在通信节点之间避免同步的方法

专利名称：在通信节点之间避免同步的方法
技术领域：
本发明涉及一种系统，举例来说，所述系统可以是传感器网络、移动通信网络或具有多个通信节点的局域网(LAN)。更为特别的是，本发明涉及的是如何避免在节点之间进行不必要的同步以及如何避免在源自不同节点的传输之间发生冲突。
背景技术：
本发明所涉及的节点是既具有计算能力又具有通信能力的智能设备，例如计算机、个人数字助理(PDA)、移动电话或所谓的智能传感器。这种节点的网络的分布也已经非常广泛。
在无线网络中，由于节点将会共享一个公用通信介质，因此它们会面临着源自不同节点的传输之间存在冲突的问题，其中所述公用通信介质有时也称为空中接口。关于这个问题有两种公知的解决方案，它们分别是时分多址(TDMA)以及具有避免冲突的载波侦听多路存取(CSMA/CA)，其中在时分多址中，中心服务器为节点分配不同时隙，而CSMA/CD中是不存在中心服务器的，但是每一个节点都会在自身进行传送之前检查是否还有其他节点正在进行传送，此外这些节点还在传输过程中检测冲突，并在发生冲突之后的一个随机时间进行重传。
诸如局域网之类的有线网络同样可以具有共享电缆之类的公用传输介质，这其中同样伴随着冲突问题。目前广泛使用的以太局域网通信系统采用的解决方案是通常所说的带有冲突检测的载波侦听多路存取(CSMA/CD)，这种解决方案类似于CSMA/CA，但冲突是从电缆直流分量的增大中测得的。
上述解决方案并不能完全令人感到满意。在TDMA系统中，如果中心服务器出现故障，那么受其控制的所有节点都会丧失通信能力。此外，在添加或删除节点，或者是节点出现故障、耗尽电力或移动到另一个位置的时候，中心服务器必须发现这种变化状况并且重新分配时隙。而这通常是一个非常复杂的过程，并且这个处理很难在具有很多生成业务量的节点的时候立即以很快的速度执行。在CSMA/CA和CSMA/CD系统中，随着生成业务量的节点数目的增加，包含在业务量中的开销数量也会增加，由此不可避免地造成了通信效率的下降。
传输冲突则是当两个节点同时在同一通信介质上进行传送的时候出现的，它是不希望节点之间同步的更为常见的问题的一个实例。而另一个公知实例则是路由器在诸如因特网之类的网络中周期性传送路由信息。即使路由器节点是通过单独的电缆连接的，但如果它们同步并且都在相同时间传送路由信息，那么网络会在这段时间里变得过载，并且有可能会延迟通信，此外还可能造成数据丢失。目前已经显示，这种同步是几乎任何类型的节点间交互都不希望出现的副作用。

发明内容
本发明的一个目的是提供一种通过自主控制通信节点来避免在通信系统中出现冲突的方法。
本发明的另一个目的是使得节点能够灵活自主地适应于通信系统中不断变化的状态。
此外，另一个目的是能够在节点之间灵活地分配带宽。
本发明提供了一个具有信号通信单元和定时判定单元的节点。信号通信单元将第一状态变量信号发送到另一个节点并且从另一个节点接收第二状态变量信号。第一状态变量信号指示的是第一节点的第一操作定时；而第二状态变量信号指示的则是第二节点的第二操作定时。定时判定单元在第一节点上以一个响应于第二状态变量信号的定时来引发一个周期性操作，并且产生第一状态变量信号，由此第一操作定时与所述周期性操作的定时相关。定时判定单元对周期性操作的定时进行调整，以使第一操作定时和第二操作定时相互远离，例如使它们相互异相。
本发明还提供了一种机器可读的介质，其中保存了用于控制所发明的节点的程序。
本发明还提供了一种用于控制网络中的第一节点和第二节点的方法。在这种方法中，第一状态变量信号是从第一节点传送到第二节点的，它表示的是一个与第一节点上执行的第一周期性操作相关联的第一定时。而第二状态变量信号则是从第二节点传送到第一节点的，它表示的是一个与第二节点上执行的第二周期性操作相关联的第二定时。第一周期性操作是在第一节点上自主受控的，由此使得第一定时远离第二定时。而第二周期性操作则在第二节点上自动受控的，由此使得第二定时远离第一定时。
第一和第二周期性操作可以包括数据传输，在这种情况下，通过使第一定时远离第二定时，所述节点可以避免发生冲突。作为选择，第一和第二周期性操作可以是机械操作、控制操作、数据采集操作或是内部操作，例如执行计算任务或是生成内部定时信号。此外，第一和第二状态变量信号的传输也可以构成第一和第二周期性操作。
如果向网络中添加其他节点，那么节点可以通过接收那些来自所添加的节点的其他状态变量信号而自主适应于发生改变的状况。每一个节点都对自己的周期性操作的定时进行调整，以使其自身定时远离其他节点上执行的周期性操作的定时。
每一个节点都能在一个基本速率上执行该节点的周期性操作，其中所述基本速率是由节点处理能力、节点将要传送的数据的优先级或其他因素决定的。如果周期性操作包含了数据传输，那么数据传输是在依照节点处理能力、优先级或其他因素所分配的时隙中进行的。


在附图中图1描述的是无线通信系统中的多个节点；图2是一个显示了依照本发明第一实施例的节点内部结构的框图；图3是一个描述了依照第一实施例的通信方法的流程图；图4A描述的是在两个相邻节点之间进行通信的过程中出现的初始状态；图4B描述的是在两个相邻节点之间进行通信的过程中出现的过渡状态；图4C描述的是在两个相邻节点之间进行通信的过程中出现的稳定状态；图5A描述的是在三个相邻节点之间进行通信的过程中出现的初始状态；图5B描述的是在三个相邻节点之间进行通信的过程中出现的过渡状态；图5C描述的是在三个相邻节点之间进行通信的过程中出现的稳定状态；图6是一个显示了依照本发明第二实施例的节点内部结构的框图；图7是一个显示了依照第三实施例的节点内部结构的框图；图8是一个描述了在第三实施例中使用的通信方法的流程图；图9是一个显示了依照本发明第六实施例的节点内部结构的框图；以及图10是一个显示了依照本发明第七实施例的节点内部结构的框图。
具体实施例方式
现在参考附图来对本发明实施例进行描述，其中相同部件是用相同的参考符号表示的。
第一实施例参考图1，本发明的第一实施例包含了多个空间分布的节点A，这些节点A通过无线通信来交换数据。
如图2所示，每一个节点A都包括脉冲信号接收单元1 1、通信定时控制器12、脉冲信号发射机13、稳态判定单元14、数据通信单元15以及传感器16。此外，每一个节点A还具有一个用于为这些组件提供电力的电源(未显示)。
脉冲信号接收单元11接收一个输入脉冲信号Sin11并且将一个接收脉冲信号Spr11输出到通信定时控制器12和稳态判定单元14。
通信定时控制器12产生一个相位信号Spr12并且将其输出到脉冲信号发射机13、稳态判定单元14以及数据通信单元15。
脉冲信号发射机13向外界即其他节点输出一个输出脉冲信号Sout11。
稳态判定单元14产生一个稳态判定信号Spr13和一个间歇信号(slot signal)Spr14，并且将所述信号输出到数据通信单元15。
数据通信单元15从传感器16接收观测数据Spr15，从外界(其他节点)接收输入数据信号Sin12，并且向外界输出一个数据信号Sout12。
传感器16从外界接收环境信息Sin13并且将观测数据Spr15输出到数据通信单元15。环境信息Sin13则是关于节点物理环境的信息，例如环境温度、音量、振动等级或地震幅度、化学物质浓度等等。
图2所示的输出脉冲信号Sout11和输出数据信号Sout12都是基带信号，在传送这些信号之前会将这些信号调制到一个高频载波信号上。在第一实施例中，脉冲信号传输装置13和数据通信装置15共享同一载波频率，由此可以共享同一个产生和调制载波信号的电路(未显示)。同样，脉冲信号接收装置11和数据通信装置15可以共享那些用于解调高频接收载波信号的公用电路，以便获取输入脉冲信号Sin11和输入数据信号Sin12。
脉冲信号接收单元11和脉冲信号发射机13构成了一个状态变量信号通信单元。通信定时控制器12和脉冲信号发射机13构成了一个定时判定单元。而状态变量信号则是输入脉冲信号Sin11和输出脉冲信号Sout11。在第一实施例中执行的周期性操作是传送输出脉冲信号Sout11。这个周期性操作还建立了一个用于传送输出数据信号Sout12的内部定时，下文中将这个定时称为时隙，但是输出数据信号Sout12未必在每一个时隙中都进行传送。
以上显示的每一个组成部分可以是一个独立的硬件模块，但是其中某些部件也可以作为由通用计算设备执行的软件来实现，例如通信定时控制器12。
这些节点并不局限于图2所示的内部结构；并且可以对其进行多种修改。例如，在这里可以将图2中显示为独立功能块的部件组合成一个独立的硬件或软件块，或是将那些显示为单个功能块的部件分成多个硬件或软件块。此外还可以将单个节点的功能组件部署在物理分离的位置上。
在以下关于第一实施例操作的描述中更详细地说明这些单元所执行的功能，其中所述描述是以图3的流程图为基础的。
在图3的步骤3-1，脉冲信号接收单元11接收一个由相邻节点发射的输出脉冲信号Sout11，以此作为输入脉冲信号Sin11。其中举例来说，‘相邻’指的是节点处于无线电发射范围以内并且处于一种能够通信的状态。输入脉冲信号Sin11是一个表示定时信息但并未传送任何数据的定时信号。较为理想的是，输入脉冲信号Sin11是一个德尔塔(delta)函数信号，它包含了无限高并且宽度无限小的脉冲，但是举例来说，所述信号在实践中则是一个具有有限高度和正数宽度的高斯波形。
在步骤3-2，脉冲信号接收单元11对接收信号重新整形，以便产生接收脉冲信号Spr11。所述接收信号可以通过使用一个低通滤波器去除噪声而被整形。作为选择，由于在节点之间交换的脉冲信号具有由预定数学函数定义的相同波形，因此脉冲信号接收单元11可以不对接收信号重新整形，而是再生一个定时信号，其中所述信号与输入脉冲信号Sin11的接收相同步并且具有预定的波形，然后所述单元将这个再生信号用作接收脉冲信号Spr11。
在步骤3-3，通信定时控制器12通过执行计算来确定输出脉冲信号Sout11的传输定时。更确切地说，通信定时控制器12通过在零到2π的范围中循环来提前一个对非线性振荡进行模拟的状态变量θi(t)的相位。输出脉冲信号Sout11则是在状态变量具有特定相位值α的时候传送的，例如零弧度角(α＝0)。举例来说，用以提前状态变量θi(t)的相位的速率是受以下的微分方程(1)控制的。
实质上，这个方程式(1)是一个用于对来自相邻节点的接收脉冲信号Spr11做出响应而在第i个节点上以非线性振荡的基本周期来产生本地振荡的规则。变量t表示的是连续时间，ω表示基本振荡周期的固有角频率参数，也就是用以在节点上执行周期性操作的基本节奏。在本实施例中假设ω在整个系统中都具有不变的预定值。函数Pk(t)表示的是通过重新整形或是再生从相邻节点k(k＝1～N)接收的输入脉冲信号Sin11而在时间t获取的接收脉冲信号Spr11的值。N是空间接收范围以内能够产生接收脉冲信号Spr11的相邻节点的总数。函数R(θi(t)，σ(t))是一个相位响应函数，它确定了基本周期或节奏是如何响应接收脉冲信号Spr11而变化的。
dθi(t)/dt=ω+Σk=1NPk(t)·R(θi(t),σ(t))---(1)]]>R(θi(t)，σ(t))＝sin(θi(t)+σ(t))σ(t)＝π+φ(t)θi(t)节点i的相位信号ω 固有角频率参数Pk(t) 从节点k接收的接收脉冲信号R(θi(t)，σ(t)) 相位响应函数φ(t) 随机噪声函数在处理如上所述的耦合振荡系统的已知技术中，多个相互作用的节点显示出了某种内部非线性振荡状态，目前已经设计出了多种方法，其中通过对振荡状态的非线性进行整形而使相邻节点定相，以便使之相互同步振荡，从而实现预期的效果。相关的实例可以在日本的未审专利申请出版物2002-359551中找到。
本发明采用的则是相反的方法它对振荡状态的非线性进行整形，从而迫使相邻节点相互失步，由此举例来说，它们的振荡彼此将会相差大小为π弧度角(180°)的相位。在本实施例中，保持相邻节点彼此异相可以确保这些节点发射的脉冲信号Sout11不会冲突，并且确保这些节点的输出数据信号Sout12在被发射的时候也不会发生冲突。
在相位响应函数R(θi(t)，σ(t))中，σ(t)项是常数项π与随机函数φ(t)之和。常数项π试图通过使一个相邻节点的传输定时尽可能远离另一个节点的传输定时而使相互邻接的节点进入彼此互补的相位。随机函数φ(t)则通过产生依照例如高斯概率分布的噪声(随机值)来为非线性特性给出一个随机变化率，其中所述高斯概率分布具有大小为零的均值和可以根据实验选择的标准偏差。
随机变化率是为了阻止系统陷入一个与预期的稳定状态(最优解)不同的稳定状态(局部解)而被添加的，其中在预期的稳定状态中，相邻节点上的输出脉冲信号Sout11的传输定时彼此之间是恰当异相的。在一个耦合振荡系统中通常存在与最优解不同的多个稳定状态(局部解)。随机变化率则是作为一种从局部解中唤醒系统的手段而被引入的，由此所述系统可以达到最佳解。
在上述方程式(1)中，相位响应函数R(θi(t)，σ(t))是一个正弦函数，但是本发明并不仅限于使用正弦函数，此外常数项也不仅限于π。所述常数项可以是不同于零或是π的偶倍数的任何常数λ(例如任何处于0＜λ＜2π这个范围的值)。如果使用了一个不同于π的常数，那么其结果将会是相邻节点尝试采取互不不同但却并不相反的相位。
尽管上述方程式(1)采用了来自多个相邻节点k的接收脉冲信号Spr11的总和，但是也可以通过从所述方程式中去除求和符号(∑)来逐一处理接收脉冲信号Spr11。
方程式(1)所需要的计算可以由使用了众所周知的数值分析方法的软件执行，其中举例来说，所述数值分析方法可以是朗格-库塔法(要想得到关于朗格-库塔法的日文说明，可以参见由Hayato Togawa撰写并由Saiensu公司出版的UNIX Wakusuteishon ni yoru KagakuGijutsu Keisan Handobukku-Kiso-hen C-gengo ban(Handbook ofScientific and Engineering Computation on UNIXWorkstations-Basic C Language Edition))。作为选择，在这里也可以借助于专用硬件来进行计算。
通信定时控制器12从方程式(1)中为时间参数t的连续值计算相位θi(t)，并且将结果作为相位信号Spr12提供到脉冲信号发射机13、稳态判定单元14和数据通信单元15。如下所述，脉冲信号发射机13、稳态判定单元14和数据通信单元15是根据相位信号Spr12而采取多种操作的。
本发明并不局限于使用方程式(1)或是使用指示相位的状态变量信号。状态变量信号可以是任何用于对表示节点操作状态或操作定时的变量的状态进行指示的信号。例如，状态变量信号可以表示位移而不是相位，并且基础的非线性振荡模型也可以不是方程式(1)所描述的局部变化的谐波振荡器，而是其它类型的非线性振荡，其中包括无序或混乱振荡。
以下将参考附图来对上述计算操作进行更详细的描述，其中所述附图显示的是如何迫使两个或三个节点的相位在时间上相互分离。
图4A、4B和4C描述的是在只有一个相邻节点j邻近所关注节点i时执行的处理。图4A显示的是系统开始操作时的示范性初始状态。非线性振荡是由两个围绕圆周旋转的质点的移动来进行模拟的，由此表示了这些节点i、j的定时相位。如果将质点的旋转运动投影到纵轴或横轴上，那么所投影的质点运动将会显示出谐波的非线性振荡。根据方程式(1)，作用于这两个质点的非线性特性将会尝试使所述点进入互补相位，这样一来，随着时间的流逝，图4A中的初始状态将会经过一个如图4B的过渡状态，并且最终固定到图4C所示的稳定状态。
这两个质点是以一个基本角速度(等价于节点操作状态中的基本跃迁速率)旋转的，其中所述基本角速度是由固有角频率参数ω给出的。质点通过发送和接收输出脉冲信号Sout11来进行交互，根据交互结果来改变(加快或减慢)其角速度并且达到一个保持了互补相位关系的稳定状态。这个处理可以理解为是借助了这两个质点在其旋转时的相互推斥来操作的。
在图5A、5B和5C中存在两个接近所关注节点i的相邻节点j1和j2。图5A显示的是一个示范性初始状态，图5B显示的是一个过渡状态，图5C显示的则是三个节点上的相位相互间隔大小为2π/3的弧度角的稳定状态。此外还可以将这种状态视为是借助了那些围绕一个圆周旋转的质点的相互推斥来达到的。在相邻节点数目是三个或更多的时候，同样也会出现类似的操作。
如果相邻节点数目在系统操作过程中发生了变化，那么稳定状态也会自适应地发生变化。举例来说，假设存在一个与所关注节点相邻的节点，并且建立了如图4C的稳定相位关系。然后则假设添加了一个新的相邻节点。这时，相位关系的稳定性会受到破坏，但在经过了过渡状态之后，系统将会假设一个与图5C中的状态一样并且存在两个相邻节点的新的稳定状态。相似的自适应也会在添加了两个或更多新的相邻节点的时候进行，或者当去除相邻节点或停止运作时进行。第一实施例使得所有构成系统的节点都能与其相邻节点形成稳定的相位关系，并且能够灵活自主地适应于那些变化。
如下所示，第一实施例的操作也可以用更常用的术语来描述。每一个节点都是根据一对规则来产生内部状态变量信号，并且在状态变量信号指示的时间执行一个周期性操作，此外有时也会通过传送一个输出状态变量信号来向相邻节点告知其内部状态变量信号的值。在第一实施例中，内部状态变量信号即为相位信号Spr12，输出状态变量信号则是输出脉冲信号Sout11。
用以产生内部状态变量信号的第一规则确定执行操作的基本速率。在第一实施例中，所述规则是由固有角频率参数ω给出的。
第二规则对从相邻节点接收的状态变量信息做出响应，从而改变执行操作的速率。这个规则是通过驱使所述节点内部状态远离相邻节点内部状态而以推斥方式运行的。在第一实施例中，第二规则是由方程式(1)给出的。
第二规则是局部运作的；也就是说，每一个节点自主控制其内部状态和定时。
第一规则可以是局部的，也可以是全局的。在第一实施例中，假设第一规则是全局和恒定的，即所有节点都具有相同和恒定的固有角频率参数ω，但是在通常情况下，不同节点可以在不同的基本速率上操作。举例来说，基本速率可能会随着节点物理位置的不同而发生变化。某些节点上的基本速率有可能是其他节点上的基本速率的整数倍。作为选择，这些节点的基本速率全都可以接近于一个中心值，但是举例来说，所述基本速率也可以依照高斯概率分布而以随机方式分布在中心值周围。此外，节点的基本速率也可以随时间而变化。
第一和第二规则可以基于多种非线性振荡模型。在这里没有必要准确模拟振荡机制或现象；并且可以使用一个简化或抽象模型。
再次参考图3，在步骤3-4中，脉冲信号发射机13根据相位信号Spr12来传送输出脉冲信号Sout11。也就是说，它会在相位信号Spr12具有一个特定值α的时候传送输出脉冲信号Pi(t)。
θi(t)＝α(0≤α≤2π)与上述输入脉冲信号Sin11相似，输出脉冲信号Sout11或Pi(t)是一个定时信号，其中举例来说，所述信号具有一个高斯波形。α的特定值则是统一为整个系统设定的。在这里，通过假设α＝0，则不会丧失通用性，因此在以下分布中将会在整个系统中统一假设α＝0。
在步骤3-5，稳态判定单元14确定自己的节点及相邻节点的输出脉冲信号Sout11的传输定时处于过渡状态还是稳定状态。在稳定状态中，这些节点的输出脉冲信号Sout11的传输定时是在一种恰当的无冲突的时态关系中得到稳定的。稳态判定单元14对接收脉冲信号Spr11和输出脉冲信号Sout11的定时进行观察，如果时差在时间上保持不变或者几乎恒定，则其判定它们处于稳定状态。也就是说，稳态判定单元14会将任何一个稳定的定时关系判定成稳定状态。其中举例来说，所述稳定状态判定是如下执行的。
(a)在相位信号Spr12的一个基本周期中，对处于接收脉冲信号Spr11的生成定时上的相位信号Spr12的值β进行观察。使那些作为执行上述观察所获取的结果的相位信号Spr12的值β成为β1，β2，......，βN(0＜β1＜β2＜......＜βN＜2π)(b)从观测到的相位信号Spr12的值β中计算相邻值之间的差值(相位差)Δ。
Δ1＝β1，Δ2＝β2-β1，......，ΔN＝βN-βN-1(c)在大小为相位信号Spr12的一个周期的间隔上执行处理(a)和(b)，并且对相邻周期之间的相位差Δ的变化率γ(差值)进行计算。
γ1＝Δ1(τ+1)-Δ1(τ)，γ2＝Δ2(τ+1)-Δ2(τ)，......，γN＝ΔN(τ+1)-ΔN(τ)其中τ表示的是以相位信号Spr12的一个周期为单位的离散时间。
稳定状态是在上述变化率γ全都小于预定值ε的时候识别的。
γ1＜ε，γ2＜ε，......，γN＜ε在以上实例中，稳定状态是基于两个周期上的相位差Δ的变化率而被识别的。然而也可以根据在M个周期上是否满足了判定条件γ1＜ε，γ2＜ε，......，γN＜ε来对稳定状态进行判定(其中M是一个大于2的整数)。M的值越大，则状态就必须越稳定，以使稳态判定单元14能够判定已经达到了稳定状态。
在以上实例中，稳定状态的判定是以所有那些在相位信号Spr12的每一个周期中接收的接收脉冲信号Spr11为基础的，但是该判定也可以仅仅基于某些接收脉冲信号Spr11。
稳态判定单元14向数据通信单元15输出表示判定结果的稳态判定信号Spr13以及间歇信号Spr14。间歇信号Spr14提供了跟随在零相位之后并处于第一接收脉冲信号Spr11的相位信号Spr12的值β1。稳态判定信号Spr13和间歇信号Spr14则是在与相位信号Spr12的周期相等的时间间隔上输出的。
在步骤3-6，传感器16感测节点的物理环境属性，例如温度、声强、振动、化学浓度或其他任何可以测量的属性。感测到的属性充当一个输入信号Sin，而传感器16则从中产生观测数据Spr15。传感器16将观测数据Spr15发送到数据通信单元15。而数据通信单元15还接收了相邻节点发送的输出数据信号Sout12，以此作为输入数据信号Sin12。
在步骤3-7，数据通信单元15将观测数据Spr15或输入数据信号Sinl2(或是这二者)作为输出数据信号Sout12传送到其他节点。输出数据信号Sout12是在稳态判定信号Spr13指示已经识别了稳定状态的时候发射的，并且所述信号是不会在稳态判定信号Spr13指示一个过渡状态的时候发射的。输出数据信号Sout12和输出脉冲信号Sout11是在同一频段发射的。而输出数据信号Sout12是在如下所述的一个时隙(时间间隔)中发射的。
所述时隙是在传送了输出脉冲信号Sout11之后的一个定时开始的，并且是在产生了最接近的接收脉冲信号Spr11之前的一个定时结束的。如果输出脉冲信号Sout11是在零相位发射的，那么输出数据信号Sout12是在一个相位信号Spr12所指示的相位θi(t)满足以下条件的时隙中发射的。
δ1＜θi(t)＜β1-δ2参数δ1与传送输出脉冲信号Sout11所需要的时间间隔相对应。参数δ2表示的是在终止传送输出数据信号Sout12与产生最接近的后续接收脉冲信号spr11之间必须提供的时间间隔。这两个参数都具有通过实验方式确定并且可以用弧度角表示的值。传感器的观测速率可以等于、大于或小于固有角频率参数所表示的基本速率。如果必要的话，也可以使用单个时隙来传送多个传感器观测值，或是在一系列连续时隙中传送来自单独的传感器观测的数据。此外还可以在某些时隙中不传送观测数据。
如果每个节点都在满足上述条件的时隙中发射数据，那么相邻节点有可能共享同一频段，并且仍然可以避免传送数据出现冲突。
输出数据信号Soutl2的传输信号强度(信号传播范围)D12是在独立于输出脉冲信号Sout11的传输信号强度(信号传播范围)D11的情况下受到控制的。这两个信号强度可以具有某种预定关系举例来说，D11可以是D12的两倍。作为选择，所述关系也可以自适应地变化。其中一种恰当的关系是这样的所有这两个能够产生相互干扰的输出数据信号的节点都能够接收对方的输出脉冲信号，并且由此通过调整其传输定时来避免出现数据冲突。
图3中的步骤3-3到3-7可以在不执行步骤3-1和3-2的情况下执行。无论是否从其他节点接收到了状态变量信号，为了有规则地产生相位信号，在这里都执行了通信定时计算。如果状态变量信号是从其他节点接收的，那么它们将会影响到所述计算，但是如果没有接收到这些信号，那么计算仍然会继续进行。
在常规的TDMA系统中，集中式服务器管理所有时隙的分配，然而与常规的TDMA系统相反，本实施例允许网络节点在一个分布式的基础上通过相邻节点之间的相互作用来自主确定自己的时隙分配方案。由于本实施例不依赖于集中式服务器，因此它不会遇到所有受控于集中服务器的节点在集中服务器出现故障时无法通信的问题。
在本实施例中，在向系统添加节点或是从系统中的某个部分去除节点或者在节点出现故障或移动到另一个位置的时候，受所述变化影响的节点集合将会适应所述变化，并且自主地重新调整它们的时隙，而不受变化影响的节点则使用现有时隙而在没有中断的情况下继续通信。
由于时隙是在相邻节点之间局部调整的，因此非相邻节点可以同时传送数据。更确切的说，具有不重叠的脉冲信号传播范围的节点可以同时进行传送，以便有效使用时隙资源。在本实施例中，这种效能是自主实现的。如果在受到集中式服务器管理的系统中尝试相似类型的操作，那么所述服务器将会追踪所有节点的空间位置关系以及它们的信号传播范围，只要这些关系和范围中的任何一个发生变化，则所述服务器必须修改时隙分配方案。在一个经常发生这类变化的系统中，这些操作的计算费用是非常高的，并且很多附加的通信开销都是必要的，由此通信效率也会受到影响。
与此相反，在本实施例中不需要由一个集中式服务器来执行复杂的计算，即使是在很多节点都产生了数据量的时候，开销的量也不会增加，通信效率也不会因为业务量的增加而下降。与常规的CSMA/CA系统相比，本实施例在稳定性、效率、适应性和数据通信费用方面全都有所改进。
在第一实施例的一个变体中，只有那些产生数据通信业务量的节点才会发送输出脉冲信号Sout11(也就是说，只有那些产生数据通信业务量的节点才会与相邻节点进行交互)。在这种情况下，由于某些节点停止产生业务量并且其他节点开始产生业务量，因此将会自适应地重新分配时隙，从而有效利用通信资源。
在第一实施例的另一种变体中，传感器16由其它类型的周期性产生传输数据的设备所取代。所传送的数据的类型或是数据的内容也没有任何限制。
第二实施例接下来将对依照本发明第二实施例的节点进行描述。参考图6，第二实施例在第一实施例的节点结构中添加了一个中止控制器10。中止控制器10将一个终止信号Spr10输出到所述节点的所有其他组成部件，即脉冲信号接收单元11、通信定时控制器12、脉冲信号发射机13、稳态判定单元14、数据通信单元15和传感器16。
第二实施例是以等同于第一实施例的方式运作的，但是其中存在以下差别。
中止控制器10周期性地接通或切断节点中每一个其它组成部件的操作。脉冲信号接收单元11、通信定时控制器12、脉冲信号发射机13、稳态判定单元14、数据通信单元15和传感器16在中止信号Spr10处于接通状态的时候操作，并且在中止信号Spr10处于切断状态的时候停止操作。接通时间与切断时间之比可以是一个不变的恒定比率a∶b(接通时间∶切断时间＝a∶b，其中a和b都是正整数)，然而该比值也可以随时间或节点的不同而变化。不同节点的通-断周期并不同步。
中止控制器10的引入导致节点以异步方式在活动与不活动状态之间进行循环。从一个节点可以看出，其他节点依照的是随机关联的活动-不活动循环。由于活动-不活动循环中具有随机性，因此用于在第一实施例的方程式(1)中提供随机变化率的函数φ(t)不再是必要的。由此可以如下所示来对方程式(1)进行简化。
dθi(t)/dt=ω+Σk=1NPk(t)·R(θi(t))]]>R(θi(t))＝sin(θi(t)+π)θi(t) 节点i的相位信号ω 固有角频率参数Pk(t) 从节点k接收的接收脉冲信号R(θi(t)) 相位响应函数第二实施例提供了与第一实施例相同的优点，此外还提供了下列附加优点。在第一实施例中，构成系统的节点总是处于活动之中并且始终耗费电力。然而在第二实施例中，每一个节点仅仅间歇地活动。在节点不活动的时候，它只耗费较少的电力。如果节点是用电池供电的，那么电池的消耗将会降低，系统的工作寿命可以得到延长。
第三实施例接下来描述的是本发明的第三实施例。参考图7，第三实施例中的节点包括一个数据脉冲信号接收单元31、一个通信定时控制器32、一个稳态判定单元33、一个数据脉冲信号发射机34和一个传感器35。
数据脉冲信号接收单元31接收一个输入数据脉冲信号Sin31，并且向通信定时控制器32和稳态判定单元33输出一个接收脉冲信号Spr31，以及向数据脉冲信号发射机34输出一个接收数据信号Spr31。通信定时控制器32向稳态判定单元33和数据脉冲信号发射机34输出一个相位信号Spr33。稳态判定单元33向数据脉冲信号发射机34输出一个稳态判定信号Spr34。数据脉冲信号发射机34向外界发送一个输出数据脉冲信号Sout31。传感器35则输入环境信息Sin32并向数据脉冲信号发射机34输出观测数据Spr35，其中所述传感器的操作与第一实施例中的传感器的操作是相同的。
在第三实施例中，数据脉冲信号接收单元31和数据脉冲信号发射机34充当状态变量信号通信单元。通信定时控制器32和数据脉冲信号发射机34则充当一个定时判定单元。此外，数据脉冲信号发射机34还充当一个数据通信单元。
现在参考图8来描述第三实施例的操作。在这里主要描述的是所述操作与第一实施例的不同之处关于相似操作的描述则被省略。
首先，在步骤8-1，数据脉冲信号接收单元31接收一个由相邻节点(例如无线电发射范围内部的另一个节点)发射的数据脉冲信号，以此作为输入数据脉冲信号Sin31。输入数据脉冲信号Sin31具有足够的脉冲宽度，以便能够由一个数据信号来对所述脉冲进行调制。在调制之前，所述脉冲可以是一个矩形脉冲，但也可以具有三角波形、高斯波形或任何其他适当的波形，其中在整个系统中使用的都是同一个波形。这样一来，所述脉冲包含了数据分量和定时分量，其中定时分量是由脉冲定时表示的。
在步骤8-2，数据脉冲信号接收单元31对接收到的输入数据脉冲信号Sin31进行解调，并且将其分离成一个表示定时分量的脉冲信号和一个表示数据分量的数据信号。经过分离的脉冲信号作为接收脉冲信号Spr31输出到通信定时控制器32和稳态判定单元33。而数据分量则作为接收数据信号Spr32输出到数据脉冲信号发射机34。
在步骤8-3，通信定时控制器32通过第一实施例中描述的方法来计算传输定时。在此省略重复的描述。
在步骤8-4，如第一实施例所述，稳态判定单元33对稳定状态进行判定，但是并不产生第一实施例中所述的间歇信号Spr14。
在步骤8-5，如果稳态判定信号Spr34表示已经达到稳定状态，则数据脉冲信号发射机34将那些从传感器35接收的观测数据Spr36或是接收数据信号Sin32(或是这两者)调制到一个脉冲信号上，以便产生一个输出数据脉冲信号Sout31，并且在相位信号Spr33具有特定值α的时候发射所述输出数据脉冲信号Sout31。
θi(t)＝α(0≤α＜2π)
如果稳态判定信号Spr34表示的是一个过渡状态，那么未曾将观测数据调制到脉冲波形的情况下，数据脉冲信号发射机34以上述定时来发射脉冲信号。
与发射分离的数据和定时信号的第一实施例相比，第三实施例是将数据和定时信息全都包含在同一输出数据脉冲信号中。因此，在第三实施例中只需要避免这些数据脉冲信号之间的冲突；但是没有必要避免分离的数据信号之间的冲突。这样一来，即使是在相互之间进行交互的节点的数目很大并且只能为每一个节点分配很短的时间来进行数据传输的时候，数据通信也能够保持相对稳定。
在第三实施例中，与第一实施例中一样，即使向系统添加节点或从系统的某个部分去除节点，异或是出现了故障或是位置变更之类的变化，也可以产生一个灵活的响应并且维持有效的数据通信。
第四实施例接下来描述的是本发明的第四实施例。第四实施例中的节点与图2所示的第一实施例中的节点具有相同结构，但是脉冲信号发射机13和数据通信单元15则使用的是不同的频段。因此，脉冲信号发射机13和数据通信单元15不能像在第一实施例中那样共享发射电路；此外还必须为每一个频段产生和调制一个单独的载波信号。
以下描述的是与第一实施例的操作不同的第四实施例的操作。
在第四实施例中，由于输出脉冲信号Sout11和输出数据信号Sout12是在不同频段上传送的，因此这两个信号不必在分离的时间上传送。这样一来，用于在数据通信单元15中传送输出数据信号Sout12的时隙是在输出脉冲信号Sout11的传输定时上开始，并且在产生最接近的接收脉冲信号Spr11之前的一个定时上终止的。通过在一个时隙中传送输出数据信号Sout12，可以满足这个条件，其中在所述时隙中，相位信号Spr12的值θi(t)满足以下条件。
0＜θi(t)＜β1-δ2上述条件中的符号与第一实施例中的符号的含义是相同的，并且与第一实施例一样，在这里假设输出脉冲信号Sout11是在相位信号Sprl2表示零相位的时候传送的，也就是在θi(t)＝0的时候传送的。
第四实施例提供的效果与第一实施例提供的效果相同。此外，由于第四实施例能在重叠的时间上传送输出脉冲信号Sout11和输出数据信号Soutl2，因此与第一实施例相比，在这里可以分配更宽的时隙来传送输出数据信号Sout12。这就使得第四实施例能以高于第一实施例的数据业务量来继续执行稳定的操作。
第五实施例接下来描述的是本发明的第五实施例。第五实施例中的节点与图2所示的第一实施例中的节点具有相同的结构，但是数据通信单元15为其传送的数据分配了经过量化的优先级，并且通信定时控制器12是根据量化优先级来动态控制自身节点的固有角频率参数ω(基本传输速率)的。举例来说，优先级可以表示必要性、活动性、紧迫性或类似信息的等级，并且可以与将要传送的数据量相关联。
第五实施例将以下操作添加给第一实施例中描述的依照通信定时计算(图3中的步骤3-3)的操作。而第五实施例中的其他操作与第一实施例中的操作是相同的。
在步骤3-3，数据通信单元15对其接收的数据的优先级等级进行量化，并且将所述优先级等级通知给通信定时控制器12。接收到的数据既可以是从传感器16接收的观测数据Spr13，也可以是从相邻节点接收的数据，还可以是通过人工交互产生的数据。而在数据通信单元15每次接收到所要传送的数据的时候，都会产生一个量化优先级等级。
所述优先级等级可以从所要传送的数据的类型、内容、属性、数量以及其他特性中确定。基本上，所述优先级等级表示的是必须传送数据的紧迫性。其中一种产生量化优先级等级的示范性方法是使用一个将不同优先级加权分配给不同类型的数据的预定规则，并且将所要传送的数据量与所述优先级加权相乘。如果所传送的数据包含了若干种不同类型的数据，那么可以采用一个经过加权的总和。
通信定时控制器12根据量化优先级等级来动态控制固有角频率参数ω(基本速率)的值。在一个示范性方案中，固有角频率参数ω允许具有那种作为基准值的整数倍的值，其中所述基准值与预定的最小角频率相等。最小角频率可以根据应用或是其他系统条件而以试验方式确定。在数据通信单元15报告最低的量化优先级的值的时候，所述基准值将被赋予固有角频率参数ω，并且为更高的量化优先级的值指定更大的整数倍。随着量化优先级的值的增大，固有角频率参数ω也会在一系列步骤中增大。
在另一个示范性方案中，固有角频率参数ω的值并不局限于基准频率的严格的整数倍，它也可以是处于基准频率整数倍数附近的预定区域的值。
在另一个示范性方案中，每一个节点都具有随时间变化的量化优先级等级，因此ω是一个时间函数。
无论使用何种方案，在整个系统中都预先设定了用于控制ω的值的统一规则。如果ω的值是通过整数比或近似整数比相互关联的，那么，即使不同的相邻节点具有不同的值ω，也可以达到并维持一种稳定状态，其中由相邻节点发射的输出脉冲信号Sout11的定时彼此以恰当的方式分离开来，此外还与第一实施例中一样避免了数据冲突。
第五实施例提供的效果与第一实施例相同，其中进一步的效果则是相邻节点不必同等地共享传输时间；更为迫切地需要传送数据的节点可以得到更大的传输时间部分。
在第五实施例的一种变体中，ω的值是依照节点处理能力而不是所传送数据的紧迫性而被控制的。在这个变体中，每一个节点都具有一个固定值ω，但在相邻节点中，处理能力较高的节点将会得到相对较大的数据通信时间份额。一般来说，可以根据节点的任何规定属性来控制ω的值。
此外还可以根据网络业务量状况或是通过考虑诸如传输优先级等级和节点处理能力之类的多个因素来动态控制ω的值。
第五实施例保持了第一实施例的效果，但是它能够通过允许一个节点使用比另一个节点所用时隙更多的时隙而以不等份额中将传输时间分配给相邻节点。也就是说，一个节点有可能会比另一个节点具有更多传输的机会。
此外，第五实施例也允许根据优先级、单个节点特性以及网络条件之类的多种其他因素而在不需要集中控制的情况下自主调制每一个节点使用的时隙数目。
特别地，在传送紧急程度不同的不同类型数据的网络中，第五实施例是非常有用的。在这种网络中，与紧急程度相对较低的数据相比，有效通信需要以更高的优先级来传送那些紧急程度相对较高的数据。即使在网络拥塞的时候，第五实施例也可以有效传送紧急数据，由此增强了网络通信的有效性。
第六实施例接下来描述的是本发明的第六实施例。第六实施例中的节点与图2所示的第一实施例的节点具有相同的结构，但是通信定时控制器12则具有多个状态变量信号生成单元，其中每一个单元都会接收到接收脉冲信号Spr11并且通过产生一个独立的相位信号Spr12来确定输出脉冲信号Sout11的传输定时。举例来说，通信定时控制器12可以包括图9所示的四个状态变量信号生成单元a1到a4。为了方便起见，在这个图中将脉冲信号发射机13、稳态判定单元14和数据通信单元15显示成一个从所有这四个状态变量信号生成单元1a到a4中接收相位信号Spr12的单独功能块。
状态变量信号生成单元可以依照在第一实施例所给出的方程式(1)中提供的模型来进行操作，也可以根据多种其他模型来进行操作。
第六实施例的操作与第一实施例的操作基本相同，但通信定时控制器12中的状态变量信号生成单元是并行运作的。每一个状态变量信号生成单元都使用了接收脉冲信号Spr11并且通过例如求解第一实施例的方程式(1)来计算相位值θi(t)。计算得到的相位值θi(t)则作为相位信号Spr12而从这四个状态变量信号生成单元a1、a2、a3、a4中独立地提供到脉冲信号发射机13、稳态判定单元14以及数据通信单元15。
为了简化起见，在下文中假设恰当的角振荡参数ω的值在每一个状态变量信号生成单元中都是相同的。与第一实施例一样，就整个系统而言，ω的值可以是固定的。然而，第五实施例还可以采用一种允许在不同节点之间具有不同的ω的值的方式来进行操作，或是以一种在同一节点的不同状态变量信号生成单元之间具有不同的ω的值的方式来进行操作。
在每次从任何一个状态变量信号生成单元接收的相位信号Spr12具有特定值θi(t)＝α(0≤α＜2π)的时候，脉冲信号发射机13都会发射一个输出脉冲信号Sout11。在这里则响应于从状态变量信号生成单元中输出的所有相位信号Spr12而以相同方式执行了相同的输出操作。输出脉冲信号Sout11则被传送到外界(其他节点)并且反馈到通信定时控制器12。
在通信定时控制器12中的状态变量信号生成单元计算相位θi(t)的时候，它会用到输出脉冲信号Sout11的反馈。更准确地说，每一个状态变量信号生成单元不但从接收到的脉冲信号Spr11中计算相位θi(t)的，而且还从其他状态变量信号生成单元所产生的输出脉冲信号Sout11中计算所述相位。与接收到的脉冲信号Spr11相似，这些输出脉冲信号Sout11是由第一实施例所示的方程式(1)中的Pk(t)项表示。
稳态判定单元14选择并行输入的四个相位信号Spr12中的一个信号，并且使用所选择的相位信号Spr12作为时基。此外还在与选定相位信号Spr12的周期相等的时间间隔上重复执行第一实施例中描述的判定计算。在这里假设在每一个未曾选择的相位信号Spr12的相位都具有一个特定值θi(t)＝α(0≤α＜2π)的时候已经接收了一个假想的接收脉冲信号Spr11。这样则使得通信定时控制器12能够达到一个稳定状态，在这个稳定状态中，依照多个状态变量信号生成单元输出的相位信号Spr12以及从外界接收的接收脉冲信号Spr11所产生的输出脉冲信号Sout11是以一种恰当分离的时态关系而被稳定的。在这种稳定状态中，对状态变量信号生成单元输出的任何一个相位信号Spr12来说，它们各自的周期都包含了输出脉冲信号Sout11的多个传输定时，并且这些传输定时是相互关联的，由此它们不会与另一个输出脉冲信号Sout11的传输定时或是接收脉冲信号Spr11的接收定时发生冲突。
与第一实施例中一样，数据通信单元15在与输出脉冲信号Sout11的传输定时有关的时隙中传送输出数据信号Sout12。在相位信号Spr12的每一个周期中都得到了多个时隙，其中每一个周期的时隙数目与状态变量信号生成单元的数目是相同的。
在这里可以将第六实施例视为是在包含多个内部子节点的每一个节点经由输出脉冲信号Sout11进行相互作用以及与外界相邻节点进行交互的情况下操作的。每一个子节点都获取自己的时隙，这样一来，作为一个整体的节点在相位信号Spr12的每一个周期中都获取了多个时隙。
子节点的数目即为状态变量信号生成单元的数目，这个数目可以随着节点的不同而不同。在一个节点中操作的子节点的数目可以取决于所述节点的处理能力，也可以取决于其他节点的属性。举例来说，在这里可以根据量化优先级等级或第五实施例中描述的一个或多个因素来对子节点的数目进行动态控制。在任何情况下，在给定时间操作在一个给定节点中的子节点越多，那么所述节点接收到的时隙也就越多。
由此第六实施例能够在相邻节点之间不均匀地分配时隙。与第五实施例中一样，与处理能力较弱或紧急传输需要较少的节点相比，处理能力较强或紧急传输需要较多的节点可以得到更多的时隙。为了避免数据冲突而对时隙相对位置所进行的调整仍旧保持自主，此外还可以自主调整时隙数目。举例来说，每一个节点都可以操作多个状态变量信号生成单元(子节点)，其中所述单元与其传送的数据的量化优先级等级成比例。此外也可以根据网络状况而对子节点的数目进行调整。
因此，通过改变状态变量信号生成单元的数目而不是改变固有角频率参数ω，第六实施例提供了与第五实施例所提供的效果相类似的效果。
第六实施例在提高混合网络的功能特性方面是非常有效的，在这种网络中，不同类型的节点相互进行通信，其中举例来说，所述节点可以是具有不同功能或处理能力的节点。
在第六实施例的一个变体中，从每个状态变量信号生成单元a1、a2、a3、a4输出的相位信号Spr12反馈到通信定时控制器12中的其他状态变量信号生成单元，而没有使用输出脉冲信号Sout11的反馈。由于输出脉冲信号Sout11的相位是由相位信号Spr12的值确定的，因此状态变量信号生成单元a1、a2、a3、a4所执行的计算实质上仍旧是相同的。
第七实施例接下来描述的是本发明的第七实施例。第七实施例中的节点与图2所示的第一实施例中的节点具有相同的构造，但是与第六实施例不同的，通信定时控制器12具有多个状态变量信号生成单元。在以下描述中，如图10所示，通信定时控制器12具有四个状态变量信号生成单元a1到a4。每一个状态变量信号生成单元的操行方式都与第一实施例中的通信定时控制器12相似，由此产生了一个相位信号Spr12。
在第七实施例中，脉冲信号发射机13是在四个相互区分的频段中发射输出脉冲信号Sout11的。在第一状态变量信号生成单元a1计算的定时上传送的输出脉冲信号是在第一频段f1中传送的；在第二、第三和第四状态变量信号生成单元a2、a3、a4中计算得到的定时上传送的输出脉冲信号则是在相应频段f2、f3、f4上传送的。而输出脉冲信号Sout11则并未反馈给状态变量信号生成单元a1、a2、a3、a4。
数据通信单元15借助于计算输出定时的状态变量信号生成单元而在这些相同的频段f1、f2、f3、f4中传送输出数据信号Soutl2。举例来说，在从来自第一状态变量信号生成单元a1的相位信号Spr12中导出的定时上传送的输出数据信号Soutl2是在第一频段f1输出的。
脉冲信号接收单元11和数据通信单元15使用了带通滤波器或其他恰当的装置来分离这些在不同频段中接收的信号，由此在相同的四个频段f1、f2、f3、f4中接收输入脉冲信号Sin11和输入数据信号Sin12。
因此，在第七实施例中，每一个节点都仿佛是在包含了多个子节点的情况下操作的，而每一个子节点则是在不同的频段上操作。由于子节点是在不同频段上进行通信的，因此它们可以同时进行传送，从而可以提高节点的业务容量。
实质上，第七实施例提供了与第一和第六实施例相同的效果，但是第七实施例则通过使用多个频段而极大增加了网络的业务容量。
接下来将对先前实施例的几种变体进行描述。
第一变体在上述实施例中，每一个节点只与自己的相邻节点进行交互，但是本发明并不仅限于与相邻节点进行交互。其中也有可能存在一个或多个与网络中的所有其他节点进行交互的节点。也就是说，网络可以既包括局部交互的节点，又包含全局交互的节点。
第二变体方程式(1)是在第一实施例所描述的通信定时控制器12的处理中使用的。在这个处理中，随机变化率是由一个随机变量φ(t)引入相位响应函数的，但是如下所述，在这里也可以通过直接向固有角频率中添加φ(t)来引入所述随机变化率。
dθi(t)/dt=ω+φ(t)+Σk=1NPk(t)·R(θi(t))]]>R(θi(t))＝sin(θi(t)+π)θi(t) 节点i的相位信号ω 固有角频率参数Pk(t) 从节点k接收的接收脉冲信号R(θi(t)) 相位响应函数φ(t) 随机噪声函数第三变体在先前实施例中，每一个节点都具有一个传感器并且传送了从传感器16那里获取的观测数据Spr13，以此作为输出数据信号Soutl2。作为任何一个先前实施例的变体，节点可以通过对观测数据Spr15执行一个计算操作来传送所获取的数据。作为更进一步的变化，在这里可以省略传感器；输出数据信号Sout12可以是对输入数据信号Sin12执行计算处理的结果，也可以是指示节点内部状态的变量值，还可以是对一个或多个内部状态变量执行计算处理的结果，异或是由人工操作输入的数据或是其他任何类型的数据。
第四变体在先前实施例中，无论是否存在将要发射的数据，都会传送输出脉冲信号Sout11。由此甚至为那些并未产生数据业务量的节点也保留了时隙。在先前实施例的一种变体中，只有那些产生了业务量的节点才会传送输出脉冲信号Sout11。这种变体可以通过消除未使用的时隙来提高网络的业务容量。由于产生业务量的节点会随时间而变化，因此在当前产生业务量的节点中将会通过自主协作来对时隙进行重新分配。
第五变体在第一实施例中通过使用微分方程(1)描述了通信定时控制器12所执行的处理，但是也可以改用其它类型的方程式来进行描述。其中一个实例是通过将方程式(1)中的连续时间变量t改成如下所示的离散时间变量来获取一个差分方程或递推公式。
在以下方程式中，n是一个具有正整数值的离散时间变量。其他符号则与第一实施例中的符号具有相同的含意，但是它们全都是离散时间变量n的函数。数量Δt表示的是离散时间的步长。连续时间变量t和离散时间变量n则是由Δt(更准确地说，t＝n·Δt)联系在一起的。
θi(n+1)=θi(n)+[ω+Σk=1NPk(n)·R(θi(n),σ(n))]·Δt]]>R(θi(n)，σ(n))＝sin(θi(n)+σ(n))σ(n)＝π+φ(n)n＝0，1，2，......
Δt离散时间步长在以上方程式中，只有时间轴是在不连续的阶段中处理的，但是也可以使得所述状态变量同样具有离散值。也就是可以对状态变量进行量化。在当前情况下，相位信号θi(t)经过了量化并且具有M个离散值，其中M是一个正整数。在以下方程式中，量化是由一个量化函数quan(*)表示的，所述函数将数量除以量化步长w并且略去余数，由此将任意的连续量(*)转换成一个整数。量化步长w和通过将所述数量(*)与M相除所得到的动态范围是相等的。对相位信号θi(t)来说，量化步长w等于2π/M。
θi(n+1)=θi(n)+quan([ω+Σk=1NPk(n)·R(θi(n),σ(n))]·Δt)]]>R(θi(n)，σ(n))＝sin(θi(n)+σ(n))σ(n)＝π+φ(n)n＝0，1，2，......
Δt离散时间步长第六变体在先前实施例中，相邻节点是通过在离散时间间隔中发送输出脉冲信号Sout11来进行交互的，但是这些节点也可以通过发送连续状态变量信号来进行交互。那么如下所示，应该对第一实施例中使用的方程式(1)进行修改。
在以下方程式中，第i个节点将自己的相位信号θi(t)连续发送到相邻节点，并且接收它们的相位信号θk(t)。与第一实施例中一样，在这里假设存在N个相邻节点，并且k的取值范围是从1到N。由于相位信号是连续接收和处理的，因此在这里将会连续进行相互作用。在下列方程式中，变量C是一个恒定参数。而其他符号的含义与第一实施例的方程式(1)中的符号的含义是相同的。
dθi(t)/dt=ω+CNΣk=1NPk(t)·R(θk(t),θi(t),σ(t))]]>R(θk(t)，θi(t)，σ(t))＝sin(θk(t)-θi(t)+σ(t))σ(t)＝π+φ(t)虽然在上述方程式中将时间和相位视为连续变量，但是与第五变体中一样，在这里也可以在不连续的阶段中处理时间和/或相位。此外还可以实施第二实施例和第二变体中描述的修改，并且如第一实施例所述，在这里还可以进行更进一步的修改，其中包括修改基础的非线性振荡模型。举例来说，在这里可以使用众所周知的范德波(van derPool)方程，其中所述方程模拟的是电子电路中的非线性振荡现象。尽管可以通过提供实际显示出所模拟的振荡现象的硬件电路来将这个模型引入本发明，但是所述模型也可以通过使用常规的数值分析方法而以软件方式引入，例如朗格-库塔法。
无论节点之间的相互作用是连续发生还是在离散间隔上进行的，并且无论是将时间视为连续变量还是离散变量，在这里都可以使用范德波(van der Pool)方程以及非线性振荡或非混乱振荡的其他常规模型。并且本发明既不依赖于任何特定的振荡模型，也不依赖于表述所述模型的任何特定数学形式。
第七变体在先前实施例中，相邻节点是通过无线通信进行交互的，但是本发明并不局限于无线通信。本发明也可以在这样一个众多空间分布的节点经由电线交换数据的系统中实施。举例来说，本发明可以应用于有线局域网(LAN)、有线的服务器-客户机网络，包含传感器节点、传动器节点和控制器节点的有线网络或是混合了有线连接和无线连接的网络。
本发明还可以用作一个通信协议，以便在因特网上以不同定时而在路由器之间交换路由表。所述路由器是一个中继节点设备，它是通过选择通信路径而在网络上将信息路由到其目的地的。路由表实质上是一个在对信息进行路由的时候所要查阅的通信路径选择规则。为了实现有效通信，有必要响应于网络拓扑结构的变化、本地业务量状况等等而对路由表进行更新。因此，每一个路由器都会周期性地将路由表信息发送到网络中的其他路由器。
正如Floyd等人在1994年4月发表于IEEE/ACM Transactionson Networking第2卷第2号第122-136页的“The Synchronization ofPeriodic Routing Messages”一文所显示的那样，尽管不同的路由器是独立发射他们的路由表的，但是这些传输也往往会变得彼此同步。Floyd等人提出了一种通过将随机变化率强加于路由表传输之间的周期来避免同步的方法，这种方法也确实显示出了某些效果。然而，由于这种方法依靠的仅仅是随机性，因此，非常不理想的是，这种方法需要程度极高的随机性。
如果将本发明应用于路由表的传输，那么相邻节点可以在其间自主调整它们传送路由表的时隙，由此不同路由器是在不同时间传送路由表的。由于这些路由器有效避开了彼此的时隙，因此与Floyd等人提出的方法相比，本发明的这种方法能够实现更出色的效果，但其需要的随机性却比较低。
路由表的传输只是本发明所适用的周期性间隔上的数据传输类型的一个实例。本发明也可以用于避免所有类型的网络中的冲突或同步，无论所述网络是无线还是有线的，此外还可以将本发明用作一种通信协议，以便实现具有自适应性和稳定性的高效数据通信处理。
当所要实现的目的是避免同步时，可以在物理分离的位置对单个节点的功能组件进行处理，并且分离的功能部件可以由网络相互连接。
第八变体相邻节点也可以只通过传送数据来进行交互，而不是像第三实施例中那样发送数据脉冲信号或是在其他实施例中发送分离的数据信号和脉冲信号。在通信定时控制器12中可以通过使用第一实施例的方程式(1)以及通过产生那些与接收开端同步的内部脉冲信号来处理那些从其他节点接收的数据信号。数据信号则是在由通信定时控制器12计算得到的定时上传送的。稳定状态则是当相邻节点在相互分离的定时上开始发射数据的时候达到的。每一个数据传输都是在开始从下一个节点进行下一次传输之前结束的。有价值的数据是在稳定状态中传送的伪数据则是在通向稳定状态的过渡状态中传送的。因此伪数据有可能会发生冲突，但却可以避免丢失有价值的数据。
本领域技术人员可以了解，在本发明的范围可以进行更进一步的变化，其中本发明的范围是在附加的权利要求得到限定的。
权利要求
1.一种用作通信系统中的第一节点的节点，其中所述通信系统还包含了至少一个第二节点，所述第一节点包括信号通信单元，该单元可用于向第二节点发送一个第一状态变量信号，并且从第二节点接收一个第二状态变量信号，其中第一状态变量信号表示的是第一节点的第一操作定时，第二状态变量信号表示的是第二节点的第二操作定时；以及定时判定单元，该单元可用于在第一节点中以响应于第二状态变量信号的定时来引发一个周期性操作，以便生成第一状态变量信号，由此将第一操作定时与所述周期性操作的定时联系在一起，并且所述单元还可用于调整周期性操作的定时，以使第一操作定时和第二操作定时相互分离。
2.权利要求1的节点，其中定时判定单元是以一个基本速率引发周期性操作的，并且是通过临时改变基本速率来调整周期性操作定时。
3.权利要求2的节点，其中定时判定单元是根据一个使得第一操作定时与第二操作定时相互推斥的规则来改变基本速率的。
4.权利要求3的节点，其中定时判定单元还会随机改变基本速率。
5.权利要求2的节点，其中定时判定单元根据第一节点的处理能力来确定基本速率。
6.权利要求2的节点，其中周期性操作包括传送来自第一节点的数据，并且定时判定单元根据所要传送的数据的优先级来确定基本速率。
7.权利要求6的节点，其中定时判定单元将基本速率设定成一个值，所述值实质上等于基准值的整数倍。
8.权利要求6的节点，其中定时判定单元在优先级提高的时候提高基本速率。
9.权利要求1的节点，其中第一状态变量信号是由一个数据信号调制的，因此第一状态变量信号不但传送数据，而且还指示第一操作定时。
10.权利要求1的节点，还包括稳态判定单元，用于确定第一操作定时与第二操作定时之间是否存在一个稳态关系；以及数据通信单元，用于在所述稳态关系存在的时候在一个从第一操作定时中确定的定时上传送数据。
11.权利要求11的节点，其中第一状态变量信号具有一个由信号通信单元控制的第一传输范围，所述数据则具有由数据通信单元控制的第二传输范围，并且第一传输范围不同于第二传输范围。
12.权利要求1的节点，其中定时判定单元包括多个计算单元，每一个计算单元都产生了单独的第一状态变量信号。
13.权利要求12的节点，其中定时判定单元中的计算单元的数目取决于第一节点的处理能力。
14.权利要求12的节点，还包括一个数据通信单元，用于在从第一操作定时中确定的定时上传送来自第一节点的数据，其中定时判定单元中的计算单元的数目取决于所要传送的数据的优先级。
15.权利要求12的节点，其中计算单元产生的第一状态变量信号表示的是不同的第一操作定时。
16.权利要求12的节点，其中计算单元产生的第一状态变量信号是在不同的频段中传送的。
17.权利要求16的节点，还包括一个数据通信单元，用于在从第一操作定时中确定的定时上以及在传送第一状态变量信号的频段中传送来自第一节点的数据，其中所述第一状态变量信号表示的是第一操作定时。
18.一种通信系统，其中包含了多个在权利要求1中所述类型的节点。
19.一种用于控制网络中的第一节点和第二节点的方法，包括将来自第一节点的第一状态变量信号传送到第二节点，其中第一状态变量信号表示的是与在第一节点上执行的第一周期性操作有关的第一定时；将来自第二节点的第二状态变量信号传送到第一节点，其中第二状态变量信号表示的是与在第二节点上执行的第二周期性操作有关的第二定时；在第一节点上自主控制第一定时，以使第一定时间隔开第二定时；以及在第二节点上自主控制第二定时，以使第二定时间隔开第一定时。
20.权利要求19的方法，还包括在从第一定时中确定的一个定时上传送来自第一节点的数据；以及在从第二定时中确定的一个定时上传送来自第二节点的数据。
21.权利要求20的方法，还包括判定在第一定时和第二定时之间是否存在一个稳态关系，其中只有在存在稳态关系的时候才会从第一节点和第二节点传送所述数据。
22.权利要求19的方法，其中控制第一定时还包括确定第一周期性操作的基本速率；以及根据一个使得第一定时与第二定时相互推斥的规则来改变基本速率。
23.权利要求22的方法，其中控制第一定时还包括随机改变基本速率。
24.权利要求22的方法，其中第一操作包括从第一节点传送数据，以及确定基本速率包括将一个优先级指定给所要传送的数据，其中基本速率是从所述优先级中确定的。
25.一种机器可读的介质，其中保存了用于控制一个包含了至少第一节点和第二节点的网络中的第一节点的程序，所述程序包含了用于执行以下操作的指令从第二节点接收一个状态变量信号，该信号表示的是在第二节点上执行的周期性操作的定时；响应于从第二节点接收的状态变量信号而对第一节点上执行的周期性操作的定时进行控制，以便使得第一节点上执行的周期性操作的定时间隔开第二节点上执行的周期性操作的定时；以及将一个状态变量信号传送到第二节点，其中所述信号指示的是在第一节点上执行的周期性操作的定时。
全文摘要
本发明涉及网络中的通信节点交换那些表示节点上执行的周期性操作定时的状态变量信号。每一个节点自主控制其周期性操作定时，以使所述定时间隔开其他节点上执行的周期性操作的定时。如果所述周期性操作包含了数据传输，则这种方案能使节点避免数据冲突。节点还可以自主地适应于优先级改变这类不断变化的状况，以及节点的添加和去除。
文档编号H04W74/08GK1601951SQ20041008240
公开日2005年3月30日 申请日期2004年9月17日 优先权日2003年9月19日
发明者伊达正晃, 森田幸伯, 田中久阳 申请人:冲电气工业株式会社, 株式会社坎伯斯克雷特