(57)【要約】【課題】  無線通信においては、受信機（FC）と送信機（ノード）とが1対多数で構成されるスター型ネットワーク構成を形成することがある。この際、各送信機のタイミング同期を確立するために、それぞれの固有信号を使用するとネットワークに参加可能な端末数に制約を与え拡張性に欠ける。【解決手段】  本発明に係る時間同期確立方法では、複数のノードが同じ固有の系列を使用することを許容する、時間同期（タイミングオフセット補償）を確立する方法を提案する。本発明に係る時間同期確立方法では、ノードが送信した信号の到来タイミングを全ノードへ報知することで、ノードが他のノードとのタイミング差を認識できる。そして、自ノードの送信タイミングは乱数に基づくランダムアクセスとする。ノードが自律的にアクセスタイミングを規定できるため、ノード数の制約が無く拡張性の高い時間同期確立方法を提供できる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信機と受信機との無線通信における時間同期確立法であって、  1.送信機が、所定の通知時間に所定の送信タイミングで制御信号を送信する制御信号通知ステップと、
2.前記受信機が、前記制御信号の量子化を行い、受信機の受信タイミングを周波数としてタイミングマップに記録する記録ステップと、
3.前記受信機が、前記タイミングマップを前記送信機に通知するタイミングマップ通知ステップと、
4.前記送信機が通知された前記タイミングマップから自己のタイミングを特定する特定ステップと、
5.前記送信機が特定した前記自己のタイミングに基づいて、自己の前記送信タイミングを補正する補正ステップと、
を備えることを特徴とする時間同期確立方法。
【請求項２】
1.から5.を繰り返すことを特徴とする請求項1記載の時間同期確立方法。
【請求項３】
前記送信タイミングが、送信機がランダムに定めたタイミングであることを特徴とする請求項1または2記載の時間同期確立法。
【請求項４】
前記特定ステップにおいて、前記送信機が自己の送信タイミングから、周波数として記録される記録位置を推定し、該記録位置に帯域を限定して受信することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項記載の時間同期確立方法。
【請求項５】
前記受信機が前記通知時間のリクエストを前記送信機に通知する通知時間通知ステップをさらに備えることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項記載の時間同期確立方法。
【請求項６】
前記制御信号のうち、最初に送信された制御信号からタイミング差の最大値を検出し、該最大値を所定の量子化数で除算することで量子化間隔を決定する量子化間隔決定ステップをさらに備えることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項記載の時間同期確立方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線通信システムにおける、時間同期確立方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線通信システムでは、多数の無線端末（ノード）が1つの拠点（基地局：FC）にアクセスするスター型のネットワーク形態が多い。その一例として、例えば携帯電話やスマートフォンなどの移動通信システム、屋内環境の無線LAN（Wi-Fi）、センシング情報を集約するセンサネットワークなどがある。スター型ネットワークで通信を確立する際に、各ノードの時間タイミング同期が求められる。これは、センシング結果の時間整合性を確保するアプリケーション側からの要求と、無線アクセスプロトコルや変復調処理などの無線通信システム側からの要求の両側面からあり、高いタイミング同期精度が求められる。
【０００３】
スター型のネットワークにおけるタイミング同期確率法として、クローズドループ型のタイミング同期制御が有力である。クローズドループ型のタイミング同期制御では、FCが一定のコマンドを通知して、同期を確保するノードに制御信号の発信を促す。ノードは、コマンドに記された時刻において制御信号を送信する。その結果、FCでは様々な制御信号を受信する際、信号の到来タイミング差を評価して、各ノードにタイミング補正に必要な補正量を通知する（非特許文献１）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】庄納  崇 編著WiMAX教科書，インプレスR&D 2008年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記の方法では各ノードの信号を分離するため、自己相関性および相互相関性の優れた信号系列が必要になる。このように各ノードが固有の信号系列を利用するためには、送受信機であらかじめ定められた系列を規定していなければならず、ノード数の拡張性に制限を与える。このため、ノード数が多数となる場合、あるいはノード数が大きく変化するダイナミックな無線ネットワークに対しては適用が困難となる。
【０００６】
本発明は、無線通信システムにおいて、ノードの数が多数となった場合でも、効率の良い時間同期確立方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するためになされた、特許請求の範囲の請求項１に記載された時間同期確立方法は、送信機と受信機との無線通信における時間同期確立法であって、
1.送信機が、所定の通知時間に所定の送信タイミングで制御信号を送信する制御信号通知ステップと、2.前記受信機が、前記制御信号の量子化を行い、受信機の受信タイミングを周波数としてタイミングマップに記録する記録ステップと、3.前記受信機が、前記タイミングマップを前記送信機に通知するタイミングマップ通知ステップと、4.前記送信機が通知された前記タイミングマップから自己のタイミングを特定する特定ステップと、5.前記送信機が特定した前記自己のタイミングに基づいて、自己の前記送信タイミングを補正する補正ステップと、を備えることを特徴とする。
【０００８】
また、特許請求の範囲の請求項2に記載された時間同期確立方法は、特許請求の範囲の請求項1に記載されたものであって、1.から5.を繰り返すことを特徴とする。
【０００９】
また、特許請求の範囲の請求項3に記載された時間同期確立方法は、特許請求の範囲の請求項1または2に記載されたものであって、前記送信タイミングが、送信機がランダムに定めたタイミングであることを特徴とする。
【００１０】
また、特許請求の範囲の請求項4に記載された時間同期確立方法は、特許請求の範囲の請求項1から3のいずれか1項に記載されたものであって、前記特定ステップにおいて、前記送信機が自己の送信タイミングから、周波数として記録される記録位置を推定し、該記録位置に帯域を限定して受信することを特徴とする。
【００１１】
また、特許請求の範囲の請求項5に記載された時間同期確立方法は、特許請求の範囲の請求項1から4のいずれか1項に記載されたものであって、前記受信機が前記通知時間のリクエストを前記送信機に通知する通知時間通知ステップをさらに備えることを特徴とする。
【００１２】
また、特許請求の範囲の請求項6に記載された時間同期確立方法は、特許請求の範囲の請求項1から5のいずれか1項に記載されたものであって、前記制御信号のうち、最初に送信された制御信号からタイミング差の最大値を検出し、該最大値を所定の量子化数で除算することで量子化間隔を決定する量子化間隔決定ステップをさらに備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、無線通信システムにおいて、ノードの数が多数となった場合でも、効率の良い時間同期確立方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】無線センサネットワークのモデルとタイミング補正の流れの図である。
【図２】制御信号の分離と周波数マッピングのイメージ図である。
【図３】ノードによるタイミング認識のイメージ図である。
【図４】本発明の形態の一例の処理を表すフローチャートである。
【図５】ステージ数に対するタイミングオフセット量を表すグラフである。
【図６】各ステージ終了後の累積ターン数を表すグラフである。
【図７】タイミング誤差1%を達成するのに必要なターン数を表すグラフである。
【図８】ステージ数に対する正規化タイミング誤差の特性を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための形態を説明する。
【００１６】
図1に検討するセンサネットワークのモデルを示す。本発明では、センシング端末（ノード）が複数存在し、1つの受信機（FC）にセンシング結果を無線通信で通知するスター型の無線センサネットワークを想定する。すべてのノードは同一の周波数帯を共有していると仮定する。ノードからFCへの無線アクセスおよびその反対のアクセスを上り回線と下り回線と称する。ノードは変復調処理をできる限り簡易にするため、信号の変復調処理の周波数帯域をFCの変復調処理に比べて狭く設定している。
【００１７】
ノードは時間送信タイミングを決定する時間クロックを有しているとしている。この時間クロックを利用して、センシングのタイミングの決定から無線通信におけるアクセスタイミングを決定している。時間クロックは、温度や端末の個体差などによってノード毎に差異（オフセット）があり、これに伴いノード間のアクセスタイミング誤差（タイミングオフセット）が発生する。
【００１８】
本発明に係る時間同期方法では、タイミングオフセットを解消するため、制御信号による通信を行い、各ノードに自己のタイミングオフセットを認識させる。各ノードは、認識した自己のタイミングオフセットに基づいて、送信タイミングを補正することにより、ノード間でのタイミングオフセットを解消させる。
【００１９】
前記の制御信号による通信では、各ノードが他のノードとのタイミングオフセットを認識する必要があるため、同一の時間に制御信号を送信する必要がある。同一時間での一斉送信を実現する方法の一例として、例えば、時間同期処理の開始時、FCが全ノードに対して制御信号のリクエストを送信する方法が挙げられる。この際、リクエスト信号に制御信号を送信する時刻が記載されていることで、各ノードは、自己の時間クロックを参照して、指定された時刻に制御信号を送信することが可能になる。
【００２０】
上記リクエスト処理を行った結果、FCには、定められた時刻を中心にして時間軸に広がったタイミングで制御信号が到来する。この場合のタイミングオフセットは不規則であるため、すべての制御信号が混信しているコンテンション状態となる。このため、FCは受信信号から、制御信号の自己相関性を利用して、信号の分離を図る。また、これと同時にFCは分離された信号のタイミングを記録するマッピング処理を行う。
【００２１】
図2に受信信号から到来タイミングの分離とマッピングの処理のイメージ図を示す。受信信号(a)とFCで局所発生した制御信号(b)を決められた時間毎に相関をとり、信号の有無を判断する。このように時間軸にスライドしながら信号の到来を認識する方法をスライディングウィンドウ（SW）型のタイミング検出という。
【００２２】
各時間別に相関検出した結果、閾値以上の相関値が認められた場合には、信号が到来したと認識する。そして、認識の有無は決められた時間に対応する周波数成分(c)の有無で表現する。この結果、時間軸に対する信号の到来の有無を示すタイミングマップが形成される。
【００２３】
FCで形成する時刻別の到来信号の有無を示すマップを形成するため、時間軸方向を離散化する量子化が必要になる。本発明における時間同期方法では、量子化数を一定とし、量子化間隔を動的に切り替えることで、初期のタイミングオフセット量に応じた効率的な時間同期を可能にする。
【００２４】
本発明における量子化間隔は次のように決定する。まず、最初の制御信号が到来する際に、FCでは、信号の到来を取り逃すことがない十分広い時間範囲で相関器を適用して信号の有無を検出する。そこで、タイミング差が最大となる到来信号のタイミング差を評価し、これを量子化数で割ることで量子化間隔を決定する。その後FCは、タイミングマップの通知とともに、量子化レベルをノードに通知する。これによって、ノードは量子化間隔を認識して、離散的なマップの結果からタイミング差を求めることができる。もし、量子化間隔の通知が困難であることや、複雑である場合には、タイミング補正実施の最初は一定間隔に固定してもよい。
【００２５】
上記量子化間隔は、タイミング補正時の補正可能な量と比例する。したがって、量子化間隔未満にタイミング補正をするために、時間同期処理が進むにつれて、量子化間隔の縮小が効果的である。量子化間隔の縮小方法としては、例えばステージ制でのタイミング補正が挙げられる。本発明に係る時間同期方法において、タイミングマップの通知によりすべてのノードのタイミング補正が完了すると、その時点の量子化間隔以下のタイミングオフセットに補正されたと判断できる。よってFCでは、すべてのノードのタイミング補正が終了した後、その時点の量子化間隔を最大のオフセット量とし、それを量子化数で割ることで、新たな量子化間隔を得る。その後、再び、ターンを繰り返すことで、より短い時間間隔でのタイミング補正が可能になる。
【００２６】
FCは、形成したタイミングマップを全ノードに通知する。本発明における通知方法の例として、例えばOFDMを基本としたサブキャリアマッピングが挙げられる。この方法では、直交周波数分割多重（OFDM）変調による周波数軸の離散サブキャリアの有無でディジタル化された信号を通知する。本発明におけるタイミングマップ形成では、量子化された到来タイミングマップの時間番号を直接OFDMのサブキャリア番号に投影する。これにより、到来タイミングの大小が周波数の大小に直接現れる形で示される。
【００２７】
FCからタイミングマップが通知された結果、ノードでは、通知されたタイミングマップから自己のタイミングオフセットを認識して、これを送信タイミングの補正量とする。ノードは、タイミングマップから自己と他ノードとの関係性は認識できるが、自己のタイミングは認識できない。自己のタイミングを認識する方法の例として、例えば、ノードが自己の制御信号の送信タイミングを任意に変化して、その結果を参照して認識する方法が挙げられる。送信タイミングは、例えばランダムに変化させることができる。
【００２８】
ノードがランダムアクセスを利用して自己のタイミングを絞り込む様子を図3にしめす。ノードは自局の送信タイミングを認識するため、ランダムな送信タイミングを適用する。FCのリクエスト信号の通知、ノードの制御信号の送信、FCのタイミングマップの通知を1ターンとし、これを複数ターン繰り返す。
【００２９】
各ターンでノードが制御信号を送信する際、ノード固有のランダムなタイミングで送信する。その結果、各ノードは次のように自局の送信タイミングを推定する。1ターン目に通知されたマップをノードが設定した固有のタイミングだけ時間をシフトする。その結果、2ターン目に通知されたマップと比較して、同一時刻に信号の到来が認められる場合には、候補として残す。3ターン目以降は、同様に1ターン目の候補を基準に固有の時間シフトを与えた結果と、各ターンのマップとを比較する。このようにすることでターンを重ねることで、アクセスタイミングの固有性を利用して、1ターン目のマップから1つの候補に絞り込まれ、信号の到来タイミングを認識することができる。最終的に1つに絞り込まれた結果から、自己のタイミングオフセットを認識することで、タイミングを補正できる。
【００３０】
以上の処理により、本発明に係る方法により時間同期を行うことができる。制御信号の送信からタイミング補正までを1ステージとし、これを複数ステージ繰り返すことで、タイミングオフセットの量を縮小していき、最終的に所要のタイミング補正が終了した時点で時間同期処理を終了する。以上の処理プロトコルを示したフローチャートを図4に示す。
【００３１】
本発明に係る時間同期方法では、ノードがアクセスタイミングを自由に決定し、FCはアクセスタイミングの情報を知る必要がない。つまり、ノードとFCはアクセスタイミングについての情報を共有する必要がないため、アクセスタイミングの選択肢を大幅に広がるため、高いスケーラビリティを実現することが可能である。固有性の高い系列をノードが自由に設定できるため、同時にタイミング同期を確立できるノード数が多い。
【００３２】
本発明に係る時間同期方法では、送信タイミングの相関性を利用することで、FCからノードへのタイミングマップ通知において、ノード側の帯域が狭い場合にも、FCが通知できる帯域を広く確保できる。その結果、選択できる送信タイミングを広く、固有性の高いタイミングを利用することができるため、多くのノードとの時間同期が可能になる。また，受信機から送信機に量子化間隔を通知することができる場合には，ノードからFCへの最初の制御信号の送信後，すべての信号の到来時間が周波数マップの量子化数に収まるように量子化間隔（時間間隔）を大きく設定することで，送信する帯域が狭い場合にもすべての時間到来タイミングを通知できる． 
【００３３】
本発明に係る時間同期方法では、FCはタイミングマップを全ノードに報知するため、各ノード別の通知が不要になり、帯域の利用効率が極めて高い。
【実施例】
【００３４】
本発明に係る時間同期方法の有効性を計算機シミュレーションで評価する。シミュレーション諸元を表1に示す。
【００３５】
【表１】
2015162884.tif 000003
【００３６】
本実施例では、比較する従来法の設定として、ノードの検出帯域幅に相当するサブキャリア数をFCが通知できるサブキャリア数と等しい場合とした。タイミングオフセットのモデルは次式とする。
【００３７】
【数１】
2015162884.tif 000004
【００３８】
ここで式中、τ^kはk番目のノードに対する未知のタイミング誤差成分、τ-kは既知のタイミング誤差成分である。τ^kとτ-kはそれぞれ、±Nを範囲とする一様乱数でモデル化した。αは、未知と既知のタイミング成分を決定する値であり0≦α≦1である。よって、αが大きくなると、ノード側は既知のタイミング成分の割合が大きくなる。また、従来法と本実施例の比較を公平にするため、従来法は最大タイミングオフセット量を本実施例の半分にしている。これは、α=0.5の場合に相当している。
【００３９】
図5は、ステージ数に対するタイミングオフセット量を示す。ここで、タイミング同期の相関α=0.3 と設定した。また、タイミング誤差量は未知のタイミング誤差成分τ^kで正規化している。ノード数は16と設定した。図より、提案法は従来法と比較して、少ないステージ数で低いタイミング誤差を達成していることが認められた。また、ステージ数の拡大と共に、従来法に対する特性差が大きくなっていることが認められた。これは、本実施例に係る方法が、従来法に比べて16倍多くのサブキャリアを使用することができるため、FCからノードへ通知できるタイミング誤差の量子化間隔が1/16と小さくなり、急速にタイミング誤差を小さくすることが可能となることによる。
【００４０】
図6は、各ステージ終了後の累積ターン数を示す。図より、本実施例は各ステージをより少ないターン数で終えていることが認められる。具体的には、ステージ数が6においては従来法に比べてターン数を1/4に低く抑えている。これは、利用できるサブキャリア数が大きいため、ノードが選択できる乱数の範囲が広く、ノードが同じサブキャリアを重複して使用する確率が低く抑えられ、少ないターン数でノード識別が可能になるからである。
【００４１】
図7に、正規化タイミング誤差1%を達成するのに必要なターン数の特性を示す。同様に、タイミング同期の相関α=0.3としている。図より、従来法はユーザ数の増加とともに指数関数的にターン数が増加していることがわかる。一方、提案法は、ターン数の増加は緩慢で、64ノードにおいても、20ターン程度で終了しており、ノード数が多い環境においても、少ない制御信号の交換で所要の時間タイミング同期精度が達成できることが認められる。
【００４２】
図8に、ステージ数に対する正規化タイミング誤差の特性を示す。ノード数は16とし、タイミング誤差の相関α=0-0.3に変更した場合の結果を示している。図より、α=0.3より小さくなるにつれて、測定誤差が一定となるフロアが認められる。これは、上下のタイミング誤差の相関が一定以下になると、FCからノードへ通知される信号検出の範囲外に信号が現れるため、検出見逃しが発生するからである。
【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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【図８】
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