第１の実施形態と異なる。
【０１０４】
図６は、第２の実施形態の仮想ノードモデル計算手段３６の内部構成を示す機能ブロック図である。図６において、第２の実施形態の仮想ノードモデル計算手段３６は、仮想位相モデル生成判定手段５１、仮想位相計算手段５２を有する。
【０１０５】
仮想位相モデル生成判定手段５１は、他ノードｊからインパルス信号Ｓｐｒ１１を受信した際に、以下に示すような方法により、他ノードｊに対する位相モデルを生成する。なお、本実施形態では、各ノードはインパルス信号を位相Ψ（例えば、位相Ψ＝０）で発信することに予め統一されていると仮定する。
【０１０６】
（ａ）後述する仮想位相計算手段５２により算出される他ノードｊ（ｊ＝１，２，…，Ｎ＾ｉ）に対する仮想的な位相Θｉｊ（ｔ）と位相Ψとの相対位相差δ＾ｉｊ（ｔ）を算出する。ここで、Ｎ＾ｉは、インパルス信号を受信した時刻ｔにおけるノードｉ内部の仮想的な位相モデルの総数である。また、相対位相差δ＾ｉｊ（ｔ）は、下記式を用いて算出する。
【０１０７】
（ｂ）上記（ａ）により得られる相対位相差δ＾ｉｊ（ｔ）（ｊ＝１，２，…，Ｎ＾ｉ）の最小値を算出する。また、相対位相差δ＾ｉｊ（ｔ）の最小値を与える仮想的な位相モデルの番号ｕ（ｕは、１，２，…，Ｎ＾ｉのいずれかの番号）を検出する。
【０１０８】
（ｃ）上記（ｂ）により得られる相対位相差の最小値が追加判定パラメータ（閾値）ｅより小さい場合は、その最小値を与える仮想的な位相モデルの位相Θｉu（ｔ）を位相Ψに修正する。また、逆に相対位相差の最小値が追加判定パラメータ（閾値）ｅ以上の場合は、仮想位相計算手段に新しく仮想的な位相モデルを追加する。ここで、追加するモデルの初期位相は位相Ψとする。上記の追加判定パラメータｅは定数パラメータで、その値は実験的に決定する。
【数７】
2006157441.tif 000009
【０１０９】
但し、ρ＾ｉｊ（ｔ）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≦ρ＾ｉｊ（ｔ）＜２πの値を取るものとする。
【０１１０】
上記（ａ）〜（ｃ）の処理は、数式を用いて記述すると以下のようになる。
【数８】
2006157441.tif 000010
【０１１１】
ここで、Ｚｉは、ノードｉ内部（仮想位相計算手段５２）に生成された他ノードｊ（ｊ＝１，２，…，Ｎ＾ｉ）に対する仮想的な位相モデルの集合を表す。
【０１１２】
次に、図６における仮想位相計算手段５２の機能について説明する。仮想位相計算手段５２は、第１の実施形態と同様に、他ノードｊに対する仮想的な位相モデルを用いて、擬似的に他ノードの位相を算出する演算を実行するものである。
【０１１３】
ここで、仮想位相計算手段５２が第１の実施形態と異なる点は、第１の実施形態では仮想的な位相モデルを１周期で消滅するのに対して、第２の実施形態ではＷ周期（Ｗは定数パラメータ）で仮想的な位相モデルを消滅する点である。ここで、Ｗは、最も簡単な場合、正の整数値をとする場合であり、その値は実験的に決定する。
【０１１４】
このように、仮想位相計算手段５２が位相モデルを消滅する機能をＷ周期とした理由は、第１の実施形態では、仮想位相モデル生成手段４１がインパルス信号を受信するたびに常に仮想的な位相モデルを追加するので、その重複を回避するため１周期で消滅するとしたのに対し、第２の実施形態では、仮想位相モデル生成判定手段５１がインパルス信号の受信のたびに仮想的な位相モデルを追加するのではなく、上述したように、相対位相差の最小値が追加判定パラメータｅよりも小さい場合には既存の仮想的な位相モデルに対する位相修正が実行され、位相モデルの追加がなされない場合もあるからである。
【０１１５】
このように、仮想位相計算手段５２が、仮想的な位相モデルの総数をＷ周期に亘って保持することができるので、受信エラーなどが生じたとしても、保持している仮想的な位相モデルを用いて仮想的な位相を計算することができるため、仮想的な位相モデルのゆらぎを低減することができる。特に、インパルス信号の受信エラーが発生する場合、この仮想的な位相モデルの総数のゆらぎから招く性能低下を少なくすることができる。
【０１１６】
（Ｂ−２）第２の実施形態の効果
以上、第２の実施形態によれば、複数のノードがインパルス信号を送受信することによって自律分散的にタイムスロット割り当ての相互調整を行なうデータ通信方法において、通信タイミング計算手段の構成に対して、仮想ノードモデル計算手段を新たに導入し、さらに、その内部動作において、仮想的な位相モデルの総数のゆらぎを低減する機能を有する処理を加えたことにより、インパルス信号の受信エラーが発生する状況においても、近傍ノード間において適切な位相関係を形成する動作がスムーズな連続調整過程となり、それぞれのノードが獲得するタイムスロットの大きさをほぼ均等にすることが可能になる。その結果、ネットワークの利用効率の低下を抑制し、個々のノードが多くのトラフィックを発生する状況においても効率的な通信を行なうことが可能になる。
【０１１７】
（Ｃ）第３の実施形態
次に、本発明による通信制御装置、通信制御方法、ノード及び通信システムの第３の実施形態について図面を参照して説明する。
【０１１８】
（Ｃ−１）第３の実施形態のノード
第１及び第２の実施形態では、インパルス信号はノードの位相状態を表すタイミング信号であり、発信元のノードを識別するためのＩＤ情報（ノード識別番号）などのデータは付与されていないものとして説明した。
【０１１９】
そこで、第３の実施形態では、さらに安定に仮想的な仮想モデル総数のゆらぎを低減するため、ノード識別番号が付加されたインパルス信号を用いることを前提とする方法について説明する。インパルス信号にノード識別番号を付加すると、送信のオーバヘッドが大きくなる反面、仮想的な位相モデル総数のゆらぎ低減効果をより大きくすることができる。従って、特にインパルス信号の受信エラーが発生する状況に対して大きな効果を期待することができる。
【０１２０】
第１及び第２の実施形態と第３の実施形態との構成上の違いは、図１における仮想ノードモデル計算手段だけであり、仮想ノードモデル計算手段以外の部分の構成と動作は第１及び第２の実施形態と同様であるので、これら対応する部分の構成の説明は省略する。
【０１２１】
（Ｃ−２）仮想ノードモデル計算手段の詳細
仮想ノードモデル計算手段６１は、他ノードｊに対する仮想的な位相モデルを生成して、擬似的に他ノードの位相を算出するものである。第３の実施形態の仮想ノードモデル計算手段６１は、他ノードの仮想的な位相を算出する方法が第１及び第２の実施形態と異なる。
【０１２２】
図７は、第３の実施形態の仮想ノードモデル計算手段３６の内部構成を示す機能ブロック図である。図７において、第３の実施形態の仮想ノードモデル計算手段３６は、仮想位相モデル生成判定手段６１、仮想位相計算手段６２、ノード識別番号検出手段６３を有する。
【０１２３】
ノード識別番号検出手段６３は、他ノードからインパルス信号を受信した際に、発信元ノードを識別するためのノード識別番号を検出するものである。またノード識別番号検出手段６３は、検出したノード識別番号を仮想位相モデル生成判定手段６１に与えるものである。
【０１２４】
仮想位相モデル生成判定手段６１は、他ノードからインパルス信号を受信した際に、ノード識別番号検出手段６３が検出したノード識別番号を用いて、以下に示す機能により、他ノードｊに対する仮想的な位相モデルを算出するものである。なお、本実施形態では、各ノードはインパルス信号を位相Ψ（例えば、位相Ψ＝０）で発信するごとに、予め統一されていると仮定する。
【０１２５】
（ａ）後述する仮想位相計算手段６２に生成される他ノードｊ（ｊ＝１，２，…，Ｎ＾ｉ）に対する仮想的な位相モデルの中に、インパルス信号から検出したノード識別番号と一致する番号を付与されたモデルが存在するか否か調べる。
【０１２６】
（ｂ）上記（ａ）の結果、インパルス信号から検索したノード識別番号と一致する番号を付与されたモデルが存在する場合は、対応する仮想的な位相モデルの位相Θｉｊ（ｔ）を位相Ψに修正する。また、逆にインパルス信号から検出したノード識別番号と一致する番号を付与されたモデルが存在しない場合は、仮想位相計算手段６２に新しく仮想的な位相モデルを追加する。ここで、追加するモデルの初期位相は位相Ψとし、モデルにはインパルス信号から検出したノード識別番号を付与する。仮想的な位相モデルにノード識別番号を付与しておくことによって、インパルス信号を受信した際、発信元ノードと自ノード内部の仮想的な位相モデルとの対応付けを正確に行なうことが可能になる。
【０１２７】
次に、図７における仮想位相計算手段６２の動作について説明する。仮想位相計算手段６２は、他ノードｊに対する仮想的な位相モデルを用いて、擬似的に他ノードの位相を算出する演算を実行するものである。
【０１２８】
仮想的な位相モデルは、第２の実施形態と同様に、Ｗ周期（Ｗは定数パラメータ）動作すると消滅する形態をとるものとする。ここで、Ｗは、最も簡単場合、正の整数値をとり、その値は実験的に決定する。
【０１２９】
このような動作をさせることによって、インパルス信号の発信元ノードと、自ノードｉ内部に生成される他ノードｊに対する仮想的な位相モデルの対応付けが、第２の実施形態で示した方法よりも、さらに正確に行なうことが可能になる。その結果、仮想的な位相モデルが生成・消滅される際に発生しがちな、モデル総数のゆらぎを、より安定に低減することができる。従って、さらに安定した相互作用計算が可能となり、インパルス信号の受信エラーが発生する状況においても、目的とする課題を解決することが可能となる。
【０１３０】
（Ｃ−３）第３の実施形態の効果
以上、第３の実施形態によれば、複数のノードがインパルス信号を送受信することによって自律分散的にタイムスロット割り当ての相互調整を行なうデータ通信方法において、通信タイミング計算手段の構成に対して、仮想ノードモデル計算手段を新たに導入し、さらに、ノード識別番号が付加されたインパルス信号を用いて、仮想的な位相モデル総数のゆらぎを低減する機能を有する処理を加えたことにより、さらに正確性の高い安定した相互作用計算が可能になる。その結果、インパルス信号の受信エラーが発生する状況において、近傍ノード間でほぼ均等なタイムスロットを獲得する動作も安定性が向上するに従って、ネットワークの利用効率の低下を抑制し、個々のノードが多くのトラフィックを発生する状況においても効率的な通信を行なうことが可能になる。
【０１３１】
（Ｄ）他の実施形態
上記各実施形態の説明においても変形実施形態に言及したが、さらに以下に例示するような変形実施形態が考えられる。
【０１３２】
（Ｄ−１）本発明では、ノード間において送受信するインパルス信号の実現形態は、特定のタイミングを伝え合うことが可能であれば、特に制約はないことに注意されたい。インパルス信号の最も簡単な実現形態の例として、ガウス分布や矩形等の関数形状を有する単一パルスが挙げられる。しかし、インパルス信号は必ずしも単一パルスである必要はなく、複数のパルスを用いて一つの意味を成すインパルス信号を構成する形態であっても構わない。例えば、特定のビットパターンに対応するパルス列を一つのインパルス信号として扱う形態である。こうした形態は、多くのノイズが存在する環境において単一パルスでは信号識別が困難な場合に有効である。本発明の実施形態で説明したインパルス信号の示す意味は、特定のタイミングを示す信号ということを概念的に表すものであり、その実現形態は種々の形態が存在する。
【０１３３】
（Ｄ−２）第３の実施形態において、上記のインパルス信号（特定のタイミングを示す信号）にノード識別番号というある種のデータを付加した信号を、インパルス信号として扱った。待定のタイミングを示す信号にある種のデータを付加した信号も、その実現形態は、種々の形態が存在することに注意されたい。
【０１３４】
（Ｄ−３）上述した第１〜第３の実施形態において、固有角振動数パラメータωｉは、その一例として、システム全体で同一の値に統一するものと仮定した。しかし、固有これは本発明を実施する上で必須事項ではない。ノードごとに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等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ようにしてもよい。
【０１３５】
（Ｄ−４）第１の実施形態においては、通信タイミング計算手段１２における処理の説明に、（２）式の微分方程式を用いた。しかし、微分方程式を用いた記述は、算出方法を規定する一例の表現にしか過ぎない。ここでは、（２）式の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）を用いた記述方法の例について説明する。
【数９】
2006157441.tif 000011
【０１３６】
（１９）式において、変数ｕは、正の整数値をとる離散時間を表す変数である。その他の記号の表す意味は、第１の実施形態と同様であるが、全て離散時間変数ｕの関数になっている点に注意を要する。また、変数Δｔは時間の刻み幅を表し、連続時間変数ｔと離散時間変数ｕは、ｔ＝ｕ・Δｔの関係にある。（１９）式は、時刻ｕにおける位相θｉ（ｕ）の値から、次の時刻ｕ＋１における位相θｉ（ｕ＋１）の値が算出されることを表している。
【０１３７】
また、上述の記述方法は、位相θｉ（ｔ）の時間発展を時間軸方向に離散化して扱う記述方法である。時間軸方向の離散化に加えて、さらに状態変数に対しても離散化、すなわち、位相θｉ（ｔ）の値そのものを離散化（量子化）して扱う記述方法を用いることも可能である。この場合、位相θｉ（ｔ）の取り得る値は、Ｍ個（Ｍ：自然数）の離散値になる。これは、例えば、（２０）式を用いて実現することができる。（２０）式において、関数ｑｕａｎ（＊）は、変数＊を量子化幅ｗで割り、小数点以下の数値を無視した値を表す。ここで、量子化幅ｗは変数＊のダイナミックレンジ（取り得る値の幅）をＭで割った値である。（２０）式において、位相θｉ（ｕ）は、離散時間ｕにおける量子化された位相の値を表す。
【数１０】
2006157441.tif 000012
【０１３８】
（Ｄ−５）第１及び第２の実施形態では、非線形振動をモデル化した数式として、（２）式を示し、さらに、その他の記述方法として、種々の変形形態が可能であることを上述した。
【０１３９】
しかし、本発明を実現する非線形振動をモデル化した数式の記述方法は、上記各実施形態や既に言及した変形実施形態に限定されない。例えば、文献３「戸田盛和、渡辺慎介著、「非線形力学」、共立出版発行」に開示されるファン・デル・ポール方程式等の一般的な非線形振動やカオス振動のモデルを用いることも可能である。無論、ノード間における相互作用が、時間に関して離散的（パルス的）な場合、及び連続的な場合、ともに実現することが可能である。ファン・デル・ポール方程式は、電子回路上で発生する非線形振動現象をモデル化した式である。ファン・デル・ポール方程式による動作は、電子回路を用いてハードウェアとしてノード上に実装することが可能である。また、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することも可能である。
【０１４０】
本発明は、時間や動作状態，あるいは相互作用等に関する離散モデル、及び連続モデル、その他、特定の振動現象を表現するモデルといった、個別的なモデルの記述方法の違いに依拠するものではなく、ある時間発展規則に従って動作状態が遷移する種々のモデルを用いて実現することが可能である。動作状態が周期的、あるいはカオス的に変化するモデルを用いる形態は、本発明の実施形態の例として位置付けられる。
【０１４１】
（Ｄ−６）第１の実施形態では、空間に分散配置された多数のノードが、相互に無線でデータをやり取りするシステムを想定して説明した。しかし、本発明の利用形態は、無線通信を行なうシステムに限定されない。空間に分散配置された多数のノードが、相互に有線でデータをやり取りするシステムに適用することも可能である。例えば、イーサネット（Ethernet；登録商標）などのように有線接続されたＬＡＮシステムに適用することも可能である。また、同様に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。無論、有線接続されたノードと、無線接続された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。
【０１４２】
さらに、本発明は、インターネット上で、各ルータが相互に異なるタイミングでルーティングテーブルを交換するための通信プロトコルとして利用することができる。ここで、ルータとは、ネットワーク上を流れる情報の行き先を振り分ける（通信経路選択）機能を有する中継機器のことである。また、ルーティングテーブルとは、情報の行き先を振り分ける際に参照される通信経路選択規則である。効率的な通信を実現するためには、ネットワーク上における変更や局所的なトラフィックの変化等に応じて、逐次、ルーティングテーブルを更新する必要がある。このため、ネットワーク上に存在する多数のルータは、相互に一定の時間間隔でルーティングテーブルの交換を行っている。しかし、文献４「Floyd,S.,and Jacobson,V.,“The Synchronization of Periodic Routing Messages”, IEEE/ACM Transactions on Networking, Vol.2 No.2, pp.122-136, April 1994.」に開示されるように、各ルータがそれぞれ独立にルーティングテーブルを発信しているにもかかわらず、ルータ相互の発信が次第に同期（衝突）する現象が発生することが分かっている。上記文献４では、ルーティングテーブルの交換に用いられる通信プロトコルに対して、各ノードの処理周期にランダムな変動性を与えることによって、この問題に対処する方法を提案し、一定の効果が得られることを示している。しかし、上記文献４に開示される方法は、基本的にランダム性のみに依存した方法であるため、その効果は十分ではない。
【０１４３】
それに対して、本発明を上記の問題に適用すると、近傍のルータ間において、ルーティングテーブルを発信するタイムスロットを自律的に相互調整することが可能である。従って、各ルータの発信は、相互に異なるタイミングとなり、上記文献４に開示される方法に比べて高い効果を得ることができる。
【０１４４】
以上、説明したように、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存在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。
【０１４５】
（Ｄ−７）本発明は、通信タイミング情報（実施形態での位相信号）の取得制御に特徴を有し、そのタイミング情報を通信にどのような利用するかは問われない。例えば、各ノードからのデータ信号の送信周波数が異なる場合であれば、タイムスロットを設定することなく通信を行なうようにしても良く、この場合であっても、データ通信の始期を通信タイミング情報から定めるようにすれば良い。
【０１４６】
（Ｄ−８）第１〜第３の実施形態では、位相応答関数Ｒ（Δθｉｊ（ｔ））の具体例を示したが、関数の形態はこれに限定されず、本発明を実施する上で位相応答関数は他の種々の関数を用いて構成可能である。
【０１４７】
（Ｄ−９）第１〜第３の実施形態では、位相Δθｉ（ｔ）に対し、衝突率ｃｉ（ｔ）を、ストレス応答関数値として反映させ、かつ、位相応答関数Ｒ（Δθｉｊ（ｔ））の特性切替えという形で反映させるものを示したが、位相応答関数Ｒ（Δθｉｊ（ｔ））の特性切替えという形でのみ反映させるものであっても良い。
【０１４８】
（Ｄ−１０）本願発明に関係する先願の特許出願として、特願２００３−３２８５３０号、特願２００４−２５７５６２号及び特願２００４−２５７５６７号があるが、その先願特許出願の明細書及び図面には多数の変形実施形態が記載されており、そのうち、本願に適用可能なものは本願の変形実施形態にもなる。
【図面の簡単な説明】
【０１４９】
【図１】第１の実施形態の通信タイミング計算手段の構成を示す機能ブロック図である。
【図２】第１の実施形態のノード構成を示す機能ブロック図である。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】第１の実施形態の仮想ノードモデル計算手段の内部構成を示す機能ブロック図である。
【図６】第２の実施形態の仮想ノードモデル計算手段の内部構成を示す機能ブロック図である。
【図７】第３の実施形態の仮想ノードモデル計算手段の内部構成を示す機能ブロック図である。
【符号の説明】
【０１５０】
１０…ノード、１２…通信タイミング計算手段、３１…位相算出手段、３２…衝突率算出手段、３３…蓄積ストレス算出手段、３４…ストレス応答関数値算出手段、３５…位相応答関数特性決定手段、３６…仮想ノードモデル計算手段、４１…仮想位相も出る生成手段、５１、６１…仮想位相モデル生成判定手段、４２、５２、６２…仮想位相計算手段、４３…ノード識別番号検出手段。
【図１】
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【図２】
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【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】
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