(57)【要約】【課題】近傍ノードとの間の通信タイミングを自律分散的に求める際に、タイミング制御信号のオーバーヘッドを小さくすることができ、低遅延であり、かつ、高いデータ通信効率を得る。【解決手段】本発明の通信制御装置は、近傍ノードからの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、近傍ノードのタイミング制御信号の受信に基づいて、自ノードのデータ発信タイミングを決定する通信タイミング計算手段と、自ノードのデータ発信を表す位相が反映されたタイミング制御信号を送信するタイミング制御信号送信手段と、各近傍ノードとの間でデータ信号を送受信するデータ通信手段と、通信タイミング計算手段により決定された自ノードの位相状態に基づいて、タイミング制御信号及びデータ信号の送信態様を制御する位相状態管理手段とを備える。【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通信制御装置において、
１又は複数の近傍ノードが送信した、上記各近傍ノードのデータ発信を表す位相が反映された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、
上記各近傍ノードのタイミング制御信号の受信タイミングに基づいて、自ノードの位相の状態を変化させ、自ノードのデータ発信タイミングを決定する通信タイミング計算手段と、
上記通信タイミング計算手段により決定された自ノードのデータ発信を表す位相が反映されたタイミング制御信号を送信するタイミング制御信号送信手段と、
上記各近傍ノードとの間でデータ信号を送受信するデータ通信手段と、
上記通信タイミング計算手段により決定された上記自ノードの位相状態に基づいて、上記タイミング制御信号及び上記データ信号の送信態様を制御する位相状態管理手段と
を備えることを特徴とする通信制御装置。
【請求項２】
上記状態管理手段は、上記通信タイミング計算手段により決定された上記自ノードの位相状態が収束状態であると判定した場合に、上記タイミング制御信号の送信期間を減らし、その代わりとして上記データ信号を送信させるよう制御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】
上記データ通信手段は、上記状態管理手段の制御の下、上記タイミング制御信号の代わりである旨を示す情報を上記データ信号に付加して送信す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】
上記通信タイミング計算手段が、受信したデータ信号に付加されている上記タイミング制御信号の代わりである旨を示す情報を確認すると、当該受信したデータ信号の受信タイミングに基づいて、自ノードのデータ発信タイミングを決定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】
上記通信タイミング計算手段が、上記各近傍ノードからの、上記タイミング制御信号及び上記タイミング制御信号の代わりに送信された上記データ信号に基づいて、上記各近傍ノードに対する仮想的な位相状態を算出するものであることを特徴とする請求項４に記載の通信制御装置。
【請求項６】
上記位相状態管理手段は、自ノードの位相状態の変化率又は変化速度が、所定時間変化しない状態を持続した場合に、自ノードの位相状態が収束状態であると判定することを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の通信制御装置。
【請求項７】
請求項１〜６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。
【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通信制御方法において、
タイミング制御信号受信手段が、１又は複数の近傍ノードが送信した、上記各近傍ノードのデータ発信を表す位相が反映された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、
通信タイミング計算手段が、上記各近傍ノードのタイミング制御信号の受信タイミングに基づいて、自ノードの位相の状態を変化させ、自ノードのデータ発信タイミングを決定する通信タイミング計算工程と、
タイミング制御信号送信手段が、上記通信タイミング計算手段により決定された自ノードのデータ発信を表す位相が反映されたタイミング制御信号を送信するタイミング制御信号送信工程と、
データ通信手段が、上記各近傍ノードとの間でデータ信号を送受信する通信データ通信工程と、
位相状態管理手段が、上記通信タイミング計算手段により決定された上記自ノードの位相状態に基づいて、上記タイミング制御信号及び上記データ信号の送信態様を制御させる位相状態管理工程と
を有することを特徴とする通信制御方法。
【請求項１０】
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プログラムにおいて、
コンピュータに、
１又は複数の近傍ノードが送信した、上記各近傍ノードのデータ発信を表す位相が反映された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、
上記各近傍ノードのタイミング制御信号の受信タイミングに基づいて、自ノードの位相の状態を変化させ、自ノードのデータ発信タイミングを決定する通信タイミング計算手段、
上記通信タイミング計算手段により決定された自ノードのデータ発信を表す位相が反映されたタイミング制御信号を送信するタイミング制御信号送信手段、
上記各近傍ノードとの間でデータ信号を送受信するデータ通信手段、
上記通信タイミング計算手段により決定された上記自ノードの位相状態に基づいて、上記タイミング制御信号及び上記データ信号の送信態様を制御させる位相状態管理手段
として機能させる通信制御プログラム。
【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、通信プログラム、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型無線通信ネットワークやＬＡＮ（Local  Area  Network）等のように、複数の機器から構成されるネットワークシステムにおいて、分散配置された多数のノードや移動体に配置されたノードが、電波干渉等による通信データの衝突を回避しながら、相互にデータ通信を行なうことができる通信制御装置、方法及びプログラムや、又はこれを実現するノードに適用し得る。
【背景技術】
【０００２】
例えば、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に記載される技術がある。
【０００３】
特許文献１〜７に記載の通信制御装置及び方法は、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（自ノードのデータ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なう。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。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、ここではインパルス信号をタイミング制御信号と呼ぶ。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なう相互作用範囲に対応する。
【０００４】
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。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。
【０００５】
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に記載される仮想位相）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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−９４６６３号公報
【特許文献２】特開２００６−７４６１７号公報
【特許文献３】特開２００６−７４６１９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
【特許文献６】特開２００６−２１１５８５号公報
【特許文献７】特開２００６−２１１５６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述した特許文献１〜７に記載の通信制御装置及び方法を用いて、上記タイミング制御信号の送受信を行なう場合、一般に、周期を小さくするほど、通信遅延が小さくなる傾向がある。
【００１０】
しかしながら、周期が小さくなるにしたがって、相対的に周期内におけるタイミング制御信号の送受信期間の占める割合が増加し、データ信号の通信効率が低下するという問題がある。従って、低遅延であって、かつ高い通信効率を得るためには、タイミング制御信号のオーバーヘッドを如何に小さくするかという問題が重要な課題となる。
【００１１】
そのため、近傍ノードとの間の通信タイミングを自律分散的に求める際に、タイミング制御信号のオーバーヘッドを小さくすることができ、低遅延であり、かつ、高いデータ通信効率を図ることができる、通信制御装置、通信制御方法、通信制御プログラム、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】
【００１２】
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通信制御装置において、（１）１又は複数の近傍ノードが送信した、各近傍ノードのデータ発信を表す位相が反映された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）各近傍ノードのタイミング制御信号の受信タイミングに基づいて、自ノードの位相の状態を変化させ、自ノードのデータ発信タイミングを決定する通信タイミング計算手段と、（３）通信タイミング計算手段により決定された自ノードのデータ発信を表す位相が反映されたタイミング制御信号を送信するタイミング制御信号送信手段と、（４）各近傍ノードとの間でデータ信号を送受信するデータ通信手段と、（５）通信タイミング計算手段により決定された自ノードの位相状態に基づいて、タイミング制御信号及びデータ信号の送信態様を制御する位相状態管理手段とを備えることを特徴とする。
【００１３】
第２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。
【００１４】
第３の本発明の通信システムは、第２の本発明のノードを複数有して構成されることを特徴とする。
【００１５】
第４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通信制御方法において、（１）タイミング制御信号受信手段が、１又は複数の近傍ノードが送信した、各近傍ノードのデータ発信を表す位相が反映された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）通信タイミング計算手段が、各近傍ノードのタイミング制御信号の受信タイミングに基づいて、自ノードの位相の状態を変化させ、自ノードのデータ発信タイミングを決定する通信タイミング計算工程と、（３）タイミング制御信号送信手段が、通信タイミング計算手段により決定された自ノードのデータ発信を表す位相が反映されたタイミング制御信号を送信するタイミング制御信号送信工程と、（４）データ通信手段が、各近傍ノードとの間でデータ信号を送受信する通信データ通信工程と、（５）位相状態管理手段が、通信タイミング計算手段により決定された自ノードの位相状態に基づいて、タイミング制御信号及びデータ信号の送信態様を制御させる位相状態管理工程とを有することを特徴とする。
【００１６】
第５の本発明の通信制御プログラムは、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通信制御プログラムにおいて、コンピュータに、（１）１又は複数の近傍ノードが送信した、各近傍ノードのデータ発信を表す位相が反映された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、（２）各近傍ノードのタイミング制御信号の受信タイミングに基づいて、自ノードの位相の状態を変化させ、自ノードのデータ発信タイミングを決定する通信タイミング計算手段、（３）通信タイミング計算手段により決定された自ノードのデータ発信を表す位相が反映されたタイミング制御信号を送信するタイミング制御信号送信手段、（４）各近傍ノードとの間でデータ信号を送受信するデータ通信手段、（５）通信タイミング計算手段により決定された自ノードの位相状態に基づいて、タイミング制御信号及びデータ信号の送信態様を制御させる位相状態管理手段として機能させる通信制御プログラム。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、近傍ノードとの間の通信タイミングを自律分散的に求める際に、タイミング制御信号のオーバーヘッドを小さくすることができ、低遅延であり、かつ、高いデータ通信効率を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
（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、通信制御プログラム及びノードの第１の実施形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１９】
第１の実施形態は、例えば、センサネットワーク、アドホック型無線通信ネットワーク、ＬＡＮシステム等のように、複数の機器を有して構成されるネットワークシステムを構成する各ノードに本発明を適用する場合を説明する。
【００２０】
第１の実施形態は、通信タイミング制御の動作が収束状態である場合か否かによって、タイミング制御信号の送受信形態を変化させる点に特徴がある。すなわち、収束されていない状態では、例えば特許文献１〜７に記載の方法で、タイミング制御信号の送受信処理を行なうが、収束状態では、例えば特許文献１〜７に記載の方法とは異なる形態でタイミング制御信号の送受信処理を行なう。
【００２１】
（Ａ−１）第１の実施形態の構成
図１は、第１の実施形態のノードの内部構成を示す内部構成図である。図１において、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、状態管理部１４、データ通信部１５、を有して構成される。
【００２２】
タイミング制御信号受信部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するものである。また、タイミング制御信号受信部１１は、受信した他ノード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。
【００２３】
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、他ノードのタイミング制御信号に基づいて、当該ノードでの通信タイミングを規定する位相信号を形成し、その位相信号の位相情報を、タイミング制御信号送信部１３及び状態管理部１４に与えるものである。
【００２４】
ここで、当該ノードｉの位相信号の時刻ｔでの位相値をθｉ（ｔ）とすると、通信タイミング計算部１２は、他ノードのタイミング制御信号に基づいて、後述するように、位相信号（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現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タイミング制御信号の発信タイミング等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。
【００２５】
通信タイミング計算部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、タイミング制御信号送信部１３の機能も関係している。
【００２６】
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。
【００２７】
図３は、着目ノードｉに対して近傍ノードｊが１個存在する場合である。図３において、円上を回転する２つの質点の運動は、着目ノードと近傍ノードに対応する非線形振動リズムを表しており、質点の円上の角度がその時刻での位相信号の値を表している。質点の回転運動を縦軸あるいは横軸に射影した点の運動が非線形振動リズムに対応する。後述する（１．１）式に基づく動作により、２つの質点は相互に逆相になろうとし、仮に、図３（ａ）に示すように初期状態で２つの質点の位相が近くても、時間経過と共に、図３（ｂ）に示す状態（過渡状態）を経て、図３（ｃ）に示すような２つの質点の位相差がほぼπである定常状態に変化していく。
【００２８】
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、ノード間でタイミング制御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）のときに出力タイミング制御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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
通信タイミング計算部１２によるタイミング制御信号の詳細な演算処理としては、例えば、特許文献１〜特許文献７等に記載の演算処理を広く適用することができるが、第１の実施形態では、特許文献５に記載の仮想モードモデル計算手段を導入した形態を想定する。
【００３２】
すなわち、通信タイミング計算部１２は、他ノードｊからタイミング制御信号を受信した際、その発信元ノードに対する仮想的な位相モデル（仮想位相モデルと呼ぶ）を自ノード内部に生成する。そして、通信タイミング計算部１２は、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（仮想位相と呼ぶ）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するものである。
【００３３】
また、通信タイミング計算部１２は、データ通信部１５が受信したデータ信号に付加されている情報に基づいて、タイミング制御信号の代わりに送信されたものであるか否かを確認する。そして、当該データ信号がタイミング制御信号の代わりに送信されたものであると判定すると、通信タイミング計算部１２は、当該データ信号の受信タイミングに基づいて、上述した通信タイミングの演算処理を行なうものである。
【００３４】
状態管理部１４は、通信タイミング計算部１２から演算結果としての位相情報を受け取り、通信タイミング制御の動作が収束状態であるか否かを判定し、その判定結果に応じた送信制御情報をタイミング制御信号送信部１３及びデータ通信部１５に与えるものである。これにより、タイミング制御信号及びデータ信号の通信タイミング通信タイミング制御の動作が収束状態であるか否かに応じた送信処理を制御することができる。
【００３５】
状態管理部１４は、通信タイミング計算部１２の演算結果が所定時間変化せずに持続する場合、収束状態であると判定する。なお、この収束状態と判定する時間の長さは、実験的に決定することができる。つまり、状態管理部１４は、自ノードの位相状態の変化率や変化速度が、所定時間変化しない状態が持続した場合、収束状態であると判断する。
【００３６】
タイミング制御信号送信部１３は、通信タイミング計算部１２から位相情報を受け取り、この位相情報に基づいて、出力タイミング制御信号を送信するものである。
【００３７】
ここで、タイミング制御信号の送信については、各周期毎に、位相信号が所定の位相α（０≦α＜２π）になると、タイミング制御信号送信部１３は出力タイミング制御信号を送信するものとする。この所定の位相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。例えば、図３の例で言えば、ノードｉとノードｊとでは、定常状態で相互の位相信号がπだけずれているので、α＝０にシステム全体で統一しても、ノードｉからの出力タイミング制御信号の送信タイミングと、ノードｊからの出力タイミング制御信号の送信タイミングとはπだけずれている。
【００３８】
また、状態管理部１４から収束状態を示す送信制御情報を受けると、タイミング制御信号送信部１３は、Ｎ周期（Ｎは正の整数）毎に１回の割合で、タイミング制御信号を送信するものとする。つまり、非収束状態の場合には、各周期における所定の位相になるとタイミング制御信号を送信するようにし、収束状態の場合には、Ｎ周期に１回の割合でタイミング制御信号を送信するようにする。
【００３９】
データ通信部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。
【００４０】
ここで、データ通信部１５は、この送信を、定常状態である場合に、後述するタイムスロット（システム等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、過渡状態である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、出力タイミング制御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よい。
【００４１】
また、データ通信部１５は、状態管理部１４から収束状態を示す送信制御情報を受けると、以下のように、タイミング制御信号が送信される期間に、タイミング制御信号に代わってデータ信号を送信するようにする。このとき、タイミング制御信号の代わりに送信されたものであることを示す識別情報をデータ信号に付加するものとする。
【００４２】
つまり、状態管理部１４が収束状態であると判定すると、タイミング制御信号送信部１３は、上記のように、タイミング制御信号の送信頻度をＮ周期に１回とする。そこで、データ通信部１５は、タイミング制御信号の送信を行なわないようした、残りの（Ｎ−１）回の期間について、タイミング制御信号の代わりにデータ信号を送信するものとする。
【００４３】
タイムスロットは、位相信号の位相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、出力タイミング制御信号の送信が終了したタイミングであり、タイムスロットの終了点（そのときの位相信号の値をβ１−δ２とする）は、位相信号の周期毎の最初の他ノードのタイミング制御信号の受信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とδ２は、当該ノードの近傍の無線空間で、タイミング制御信号（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、ノードの設置状況下で実験的に決定する。
【００４４】
例えば、非収束状態の場合、図３において、ノードｉは、位相θｉが０からδ１になる前に、タイミング制御信号を送信するが、図３（ｃ）に示すような「定常状態」になると、ノードｉは、位相θｉが０からδ１になる前の期間及びδ１からβ１−δ２までの期間内で、データ通信部１５はデータ信号を送信するようにする。
【００４５】
（Ａ−２）第１の実施形態の動作
次に、第１の実施形態の各ノード間でタイミング制御信号を授受し、各ノードが自律分散的にデータ信号の通信タイミングを決定して、各ノード間でデータ通信を行なう通信制御方式の動作を、図５を参照して説明する。
【００４６】
以下では、図１に示す通信制御システムを備えるノードを空間に多数分散配置させた状況において、近傍ノード間でタイミング制御信号を送受信する方法として、図２（ｂ）の形態を用いることを想定して説明する。なお、以下で説明する動作は、すべてノードがそれぞれ別々に実行するものである。
【００４７】
（Ａ−２−１）通信タイミングの相互調整処理（Ｓｔｅｐ１）
まず、図２（ｂ）のように分散配置されたノードは、１ホップ近傍のノード間で、タイミング制御信号を送受信することにより、通信タイミングの相互調整動作を実行する。そして、通信タイミング計算部１２が通信タイミングの相互調整動作を実行すると、その演算結果情報を状態管理部１４に与えると共に、計算した位相情報を、タイミング制御信号送信部１３及びデータ通信部１５に与える。
【００４８】
ノード間の通信タイミングの相互調整動作は、各ノードの通信タイミング計算部１２による演算処理に基づいて、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ことによって実行される。第１の実施形態では、通信タイミング計算部１２は、特許文献５に記載の仮想ノードモデル計算手段を導入した形態を想定する。
【００４９】
すなわち、自ノードが送信するタイミング制御信号には、１ホップ近傍範囲に存在するすべての他ノードに対する仮想位相を付加する。従って、各ノードは、１ホップ近傍範囲に存在する他ノードからタイミング制御信号を受信し、タイミング制御信号に付加されている仮想位相を取得することにより、間接的に２ホップ近傍範囲の他ノードに対する位相情報を得ることができる。
【００５０】
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取得される２ホップ近傍範囲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し、以後、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における演算は、２ホップ近傍範囲のすべての他ノードに対する仮想位相を用いて実行される。
【００５１】
以下に、通信タイミング計算部１２における演算処理の例を示す。通信タイミング計算部１２の演算処理は、次の（１．１）式及び（１．２）式に示す非線形振動子が結合した系をモデル化した数式を用いて行なうことができる。
【数１】
2008312128.tif 000003
【００５２】
ここで、変数ｔは時間を表し、θｉ（ｔ）は、時刻ｔにおける自ノードｉの位相を表す。
【００５３】
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。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。
【００５４】
Δθ＾ｉｊ（ｔ）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）との位相差を示す。ただし、位相差Δθ＾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≦Δθ＾ｉｊ＜２πの値を取るものとする。
【００５５】
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。
【００５６】
関数Ｒ（Δθ＾ｉｊ（ｔ））は、位相差Δθ＾ｉｊ（ｔ）に応じて自ノード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（Δθ＾ｉｊ（ｔ））は、他ノードｊの仮想的な位相θ＾ｉｊ（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ものである。なお、位相応答関数Ｒ（Δθ＾ｉｊ（ｔ））の具体的な関数形としては、既存のものを適用することができ、例えば、特許文献１〜７に記載のものを適用することができる。
【００５７】
位相応答関数Ｒ（Δθ＾ｉｊ（ｔ））を含む項のＮは、時刻ｔにおける仮想位相モデルの総数、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は、位相の時間発展に対するＲ（Δθ＾ｉｊ（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する。
【００５８】
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２】
2008312128.tif 000004
【００５９】
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。関数ξ（Ｓｉ（ｔ））の関数形としては、既存のものを適用することができ、例えば特許文献１〜特許文献７に記載のものを広く適用することができる。
【００６０】
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。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１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（１．１），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。
【００６１】
（Ａ−２−２）収束判定処理（Ｓｔｅｐ２）
各ノードでは、通信タイミング計算部１２が、（Ａ−２−１）に示すようにして、タイミング制御信号の相互調整処理を行なう。
【００６２】
そうすると、状態管理部１４は、通信タイミング計算部１２の演算結果に基づいて、収束状態（定常状態）に至っているか否かを判定し、その判定結果に基づく送信制御情報を、タイミング制御信号送信部１３及びデータ通信部１５に与える。
【００６３】
ここで、状態管理部１４による判定方法としては、例えば、上記（１．１）式の右辺の演算結果が一定期間変化しない状態が持続した場合に、収束状態であると判定する。一定期間の長さは実験的に決定する。上記（１．１）式の右辺の演算結果が一定期間変化しないということは、自ノードｉの位相状態の変化率が一定期間変化しないということを意味し、位相状態の変化速度が定常的になっていることを表す。
【００６４】
状態管理部１４は、所定の判定処理の結果、収束状態であると判定した場合には、次のＳｔｅｐ３の処理を行ない、非収束状態であると判定した場合には、Ｓｔｅｐ１の動作を続ける。
【００６５】
状態管理部１４による収束判定処理は、所定時間毎に持続的に行なう。この収束判定処理を行なう所定時間は、例えば、式（１．１）及び（１．２）を差分化（連続時間変数ｔを離散化）する際の時間きざみ幅Δｔと同一の値に設定するようにしてもよい。
【００６６】
さらに、一旦、Ｓｔｅｐ３の処理に進んだ場合でも、その後の収束判定処理の結果、再び非収束状態になったときには、Ｓｔｅｐ１に戻り処理を繰り返す。
【００６７】
（Ａ−２−３）タイミング制御信号及びデータ信号の送信処理（Ｓｔｅｐ３）
状態管理部１４が、通信タイミング計算部１２による演算結果に基づいて収束状態であると判定すると、状態管理部１４は、その旨を示す送信制御情報を、タイミング制御信号送信部１３及びデータ通信部１５に与える。
【００６８】
タイミング制御信号送信部１３及びデータ通信部１５は、収束状態を示す送信制御情報を受け取ると、以下のようにして、タイミング制御信号及びデータ信号を送信する。
【００６９】
タイミング制御信号送信部１３は、状態管理部１４により収束状態であると判定されると、タイミング制御信号の送信をＮ周期に１回とし、残りの（Ｎ−１）回の期間については、データ通信部１５がタイミング制御信号の代わりにデータ信号を送信するようにする。
【００７０】
このＮの値は実験的に決定する。ただし、タイミング制御信号の代わりに送信するデータ信号には、代用を兼ねることを示す識別情報を付加するようにする。
【００７１】
ここで、データ信号は、例えば、センサデータ等のノード間における通信目的を与えているデータで構成される信号やパケット等であり、近傍ノードの位相情報のような制御情報を含まない。
【００７２】
上述したように、タイミング制御信号及びデータ信号の送信制御に関する処理は、図１において状態管理部１２の制御により実行される。状態管理部１２では、収束判定処理により送信制御情報を生成して、送信制御情報を、タイミング制御信号送信部１３及びデータ通信部１５に与える。
【００７３】
各ノードが１ホップ近傍範囲内の他ノードからタイミング制御信号を受信した場合、間接的に２ホップ先の他ノードの位相情報を得ることができる。それに対して、タイミング制御信号の代用を兼ねるデータ信号を受信した場合は、２ホップ先の他ノードの位相情報を得ることができない。
【００７４】
しかし、この場合においても、送信元ノード（１ホップ近傍の他ノード）の位相情報は得ることができる。その受信タイミングが送信元ノードの位相を表しているからである。
【００７５】
従って、タイミング制御信号の代用としてデータ通信を送信する場合に、そのデータ信号に識別情報を付加して送信することにより、タイミング制御信号及びその代用を兼ねるデータ信号を送受信する形態を用いた場合においても、自ノードｉの１ホップ近傍範囲内に存在する他ノードｊの位相情報は、毎周期得ることができる。一方、２ホップ先の他ノードの位相情報は、Ｎ周期に１回の割合で得ることができる。その際、各ノードは以下の動作を実行する。
【００７６】
（１）１ホップ近傍範囲内の他ノードからタイミング制御信号を受信した場合、上記Ｓｔｅｐ１と同様に、２ホップ近傍範囲内の他ノードに対する仮想位相の値を調整する。
【００７７】
（２）１ホップ近傍範囲内の他ノードからデータ信号を受信した場合、データ信号に付加されている識別情報の有無により、タイミング制御信号の代用であるか否かを識別する。
【００７８】
（３）タイミング制御信号の代用である場合は、その受信タイミングに基づいて送信元ノードに対する仮想位相の値を調整する。一方、タイミング制御信号の代用でない場合は、上記のような仮想位相の値の調整は行なわない。
【００７９】
（４）上記Ｓｔｅｐ１と同様に、２ホップ近傍範囲内の他ノードに対する仮想位相の値を用いて、通信タイミング計算部における演算を実行する。
【００８０】
以上説明したように、収束状態では、タイミング制御信号の送信頻度をＮ周期に１回の割合に低減することにより、制御信号の送受信に関わるオーバーヘッドを小さくする。さらに、タイミング制御信号の代用を兼ねるデータ信号を用いることにより、１ホップ近傍範囲内における他ノードの位相情報を毎周期得られるようにする。既に収束状態に至っているため、このようにして得られる２ホップ近傍範囲内の他ノードに対する仮想位相の値を用いても、通信タイミング制御は十分な精度を維持することができる。従って、周期内におけるタイミング制御信号の送受信期間の占める割合が減少し、データ信号の通信効率が向上する。特に、周期が比較的小さいときにその効果が大きい。
【００８１】
（Ａ−３）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なうデータ通信方法において、通信タイミング制御の動作が収束状態であるか否かによって、タイミング制御信号、及びデータ信号の送受信形態を変化させる機能を新たに付加することにより、周期内におけるタイミング制御信号の送受信期間の占める割合が減少し、データ信号の通信効率が向上する。特に、周期が比較的小さいときにその効果が大きい。
【００８２】
（Ｂ）他の実施形態
（Ｂ−１）本発明では、ノード間において送受信するタイミング制御信号の実現形態は、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。タイミング制御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、タイミング制御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タイミング制御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タイミング制御信号の示す意味は、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。
【００８３】
（Ｂ−２）上記のタイミング制御信号（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適用してもよい。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。
【００８４】
また、通信タイミング計算部は、種々の方式により位相信号を形成するものを適用することができる。
【００８５】
（Ｂ−３）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、イーサーネット（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。
【００８６】
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「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。文献では、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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
（Ｂ−４）通信タイミング情報（実施形態での位相信号）の取得制御について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。
【００９０】
（Ｂ−５）タイミング制御信号及びデータ信号の送受信態様を変化させる変形実施形態として、収束状態を持続する時間に応じて、タイミング制御信号を送信する回数を変化させるようにしてもよい。
【００９１】
例えば、収束状態の持続時間がｔ１であるときには、Ｎ周期に１回の割合でタイミング制御信号を送信するようにし、収束状態の持続時間がｔ２（ｔ２≧ｔ１）のときには、さらにタイミング制御信号の送信機会が減るように、Ｎ＋ｍ（ｍは正の整数）周期に１回の割合でタイミング制御信号を送信するようにする。
【００９２】
このように、収束状態の持続時間に応じて、さらにタイミング制御信号及びデータ信号の送受信態様を変化させることにより、データ信号の通信効率をさらに向上させることができる。
【００９３】
（Ｂ−６）第１の実施形態で説明したノードが実現する機能は、ソフトウェアとして実現することができるものであるが、同様の動作を行なう回路構成をとることができれば、ハードウェアとしてノードが実装するものとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】第１の実施形態のノードの内部構成を示す構成図である。
【図２】分散配置された複数のノードで構成されるネットワークの構成と、タイミング制御信号の通信方法を説明する説明図である。
【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を説明する説明図である（その１）。
【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を説明する説明図である（その２）。
【図５】第１の実施形態の各ノードにおける通信タイミング制御処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００９５】
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…状態管理部、１５…データ通信部。
【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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