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.
© Copyright 2025 ExpyDoc