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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024004148
(43)【公開日】2024-01-16
(54)【発明の名称】無線通信端末及び送信タイミング制御方法
(51)【国際特許分類】
H04W 74/08 20240101AFI20240109BHJP
H04W 56/00 20090101ALI20240109BHJP
【ＦＩ】
H04W74/08
H04W56/00
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022103650
(22)【出願日】2022-06-28
(71)【出願人】
【識別番号】000004226
【氏名又は名称】日本電信電話株式会社
(71)【出願人】
【識別番号】504137912
【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学
(74)【代理人】
【識別番号】110003199
【氏名又は名称】弁理士法人高田・高橋国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】篠原 笑子
(72)【発明者】
【氏名】淺井 裕介
(72)【発明者】
【氏名】鷹取 泰司
(72)【発明者】
【氏名】森川 博之
(72)【発明者】
【氏名】成末 義哲
(72)【発明者】
【氏名】生形 貴
【テーマコード（参考）】
5K067
【Ｆターム（参考）】
5K067AA11
5K067DD11
5K067EE02
5K067EE25
(57)【要約】
【課題】隠れ端末が存在する状況においても、無線通信ネットワーク内の各無線通信端末が衝突を回避するように送信タイミングを適切に制御し、且つ、その成功確率を向上させること。
【解決手段】無線通信ネットワーク内の複数の無線通信端末の各々は、所定の周期の中の複数の位相の各々をパケット送信タイミングとする。各無線通信端末は、無線通信端末全体の複数の位相の平均値である全体平均位相を算出する。更に、各無線通信端末は、自身の複数の位相の平均値が全体平均位相に近づき、且つ、複数の位相が複数の無線通信端末間で異なるように、自身の複数の位相を更新する位相更新処理を行う。この位相更新処理における位相更新幅が減少するように、全体平均位相に雑音成分が付加される。そして、各無線通信端末は、更新した位相情報をパケット送信を通して他の無線通信端末に通知する。
【選択図】図７
【解決手段】無線通信ネットワーク内の複数の無線通信端末の各々は、所定の周期の中の複数の位相の各々をパケット送信タイミングとする。各無線通信端末は、無線通信端末全体の複数の位相の平均値である全体平均位相を算出する。更に、各無線通信端末は、自身の複数の位相の平均値が全体平均位相に近づき、且つ、複数の位相が複数の無線通信端末間で異なるように、自身の複数の位相を更新する位相更新処理を行う。この位相更新処理における位相更新幅が減少するように、全体平均位相に雑音成分が付加される。そして、各無線通信端末は、更新した位相情報をパケット送信を通して他の無線通信端末に通知する。
【選択図】図７
【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数の無線通信端末を含む無線通信ネットワーク内の無線通信端末であって、
通信コントローラを備え、
前記通信コントローラは、
所定の周期の中の複数の位相の各々をパケットの送信タイミングとする処理と、
前記複数の無線通信端末全体の前記複数の位相の平均値である全体平均位相を算出する処理と、
前記無線通信端末の前記複数の位相の平均値が前記全体平均位相に近づき、且つ、前記複数の位相が前記複数の無線通信端末間で異なるように、前記無線通信端末の前記複数の位相を更新する位相更新処理と、
前記更新した位相の情報をパケット送信を通して他の無線通信端末に通知する処理と
を実行するように構成され、
前記通信コントローラは、更に、前記位相更新処理における位相更新幅が減少するように前記全体平均位相に雑音成分を付加し、前記雑音成分が付加された前記全体平均位相を用いて前記位相更新処理を実行する
無線通信端末。
通信コントローラを備え、
前記通信コントローラは、
所定の周期の中の複数の位相の各々をパケットの送信タイミングとする処理と、
前記複数の無線通信端末全体の前記複数の位相の平均値である全体平均位相を算出する処理と、
前記無線通信端末の前記複数の位相の平均値が前記全体平均位相に近づき、且つ、前記複数の位相が前記複数の無線通信端末間で異なるように、前記無線通信端末の前記複数の位相を更新する位相更新処理と、
前記更新した位相の情報をパケット送信を通して他の無線通信端末に通知する処理と
を実行するように構成され、
前記通信コントローラは、更に、前記位相更新処理における位相更新幅が減少するように前記全体平均位相に雑音成分を付加し、前記雑音成分が付加された前記全体平均位相を用いて前記位相更新処理を実行する
無線通信端末。
【請求項2】
請求項１に記載の無線通信端末であって、
前記雑音成分は、ランダム成分を含む
無線通信端末。
前記雑音成分は、ランダム成分を含む
無線通信端末。
【請求項3】
請求項１に記載の無線通信端末であって、
前記雑音成分は、前記位相更新処理の回数が増加するにつれて小さくなるように設定される
無線通信端末。
前記雑音成分は、前記位相更新処理の回数が増加するにつれて小さくなるように設定される
無線通信端末。
【請求項4】
請求項１に記載の無線通信端末であって、
前記複数の位相の前記平均値は、基準位相であり、
前記複数の位相は、
前記基準位相から調整位相を減算することにより得られる第１位相と、
前記基準位相に前記調整位相を加算することにより得られる第２位相と
を含み、
前記調整位相は、前記複数の無線通信端末間で互いに異なるように設定されており、
前記位相更新処理は、
前記基準位相を前記雑音成分が付加された前記全体平均位相に近づくように更新する処理と、
更新後の前記基準位相に基づいて、前記無線通信端末の前記複数の位相を算出する処理と
を含む
無線通信端末。
前記複数の位相の前記平均値は、基準位相であり、
前記複数の位相は、
前記基準位相から調整位相を減算することにより得られる第１位相と、
前記基準位相に前記調整位相を加算することにより得られる第２位相と
を含み、
前記調整位相は、前記複数の無線通信端末間で互いに異なるように設定されており、
前記位相更新処理は、
前記基準位相を前記雑音成分が付加された前記全体平均位相に近づくように更新する処理と、
更新後の前記基準位相に基づいて、前記無線通信端末の前記複数の位相を算出する処理と
を含む
無線通信端末。
【請求項5】
請求項４に記載の無線通信端末であって、
前記複数の位相は次の式に従って更新され、
ここで、
Ｎは、前記複数の無線通信端末の総数であり、
ｉは、前記複数の無線通信端末の各々の識別子であり、１～Ｎの値を取り、
θｉは、前記複数の無線通信端末の各々の前記基準位相であり、
ｒは、秩序パラメータであり、０より大きく１以下の実数であり、
Ｋは、前記複数の無線通信端末間の結合強度であり、
ΔＴは、単位時間であり、
φは、前記全体平均位相であり、
βは、前記調整位相であり、
ａ１は、０以上１以下の実数であり、
α１は、前記第１位相であり、
α２は、前記第２位相であり、
φｗｉｔｈＮｏｉｓｅは、前記雑音成分が付加された前記全体平均位相であり、
ｒａｎｄｏｍ（）は、０より大きく１より小さいランダム値であり、
ＮｕｍｏｆＮｏｄｅｓは、前記位相更新処理において位相が考慮される無線通信端末の数であり、
Ｘは、任意のパラメータである
無線通信端末。
前記複数の位相は次の式に従って更新され、
【数1】
【数2】
【数3】
【数4】
【数5】
【数6】
Ｎは、前記複数の無線通信端末の総数であり、
ｉは、前記複数の無線通信端末の各々の識別子であり、１～Ｎの値を取り、
θｉは、前記複数の無線通信端末の各々の前記基準位相であり、
ｒは、秩序パラメータであり、０より大きく１以下の実数であり、
Ｋは、前記複数の無線通信端末間の結合強度であり、
ΔＴは、単位時間であり、
φは、前記全体平均位相であり、
βは、前記調整位相であり、
ａ１は、０以上１以下の実数であり、
α１は、前記第１位相であり、
α２は、前記第２位相であり、
φｗｉｔｈＮｏｉｓｅは、前記雑音成分が付加された前記全体平均位相であり、
ｒａｎｄｏｍ（）は、０より大きく１より小さいランダム値であり、
ＮｕｍｏｆＮｏｄｅｓは、前記位相更新処理において位相が考慮される無線通信端末の数であり、
Ｘは、任意のパラメータである
無線通信端末。
【請求項6】
無線通信ネットワーク内の複数の無線通信端末の各々における送信タイミング制御方法であって、
前記各々の無線通信端末において、所定の周期の中の複数の位相をパケットの送信タイミングとする処理と、
前記複数の無線通信端末全体の前記複数の位相の平均値である全体平均位相を算出する処理と、
前記各々の無線通信端末の前記複数の位相の平均値が前記全体平均位相に近づき、且つ、前記複数の位相が前記複数の無線通信端末間で異なるように、前記各々の無線通信端末の前記複数の位相を更新する位相更新処理と、
前記更新した位相の情報をパケット送信を通して他の無線通信端末に通知する処理と
を含み、
前記位相更新処理は、位相更新幅が減少するように前記全体平均位相に雑音成分を付加することを含み、
前記雑音成分が付加された前記全体平均位相を用いて前記位相更新処理が実行される
送信タイミング制御方法。
前記各々の無線通信端末において、所定の周期の中の複数の位相をパケットの送信タイミングとする処理と、
前記複数の無線通信端末全体の前記複数の位相の平均値である全体平均位相を算出する処理と、
前記各々の無線通信端末の前記複数の位相の平均値が前記全体平均位相に近づき、且つ、前記複数の位相が前記複数の無線通信端末間で異なるように、前記各々の無線通信端末の前記複数の位相を更新する位相更新処理と、
前記更新した位相の情報をパケット送信を通して他の無線通信端末に通知する処理と
を含み、
前記位相更新処理は、位相更新幅が減少するように前記全体平均位相に雑音成分を付加することを含み、
前記雑音成分が付加された前記全体平均位相を用いて前記位相更新処理が実行される
送信タイミング制御方法。
【請求項7】
請求項６に記載の送信タイミング制御方法であって、
前記雑音成分は、ランダム成分を含む
送信タイミング制御方法。
前記雑音成分は、ランダム成分を含む
送信タイミング制御方法。
【請求項8】
請求項６に記載の送信タイミング制御方法であって、
前記雑音成分は、前記位相更新処理の回数が増加するにつれて小さくなるように設定される
送信タイミング制御方法。
前記雑音成分は、前記位相更新処理の回数が増加するにつれて小さくなるように設定される
送信タイミング制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、無線通信ネットワーク内の複数の無線通信端末の各々における送信タイミング制御に関する。
【背景技術】
【0002】
ＩｏＴ時代の到来に伴い、今後益々多くの無線通信端末が活用されていくことが予測される。その一方で、無線通信端末に割り当てることのできる周波数帯域や時間は限られており、これらの無線通信資源の有効活用は一つの重要な課題である。
【0003】
近年、無線センサネットワークにおけるスケジューリング手法に対し、蔵本モデルの応用が試みられている（非特許文献１）。蔵本モデルとは、同一板上の複数のメトロノームの同期現象などのように、多数の振動子が相互作用によって同期する現象を記述する数学モデルである。蔵本モデルに基づくスケジューリング手法においては、各センサノードの送信タイミングを位相に見立てる。そして、各センサノードが他のセンサノードの位相を観測して自律的に自身の位相を更新することで、公平かつスケーラブルなスケジューリングが実現される。
【0004】
以下、非特許文献１に開示されている数式及び手法について説明する。相互作用するＮ個の振動子について考える（Ｎは２以上の整数）。各振動子ｉ（ｉ＝１～Ｎ）の位相θｉは、次の式（１）、（２）に従って変化する。
【0005】
【数1】
【0006】
【数2】
【0007】
平均位相φは、Ｎ個の振動子の全ての位相θｉの平均値である。ｗｉは、ノードｉの固有振動数である。ｒは、秩序パラメータである。Ｋは、振動子間の結合強度である。ΔＴは、単位時間である。
【0008】
次に、Ｎ個の振動子を、無線通信ネットワーク内のＮ個のノード（無線通信端末）に置き換える。各ノードｉ（ｉ＝１～Ｎ）によるパケットの送信タイミングは、所定の送信周期内の位相θｉで表される。各ノードｉは、自身のパケット送信タイミングにおいて、下記式（３）に従って自身の位相θｉを更新する。式（３）において、ａ０は、０以上１以下の初期値である。
【0009】
【数3】
【0010】
そして、各ノードｉは、更新した自身の位相θｉの情報を、パケット送信を通して他のノードｊ（ｊ＝１～Ｎ、ｊ≠ｉ）に通知する。ノードｊは、ノードｉから送信されたパケットを受信し、受信パケットを復調することにより、ノードｉの更新後の位相θｉを認識することができる。このように、各ノードｉは、最新の位相情報を共有し、自身の位相θｉを自律的に更新していく。上記式（３）によれば、各ノードｉの位相θｉは、次の式（４）で示される値に収束していく。
【0011】
【数4】
【0012】
各ノードｉの位相θｉは、平均位相φから差分位相だけずれるように収束する。その差分位相は、各ノードｉに固有の値であり、Ｎ個のノード間で異なっている。これは、Ｎ個のノードのそれぞれの送信タイミングが所定の送信周期内で重複しておらず分散していることを意味する。このように、Ｎ個のノードは、互いに衝突することのないように自身の位相θｉ（送信タイミング）を自律分散的に制御し、時分割通信を行う。
【0013】
尚、式（４）で示される収束後の位相θｉの場合の平均位相φは、次の式（５）で表される。
【0014】
【数5】
【0015】
しかしながら、非特許文献１に記載の技術によれば、上記式（５）で示されるように、収束後の平均位相φはノードに固有の位相を含んでいる。従って、隠れ端末が存在する状況では、各ノードで算出される平均位相φがノード毎に異なってしまうという問題がある。すなわち、非特許文献１に記載された技術は、隠れ端末問題に対応することができない。
【0016】
非特許文献２は、隠れ端末が存在する状況においても、無線通信ネットワーク内の各ノードがパケット衝突を回避するように送信タイミングを適切に制御することができる技術を開示している。非特許文献２に記載の技術の詳細は後述される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0017】
【非特許文献1】U. Yu, H. Choi and J. Lee, “Kuramoto-Desync: Distributed and Fair Resource Allocation in a Wireless Network,” in IEEE Access, Vol.7, pp.104769-104776, 2019
【非特許文献2】生形他、“無線センサネットワークにおける隠れ端末を考慮した蔵本モデル型スケジューリング方式,” ２０２２年 電子情報通信学会総合大会、B-5-88，通信講演論文集１, P.399, 2022
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0018】
本発明の１つの目的は、非特許文献２に開示されている技術を更に改善し、位相同期の成功確率を向上させることができる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0019】
第１の観点は、複数の無線通信端末を含む無線通信ネットワーク内の無線通信端末に関連する。
無線通信端末は、通信コントローラを備える。
通信コントローラは、
所定の周期の中の複数の位相の各々をパケットの送信タイミングとする処理と、
複数の無線通信端末全体の複数の位相の平均値である全体平均位相を算出する処理と、
無線通信端末の複数の位相の平均値が全体平均位相に近づき、且つ、複数の位相が複数の無線通信端末間で異なるように、無線通信端末の複数の位相を更新する位相更新処理と、
更新した位相の情報をパケット送信を通して他の無線通信端末に通知する処理と
を実行するように構成される。
通信コントローラは、更に、位相更新処理における位相更新幅が減少するように全体平均位相に雑音成分を付加し、雑音成分が付加された全体平均位相を用いて位相更新処理を実行する。
無線通信端末は、通信コントローラを備える。
通信コントローラは、
所定の周期の中の複数の位相の各々をパケットの送信タイミングとする処理と、
複数の無線通信端末全体の複数の位相の平均値である全体平均位相を算出する処理と、
無線通信端末の複数の位相の平均値が全体平均位相に近づき、且つ、複数の位相が複数の無線通信端末間で異なるように、無線通信端末の複数の位相を更新する位相更新処理と、
更新した位相の情報をパケット送信を通して他の無線通信端末に通知する処理と
を実行するように構成される。
通信コントローラは、更に、位相更新処理における位相更新幅が減少するように全体平均位相に雑音成分を付加し、雑音成分が付加された全体平均位相を用いて位相更新処理を実行する。
【0020】
第２の観点は、無線通信ネットワーク内の複数の無線通信端末の各々における送信タイミング制御方法に関連する。
送信タイミング制御方法は、
各々の無線通信端末において、所定の周期の中の複数の位相をパケットの送信タイミングとする処理と、
複数の無線通信端末全体の複数の位相の平均値である全体平均位相を算出する処理と、
各々の無線通信端末の複数の位相の平均値が全体平均位相に近づき、且つ、複数の位相が複数の無線通信端末間で異なるように、各々の無線通信端末の複数の位相を更新する位相更新処理と、
更新した位相の情報をパケット送信を通して他の無線通信端末に通知する処理と
を含む。
位相更新処理は、位相更新幅が減少するように全体平均位相に雑音成分を付加することを含む。そして、雑音成分が付加された全体平均位相を用いて位相更新処理が実行される。
送信タイミング制御方法は、
各々の無線通信端末において、所定の周期の中の複数の位相をパケットの送信タイミングとする処理と、
複数の無線通信端末全体の複数の位相の平均値である全体平均位相を算出する処理と、
各々の無線通信端末の複数の位相の平均値が全体平均位相に近づき、且つ、複数の位相が複数の無線通信端末間で異なるように、各々の無線通信端末の複数の位相を更新する位相更新処理と、
更新した位相の情報をパケット送信を通して他の無線通信端末に通知する処理と
を含む。
位相更新処理は、位相更新幅が減少するように全体平均位相に雑音成分を付加することを含む。そして、雑音成分が付加された全体平均位相を用いて位相更新処理が実行される。
【発明の効果】
【0021】
本発明によれば、隠れ端末が存在する状況においても、無線通信ネットワーク内の各無線通信端末が衝突を回避するように送信タイミングを適切に制御することが可能となる。更に、雑音成分を付加して位相更新処理を行うことにより、位相同期の成功確率を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0022】
【図1】実施の形態に係る無線通信システムの構成を概略的に示す概念図である。
【図2】実施の形態における基準位相と複数の位相との関係を説明するための概念図である。
【図3】実施の形態に係る送信タイミング制御のシミュレーション結果を説明するための概念図である。
【図4】実施の形態に係る送信タイミング制御のシミュレーション結果を説明するための概念図である。
【図5】位相同期の成功例を示す概念図である。
【図6】位相同期の失敗例を示す概念図である。
【図7】実施の形態に係る各ノードにおける送信タイミング制御方法を要約的に示すフローチャートである。
【図8】実施の形態に係るノードの構成例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0023】
添付図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
【0024】
１．無線通信システムの構成例
図１は、本実施の形態に係る無線通信システム１の構成を概略的に示す概念図である。無線通信システム１は、複数の無線通信端末１０と中央無線通信装置２０を含んでいる。複数の無線通信端末１０と中央無線通信装置２０により無線通信ネットワーク２が構成されている。中央無線通信装置２０と各無線通信端末１０は互いに通信可能である。例えば、無線通信ネットワーク２は無線センサネットワークであり、無線通信端末１０はセンサ端末であり、中央無線通信装置２０はゲートウェイである。他の例として、無線通信端末１０は無線ＬＡＮ端末であり、中央無線通信装置２０はアクセスポイントであってもよい。
図１は、本実施の形態に係る無線通信システム１の構成を概略的に示す概念図である。無線通信システム１は、複数の無線通信端末１０と中央無線通信装置２０を含んでいる。複数の無線通信端末１０と中央無線通信装置２０により無線通信ネットワーク２が構成されている。中央無線通信装置２０と各無線通信端末１０は互いに通信可能である。例えば、無線通信ネットワーク２は無線センサネットワークであり、無線通信端末１０はセンサ端末であり、中央無線通信装置２０はゲートウェイである。他の例として、無線通信端末１０は無線ＬＡＮ端末であり、中央無線通信装置２０はアクセスポイントであってもよい。
【0025】
以下の説明では、簡略化のため、無線通信端末１０を「ノード１０」と呼び、中央無線通信装置２０を「中央ノード２０」と呼ぶ。
【0026】
無線通信ネットワーク２は、Ｎ個のノード１０－１～１０－Ｎを含んでいる。Ｎは、ノード１０の総数であり、２以上の整数である。図１に示される例では、Ｎは６であるが、当然それに限定されない。Ｎ個のノード１０－１～１０－Ｎの各々は、「ノード１０－ｉ」で表される。ｉは、各ノード１０の識別子であり、１～Ｎの値を取る。
【0027】
各ノード１０－ｉは、中央ノード２０にパケットを送信する。特に、各ノード１０－ｉは、定期的にパケットを中央ノード２０に送信する。各ノード１０－ｉの送信タイミングは、所定の送信周期内の「位相」で表される。つまり、各ノード１０－ｉは、所定の送信周期内の位相に相当する送信タイミングでパケットを送信する。このとき、衝突が回避されるように各ノード１０－ｉの送信タイミングを適切に制御することが望まれる。
【0028】
２．非特許文献２に記載の手法
送信タイミングのスケジューリングに関し、まず、非特許文献２に記載の手法について説明する。各ノード１０－ｉは、所定の送信周期の中に「複数の位相」を送信タイミングとして有する。例えば、複数の位相は、「第１位相α１」と「第２位相α２」を含んでいる。各ノード１０－ｉの第１位相α１と第２位相α２の平均値を、以下、「基準位相θｉ」と呼ぶ。
送信タイミングのスケジューリングに関し、まず、非特許文献２に記載の手法について説明する。各ノード１０－ｉは、所定の送信周期の中に「複数の位相」を送信タイミングとして有する。例えば、複数の位相は、「第１位相α１」と「第２位相α２」を含んでいる。各ノード１０－ｉの第１位相α１と第２位相α２の平均値を、以下、「基準位相θｉ」と呼ぶ。
【0029】
図２は、基準位相θｉ、第１位相α１、及び第２位相α２の関係を説明するための概念図である。第１位相α１は、基準位相θｉから調整位相βだけ遅く、基準位相θｉから調整位相βを減算することにより得られる。一方、第２位相α２は、基準位相θｉから調整位相βだけ早く、基準位相θｉに調整位相βを加算することにより得られる。基準位相θｉは、第１位相α１と第２位相α２の平均値である。
【0030】
各ノード１０－ｉは、自身の基準位相θｉに基づく第１位相α１及び第２位相α２をパケット送信タイミングとする。各ノード１０－ｉは、自身のパケット送信タイミングにおいて、下記式（６）～（１０）に従って自身の基準位相θｉ、第１位相α１、及び第２位相α２を更新する。そして、各ノード１０－ｉは、更新した自身の位相（α１，α２）の情報を、パケット送信を通して他のノード１０－ｊ（ｊ＝１～Ｎ、ｊ≠ｉ）に通知する。つまり、各ノード１０－ｉは、複数のノード１０－１～１０－Ｎの最新の位相情報を共有し、自身の位相（α１、α２）を自律的に更新していく。
【0031】
【数6】
【0032】
【数7】
【0033】
【数8】
【0034】
【数9】
【0035】
【数10】
【0036】
ｒは、秩序パラメータであり、０より大きく１以下の実数である。Ｋは、ノード１０間の結合強度である。ΔＴは、単位時間（制御周期）である。ａ１は、０以上１以下の実数である。
【0037】
全体平均位相φは、Ｎ個のノード１０－１～１０－Ｎ全体の基準位相θｉの平均値である。式（７）～（９）から分かるように基準位相θｉは第１位相α１と第２位相α２の平均値であるため、全体平均位相φは、Ｎ個のノード１０－１～１０－Ｎ全体の複数の位相（α１，α２）の平均値であるとも言える。この全体平均位相φは、Ｎ個のノード１０－１～１０－Ｎの位相情報から算出可能である。
【0038】
調整位相βは、上述の通り、基準位相θｉと複数の位相（α１，α２）との間の差を規定する。式（８）、（９）から分かる通り、調整位相βは、Ｎ個のノード１０－１～１０－Ｎ間で互いに異なるように設定されている。
【0039】
上記式（６）によれば、各ノード１０－ｉの基準位相θｉは、全体平均位相φに近づくように収束する。言い換えれば、各ノード１０－ｉは、全体平均位相φを算出し、その全体平均位相φに近づくように基準位相θｉを更新する。更に、各ノード１０－ｉは、更新後の基準位相θｉに基づいて、第１位相α１及び第２位相α２を算出する。すなわち、基準位相θｉが更新されると、それに従って第１位相α１及び第２位相α２も更新される。このような位相更新処理が繰り返されることにより、各ノード１０－ｉの基準位相θｉは、全体平均位相φに近づくように収束する。すなわち、各ノード１０－ｉの基準位相θｉが同期する。
【0040】
基準位相θｉと複数の位相（α１，α２）との間の差である調整位相βは、Ｎ個のノード１０－１～１０－Ｎ間で互いに異なるように設定されている。よって、Ｎ個のノード１０－１～１０－Ｎのそれぞれの送信タイミング（α１，α２）は、所定の送信周期内で重複せず分散することになる。このように、Ｎ個のノード１０－１～１０－Ｎは、互いに衝突することのないように自身の送信タイミング（α１、α２）を自律分散的に制御し、時分割通信を行う。
【0041】
従来の式（５）と比較すると、式（１０）で表される全体平均位相φには、ノード１０－ｉ毎に固有な調整位相βが含まれていないことが分かる。これは、全体平均位相φの算出時に、第１位相α１の調整位相βと第２位相α２の調整位相βが互いに打ち消しあうからである。その結果、隠れ端末が存在する状況においても、収束後の全体平均位相φは、無線通信ネットワーク２内で共通の値となる。すなわち、隠れ端末が存在する状況においても、無線通信ネットワーク２内の各ノード１０－ｉが衝突を回避するように自身の送信タイミングを自律的且つ適切に制御することが可能となる。これにより、効率的な時分割通信が可能となる。
【0042】
各ノード１０－ｉは、ノード１０の総数Ｎ及び自身の識別子ｉを含む無線環境情報を制御装置から受け取る。例えば、制御装置は、中央ノード２０である。また、各ノード１０－ｉは、自身の位相の情報を他のノード１０－ｊに通知し、他のノード１０－ｊから他のノード１０－ｊの位相の情報を受け取る。各ノード１０－ｉは、Ｎ個のノード１０－１～１０－Ｎの位相の情報に基づいて全体平均位相φを算出し、式（６）～（１０）に従って基準位相θｉ及び複数の位相（α１，α２）を更新する。つまり、各ノード１０－ｉは、基準位相θｉが全体平均位相φに近づき、且つ、複数の位相（α１，α２）がＮ個のノード１０－１～１０－Ｎ間で異なるように、基準位相θｉ及び複数の位相（α１，α２）を更新する。
【0043】
各ノード１０－ｉは、所定の送信周期の中の複数の位相（α１，α２）の各々を送信タイミングとしてパケットを送信する。例えば、各ノード１０－ｉの位相を０～１の範囲に規格化して考える。位相は０から１まで変化し，その後０に戻る。あるノード１０－ｉの位相が１になると、当該ノード１０－ｉは、上記の式（６）～（１０）に従って、自身の位相（α１，α２）を更新する。また、当該ノード１０－ｉは、更新後の位相情報を含むパケットを送信する。これにより、当該ノード１０－ｉは、更新後の位相情報を他のノード１０－ｊに通知する。他のノード１０－ｊは、上記の式（６）～（１０）に従って、自身の位相（α１，α２）を更新する。次に、他のノード１０－ｊの位相が１になる。このような処理が繰り返されことにより、位相が更新されていく。
【0044】
図３及び図４は、送信タイミング制御のシミュレーション結果を説明するための概念図である。ここでは、６個のノード１０－１～１０－６を考える。図３は、ノード配置例を示している。中央ノード２０は座標［０，０］に位置しており、各ノード１０は中央ノード２０から離れて位置している。距離の単位はｍである。ノード間距離が１０００ｍ以上離れているノード１０同士は、互いに隠れ端末であるとする。各ノード１０は、中央ノード２０にパケットを送信する。また、各ノード１０は、受信可能な範囲で、周辺の他ノード１０の送信タイミングの情報を取得する。そして、各ノード１０は、上記式（６）～（１０）に従って、自身の位相（α１，α２）を更新する。図４は、各ノード１０の移動（α１，α２）の更新例を示す概念図である。横軸は時間を表し、縦軸は位相（送信タイミング）を表す。図４から、隠れ端末が存在する状況においても、各ノード１０の送信タイミングが均等に離れることが分かる。
【0045】
尚、上述の例では、所定の送信周期における各ノード１０－ｉの複数の位相は、第１位相α１と第２位相α２を含んでいる。但し、位相数はそれに限定されない。所定の送信周期における各ノード１０－ｉの複数の位相の数は３以上であってもよい。各ノード１０－ｉの基準位相θｉが複数の位相の平均値であり、且つ、基準位相θｉと複数の位相との間の差が複数のノード１０間で異なっていれば、同様の効果が得られる。
【0046】
３．位相同期成功確率の向上
３－１．課題
上記式（６）に従った位相更新処理が繰り返されることにより、各ノード１０－ｉの基準位相θｉが同期することが期待される。但し、その位相同期が必ず成功するとは限らない。図５は、位相同期の成功例を示し、図６は、位相同期の失敗例を示している。図５及び図６の各々において、縦軸は各ノード１０－ｉの基準位相θｉを表し、横軸は時間を表している。
３－１．課題
上記式（６）に従った位相更新処理が繰り返されることにより、各ノード１０－ｉの基準位相θｉが同期することが期待される。但し、その位相同期が必ず成功するとは限らない。図５は、位相同期の成功例を示し、図６は、位相同期の失敗例を示している。図５及び図６の各々において、縦軸は各ノード１０－ｉの基準位相θｉを表し、横軸は時間を表している。
【0047】
位相同期が失敗する要因の一つとして、ノード１０間の基準位相θの差が大きい状況において位相更新処理が行われることが考えられる。ノード１０－ｉが基準位相θｉを更新するタイミングとしては、（１）ノード１０－ｉ自身がパケットを送信するタイミングと、（２）他ノード１０－ｊから他ノード１０－ｊの位相情報を受信したときの２種類がある。ノード１０－ｉが他ノード１０－ｊの位相情報を受信した際、他ノード１０－ｊの基準位相θｊと自身の基準位相θｉとの間のずれが大きい場合、ノード１０－ｉの基準位相θｉは、他ノード１０－ｊの基準位相θｊの影響を大きく受け、大幅に変化する可能性がある。基準位相θｊが大幅に変化すると、ノード１０－ｉのパケット送信タイミングも大幅に変化する。その結果、パケット衝突が発生し、周囲のノード１０のパケット送信機会が奪われる可能性がある。パケット送信機会が奪われると、最新の位相情報の共有がうまくいかず、位相同期が失敗する可能性がある。
【0048】
３－２．位相更新処理の改良
そこで、本実施の形態は、位相同期の成功確率を向上させることができる技術を更に提案する。本実施の形態によれば、位相更新処理における位相更新幅は、上記式（６）で与えられる位相更新幅よりも小さくなるように調整される。より詳細には、位相更新幅が減少するように、全体平均位相φに雑音成分が能動的に付加される。
そこで、本実施の形態は、位相同期の成功確率を向上させることができる技術を更に提案する。本実施の形態によれば、位相更新処理における位相更新幅は、上記式（６）で与えられる位相更新幅よりも小さくなるように調整される。より詳細には、位相更新幅が減少するように、全体平均位相φに雑音成分が能動的に付加される。
【0049】
例えば、位相更新処理における位相更新式として、上記式（６）の代わりに下記式（１１）～（１３）が用いられる。
【0050】
【数11】
【0051】
【数12】
【0052】
【数13】
【0053】
式（１２）で示されるφｗｉｔｈＮｏｉｓｅは、雑音成分が付加された全体平均位相である。上記式（６）中の全体平均位相φを式（１２）で示される全体平均位相φｗｉｔｈＮｏｉｓｅで置き換えることにより、式（１１）が得られる。ｒａｎｄｏｍ（）は、０より大きく１より小さいランダムな値である。すなわち、式（１２）中の雑音成分は、ランダム成分を含んでいる。ＮｕｍｏｆＮｏｄｅｓは、位相更新処理の演算において位相が考慮されるノード１０の数である。パラメータＸは、任意であるが、例えば１０に設定される。パラメータＸを調整することによって、式（１２）中の雑音成分の幅を調整することができる。例えば、５台のノード１０に対して演算が行われる場合、同期成立時の位相間隔は３６度（＝（３６０度／（５×２））である。式（１２）中の雑音成分の幅は、例えば、位相間隔の２０分１、１０分１、等に設定される。
【0054】
このように、本実施の形態によれば、位相更新処理における位相更新幅が減少するように雑音成分が能動的に付加される。位相更新幅が減少するため、各ノード１０－ｉの基準位相θｉが大きく変動することが抑制される。その結果、パケット衝突の発生確率も減少し、周囲のノード１０のパケット送信機会が奪われる確率も減少する。最新の位相情報が共有され、位相更新処理が繰り返されることにより、破綻することなく位相同期が成功する確率が高くなる。
【0055】
下記式（１４）は、雑音成分の変形例を示している。
【0056】
【数14】
【0057】
式（１４）中のＭは、位相更新処理の回数（演算回数）である。位相更新処理の回数Ｍが増加するにつれて、雑音成分（すなわち、位相更新幅の減少量）は小さくなる。つまり、位相更新幅は、最初大きく減少し、位相更新処理の回数Ｍが増加するにつれて徐々に大きくなる。これによっても、同様の効果が得られる。
【0058】
３－３．処理フロー
図７は、各ノード１０－ｉにおける送信タイミング制御方法を要約的に示すフローチャートである。
図７は、各ノード１０－ｉにおける送信タイミング制御方法を要約的に示すフローチャートである。
【0059】
各ノード１０－ｉは、所定の送信周期の中で複数の位相の各々を送信タイミングとする各ノード１０－ｉは、パケット送信タイミングにおいて、上記式（７）～（１４）に従って自身の位相を更新する（ステップＳ１０１）。このとき、各ノード１０－ｉは、ノード１０－１～１０－Ｎのそれぞれの位相情報に基づいて全体平均位相φを算出する。更に、各ノード１０－ｉは、位相更新幅が減少するように全体平均位相φに雑音成分を付加することにより、全体平均位相φｗｉｔｈＮｏｉｓｅを取得する。そして、各ノード１０－ｉは、複数の位相の平均値である基準位相θｉが全体平均位相φｗｉｔｈＮｏｉｓｅに近づき、且つ、複数の位相がノード１０－１～１０－Ｎ間で異なるように、自身の位相を更新する（位相更新処理）。更に、各ノード１０－ｉは、更新した位相の情報をパケット送信を通して他のノード１０－ｊに通知する（ステップＳ１０２）。
【0060】
各ノード１０－ｉは、受信可能な範囲で、他のノード１０－ｊの位相情報を受信する（ステップＳ１０３）。他のノード１０－ｊの位相情報の受信に応答して、各ノード１０－ｉは、上記式（７）～（１４）に従って、自身の位相を更新する（ステップＳ１０４）。このとき、各ノード１０－ｉは、ノード１０－１～１０－Ｎのそれぞれの位相情報に基づいて全体平均位相φを算出する。更に、各ノード１０－ｉは、位相更新幅が減少するように全体平均位相φに雑音成分を付加することにより、全体平均位相φｗｉｔｈＮｏｉｓｅを取得する。そして、各ノード１０－ｉは、複数の位相の平均値である基準位相θｉが全体平均位相φｗｉｔｈＮｏｉｓｅに近づき、且つ、複数の位相がノード１０－１～１０－Ｎ間で異なるように、自身の位相を更新する（位相更新処理）。
【0061】
３－４．効果
本実施の形態によれば、隠れ端末が存在する状況においても、無線通信ネットワーク２内の各ノード１０－ｉが衝突を回避するように自身の送信タイミングを自律的且つ適切に制御することが可能となる。これにより、効率的な時分割通信が可能となる。
本実施の形態によれば、隠れ端末が存在する状況においても、無線通信ネットワーク２内の各ノード１０－ｉが衝突を回避するように自身の送信タイミングを自律的且つ適切に制御することが可能となる。これにより、効率的な時分割通信が可能となる。
【0062】
更に、本実施の形態によれば、位相更新処理における位相更新幅が減少するように雑音成分が能動的に付加される。位相更新幅が減少するため、各ノード１０－ｉの基準位相θｉが大きく変動することが抑制される。その結果、パケット衝突の発生確率も減少し、周囲のノード１０のパケット送信機会が奪われる確率も減少する。最新の位相情報が共有され、位相更新処理が繰り返されることにより、破綻することなく位相同期が成功する確率が高くなる。
【0063】
４．ノードの構成例
図８は、本実施の形態に係るノード１０の構成例を示すブロック図である。ノード１０は、通信コントローラ１００と無線部１１０を含んでいる。通信コントローラ１００は、無線通信を制御する。無線部１１０は、アンテナや送受信回路を含んでいる。
図８は、本実施の形態に係るノード１０の構成例を示すブロック図である。ノード１０は、通信コントローラ１００と無線部１１０を含んでいる。通信コントローラ１００は、無線通信を制御する。無線部１１０は、アンテナや送受信回路を含んでいる。
【0064】
通信コントローラ１００は、１又は複数のプロセッサ１０１（以下、単に「プロセッサ１０１」と呼ぶ）及び１又は複数の記憶装置１０２（以下、単に「記憶装置１０２」と呼ぶ）を含むコンピュータである。プロセッサ１０１は、各種情報処理を行う。例えば、プロセッサ１０１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）を含んでいる。記憶装置１０２は、プロセッサ１０１による処理に必要な各種情報を格納する。記憶装置１０２としては、揮発性メモリ、不揮発性メモリ、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）、等が例示される。
【0065】
制御プログラム１０３は、プロセッサ１０１によって実行されるコンピュータプログラムである。制御プログラム１０３を実行するプロセッサ１０１と記憶装置１０２との協働により、通信コントローラ１００の機能が実現される。制御プログラム１０３は、記憶装置１０２に格納される。制御プログラム１０３は、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されてもよい。制御プログラム１０３は、ネットワーク経由で通信コントローラ１００に提供されてもよい。
【0066】
無線環境情報１０４は、無線通信ネットワーク２の環境を示す。例えば、無線環境情報１０４は、ノード１０の総数Ｎ及び自身の識別子ｉを含む。通信コントローラ１００は、例えば中央ノード２０から無線環境情報１０４を受け取る。無線環境情報１０４は記憶装置１０２に格納される。
【0067】
通信コントローラ１００は、無線環境情報１０４及び上記式（７）～（１４）に基づいて、本実施の形態に係る送信タイミング制御（図７参照）を実行する。そして、通信コントローラ１００は、無線部１１０を介してパケットを送信する。
【符号の説明】
【0068】
１ 無線通信システム
２ 無線通信ネットワーク
１０ 無線通信端末（ノード）
２０ 中央無線通信装置
１００ 通信コントローラ
１０１ プロセッサ
１０２ 記憶装置
１０３ 制御プログラム
１０４ 無線環境情報
１１０ 無線部
２ 無線通信ネットワーク
１０ 無線通信端末（ノード）
２０ 中央無線通信装置
１００ 通信コントローラ
１０１ プロセッサ
１０２ 記憶装置
１０３ 制御プログラム
１０４ 無線環境情報
１１０ 無線部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】