(57)【要約】【課題】高い精度をもった分散的で自己組織的なネットワーク同期のための概念を提供することである。【解決手段】第１の送信装置または受信装置を第２の送信装置または受信装置に同期させるための装置であって、第２の送信装置または受信装置から同期信号を受けるようになっている受信器と、同期時間後に第２の送信装置または受信装置からの前記同期信号と同期する同期信号を送信するようになっている送信器と、所与の第１の関数および所与の第２の関数にしたがって内部信号値を増大させるようになっているとともに、装置が第１の制御状態にあるときに内部信号値と所与の閾値とを比較するようになっている処理ユニットとを備えており、処理ユニットは、第１の制御状態において第２の送信装置または受信装置から同期信号を受信できる状態となるように受信器を制御し、待ち時間にわたって待つように送信器を制御するとともに、待ち時間が終了する際に始まる第３の制御状態において同期信号を送信するように送信器を制御するようになっている。【選択図】図１
2007028620.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の送信装置または受信装置を第２の送信装置または受信装置に同期させるための装置であって、
前記第２の送信装置または受信装置から同期信号（１４０）を受信する受信器（１１０）と、
同期時間後に前記第２の送信装置または受信装置からの前記同期信号（１４０）と同期する同期信号（１４０）を送信する送信器（１３０）と、
所与の第１の関数にしたがって経時的に内部信号値を増大させ、検出信号（１５０）の受信時に前記内部信号値を第２の関数にしたがって変更するとともに、前記装置が第１の制御状態（２１０）にあるときに前記内部信号値と所定の閾値とを比較する処理ユニット（１２０）と
を備えており、
前記処理ユニット（１２０）は、更に、
前記第１の制御状態（２１０）において、前記第２の送信装置または受信装置から前記同期信号（１４０）を受信できる状態となるように前記受信器（１１０）を制御し、
前記内部信号値が閾値と等しくなるときに到達する第２の制御状態（２２０）において、ゼロよりも長く且つ前記第１の関数の周期よりも短い待ち時間にわたって待つように前記送信器（１３０）を制御し、前記第１の関数の周期が前記送信装置または受信装置の２つの同期信号間の周期であり、
待ち時間が終了するときに始まる第３の制御状態（２３０）において、前記同期信号（１４０）を送信するように前記送信器（１３０）を制御する
ようになっている装置。
【請求項２】
前記処理ユニット（１２０）は、前記同期信号（１４０）の送信後に第４の制御状態となり、その状態で前記処理ユニット（１２０）がスリーピング時間（２４０）中に前記第２の制御状態（２２０）に入ることができないように制御され、前記スリーピング時間がゼロよりも長く且つ前記第１の関数の周期よりも短い、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記処理ユニット（１２０）は、同期信号周期Ｔsyncと、同期信号長Ｔtransmitと、デコーディング時間Ｔdecodeとによって決定される待ち時間Ｔwaitを使用するようになっており、ここで、前記同期信号周期Ｔsyncは、同期状態にある２つの異なる送信装置または受信装置の２つの前記同期信号（１４０）間のゼロよりも大きい最小時間間隔であり、前記同期信号長Ｔtransmitは前記同期信号（１４０）を送信するための時間であり、前記デコーディング時間Ｔdecodeは前記同期信号（１４０）をデコードするために前記受信器（１１０）によって必要とされる時間であり、前記Ｔsync、前記Ｔtransmit、および前記Ｔdecodeはゼロよりも長く且つ前記第１の関数の周期よりも短い、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記処理ユニット（１２０）は、前記同期信号周期Ｔsyncと、前記同期信号長Ｔtransmitと、前記デコーディング時間Ｔdecodeとによって決定されるとともに更に以下の方程式によって決定される前記待ち時間Ｔwaitを使用するようになっており、
Ｔwait≦Ｌ・Ｔsync−（Ｔtransmit＋Ｔdecode）
前記同期信号周期Ｔsyncは、前記同期状態にある２つの異なる送信装置または受信装置の２つの同期信号（１４０）間のゼロよりも大きい最小時間間隔であり、前記同期信号長Ｔtransmitは前記同期信号（１４０）を送信するための時間であり、前記デコーディング時間Ｔdecodeは前記同期信号（１４０）をデコードするために前記受信器（１１０）によって必要とされる時間であり、Ｌ≧１が正の整数である、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
前記処理ユニット（１２０）は以下の条件が満たされるように実行され、
Ｌ＝１；
Ｔtransmit＋Ｔdecode＜Ｔsync；
Ｔtransmit＋Ｔsleep＜Ｔsync；
前記Ｔsleepは前記同期信号（１４０）の送信後のスリーピング時間であり、前記処理ユニット（１２０）は前記スリーピング時間中に前記第２の制御状態（２２０）に入ることができないように制御され、前記Ｔsyncは、前記２つの異なる送信装置または受信装置の２つの同期信号（１４０）間のゼロよりも大きい最小時間間隔である同期信号周期であり、前記Ｔtransmitは前記同期信号（１４０）を送信するための時間である同期信号長であり、前記Ｔdecodeは前記同期信号（１４０）をデコードするために前記受信器（１１０）によって必要とされる時間であるデコーディング時間であり、Ｌ≧１が正の整数である、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
前記処理ユニット（１２０）は、前記スリーピング時間中に前記内部信号値を変更しないように制御される、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記処理ユニット（１２０）は、前記第１の制御状態（２１０）の持続時間を表わすリスニング時間Ｔlistenを使用するようになっており、前記リスニング時間Ｔlistenは、前記２つの異なる送信装置または受信装置の２つの同期信号（１４０）間のゼロよりも大きい最小時間間隔である前記同期信号周期Ｔsyncと、前記同期信号（１４０）をデコードするために前記受信器（１１０）によって必要とされる時間である前記デコーディング時間Ｔdecodeと、前記同期信号（１４０）の送信後の時間である前記スリーピング時間Ｔsleepとによって決定され、前記処理ユニット（１２０）は前記スリーピング時間中に前記第２の制御状態（２２０）に入ることができないように制御され、前記Ｔlistenがゼロよりも長く且つ第１の関数の周期よりも短い、請求項１ないし６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
前記処理ユニット（１２０）は、以下の方程式によって決定される前記リスニング時間Ｔlistenを使用するようになっており、
Ｔlisten≦Ｔsync＋Ｔdecode−Ｔsleep
前記Ｔsyncは、前記２つの異なる送信装置または受信装置の２つの同期信号（１４０）間のゼロよりも大きい最小時間間隔である同期信号周期であり、前記Ｔdecodeは前記同期信号（１４０）をデコードするために前記受信器（１１０）によって必要とされる時間であるデコーディング時間であり、前記Ｔsleepは前記同期信号（１４０）の送信後の時間であるスリーピング時間であり、前記処理ユニット（１２０）は前記スリーピング時間中に前記第２の制御状態（２２０）に入ることができないように制御される、請求項１ないし７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
前記処理ユニット（１２０）は、前記Ｔtransmitおよび前記Ｔsleepが以下の方程式すなわち、０＜Ｔtransmit＜Ｔsync−Ｔdecodeにしたがって前記同期信号周期Ｔsyncおよび前記デコーディング時間Ｔdecodeに依存しているときに、前記同期信号長Ｔtransmitおよび前記スリーピング時間Ｔsleepを使用するようになっており、前記スリーピング時間Ｔsleepはその下限値および上限値によって決定され、これらの両方の限界値は前記Ｔtransmitの関数であり、前記上限値はＴsync−Ｔtransmitよりも小さい前記Ｔsleepによって与えられ、前記同期信号長Ｔtransmitは前記同期信号（１４０）を送信するための時間であり、前記スリーピング時間Ｔsleepは前記同期信号（１４０）の送信後の時間であり、前記処理ユニット（１２０）は前記スリーピング時間中に前記第２の制御状態（２２０）に入ることができないように制御され、前記同期信号周期Ｔsyncは、前記２つの異なる送信装置または受信装置の２つの同期信号（１４０）間のゼロよりも大きい最小時間間隔であり、前記デコーディング時間Ｔdecodeは前記同期信号（１４０）をデコードするために前記受信器（１１０）によって必要とされる時間である、請求項１ないし８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
前記処理ユニット（１２０）は、前記Ｔtransmitおよび前記Ｔsleepが以下の方程式すなわち、０＜Ｔtransmit＜Ｔsync−Ｔdecodeにしたがって前記同期信号周期Ｔsyncおよび前記デコーディング時間Ｔdecodeに依存しているときに、前記同期信号長Ｔtransmitおよび前記スリーピング時間Ｔsleepを使用するようになっており、前記スリーピング時間Ｔsleepはその下限値および上限値によって決定され、これらの両方の限界値は前記Ｔtransmitの関数であり、前記下限値が前記伝播遅延Ｔpropagation以上であり、前記上限値が前記同期信号周期Ｔsyncの８０％以下であり、前記同期信号長Ｔtransmitは前記同期信号（１４０）を送信するための時間であり、前記スリーピング時間Ｔsleepは前記同期信号（１４０）の送信後の時間であり、前記処理ユニット（１２０）は前記スリーピング時間中に前記第２の制御状態（２２０）に入ることができないように制御され、前記同期信号周期Ｔsyncは、前記２つの異なる送信装置または受信装置の２つの同期信号（１４０）間のゼロよりも大きい最小時間間隔であり、前記デコーディング時間Ｔdecodeは前記同期信号（１４０）をデコードするために前記受信器（１１０）によって必要とされる時間であり、前記伝播遅延Ｔpropagationは、前記第２の送信装置または受信装置の前記送信器（１３０）から前記第１の送信装置または受信装置の前記受信器（１１０）へ伝播するために前記同期信号（１４０）によって必要とされる時間である、請求項１ないし９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１１】
前記処理ユニット（１２０）は、前記待ち時間Ｔwait中に前記同期信号（１４０）を受信しないように前記受信器（１１０）を停止させるようになっている、請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１２】
第１の送信装置または受信装置を第２の送信装置または受信装置に同期させるための方法であって、
第１の制御状態（２１０）において所与の第１の関数にしたがって経時的に内部信号値を増大させるステップと、
前記第２の送信装置または受信装置から同期信号（１４０）を受信してデコードするとともに、前記第１の制御状態（２１０）において第２の関数にしたがって前記内部信号値を変更するステップと、
前記第１の制御状態（２１０）において前記内部信号値と閾値とを比較するステップと、
前記第１の制御状態（２１０）において前記内部信号値と前記閾値とを比較して、前記内部信号値が前記閾値と等しいときに第２の制御状態（２２０）に遷移するステップと、
前記第２の制御状態（２２０）においてゼロよりも長く且つ前記第１の関数の周期よりも短い待ち時間にわたって待って、第３の制御状態（２３０）へと遷移するステップであって、前記第１の関数の周期が前記送信装置または受信装置の２つの前記同期信号（１４０）間の周期であるステップと、
前記第３の制御状態（２３０）において前記同期信号（１４０）を送信するステップと
を含む方法。
【請求項１３】
プログラムをコンピュータ上で実行するときに請求項１２に記載の方法を実行するためのプログラムコードを有するコンピュータプログラム。
【請求項１４】
送信装置または受信装置であって、
請求項１ないし１１のいずれか一項に記載の、前記第１の送信装置または受信装置を前記第２の送信装置または受信装置に同期させる装置と、
前記同期信号（１４０）のタイミングに基づいてメッセージ送信またはメッセージ受信を制御するコントローラと
を備える送信装置または受信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ネットワーク同期の分野に関し、特に、自己組織的なネットワーク同期の分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
分散型ネットワークは、集中型ネットワークとは異なり、端末の同期および動きを管理するための広域協調ユニット（ｇｌｏｂａｌ  ｃｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ  ｕｎｉｔ）を備えていない。分散型ネットワーク手法または自己組織的なネットワーク手法は、例えば、アドホックネットワークを構築するために使用される。同期は、全てのノードが１つの共通のタイムスケールに従うようにローカルタイミングユニットを合わせるという意味に規定される。この目的のため、同期は、タイムスロットの初めと終わりが広域パラメータとなるように広域スロット構造を規定している。同期は、例えばタイムスロットＭＡＣ（メディアアクセス制御）プロトコルを展開するために必要である。
【０００３】
自発的な自己組織的な同期の興味深い例は、現実に見出すことができる。Ｓ．Ｈ．ＳｔｒｏｇａｔｚおよびＩ．Ｓｔｅｗａｒｔによる「Ｃｏｕｐｌｅｄ  ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ  ａｎｄ  ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ  ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ」（Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ａｍｅｒｉｃａｎ，ｖｏｌ．２６９，ｐｐ．６８−７４，１９９３年１２月；以下［１］）およびＳ．Ｈ．Ｓｔｒｏｇａｔｚによる「Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ  ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ  ｉｎ  ｎａｔｕｒｅ」（ＩＥＥＥ国際周波数制御シンポジウム１９９７；以下［２］）に記載されるように、東南アジアの特定の地域に主に見られる雄の蛍は、夜間、川岸の土手に沿う木の上に集まって明滅を同調させ、雌の蛍の注意を引く。これは、全ての明滅が同期する蛍の見事な大群をもたらす。
【０００４】
そのような同期を説明するための数学的手法は「パルス結合オシレータ」の概念に基づいている。この用語は、調子を合わせて周期的に振動し且つ振動を終了する度に相互に作用するシステムを示している。この相互作用は、隣接するオシレータによって認識されるパルスの形態を成している。これらのシステムは、Ｍ．Ｌ．Ｘ．Ｇｕａｒｄｉｏｌａ，Ａ．Ｄｉａｚ−Ｇｕｉｌｅｒａ，Ｃ．Ｊ．Ｐｅｒｅｚによる「Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ，ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ，ａｎｄ  ｔｏｐｏｌｏｇｙ  ｏｆ  ｎｅｔｗｏｒｋｓ  ｏｆ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅ  ａｎｄ  ｆｉｒｅ  ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ」（Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｅ，ｖｏｌ．６２，ｐｐ．５５６５−５５７０，２００年４月；以下［５］）に記載されるように、完全な同期からパターン形成にまで及ぶ様々な動きを示すことが既知である。
【０００５】
以下では、パルス結合オシレータ間で時間同期がどのように達成されるのかについて説明する。最初に、これらのオシレータに対して数学的モデルを関連付ける。その後、２つのパルス結合オシレータをどのように一体としてパルスに同期させることができるのかを考察する。
【０００６】
簡単な数学的モデルまたは表現として、パルス結合オシレータがその位相関数のみによって表わされる。この関数は、それが閾値Φthresholdに達するまで時間とともに線形に進展する。これが起こると、オシレータは、発振して、その位相をリセットする。したがって、オシレータは、任意の他のオシレータと結合されていない場合、以下において位相関数周期Ｔと示されるＴと等しい周期をもって発振する。
【０００７】
この関数の発展の結果、これらのオシレータは、積分発火型（ｉｎｔｅｇｒａｔｅ−ａｎｄ−ｆｉｒｅ）オシレータとも呼ばれる。図１０は、孤立したオシレータの位相関数の発展を示している。
【０００８】
このモデルは、生物学的パルス結合オシレータの動きに近い。ファイヤリング（発振）の瞬間は、蛍における光の発光、または、ニューロンにおける電気インパルスに対応している。以下では、どのようにしてそのようなオシレータがパルス受信時にその位相関数を変更することにより同期できるかが分かる。
【０００９】
前述した位相関数だけに基づいて、２つの同一オシレータは、僅かな周期内でその発振（ファイヤリング）の瞬間を同期させることができる。これを達成するため、オシレータは、他の積分発火型オシレータからパルスを受信したときに、その位相を変更する。
【００１０】
図１１は、この方式を使用して２つのオシレータがどのように同期できるかを示している。瞬間軸０においては、オシレータが同期されない。これらのオシレータの初期位相Φ1およびΦ2は、０とΦthresholdとの間で無作為に分布されている。この時点で、各オシレータは、これらの一方がΦthresholdに達するまでその位相を時間とともに線形にインクリメント（増分）させる。ｔ1においては、オシレータ１が最初に閾値に達する。オシレータ１は、パルスを発振してその位相をリセットする。オシレータは結合されているため、その後、オシレータ２がそれ自体の位相をインクリメント（増分）する。増分は、位相戻し曲線（Ｐｈａｓｅ  Ｒｅｔｕｒｎ  Ｃｕｒｖｅ）Δ（Φ）によって決定される。この関数の解説については後述する。ｔ2においては、オシレータ２が発振し、それに応じてオシレータ１がその位相を増大させる。この方式は、オシレータ１の発振によってオシレータ２が同時に発振するｔ5まで続く。この時点で、両方のオシレータが同期される。ｔ6＝ｔ5＋Ｔにおいては、これらのオシレータが同時に発振する。
【００１１】
１つのオシレータが孤立している場合、その位相Φは時間とともに線形にインクリメント（増分）する。このオシレータは、他のオシレータに結合される場合には、その隣のオシレータのパルスに影響される。そのようなパルスを受けると、当該オシレータは、現在の値に依存する量すなわち位相増分Δ（Φ）だけその位相を直ちにインクリメントする。
Φ→Φ＋Δ（Φ）    パルスを受信するとき
【００１２】
ＭｉｒｏｌｌｏおよびＳｔｒｏｇａｔｚによる「Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｐｕｌｓｅ−ｃｏｕｐｌｅｄ  ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ  ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ」（ＳＩＡＭ  Ｊ．ＡＰＰＬ．ＭＡＴＨ，ｖｏｌ．５０，ｐｐ．１６４５−１６６２，１９９０年１２月；以下［３］）に示されるように、この単純なタイプの相互作用は、初期条件が何であろうと同期を引き起こす。そうするために、増分Δ（Φ）は、関数ｆ（Φ）に基づいて選択される必要がある。ここで、ｆ（Φ）は、オシレータが同期するように下側に凹状を成している必要がある［３］。選択された関数（数式（１））は以下の通りである。
【数１】
2007028620.tif 000003
【００１３】
各オシレータにおいて、関数ｆは振幅の役割を果たす。オシレータは、パルスを受信すると、その振幅をλ（λ＞０）の量だけ増大させる。これは位相の増加Δ（Φ）に相当する。図１２は、ｂ＝３およびλ＝０．１（この場合、Φthreshold＝１）に関して位相増分Δ（Φ）がどのようにして位相反応曲線（Ｐｈａｓｅ  Ｒｅｓｐｏｎｓｅ  Ｃｕｒｖｅ）から得られるのかを示している。
【００１４】
Δ（Φ）は、以下の式（数式（２））によって解析的に書き表すことができる。
【数２】
2007028620.tif 000004
【００１５】
関数ｆはｂによってパラメータ化される。ここで、関数が下側に凹状を成すように、ｂ＞０である。ｂが大きければ大きいほど、ｆ（Φ）が更に凹状を成すようになる（Φが小さいときにはｆ（Φ）が急勾配となり、ΦがΦthresholdに近いときにはｆ（Φ）が平坦になる）。図１３ａは、ｂの幾つかの値に関して、この関数すなわち位相反応曲線を方程式（１）にしたがってプロットしている（この場合、Φthreshold＝１）。
【００１６】
図１２から、ｂまたはλへの依存性およびΦの関数としてΔ（Φ）がどのように進展するのかを予想することは難しい。図１３ｂは、ｂの幾つかの値に関してΦ＋Δ（Φ）をプロットしており、一方、図１３ｃは、λの幾つかの値に関してΦ＋Δ（Φ）をプロットしている。
【００１７】
前述したモデルは、同期を引き起こすパルス結合オシレータの最も簡単な数学的解釈を表わしている。しかしながら、無線環境において、この簡単なモデルを常に直接適用できるとは限らない。以下では、無線ネットワークへの適用を考慮する際に生じる問題および無線効果について説明する。
【００１８】
ＭｉｒｏｌｌｏおよびＳｔｒｏｇａｔｚにより行われた研究［３］は、オシレータ間の結合が均一であり且つ各ノードが全ての他のノードにリンクされている、すなわち、ネットワークが完全に網目状であることを前提としている。これらの前提は、比較的小さい領域を考慮する場合、無線ネットワークにおいては見込みがある。
【００１９】
また、このモデルは、送信とリスニング（受信待ち）との間に遅延が無いこと及びノードが同時に送受信できることも前提としている。１つのオシレータが発振すると直ぐに、その近くのオシレータは、直ちにその位相をインクリメントするとともに、即座に発振してもよい。また、パルスの長さは非常に小さいと考えられ、受信器によって行なわれるデコーディングは存在しない。
【００２０】
非ゼロ値である伝搬遅延Ｔpropagationにおける安定性を維持するため、以下においてスリーピング時間Ｔsleepと示される不応性遅延が送信完了後に挿入される。スリーピング時間Ｔsleepは、いわゆるアバランシェ効果を防止する。超広域システムおよび技術に関するＩＥＥＥ会議２００３におけるＹ．−Ｗ．ＨｏｎｇおよびＡ．Ｓｃａｇｌｉｏｎｅによる「Ｔｉｍｅ  ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｒｅａｃｈ−ｂａｃｋ  ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ  ｗｉｔｈ  ｐｕｌｓｅ−ｃｏｕｐｌｅｄ  ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ  ｆｏｒ  ＵＷＢ［Ｕｌｔｒａ  Ｗｉｄｅｂａｎｄ］  ｗｉｒｅｌｅｓｓ  ａｄ  ｈｏｃ  ｎｅｔｗｏｒｋｓ」（１９０−１９４頁、２００３年１１月；以下［４］）に記載されるように、Ｔpropagation＝０においてはアバランシェ効果が同期を加速させているが、Ｔpropagation＞０においてはシステムが不安定になる。
【００２１】
これらの所見から、同期方式のローバスト性を検証するためには、無線効果または４つの遅延、つまり、伝搬遅延Ｔpropagationすなわちパルスを発信ノードから受信ノードへ伝搬するために要する時間（この時間は２つのノード間の距離に比例する）と、送信遅延Ｔtransmitすなわちパルスの長さと、デコーディング遅延Ｔdecodeすなわちパルスをデコードするために受信器によって必要とされる時間と、不応性遅延Ｔsleepすなわち受信器が送信後に作動停止される時間とを考慮する必要がある。これらの遅延から、ノードが他のノードをリスンできる時間は、同期時の理想的な時間、ここでは位相関数の周期Ｔに等しい時間から、送信遅延およびスリーピング遅延分だけ減じられたものである。したがって、リスニング時間（受信待ち時間）は以下によって規定される。
Ｔlisten＝Ｔ−（Ｔtransmit＋Ｔsleep）
【００２２】
シミュレーションの目的で、ノードの状態を表わす有限状態機械（ＦＳＭ）により遅延を伴うオシレータをモデリングすることは興味深いことである。１つのノードの進展を考慮すると、基本モデルの状態機械は非常に簡単になる。それは、単に２つの状態、すなわち、リスニング状態および送信状態である。１つのノードは、ΦがΦthresholdに達すると送信状態へ移行するとともに、直ぐにリスニング状態に戻る。
【００２３】
無線ネットワークとの関連において、「ファイヤリング（発振）」瞬間は、同期バーストを送信することに相当する。同期バーストの持続時間はこれまで無視されてきた。しかしながら、その持続時間が実際に重大となる場合があり、Ｔtransmitにより示される。送信遅延をモデリングするため、送信状態において費やされる時間は単純にＴtransmitに等しくされる。
【００２４】
不応性遅延をモデリングするためには、更なる状態を導入する必要がある。発振（ファイヤリング）後、ノードは、特定の長さの時間中に直ちに受信することができない。ノードは、この時間中に受信も送信もできないため、スリーピング時間と見なすこともできる。この状態において費やされる時間は、Ｔsleepに比例し或いはＴsleepに等しい。図１４は、これらの遅延をシミュレートするために使用される１つのノードの状態機械を表わしている。これらの遅延は、図１０にプロットされる当初の位相関数を変更する。図１５は、遅延を組み入れることにより孤立したノードの位相関数を更新する。従来のように、オシレータが発振すると直ぐにオシレータの位相がゼロに設定される。それは、Ｔ−（Ｔtransmit＋Ｔsleep）と等しいＴlistenの間に線形にインクリメントし始めるだけである。
【００２５】
２つのノード間の相互作用を説明するため、他のノードすなわちノードｊが発振（ファイヤリング）しているときに、１つのノードすなわちノードｉの視点を研究することにより簡略化を行なうことができる。図１６は、ノードｊが発振しているときのノードｉの視点を表わす状態機械を形成するために考慮する必要がある様々なケースをプロットしている。図１６に示しているように、研究する必要がある４つの異なる時間間隔が存在する（ｔ0前、［ｔ0，ｔ1］、［ｔ1，ｔ2］、および［ｔ2，ｔ3］）。これらの間隔のそれぞれの期間中、ノードｉは、図１４に示される状態のうちのいずれかになり得る。そのため、ノードｉの視点を表わす完全な状態機械は１２個の状態を必要とするはずである。しかしながら、ノードｉがどのようにしてノードｊから同期バーストを完全に受信してデコードすることができるのかを知るためには１つの状態だけが関与する。したがって、幾つかの状態は、「受信できない」状態を形成するためにグループ化され、一方、同期メッセージをうまく回復させる状態は全てが表現される。
【００２６】
ｔ0前およびｔ3後において、ノードｉは、ノードｊからのメッセージを待っている。この間、ノードｉはいずれかの状態（リスニング、送信またはスリーピング）をとることができる。
【００２７】
瞬間ｔ0は、ノードｊが発振する瞬間を示している。ノードｉに関して、これは直接的な影響を有さない。したがって、ノードｉは、いずれかの状態をとり得る。
【００２８】
瞬間ｔ1は、ノードｊにより発振されたメッセージがノードｉに到達する瞬間を示している。この瞬間において、ノードｉは、同期バーストを受信できるように、リスニング状態に入る必要がある。ｔ1とｔ2との間においてノードｉが発振する場合、ノードｉは、同期メッセージをノードｊから受信することができない。
【００２９】
瞬間ｔ2は、メッセージがノードｉによって完全に受信された瞬間を示している。このとき、メッセージをデコードする必要がある。ｔ2とｔ3との間においてノードｉが発振する場合、ノードｉは、同期メッセージをうまくデコードしない。デコーディングが終了すると、ノードｉはその位相をΔ（Φ）だけインクリメントすることができる。
【００３０】
任意の無線システムにおける同期は伝播遅延によって制限されるため、このセクションは、送信遅延、デコーディング遅延、およびスリーピング遅延の効果（影響）を研究してシミュレートする。そうするため、考慮される領域を小さくとって、伝搬遅延を無視できるようにする。
【００３１】
以下のシミュレーションにおいては以下の設定が使用される。
【００３２】
Ｔsampling＝０．５μｓ、Ｔ＝１００μｓ＝２００・Ｔsampling、およびＮ＝３０ノード
【００３３】
まず、導入された遅延にもかかわらず、システムが依然として同期できるかどうかを検証することが興味深い。図１７は、Ｔtransmit＝１０μｓ、Ｔsleep＝０．５μｓ、Ｔdecode＝１μｓ、およびｂ＝０．２に関して、１０・Ｔ後のＮ個のノードの結果として得られる位相をプロットしている。Ｔsleepは、できるだけ小さくなるようにとられなければならない（１サンプリング周期）。
【００３４】
システムは同期するが、興味深いことに、オシレータの２つのグループが形成し、それらの位相がＴdelayだけ変化される。この場合、Ｔdelay＝Ｔtransmit＋Ｔdecodeである。これは、第１のグループが発振（ファイヤリング）する際、この時に受信しているノードがそれらの位相をＴdelay秒だけ第１のグループの後にインクリメントするという事実によって説明することができる。それに応じて、後者のノードも発振する。これが図１７に円で囲まれている。このインクリメントは、第２のグループが発振した後に遅延Ｔdelayを引き起こし、第１のグループに影響を与える。しかしながら、ｂが比較的小さいため、インクリメントは殆ど無視できる。しかし、それは位相を僅かに増大させる。その結果、オシレータは、予想よりも早く発振する。新たな周期がＴ’（Ｔ’＜Ｔ）として規定される。
【００３５】
第１のグループが第２のグループから同期メッセージを受信してデコードする際にその位相が非常に小さいという理由だけでシステムは安定しているように見える。そして、ｂがあまり大きくないため、インクリメントは比較的小さい。
【００３６】
図１８は、ｂ＝２である点を除き図１７と同じ設定、すなわち、Ｔtransmit＝１０μｓ、Ｔsleep＝０．５μｓ、Ｔdecode＝１μｓにおけるＮ個のノードの位相をプロットしている。この場合も同様に、システムは同期するが、４つの異なるグループができる。一般に、これらの設定を用いると、ノードの数Ｎおよび結合係数ｂに依存して、３つ以上のグループができることが分かる。Ｔdelayは、これらのグループの形成を担っている。グループ１が発振すると、それによりグループ２も発振する。グループ２はその位相をインクリメントした後に発振し、これにより、グループ３が発振した後にグループ４も発振し、それにより、グループ１が発振する。以下同様である。形成されるシステムは時間とともに安定している。
【００３７】
この効果に対抗するため、オシレータは、それ自体の発振のエコーを受け取るができなければならない。これは高いスリーピング時間へと変わる。発振しているオシレータが発振後に受け取ることができない間の時間は、少なくとも、受信しているオシレータがバーストを完全に受信して新たなオシレータを直ちに発振させるのに要する時間よりも長い必要がある。したがって、Ｔtransmit＋Ｔsleepは、少なくともＴtransmit＋Ｔdecodeよりも高い必要がある。これにより以下の条件がもたらされる。
Ｔsleep＞Ｔdecode
【００３８】
この条件は、受信された同期バーストによって受信器が直ちに発振することを前提としている。図１１に示されるように、これが常に起こるとは限らない。したがって、Ｔsleepは厳しい条件よりも高く設定されなければならない。大まかに言えば以下のようになる。
Ｔsleep＞２・Ｔdecode
【００３９】
以下のシミュレーション、すなわち、Ｔtransmit＝１０μｓ、Ｔsleep＝４μｓ、Ｔdecode＝１μｓ、およびｂ＝２に関する図１９は、Ｔsleepが唯一の可変パラメータとなる状態で行なわれている。広域同期はＴsleepの変更により回復される。これは改善である。しかしながら、図１９から分かるように、オシレータは、Ｔdelayと等しい時間間隔内で発振する。したがって、同期の精度は、
Ｔdelay＝Ｔtransmit＋Ｔdecode
によって制限される。
【００４０】
従来技術を考察すると、ＭｉｒｏｌｌｏおよびＳｔｒｏｇａｔｚ［３］は、自発的同期現象を解析するとともに、同期の収束における論理的な枠組みを得たものと要約することができる。しかしながら、無線環境において、［３］の簡単なモデルを常に直接適用できるとは限らない。文献［３］は、送信と受信との間に遅延が存在せず且つ１つのノードが送信と受信とを同時に行なえることを前提としている。１つのオシレータが発振すると直ぐに、隣接する全てのオシレータは、その位相を直ちにインクリメントし、また、即座に発振してもよい。また、パルスの長さは非常に短いと考えられ、受信器によってデコーディングが行なわれない。最終的に、オシレータがリスニングから送信へと切り換えるための時間およびその後に元に戻すための時間も無視されている。
【００４１】
ＨｏｎｇおよびＳｃａｇｌｉｏｎｅ［４］は、［３］の論理的な枠組みを無線センサネットワークに適用した。彼らの研究において、同期プロトコルは、無線通信システムを良好にモデリングするように変更されている。しかしながら、［４］の同期プロトコルは、依然として、非常に短いパルスを前提としている。無線送信器はパルスを直接に送信しない場合があり、シーケンスまたはバーストは、Ｔsamplingにより示される１つのサンプルまたはパルスの持続時間を大きく越える持続時間Ｔtransmitをもって送信される。無線ＬＡＮ、ＧＳＭまたはＵＭＴＳなどの多くの実用的な無線ネットワークにおいて、同期バーストは、数十〜数百のサンプリング持続時間Ｔsamplingを有している。実際に、無線通信における殆どの同期手法は、比較的長いシーケンスに頼っている。
【００４２】
その後、受信器は、例えば整合フィルタまたは相関検出器により衝突信号を収集し、それにより、うまく受信されると、相関ピークが得られる。この相関ピークは同期パルスに類似するパルスとして解釈されてもよいが、同期バーストの送信の始めとその成功的受信との間には、Ｔtransmit＞＞Ｔsamplingという固有の遅延が存在する（差し当たり、想定し得る伝播遅延は無視する）。［４］の解決策を用いると、同期精度をＴtransmitよりも良好にできないことが分かった。ＵＷＢシステムなどの短い送信パルスを伴う短距離ネットワークを考慮した場合、［４］の通りＴtransmitを無視できるため、達成される精度は十分である。残念ながら、１つのシンボルブロックまたは同期バーストのための時間Ｔtransmitが最大でＴsamplingよりも数百倍から数千倍長くなるＤＳ−ＣＤＭＡまたはＯＦＤＭなどの多くの送信技術において、そのような精度は明らかに許容できない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００４３】
したがって、本発明の目的は、より高い精度をもった分散的で自己組織的なネットワーク同期のための概念を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００４４】
この目的は、第１の送信装置または受信装置を第２の送信装置または受信装置に同期させるための請求項１に係る装置および請求項１２に係る方法、請求項１３に係るコンピュータプログラム、請求項１４に係る送信装置または受信装置によって達成される。
【００４５】
本発明は、第１の送信装置または受信装置を第２の送信装置または受信装置に同期させるための装置であって、前記第２の送信装置または受信装置から同期信号を受信する受信器と、同期時間後に前記第２の送信装置または受信装置からの前記同期信号と同期する同期信号を送信する送信器と、所与の第１の関数にしたがって経時的に内部信号値を増大させ、検出信号の受信時に前記内部信号値を所与の第２の関数にしたがって変更するとともに、前記装置が第１の制御状態にあるときに前記内部信号値と所与の閾値とを比較する処理ユニットとを備えており、前記処理ユニットが、前記第１の制御状態において、前記第２の送信装置または受信装置から前記同期信号を受信できる状態となるように前記受信器を制御し、前記内部信号値が閾値と等しくなるときに到達する第２の制御状態において、ゼロよりも長く且つ前記第１の関数の周期よりも短い待ち時間にわたって待つように前記送信器を制御し、前記第１の関数の周期が前記送信装置または受信装置の２つの同期信号間の周期であり、また、待ち時間が終了するときに始まる第３の制御状態において、前記同期信号を送信するように前記送信器を制御するようになっている装置を提供する。
【００４６】
また、本発明は、第１の送信装置または受信装置を第２の送信装置または受信装置に同期させるための方法であって、第１の制御状態において所与の第１の関数にしたがって経時的に内部信号値を増大させるステップと、前記第２の送信装置または受信装置から同期信号を受信してデコードするとともに、前記第１の制御状態において前記内部信号値を第２の関数にしたがって変更するステップと、第１の制御状態において前記内部信号値と閾値とを比較するステップと、前記内部信号値が前記閾値と等しいときに第２の制御状態に変えるステップと、前記第２の制御状態においてゼロよりも長く且つ前記第１の関数の周期よりも短い待ち時間にわたって待って、第３の制御状態へと変えるステップであって、前記第１の関数の周期が前記送信装置または受信装置の２つの前記同期信号間の周期であるステップと、前記第３の制御状態において前記同期信号を送信するステップとを含む方法を提供する。
【００４７】
更に、本発明は、プログラムをコンピュータ上で実行するときに第１の送信装置または受信装置を第２の送信装置または受信装置に同期させるための本発明の方法を実行するためのプログラムコードを有するコンピュータプログラムを提供する。
【００４８】
本発明は、以下において待ち状態または第２の制御状態と称される更なる制御状態を導入して同期信号の送信を遅らせ、それにより、それ自体の送信のエコーを遅らせることにより同期化の精度の向上を実現できるという所見に基づいている。これにより、同期精度の制限をもたらす遅延によって引き起こされる影響が減少される。
【００４９】
このように、本発明の利点は、第１の送信装置または受信装置を第２の送信装置または受信装置に同期させるための精度が向上されてＴdelayを下回るという点である。Ｔdelayは、同期信号の送信後にスリーピング時間だけが存在するときの待ち状態を伴わない同期精度の限界である。このような精度の向上は、広域同期ユニットを何ら伴わずに得ることができる。本発明の好ましい実施形態において、第２の制御状態の待ち時間Ｔwaitは、所定の同期信号周期Ｔsyncと、同期信号長Ｔtransmitと、デコーディング時間Ｔdecodeとによって決定される。この場合、同期信号周期Ｔsyncは、同期状態にある２つの異なる送信装置または受信装置の２つの同期信号間のゼロよりも大きい所定の最小時間間隔である。
【００５０】
本発明の特に好ましい実施形態において、待ち時間Ｔwaitは、同期信号周期Ｔsyncに等しいか、または遅延Ｔdelayにより減少される同期信号周期Ｔsyncの正の整数倍Ｌに等しく、したがって、装置の受信器によるデコーディングおよび送信のために必要なタイムスパンを考慮している。これはタイミングアドバンス方法に対応しており、このタイミングアドバンス方法では、同期状態において、他の装置の内部信号値が閾値と等しいとき、すなわち、第１の関数の周期後に、他の装置が正にその時点で同期信号を受信してデコードするようになる。
【００５１】
後述する特定の条件を考慮すると、同期の精度をサンプル持続時間Ｔsamplingまで向上させることができ、そのため、第１の送信装置または受信装置を第２の送信装置または受信装置に同期させることができる可能性を与えることができ、あるいは、言い換えると、自己組織的なネットワークまたは分散型ネットワークが形成され、これにより、全ての装置が１つの共通のタイムスケールに従い、すなわち、時間帯の最初と最後が広域パラメータとなるように広域の時間帯構造が規定される。本発明の重要な利点は、従来技術とは異なり、同期の精度が遅延時間Ｔdelayによってもはや制限されないという点である。したがって、本発明は、同期信号長Ｔtransmitが数十〜数百のサンプリング持続時間Ｔsamplingを有する例えば無線ＬＡＮ、ＧＳＭまたはＵＭＴＳなどの無線ネットワークにおいて使用することもできる。
【００５２】
例えばＬ、Ｔsyncなどの選択されたパラメータ値に応じて、装置またはデバイスの２つ以上のグループを同期状態で形成することができ、それにより、各グループは第１の関数の周期Ｔと時間的に一体となって同期信号を送信することができるが、考慮される全てのグループは、単一のものとして、Ｔsyncの周期で同期信号を送信するように「見える」。したがって、例えばＬ＝１において装置またはデバイスの２つのグループができる１つの実施形態では、同期周期Ｔsyncが、装置の第１のグループが同期信号を送信する瞬間と装置の第２のグループが同期信号を送信する瞬間との間に同期状態の所定の間隔を規定するのに対し、Ｔは、位相関数の周期、したがって、１つのグループまたは１つの単一の装置の２つの同期信号間の間隔を表わし、これにより以下の方程式が満たされる。
Ｔ＝２・Ｔsync
【００５３】
新規なウェイト・タイミングアドバンス方法（ｗａｉｔ  ａｎｄ  ｔｉｍｉｎｇ  ａｄｖａｎｃｅ  ｓｔｒａｔｅｇｙ）を用いると、送信時間Ｔtransmitがフレーム全体またはバースト周期または同期信号周期Ｔsyncの５０％であっても、自己組織的な無線ネットワークの同期を確保することができる。これは、達成できる同期精度がＴtransmitを越えることができない、すなわち、従来例において説明したようにＴtransmit＝Ｔsync／２＝Ｔ／２である場合には、同期精度がＴ／２よりも良くなる可能性がない従来技術［４］に対して著しい向上である。
【００５４】
図面を参照しながら本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５５】
本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する前に、以下の対応する用語を説明する。本発明の装置は、内部信号値としての位相Φ、閾値としてのΦthreshold、第１の関数としての位相関数、第２の関数としての位相応答曲線Δ（Φ）を伴うパルス結合オシレータまたは積分発火型（ｉｎｔｅｇｒａｔｅ−ａｎｄ−ｆｉｒｅ）オシレータとも呼ばれる。リスニング状態が第１の制御状態と呼ばれ、待ち状態が第２の状態と呼ばれ、送信状態が第３の状態と呼ばれ、スリーピング状態が第４の状態と呼ばれる。ノードという用語は、本発明のオシレータのことを示しており、あるいは、一般的には本発明の送信装置または受信装置のことである。
【００５６】
図１は、受信器１１０と処理ユニット１２０と送信器１３０とを備える本発明の装置の例示的な実施形態を示している。処理ユニット１２０は、受信器１１０および送信器１３０を制御するように、例えば一方の制御状態から他方の制御状態へと変えるように実行される。処理ユニット１２０は、制御状態１において、第１の関数すなわち位相関数にしたがって内部信号値すなわち位相を増大させる。制御状態１において、受信器１１０は、他の装置から同期信号１４０を受けられる状態にあり、同期信号１４０をデコードできる状態にあり、また、同期信号をうまく受信し或いは検出した後に検出信号１５０を処理ユニットに対して送信できる状態にある。同期信号の検出は、例えば、整合フィルタによって行なうことができ、あるいは、相関ピークが例えば検出信号１５０となる相関検出器によって行なうことができる。また、処理ユニット１２０は、制御状態１の検出信号１５０を受信すると、第２の関数、例えば位相反応曲線または結合関数（カップリング関数）にしたがって内部信号値を変更するように実行される。更に、処理ユニットは、内部信号値と所与の閾値、例えばΦthresholdとを比較し、内部信号値が閾値に等しいと直ぐに、例えば第２の制御状態へ遷移するように実行され、また、同時に、受信器１１０および送信器１３０も第２の制御状態に遷移するように制御することができる。受信器１１０、処理ユニット１２０、および送信器１３０は、待ち時間の間、第２の制御状態を保っている。この場合、待ち時間は、ゼロよりも長く且つ第１の関数の周期よりも短い。待ち時間が終了すると、処理ユニット１２０は、第３の制御状態に遷移し、受信器１１０および送信器１３０も第３の制御状態に遷移するように制御することができる。同時に、処理ユニット１２０が生成信号１６０を送信器１３０に送り、送信器は、生成信号１６０を受信すると直ぐに同期信号１４０を送信する。
【００５７】
図１は、本発明の装置の単なる１つの考えられる実施形態を示しており、この装置は、無論、例えば受信器１１０、処理ユニット１２０、および送信器１３０が１つの単一のユニットへと一体化されるように実施することができる。
【００５８】
図２は、更なる制御状態または待ち状態を伴う、本発明またはオシレータまたはノードを表わす例示的な状態機械を示している。状態機械は、第１の制御状態２１０すなわちリスニング状態と、第２の制御状態２２０すなわち待ち状態と、第３の制御状態２３０すなわち送信状態と、第４の制御状態２４０すなわちスリーピング状態とを含んでいる。ΦがΦthresholdに等しいと、本発明の装置は、リスニング状態２１０から待ち状態２２０へと遷移するように実行される。待ち時間を越えると、例えば待ち時間Ｔwait後、本発明の装置は、待ち状態２２０から送信状態２３０へと遷移するように実行される。送信が終了すると、例えばゼロよりも長く且つ位相関数の周期Ｔよりも短い送信時間または同期信号長Ｔtransmitの後、例示的な本発明の実施形態の装置は、送信状態２３０からスリーピング状態２４０へと遷移するように実行される。スリーピング状態が終了した後、例えばゼロよりも長く且つ位相関数の周期Ｔよりも短いスリーピング時間Ｔsleepの後、装置は、スリーピング状態２４０からリスニング状態２１０へと遷移するように実行される。前述したように、リスニング状態２１０にある装置は、同期信号２４０を受信してデコードできる状態にある。この場合、完全な同期信号１４０を受信するための時間は同期信号長Ｔtransmitによって規定され、また、同期信号をデコードするための時間はデコーディング時間Ｔdecodeによって規定され、いずれの時間もゼロより長く且つ位相関数の周期Ｔより短い。装置が同期信号をうまく受信してデコードできるためには、リスニング状態２１０のリスニング時間Ｔlistenが、同期信号長Ｔtransmitとデコーディング時間Ｔdecodeとの合計よりも長くなければならない。待ち状態２２０に関する本発明の装置の実施においては、様々な概念が考えられる。例えば、本発明の装置が「シャットダウン（動作停止）」されてもよい。すなわち、位相が位相関数にしたがって経時的に増大されず、受信器も同期信号を受信してデコードできる状態になっていない。あるいは、本発明の装置は、リスニング状態２１０と同様の状態にあってもよいが、後述するように待ち状態２２０の初めに不応区間をもっていてもよい。
【００５９】
図２が４つの制御状態を有する状態機械を示しているとはいえ、本発明は４つの制御状態に限定されない。例えば、本発明の異なる実施形態は、スリーピング状態２４０を持たない３つの状態だけを含むことができ、したがって、送信状態２３０から直接にリスニング状態２１０へと遷移する。
【００６０】
様々なタイミングと制御状態との関係を容易に理解できるように、図２にはＴlisten，Ｔwait，Ｔtransmit，Ｔsleep，ＴtransmitまたはＴdecodeのような更なる情報が組み入れられている。例えば、Ｔlistenは、一方では所定時間と称されても良く、他方では有効時間と称されてもよい。この時間の間、本発明の装置は、同期信号をうまく受信してデコードすることにより閾値に早く達することができるため、例えば同期化中にわたって、リスニング状態２１０のままである。
【００６１】
図１９に示されるように、同期の精度は、以下に示されるＴdelayによって制限される。
Ｔdelay＝Ｔpropagation＋Ｔtransmit＋Ｔdecode
【００６２】
ＵＷＢシステム等の短い送信パルスを伴う短距離ネットワークを考慮すると、［４］の通りＴdelayを無視できるため、基本的なモデルがうまく合致する。しかしながら、更に長い送信バーストを使用する更に幅広い無線ネットワークを考慮すると、この同期方式においては遅延が不測の事態を引き起こす。例えば、５ｎｓのサンプリング時間を使用するシステムを用いると、バーストの長さが２０μｓである場合、Ｔtransmitは４０００個のサンプリングに等しい。タイミング同期の精度は少なくとも４０００個のサンプリングに等しく、これは明らかに受け入れられない。したがって、同期方法を変更する必要がある。
【００６３】
この効果に対抗する１つの方法は、Ｔwait＝Ｔsync−（Ｔtransmit＋Ｔdecode）に等しい時間の間、送信器がその送信を遅らせることである。ここで、Ｔsyncは同期信号周期である。この手法を用いると、受信器または受信オシレータは、送信器が「発振した」後、その位相を正確にＴsync秒だけインクリメントする。ここで、「発振する」という用語は、従来の装置において規定されるように「送信」自体の瞬間をもはや示しておらず、ここでは、位相が閾値に達した時間を示している。したがって、図３に基づいて後述するように、オシレータは、どちらかと言えば、「発振準備」ができているが、依然として待ち時間を待たなければならない。
【００６４】
図３はこの方法を要約しており、以下では、この方法を、既に同期されている２つのオシレータに関し、タイミングアドバンス送信方法とも称する。瞬間ｔ0において、オシレータ１はΦthresholdに達する。オシレータ１は、開始前、ｔ1＝ｔ0＋Ｔwaitまで、同期バーストの送信を待つ。ｔ2において、オシレータ２はバーストをうまく受信してデコードする。２つのオシレータは既に同期されているため、オシレータ２は、オシレータ１と同じ方式に従い、送信前ｔ3＝ｔ2＋Ｔwaitまで待つ。
【００６５】
一般に、送信器は、Ｔwait＝Ｌ・Ｔsync−（Ｔtransmit＋Ｔdecode）と等しい時間にわたって待つ。ここで、Ｌは整数である。以下では、Ｌ＝１の場合について更に詳細に説明する。
【００６６】
この方式は、２つの条件が満たされている場合にのみ機能する。まず第１に、Ｔtransmit＋ＴdecodeがＴsyncよりも長いことはあり得ない。そうでなければ、待ち時間が負になってしまい、Ｌを調整しなければならない。これにより、以下の条件が導かれる。
Ｔtransmit＋Ｔdecode＜Ｔsync    数式（３）
【００６７】
方式がうまく同期化する機会を得るための他の条件は、図３の瞬間ｔ3においてオシレータ１がオシレータ２のバーストを受信するためにリスニング状態となる必要があるという条件である。したがって、ｔ0とスリーピング状態の最後との間の時間は、Ｔsync＋Ｔwaitよりも短い必要がある。これはＴwait＋Ｔtransmit＋Ｔsleep＜Ｔsync＋Ｔwaitという条件を課し、この条件は以下のように簡略化される。
Ｔtransmit＋Ｔsleep＜Ｔsync    数式（４）
【００６８】
これらの条件が満たされると、２つのグループが生じるようになる。グループ２はグループ１の同期化メッセージにより同期し、逆もまた同様である。図４は、Ｔsync＝１００μｓ、Ｔtransmit＝２０μｓ、Ｔsleep＝４０μｓ、Ｔdecode＝１０μｓ、および、ｂ＝３において時間アドバンス同期方式を使用してうまく同期する３０個のノードの結果として得られる位相を示している。簡略化の目的で、全てのノードを含むコンシダードセル（ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ  ｃｅｌｌ）は小さい（全てのノード間でＴpropagation＝０）。
【００６９】
新規なタイミングアドバンス方法に基づいて、前述した有限状態機械が僅かに変更される。
【００７０】
１つのノードの状態を表わす状態機械においては、待ち状態が送信状態前に加えられる。送信器は、図２に示されるように、Ｔwaitに等しい待ち時間の間、この状態のままでいる。
【００７１】
時間アドバンス送信方法の妥当性を検証するため、当該送信方法が理想的な条件下でシミュレートされる。そのため、これらの前提の下で以下の結果が得られた。すなわち、Ｔsampling＝０．５μｓ、Ｔsync＝１００μｓ＝２００Ｔsamplingであり、ノイズが無視され、つまり、非常に高い信号対雑音比（ＳＮＲ）を仮定し、結合がパラメータｂ＝３（図１３参照）、Ｎ＝３０ノードをもって固定され、ノードは、完全に網目状のネットワークを形成するとともに、５０ｍ×５０ｍの面積にわたって均一に分布される（伝播遅延をシミュレートするため）。
【００７２】
この場合、２つのノード間の最大距離は、以下のようになり、
【数３】
2007028620.tif 000005
最大伝播遅延は、以下のようになる。
【数４】
2007028620.tif 000006
したがって、伝播遅延は、全てのノード間でゼロサンプルに等しい。
【００７３】
図５に示されるように、Ｔtransmit＝３５μｓ、Ｔsleep＝２０μｓ、Ｔdecode＝３５μｓにおいては、Ｔdelay＝Ｔtransmit＋Ｔdecode＝７０μｓであるが、３０個のノード間の同期が５．５Ｔsync内で得られる。このとき、精度はＴdelayによって制限されない。
【００７４】
異なる設定を使用すると、必ずしも同期が得られるとは限らない。例えば、Ｔtransmitが３５μｓから２０μｓへと減少され且つＴsleepが２０μｓから５μｓへと減少される場合には、３つ以上の独特のグループができるシステムを用いて異なるタイプの同期を得ることができる。図６は、Ｔtransmit＝２０μｓ、Ｔsleep＝５μｓ、Ｔdecode＝３５μｓにおける３つのグループを用いたこの同期を示している。このタイプの同期は前述したケースに良く似ており、グループ１がグループ３に影響を与え、グループ３がグループ２に影響を与え、グループ２がグループ１に影響を与える。
【００７５】
前述したように、このタイプの同期は、Ｔsleepが非常に小さかった（Ｔlistenが非常に高かった）ために生じたものである。新たな送信方法を用いると、
Ｔlisten＝２・Ｔsync−（Ｔwait＋Ｔtransmit＋Ｔsleep）、  Ｔwait＝Ｔsync−（Ｔtransmit＋Ｔdecode）となり、
Ｔlisten＝Ｔsync＋Ｔdecode−Ｔsleep    数式（５）
となる。
【００７６】
リスニング時間を変えるためには、Ｔsleepが変更される必要がある唯一のパラメータである。図６に示される誤ったタイプの同期を避けるためには、Ｔsleepを増大する必要がある。
【００７７】
スリーピング時間Ｔsleepが非常に高い場合には、同期化が全く得られない。図７は、この場合における３０個のノードのＴtransmit＝３５μｓ、Ｔsleep＝６０μｓ、およびＴdecode＝３５μｓに関する進展を示している。
【００７８】
この場合、合計Ｔtransmit＋Ｔsleep＝Ｔdelayは、数式（４）によって与えられる制限に非常に近い。リスニング時間は非常に小さく、そのため、システムが同期できる可能性も非常に小さい。したがって、Ｔsleepはあまり高くなり得ない。
【００７９】
これらの３つの異なるケースは、同期が常に確保されるときに重大な結果を引き起こす。異なる設定を用いてＴsync＝１００μｓ、Ｔdecode＝３５μｓ、ｂ＝３においてシミュレーションを実行することにより、図８が得られた。図８は、異なる３つの領域を示している。左隅の下部では、３つ以上の異なるグループとの同期が得られる（図６参照）。中央の領域では、完全な同期が得られる（図５参照）。そして、右隅の上部においては同期が全く得られない（図７参照）。
【００８０】
これらの制限は、同じ設定を用いて１００個のシミュレーションを実行することにより得られた。領域  「ＳＹＮＣＨＲＯＮＩＺＡＴＩＯＮ（同期化）」を示すため、同期率は９０％を越えていなければならない。
【００８１】
図８から、Ｔtransmit＜５０μｓである限り、Ｔsleepは、同期を達成するために周期時間Ｔsyncの３０％の範囲から選択することができる。５０μｓ＜Ｔtransmit＜６５μｓにおいては、同期化が可能であるが、Ｔsleepにおける範囲は更に小さい。
【００８２】
図１８における制限は９０％の同期率において得られた。これにより、送信時間が固定されている場合にスリーピング時間に応じて同期率がどのように進展するのかが分かる。
【００８３】
スリーピング時間Ｔsleepとリスニング時間Ｔlistenとの間には直接的な対応関係がある（数式（５）参照）。リスニング時間に応じた同期率の進展を見ることは非常に興味深い。
【００８４】
図９は、同期率を測定するために各設定、Ｔsync＝１００μｓ、Ｔdecode＝３５μｓ、Ｔtransmit＝０．５μｓ、ｂ＝３において１０００個のシミュレーションを実行することにより得られたものである。
【００８５】
図９は様々な同期段階を理解するのに役立つ。Ｔlisten（Ｔlistenは少なくともＴtransmit＋Ｔdecodeに等しい必要がある）が非常に小さいと、同期化は全く起こらず、各ノードは他のノードを聞きとることなく自由に振動する。徐々にＴlistenが上昇するにつれて、ノードは互いに聞きとる可能性が高くなり、同期率が急激に上昇する。ほぼ０．３０Ｔsync幅の範囲においては同期が起こる。その後、この比率は、Ｔlistenが非常に大きいことから、突然、急激に減少する。この場合、ノードは、非常に多くの調和しないメッセージを聞きとり、３つ以上のグループができる場合には誤ったタイプの同期が達成される。
【００８６】
なお、無線ネットワークに適用されるパルス結合オシレータに基づく同期方式は、各ノードに固有の同期ワードとは対照的に、１つの共通の同期ワード（またはシーケンス）を利用する。各ノードに固有の同期ワードは、特定のノートが識別されなければならない場合に必要とされる。著しい数のノードを有する大きいネットワークにあっては、必要な同期ワードの数も多い。また、固有の同期ワードの割り当ては、自己組織的なネットワークにおいて達成することが難しい場合がある。考慮される同期方式は１つの共通な同期ワードだけを必要とするため、この問題が緩和される。更に、１つの特定の同期ワードに関連する１つのノードを識別するための問題も省かれる。
【００８７】
本発明を要約すると、本発明は、無線ネットワークのための自己組織的な同期アルゴリズムを扱っていると言うことができる。分散型ネットワークが考慮されているため、端末の動きを管理する広域協調ユニットが前提とされない。提案された解決策は、無線センサネットワーク、アドホックネットワーク、マルチホップネットワークなどや、セルラーネットワークをも含む幅広い範囲の用途に適用できる。本発明および新規なウェイト・タイミングアドバンス方法を用いると、送信時間ＴTXがフレーム全体またはバースト周期Ｔsyncの５０％であっても、自己組織的な無線ネットワークの同期を確保することができる。これは、達成できる同期精度がＴtransmitを越えることができない（すなわち、先の例の場合と同様にＴtransmit＝Ｔ／２である場合には、同期精度がＴ／２またはＴsync／２よりも良くなる可能性はない）従来技術［４］に対して著しい向上である。
【００８８】
効果に対して有効である本発明の手法は、前述したように、Ｔwait＝Ｔsync−（Ｔtransmit＋Ｔdecode）に等しい特定の時間の間その送信を遅らせる送信器のためのものである。ここで、ＴdecodeおよびＴsyncはそれぞれ、既知と考えられるデコーディング遅延および同期信号周期である。この手法を用いると、受信器は、送信器が発振した後、その位相を正確にＴ秒だけインクリメントする。一般に、送信器は、Ｔwait＝Ｌ・Ｔsync−（Ｔtransmit＋Ｔdecode）と等しい時間にわたって待つことができる（Ｌ≧１は正の整数）。
【００８９】
送信器は、直接に発振するのではなく、すなわち、同期バーストを送信するのではなく、「発振準備」できる状態になるのをＬ同期信号周期にわたって待ち、送信によって費やされるタイムスパンを考慮する。これは、前述したように、避けられない送信およびデコーディング遅延を他のノードが気づかないようにするタイミングアドバンス方法に対応している。
【００９０】
本発明の装置、方法、内在する同期化プロトコルの理解を容易にするため、後者を図２に示されるような有限状態機械（ＦＳＭ）によって説明した。従来技術と比べると、前述したように、図２において第２の状態すなわち待ち状態として示された更なる状態が加えられている。本発明の好ましい実施形態において、送信器は、Ｔwaitに等しい待ち時間にわたって待ち状態のままでいる。時間アドバンス方法と組み合わされるこの新たな待ち状態は、同期精度を向上させることができる本発明の大きな利点である。
【００９１】
本発明の方法は、当該方法の特定の実施要件に応じて、ハードウェアまたはソフトウェアにおいて実施することができる。実施は、デジタル記憶媒体を使用して、特に、本発明の方法が実行されるようにプログラム可能なコンピュータシステムと協働する電子読み取り可能な制御信号が記憶されているディスク、ＤＶＤまたはＣＤを使用して行なうことができる。したがって、一般に、本発明は、プログラムコードが機械読み取り可能なキャリア上に記憶されるコンピュータプログラム製品であり、前記プログラムコードは、コンピュータプログラム製品がコンピュータ上で実行するときに本発明の方法を実行するようになっている。したがって、言い換えると、本発明の方法は、コンピュータプログラムがコンピュータ上で実行する際に本発明の方法のうちの少なくとも１つを実行するためのプログラムコードを有するコンピュータプログラムである。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明の装置の例示的なブロック図を示している。
【図２】本発明の装置または本発明のオシレータの状態を表わす状態機械を示している。
【図３】２つの周期におけるタイミングアドバンス送信方法の図を示している。
【図４】Ｔsync＝１００μｓ、Ｔtransmit＝２０μｓ、Ｔsleep＝４０μｓ、およびＴdecode＝１０μｓにおける、時間アドバンス送信方法にしたがって同期状態にある本発明の３０個のノードの内部信号値の図を示している。
【図５】Ｔsync＝１００μｓ、Ｔtransmit＝３５μｓ、Ｔsleep＝２０μｓ、およびＴdecode＝３５μｓにおける、同期中の時間アドバンス送信方法を用いた本発明の３０個のノードの内部信号値の図を示している。
【図６】Ｔsync＝１００μｓ、Ｔtransmit＝２０μｓ、Ｔsleep＝５μｓ、およびＴdecode＝３５μｓにおける、同期する３つのグループを形成する３０個のノードの内部信号値の図を示している。
【図７】Ｔsync＝１００μｓ、Ｔtransmit＝３５μｓ、Ｔsleep＝６０μｓ、およびＴdecode＝３５μｓにおける、同期を達成することのない３０個のノードの内部信号値の図を示している。
【図８】Ｔsync＝１００μｓ、Ｔdecode＝３５μｓ、およびｂ＝３における、本発明の３０個のノードの例示的な安定性限界の図を示している。
【図９】Ｔsync＝１００μｓ、Ｔdecode＝３５μｓ、Ｔtransmit＝０．５μｓ、およびｂ＝３における、本発明の３０個のノードの例示的な同期率の図を示している。
【図１０】遅延を伴わない孤立したノードの位相の図を示している。
【図１１】同期中における２つのパルス結合オシレータの位相の図を示している。
【図１２】想定し得る位相応答曲線または第２の関数および位相インクリメントの図を示している。
【図１３ａ】位相応答曲線または第２の関数の想定し得るグラフの図を示している。
【図１３ｂ】ｂの幾つかの値におけるΦ＋Δ（Φ）の図を示している。
【図１３ｃ】λの幾つかの値におけるΦ＋Δ（Φ）の図を示している。
【図１４】従来技術に係るノードの状態を表わす状態機械の例示的な図を示している。
【図１５】遅延を伴う孤立したオシレータの想定し得る位相関数の図を示している。
【図１６】ノードｊが発振しているときのノードｉの観点を表わす制御状態の図を示している。
【図１７】Ｔsync＝１００μｓ、Ｔsleep＝０．５μｓ、Ｔdecode＝１μｓ、およびｂ＝０．２における、従来技術の３０個のノードの内部信号値の図を示している。
【図１８】Ｔsync＝１００μｓ、Ｔtransmit＝１０μｓ、Ｔsleep＝０．５μｓ、Ｔdecode＝１μｓ、およびｂ＝２における、従来技術の３０個のオシレータの内部信号値の図を示している。
【図１９】Ｔsync＝１００μｓ、Ｔtransmit＝１０μｓ、Ｔsleep＝４μｓ、Ｔdecode＝１μｓ、およびｂ＝２における、従来技術の３０個のオシレータの内部信号値の図を示している。
【符号の説明】
【００９３】
１１０  受信器
１２０  処理ユニット
１３０  送信器
１４０  同期信号
１５０  検出信号
１６０  生成信号
２１０  第１の制御状態すなわちリスニング状態
２２０  第２の制御状態すなわち待ち状態
２３０  第３の制御状態すなわち送信状態
２４０  第４の制御状態すなわちスリーピング状態
【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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【図１２】
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【図１３ａ】
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【図１３ｂ】
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【図１３ｃ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【外国語明細書】
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