(57)【要約】【課題】  ノード間のデータ発信機会を不均等にするタイムスロットを形成でき、しかも、タイムスロット幅も制御できる。【解決手段】  本発明の通信制御装置は、近傍ノードのデータ発信のタイミングを示す状態変数信号を受信する受信手段と、受信した状態変数信号に基づいて、それぞれ周期が異なる複数の位相信号を変化させて、各位相信号の状態を同期させ、ある位相信号の周期内で、各位相信号の周期に基づく自ノード及び近傍ノード間のタイムスロット幅が異なる複数のデータ発信周期を時間的に多重化させて形成する通信タイミング計算手段と、各位相信号のいずれかの位相状態に基づいて、状態変数信号を送信する送信手段とを備える。通信タイミング計算手段は、上述した複数の位相信号における各ノード位相の状態を管理し、タイムスロット割当の順序関係を規定する状態管理部を有する。【選択図】      図１
2008005050.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の領域に配置されているデータ中継時の量的要求が高いバイパスノードと、上記第１の領域を囲むように形成されている第２の領域に配置されている上記バイパスノードよりデータ中継の量的要求が低い非バイパスノードとを含む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通信制御装置において、
近傍ノードのデータ発信のタイミングを示す状態変数信号を、近傍ノードから受信する状態変数信号受信手段と、
受信した近傍ノードからの状態変数信号に基づいて、それぞれ周期が異なる複数の位相信号を変化させて、上記各位相信号の状態を同期させるように相互作用を与えることで、上記各位相信号のうちのある位相信号の周期内で、上記各位相信号の周期に基づく自ノード及び近傍ノード間のタイムスロット幅が異なる複数のデータ発信周期を時間的に多重化させて形成する通信タイミング計算手段と、
上記通信タイミング計算手段により相互作用された上記各位相信号のいずれかの位相状態に基づいて、自ノードからのデータ発信のタイミングを決定する状態変数信号を送信する状態変数信号送信手段とを備え、
上記通信タイミング計算手段が、自ノード及び近傍ノードに対する周期の異なる位相信号の状態を管理し、タイムスロット割当の順序関係を規定する状態管理部を有する
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は、異なる位相信号を形成させる第１階層演算部及び第２階層演算部を備え、
上記状態管理部は、上記第２階層演算部における非バイパスノード群の位相が、ある特定の位相から別の特定の位相に変化する期間を、上記第１階層演算部における位相信号の周期を用いて分割し、分割された期間のうち、ある特定の期間を、上記第１階層演算部における位相関係に従ってタイムスロット割当を行い、残りの期間を、上記第２階層演算部における位相関係によって規定される順序に従って、タイムスロット割当を行い、これらの期間の比率を可変できる
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、異なる位相信号を形成させる第１階層演算部及び第２階層演算部を備え、
上記状態管理部は、上記第２階層演算部におけるバイパスノード群の位相が、ある特定の位相から別の特定の位相に変化する期間を、上記第１階層演算部における位相信号の周期を用いて分割し、分割された期間を、上記第２階層演算部における位相関係によって規定される順序に従って、タイムスロット割当を行う
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の通信制御装置。
【請求項４】
第１の領域に配置されているデータ中継時の量性要求が高いバイパスノードと、上記第１の領域を囲むように形成されている第２の領域に配置されている上記バイパスノードよりデータ中継の量的要求が低い非バイパスノードとを含む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通信制御装置が実行する通信制御方法において、
状態変数信号受信手段、通信タイミング計算手段及び状態変数信号送信手段を備え、
上記状態変数信号受信手段は、近傍ノードのデータ発信のタイミングを示す状態変数信号を、近傍ノードから受信し、
上記通信タイミング計算手段は、受信した近傍ノードからの状態変数信号に基づいて、それぞれ周期が異なる複数の位相信号を変化させて、上記各位相信号の状態を同期させるように相互作用を与えることで、上記各位相信号のうちのある位相信号の周期内で、上記各位相信号の周期に基づく自ノード及び近傍ノード間のタイムスロット幅が異なる複数のデータ発信周期を時間的に多重化させて形成すると共に、自ノード及び近傍ノードに対する周期の異なる位相信号の状態を管理し、タイムスロット割当の順序関係を規定し、
上記状態変数信号送信手段は、上記通信タイミング計算手段により相互作用された上記各位相信号のいずれかの位相状態に基づいて、自ノードからのデータ発信のタイミングを決定する状態変数信号を送信する
ことを特徴とする通信制御方法。
【請求項５】
請求項１〜３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６】
請求項５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システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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割当を行うことによって、通信データの発信衝突を回避する方法として、特許文献１〜特許文献５に開示された方法がある。
【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、インパルス信号の到達範囲（以後、相互作用範囲と呼ぶ）内のノード間で、１周期（インパルス信号の発信周期）をほぼ均等に分割するタイムスロット割当を実現している。すなわち、相互作用範囲内の各ノードに対して、発信の機会が均等に与えられる通信形態が実現される。例えば、図２に示すようなセンサネットワークにおいて、ノードＡは、相互作用範囲内の他ノード（ノードＢ、Ｃなど）との間で、周期Ｔをほほ均等に分割するタイムスロット割当を実現している。ネットワーク上の全てのノードがこのような動作を行うことにより、各ノードにおけるセンシングデータ（タイムスロットを使用して発信するデータ信号）をマルチホップでシンクノードに転送することが可能である。
【特許文献１】特開２００５−０９４６６３号公報
【特許文献２】特開２００６−０７４６１７号公報
【特許文献３】特開２００６−０７４６１９号公報
【特許文献４】特開２００６−１５７４３８号公報
【特許文献５】特開２００６−１５７４４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１〜特許文献５に開示される方法を用いた場合、特定のノードに大きな割合でタイムスロットを割り当てるような不均等なスロット割当を行う通信形態（すなわち、発信の機会がノード間で不均等に与えられる通信形態）を実現しようとすると、次のような問題が発生する。
【０００５】
（１）インパルス信号とデータ信号との発信衝突が発生する。
【０００６】
（２）各ノードに割り当てるタイムスロットの大きさの比率を自在に制御することが困難である。特に、非常に大きな比率を有するタイムスロット割当を実現することは困難である。
【０００７】
本件の特許出願人は、第１の点に鑑みた発明を既に出願した（特願２００６−８８１９１号；以下、先願１と呼ぶ）。しかしながら、この先願１に係る発明でも、第２の問題は解決されない。
【０００８】
そのため、ノード間のデータ発信機会を不均等にするように、ノード間のタイムスロットを形成できる、しかも、タイムスロットの大きさの比率を自在に制御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。
【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、第１の領域に配置されているデータ中継時の量性要求が高いバイパスノードと、上記第１の領域を囲むように形成されている第２の領域に配置されている上記バイパスノードよりデータ中継の量的要求が低い非バイパスノードとを含む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、近傍ノードのデータ発信のタイミングを示す状態変数信号を、近傍ノードから受信する状態変数信号受信手段と、受信した近傍ノードからの状態変数信号に基づいて、それぞれ周期が異なる複数の位相信号をそれぞれ変化させて、上記各位相信号の状態を同期させるように相互作用を与えることで、上記各位相信号のうちのある位相信号の周期内で、上記各位相信号の周期に基づく自ノード及び近傍ノード間のタイムスロット幅が異なる複数のデータ発信周期を時間的に多重化させて形成する通信タイミング計算手段と、上記通信タイミング計算手段により相互作用された上記各位相信号のいずれかの位相状態に基づいて、自ノードからのデータ発信のタイミングを決定する状態変数信号を送信する状態変数信号送信手段とを備え、上記通信タイミング計算手段が、自ノード及び近傍ノードに対する周期の異なる位相信号の状態を管理し、タイムスロット割当の順序関係を規定する状態管理部を有することを特徴とする。
【００１０】
第２の本発明の通信制御方法は、第１の領域に配置されているデータ中継時の量性要求が高いバイパスノードと、上記第１の領域を囲むように形成されている第２の領域に配置されている上記バイパスノードよりデータ中継の量的要求が低い非バイパスノードとを含む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通信制御装置が実行する通信制御方法であって、状態変数信号受信手段、通信タイミング計算手段及び状態変数信号送信手段を備え、上記状態変数信号受信手段は、近傍ノードのデータ発信のタイミングを示す状態変数信号を、近傍ノードから受信し、上記通信タイミング計算手段は、受信した近傍ノードからの状態変数信号に基づいて、それぞれ周期が異なる複数の位相信号をそれぞれ変化させて、上記各位相信号の状態を同期させるように相互作用を与えることで、上記各位相信号のうちのある位相信号の周期内で、上記各位相信号の周期に基づく自ノード及び近傍ノード間のタイムスロット幅が異なる複数のデータ発信周期を時間的に多重化させて形成すると共に、自ノード及び近傍ノードに対する周期の異なる位相信号の状態を管理し、タイムスロット割当の順序関係を規定し、上記状態変数信号送信手段は、上記通信タイミング計算手段により相互作用された上記各位相信号のいずれかの位相状態に基づいて、自ノードからのデータ発信のタイミングを決定する状態変数信号を送信することを特徴とする。
【００１１】
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有することを特徴とする。
【００１２】
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、ノード間のデータ発信機会を不均等にするように、ノード間のタイムスロットを形成できる、しかも、タイムスロットの大きさの比率を自在に制御することができる。
【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、本発明の通信制御装置、通信制御方法、ノード及び通信システムを、センサネットワークに適用した第１の実施形態を、図面を参照しながら詳述する。
【００１５】
（Ａ−０）第１の実施形態におけるノードの種類
第１の実施形態における通信システムは、特定のセンサノード（以下、適宜、単にノードと呼ぶ）に大きな割合でタイムスロットを割り当て、ノード間のデータ発信機会が不均等な通信形態を形成し得るものである。例えば、図３に示すように、ノードＮＡで発生したデータを、最優先でリアルタイムにシンクノードＮＳに伝送させるべく、ある領域に属するノードのデータ発信割合を増大させ、また、その周辺の領域のデータ発信割合を低下させることで実現させる。
【００１６】
以下では、データ発信割合を増大させるノードをバイパスノードといい、データ発信割合を低下させるノードを非バイパスノードといい、上記以外のノードをノーマルノードと呼ぶ。また、バイパスノードが属する領域をバイパスノード領域と呼び、非バイパスノードが属する領域を非バイパスノード領域と呼び、ノーマルノードが属する領域をノーマルノード領域と呼ぶ。
【００１７】
最優先データの送信元ノードＮＡからシンクノードＮＳを結ぶ直線上にほぼ沿った各ノードがバイパスノードであり、これらのバイパスノードと相互作用を及ぼす範囲に位置しているノードが非バイパスノードである。
【００１８】
以下では、各ノードが上記３種類のノードのいずれであるか予め決定されているものとして説明する。
【００１９】
（Ａ−１）第１の実施形態におけるノードの内部構成
図４は、第１の実施形態に係る各ノード１０の内部構成を示すブロック図である。図４に示すように、第１の実施形態の各ノード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、センサ１６、収束判定手段１７を有している。
【００２０】
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、同調判定手段１４、収束判定手段１７の部分が該当する。
【００２１】
インパルス信号受信手段１１は、近傍ノード（自ノードが他ノードの相互作用範囲内に属す場合の他ノード）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。また、インパルス信号受信手段１１は、受信したインパルス信号に付加されているノード識別属性情報に基づいて、当該発信元の他ノードのノード識別属性を認識するものである。
【００２２】
ここで、ノード識別属性情報とは、自ノードがバイパスノード、非バイパスノード若しくはノーマルノードであることを示すために、発信元ノードがインパルス信号に付加する情報である。インパルス信号受信手段１１は、このノード識別属性情報に基づいて、発信元ノードがどのノードであるかを識別することができる。
【００２３】
また、インパルス信号受信手段１１は、ノード識別属性情報に基づいて発信元ノードが属する属性情報と受信したインパルス信号を、通信タイミング計算手段１２に与えるものである。
【００２４】
通信タイミング計算手段１２は、その詳細な機能は後述するが、インパルス信号受信手段１１から与えられた受信インパルス信号に基づいて、自ノードでの通信タイミングを規定する位相信号を形成し、出力するものである。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（例えば初期動作を起動するノードの場合）、自ノードで計算させた位相信号を形成し、出力することができる。
【００２５】
また、通信タイミング計算手段１２は、後述するように、それぞれ周期が異なる２つの非線形振動子モデルを実現する機能部である、第１階層演算部１２１、第２階層演算部１２２と、状態管理部１２３とを備える（図１参照）。
【００２６】
第１の実施形態の通信タイミング計算手段１２は、自ノードをバイパスノード、非バイパスノード若しくはノーマルノードとして機能させる場合の違いに応じて、第１階層演算部１２１及び第２階層演算部１２２の動作を制御するものである。
【００２７】
この点については後で詳細に説明するが、自ノードをノーマルノードとして機能させる場合、通信タイミング計算手段１２は、第１階層演算部１２１により求められた位相信号をインパルス信号送信手段１３に与えるものである。また、自ノードをバイパスノード又は非バイパスノードとして機能させる場合、通信タイミング計算手段１２は、第１階層演算部１２１及び第２階層演算部１２２の動作を協調的に動作させるように制御するものである。
【００２８】
ここで、通信タイミング計算手段１２が有する、第１階層演算部１２１又は第２階層演算部１２２の単独構成としての動作機能の基本的な意味合いを、図５及び図６を用いて詳述すると以下の通りである。
【００２９】
なお、図５及び図６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ので、インパルス信号送信手段１３の機能も含めて説明する。
【００３０】
図５及び図６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。
【００３１】
図５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５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５（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５（ｂ）に示す状態（過渡状態）を経て、図５（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。
【００３２】
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。
【００３３】
また、図６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。
【００３４】
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。
【００３５】
また、通信タイミング計算手段１２は、得られた位相信号（＝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に出力するものである。
【００３６】
インパルス信号送信手段１３は、その詳細機能は後述するが、通信タイミング計算手段１２から位相信号を受け取ると、収束判定手段１７による通信タイミング計算手段１２の処理が収束した否かの判定結果に応じて、所定のタイミングでインパルス信号を発信するものである。
【００３７】
また、インパルス信号送信手段１３は、インパルス信号を発信する際、発信するインパルス信号に自ノードが属すノード識別属性情報を付加し、ノード識別属性情報を付加したインパルス信号を発信するものである。
【００３８】
同調判定手段１４は、例えば、特許文献１に記載の方法により、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の送信タイミングの相互調整が、「過渡状態」（図５（ｂ）、図６（ｂ）参照）あるいは「定常状態」（図５（ｃ）、図６（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（他ノードの出力インパルス信号に対応する）及び出力インパルス信号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に代えて、位相信号が入力されている。
【００３９】
同調判定手段１４は、位相信号の周期毎に、判定結果を示す同調判定信号と、受信インパルス信号の発生タイミングにおける位相信号の値の最小値β１をスロット信号としてデータ通信手段１５に出力する。
【００４０】
なお、最小値β１をスロット信号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、スロット信号に適用するβの値は変化する。
【００４１】
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。
【００４２】
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を検知して観測データをデータ通信手段１５に出力するものである。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）が入力データ信号として受信される。
【００４３】
データ通信手段１５は、観測データ及び又は入力データ信号（両方の場合を含む）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。データ通信手段１５は、この送信を、同調判定信号が「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、出力データ信号は、出力インパルス信号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。
【００４４】
収束判定手段１７は、その詳細な機能は後述するが、通信タイミング計算手段１２による処理が収束したか否かを判定するものであり、その判定結果をインパルス信号送信手段１３に与えるものである。
【００４５】
（Ａ−２）第１の実施形態のノードの主要構成要素
第１の実施形態におけるノードの構成及び動作は、先願１に係る発明に基づいており、通信タイミング計算手段の構成に状態管理部を付加し、これに基づく動作を実行する点が先願１に係る発明とは異なっている。
【００４６】
図１は、第１の実施形態に係るノードの特徴をなす通信タイミング計算手段１２と、それに関連する手段１１、１３、１７の構成を示している。
【００４７】
（Ａ−２−１）通信タイミング計算手段１２の詳細
通信タイミング計算手段１２は、上述のように、相互作用範囲内の他ノードｊから受信したインパルス信号を用いて、自ノードｉがインパルス信号を発信するタイミングを決定するための計算を実行する部分である。
【００４８】
上記特許文献１〜特許文献５に開示される方法は、通信タイミング計算手段１２において、単一周期の非線形振動子モデル（非線形振動をモデル化した数式に基づく演算部）を備える形態に限定されていた。これに対して、第１の実施形態は、通信タイミング計算手段１２に、周期の異なる非線形振動子モデルを複数備え、これらを協調動作させることによって、ノード間に多重化された時間的関係性（時間構造）を形成する動作を実行するものである。
【００４９】
図１に示す通信タイミング計算手段１２は、周期の異なる２つの非線形振動子モデルを備えた場合の構成例である（なお、３つ以上を備えていても良い）。図１において、通信タイミング計算手段１２は、第１階層演算部１２１、第２階層演算部１２２及び状態管理部１２３を有しており、第１階層演算部１２１及び第２階層演算部１２２は、上述した２つの非線形振動子モデルに対応している。
【００５０】
ここで、第１階層演算部１２１は、非線形振動計算手段１２１１と仮想ノードモデル計算手段１２１２とを有し、第２階層演算部１２２も、同様に、非線形振動計算手段１２２１と仮想ノードモデル計算手段１２２２とを有している。
【００５１】
上述したように、３種類のノードの内、ノーマルノードは、第１階層演算部１２１のみ動作させれば良く、第２階層演算部１２２を動作させる必要はない。つまり、ノーマルノードは、上記特許文献１〜特許文献５に開示される方法と同様の構成でも動作させることが可能であるが、以下では、説明上、全てのノード構成を図１と同一とし、ノーマルノードにおいては、第１階層演算部１２１のみ動作させるものとする。
【００５２】
第１の実施形態は、通信タイミング計算手段１２の内部構成に、仮想ノードモデル計算手段（上記特許文献５参照）１２１２、１２２２を導入したものである。仮想ノードモデル計算手段１２１２、１２２２は、他ノードｊ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（以下、仮想位相モデルと呼ぶ）を自ノード内部に生成する。この仮想位相モデルを用いて擬似的に他ノードｊの位相を算出し、自ノードｉと他ノードｊとの位相差を時間連続的に観測可能としているものである。
【００５３】
以上のように、第１の実施形態は、仮想ノードモデル計算手段を用いる形態であるが、本発明は、この形態に限定されるものではない。
【００５４】
（Ａ−２−１−１）第１階層演算部１２１
第１階層演算部１２１は、例えば、式（１）及び（２）のような非線形振動をモデル化した数式に基づく演算を実行する（第１階層演算部１２１の詳細構成については特許文献５の図１参照）。
【数１】
2008005050.tif 000003
【００５５】
式（１）及び（２）は、他ノードｊから受信したインパルス信号に基づいて、自ノードｉの第１階層演算部１２１における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。以下、式（１）及び（２）の各部分について説明する。
【００５６】
ｔは時間を表す変数であり、θｉ（ｔ）は、自ノードｉの第１階層演算部１２１における非線形振動の位相（時刻ｔにおける位相状態を表す状態変数）を表している。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している。
【００５８】
ωｉ１は、固有角振動数パラメータであり、ノードｉの第１階層演算部１２１における非線形振動固有のリズムを表している。ここでは、最も簡単な場合の例として、ωｉ１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仮定する。この場合、第１階層演算部１２１における収束状態での振動周期Ｔｉ１は、Ｔｉ１＝２π／ωｉ１となる。ωｉ１の値の決定方法は、後述の第２階層演算部１２２の項の説明で説明する。
【００５９】
Θｉｊ（ｔ）は、他ノードｊの第１階層演算部１２１における非線形振動の位相を、自ノードｉで擬似的に算出した仮想位相を表す。Θｉｊ（ｔ）は、他ノードｊから受信したインパルス信号に基づいて、自ノードｉの第１階層演算部１２１における仮想ノードモデル計算手段１２１２によって算出される。仮想ノードモデル計算手段１２１２による仮想位相Θｉｊ（ｔ）の算出方法については、式（１）及び（２）の説明の後に説明する。
【００６０】
ΔΘｉｊ（ｔ）は、他ノードｊの第１階層演算部１２１に対する仮想位相Θｉｊ（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の演算を施すことにより、便宜的に区間０≦ΔΘｉｊ（ｔ）＜２πの値を取るものとする。
【００６１】
Ｒ１（ΔΘｉｊ（ｔ））は、位相差ΔΘｉｊ（ｔ）に応じて、自ノードｉの第１階層演算部１２１における振動リズムを変化させる応答特性を表す関数である。関数Ｒ１（ΔΘｉｊ（ｔ））は、他ノードｊの仮想位相Θｉｊ（ｔ）に対して、自ノードｉの位相θｉ（ｔ）を反発する方向に変化させる力学的特性を有する。Ｒ１（ΔΘｉｊ（ｔ））の関数形の具体例は、上記特許文献３に示される形態と同一である。但し、Ｒ１（ΔΘｉｊ（ｔ））の関数形は、これに限定されない。Σの項は、他ノードｊに関する関数Ｒ１（ΔΘｉｊ（ｔ））の総和を表している。ｋＲ１は、位相θｉ（ｔ）の時間発展に対する関数Ｒ１（ΔΘｉｊ（ｔ））の寄与度（重み）を決定する結合定数パラメータであり、その値は例えば実験的に決定される。
【００６２】
ξ１（Ｓｉ１（ｔ））は、自ノードｉと他ノードｊとの、式（３）で定義される相対位相差ＰＤ１が小さい場合にはストレスを蓄積し、蓄積されたストレス値Ｓｉ１（ｔ）に応じて、ランダムな大きさの位相シフト（位相状態遷移）を実行する働きをするストレス応答関数である。すなわち、関数ξ１（Ｓｉ１（ｔ））は、蓄積されたストレス値Ｓｉ１（ｔ）に対する応答特性を表す関数であり、その関数形は、例えば、上記特許文献２に開示される形態と同様である。
【数２】
2008005050.tif 000004
【００６３】
式（１）及び（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。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、特許文献２に開示される形態と同様に、ルンゲ・クッタ法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）及び（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。
【００６４】
（Ａ−２−１−１−１）第１階層演算部１２１における仮想ノードモデル計算手段１２１２による仮想位相Θｉｊ（ｔ）の算出方法
第１の実施形態の仮想ノードモデル計算手段１２１２は、上述したように、他ノードｊからの受信インパルス信号を受け取り、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（上記特許文献５の第２の実施形態あるいは第３の実施形態とほぼ同様である）。
【００６５】
図７は、仮想ノードモデル計算手段１２１２の内部構成を示す機能ブロック図である。以下では、インパルス信号に発信元ノードを示すＩＤ情報（ノード識別番号）等を付与しない場合を例に挙げて説明する。なお、インパルス信号のＩＤ情報を付与した場合にも同様に適用できる。
【００６６】
図７において、仮想ノードモデル計算手段１２１２は、仮想位相モデル生成判定手段８１、仮想位相計算手段８２を有する。
【００６７】
仮想位相モデル生成判定手段８１は、他ノードｊからインパルス信号を受信した際に、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、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。
【００６８】
（ａ）後述する仮想位相計算手段８２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、式（４）〜（６）に従って算出する。
【００６９】
（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。
【００７０】
（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Θｉｊ（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８２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３】
2008005050.tif 000005
【００７１】
但し、ｐ＾ｉｊ（ｔ）は、２πを加算した値にｍｏｄ２πの演算を施すことにより、便宜的に区間０≦ｐ＾ｉｊ（ｔ）＜２πの値を取るものとする。
【００７２】
上記（ａ）〜（ｃ）の処理は、数式を用いて記述すると、式（７）〜（９）のようになる。
【数４】
2008005050.tif 000006
【００７３】
ここで、Ｚｉは、ノードｉ内部（仮想位相計算手段８２）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。
【００７４】
仮想位相計算手段８２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。仮想位相計算手段８２は、ある仮想位相モデルに対して位相修正処理が、Ｎ周期（Ｎは定数パラメータ）継続して実行されない場合、その仮想的な位相モデルを消滅する。
【００７５】
この定数パラメータＮは、任意であり、例えば、実験的に決定することができる。また、後述のように、他ノードｊは、収束情報において、必ずしも、一定周期Ｔｉ１（第１階層演算部１２１における収束状態での振動周期）で、インパルス信号を発信するわけではない。例えば、第２階層演算部１２２における収束状態での振動周期Ｔｉ２（Ｔｉ１＜Ｔｉ２）で発信する場合も存在する。そのため、定数パラメータＮは、少なくとも、Ｎ×Ｔｉ１≧Ｔｉ２を満足するように値を設定する必要がある。
【００７６】
（Ａ−２−１−２）第２階層演算部１２２
次に、第２階層演算部１２２の機能構成について説明する。
【００７７】
第２階層演算部１２２は、受信した他ノードｊからのインパルス信号と、自ノードｉの第１階層演算部１２１により求められた非線形振動モデルの位相θｉ（ｔ）と、所定の演算式とに基づいて、第２階層演算部１２２における非線形振動モデルの位相λｉ（ｔ）を求めるものである。
【００７８】
第２階層演算部１２２は、例えば、式（１０）〜（１２）のような非線形振動をモデル化した数式に基づく演算を実行する。
【数５】
2008005050.tif 000007
【００７９】
式（１０）〜（１２）は、他ノードｊから受信したインパルス信号に基づいて、自ノードｉの第２階層演算部１２２における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。以下、式（１０）〜（１２）を構成する各構成部分について説明する。
【００８０】
ｔは、時間を表す変数であり、λｉ（ｔ）は、自ノードｉの第２階層演算部１２２における非線形振動の位相（時刻ｔにおける位相状態を表す状態変数）を表している。λｉ（ｔ）は、ｍｏｄ２πの演算を施すことにより、常に、区間０≦λｉ（ｔ）＜２πの値を取るものとする。
【００８１】
ｄλｉ（ｔ）／ｄｔは、位相λｉ（ｔ）を時間ｔで微分した状態変数を表している。
【００８２】
ωｉ２は、固有角振動数パラメータであり、ノードｉの第２階層演算部１２２における非線形振動固有のリズムを表している。ここでは、最も簡単な場合の例として、ωｉ２の値を予めシステム全体で同一の値に統一しておくとする。この場合、第２階層演算部１２２における収束状態での振動周期Ｔｉ２は、Ｔｉ２＝２π／ωｉ２となる。この第１の実施形態では、ωｉ１＞ωｉ２とする。従って、Ｔｉ１＜Ｔｉ２であり、第２階層演算部１２２は、第１階層演算部１２１より振動周期が大きい。
【００８３】
Λｉｊ（ｔ）は、他ノードｊの第２階層演算部１２２における非線形振動の位相を、自ノードｉで擬似的に算出した仮想位相を表している。Λｉｊ（ｔ）は、他ノードｊから受信したインパルス信号に基づいて、自ノードｉの第２階層演算部１２２における仮想ノードモデル計算手段１２２２によって算出される。仮想ノードモデル計算手段１２２２による仮想位相Λｉｊ（ｔ）の算出方法については、式（１０）〜（１２）の説明の後に、詳細に説明する。
【００８４】
ΔΛｉｊ（ｔ）は、他ノードｊの第２階層演算部１２２に対する仮想位相Λｉｊ（ｔ）から自ノードｉの位相λｉ（ｔ）を引くことにより得られる位相差である。但し、位相差ΔΛｉｊ（ｔ）は、２πを加算した値にｍｏｄ２πの演算を施すことにより、便宜的に区間０≦ΔΛｉｊ（ｔ）＜２πの値を取るものとする。
【００８５】
Ｇ２（ΔΛｉｊ（ｔ））は、位相差ΔΛｉｊ（ｔ）に応じて自ノードｉの第２階層演算部１２２における振動リズムを変化させる応答特性を表す関数である。式（１２）に示すように、関数Ｇ２（ΔΛｉｊ（ｔ））は、自ノードｉ及び他ノードｊがともに非バイパスノードの場合（ｉ，ｊ∈ＮＢＰのとき）と、それ以外の場合とで応答特性が異なる。ここで、ＮＢＰは非バイパスノードの集合を表す。
【００８６】
Ｈ２（ΔΛｉｊ（ｔ））は、自ノードｉの位相λｉ（ｔ）を他ノードｊの仮想位相Λｉｊ（ｔ）に一致させる方向に変化させる力学的特性を有する。このような特性を持つ関数Ｈ２（ΔΛｉｊ（ｔ））は、例えば、正弦波関数ｓｉｎ（ΔΛｉｊ（ｔ））や、以下の式（１３）に示す関数を用いて実現することができる。但し、Ｈ２（ΔΛｉｊ（ｔ））の関数形は、これらに限定されない。
【数６】
2008005050.tif 000008
【００８７】
一方、Ｒ２（ΔΛｉｊ（ｔ））は、他ノードｊの仮想位相Λｉｊ（ｔ）に対して、自ノードｉの位相λｉ（ｔ）を反発する方向に変化させる力学的特性を有する。このような特性を持つ関数Ｒ２（ΔΛｉｊ（ｔ））の具体例は、上述したＲ１（ΔΘｉｊ（ｔ））と同様の算出方法により得ることができる（特許文献３参照）。関数Ｒ２（ΔΛｉｊ（ｔ））において、均等な位相差を決定する定数パラメータをｐ２とする。ｐ２は、第２階層演算部１２２における１周期Ｔｉ２の分割数を表し、その値は例えば実験的に決定される。なお、Ｒ２（ΔΛｉｊ（ｔ））の関数形は、これに限定されない。
【００８８】
関数Ｇ２（ΔΛｉｊ（ｔ））の働きを整理すると、以下の（ａ）又は（ｂ）のようになる。
【００８９】
（ａ）自ノードｉ及び他ノードｊが共に非バイパスノードの場合、自ノードｉの位相λｉ（ｔ）を他ノードｊの仮想位相Λｉｊ（ｔ）に一致させる方向に変化させる。
【００９０】
（ｂ）上記以外の場合、他ノードｊの仮想位相Λｉｊ（ｔ）に対して、自ノードｉの位相λｉ（ｔ）を反発する方向に変化させる。
【００９１】
Σの項は、他ノードｊに関する関数Ｇ２（ΔΛｉｊ（ｔ））の総和を表している。ｋＨ２及びｋＲ２は、それぞれ位相λｉ（ｔ）の時間発展に対する関数Ｈ２（ΔΛｉｊ（ｔ）），Ｒ２（ΔΛｉｊ（ｔ））の寄与度（重み）を決定する結合定数パラメータであり、その値は任意であり、例えば実験的に決定できる。
【数７】
2008005050.tif 000009
【００９２】
ξ２（Ｓｉ２（ｔ））は、自ノードｉと他ノードｊとの、式（１４）で定義される相対位相差ＰＤ２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Ｓｉ２（ｔ）に応じて、ランダムな大きさの位相シフト（位相状態遷移）を実行する働きをするストレス応答関数である。すなわち、関数ξ２（Ｓｉ２（ｔ））は、蓄積されたストレス値Ｓｉ２（ｔ）に対する応答特性を表す関数であり、その関数形は、上述した関数ξ１（Ｓｉ１（ｔ））と同様の算出方法により規定される。
【００９３】
但し、第２階層演算部１２２では、自ノードｉ及び他ノードｊが共に非バイパスノードの場合（ｊ，ｊ∈ＮＢＰのとき）の相対位相差ＰＤ２を、蓄積されたストレス値Ｓｉ２（ｔ）の算出演算に反映しない。これは、関数Ｇ２（ΔΛｉｊ（ｔ））により、ｉ，ｊ∈ＮＢＰの場合は、相対位相差ＰＤ２の値が０に等しくなる方向に変化させる力学的作用を与えているためである。従って、ストレス応答関数ξ２（Ｓｉ２（ｔ））は、ｉ，ｊ∈ＮＢＰ以外の場合のみ機能する。
【００９４】
ωｉ１とωｉ２の値は、以下の式（１５）の関係を満足するように決定する。式（１５）において、ｍは整数値の定数パラメータである。従って、収束状態における第１階層演算部１２１と第２階層演算部１２２との振動周期の比は、Ｔｉ２／Ｔｉ１＝ｍとなる。第１の実施形態では、整数値ｍは、以下の式（１６）の関係を満足するように決定する。式（１６）において、ｎは整数値の定数パラメータであり、ｐ２は、関数Ｒ２（ΔΛｉｊ（ｔ））において、均等な位相差を決定する定数パラメータである。このようにｍの値をｐ２の整数倍にすることにより、後述する関数Ｆ２（θｉ（ｔ），λｉ（ｔ），｛Θｉｊ（ｔ）｜∀ｊ｝，｛Λｉｊ（ｔ）｜∀ｊ｝）に関する処理を比較的簡単な形態にすることができる。
【数８】
2008005050.tif 000010
【００９５】
関数Ｆ２（θｉ（ｔ），λｉ（ｔ），｛Θｉｊ（ｔ）｜∀ｊ｝，｛Λｉｊ（ｔ）｜∀ｊ｝）は、自ノードｉにおける第１階層演算部１２１と第２階層演算部１２２との間に一定の位相関係を形成する機能を有する関数である。ここで、｛Θｉｊ（ｔ）｜∀ｊ｝は、自ノードｉの第１階層演算部１２１に生成された「全ての他ノードｊ（ｊ＝１，２，３…）に対する仮想位相Θｉｊ(ｔ)」の集合を表し、この集合の全要素が関数Ｆ２（θｉ（ｔ），λｉ（ｔ），｛Θｉｊ（ｔ）｜∀ｊ｝，｛Λｉｊ（ｔ）｜∀ｊ｝）の独立変数（関数への入力変数）になっていることを表している。同様に、｛Λｉｊ（ｔ）｜∀ｊ｝は、自ノードｉの第２階層演算部１２２に生成された「全ての他ノードｊ（ｊ＝１，２，３…）に対する仮想位相Λｉｊ(ｔ)」の集合を表し、この集合の全要素が関数Ｆ２（θｉ（ｔ），λｉ（ｔ），｛Θｉｊ（ｔ）｜∀ｊ｝，｛Λｉｊ（ｔ）｜∀ｊ｝）の独立変数になっていることを表している。ここで、「全ての他ノードｊに対する仮想位相」とは、自ノードｉの相互作用範囲内（自ノードのインパルス信号が到達する範囲内）に存在する「全ての他ノードｊに対する仮想位相」を意味する。従って、関数Ｆ２（θｉ（ｔ），λｉ（ｔ），｛Θｉｊ（ｔ）｜∀ｊ｝，｛Λｉｊ（ｔ）｜∀ｊ｝）は、自ノードｉの第１階層演算部１２１及び第２階層演算部１２２の位相θｉ（ｔ）、λｉ（ｔ）だけでなく、相互作用範囲内に存在する「全ての他ノードｊに対する仮想位相｛Θｉｊ（ｔ）｜∀ｊ｝、｛Λｉｊ（ｔ）｜∀ｊ｝の値を用いて作動する関数である（以下では、仮想位相も単に位相と呼ぶ）。
【００９６】
ｋＦ２は、位相λｉ（ｔ）の時間発展に対する関数Ｆ２（θｉ（ｔ），λｉ（ｔ），｛Θｉｊ（ｔ）｜∀ｊ｝，｛Λｉｊ（ｔ）｜∀ｊ｝）の寄与度（重み）を決定する結合定数パラメータであり、その値は例えば実験的に決定される。式（１０）〜（１２）に関する処理は、例えば、以下の手順に従って実行する。
【００９７】
なお、関数Ｆ２（θｉ（ｔ），λｉ（ｔ），｛Θｉｊ（ｔ）｜∀ｊ｝，｛Λｉｊ（ｔ）｜∀ｊ｝）の具体的な関数形の例は、以下で説明の中で示す。
【００９８】
（ＳＴＥＰ１）
ノードｉの動作開始時点におけるｋＦ２の値をｋＦ２＝０とする。すなわち、ノードの動作開始時点では、一旦、第１階層演算部１２１と第２階層演算部１２２との接続関係を除去し、それぞれ独立に他ノードとの間に位相関係を形成する動作を実行する。この動作は、第２階層演算部１２２では、式（１０）〜（１２）におけるＦ２（θｉ（ｔ），λｉ（ｔ），｛Θｉｊ（ｔ）｜∀ｊ｝，｛Λｉｊ（ｔ）｜∀ｊ｝）以外の関数が有する機能により実現される。また、第１階層演算部１２１は、元々、第２階層演算部１２２から影響を受けずに動作する構成になっているため、通常と同様の動作を実行することにより実現される。
【００９９】
（ＳＴＥＰ２）
「第１階層演算部１２１及び第２階層演算部１２２のそれぞれにおいて、他ノードとの間に、ほぼ均等な位相差が形成された状態」を検出する。この検出処理は、例えば、前述の同調判定手段１４における定常状態の判定方法と同様にして行うことができる。第１階層演算部１２１及び第２階層演算部１２２がそれぞれ独立に定常状態になったことが検出された場合に、ｋＦ２≠０とすることにより、第１階層演算部１２１と第２階層演算部１２２との間に位相関係を形成する機能を作動させる。
【０１００】
（ＳＴＥＰ３）
（３−１）  位相θｉ（ｔ）とｍλｉ（ｔ）との相対位相差Γ（θｉ（ｔ），ｍλｉ（ｔ））を算出する。また、位相θｉ（ｔ）とｍΛｉｊ（ｔ）との相対位相差Γ（θｉ（t），ｍΛｉｊ（ｔ)）を、全ての他ノードｊに対して算出する。ここで、ｍλｉ（ｔ）は位相λｉ（ｔ）をｍ倍した値を、ｍΛｉｊ（ｔ）は位相Λｉｊ（ｔ）をｍ倍した値を表している。以下では、位相をｍ倍した値も同様に位相と呼ぶ。ｍλｉ（ｔ），及びｍΛｉｊ（ｔ）は、ｍｏｄ２πの演算を施すことにより、常に、区間０≦ｍλｉ（ｔ）＜２π、０≦ｍΛｉｊ（ｔ）＜２πの値を取るものとする。相対位相差の定義は前述と同様である。次に、以下の式（１７）を用いて、上記の相対位相差の総和Ｓｕｍｉ（ｔ）を求める。Ｓｕｍｉ（ｔ）は、自ノードｉに対して、ただ１つ求まる値である。
【数９】
2008005050.tif 000011
【０１０１】
（３−２）  他ノードｋに対する位相Θｉｋ（ｔ）と、他ノードｊに対する位相ｍΛｉｊ（ｔ）との相対位相差Γ（Θｉｋ（ｔ），ｍΛｉｊ（ｔ））を、全てのｋ及びｊの組合せに対して算出する。次に、以下の式（１８）を用いて、相対位相差Γ（Θｉｋ（ｔ），ｍΛｉｊ（ｔ））を全てのｊについて加算した値Ｓｕｍｋ（ｔ）を求める。Ｓｕｍｋ（ｔ）は、個々の他ノードｋに対して、それぞれ求まる値である。
【数１０】
2008005050.tif 000012
【０１０２】
（３−３）  以下の式（１９）を用いて、自ノードｉに対するＳｕｍｉ（ｔ）及び個々の他ノードｋに対するＳｕｍｋ（ｔ）の中で最小値を与えるノード番号ｕ（ｉ及び全てのｋの中のいずれかを示す番号）を求める。
【数１１】
2008005050.tif 000013
【０１０３】
（ＳＴＥＰ４）
式（１０）〜（１２）を用いて、位相λｉ（ｔ）の時間発展を規定する演算を実行する。その際、関数Ｆ２（θｉ（ｔ），λｉ（ｔ），｛Θｉｊ（ｔ）｜∀ｊ｝，｛Λｉｊ（ｔ）｜∀ｊ｝）の値は、式（１９）より得られるノード番号ｕ及び以下の式（２０）を用いて算出する。
【数１２】
2008005050.tif 000014
【０１０４】
式（２０）において、関数ｆ２は、位相差θｉ（ｔ）−ｍλｉ（ｔ）あるいはΘｉｕ（ｔ）−ｍλｉ（ｔ）を０にする特性を有する関数であり、例えば、以下の式（２１）に示す関数を適用することができる。但し、関数ｆ２の関数形は、これに限定されない。位相差θｉ（ｔ）−ｍλｉ（ｔ）あるいはΘｉｕ（ｔ）−ｍλｉ（ｔ）は、２πを加算した値にｍｏｄ２πの演算を施すことにより、便宜的に区間０≦θｉ（ｔ）−ｍλｉ（ｔ）＜２π、０≦Θｉｕ（ｔ）−ｍλｉ（ｔ）＜２πの値を取る。
【数１３】
2008005050.tif 000015
【０１０５】
関数Ｆ２が上記の特性を有することにより、自ノードｉが他ノードｊとの間に形成した位相関係を壊すことなく、第１階層演算部１２１と第２階層演算部１２２との間に一定の位相関係が形成される。これは、「第２階層演算部１２２が１周期位相を進める期間に、第１階層演算部１２１がｍ周期位相を進めて、２つの位相θｉ（ｔ）とλｉ（ｔ）が一致する」という一連の動作を繰り返す関係（ｍ：１の整数比の周期で同期した関係）である。
【０１０６】
このようにして、第１階層演算部１２１と第２階層演算部１２２が、それぞれ他ノードとの間に均等な位相差を形成すると共に、両者が整数比の周期で同期した関係を形成することにより、多重化した周期構造に基づく不均等なタイムスロット割当を実現可能にしている。
【０１０７】
多重化した周期構造における位相状態を管理して、不均等なタイムスロット割当を実行する機能を担う部分が、状態管理部１２３である。第１の実施形態の特徴は、この状態管理部１２３の機能により、タイムスロット割当を不均等に行う際の比率を、様々に制御することを可能にした点にある。状態管理部１２３の具体的な動作については、後述の「タイムスロット割当の実現形態の例に関する説明」において説明する。
【０１０８】
式（１０）〜（１２）で示した演算などは、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。また、ルンゲ・クッタ法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（１０）〜（１２）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】
以上では、第２階層演算部１２２が実行する式（１０）〜（１２）について説明した。
【０１１０】
次に、第２階層演算部１２２の仮想ノードモデル計算手段１２２２による仮想位相Λｉｊ（ｔ）の算出方法について説明する。但し、仮想ノードモデル計算手段１２２２の動作は、インパルス信号の発信方法と深く関連する。そこで、以下では、まず、第１の実施形態におけるインパルス信号の発信方法について説明し、その後に、仮想位相Λｉｊ（ｔ）の算出方法について説明する。
【０１１１】
以下では、「インパルス信号にノード識別番号（ＩＤ情報）を付加しない場合」を想定して説明するが、「インパルス信号にノード識別番号を付加する場合」も同様の方法で仮想位相Λｉｊ（ｔ）を算出することができる。
【０１１２】
（Ａ−２−１−２−１）インパルス信号の発信方法の説明
ノーマルノードは、自ノードｉの第１階層演算部１２１における非線形振動の位相θｉ（ｔ）に基づいて、インパルス信号を発信する。すなわち、位相θｉ（ｔ）が特定の値（例えばθｉ（ｔ）＝０）のとき、インパルス信号を発信する。従って、インパルス信号は、第１階層演算部１２１の振動周期で発信される。さらに、各ノードが発信するインパルス信号には、自ノードｉがノーマルノードであることを示す識別情報が付加される。
【０１１３】
一方、バイパスノード及び非バイパスノードは、収束過程（過渡状態）と収束状態（定常状態）とで、インパルス信号を発信する方法が異なる。ここで、収束状態とは、後述の「収束判定手段の説明」における第２段階の収束判定で「第２の収束状態」と判定された状態を意味する。また、収束過程とは、同様に、「第２の収束状態」と判定されていない状態を意味する。以後、単に収束過程あるいは収束状態と表現した場合は、同様の意味を表す。
【０１１４】
以下、バイパスノード及び非バイパスノードにおけるインパルス信号の発信方法について説明する。
【０１１５】
（イ）収束過程におけるインパルス信号の発信方法
収束過程（過渡状態）では、自ノードｉの第１階層演算部１２１における非線形振動の位相θｉ（ｔ）に基づいて、インパルス信号を発信する。すなわち、位相θｉ（ｔ）が特定の値（例えば、θｉ（ｔ）＝０）のとき、インパルス信号を発信する。従って、インパルス信号は、第１階層演算部１２１の振動周期で発信される。さらに、各ノードが発信するインパルス信号には、以下の情報（ａ）、（ｂ）を付加する。
【０１１６】
（ａ）自ノードｉの第２階層演算部１２２における非線形振動の位相λｉ（ｔ）。すなわち、インパルス信号の発信時刻ｔにおける位相λｉ（ｔ）の値。ここで、ωｉ１＞ωｉ２（すなわち、Ｔｉ１＜Ｔｉ２）であるから、インパルス信号に付加される位相λｉ（ｔ）の値は、０≦λｉ（ｔ）＜２πにおける離散的な値を取る。
【０１１７】
（ｂ）自ノードｉが、バイパスノード及び非バイパスノードのどちらに該当するかを示す識別情報。
【０１１８】
（ロ）収束状態におけるインパルス信号の発信方法
以下の２つの場合（ａ）、（ｂ）で、インパルス信号を発信する方法が異なる。以下の２つの場合が示す期間の意味は、後述の「タイムスロット割当の実現形態の例の説明」において説明する。
【０１１９】
（ａ）相互作用範囲内の全ノードがタイムスロットを獲得している期間
収束過程におけるインパルス信号の発信方法と同様である。
【０１２０】
（ｂ）相互作用範囲内のバイパスノードのみタイムスロットを獲得している期間
非バイパスノードは、インパルス信号の発信を停止する。バイパスノードのみ、自ノードｉの第２階層演算部１２２における非線形振動の位相λｉ（ｔ）に基づいて、インパルス信号を発信する。すなわち、位相λｉ（ｔ）が特定の値（例えば、λｉ（ｔ）＝０）のとき、インパルス信号を発信する。従って、インパルス信号は、第２階層演算部１２２の振動周期で発信される。各ノードが発信するインパルス信号には、情報が付加されない。
【０１２１】
（Ａ−２−１−２−２）仮想ノードモデル計算手段１２２２による仮想位相Λｉｊ（ｔ）の算出方法
（Ａ−２−１−２−２−１）収束過程及び収束状態における「相互作用範囲内の全ノードがタイムスロットを獲得している期間Ａ」の場合
この期間は、全ノードがインパルス信号を発信する。自ノードｉの第１階層演算部１２１における非線形振動の位相θｉ（ｔ）が特定の値（例えば、θｉ（ｔ）＝０）のとき、インパルス信号を発信する。
【０１２２】
自ノードｉの第２階層演算部１２２における仮想ノードモデル計算手段１２２２では、他ノードｊから受信したインパルス信号に付加された「当該ノードの第２階層演算部１２２における位相λｊ（ｔ）」を用いる。以下に、位相λｊ（ｔ）を用いた仮想位相Λｉｊ（ｔ）の算出方法を示す。
【０１２３】
自ノードｉの第２階層演算部１２２では、他ノードｊからインパルス信号を受信した際に、その発信元ノードｊに対する仮想位相モデルを生成する。この処理は、自ノードｉの第１階層演算部１２１における仮想位相モデルの生成と同時に（連動して）実行する。すなわち、第１階層演算部１２１において、仮想位相モデルを生成する所定条件が満足された場合に実行する。従って、自ノードｉの内部には、他ノードｊに対する仮想位相モデルが、第１階層演算部１２１と第２階層演算部１２２とに対を成した形で生成される。このような同一の他ノードｊに対する一対の仮想位相モデルは、接続関係を結んで対応付けが可能な状態にしておく。但し、他ノードｊがノーマルノードの場合、第２階層演算部１２２は当該ノードｊに対する仮想位相モデルの生成を行なわない。従って、ノーマルノードに対する仮想位相モデルは、第１階層演算部１２１だけで生成される。一方、バイパスノード及び非バイパスノードに対する仮想位相モデルは、第１階層演算部１２１と第２階層演算部１２２との両方で生成される。
【０１２４】
また、自ノードｉの第１階層演算部１２１において、ある仮想位相モデルを消滅させる条件が満足された場合、第２階層演算部１２２では、それと接続関係で結ばれた対応する仮想位相モデルを同時に（連動して）消滅させる。従って、仮想位相モデルの消滅処理が実行された場合においても、常に、存在する仮想位相モデルは、第１階層演算部１２１と第２階層演算部１２２とに対を成した状態を維持する。
【０１２５】
第２階層演算部１２２に生成される仮想位相モデルの最も簡単な場合の例は、式(２２)で与えられる。
【数１４】
2008005050.tif 000016
【０１２６】
但し、０≦Λｉｊ（ｔ）＜２πとする。また、Ωｉｊ２は、自ノードｉにおける他ノードｊに対する仮想位相モデルの固有角振動数パラメータ（以下、仮想固有角振動数パラメータと呼ぶ）を表している。仮想固有角振動数パラメータΩｉｊ２は、最も簡単な場合の例として、自ノードｉの固有角振動数パラメータωｉ２と同一の値を設定する。但し、この場合、予め各ノードの固有角振動数パラメータωｉ２は、システム全体で同一の値に統一しておく。
【０１２７】
式（２２）は、他ノードｊに対する仮想位相Λｉｊ（ｔ）が、仮想固有角振動数パラメータΩｉｊ２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。仮想位相Λｉｊ（ｔ）を算出する際の初期位相（初期値）は、他ノードｊから受信したインパルス信号に付加された位相λｊ（ｔ）の値を用いる。以後、他ノードｊからインパルス信号を受信するたびに、その時刻における仮想位相Λｉｊ（ｔ）の値を位相λｊ（ｔ）の値にリセットして、式（２２）に基づく演算を実行する。これにより、他ノードｊに対する仮想位相Λｉｊ（ｔ）を算出する。
【０１２８】
式（２２）に示した演算も、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、ソフトウェアとしてノード上に実装可能である。また、式（２２）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。
【０１２９】
（Ａ−２−１−２−２−２）収束状態における「相互作用範囲内のバイパスノードのみタイムスロットを獲得している期間Ｂ」の場合
この期間は、バイパスノードのみインパルス信号を発信する。バイパスノードｊは、第２階層演算部１２２における非線形振動の位相λｊ（ｔ）が特定の値（例えば、λｊ（ｔ）＝０）のとき、インパルス信号を発信する。
【０１３０】
自ノードｉの第２階層演算部１２２における仮想ノードモデル計算手段１２２２２では、上記の期間Ａに生成された仮想位相モデル式である式（２２）に基づく演算を実行することにより、仮想位相Λｉｊ（ｔ）の値を算出する。但し、他ノードｊ（バイパスノードｊ）からインパルス信号を受信するたびに、その時刻における当該ノードに対する仮想位相Λｉｊ（ｔ）の値を、上記の「位相λｊ（ｔ）の特定の値（例えば、λｊ（ｔ）＝０）」にリセットして、式（２２）に基づく演算を実行する。
【０１３１】
以上、仮想ノードモデル計算手段１２２２による仮想位相Λｉｊ（ｔ）の算出方法について説明した。
【０１３２】
（Ａ−２−３）タイムスロット割当の実現形態の例に関する説明
次に、本発明におけるタイムスロット割当の実現形態の例について説明する。状態管理部１２３の機能により、タイムスロット割当を不均等に行う際の比率を、様々に制御することを可能にしている。
【０１３３】
以下では、式（１）における関数Ｒ１（ΔΘｉｊ（ｔ））及び式（１０）における関数Ｒ２（ΔΛｉｊ（ｔ））として、上記特許文献３に記載されている均等な位相差を形成する機能をもつ位相応答関数を用いるとする。上記特許文献３に記載の位相応答関数は、１周期の分割教（タイムスロット数に対応）を決定する定数パラメータｐを有する。以下では、関数Ｒ１（ΔΘｉｊ（ｔ））及び関数Ｒ２（ΔΛｉｊ（ｔ））に対する１周期の分割数を、それぞれｐ１、ｐ２とする。定数パラメータｐ１、ｐ２の値は、例えば、実験的に決定される。
【０１３４】
図８は、あるバイパスノードに着目した場合に、収束状態において、相互作用範囲内のノード間に形成される位相関係の最も簡単な例を示している。図８は、ｐ１＝９、ｐ２＝６とした場合の例であり、上段は第２階層演算部１２２に形成される位相関係を示し、下段は第１階層演算部１２１に形成される位相関係を示している。図８において、第１階層演算部１２１は、１周期をｐ１等分（すなわち、９等分）する位相関係を形成し、また、第２階層演算部１２２は、１周期をｐ２等分（すなわち、６等分）する位相関係を形成する。また、図８において、黒丸はバイパスノードの位相状態を示し、白丸は非バイパスノードの位相状態を示し、第２階層演算部１２２の非バイパスノードが重なっている部分は、複数のノードが位相を一致させた状態で動作（図９の円上を回転運動）していることを表している。
【０１３５】
図８に示すような第１階層演算部１２１及び第２階層演算部１２２の双方の状態を状態管理部１２３が管理し、第１階層演算部１２１及び第２階層演算部１２２の双方の状態に基づいて、自ノードでのタイムスロットを認識する。
【０１３６】
今、図８（ａ）の状態にあるときの時刻を仮にｔ＝ｔ０とする。図８（ｂ）及び図８（ｃ）は、それぞれ時刻ｔ＝ｔ０＋Ｗｉ２、ｔ＝ｔ０＋Ｔｉ２の状態を示している。ここで、Ｔｉ２は、収束状態における第２階層演算部１２２の周期（図８では回転周期に対応）を表し、Ｗｉ２は、周期Ｔｉ２を第２階層演算部１２２における１周期の分割数ｐ２で割った値Ｗｉ２＝Ｔｉ２／ｐ２を表している。
【０１３７】
（Ａ−２−３−１)時刻ｔ＝ｔ０からｔ＝ｔ０＋Ｗｉ２の期間の動作
時刻ｔ＝ｔ０からｔ＝ｔ０＋Ｗｉ２の期間に、第２階層演算部１２２における非バイパスノード群（白丸のノード群）は、位相を０から２π／ｐ２まで進める（図８（ｂ）に示すように、第２階層演算部１２２に矢印で示された量だけ位相を進める）。一方、第１階層演算部１２１は、同一期間に位相をｎ周期だけ進める（円上をｎ回転する）。すなわち、Ｗｉ２＝Ｔｉ２／ｐ２＝ｎＴｉ１である。ここで、ｎは、式（２３）を満足するように決定するパラメータである。図８の例では、ｐ２＝６の場合であるから、τ＝１のとき、ｎ＝６となる。τの値を可変することにより、ｎの値を様々に変化させることができる。
【数１５】
2008005050.tif 000017
【０１３８】
第１階層演算部１２１がｎ周期だけ位相を進める期間のうち、第１周期を「相互作用範囲内の全ノードがタイムスロットを獲得する期間」とする。各ノードは、第１階層演算部１２１の１周期をｐ１等分した期間（図８（ｂ）において第１階層演算部１２１の円内部に矢印で示された量だけ位相を進める期間）、Ｗｉ１＝Ｔｉ１／ｐ１をタイムスロットとして獲得する。ここで、Ｔｉ１は、収束状態における第１階層演算部１２１の周期（図８では回転周期に対応）を表している。
【０１３９】
続く第２周期は、図８（ｂ）における第２階層演算部１２２のノード１が、タイムスロットを獲得する期間とし、続く第３周期は、図８（ｂ）における第２階層演算部１２２のノード２が、タイムスロットを獲得する期間とする。以後、同様にして各ノード３、４がタイムを獲得し、第６周期では、図８（ｂ）における第２階層演算部１２２のノード５が、タイムスロットを獲得する。
【０１４０】
ｐ２＝６、τ＝１の場合には、ｎ＝６であるから、第６周期までであるが、ｐ２＝６、τ≧２の場合、ｎの値は１１以上になる。この場合、第７周期は、図８（ｂ）における第２階層演算部１２２のノード１、第８周期は、図８（ｂ）における第２階層演算部１２２のノード２というように、再度、バイパスノードが順にタイムスロットを獲得する。
【０１４１】
以上のように、第２周期以降は、第２階層演算部１２２に形成されたノード間の位相関係によって規定される順序関係に従って、バイパスノードだけがタイムスロットを順に獲得する。従って、第１階層演算部１２１がｎ周期だけ位相を進める期間のうち、第１周期以外は「バイパスノードのみタイムスロットを獲得する期間」となる。この期間の長さは、τの値を可変することにより、様々に変化させることが可能である。
【０１４２】
（Ａ−２−３−２）時刻ｔ＝ｔ０＋Ｗｉ２からｔ＝ｔ０＋Ｔｉ２の期間の動作
時刻ｔ＝ｔ０＋Ｗｉ２からｔ＝ｔ０＋Ｔｉ２の期間に、第２階層演算部１２２における非バイパスノード群（白丸のノード群）は、位相を２π／ｐ２から２πまで進める（図８（ｃ）に示すように、第２階層演算部１２２の円外部に矢印で示された量だけ位相を進める）。一方、第１階層演算部１２１は、同一期間に位相をｎ（ｐ２−１）周期だけ進める（円上をｎ（ｐ２−１）回転する）。例えば、ｐ２＝６、τ＝１の場合には、ｎ＝６であるから、ｎ（ｐ２−１）＝３０となり、位相を３０周期だけ進める。また例えば、ｐ２＝６、τ＝２の場合には、ｎ＝１１であるから、ｎ（ｐ２−１）＝５５となり、位相を５５周期だけ進める。この期間を、「バイパスノードのみタイムスロットを獲得する期間」とする。各ノードは、第２階層演算部１２２の１周期をｐ２等分した期間（図８（ｃ）において第２階層演算部１２２の円内部に矢印で示された量だけ位相を進める期間）、Ｗｉ２＝Ｔｉ２／ｐ２＝ｎＴｉ１をタイムスロットとして獲得する。
【０１４３】
以上のように、パラメータτの値により、非バイパスノードとバイパスノードとの割当タイムスロットの比率が変化する。
【０１４４】
上述の「第２階層演算部１２２の動作説明」では、式（１５）に示したように、第１階層演算部１２１及び第２階層演算部１２２における固有振動数パラメータの値を、その比が、ωｉ１／ωｉ２＝ｍ（ｍ：整数値）となるように決定することを説明した。これは、収束状態における振動周期の比を、Ｔｉ２／Ｔｉ１＝ｍとすることに対応する。すなわち、「第２階層演算部１２２が１周期だけ位相を進める期間に、第１階層演算部１２１がｍ周期位相を進める」ことを意味する。さらに、式（１６）において、このｍの値は、ｍ＝ｎｐ２を満足するように決定することを示した。これは、振動周期の比を、第２階層演算部１２２における１周期の分割数ｐ２の整数ｎ倍に設定することを表している。
【０１４５】
ここでは、式（１６）における整数値ｎを、式（２３）を満足するように決定する。従って、式（２４）が得られる。τの値を可変することは、振動周期の比を変化させることになり、τの値を大きくするほど、振動周期の比が大きくなり、「バイパスノードのみタイムスロットを獲得する期間」の割合が相対的に増加する。
【数１６】
2008005050.tif 000018
【０１４６】
図９は、上述した図８の動作に対応するタイムスロット割当の例である。図９におけるノードＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、図１０に示すノード配置形態と相互作用範囲の例におけるノードＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄに対応している。ノードＡ〜Ｃがバイパスノードであり、ノードＤが非バイパスノードである。ノードＡ〜Ｃはそれぞれ、図８におけるノード１、２、３に対応するとみなしても良く、ノードＤは、図８におけるノード０に対応するとみなしても良い。
【０１４７】
図９において、時刻ｔ＝ｔ０からｔ＝ｔ０＋Ｗｉ２の期間は、「相互作用範囲内の全ノードがタイムスロットを獲得する期間」及び「バイパスノードのみタイムスロットを獲得する期間」から構成され、続く時刻ｔ＝ｔ０＋Ｗｉ２からｔ＝ｔ０＋Ｔｉ２の期間は、「バイパスノードのみタイムスロットを獲得する期間」であることを示している。
【０１４８】
このような多重化された時間構造は周期的に繰り返される。このような形態をとることによって、バイパスノードの発信する割合を大幅に増加させることが可能になる。その際、非バイパスノードは発信する割合を低下させるだけで、決して発信を停止するわけではない。非バイパスノードによる周期的な発信を確保しつつ、バイパスノードが大きな割合で発信することができる。
【０１４９】
さらに、第１の実施形態では、τの値を可変することにより、「相互作用範囲内の全ノードがタイムスロットを獲得する期間」と「バイパスノードのみタイムスロットを獲得する期間」との比率を様々に制御することができる。τの値を大きくするほど、１周期Ｔｉ２の期間内に存在する「バイパスノードのみタイムスロットを獲得する期間」の割合が相対的に増加する。この割合は、原理的にはいくらでも大きくすることが可能である。このように、パラメータτの値を可変することにより、バイパスノードと非バイパスノードに対するタイムスロット割当の比率を様々に制御することを可能にしている。この点が、第１の実施形態の大きな特徴をなしている。
【０１５０】
従って、第１の実施形によれば、種々のアプリケーションの要求に応じた様々な多重化された時間構造を有するタイムスロット割当を実現することが可能になる。
【０１５１】
（Ａ−２−４）収束判定手段１７
図１に戻り、収束判定手段１７の機能について説明する。収束判定手段１７は、通信タイミング計算手段１２により処理された処理結果に基づいて収束したか否かを判定するものである。すなわち、収束判定手段１７は、相互作用範囲内のノード間におけるタイムスロット割当の相互調整が収束したか否かを判定する。
【０１５２】
ここで、収束判定手段１７による収束判定方法には、種々の方法があるが、例えば、次に示す方法がある。収束判定手段１７は、各ノード単位に収束判定を行うものであり、次の２段階で収束判定結果を出力する。
【０１５３】
（Ａ−２−４−１）第１段階の収束判定
上述した「ＳＴＥＰ２」の処理過程で、「第１階層演算部１２１において、他ノードとの間に、ほぼ均等な位相差が形成された状態」を検出する。その際、第２階層演算部１２２において、同様の状態が形成されたか否かは問題にしない。この検出処理は、上述した「ＳＴＥＰ２」に記載したように、例えば、同調判定手段１４における定常状態の判定方法と同様にして行うことができる。
【０１５４】
第１階層演算部１２１は、元々、第２階層演算部１２２から影響を受けずに動作する構成になっているため、第１段階の収束判定では、まず、「第１階層演算部１２１において、他ノードとの間に、ほぼ均等な位相差が形成された状態」を検出し、「第１の収束状態」と判定する。
【０１５５】
「第１の収束状態」が検出された時点で、第１階層演算部１２１によるタイムスロット割当に基づくデータ通信を開始することが可能である。つまり、ノーマルノードと同様に「均等なタイムスロット割当によるデータ通信」を行うことができる。但し、一旦、データ通信を開始しても、その後、「第１階層演算部１２１において、他ノードとの間に、ほぼ均等な位相差が形成された状態」が崩れた場合、すなわち、「第１の収束状態」の条件を満たさなくなった場合は、データ通信を停止する。
【０１５６】
（Ａ−２−４−２）第２段階の収束判定
第２段階の収束判定では、以下の２つ条件［２段階−条件１］、［２段階−条件２］を共に（同時に）満足した場合に、「第２の収束状態」と判定する。「第２の収束状態」の条件を満足した場合に、第１階層演算部１２１と第２階層演算部１２２の両方を用いた不均等なタイムスロット割当に基づくデータ通信を開始することができる。但し、一旦、データ通信を開始しても、その後、条件を満たさなくなった場合は、データ通信を停止する。再度、ノード間における位相関係を形成する動作を実行し、「第１の収束状態」あるいは「第２の収束状態」の条件が満足されるまではデータ通信は実行しない。
【０１５７】
［２段階−条件１］
「第１階層演算部１２１及び第２階層演算部１２２のそれぞれにおいて、他ノードとの間に、ほぼ均等な位相差が形成された状態」である。この状態の検出処理は、例えば、同調判定手段１４における定常状態の判定方法と同様にして行うことができる。
【０１５８】
［２段階−条件２］
式（４）〜（６）において、ｋＦ２≠０の条件の下で、関数Ｆ２（θｉ（ｔ），λｉ（ｔ），｛Θｉｊ（ｔ）｜∀ｊ｝，｛Λｉｊ（ｔ）｜∀ｊ｝）＝０の状態が一定期間以上持続する。
【０１５９】
（Ａ−２−５）インパルス信号送信手段１３
インパルス信号送信手段１３は、ノーマルノードの場合、自ノードｉの第１階層演算部１２１における非線形振動の位相θｉ（ｔ）に基づいて、インパルス信号を発信するものである。すなわち、位相θｉ（ｔ）が特定の値（例えば、θｉ（ｔ）＝０）のとき、インパルス信号を発信する。従って、インパルス信号は、第１階層演算部１２１の振動周期で発信される。さらに、各ノードが発信するインパルス信号には、自ノードｉがノーマルノードであることを示す識別情報を付加する。
【０１６０】
一方、インパルス信号送信手段１３は、バイパスノード及び非バイパスノードの場合、収束過程（過渡状態）と収束状態（定常状態）とで、インパルス信号を発信する方法が異なる。以下では、バイパスノード及び非バイパスノードの場合におけるインパルス信号の発信方法について説明する。
【０１６１】
（Ａ−２−５−１）収束過程におけるインパルス信号の発信方法
収束過程では、自ノードｉの第１階層演算部１２１における非線形振動の位相θｉ（ｔ）に基づいて、インパルス信号を発信する。すなわち、位相θｉ（ｔ）が特定の値（例えば、θｉ＝０）のとき、インパルス信号を発信する。従って、インパルス信号は、第１階層演算部１２１の振動周期で発信される。さらに、各ノードが発信するインパルス信号には、以下の情報（ａ）、（ｂ）を付加する。
【０１６２】
（ａ）自ノードｉの第２階層演算部１２２における非線形振動の位相λｉ（ｔ）。すなわち、インパルス信号の発信時刻ｔにおける位相λｉ（ｔ）の値。なお、ωｉ１＞ωｉ２（すなわち、Ｔｉ１＜Ｔｉ２）であるから、インパルス信号に付加される位相λｉ（ｔ）の値は、０≦λｉ（ｔ）＜２πにおける離散的な値を取る。
【０１６３】
（ｂ）自ノードｉが、バイパスノード及び非バイパスノードのどちらに該当するかを示す識別情報。
【０１６４】
（Ａ−２−５−２）収束状態におけるインパルス信号の発信方法
以下の２つの場合（ア）、（イ）で、インパルス信号を発信する方法が異なる。
【０１６５】
（ア）相互作用範囲内の全ノードがタイムスロットを獲得している期間
収束過程におけるインパルス信号の発信方法と同様である。
【０１６６】
（イ）相互作用範囲内のバイパスノードのみタイムスロットを獲得している期間
非バイパスノードは、インパルス信号の発信を停止する。バイパスノードのみ、自ノードｉの第２階層演算部１２２における非線形振動の位相λｉ（ｔ）に基づいて、インパルス信号を発信する。すなわち、位相λｉ（ｔ）が特定の値（例えば、λｉ（ｔ）＝０）のとき、インパルス信号を発信する。従って、インパルス信号は、第２階層演算部１２２の振動周期で発信される。各ノードが発信するインパルス信号には、特に情報を付加する必要はない。
【０１６７】
（Ａ−２−６）インパルス信号受信手段１１
インパルス信号受信手段１１は、相互作用範囲内の他ノードｊが発信したインパルス信号を受信して、付加された情報を検出する。
【０１６８】
（Ａ−３）第１の実施形態の効果
第１の実施形態では、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当の相互調整を行うデータ通信方法において、通信タイミング計算手段が、周期の異なる非線形振動子モデルを複数備え、これらを協調動作させることによって、相互作用範囲内のノード間において多重化された位相関係を形成する力学的特性を有する相互作用演算を実行する。
【０１６９】
これにより、相互作用範囲内のノード間に多重化された時間構造が形成され、特定のノード（バイパスノード）に大きな割合でタイムスロットを割り当てるような不均等なタイムスロット割当を行う通信形態（すなわち、発信の機会がノード間で不均等に与えられる通信形態）を実現することが可能になる。ここで、非バイパスノードによる周期的な発信を確保しつつ、バイパスノードが非常に大きな割合で発信することができる。
【０１７０】
また、パラメータτの値を可変することにより、「相互作用範囲内の全ノードがタイムスロットを獲得する期間」と「バイパスノードのみタイムスロットを獲得する期間」との比率を様々に制御することができる。τの値を大きくするほど、１周期Ｔｉ２の期間内に存在する「バイパスノードのみタイムスロットを獲得する期間」の割合が相対的に増加する。この割合は、原理的にはいくらでも大きくすることが可能である。このように、パラメータτの値を可変することにより、バイパスノードと非バイパスノードに対するタイムスロット割当の比率を様々に制御することができる。
【０１７１】
その結果、種々のアプリケーションの要求に応じた様々な多重化された時間構造を有するタイムスロット割当を実現することが可能になる。
【０１７２】
（Ｂ）第２の実施形態
次に、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を、センサネットワークに適用した第１の実施形態を、図面を参照しながら詳説する。
【０１７３】
第２の実施形態も、特定のノード（バイパスノード）に大きな割合でタイムスロットを割り当てる不均等なスロット割当形態を実現するものであり、ノードの内部構成や動作は、第１の実施形態とほぼ同様である。
【０１７４】
しかし、第２の実施形態では、通信タイミング計算手段１２における状態管理部１２３の動作が、第１の実施形態のものとは異なっている。そのため、タイムスロットの割当形態に、第１及び第２の実施形態間で違いが生じる。
【０１７５】
以下、第２の実施形態におけるタイムスロットの割当方法について説明する。以下の説明で用いる記号が表す意味は、第１の実施形態と同一である。各ノードにおけるタイムストの割当は、状態管理部１２３が管理している自ノード及び周辺ノードの状態をも利用して実行される。
【０１７６】
図１１は、第２の実施形態におけるタイムスロット割当の例を示す図面であり、第１の実施形態に係る図９に対応する図面である。従って、図１１におけるノードＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、図９のノード配置形態と相互作用範囲の例に示すノードＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄに対応している。
【０１７７】
図１１において、周期Ｔｉ２の期間における動作は、次の２つの場合（ｂ１）、（ｂ２）に分けることができる。
【０１７８】
（ｂ１）時刻ｔ＝ｔ０からｔ＝ｔ０＋Ｗｉ２の期間の動作
（ｂ２）時刻ｔ＝ｔ０＋Ｗｉ２からｔ＝ｔ０＋Ｔｉ２の期間の動作
上記（ｂ１）の期間の動作は第１の実施形態と同様であるが、上記（ｂ２）の期間の動作は第１の実施形態と異なる。以下、図１１を用いて、第２の実施形態における上記（ｂ２）の期間の動作について説明する。
【０１７９】
時刻ｔ＝ｔ０＋Ｗｉ２からｔ＝ｔ０＋Ｔｉ２の期間は、「バイパスノードのみタイムスロットを獲得する期間」である。第１の実施形態では、各バイパスノードが、第２階層演算部１２２の１周期をｐ２等分した期間（図８（ｃ）において第２階層演算部１２２の円内部に矢印で示された量だけ位相を進める期間）だけＷｉ２＝Ｔｉ２／ｐ２＝ｎＴｉ１をタイムスロットとして獲得した。このタイムスロットは、第１階層演算部１２１のｎ周期に相当する。第２の実施形態では、第１の実施形態において、１個のバイパスノードが獲得していた上記のタイムスロットをｎ等分して、複数のバイパスノードに分配する。すなれち、第１階層演算部１２１におけるｎ周期の期間を、１周期を単位とするタイムスロットとして、複数のバイパスノードに分配する。
【０１８０】
このようなｎ周期の期間のうち、第１周期は、第１の実施形態において、タイムスロットを獲得していた１個のバイパスノードが、同様にタイムスロットを獲得する期間とする。続く第２周期は、図８（ｂ）における第２階層演算部１２２のノード１が、タイムスロットを獲得する期間とし、続く第３周期は、図８（ｂ）における第２階層演算部１２２のノード２が、タイムスロットを獲得する期間とする。以後、同様に、第４周期〜第６周期は、図８（ｂ）における第２階層演算部１２２のノード３〜５が、タイムスロットを獲得する期間とする。
【０１８１】
ｐ２＝６、τ＝１の場合は、ｎ＝６であるから第６周期までであるが、ｐ２＝６、τ≧２の場合、ｎの値は１１以上になる。この場合、第７周期は、図８（ｂ）における第２階層演算部１２２のノード１、第８周期は、図８（ｂ）における第２階層演算部１２２のノード２というように、再度、バイパスノードが順にタイムスロットを獲得する。このように、第２階層演算部１２２に形成されたノード間の位相関係によって規定される順序関係に従って、バイパスノードだけがタイムスロットを順に獲得する。
【０１８２】
第２の実施形態においては、上述のように、時刻ｔ＝ｔ０＋Ｗｉ２からｔ＝ｔ０＋Ｔｉ２の期間におけるタイムスロット割当は、複数のバイパスノードが、第１階層演算部１２１の周期Ｔｉ１を単位として、タイムスロットを順に獲得する形態が実現される。上述した第１の実施形態では、上記期間におけるタイムスロットは、Ｗｉ２＝Ｔｉ２／ｐ２＝ｎＴｉ１を単位としていたが、複数のバイパスノードに対して、より小さい時間間隔でタイムスロット割当を行うことが求められる場合は、第２の実施形態が示す形態の方が有利となる。
【０１８３】
第２実施形態においても、第１の実施形態と同様に、τの値を可変することにより、「相互作用範囲内の全ノードがタイムスロットを獲得する期間」と「バイパスノードのみタイムスロットを獲得する期間」との比率を様々に制御することができる。
【０１８４】
従って、本発明によれば、種々のアプリケーションの要求に応じた様々な多重化された時間構造を有するタイムスロット割当を実現することが可能になる。
【０１８５】
（Ｃ）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。
【０１８６】
（Ｃ−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。
【０１８７】
（Ｃ−２）上述した実施形態において、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。特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。
【０１８８】
（Ｃ−３）上述した実施形態において、固有角振動数パラメータωｉ１及びωｉ２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、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ωｉ１及びωｉ２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ωｉ１及びωｉ２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動作させるようにしても良い。
【０１８９】
（Ｃ−４）上述した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、（１）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。
【０１９０】
また、位相θｉ（ｔ）の時間発展を時間軸方向に離散化して扱う方法や、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。
【０１９１】
（Ｃ−５）上述した実施形態では、非線形振動をモデル化した数式として、（１）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。
【０１９２】
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「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。
【０１９３】
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。
【０１９４】
（Ｃ−６）上記各実施形態では、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（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。
【０１９５】
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。
【０１９６】
（Ｃ−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。
【０１９７】
（Ｃ−８）上述した実施形態では、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。
【０１９８】
（Ｃ−９）上述した実施形態では、位相Δθｉ（ｔ）に対し、衝突率を、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。
【０１９９】
（Ｃ−１０）本願発明に関係する先願特許出願に係る特許文献として、上述した特許文献１〜特許文献５があり、これら特許文献には多数の変形実施形態が記載されている。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。
【０２００】
（Ｃ−１１）上述した実施形態において、ノーマルノードは、上述した不均等なタイムスロット割当を行なう通信形態と、ほぼ均等なタイムスロット割当を行なう通信形態とを、ネットワーク内に共存させることが可能である。
【０２０１】
また、局所的に発生した大量のデータを優先伝送するバイパスを形成する形態のタイムスロット割当が実現されると、そのバイパスノード群から空間的に離れた位置に存在するノーマルノード群の領域では、ほぼ均等なタイムスロット割当が実現される。従って、ネットワーク内の各ノードによって発生するトラヒックが大きく異なる状況に対処及び適応可能な極めて効率的な通信が実現される。
【０２０２】
（Ｃ−１２）本発明は、ノード間で送受信される相互作用信号としてインパルス信号を用い、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導入した形態を想定して説明したが、本発明の適用はこの形態に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【０２０３】
【図１】第１の実施形態のノードの主たる構成を示す機能ブロック図である。
【図２】従来の通信システムの構成を示すノード配置図である。
【図３】第１の実施形態の通信システムの構成を示すノード配置図である。
【図４】第１の実施形態のノードの構成を示す機能ブロック図である。
【図５】第１の実施形態におけるノード間の同調の説明図（１）である。
【図６】第１の実施形態におけるノード間の同調の説明図（２）である。
【図７】第１の実施形態の仮想ノードモデル計算手段の機能を説明する機能ブロック図である。
【図８】第１の実施形態の相互作用範囲内のノード間に形成される位相関係例を説明する説明図である。
【図９】第１の実施形態のタイムスロット割当の様子を説明する説明図である。
【図１０】図９におけるノードＡ〜Ｄの配置を示すノード配置図である。
【図１１】第２の実施形態のタイムスロット割当の様子を説明する説明図である。
【符号の説明】
【０２０４】
１０…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…同調判定手段、１５…データ通信手段、１７…収束判定手段、１２１…第１階層演算部、１２２…第２階層演算部、１２３…状態管理部、１２１１及び１２２１…非線形振動計算手段、１２１２及び１２２２…仮想ノードモデル計算手段。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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