(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の無線ノードが分散配置され、各無線ノードが少なくとも一つの無線チャネル装置を含み、各無線チャネル装置に優先度が設定され、対向する無線ノードがそれぞれの無線チャネル装置間に無線リンクを確立する無線ネットワークの時刻同期方法であって、
無線リンクを共有して対向する一対の無線ノードの一方の無線チャネル装置（マスタ）のフレーム同期用クロックに他方の無線チャネル装置（スレーブ）のクロックを同期させる手順と、
マスタおよびスレーブが収容されている無線ノードにおいて、前記スレーブのクロックにマスタのクロックを同期させる手順と、
同期のとれたリンクに繋がっている複数のマスタのうち、クロックに関して最も上流に位置してクロック供給源として機能するマスタをルートとして定義する手順と、
ルートおよびマスタが収容されている無線ノードにおいて、前記ルートのクロックにマスタのクロックを同期させる手順と、
さらに各無線ノードが自律分散的に、
ノード内のルートおよびスレーブの中で優先度が最も高い無線チャネル装置を基準チャネル装置に設定する手順と、
前記基準チャネル装置以外のルートをマスタに変更し、当該マスタのクロックを基準チャネル装置のクロックに同期させる手順と、
前記基準チャネル装置以外のスレーブと、これに対向するルートまたはマスタとを入れ替える手順と、
同期のとれたリンクに繋がっている全ての無線チャネル装置の優先度を一の優先度に統一する手順とを含むことを特徴とする無線ネットワークの時刻同期方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は無線ネットワークの時刻同期方法に係り、特に、各無線ノードが分散配置された無線ネットワークに好適な時刻同期方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上り下りに非対称なトラヒック特性を示すリンクを有する無線ネットワークでは時分割複信（TDD）方式が有効である。一般にTDD方式では、無線リンクを構成する対向無線ノード間で送受信の切り替えタイミングを合わせるために、対向する無線ノードの一方をマスタノード、他方をスレーブノードとし、マスタノードにおいて送信タイミングを管理することによりTDDフレーム時刻を管理している。
【０００３】
TDD方式を採用するマルチホップ無線通信システムにおいては、複数の無線ノード同士がそれぞれ無線リンクによって接続されている。このような構成では、単一の無線リンク内でのマスタ／スレーブ間の時刻同期のみならず、無線ノード間を結ぶ複数の無線リンク間でTDD送受信タイミングを同期させることによって、複数リンクで共通の周波数を利用することが可能となり、周波数利用効率を上げることができる。しかしながら、そのためにはネットワークを構成する無線ノード同士が同期を保持する、即ち共通の基準時刻を共有することが必要である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
複数の無線ノード間で共通の基準時刻を保持する方法として、外部から基準時刻（例えばGPSからのクロックなど）を入力する方法が考えられる。しかしながら、このような方法は基準時刻を受信できない領域に無線ノードを設置することが出来ないので、システム展開の領域を制限することになる。
【０００５】
ネットワーク全体で同期を取るためには、ネットワークの情報を集中制御・管理し、ネットワークトポロジーを考慮した上で同期情報を各ネットワークに分配する必要があった。
【０００６】
例えば、電子情報通信学会論文誌B-ＩＩ Vol.J81-B-ＩＩ No.4 pp.278-288（矢幡）では、マイクロセルラ移動通信において、数百の基地局に１つの割合でマスタ局を設置し、マスタ局がGPS等を用いて正確な時間基準を受けることを提案している。しかしながら、ここではマスタ局やマスタ局に従属するスレーブ局がダウンした際の復旧手順が考慮されていない。
【０００７】
電子情報通信学会信学技報DSP97-163（王他）では、車両ネットワークにおいて自律分散的に通信フレームの同期をとるためのシステムが提案されている。しかしながら、ここでは全てのユーザーが通信半径にある、即ちお互いの同期パルスを検出できることを前提としている。このため、ノードが広範囲に分布し、指向性アンテナを利用するメッシュ型システムには適応できない。
【０００８】
さらに、メッシュ型無線通信システムにおいて各無線ノードが自律的に時刻同期を確立しようとする方法として、電子情報通信学会通信ソサイエティ大会B-5-210（田畑他）では、時刻基準ノードを基点として時刻同期ツリーを生成し、ネットワーク全体の同期を取ることを提案している。しかしながら、この方式ではツリーを作成するためにネットワークトポロジ情報が必要となる。また、リンク断によりトポロジ構成が変化した場合には、新たにツリーを作成し直す必要があった。
【０００９】
本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決し、複数のノードが分散配置されたマルチホップ無線ネットワークにおいて、各ノードが基準時刻を外部から受信することなく、かつネットワークトポロジを必要とすることなく、自律分散的に動作しながら時刻同期を確立することのできる無線ネットワークの時刻同期方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明は、複数の無線ノードが分散配置され、各無線ノードが少なくとも一つの無線チャネル装置を含み、対向する無線ノードがそれぞれの無線チャネル装置間に無線リンクを確立する無線ネットワークにおいて、無線リンクを共有して対向する一対の無線ノードの一方の無線チャネル装置（マスタ）のフレーム同期用クロックに他方の無線チャネル装置（スレーブ）のクロックを同期させる手順と、マスタおよびスレーブが収容されている無線ノードにおいて、前記スレーブのクロックにマスタのクロックを同期させる手順とを含むことを特徴とする。
【００１１】
上記した特徴によれば、各ノードは自ノードに収容されている無線チャネル装置のクロックと対向ノードに収容されている無線チャネル装置のクロックとを同期させることができるので、各ノードが自律分散的に時刻同期のための処理を行っても、リンクで繋がれたノード間では各無線チャネル装置のクロックを同期させることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。図２１は、本発明の時刻同期方法が適用される無線ネットワークの構成を示した図であり、複数の無線ノードNが分散配置され、対向する無線ノードNがそれぞれの無線チャネル装置間に無線リンクLを確立してマルチホップ無線ネットワークを構成している。
【００１３】
本実施形態では、図１に示したように、無線リンクＬを確立する一対の無線ノードＮ１，Ｎ２の各無線チャネル装置が、フレーム同期のタイミングに関して、一方がマスタＭ、他方がスレーブＳとして機能する。スレーブＳとして機能する無線チャネル装置（Ｓ）は、自身のクロックをマスタＭとして機能する無線チャネル装置（Ｍ）のクロックに同期させる。対向する各無線チャネル装置のマスタＭ／スレーブＳの関係は、図２に示したように、両者でネゴシエーションを行うことにより、いつでも入れ替わることができる。
【００１４】
一般のマルチホップ無線ネットワークでは、一つのノードが複数の無線チャネル装置を備え、それぞれの無線チャネル装置にリンクが接続される。図３に示したノードＮ２のように、スレーブＳとして機能する無線チャネル装置（Ｓ）およびマスタＭとして機能する無線チャネル（Ｍ）を収容している場合には、前記ノード間のマスタＭ／スレーブＳに適用されるルールとは逆に、無線チャネル装置（Ｍ）が、自身のクロックを無線チャネル装置（Ｓ）に同期させる。
【００１５】
図３の形態では、ノードＮ２、Ｎ３の各無線チャネル装置のクロックは、その大元に位置するノードＮ１の無線チャネル装置（Ｍ）に同期することになる。本実施形態では、このように同期の確立されているリンクにおいて大元のクロック供給源となるマスタを、図４に示したように、特別に「ルートＲ」と定義し、無線チャネル装置（Ｒ）は、同期の確立されているリンク木内に唯一存在するものとする。
【００１６】
ところで、ノード内に複数の無線チャネル装置が存在しても、全てのクロックが同期しているとは限らず、このような場合には、ネットワーク内に複数のリンク木が存在することになる。図５では、ノードN２に収容されている３つの無線チャネル装置のうち、リンクＬ12を終端する無線チャネル装置（Ｓ）とリンクＬ23を終端する無線チャネル装置（Ｍ）とは同期しているのに対して、この２つの無線チャネル装置と、リンクＬ24を終端する無線チャネル装置（Ｓ）とは同期していない。このため、ノードＮ１，Ｎ２，Ｎ３を含むリンク木およびノードＮ２，Ｎ３，Ｎ４を含むリンク木という、２つの独立したリンク木が存在し、それぞれノードＮ１，Ｎ４の無線チャネル装置がルートＲとして機能している。
【００１７】
なお、図５のノードＮ４のように、同一ノード内にルートＲとして機能する無線チャネル装置（Ｒ）とマスタＭとして機能する無線チャネル装置（Ｍ）とが存在する場合、無線チャネル装置（Ｍ）が、自身のクロックを無線チャネル装置（Ｒ）に同期させる。
【００１８】
さらに、本実施形態では各無線チャネル装置に、そのシリアル番号等に基づいてネットワーク全体で一意に優劣を判断できる優先度を予め設定している。そして、図６(a)に示したように、優先度の異なる無線チャネル装置間にリンクが確立されると、スレーブＳとして立ち上がった無線チャネル装置の優先度を、マスタとして立ち上がった無線チャネル装置の優先度と同じに変更する。したがって、優先度Ａの無線チャネル装置がマスタＭとして立ち上がれば、同図(b)に示したように、各無線チャネル装置の優先度はいずれもＡとなる。優先度Ｂの無線チャネル装置がマスタＭとして立ち上がれば、同図(c)に示したように、各無線チャネル装置の優先度はいずれもＢとなる。各無線チャネル装置の優先度は、当該ノードＮ１，Ｎ２間に確立されたリンクの優先度にも適用される。
【００１９】
次いで、図７のネットワークを例にして本実施形態の動作を詳細に説明する。ここでは、６つのノードＮ１〜Ｎ６を含むネットワークを例にして説明する。
【００２０】
ノードＮ４の４つの無線チャネル装置Ｔ41（Ｒ），Ｔ42（Ｒ），Ｔ43（Ｓ），Ｔ44（Ｓ）は、それぞれノードＮ６の無線チャネル装置Ｔ61（Ｓ），ノードＮ３の無線チャネル装置Ｔ31（Ｓ），ノードＮ５の無線チャネル装置Ｔ51（Ｒ），ノードＮ２の無線チャネル装置Ｔ22（Ｍ）との間に無線リンクを確立し、ノードＮ２の無線チャネル装置Ｔ21（Ｒ）とノードＮ１の無線チャネル装置Ｔ11（Ｓ）との間にも無線リンクが確立されている。
【００２１】
このような構成の無線ネットワークにおいて、たとえば停電によりシステム全体の同期が外れ、その後、各無線チャネル装置が独自のタイミングで立ち上がった場合を想定する。初期状態では、無線ネットワークが時間同期に関して４つのグループＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４に分割され、各グループ内では同期が確立されているものの、グループ間では同期が確立されていない。このため、グループ外とのリンクでは同一周波数を利用することができず、周波数利用効率を高めることができない。
【００２２】
グループＧ１は、ノードＮ６の無線チャネル装置Ｔ61およびノードＮ４の無線チャネル装置Ｔ41を含む。グループＧ２は、ノードＮ２の無線チャネル装置Ｔ21，Ｔ22、ノードＮ４の無線チャネル装置T44およびノードＮ１の無線チャネル装置Ｔ11を含む。グループＧ３は、ノードＮ３の無線チャネル装置Ｔ31およびノードＮ４の無線チャネル装置Ｔ42を含む。グループＧ４は、ノードＮ５の無線チャネル装置Ｔ51およびノードＮ４の無線チャネル装置Ｔ43を含む。
【００２３】
各グループＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４には、それぞれのグループにおいてルートＲとして機能する無線チャネル装置T41，T21，T42，T51の優先度に基づいて優先度Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄが割り当てられているものとし、優先度はＡ＞Ｂ＞Ｃ＞Ｄの順とする。
【００２４】
図１４は、本実施形態における同期確立手順を示したフローチャートであり、各ノードにおいて自律分散的に実行されるが、ここでは、ノードＮ４における動作に例にして説明する。なお、ノードＮ４において同期確立手順が実行される場合、その対向ノードにおいて同時に同期確立手順が実行されるのを防ぐために、対向ノードのリンクを予めロックしておく。
【００２５】
ステップＳ１では、ロック状態になっているリンクが制御対象から除外される。ステップＳ２では、制御対象となる無線チャネル装置が２つ以上か否かが判別される。本実施形態では、ノードＮ４が４つの無線チャネル装置を含むのでステップＳ３へ進む。ステップＳ３では、全ての無線チャネル装置の優先度が同一であるか否かが判別される。本実施形態では、ノードＮ４に収容されている全ての無線チャネル装置の優先度が同一ではないのでステップＳ４へ進み、優先度の一番高いルートＲまたはスレーブＳが基準チャネル装置として認識される。本実施形態では、無線チャネル装置Ｔ41（Ｒ）の優先度が最も高い（優先度Ａ）ので、これが基準チャネル装置となる。
【００２６】
ステップＳ５では、ノードＮ４に収容されている残りの無線チャネル装置Ｔ42，Ｔ43，Ｔ43のいずれかが注目チャネルとして順番に選択される。ここでは、無線チャネル装置Ｔ42（Ｒ）が今回の注目チャネルとして選択されたものとして説明を続ける。
【００２７】
ステップＳ６では、注目チャネル装置Ｔ42（Ｒ）がスレーブであるか否かが判定される。注目チャネル装置Ｔ42はルートＲであり、ここではスレーブ以外と判定されるのでステップＳ７へ進む。ステップＳ７では、当該注目チャネル装置Ｔ42（Ｒ）に対してノード内従属処理が実行される。
【００２８】
図１５は、前記「ノード内従属処理」の動作を示しフローチャートであり、ステップＳ７１では、図８に示したように、今回の注目チャネル装置Ｔ42がマスタＭに変換される。ステップＳ７２では、マスタＭに切り替わった注目チャネル装置Ｔ42（Ｍ）のクロックを基準チャネル装置（無線チャネル装置Ｔ41）のクロックに同期させる。すなわち、注目チャネル装置Ｔ42（Ｍ）を無線チャネル装置Ｔ41（Ｒ）に従属させる。ステップＳ７３では、注目チャネル装置Ｔ42（Ｍ）およびこれに従属しているノードＮ３の無線チャネル装置Ｔ31の優先度が「Ａ」に変更される。
【００２９】
図１４に戻り、ステップＳ９では、全ての無線チャネル装置に関して従属処理が完了したか否かが判定され、ここでは無線チャネル装置Ｔ43，Ｔ44に関する従属処理が完了していないのでステップＳ５へ戻る。
【００３０】
ステップＳ５において、今回の注目チャネルとして無線チャネル装置Ｔ43（Ｓ）が新たに選択されると、ステップＳ６では、今回の注目チャネルがスレーブＳと判定されるのでステップＳ８へ進む。ステップＳ８ではスレーブＳ／ルートＲ（またはマスタＭ）入替処理が実行され、図９に示したように、注目チャネル装置Ｔ43と対向チャネル装置Ｔ51との間でスレーブＳ／ルートＲの役割が入れ替えられる。
【００３１】
ステップＳ７では、前記と同様に優先度の低い側の無線チャネル装置Ｔ43（Ｒ）を、図１０に示したように、ルートＲからマスタＭに変換し（ステップＳ７１）、注目チャネル装置Ｔ43（Ｍ）を基準チャネル装置Ｔ41（Ｒ）に従属させ（ステップＳ７２）、さらに注目チャネル装置Ｔ43（Ｍ）およびこれに従属しているノードＮ５の無線チャネル装置Ｔ51（Ｓ）の優先度を「Ａ」に変更する。
【００３２】
ステップＳ９では、全ての無線チャネル装置に関して従属処理が完了したか否かが判定され、ここでは無線チャネル装置Ｔ44（Ｓ）に関する従属処理が完了していないのでステップＳ５へ戻る。
【００３３】
ステップＳ５において、今回の注目チャネルとして無線チャネル装置Ｔ44（Ｓ）が新たに選択されると、ステップＳ６では、今回の注目チャネル装置Ｔ44がスレーブＳと判定されるのでステップＳ８へ進む。ステップＳ８では、スレーブＳ／ルートＲ（またはマスタＭ）入替処理が実行され、図１１に示したように、今回の注目チャネル装置Ｔ44と対向チャネル装置Ｔ22との間でスレーブＳ／マスタＭの役割が入れ替えられる。
【００３４】
このとき、対向チャネル装置Ｔ22と、これに従属していた無線チャネル装置Ｔ21（Ｒ）との従属関係が解消されてルートＲが存在しなくなるので、マスタに変更された注目チャネル装置Ｔ44がルートＲに切り替わる。
【００３５】
ステップＳ７では、図１２に示したように、注目チャネル装置Ｔ44（Ｒ）をルートＲからマスタＭに変換し（ステップＳ７１）、さらに、注目チャネル装置Ｔ44（Ｍ）のクロックを基準チャネル装置Ｔ41のクロックに同期させたのち（ステップＳ７２）、注目チャネル装置Ｔ44（Ｍ）および対向ノードＮ２の無線チャネル装置Ｔ22（Ｓ）の優先度をＡに変更する。
【００３６】
これとは別に、ノードＮ２において同様の処理が実行されれば、図１３に示したように、ノードＮ２の無線チャネル装置Ｔ21がルートＲからマスタＭに切り替わり、同一ノード内でスレーブＳとして機能している無線チャネル装置Ｔ22に前記無線チャネル装置Ｔ21を従属させることにより、全てのノードの無線チャネル装置間で同期が確立されることになる。なお、他のノードＮ１，Ｎ３，Ｎ５，Ｎ６に関しては、前記ステップＳ２の判断が否定となるので、上記した同期処理は実質的に実行されない。
【００３７】
このように、本実施形態によれば各ノードは自ノードに収容されている無線チャネル装置のクロックと対向ノードに収容されている無線チャネル装置のクロックとを同期させることができる。したがって、各ノードが自律分散的に時刻同期のための処理を行っても、リンクで繋がれたノード間では各無線チャネル装置のクロックを同期させることができる。
【００３８】
なお、上記した実施形態では、対向する一対のノード間に確立される無線リンクが１チャネルのみである場合を例にして説明したが、本発明はこれのみに限定されるものではなく、無線リンクが複数のチャネルにより構成される場合にも同様に適用できる。
【００３９】
図１６は、リンクが複数のチャネルにより構成される場合の動作を模式的に示した図であり、前記と同一の符号は同一または同等部分を表している。
【００４０】
本実施形態では、無線リンクを構成する複数の無線チャネルの中の１つを「リンク専用チャネル」と定義し、前記図１４、１５のフローチャートを参照して説明したアルゴリズムを、当該リンクに関しては「リンク専用チャネル」に対してのみ実行する。他のチャネルは、自身のクロックをリンク専用チャネルのクロックに同期させ、かつ自身の優先度をリンク専用チャネルの優先度に一致させる。
【００４１】
なお、上記した構成では、「リンク専用チャネル」がダウンした場合に備えて、同一リンクの各チャネルに優先順位を予め設定しておき、図１７に示したように、「リンク専用チャネル」がダウンすると、次に優先度の高い他のチャネルが「リンク専用チャネル」として機能するようにしている。なお、各チャネルに付する優先順位は、例えば、チャネルの立ち上がった順序として対向ノード間で記憶しておくことができる。
【００４２】
図１８，１９，２０は、本発明の効果を説明するための図である。図１８に示したように、基準時刻ノードＮ４を中心としてノードＮ１〜Ｎ１１間に確立された全ての無線リンクが同期している状態から基準時刻ノードＮ４がダウンすると、従来技術では、ノード内の各無線チャネル装置が相互に連携することができないので、図１９に示したように、全ての無線リンクが相互に非同期になる。
【００４３】
これに対して、本実施形態ではノード内の各無線チャネル装置が自立分散的に同期確立のためのアルゴリズムを実行し、相互に連携して同期を確立するので、リンクのつながっている範囲内であれば直ちに同期を確立することができる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、各ノードは自ノードに収容されている無線チャネル装置のクロックと対向ノードに収容されている無線チャネル装置のクロックとを同期させることができるので、各ノードが自律分散的に時刻同期のための処理を行っても、リンクで繋がれたノード間では各無線チャネル装置のクロックを同期させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  各無線チャネル装置間でのマスタ／スレーブの従属関係を示した図である。
【図２】  マスタ／スレーブの交換方法を示した図である。
【図３】  ノード内でのマスタ／スレーブの従属関係を示した図である。
【図４】  ルートの定義を説明するための図である。
【図５】  非同期のリンク木を含むネットワークを示した図である。
【図６】  各無線チャネル装置への優先度の割当方法を示した図である。
【図７】  同期手順を示した図（その１）である。
【図８】  同期手順を示した図（その２）である。
【図９】  同期手順を示した図（その３）である。
【図１０】  同期手順を示した図（その４）である。
【図１１】  同期手順を示した図（その５）である。
【図１２】  同期手順を示した図（その６）である。
【図１３】  同期手順を示した図（その７）である。
【図１４】  本実施形態の動作を示したフローチャートである。
【図１５】  ノード内従属処理のフローチャートである。
【図１６】  無線リンクが複数のチャネルを含む場合の同期方法を示した図である。
【図１７】  無線リンクが複数のチャネルを含む場合の同期方法を示した図である。
【図１８】  本発明の効果を説明するための図である。
【図１９】  本発明の効果を説明するための図である。
【図２０】  本発明の効果を説明するための図である。
【図２１】  本発明が適用されるマルチホップ無線ネットワークの構成を示した図である。
【符号の説明】
Ｌ…無線リンク，Ｍ…マスタとして機能している無線チャネル装置，Ｎ…無線ノード，Ｒ…ルートとして機能している無線チャネル装置，Ｓ…スレーブとして機能している無線チャネル装置，Ｔ…無線チャネル装置，
【図１】
0003865223.tif 000002
【図２】
0003865223.tif 000003
【図３】
0003865223.tif 000004
【図４】
0003865223.tif 000005
【図５】
0003865223.tif 000006
【図６】
0003865223.tif 000007
【図７】
0003865223.tif 000008
【図８】
0003865223.tif 000009
【図９】
0003865223.tif 000010
【図１０】
0003865223.tif 000011
【図１１】
0003865223.tif 000012
【図１２】
0003865223.tif 000013
【図１３】
0003865223.tif 000014
【図１４】
0003865223.tif 000015
【図１５】
0003865223.tif 000016
【図１６】
0003865223.tif 000017
【図１７】
0003865223.tif 000018
【図１８】
0003865223.tif 000019
【図１９】
0003865223.tif 000020
【図２０】
0003865223.tif 000021
【図２１】
0003865223.tif 000022