(57)【要約】【課題】各ノードで他ノードとの間で通信タイミングを相互調整して自ノードの通信タイミングを決定する際に、データ信号の送信経路情報に従った通信タイミングを求め、通信遅延を低減させる。【解決手段】本発明の通信制御装置は、他ノードのデータ発信のタイミングを示すタイミング制御信号を受信したり、自ノードのデータ発信のタイミングを示すタイミング制御信号を送信したりする通信手段と、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ノードにおける位相状態を変化させて、自ノードの通信タイミングを求める通信タイミング計算手段と、データ信号の送信経路情報を参照して通信タイミング計算手段により求められた位相状態の順序を確認する位相順序確認手段と、位相順序確認手段による位相状態の順序が送信経路情報に対応しない場合に自ノードの位相を変化させる位相調整手段とを備える。【選択図】      図１
2009065352.tif 000002
【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、
他ノードのデータ発信のタイミングを示すタイミング制御信号を受信したり、自ノードのデータ発信のタイミングを示すタイミング制御信号を送信したりするタイミング制御信号通信手段と、
他ノードから受信したタイミング制御信号に基づいて、自ノードにおける位相状態を変化させて、自ノードの通信タイミングを求める通信タイミング計算手段と、
データ信号の送信経路情報を参照して、上記通信タイミング計算手段により求められた位相状態の順序を確認する位相順序確認手段と、
上記位相順序確認手段による位相状態の順序が上記送信経路情報に対応しない場合、自ノードの位相を変化させる位相調整手段と
を備えることを特徴とする通信制御装置。
【請求項２】
上記位相順序確認手段が、自ノードの送信先を基準として位相が大きくなる方向に順に観測していき、位相差が所定値以上の区間を検出し、かつ、この検出区間の先頭位相と送信先の位相との間に自ノードの位相が存在しているか否かを確認するものであって、
上記位相順序確認手段が上記検出区間の先頭位相と送信先の位相との間に自ノードの位相が存在しないことを確認した場合、上記位相調整手段が、自ノードの位相を上記検出区間にシフトさせるものである
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】
上記位相順序確認手段及び上記位相調整手段は、自ノードが宛先ノードから１ホップである場合には処理を実行しない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】
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の通信制御方法において、
タイミング制御信号通信手段が、他ノードのデータ発信のタイミングを示すタイミング制御信号を受信したり、自ノードのデータ発信のタイミングを示すタイミング制御信号を送信したりするタイミング制御信号通信工程と、
通信タイミング計算手段が、他ノードから受信したタイミング制御信号に基づいて、自ノードにおける位相状態を変化させて、自ノードの通信タイミングを求める通信タイミング計算工程と、
位相順序確認手段が、データ信号の送信経路情報を参照して、上記通信タイミング計算手段により求められた位相状態の順序を確認する位相順序確認工程と、
位相調整手段が、上記位相順序確認手段による位相状態の順序が上記送信経路情報に対応しない場合、自ノードの位相を変化させる位相調整工程と
を有することを特徴とする通信制御方法。
【請求項５】
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を機能させる通信制御プログラムにおいて、
上記通信制御装置を、
他ノードのデータ発信のタイミングを示すタイミング制御信号を受信したり、自ノードのデータ発信のタイミングを示すタイミング制御信号を送信したりするタイミング制御信号通信手段、
他ノードから受信したタイミング制御信号に基づいて、自ノードにおける位相状態を変化させて、自ノードの通信タイミングを求める通信タイミング計算手段、
データ信号の送信経路情報を参照して、上記通信タイミング計算手段により求められた位相状態の順序を確認する位相順序確認手段、
上記位相順序確認手段による位相状態の順序が上記送信経路情報に対応しない場合、自ノードの位相を変化させる位相調整手段
として機能させる通信制御プログラム。
【請求項６】
通信システムを構成するノードが、請求項１〜３のいずれかに記載の通信制御装置を備えることを特徴とするノード。
【請求項７】
請求項６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。
【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、通信制御プログラム、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、アドホックネットワーク又は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、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場合において、電波干渉等による通信データの衝突を回避する方法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に開示される技術がある。
【０００３】
特許文献１〜特許文献７に記載される方法では、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、以下では、このインパルス信号をタイミング制御信号とも呼ぶ。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（特許文献５参照）。
【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、自ノード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、自ノード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２００５−０９４６６３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】
上記の特許文献１〜特許文献７に開示される通信タイミング制御方法を用いた場合、一般に、周期内における各ノードの送信順序が発信衝突回避という条件下で、ランダムに決定されるため、しばしば通信遅延が非常に大きくなる場合が発生するという問題がある。以下に、この問題について具体的に説明する。
【００１０】
図３は、ノードの空間配置と送信経路の例を示す図である。図３において、すべてのノードで定期的にトラヒックが発生する状況を想定する。
【００１１】
例えば、ノード１で発生したトラヒックを、隣接ノードを介してマルチホップで送信していき、最終的にノード６に到達させる場合の通信遅延の大きさについて考える。
【００１２】
すべてのノードでトラヒックが発生しているので、発信衝突を回避する何らかの方法が必要となる。これに対して、上記特許文献１〜特許文献７に開示される通信タイミング制御方法を用いれば、近傍ノード間における発信衝突を回避すべく、個々のノードが自律的にタイムスロットを獲得する。
【００１３】
しかし、各ノードが獲得するタイムスロットの順序関係は、送信経路とは無関係である。そのため、最悪のケースでは、図４に示すような形態になり、通信遅延が大きくなるという問題が発生する。以下、図４が表す内容について説明する。
【００１４】
図４は、周期Ｔ内で各ノードが獲得したタイムスロットの位置と通信遅延の関係を示す図である。周期内において、ノード１が先頭スロット、ノード２が最後尾のスロット、ノード３がノード２の直前のスロット、ノード４がノード３の直前のスロット、ノード５がノード４の直前のスロットを獲得した場合を示している。
【００１５】
この場合、ある時刻にノード１で発生したトラヒックは、次の先頭スロットの開始時刻までノード１において保持され、その後、先頭スロットを用いてノード２に送信される。ノード２に到達したトラヒックは、最後尾のスロットの開始時刻までノード２において保持され、その後、最後尾のスロットを用いてノード３に送信される。以下、同様にして、それぞれのノードで自ノードのタイムスロットになるまで保持された後、最終的に送信データがノード６に到達する。
【００１６】
以上の過程において、各ノードでそれぞれ１周期近くトラヒックを保持する時間が発生するから、トラヒックが送信先に到達するまでに時間がかかり、通信遅延が大きくなってしまう。図４の例の場合、結局、ノード１から５ホップ先のノード６に到達させるのに、５周期近い通信遅延が発生することになる。
【００１７】
そのため、各ノードにおいて、他ノードとの間で通信タイミングを相互調整して、自ノードの通信タイミングを決定する際に、データ信号の送信経路情報（送信経路情報、中継順序情報を含む）に従った通信タイミングを求め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】
【００１８】
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）他ノードのデータ発信のタイミングを示すタイミング制御信号を受信したり、自ノードのデータ発信のタイミングを示すタイミング制御信号を送信したりするタイミング制御信号通信手段と、（２）他ノードから受信したタイミング制御信号に基づいて、自ノードにおける位相状態を変化させて、自ノードの通信タイミングを求める通信タイミング計算手段と、（３）データ信号の送信経路情報を参照して、通信タイミング計算手段により求められた位相状態の順序を確認する位相順序確認手段と、（４）位相順序確認手段による位相状態の順序が送信経路情報に対応しない場合、自ノードの位相を変化させる位相調整手段とを備えることを特徴とする。
【００１９】
第２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装置の通信制御方法において、（１）タイミング制御信号通信手段が、他ノードのデータ発信のタイミングを示すタイミング制御信号を受信したり、自ノードのデータ発信のタイミングを示すタイミング制御信号を送信したりするタイミング制御信号通信工程と、（２）通信タイミング計算手段が、他ノードから受信したタイミング制御信号に基づいて、自ノードにおける位相状態を変化させて、自ノードの通信タイミングを求める通信タイミング計算工程と、（３）位相順序確認手段が、データ信号の送信経路情報を参照して、通信タイミング計算手段により求められた位相状態の順序を確認する位相順序確認工程と、（４）位相調整手段が、位相順序確認手段による位相状態の順序が送信経路情報に対応しない場合、自ノードの位相を変化させる位相調整工程とを有することを特徴とする。
【００２０】
第３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装置を機能させる通信制御プログラムにおいて、通信制御装置を、（１）他ノードのデータ発信のタイミングを示すタイミング制御信号を受信したり、自ノードのデータ発信のタイミングを示すタイミング制御信号を送信したりするタイミング制御信号通信手段、（２）他ノードから受信したタイミング制御信号に基づいて、自ノードにおける位相状態を変化させて、自ノードの通信タイミングを求める通信タイミング計算手段、（３）データ信号の送信経路情報を参照して、通信タイミング計算手段により求められた位相状態の順序を確認する位相順序確認手段、（４）位相順序確認手段による位相状態の順序が送信経路情報に対応しない場合、自ノードの位相を変化させる位相調整手段として機能させる通信制御プログラム。
【００２１】
第４の本発明のノードは、通信システムを構成するノードが、第１の本発明の通信制御装置を備えるものである。
【００２２】
第５の本発明の通信システムは、第４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。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、各ノードにおいて、他ノードとの間で通信タイミングを相互調整して、自ノードの通信タイミングを決定する際に、データ信号の送信経路情報に従った通信タイミングを求めることができ、その結果、通信遅延を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
（Ａ）第１の実施形態
以下では、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、ノード及び通信システムの第１の実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２５】
第１の実施形態は、無線通信ネットワーク（無線システム）を構成する複数のノードのそれぞれが本発明を備え、各ノードが送信経路情報に従ったタイムスロットを獲得する場合の実施形態を例示する。
【００２６】
以下の第１の実施形態では、送信経路情報が各ノードに予め与えられていると仮定する。すなわち、各ノードは、自ノードがどのノードからデータを受信して、どのノードにデータを送信するかという情報を保持していると仮定する。
【００２７】
（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、タイミング制御送信部１３、データ通信部１４、を少なくとも有して構成される。
【００２８】
タイミング制御信号受信部１１は、近傍ノードが発信した出力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し、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。
【００２９】
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ると、他ノードのタイミング制御信号に基づいて、自ノードの通信タイミングを規定する位相信号を形成し、この位相信号の位相値（位相情報ともいう）をタイミング制御信号送信部１３及びデータ通信部１４に与えるものである。
【００３０】
ここで、通信タイミング計算部１２による位相信号の位相モデル形成方法（通信タイミングの制御方法）としては、特に限定されるものではなく、特許文献１〜特許文献７に記載の方法を広く適用することができる。
【００３１】
なお、第１の実施形態では、通信タイミング計算部１２が、特許文献５に記載の仮想位相モデル形成方法を適用する場合を例示して説明する。
【００３２】
すなわち、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の受信の際、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、擬似的に他ノードの位相を算出し、自ノードと他ノードとの間の位相差を時間連続的に観測可能とする。
【００３３】
ここで、通信タイミング計算部１２が形成する位相信号の位相モデルについて図５及び図６を用いて説明する。なお、図５及び図６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。
【００３４】
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。
【００３５】
図５は、着目ノードｉに対して近傍ノードｊが１個存在する場合を示す。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と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（位相値）を表している。質点の回転運動を縦軸あるいは横軸に投影した点の運動が非線形振動リズムに対応する。後述する式（１．１）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。
【００３６】
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、それぞれの角速度を変化（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、それぞれのノードは、所定の位相α（例えば、α＝０）のときに出力タイミング制御信号を発信するものとした場合、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。
【００３７】
また、図６は、着目ノードｉに対して２個の近傍ノードｊ１及びｊ２が存在する場合を示している。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。
【００３８】
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）な性質をもつ。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。以上が、通信タイミング計算部１２の基本的な機能である。
【００３９】
本発明の通信タイミング計算部１２は、位相順序関係評価部１２１、位相シフト実行部１２２、位相演算部１２３を少なくとも有している。
【００４０】
ここで、位相順序評価部１２１は、自ノードの位相と、相互作用範囲内のすべての他ノードに対する仮想位相モデルを参照し、位相の順序関係が送信経路情報と整合しているか否かを判断するものである。
【００４１】
ここで、送信経路情報は、上述したように予め与えられているものである。例えば、最終的な宛先ノードが発信するタイミング制御信号を各ノード間でマルチホップ転送する場合、各ノードは受信したタイミング制御信号の宛先ノードからのホップ数を観測する。そして、宛先ノードからのホップ数が最小のものを、自ノードから宛先ノードまでのホップ数として保持しておく。この場合、この自ノードから宛先ノードまでのホップ数を送信経路情報とすることができる。
【００４２】
また、位相順序評価部１２１による位相の順序関係の判断方法については、動作の項で詳細に説明する。
【００４３】
位相シフト実行部１２２は、位相順序評価部１２１により位相の順序関係が送信経路情報と整合していないと判断された場合に、自ノードの位相をシフト（位相の順序関係を変化）させるものである。また、位相シフト実行部１２２は、自ノードの位相シフト結果を位相演算部１２３に与える。位相シフト実行部１２２による自ノードの位相シフトの方法の詳細については動作の項で説明するが、これにより、自ノードが、自律的に、送信経路情報に依存した順序関係のタイムスロットを獲得することができる。
【００４４】
位相演算部１２３は、他ノードのタイミング制御信号に基づいて、自ノードの通信タイミングを規定する位相信号の位相を形成するものである。また、位相シフト演算部１２３は、位相シフト実行部１２２による位相シフト結果を取り込み、自ノードの位相シフト後の位相信号も形成するものである。位相演算部１２３は、後述する式（１．１）及び式（１．２）を用いて位相信号を形成する。
【００４５】
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（位相信号の位相値）を受け取ると、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。
【００４６】
ここで、出力タイミング制御信号の送信タイミングとしては、例えば、位相信号の位相値が所定の位相α（０≦α＜２π）のタイミングで送信する方法を適用することできる。なお、この所定の位相αは、予めシステム全体で統一さえておくことが好ましい。例えば、第１の実施形態では、所定の位相αはα＝０でシステム全体で統一されているものとする。
【００４７】
データ通信部１４は、自ノードにおいて送信データが発生した場合に、そのデータを出力データ信号として送信するものである。また、データ通信部１４は、他ノードが送信したデータを入力データとして受信し、このデータを出力データとして送信先に送信するものである。
【００４８】
データ通信部１４は、通信タイミング計算部１２から位相情報を受け取り、位相関係が定常状態を示す場合に、後述するタイムスロット（システム等が割り当てた固定的な時間区間ではないが、第１の実施形態では「タイムスロット」という用語を用いる）で行なうものである。なお、データ通信部１４は、位相関係が過渡状態を示す場合、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。
【００４９】
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タイミング制御信号の受信タイミングより多少オフセット分δ２だけ前のタイミングとしている。δ１や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ことができるものである。
【００５０】
例えば、図５（ｃ）に示すような「定常状態」の場合、ノードｉは、位相θｉが０から出力タイミング制御信号を送信し始め、位相θｉがδ１になる前に、出力タイミング制御信号の送信を終了させておき、位相θｉがδ１から出力データ信号を送信し始め、位相θｉがβ１−δ２になると（但しβ１≒π）、出力データ信号の送信を終了させ、それ以降、θｉが再び０になるまで、出力タイミング制御信号の送信も出力データ信号の送信も停止させる。他方のノードｊも、位相θｊに基づいて同様な動作を実行するが、位相θｉと位相θｊとがほぼπだけずれているので、送信動作が競合することはない。ノード数が３個以上の場合も同様に、送信動作が競合することはない。
【００５１】
（Ａ−２）第１の実施形態の動作
次に、第１の実施形態のノードにおける通信タイミングの制御処理の動作について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００５２】
以下では、図３に示すように、図１の構成を有するノードを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の送受信方法として仮想位相モデルの計算方法を採用した場合の動作を説明する。勿論、タイミング制御信号の送受信方法は、特に限定されるものではなく、他の方法（例えば、図２（ａ）に示す方法）を適用することができる。
【００５３】
まず、各ノード１０において、通信タイミング計算部１２により、位相信号の位相を形成する演算処理が行なわれ、位相信号の位相値（位相情報）が求められると、タイミング制御信号送信部１３により出力タイミング制御信号が送信される。
【００５４】
これにより、各ノード１０は、１ホップ近傍のノード間でタイミング制御信号の送受信を行ない、通信タイミングの相互調整が実行される。
【００５５】
また、タイミング制御信号送信部１３は、自ノードが送信するタイミング制御信号に、「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ノード番号」及び「仮想位相」の情報を付加して送信する。
【００５６】
従って、各ノード１０が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すると、各ノード１０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ノード番号」及び「仮想位相」の情報に基づいて、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。
【００５７】
各ノード１０が他ノードのタイミング制御信号を受信すると、通信タイミング計算部１２は、その受信タイミングで、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。
【００５８】
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。このように、通信タイミング計算部１２による通信タイミング調整における相互作用範囲は、各ノード１０の２ホップ近傍範囲で行なわれる。
【００５９】
次に、通信タイミング計算部１２における演算処理について説明する。通信タイミング計算部１２の演算処理は、例えば、次式（１．１）及び（１．２）を用いて行なう。
【００６０】
式（１．１）及び（１．２）は、非線形振動子が結合した系をモデル化した数式に、適切な変形を施したものである。
【数１】
2009065352.tif 000003
【００６１】
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。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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
ΔΘｉｊ（ｔ）は、相互作用範囲内の他ノードｊに対する仮想位相Θｉｊ（ｔ）と、自ノードｉの位相θｉ（ｔ）との位相差である。ただし、位相差ΔΘｉｊ（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≦ΔΘｉｊ（ｔ）＜２πの値を取るものとする。
【００６５】
Ｒ（ΔΘｉｊ（ｔ））は、位相差ΔΘｉｊ（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。図７は、位相応答関数Ｒ（ΔΘｉｊ（ｔ））の具体例を示す説明図である。この位相応答関数は、自ノードと近傍ノードとの位相差を位相φｃ以上にする力学的特性を備える。
【数２】
2009065352.tif 000004
【００６６】
式（１．３）〜（１．５）においてφｄ及びαは定数パラメータを表し、これらの値は実験的に決定するものである。
【００６７】
定数パラメータφｄは、データの発信に最低限必要な位相幅φｃ以上の値を取る（φｄ≧φｃ）。ただし、第１の実施形態において、位相応答関数の関数形は上記形態に限定されないことに注意されたい。自ノードと近傍ノードとの位相差を位相幅φｃ以上にする力学的特性を与える関数は、種々の関数形を用いて実現可能である。
【００６８】
Ｒ（ΔΘｉｊ（ｔ））を含む項のＮ＾（ハット）ｉ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（ΔΘｉｊ（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ことができるものである。
【００６９】
｛Θｉｊ（ｔ）｜∀ｊ｝は、自ノード内部に生成された「相互作用範囲内の他ノードｉ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Ｚ（｛Θｉｊ（ｔ）｜∀ｊ｝，θｉ（ｔ））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。
【００７０】
Ｚ（｛Θｉｊ（ｔ）｜∀ｊ｝，θｉ（ｔ））は、自ノードｉの位相θｉ（ｔ）と、相互作用範囲内のすべての他ノードｊに対する仮想位相Θｉｊ（ｔ）を参照し、位相の順序関係が送信経路情報と整合していない場合に、それに応じて自ノードｉの位相をシフト（位相の順序関係を変化）させる働きをする関数である。この関数Ｚ（｛Θｉｊ（ｔ）｜∀ｊ｝，θｉ（ｔ））は、位相シフト実行部１２２により演算処理される関数である。
【００７１】
上記のＲ（ΔΘｉｊ（ｔ））には、位相の順序関係を変化させる働きはない。また、上記特許文献５等に開示されるストレス応答関数ξ（Ｓｉ（ｔ））は、位相をシフト（位相の順序関係を変化）させる働きを有するが、送信経路情報とは無関係に機能する。それに対して、Ｚ（｛Θｉｊ（ｔ）｜∀ｊ｝，θｉ（ｔ））は、送信経路情報に依存して位相の順序関係を変化させる働きを有する点が異なる。ノード間における位相の順序関係は、そのまま各ノードが獲得するタイムスロットの順序関係に対応する。従って、関数Ｚ（｛Θｉｊ（ｔ）｜∀ｊ｝，θｉ（ｔ））の機能を新たに付加することにより、各ノードが自律的に、送信経路情報に依存した順序関係でタイムスロットを獲得する動作が実行される。
【００７２】
次に、第１の実施形態の通信タイミング計算部１２による送信経路情報に依存した位相シフト処理の動作について図８を参照して具体的に説明する。
【００７３】
図８は、通信タイミング計算部１２による送信経路情報に従って位相をシフトさせる処理を示す動作フローチャートである。
【００７４】
以下では、各ノードがマルチホップでデータを送信する最終的な宛先を、宛先ノードと呼ぶ。例えば、シンクノードにデータを収集するネットワークの場合、シンクノードが宛先ノードとなる。また、例えば、図３において、ノード６が最終的な宛先とすれば、ノード６が宛先ノードである。ここでは、宛先ノードからのホップ数（送信経路情報）が、あらかじめ各ノードに与えられていると仮定する。この宛先ノードからのホップ数（送信経路情報）については、例えば、次のようにして与えることができる。宛先ノードからタイミング制御信号と同等の信号を発信し、マルチホップで転送しながら転送回数をカウントして、各ノードに到達するまでのホップ数を観測する。各ノードは、自ノードで観測されたホップ数の最小値を、「自ノードから宛先ノードまでのホップ数」として保持する。このような処理を事前に行なうことにより、前記のホップ数を各ノードにあらかじめ与えておくことができる。
【００７５】
まず、通信タイミング計算部１２において、位相順序関係評価部１２１は、上述の「自ノードから宛先ノードまでのホップ数」に基づいて、自ノードが宛先ノードから１ホップ数のノードであるか否かを判断する（ステップＳ１０１）。
【００７６】
そして、自ノードが宛先ノードから１ホップ数のノードである場合、位相シフト実行部１２２は、位相シフトを行なわないようにする（ステップＳ１０２）。すなわち、位相シフト実行部１２２は、Ｚ（｛Θｉｊ（ｔ）｜∀ｊ｝，θｉ（ｔ））＝０とすることで、関数Ｚ（｛Θｉｊ（ｔ）｜∀ｊ｝，θｉ（ｔ））の機能を実行させない。
【００７７】
一方、自ノードが宛先ノードから１ホップ数のノードでない場合には、以下のように処理する。
【００７８】
まず、位相順序関係評価部１２１は、自ノードｉの位相θｉ（ｔ）と、相互作用範囲内のすべての他ノードｊに対する仮想位相Θｉｊ（ｔ）を参照し（ステップＳ１０３）、自ノードｉの送信先ノードの位相を基準として、位相が大きくなる方向に順に観測していき、ノード間の位相差が所定値Ｃ以上である区間を検出する（ステップＳ１０４）。なお、この所定値Ｃは実験的に決定することができるものである。
【００７９】
ノード間の位相差が所定値Ｃ以上である区間を検出した場合、位相順序関係評価部１２１は、その検出した区間に係る先頭ノードの位相と、送信先ノードの位相との間に、自ノードｉの位相が存在するか否かを判断する（ステップＳ１０５）。
【００８０】
そして、自ノードｉの位相が検出区間の先頭ノードの位相と送信先ノードの位相との間に存在していない場合に、位相シフト実行部１２２は、自ノードｉの位相を検出した区間にシフトする（ステップＳ１０６）。
【００８１】
なお、ステップＳ１０４においてノード間の位相差が所定値Ｃ以上の区間の検出ができなかった場合、及び、ステップＳ１０５において自ノードｉの位相が検出区間の先頭ノードの位相と送信先ノードの位相との間に存在している場合には、ステップＳ１０２に移行し、位相シフト実行部１２２は位相シフトを行なわない。
【００８２】
ここで、図３に示すようにノード６を宛先ノードとする場合の動作を具体的に説明する。
【００８３】
まず、宛先ノード６までのノード１〜ノード５は、それぞれが保持している宛先ノード６までのホップ数を参照し、送信経路情報に依存した位相信号の位相シフト処理を行なうか否かを判断する。
【００８４】
例えば、ノード６が宛先ノードであるから、ノード６からのホップ数が１であるノード５は位相シフト処理を実行しない。逆に、ノード１〜ノード４は、ノード６からのホップ数が１でないから、位相シフト処理を実行する。
【００８５】
図９（ａ）は、ノード１〜ノード５のそれぞれの動作開始直後（すなわち初期状態）のノード間の位相状態を示す図である。図９（ａ）に示すように、初期状態では、各ノード１〜ノード５の位相の順序関係はランダムである。
【００８６】
今、例えばノード４に着目する。ノード４において、位相順序関係評価部１２１は、送信先であるノード５の位相を基準として位相が大きくなる方向（図９（ａ）では反時計周りの方向）に観測していき、ノード間の位相が所定値Ｃ以上である区間を検出する。図９（ａ）では、ノード５から反時計回り方向に観測していくと、ノード５の位相の直後の位相とノード２の位相との間の位相差が所定値Ｃ以上であると検出する。
【００８７】
次に、ノード４において、位相順序関係評価部１２１は、この検出した区間の先頭位相であるノード２の位相から、送信先であるノード５の位相までの間に、自ノード４の位相が存在しているか否かを判断する。
【００８８】
この場合、ノード４の位相はノード２の位相とノード５の位相との間に存在しないから、位相シフト実行部１２２は、検出したノード２の位相とその後続の位相（ノード５を基準として反時計回り方向に観測して、ノード５の直後の位相）との間に、自ノード４の位相をシフトする。
【００８９】
以上では、ノード４に着目して位相シフト処理の動作を説明したが、ノード１〜ノード３においても同様の動作がなされる。さらに、ノード５では位相シフト処理を実行しないため、ノード５の位相が他ノード１〜４の基準となる。その結果、ノード５の位相を基準として、ノード１〜４のそれぞれの位相の間に順序関係が形成される。
【００９０】
図９（ｂ）は、ノード１〜ノード５で送信経路情報に従って位相シフトさせて収束状態となったときの位相状態を示す図である。また、図１０は、各ノードが獲得した通信タイムスロットの位置と通信遅延の関係を示す図である。なお、図１０に示す通信タイムスロットは図９（ｂ）に示す順序関係に対応する。
【００９１】
なお、ノード１〜ノード５のそれぞれは、相互作用範囲内の他ノード（２ホップ近傍範囲内の他ノード）の位相しか観測できない。例えば、ノード４は、ノード１の位相を観測することができない。従って、図９（ｂ）では、わかり易く説明するために、同一図面上に、ノード１、２、３、４、５のすべての位相を記載して示しているが、実際は、相互作用範囲内の他ノードの位相情報だけを用いて行なわれることに注意されたい。
【００９２】
図９（ｂ）において、ノード４とノード５との位相の間に、別のノードの位相が存在するが、ノード１〜５以外のノード（周囲のノード）も同様に動作しているため、このような形態になり得る。ただし、図９（ｂ）と図１０で示した形態は、あくまでも一例である。また、ノード４とノード５との間の位相の間に存在する隣接位相の差は、上記の一定値Ｃよりも小さい。ノード３とノード４との間や、ノード１とノード２との間についても同様である。
【００９３】
しかし、図４に示す従来の通信遅延と図１０に示す第１の実施形態による通信遅延の一例とを比較すればわかるように、第１の実施形態にように、関数Ｚ（｛Θｉｊ（ｔ）｜∀ｊ｝，θｉ（ｔ））に基づく位相シフト動作を導入することにより、各ノードが獲得するタイムスロットの位置が送信経路に依存して決定されるようになり、その結果、通信遅延が低減される。
【００９４】
（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を相互調整するデータ通信方法において、送信経路情報に従って通信タイミングを示す位相信号の位相をシフトすることにより、各ノードが獲得するタイムスロットの位置を送信経路順序に従った順序にすることができるので、通信遅延を低減することができる。
【００９５】
（Ｂ）他の実施形態
第１の実施形態において、通信タイミング計算部が算出する自ノードのタイミング制御信号の位相の計算方法は、式（１．１）及び（１．２）で示す演算式を用いる場合に限定されるものではなく、広く適用することができる。
【００９６】
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。
【００９７】
第１の実施形態では、無線通信ネットワークの例として、各ノードがセンサデータを送信するセンサネットワークを例示した。しかし、センサネットワークに限定されず、ノード間で自律分散的に通信タイミングを形成して無線通信を実現する無線通信ネットワークに広く適用できる。
【００９８】
第１の実施形態では、分散配置された多数のノードが、相互に無線でデータのやり取りを行う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も適用することが可能である。例えば、イーサーネット（登録商標）等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、あるいはサーバ等、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。
【００９９】
また、図１において、タイミング制御信号送信部とタイミング制御信号受信部とデータ通信部とは、同一の構成としてもよい。
【０１００】
第１の実施形態における通信タイミング計算手段が実現する機能は、ハードウェア資源が処理プログラムを実行することにより実現されるソフトウェア処理によるものを想定するが、実現可能であれば、電気回路等で構成されたハードウェアにより実現するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】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２】従来の通信タイミング制御信号の送受信形態を示す図である。
【図３】分散配置された複数のノードの様子と送信経路を例示する図である。
【図４】各ノードが獲得した従来のタイムスロットの位置の例示と通信遅延の関係を示す図である。
【図５】各ノードの通信タイミングを示す位相信号の位相を形成する基本的な位相形成関係を示す図である（その１）。
【図６】各ノードの通信タイミングを示す位相信号の位相を形成する基本的な位相形成関係を示す図である（その２）。
【図７】第１の実施形態のノードの位相応答関数と位相差との関係を示す図である。
【図８】第１の実施形態のノードにおける位相シフト処理を示す動作フローチャートである。
【図９】第１の実施形態の各ノードでの位相シフト処理により各ノードの位相を変化させる様子を示す図である。
【図１０】第１の実施形態の各ノードの位相シフトの結果により、各ノードが獲得した従来のタイムスロットの位置の例示と通信遅延の関係を示す図である。
【符号の説明】
【０１０２】
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、１２１…位相順序関係評価部、１２２…位相シフト実行部、１２３…位相演算部、１３…タイミング制御信号送信部、１４…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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2009065352.tif 000013
【図１０】
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