(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、対向する無線ノード同士が無線リンクを確立してTDD方式による無線通信を行うメッシュ型無線通信システムにおける時刻同期方式において、
相互に対向する一方のノードから他方のノードへ送信した信号に対する前記他方のノードから一方のノードへの応答信号の受信タイミングに基づいて、前記一方のノードが、他方のノードとの間の伝送遅延時間を計測する手順と、
前記一方のノードが他方のノードへ信号を送信する際に、他方のノードにおける信号受信が所定タイミングで完了するように、前記信号の送信タイミングを算出する手順と、
前記一方のノードが、前記送信タイミングにおいて他方のノードへの送信を開始する手順とを含み、
前記所定タイミングが、他方のノードにおけるTDDフレーム期間の送受切換タイミングであることを特徴とするメッシュ型無線通信システムにおける時刻同期方式。
【請求項２】
複数の無線ノードが分散配置され、対向する無線ノード同士が無線リンクを確立してTDD方式による無線通信を行うメッシュ型無線通信システムにおける時刻同期方式において、
ネットワーク上の無線ノードを、所定の基準ノードを最上位とするツリー構造に関連付ける手順と、
前記ツリー上で基準ノードから順に、相対的に上位のノードから下位のノードへ送信した信号に対する前記下位ノードから上位ノードへの応答信号の受信タイミングに基づいて、前記上位ノードが、下位ノードとの間の伝送遅延時間を計測する手順と、
前記上位ノードが下位ノードへ信号を送信する際に、下位ノードにおける信号受信が所定タイミングで完了するように、前記信号の送信タイミングを算出する手順と、
前記上位ノードが、前記送信タイミングにおいて下位ノードへの送信を開始する手順とを含み、
前記所定タイミングが、下位ノードにおけるTDDフレーム期間の送受切換タイミングであることを特徴とするメッシュ型無線通信システムにおける時刻同期方式。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、メッシュ型無線通信システムにおける時刻同期方式に係り、特に、対向する無線ノード同士が無線リンクを確立してTDD方式による無線通信を行うメッシュ型無線通信システムにおける時刻同期方式に関する。
【０００２】
【従来の技術】
次世代のメッシュ型無線通信網では、各無線ノード間を結ぶ無線リンク上での複信方式として時分割複信（TDD：Time Division Duplex）方式を採用する。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、対向無線ノードのうちの一方をマスタノード、他方をスレーブノードとして、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フレーム期間を管理している。
【０００３】
図８は、TDD方式におけるマスタ／スレーブの各ノードによる送受信のタイミングを示している。マスタノードは、TDDフレーム時間間隔でスレーブノードに対して下り（DS）信号を送信する。スレーブノードでは、マスタノードとの間の伝搬遅延時間を経て前記DS信号が受信される。スレーブノードは、DS信号の受信を完了後すると、マスタノードに対して上り（US）信号を送信する。マスタノードでは、フレーム毎のDS信号の送信区間の前後に、システムが想定する最大無線リンク距離に相当する最大伝搬遅延時間分のガードタイム（GT）を挿入しておき、スレーブノードからの信号をマスタノード側で受信する際に、これが送信タイミングと重ならないように調整している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
TDD方式を採用するメッシュ型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。無線ノード間を結ぶ複数の無線リンク間でTDD送受信タイミングが同期していないことにより発生する干渉、及びこれによるシステム容量の低下を防ぐためには、対向するマスタ／スレーブの各ノード間での時刻同期のみならず、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不可欠である。
【０００５】
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、GPSから送出されるクロック信号のように、外部から基準時刻を入力する方法も考えられる。しかしながら、このような方式では、GPS信号を受信できない領域に無線ノードを設置することができないので、システム展開の領域が制限されてしまう。
【０００６】
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、各無線ノードがそれぞれ自ノードの基準時刻信号を報知し、これを各無線ノードが受信し、他ノードからの基準時刻信号に合わせて各無線ノードが自ノードの基準時刻送信時刻を調整する方法が提案されている（田代他、電子情報通信学会信学技報ITS2000-38）。しかしながら、この方法では無線ノード間の伝搬遅延時間が大きい場合に、これを補正することができない。
【０００７】
電子情報通信学会信学技報ITS99-104（中他）では、無線ノード間の伝搬遅延時間を送受信電力の比から求める方式を提案している。しかしながら、無線ノードにおける受信信号電力は周囲の伝搬環境にも大きく影響されるため、送受信電力の比から伝搬遅延時間を正しく推定することは困難である。
【０００８】
無線ノード間の伝搬遅延時間を考慮した同期方式としては、無線チャネルの折り返しによってTDMA無線局間のフレーム同期を確立する方法（守倉他、1992年電子情報通信学会秋季大会、B-279）、CDMA移動通信基地局間でATMセルの折り返しによって同期を確立する方法（特開2000-101597号公報）などが提案されている。
【０００９】
しかしながら、いずれも同期を確立する無線ノード間で時刻情報のやり取りが必要であるため、その状態管理の負荷やプロトコル上のオーバヘッドが発生する。また、いずれの方法も周辺局の情報を相互に参照しながら時刻同期を確立していくため、無線局間が相互に同期を確立するまでに時間がかかる。
【００１０】
マスター／スレーブの縦接続により、無線ノード間の時刻同期を確立する方法も提案されている（森川他、1991年電子情報通信学会春季全国大会、B-346）。しかしながら、この方式でもノード間での時刻情報のやり取りが必要である。また、本方式はリンク品質が安定している局間有線網を対象としており、リンク品質が大きく変動するメッシュ型無線網には不向きであった。
【００１１】
本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決し、相互に対向してTDDに基づく送受信を行う一対のノードを、時刻情報等の送受といった追加的なトラヒックを発生させること無く、簡単かつ正確に同期させることのできるメッシュ型無線通信システムにおける時刻同期方式を提供することにある。
【００１２】
【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、対向する無線ノード同士が無線リンクを確立してTDD方式による無線通信を行うメッシュ型無線通信システムにおける時刻同期方式において、以下のような手段を講じた点に特徴がある。
(1)相互に対向する一方のノードから他方のノードへ送信した信号に対する前記他方のノードから一方のノードへの応答信号の受信タイミングに基づいて、前記一方のノードが、他方のノードとの間の伝送遅延時間を計測する手順と、前記一方のノードが他方のノードへ信号を送信する際に、他方のノードにおける信号受信が所定タイミングで完了するように、前記信号の送信タイミングを算出する手順と、前記一方のノードが、前記送信タイミングにおいて他方のノードへの送信を開始する手順とを含むことを特徴とする。
(2)ネットワーク上の無線ノードを、所定の基準ノードを頂点とするツリー構造に関連付ける手順と、前記ツリー上で基準ノードから順に、相対的に上位のノードから下位のノードへ送信した信号に対する前記下位ノードから上位ノードへの応答信号の受信タイミングに基づいて、前記上位ノードが、下位ノードとの間の伝送遅延時間を計測する手順と、前記上位ノードが下位ノードへ信号を送信する際に、下位ノードにおける信号受信が所定タイミングで完了するように、前記信号の送信タイミングを算出する手順と、前記上位ノードが、前記送信タイミングにおいて下位ノードへの送信を開始する手順とを含むことを特徴とする。
【００１３】
上記した特徴(1)によれば、一方のノードと他方のノードとが送受信を時分割で行う場合に、他方のノードにおける信号受信の完了タイミングが、一方および他方のノードの双方にとって既知のタイミングとなるので、伝送遅延時間に関する情報を送受し合うこと無く、各ノードを同期させることができる。
【００１４】
上記した特徴(2)によれば、多数のノードをツリー状に関連付け、相対的に上位のノードと下位のノードとが送受信を時分割で行う場合に、下位ノードにおける信号受信の完了タイミングが、上位ノードおよび下位ノードの双方にとって既知のタイミングとなるので、伝送遅延時間に関する情報を送受し合うこと無く、各ノードを同期させることができる。
【００１５】
【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説明する。図１は、本発明が適用される無線ネットワークの構成を示した図である。ここでは、複数の固定無線ノードＮが１ないし４km程度の間隔で分散配置されて相互に無線リンクＬを確立する無線メッシュ網を例にして説明する。
【００１６】
図２は、前記無線メッシュ網の一部を示した図であり、無線ノードＮに着目すると、これに隣接して無線ノードＮ１、Ｎ２、Ｎ３、Ｎ４が配置されている。無線ノードＮには各無線ノードＮ１、Ｎ２、Ｎ３、Ｎ４に向けて、パラボラアンテナ等の指向性の鋭いアンテナＡＴ１、ＡＴ２、ＡＴ３、ＡＴ４がそれぞれ設けられている。無線ノードＮの各アンテナＡＴ１、ＡＴ２、ＡＴ３、ＡＴ４は、隣接する各無線ノードＮ１、Ｎ２、Ｎ３、Ｎ４のそれぞれに設けられたアンテナと対向し、それぞれ無線リンクＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４を確立する。
【００１７】
図３は、本実施形態においてネットワーク上の各無線ノードが相互に時刻同期を捕捉する手順を示したフローチャートである。
【００１８】
ステップＳ１では、ネットワーク上の全ての無線ノードを結ぶ最小木（以下、時刻同期ツリーと表現する）が生成される。本実施形態では、初めに所定の無線ノードが基準ノードＮrefに指定される。次いで、適宜のツリー生成アルゴリズムを用いて、前記基準ノードを頂点としてネットワーク上の全ての無線ノードを結ぶ時刻同期ツリーが生成される。
【００１９】
本実施形態では、全無線ノードを結ぶ最小木の生成方法であるMinimum Spanning Treeアルゴリズムも適用し、図４に示したように、前記基準ノードを最上位（序数▲１▼）とする序数▲２▼〜▲７▼が各ノードに割り当てられ、図５に示したような時刻同期ツリーが仮想的に構築される。
【００２０】
なお、時刻同期ツリーを構成する無線リンクに障害が発生すると、障害無線リンク以降の無線ノードに対して時刻同期を確立することが難しくなる。したがって、時刻同期ツリーを構築する際は、無線リンクの障害発生が無線リンク区間長に依存するという特徴を生かして、区間長の短い無線リンクによって時刻同期ツリーを構成することが望ましい。このような時刻同期ツリーは、メッシュ型無線通信システムを構成する無線リンクを長いものから順に、ネットワークが分割されない範囲で予め削除しておくことによって得られる。
【００２１】
以上のようにして、全ノードを含む時刻同期ツリーが構築されると、ステップＳ２では、ツリー上で基準ノードから順に、相対的に上位のノードと下位のノードとが時刻同期を捕捉する時刻同期捕捉処理が実行される。
【００２２】
図６は、前記時刻同期捕捉処理の動作を示したフローチャート、図７は、そのタイミングチャートを示した図であり、主に上位ノードの動作を示している。ここでは初めに、上位ノードが序数▲１▼の基準ノード、下位ノードが序数▲２▼のノードである場合を例にして説明する。
【００２３】
ステップＳ２０１では、上位ノード（ここでは、序数▲１▼の基準ノード）が、所定のTDDフレーム期間の開始タイミングＴrefにおいて、自身の下位ノード（ここでは、序数▲２▼のノード）に対してダウンストリーム信号（以下、DS信号）を送信する。上位ノードは、ステップＳ２０２において前記DS信号の送信を完了すると、ステップＳ２０３において、当該送信完了時刻ｔ1を一時記憶する。
【００２４】
下位ノードは、当該DS信号の受信完了と同時に、これに応答してアップストリーム信号（以下、US信号）を上位ノードに向けて送信する。上位ノードは、ステップＳ２０４において、前記US信号を受信すると、ステップＳ２０５において、この受信開始時刻ｔ2と前記送信完了時刻ｔ1とに基づいて、下位ノードとの間の伝送遅延時間Δｔd1を求める。すなわち、受信開始時刻ｔ2と送信完了時刻ｔ1との差分（ｔ2−ｔ1）を求め、その半分を伝送遅延時間Δｔd1とする。
【００２５】
ステップＳ２０６では、上位ノードが、前記伝送遅延時間Δｔd1、TDDフレーム長、DS信号の伝送時間およびTDDフレーム期間における送受信の時分割比に基づいて、下位ノードにおけるDS信号受信をTDDフレーム期間の送受信切換タイミングｔchで完了させるための当該DS信号の送信タイミングを、TDDフレーム期間の開始時刻ｔstからの送信遅延時間Δｔx1として求める。
【００２６】
例えば、伝送遅延時間Δｔd1が１０μsec、TDDフレーム長が２ms、DS信号の伝送時間が０．９８ms、TDDフレーム期間における送受信の時分割比が１対１であれば、TDDフレーム長の半分から伝送遅延時間Δｔd1および伝送時間を減じた値すなわち１０μsecが送信遅延時間Δx1となる。
【００２７】
ステップＳ２０７において、上位ノードのTDDフレーム期間が開始されると、ステップＳ２０８では、前記送信遅延時間Δｔx1をカウントする送信遅延タイマがスタートする。ステップＳ２０９では、前記送信遅延タイマがタイムアウトしたか否かが判別され、タイムアウトするまでステップＳ２０９の判定が繰り返される。
【００２８】
その後、TDDフレーム期間が開始してからの経過時間が前記送信遅延時間Δｔx1に達して前記送信遅延タイマがタイムアウトすると、ステップＳ２１０では、上位ノードから下位ノードに対してDS信号が送信される。したがって、下位ノードはTDDフレーム期間の送受信切換タイミングｔchにおいて、前記DS信号の受信を完了できる。
【００２９】
下位ノードは、送受信切換タイミングｔchで前記DS信号の受信を完了すると、当該タイミングで直ちにUS信号の送信を開始する。以下同様に、上位ノードは自身の下位ノードに対しては、TDDフレーム期間が開始してから前記送信遅延時間Δｔx1が経過した後にDS信号の送信を開始するので、下位ノードでは、上位ノードからのDS信号を常に切換タイミングｔchで受信完了できる。
【００３０】
次いで、上記した序数▲２▼のノードが上位ノード、序数▲３▼のノードが下位ノードとなる場合の動作を説明する。
【００３１】
序数▲２▼の上位ノードは、自身の上位ノード（ここでは、序数▲１▼の基準ノード）から送信されたDS信号の受信完了時刻を自身のTDDフレーム期間の開始タイミングｔstと見なして下位ノードとの通信タイミングを制御する。
【００３２】
すなわち、序数▲２▼の上位ノードはDS信号の送信を時刻ｔ3で完了し、序数▲３▼の下位ノードからのUS信号を時刻ｔ4で受信すると、各時刻ｔ3、ｔ4に基づいて、下位ノードとの間の往復分の伝送遅延時間２・Δｔd2を求める。上位ノード（序数▲２▼）と下位ノード（序数▲３▼）との間の伝送遅延時間は、その半分のΔｔd2と認識される。
【００３３】
上位ノードは、次のTDDフレーム期間において下位ノードへDS信号を送信する際、前記送信遅延時間Δｔd2、TDDフレーム長、データ伝送時間およびTDDフレーム期間における送受信の時分割比とに基づいて、下位ノードにおけるデータ受信をTDDフレーム期間の送受信切換タイミングｔchで完了させるための当該DS信号の送信タイミングを、序数▲１▼の基準ノードから送信されるＤＳ信号の受信完了時刻（TDDフレーム期間の開始時刻ｔst）からの送信遅延時間Δｔx2として求める。
【００３４】
上位ノードは、TDDフレーム期間が開始してから前記送信遅延時間ｔx2 が経過した後に、下位ノードへのDS信号の送信を開始する。したがって、下位ノードはTDDフレーム期間の送受信切換タイミングｔchにおいて前記DS信号の受信を完了できる。
【００３５】
以下同様に、各ノードが下位のノードとの関係においては上位ノードとして振る舞い、上位のノードとの関係においては下位ノードとして振る舞うことにより、全てのノードにおいて、各TDDフレーム期間における送受信の切換タイミングの同期を捕捉できるようになる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、多数の無線ノードが分散配置され、対向する無線ノード同士が無線リンクを確立してTDD方式による無線通信を行う無線メッシュ網において、全ての無線ノードを、時刻情報等の送受といった追加的なトラヒックを発生させること無く、簡単かつ正確に同期させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明が適用される無線ネットワークの構成を示した図である。
【図２】  図１の無線メッシュ網の一部を示した図である。
【図３】  ネットワーク上の各無線ノードが相互に時刻同期を捕捉する手順を示したフローチャートである。
【図４】  無線メッシュ網の時刻同期ツリー化を説明するための図である。
【図５】  時刻同期ツリー化の構造を示した図である。
【図６】  時刻同期捕捉処理の動作を示したフローチャートである。
【図７】  本発明の一の動作を示したタイムチャートである。
【図８】  従来技術のタイムチャートである。
【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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