2012 年度卒業論文要旨エネルギーハーベスティング無線センサネットワークにおける効率的情報収集のためのノードペア方式学修番号 09175035 前田一樹指導教員朝香卓也 1 序論近年，無線通信機能を有した小型センサノードの実現に伴い，環境情報などを収集する無線センサネットワークの研究が盛んに行われている．中でも環境発電装置を備えたセンサノードを使用したエネルギーハーベスティング無線センサネットワークが注目されている [1]．従来の無線センサネットワークにおける課題の一つである，センサノードのバッテリ切れという問題を回避できるという利点があるものの，休止状態での充電が頻繁に発生し，いつでも通信できることを前提とした従来の通信プロトコルを利用する図 1: 無線センサネットワークの概要ことができず，データの取得率や，データ収集遅延時間の問題が発生する．これらの課題を解決するため，ノードペア方式を提案する．提案方式では農業などの屋外利用を想定した環境モニタリングにおいて，近距離に配置されたセンサノードでペアを組み，類似したデータの必要性をノード自身が判断することで無駄なパケットを減らす．また，性能に限りがあり全体では同期がとれない単純なセンサノードにおいて，ペアになったノード同士でのみ簡単な同期を行い，受信待機の時ドには充電期間が必要となる．センサノードが充電，受信待機，送信の３ステップを順次繰り返すことにより，マルチホップ通信することでデータをシンクノードへと送信する．各センサノードは送信状態になった時，送信範囲内に受信待機状態のセンサノードがあればフラッディングを行い，なければふたたび充電へと戻る．送信範囲内にシンクノードが存在した場合，シンクノードへの送信のみを行う．送信完了後，センサノードは送信したデータを消去する．間をずらすことにより，同地点での受信待機時間を実質的に増やし，さらに，近距離センサノード間での通信を防ぐことでデータ収集の効率化を図る．これに 3 提案手法より従来より素早くデータを収集し取得率を向上さ提案方式では，近距離にある２つのセンサノードせ，パケットの衝突などによる送信失敗の原因になりがペアとなり協調する．ノードペアはセンサノードやすい，ネットワーク全体の無駄なトラヒックを減ら２つまでの組で発生し，３つ以上のセンサノードがす．さらに，本論文では，ノードペア方式の有効性を同一ペアになることはない．また，ペアを掛け持ち示すため，計算機によるシミュレーションによる評価することもできない．ペアになったセンサノードは，を行った．互いに不定期に自分の状態を報告する．ペアとなったノードは親機と子機に分かれる．親機のセンサノード 2 データ収集方法エネルギーハーベスティング無線センサネットワークは，データを集めてエンドユーザへ送るシンクノードと，データを収集し中継する多数のセンサノードで構成される (図 1)．センサノードは１次電池を持たず，環境発電でのみ給電を行う．環境から得られる電力は連続稼働を行うには十分とは言えず，センサノーが受信待機にあり，子機のセンサノードも受信待機になる場合には，子機のセンサノードはウエイト状態となる．ウエイト状態のセンサノードは何もせず，親機の受信待機が終わるのに合わせてふたたび受信待機に戻る．これにより，他センサノードが送信時に，実質的に同地点のノードの受信待機時間が長くなるため，データ送受信の成功確率が上昇する．また，ペアになったセンサノード同士での送受信が図 2: ウエイト状態による受信待機重複の回避例行われなくなるため，シンクノードにたどり着くまでの経路において近距離の通信が減り，比較的長距離のデータ通信が増える．これによりセンサノードからシンクノードにデータが届くまでのホップ数を減らし，シンクノードのデータ取得までの時間を短縮する．図 3: ノード 1000 個における評価加えて，子機のセンサノードは自身が取得したデータの送信を行わず，親機のセンサノードにデータを委領域の一辺を 100m とし，ペアノード間の距離は託する．近距離で取得した類似データを同一パケットで送信することにより，無駄なトラヒックを削減し取 3m 以下とする．センサノードの送信可能距離は 20m とする．充電レートは平均 10mW とし，分散 2 の一様得速度向上に寄与する．この２つのデータは近距離で分布に従う乱数で与える．送信電力，受信電力，セン発生した類似データであるため，消費電力に影響を与サノードのシステム消費電力より充電時間は約 64.16 えるデータ量の増加を伴わず，同一のデータとする． ∼96.25ms と計算できる．また，送信時間は約 3.2ms ウエイト状態の動作例を図 2 に示す．図 2 はペアとなり，受信待機時間はその 2 倍の 6.4ms と設定する．となっているセンサノード A とセンサノード B の状図 3 より，提案手法を用いた場合の方が，取得率，態遷移を時間軸に表わしたものである．センサノー取得速度が向上していることを確認した．ド A を親機，センサノード B を子機とし，2 つのセンサノードは互いに動作状況を確認し合っている．図 2 のように，センサノードは充電，受信待機，送信の 3 ステップを繰り返しているが，ここで順当に経過した場合，t=n の点でペアの受信待機状態が重複することが予期される．このような場合，子機であるセンサノード B は受信待機の代わりにウエイト状態を行う．ウエイト状態は既知である受信待機時間と送信時間を合わせただけ行われ，その後にセンサノードＢは受信待機となる．このように，受信待機はノードペア同士で被らないようウエイト状態をとる． 5 結論本論文ではエネルギーハーベスティング無線センサネットワークにおいて，効率的情報収集のためのノードペア方式の提案を行った．さらに，性能評価を行い，その有効性を示した．評価結果として，提案手法は本方式を使用しない場合に比べ，重複データ数を減らしつつ，取得率を向上させられることが分かった．今後の課題としては，ノードペアの数を 3 つ以上にした場合，ペアノード間の距離を変えた場合につ 4 シミュレーション評価いても検証する必要がある．四方にランダムにセンサノードを配置し，中央に設置されたシンクノードのデータ取得率を評価する．取得率とは，ある時刻における，シンクノードが取得したデータのうち，被りのないデータ数の全センサノード数における割合である．また，同時に重複データ数も計測する．重複データ数とは，フラッディングによる送信によって，シンクノードに届く同一データの個数であると定義する．参考文献 [1] ZA Eu, HP Tan, and WKG Seah, ”Routing and relay node placement in wireless sensor networks powered by ambient energy harvesting,” The IEEE Wireless Communivations and Networking Conference WCNC, pp.5-8, 2009.