(57)【要約】【課題】  マルチホップ無線ネットワークにおいて、将来の電力消費を考慮して効率的な通信経路の設定を行えるようにする。【解決手段】  基地局サーバ２０の経路算出手段２６は、各無線ノード１０の残存エネルギーの加重和を最大化するための目的関数を作成する。また、経路算出手段２６は、作成した目的関数が最大となるように、無線ノード１０毎に親ノード及び送信割合を決定する。また、経路算出手段２６は、決定した親ノード及び送信割合を含む経路情報を無線ノード１０毎に生成する。また、情報送信手段２７は、生成した経路情報を、基地局装置３０を介して各無線ノード１０に送信する。そして、各無線ノード１０は、受信した経路情報にもとづいて、親ノードを選択し各親ノードへの送信割合を設定することによって、通信経路を設定する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マルチホップネットワークに含まれる各ノードの通信経路を設定する通信経路設定方法であって、
前記各ノードの所定時間後の電力の消費状況を予測する電力状況予測ステップと、
前記予測した各ノードの電力の消費状況にもとづいて、ノード毎に親ノードを決定し、各親ノードに送信するデータ量の割合である送信割合を決定することによって、各ノードの通信経路を決定する経路決定ステップと、
ノード毎に、前記決定した親ノード及び送信割合に従って通信経路を設定する経路設定ステップとを含む
ことを特徴とする通信経路設定方法。
【請求項２】
電力状況予測ステップで、各ノードの所定時間後の電力の残存量を予測するための予測モデルを作成し、
経路決定ステップで、前記作成した予測モデルにもとづいて、ノード毎に親ノード及び送信割合を決定する
請求項１記載の通信経路設定方法。
【請求項３】
電力状況予測ステップで、予測モデルとして所定の目的関数を作成し、
経路決定ステップで、前記作成した目的関数が最大となるように、ノード毎に親ノード及び送信割合を決定する
請求項２記載の通信経路設定方法。
【請求項４】
電力状況予測ステップで、各ノードの所定時間後の電力の残存量の和を最大化するための目的関数を作成し、
経路決定ステップで、前記作成した目的関数が最大となるように、ノード毎に親ノード及び送信割合を決定する
請求項３記載の通信経路設定方法。
【請求項５】
電力状況予測ステップで、ノード毎に所定の重み付けを行い、各ノードの所定時間後の電力の残存量の加重和を最大化するための目的関数を作成し、
経路決定ステップで、前記作成した目的関数が最大となるように、ノード毎に親ノード及び送信割合を決定する
請求項３記載の通信経路設定方法。
【請求項６】
電力状況予測ステップで、現在の電力の残存量が小さくなるに従って重みが大きくなるように、各ノードの重み付けを行う請求項５記載の通信経路設定方法。
【請求項７】
電力状況予測ステップで、
各ノードの現在の電力の残存量及び所定単位あたりの消費電力量を用いて、各ノードの所定時間後の電力の残存量の予測値を求め、
前記求めた各ノードの所定時間後の電力の残存量の予測値を用いて、目的関数として送信割合を変数とする線形関数を作成する
請求項３から請求項６のうちのいずれか１項に記載の通信経路設定方法。
【請求項８】
経路決定ステップで、
線形関数である目的関数に含まれる各送信割合に対応する係数のうち、値が最小となる係数を選択し、
前記選択した係数に対応するノードを、処理対象のノードの親ノードとして決定する
請求項７記載の通信経路設定方法。
【請求項９】
経路決定ステップで、線形関数である目的関数に含まれる各送信割合の係数のうち、値が最小となる係数に対応する送信割合を１に決定し、値が最小となる係数以外の係数に対応する送信割合を０に決定する請求項７又は請求項８記載の通信経路設定方法。
【請求項１０】
経路決定ステップで、線形関数である目的関数に含まれる各送信割合の係数のうち値が最小となる係数が複数ある場合、前記値が最小となる係数に対応する各送信割合の値が均等になるように、前記各送信割合を決定する請求項９記載の通信経路設定方法。
【請求項１１】
所定の条件に従って各ノードに予め順位を付与する順位付与ステップと、
処理対象のノードよりも順位が上であるノードを、処理対象のノードの親ノードの候補として選択する候補選択ステップとを含み、
電力状況予測ステップで、前記候補として選択したノードにもとづいて目的関数を作成する
請求項７から請求項１０のうちのいずれか１項に記載の通信経路設定方法。
【請求項１２】
順位付与ステップで、通信エラーが発生する確率が小さい順に、各ノードに順位を付与する請求項１１記載の通信経路設定方法。
【請求項１３】
処理対象のノードの親ノード及び送信割合を決定すると、決定した送信割合にもとづいて、処理対象のノードに対応する目的関数と、各ノードの所定時間後の電力の残存量の予測値とを更新し、
処理対象のノードの次の順位のノードを、新たな処理対象のノードとして選択し、
前記更新した目的関数及び各ノードの所定時間後の電力の残存量の予測値を用いて、前記選択した新たな処理対象のノードに対応する目的関数を作成し、
前記作成した目的関数にもとづいて、新たな処理対象のノードの親ノード及び送信割合を決定する
請求項１１又は請求項１２記載の通信経路設定方法。
【請求項１４】
経路決定ステップで、線形計画法を用いて、電力状況予測ステップで作成した目的関数が最大となるように、ノード毎に親ノード及び送信割合を決定する請求項３から請求項１３のうちのいずれか１項に記載の通信経路設定方法。
【請求項１５】
各ノードは、無線信号を送受信する無線ノードである請求項１から請求項１４のうちのいずれか１項に記載の通信経路設定方法。
【請求項１６】
マルチホップネットワークに含まれる各ノードの通信経路を決定する通信経路決定装置であって、
前記各ノードの所定時間後の電力の消費状況を予測する電力状況予測手段と、
前記電力状況予測手段が予測した各ノードの電力の消費状況にもとづいて、各ノードの通信経路を決定する経路決定手段とを備え、
前記経路決定手段は、ノード毎に親ノードを決定し、各親ノードに送信するデータ量の割合である送信割合を決定することによって、各ノードの通信経路を決定する
ことを特徴とする通信経路決定装置。
【請求項１７】
経路決定手段が決定した通信経路を示す経路情報を生成する経路情報生成手段と、
前記経路情報生成手段が生成した経路情報を各ノードに送信する経路情報送信手段とを備えた
請求項１６記載の通信経路決定装置。
【請求項１８】
電力状況予測手段は、各ノードの所定時間後の電力の残存量を予測するための予測モデルを作成し、
経路決定手段は、前記電力状況予測手段が作成した予測モデルにもとづいて、ノード毎に親ノード及び送信割合を決定する
請求項１６又は請求項１７記載の通信経路決定装置。
【請求項１９】
電力状況予測手段は、予測モデルとして所定の目的関数を作成し、
経路決定手段は、前記電力状況予測手段が作成した目的関数が最大となるように、ノード毎に親ノード及び送信割合を決定する
請求項１６から請求項１８のうちのいずれか１項に記載の通信経路決定装置。
【請求項２０】
電力状況予測手段は、各ノードの所定時間後の電力の残存量の和を最大化するための目的関数を作成し、
経路決定手段は、前記電力状況予測手段が作成した目的関数が最大となるように、ノード毎に親ノード及び送信割合を決定する
請求項１９記載の通信経路決定装置。
【請求項２１】
電力状況予測手段は、ノード毎に所定の重み付けを行い、各ノードの所定時間後の電力の残存量の加重和を最大化するための目的関数を作成し、
経路決定手段は、前記電力状況予測手段が作成した目的関数が最大となるように、ノード毎に親ノード及び送信割合を決定する
請求項１９記載の通信経路決定装置。
【請求項２２】
電力状況予測手段は、現在の電力の残存量が小さくなるに従って重みが大きくなるように、各ノードの重み付けを行う請求項２１記載の通信経路決定装置。
【請求項２３】
電力状況予測手段は、
各ノードの現在の電力の残存量及び所定単位あたりの消費電力量を用いて、各ノードの所定時間後の電力の残存量の予測値を求め、
前記求めた各ノードの所定時間後の電力の残存量の予測値を用いて、目的関数として送信割合を変数とする線形関数を作成する
請求項１９から請求項２２のうちのいずれか１項に記載の通信経路決定装置。
【請求項２４】
経路決定手段は、
線形関数である目的関数に含まれる各送信割合に対応する係数のうち、値が最小となる係数を選択し、
前記選択した係数に対応するノードを、処理対象のノードの親ノードとして決定する
請求項２３記載の通信経路決定装置。
【請求項２５】
経路決定手段は、線形関数である目的関数に含まれる各送信割合の係数のうち、値が最小となる係数に対応する送信割合を１に決定し、値が最小となる係数以外の係数に対応する送信割合を０に決定する請求項２３又は請求項２４記載の通信経路決定装置。
【請求項２６】
経路決定手段は、線形関数である目的関数に含まれる各送信割合の係数のうち値が最小となる係数が複数ある場合、前記値が最小となる係数に対応する各送信割合の値が均等になるように、前記各送信割合を決定する請求項２５記載の通信経路決定装置。
【請求項２７】
所定の条件に従って各ノードに予め順位を付与する順位付与手段と、
処理対象のノードよりも順位が上であるノードを、処理対象のノードの親ノードの候補として選択する候補選択手段とを備え、
電力状況予測手段は、前記候補選択手段が候補として選択したノードにもとづいて目的関数を作成する
請求項２３から請求項２６のうちのいずれか１項に記載の通信経路決定装置。
【請求項２８】
順位付与手段は、通信エラーが発生する確率が小さい順に、各ノードに順位を付与する請求項２７記載の通信経路決定装置。
【請求項２９】
処理対象のノードの親ノード及び送信割合を決定すると、決定した送信割合にもとづいて、処理対象のノードに対応する目的関数と、各ノードの所定時間後の電力の残存量の予測値とを更新し、
処理対象のノードの次の順位のノードを、新たな処理対象のノードとして選択し、
前記更新した目的関数及び各ノードの所定時間後の電力の残存量の予測値を用いて、前記選択した新たな処理対象のノードに対応する目的関数を作成し、
前記作成した目的関数にもとづいて、新たな処理対象のノードの親ノード及び送信割合を決定する
請求項２７又は請求項２８記載の通信経路決定装置。
【請求項３０】
経路決定手段は、線形計画法を用いて、電力状況予測手段が作成した目的関数が最大となるように、ノード毎に親ノード及び送信割合を決定する請求項１９から請求項２９のうちのいずれか１項に記載の通信経路決定装置。
【請求項３１】
ノードとして、無線信号を送受信する無線ノードの通信経路を決定する請求項１６から請求項３０のうちのいずれか１項に記載の通信経路決定装置。
【請求項３２】
マルチホップネットワークに含まれるノードであって、
ノードの通信経路を決定する通信経路決定装置から、親ノードと各親ノードに送信するデータ量の割合である送信割合とを含む経路情報を受信する経路情報受信手段と、
前記経路情報受信手段が受信した経路情報に示される親ノード及び送信割合にもとづいて、通信経路を設定する経路設定手段とを備えた
ことを特徴とするノード。
【請求項３３】
通信エラーが発生する確率である通信エラー確率を測定するエラー確率測定手段と、
現在の電力の残存量を測定する電力残存量測定手段と、
前記エラー確率測定手段が測定した通信エラー確率、及び前記電力残存量測定手段が測定した電力の残存量を、通信経路決定装置に送信する送信手段とを備えた
請求項３２記載のノード。
【請求項３４】
マルチホップネットワークを用いた通信システムであって、
複数のノードと、
前記各ノードの通信経路を決定する通信経路決定装置とを備え、
前記通信経路決定装置は、
前記各ノードの所定時間後の電力の消費状況を予測する電力状況予測手段と、
前記電力状況予測手段が予測した各ノードの電力の消費状況にもとづいて、各ノードの通信経路を決定する経路決定手段とを含み、
前記経路決定手段は、ノード毎に親ノードを決定し、各親ノードに送信するデータ量の割合である送信割合を決定することによって、各ノードの通信経路を決定する
ことを特徴とする通信システム。
【請求項３５】
通信経路決定装置は、
経路決定手段が決定した通信経路を示す経路情報を生成する経路情報生成手段と、
前記経路情報生成手段が生成した経路情報を各ノードに送信する経路情報送信手段とを含み、
各ノードは、前記通信経路決定装置から受信した経路情報にもとづいて、通信経路を設定する
請求項３４記載の通信システム。
【請求項３６】
電力状況予測手段は、所定の目的関数を作成し、
経路決定手段は、前記電力状況予測手段が作成した目的関数が最大となるように、ノード毎に親ノード及び送信割合を決定する
請求項３４又は請求項３５記載の通信システム。
【請求項３７】
マルチホップネットワークに含まれる各ノードの通信経路を決定するための通信経路決定プログラムであって、
コンピュータに、
前記各ノードの所定時間後の電力の消費状況を予測する電力状況予測処理と、
前記予測した各ノードの電力の消費状況にもとづいて、ノード毎に親ノードを決定し、各親ノードに送信するデータ量の割合である送信割合を決定することによって、各ノードの通信経路を決定する経路決定処理と、
前記決定した通信経路を示す経路情報を生成する経路情報生成処理と、
前記生成した経路情報を各ノードに送信する経路情報送信処理とを
実行させるための通信経路決定プログラム。
【請求項３８】
コンピュータに、
電力状況予測処理で、所定の目的関数を作成する処理と、
経路決定処理で、前記電力状況予測処理で作成した目的関数が最大となるように、ノード毎に親ノード及び送信割合を決定する処理とを実行させる
請求項３７記載の通信経路決定プログラム。
【請求項３９】
コンピュータに、
所定の条件に従って各ノードに予め順位を付与する順位付与処理と、
処理対象のノードよりも順位が上であるノードを、処理対象のノードの親ノードの候補として選択する候補選択処理と、
電力状況予測処理で、前記候補として選択したノードにもとづいて目的関数を作成する処理とを実行させる
請求項３８記載の通信経路決定プログラム。
【請求項４０】
コンピュータに、
順位付与処理で、通信エラーが発生する確率が小さい順に、各ノードに順位を付与する処理を実行させる
請求項３９記載の通信経路決定プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マルチホップネットワークにおいて、各ノードの通信経路を設定する通信経路設定方法、通信経路決定装置及び通信経路決定プログラムに関する。また、本発明は、通信経路決定装置を用いた通信システムに関する。また、本発明は、マルチホップネットワークに含まれるノードに関する。
【背景技術】
【０００２】
無線通信技術の進歩に伴い、センサネットワークに代表されるマルチホップ無線ネットワークの利用が増えている。このマルチホップ無線ネットワークは、無線信号を送受信する複数の無線装置（以下、ノードという）を含む。また、マルチホップ無線ネットワークでは、各ノードが電源として電池を使用している。
【０００３】
マルチホップ無線ネットワークにおいて、ノードが備える電池が切れると、そのノードの電池を交換したり充電したりしなければならない。しかし、ノードが遠隔地にある場合や作業性の悪い場所にある場合等の地理的環境の条件によって、電池の交換や充電を容易に行えないことがある。そのため、ノードの電池を交換したり充電したりするための作業負担が大きくコストがかかる。
【０００４】
また、各ノードの電力消費は、主として信号の送受信に伴うものが大きい。マルチホップ無線ネットワークでは、各ノードは、そのノード自身が扱う情報を発信するだけでなく、他のノードからの情報を中継しなければならない。そのため、マルチホップ無線ネットワーク内の送信経路の設定の仕方によって、各ノードが中継しなければならない情報量が異なり、各ノードの送受信負荷が異なることになる。また、各ノードの送受信負荷が異なると各ノードの電力消費量が異なるので、各ノードの電池を均等に長持ちさせることができない。
【０００５】
更に、地理的条件（例えば、ノードがある場所）等の複雑な要因によって、ノード間で通信を行う場合の無線条件（例えば、通信エラーや通信距離）が不均一となることが多い。例えば、センサネットワークでは、各ノード（センサノード）が一般に不均一な位置に配置されるので、ノード間で通信を行う場合の無線条件が不均一となる。無線条件が良くない場合（例えば、通信距離が長い場合）、ノード間で通信を行う場合の送信エラーが大きくなる可能性がある。この場合、送信エラーが発生すると、ノードは、信号を送信先のノードに再送しなければならない。従って、無線条件が悪いと、送受信ノードにおいて再送に伴う送受信の負担が増加し、電力消費が増加する。
【０００６】
一方、良い無線条件で情報を送受信するために、近距離にあるノードを中継ノードとして選択し情報送信することが考えれる。しかし、近距離にあるノードを中継ノードとして選択していくと、送信元のノードから基地局までのホップ数が増加することになる。そのため、中継のホップ数の増加に伴い、各ノードの中継負担が増加し電力消費が増加してしまう。そこで、各ノードの電池を長持ちさせるため、各ノードの電力消費（信号の送受信や中継による消費）が均等になるように、バランスよく送信経路設定を行えるようにすることが望ましい。
【０００７】
マルチホップ無線ネットワークの経路設定を行うシステムとして、例えば、特許文献１には、各無線制御局の通信チャネルの使用状態に応じて通信経路を設定できるマルチホップ通信システムが記載されている。また、例えば、特許文献２には、経路を設定する際に端末の残余電力を考慮し、残余電力の多い端末を優先的に中継する経路を構築できる無線通信システムが記載されている。
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−２５４２３７号公報（段落００３３−００３６、図１−３）
【特許文献２】特開２００４−２６０４６５号公報（段落００３５−００４０、図２−４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
一般に、マルチホップ無線ネットワークにおいて、設定しうる通信経路の数は膨大である。例えば、無線ノード数をｎとし基地局数を１とした場合、ノードからの送信先（親ノード）がそれぞれ唯一１つのノードに定まる（各ノードがそれぞれ親ノードを１つだけもつ）とすると、通信経路の数は最大でｎｎ通りになる。また、各ノードからの送信先ノードが複数存在し、各送信先ノードへの振り分け割合も異なるとすると、更に多くの設定可能な通信経路が存在する。従って、設定しうる全ての通信経路について電力消費の状況を求め、それらの通信経路の中から最適な通信経路を選択して設定することは難しい。すなわち、設定しうる全ての通信経路について電力消費の状況を求める処理を行うと、処理負担が大きくコストがかかる。
【００１０】
特許文献１に記載されたマルチホップ通信システムによれば、通信チャネルの使用状況にもとづいて通信可能なノードを選択して経路設定を行うことができる。また、複数の中継局候補が存在する場合、送信電力の情報にもとづいて適切な中継局を選択することができる。しかし、マルチホップ通信システムの各ノードの電力消費を考慮して経路設定を行うことはできない。
【００１１】
また、特許文献２に記載された無線通信システムをマルチホップ通信システムに用いれば、各ノードの現在の残余電力を考慮して経路設定を行うことができる。しかし、各ノードの将来の電力消費の状況を予測して経路設定を行うことはできない。そのため、特許文献２に記載された無線通信システムを用いたとしても、適切に経路設定を行えないことがある。例えば、ノード間に通信エラー率や通信距離など通信条件の差がある場合には、現在の電力消費の状況だけを考慮するだけでは適切な経路設定を行えないことがある。
【００１２】
そこで、本発明は、マルチホップネットワークにおいて、将来の電力消費を考慮して効率的な通信経路の設定を行える通信経路設定方法、通信経路決定装置、ノード、通信システム及び通信経路決定プログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明による通信経路設定方法は、マルチホップネットワークに含まれる各ノードの通信経路を設定する通信経路設定方法であって、各ノードの所定時間後の電力の消費状況を予測する電力状況予測ステップと、予測した各ノードの電力の消費状況にもとづいて、ノード毎に親ノードを決定し、各親ノードに送信するデータ量の割合である送信割合を決定することによって、各ノードの通信経路を決定する経路決定ステップと、ノード毎に、決定した親ノード及び送信割合に従って通信経路を設定する経路設定ステップとを含むことを特徴とする。
【００１４】
また、通信経路設定方法は、電力状況予測ステップで、各ノードの所定時間後の電力の残存量を予測するための予測モデル（例えば、目的関数）を作成し、経路決定ステップで、作成した予測モデルにもとづいて、ノード毎に親ノード及び送信割合を決定するものであってもよい。そのような構成によれば、所定の予測モデルにもとづいて容易に各ノードの電力の残存量を予測し、経路を決定することができる。
【００１５】
また、通信経路設定方法は、電力状況予測ステップで、予測モデルとして所定の目的関数を作成し、経路決定ステップで、作成した目的関数が最大となるように、ノード毎に親ノード及び送信割合を決定するものであってもよい。そのような構成によれば、所定の目的関数を用いて、容易に各ノードの所定時間後の電力の残存量を予測することができる。
【００１６】
また、通信経路設定方法は、電力状況予測ステップで、各ノードの所定時間後の電力の残存量の和を最大化するための目的関数を作成し、経路決定ステップで、作成した目的関数が最大となるように、ノード毎に親ノード及び送信割合を決定するものであってもよい。そのような構成によれば、各ノードの所定時間後の電力の残存量の和が最大になるようにすることによって、各ノードの電力消費を考慮して効率的に経路決定を行うことができる。
【００１７】
また、通信経路設定方法は、電力状況予測ステップで、ノード毎に所定の重み付けを行い、各ノードの所定時間後の電力の残存量の加重和を最大化するための目的関数を作成し、経路決定ステップで、作成した目的関数が最大となるように、ノード毎に親ノード及び送信割合を決定するものであってもよい。そのような構成によれば、所定の重要要素（例えば、電力の残存量や電池取り替えコスト）に従って、いずれかのノードを優先的に考慮して通信経路を決定することができる。
【００１８】
また、通信経路設定方法は、電力状況予測ステップで、現在の電力の残存量が小さくなるに従って重みが大きくなるように、各ノードの重み付けを行うものであってもよい。そのような構成によれば、電池の残存量が少ないノードを優先考慮して、通信経路を決定することができる。
【００１９】
また、通信経路設定方法は、電力状況予測ステップで、各ノードの現在の電力の残存量及び所定単位あたりの消費電力量を用いて、各ノードの所定時間後の電力の残存量の予測値を求め、求めた各ノードの所定時間後の電力の残存量の予測値を用いて、目的関数として送信割合を変数とする線形関数を作成するものであってもよい。そのような構成によれば、各ノードの現在の電力の残存量及び所定単位あたりの消費電力量を用いて、容易に目的関数を作成することができる。また、目的関数として線形関数を作成することによって、線形計画問題として容易に親ノード及び送信割合を求めることができる。
【００２０】
また、通信経路設定方法は、経路決定ステップで、線形関数である目的関数に含まれる各送信割合に対応する係数のうち、値が最小となる係数を選択し、選択した係数に対応するノードを、処理対象のノードの親ノードとして決定するものであってもよい。
【００２１】
また、通信経路設定方法は、経路決定ステップで、線形関数である目的関数に含まれる各送信割合の係数のうち、値が最小となる係数に対応する送信割合を１に決定し、値が最小となる係数以外の係数に対応する送信割合を０に決定するものであってもよい。そのような構成によれば、簡易な計算方法で各ノードの親ノード及び送信割合を決定することができ、各ノードの通信経路を容易に決定することができる。
【００２２】
また、通信経路設定方法は、経路決定ステップで、線形関数である目的関数に含まれる各送信割合の係数のうち値が最小となる係数が複数ある場合、値が最小となる係数に対応する各送信割合の値が均等になるように、各送信割合を決定するものであってもよい。そのような構成によれば、ノードに対する親ノードを複数決定する場合であっても、各親ノードへの送信割合をバランスよく決定することができ、マルチホップ無線ネットワーク全体での電力消費を考慮した効率的な通信経路を決定することができる。
【００２３】
また、通信経路設定方法は、所定の条件に従って各ノードに予め順位を付与する順位付与ステップと、処理対象のノードよりも順位が上であるノードを、処理対象のノードの親ノードの候補として選択する候補選択ステップとを含み、電力状況予測ステップで、候補として選択したノードにもとづいて目的関数を作成するものであってもよい。そのような構成によれば、所定の条件に合致するノードだけを選択し処理を行うことができ、親ノード及び送信割合を決定する際の処理負担を軽減することができる。
【００２４】
また、通信経路設定方法は、順位付与ステップで、通信エラーが発生する確率が小さい順に、各ノードに順位を付与するものであってもよい。そのような構成によれば、通信エラーが発生する確率が小さいノードだけを選択し処理を行うことができ、親ノード及び送信割合を決定する際の処理負担を軽減することができる。
【００２５】
また、通信経路設定方法は、処理対象のノードの親ノード及び送信割合を決定すると、決定した送信割合にもとづいて、処理対象のノードに対応する目的関数と、各ノードの所定時間後の電力の残存量の予測値とを更新し、処理対象のノードの次の順位のノードを、新たな処理対象のノードとして選択し、更新した目的関数及び各ノードの所定時間後の電力の残存量の予測値を用いて、選択した新たな処理対象のノードに対応する目的関数を作成し、作成した目的関数にもとづいて、新たな処理対象のノードの親ノード及び送信割合を決定するものであってもよい。そのような構成によれば、部分最適化問題解決手段を用いて、各ノードの通信経路を逐次的に決定できる。従って、部分最適化問題解決手段を用いることによって、簡易な方法で通信経路決定装置を実現することができる。また、部分最適化問題解決手段を用いて効率的に経路決定を行えるので、経路決定における処理負担や計算コストを軽減することができる。
【００２６】
また、通信経路設定方法は、経路決定ステップで、線形計画法を用いて、電力状況予測ステップで作成した目的関数が最大となるように、ノード毎に親ノード及び送信割合を決定するものであってもよい。そのような構成によれば、線形計画法を用いて容易に各ノードの親ノード及び送信割合を決定することができる。
【００２７】
また、通信経路設定方法は、各ノードは、無線信号を送受信する無線ノードであるものであってもよい。
【００２８】
本発明による通信経路決定装置は、マルチホップネットワークに含まれる各ノードの通信経路を決定する通信経路決定装置（例えば、基地局サーバ２０）であって、各ノードの所定時間後の電力の消費状況を予測する電力状況予測手段（例えば、経路算出手段２６によって実現される）と、電力状況予測手段が予測した各ノードの電力の消費状況にもとづいて、各ノードの通信経路を決定する経路決定手段（例えば、経路算出手段２６によって実現される）とを備え、経路決定手段は、ノード毎に親ノードを決定し、各親ノードに送信するデータ量の割合である送信割合を決定することによって、各ノードの通信経路を決定することを特徴とする。
【００２９】
また、通信経路決定装置は、経路決定手段が決定した通信経路を示す経路情報を生成する経路情報生成手段（例えば、経路算出手段２６によって実現される）と、経路情報生成手段が生成した経路情報を各ノードに送信する経路情報送信手段（例えば、情報送信手段２７によって実現される）とを備えたものであってもよい。そのような構成によれば、通信経路決定装置は、経路情報を各ノードに送信することによって、各ノードに経路設定を指示することができる。
【００３０】
また、通信経路決定装置において、電力状況予測手段は、各ノードの所定時間後の電力の残存量を予測するための予測モデルを作成し、経路決定手段は、電力状況予測手段が作成した予測モデルにもとづいて、ノード毎に親ノード及び送信割合を決定するものであってもよい。そのような構成によれば、所定の予測モデルにもとづいて容易に各ノードの電力の残存量を予測し、経路を決定することができる。
【００３１】
また、通信経路決定装置において、電力状況予測手段は、予測モデルとして所定の目的関数を作成し、経路決定手段は、電力状況予測手段が作成した目的関数が最大となるように、ノード毎に親ノード及び送信割合を決定するものであってもよい。そのような構成によれば、所定の目的関数を用いて、容易に各ノードの所定時間後の電力の残存量を予測することができる。
【００３２】
また、通信経路決定装置において、電力状況予測手段は、各ノードの所定時間後の電力の残存量の和を最大化するための目的関数を作成し、経路決定手段は、電力状況予測手段が作成した目的関数が最大となるように、ノード毎に親ノード及び送信割合を決定するものであってもよい。そのような構成によれば、各ノードの所定時間後の電力の残存量の和が最大になるようにすることによって、各ノードの電力消費を考慮して効率的に経路決定を行うことができる。
【００３３】
また、通信経路決定装置において、電力状況予測手段は、ノード毎に所定の重み付けを行い、各ノードの所定時間後の電力の残存量の加重和を最大化するための目的関数を作成し、経路決定手段は、電力状況予測手段が作成した目的関数が最大となるように、ノード毎に親ノード及び送信割合を決定するものであってもよい。そのような構成によれば、所定の重要要素（例えば、電力の残存量や電池取り替えコスト）に従って、いずれかのノードを優先的に考慮して通信経路を決定することができる。
【００３４】
また、通信経路決定装置において、電力状況予測手段は、現在の電力の残存量が小さくなるに従って重みが大きくなるように、各ノードの重み付けを行うものであってもよい。そのような構成によれば、電池の残存量が少ないノードを優先考慮して、通信経路を決定することができる。
【００３５】
また、通信経路決定装置において、電力状況予測手段は、各ノードの現在の電力の残存量及び所定単位あたりの消費電力量を用いて、各ノードの所定時間後の電力の残存量の予測値を求め、求めた各ノードの所定時間後の電力の残存量の予測値を用いて、目的関数として送信割合を変数とする線形関数を作成するものであってもよい。そのような構成によれば、各ノードの現在の電力の残存量及び所定単位あたりの消費電力量を用いて、容易に目的関数を作成することができる。また、目的関数として線形関数を作成することによって、線形計画問題として容易に親ノード及び送信割合を求めることができる。
【００３６】
また、通信経路決定装置において、経路決定手段は、線形関数である目的関数に含まれる各送信割合に対応する係数のうち、値が最小となる係数を選択し、選択した係数に対応するノードを、処理対象のノードの親ノードとして決定するものであってもよい。
【００３７】
また、通信経路決定装置において、経路決定手段は、線形関数である目的関数に含まれる各送信割合の係数のうち、値が最小となる係数に対応する送信割合を１に決定し、値が最小となる係数以外の係数に対応する送信割合を０に決定するものであってもよい。そのような構成によれば、簡易な計算方法で各ノードの親ノード及び送信割合を決定することができ、各ノードの通信経路を容易に決定することができる。
【００３８】
また、通信経路決定装置において、経路決定手段は、線形関数である目的関数に含まれる各送信割合の係数のうち値が最小となる係数が複数ある場合、値が最小となる係数に対応する各送信割合の値が均等になるように、各送信割合を決定するものであってもよい。そのような構成によれば、ノードに対する親ノードを複数決定する場合であっても、各親ノードへの送信割合をバランスよく決定することができ、マルチホップ無線ネットワーク全体での電力消費を考慮した効率的な通信経路を決定することができる。
【００３９】
また、通信経路決定装置において、所定の条件に従って各ノードに予め順位を付与する順位付与手段と、処理対象のノードよりも順位が上であるノードを、処理対象のノードの親ノードの候補として選択する候補選択手段とを備え、電力状況予測手段は、候補選択手段が候補として選択したノードにもとづいて目的関数を作成するものであってもよい。そのような構成によれば、所定の条件に合致するノードだけを選択し処理を行うことができ、親ノード及び送信割合を決定する際の処理負担を軽減することができる。
【００４０】
また、通信経路決定装置において、順位付与手段は、通信エラーが発生する確率が小さい順に、各ノードに順位を付与するものであってもよい。そのような構成によれば、通信エラーが発生する確率が小さいノードだけを選択し処理を行うことができ、親ノード及び送信割合を決定する際の処理負担を軽減することができる。
【００４１】
また、通信経路決定装置は、処理対象のノードの親ノード及び送信割合を決定すると、決定した送信割合にもとづいて、処理対象のノードに対応する目的関数と、各ノードの所定時間後の電力の残存量の予測値とを更新し、処理対象のノードの次の順位のノードを、新たな処理対象のノードとして選択し、更新した目的関数及び各ノードの所定時間後の電力の残存量の予測値を用いて、選択した新たな処理対象のノードに対応する目的関数を作成し、作成した目的関数にもとづいて、新たな処理対象のノードの親ノード及び送信割合を決定するものであってもよい。そのような構成によれば、部分最適化問題解決手段を用いて、各ノードの通信経路を逐次的に決定できる。従って、部分最適化問題解決手段を用いることによって、簡易な方法で通信経路決定装置を実現することができる。また、部分最適化問題解決手段を用いて効率的に経路決定を行えるので、経路決定における処理負担や計算コストを軽減することができる。
【００４２】
また、通信経路決定装置において、経路決定手段は、線形計画法を用いて、電力状況予測手段が作成した目的関数が最大となるように、ノード毎に親ノード及び送信割合を決定するものであってもよい。そのような構成によれば、線形計画法を用いて容易に各ノードの親ノード及び送信割合を決定することができる。
【００４３】
また、通信経路決定装置は、ノードとして、無線信号を送受信する無線ノードの通信経路を決定するものであってもよい。
【００４４】
本発明によるノードは、マルチホップネットワークに含まれるノード（例えば、無線ノード１０）であって、ノードの通信経路を決定する通信経路決定装置から、親ノードと各親ノードに送信するデータ量の割合である送信割合とを含む経路情報を受信する経路情報受信手段（例えば、送受信部１９によって実現される）と、経路情報受信手段が受信した経路情報に示される親ノード及び送信割合にもとづいて、通信経路を設定する経路設定手段とを備えたことを特徴とする。
【００４５】
また、ノードは、通信エラーが発生する確率である通信エラー確率を測定するエラー確率測定手段と、現在の電力の残存量を測定する電力残存量測定手段と、エラー確率測定手段が測定した通信エラー確率、及び電力残存量測定手段が測定した電力の残存量を、通信経路決定装置に送信する送信手段とを備えたものであってもよい。
【００４６】
本発明による通信システムは、マルチホップネットワークを用いた通信システムであって、複数のノードと、各ノードの通信経路を決定する通信経路決定装置とを備え、通信経路決定装置は、各ノードの所定時間後の電力の消費状況を予測する電力状況予測手段と、電力状況予測手段が予測した各ノードの電力の消費状況にもとづいて、各ノードの通信経路を決定する経路決定手段とを含み、経路決定手段は、ノード毎に親ノードを決定し、各親ノードに送信するデータ量の割合である送信割合を決定することによって、各ノードの通信経路を決定することを特徴とする。
【００４７】
また、通信システムにおいて、通信経路決定装置は、経路決定手段が決定した通信経路を示す経路情報を生成する経路情報生成手段と、経路情報生成手段が生成した経路情報を各ノードに送信する経路情報送信手段とを含み、各ノードは、通信経路決定装置から受信した経路情報にもとづいて、通信経路を設定するものであってもよい。そのような構成によれば、各ノードは、通信経路決定装置から受信した経路情報にもとづいて、容易に経路設定を行うことができる。
【００４８】
また、通信システムにおいて、電力状況予測手段は、所定の目的関数を作成し、経路決定手段は、電力状況予測手段が作成した目的関数が最大となるように、ノード毎に親ノード及び送信割合を決定するものであってもよい。そのような構成によれば、所定の目的関数を用いて、容易に各ノードの所定時間後の電力の残存量を予測することができる。
【００４９】
本発明による通信経路決定プログラムは、マルチホップネットワークに含まれる各ノードの通信経路を決定するための通信経路決定プログラムであって、コンピュータに、各ノードの所定時間後の電力の消費状況を予測する電力状況予測処理と、予測した各ノードの電力の消費状況にもとづいて、ノード毎に親ノードを決定し、各親ノードに送信するデータ量の割合である送信割合を決定することによって、各ノードの通信経路を決定する経路決定処理と、決定した通信経路を示す経路情報を生成する経路情報生成処理と、生成した経路情報を各ノードに送信する経路情報送信処理とを実行させることを特徴とする。
【００５０】
また、通信経路決定プログラムは、コンピュータに、電力状況予測処理で、所定の目的関数を作成する処理と、経路決定処理で、電力状況予測処理で作成した目的関数が最大となるように、ノード毎に親ノード及び送信割合を決定する処理とを実行させるものであってもよい。そのような構成によれば、所定の目的関数を用いて、容易に各ノードの所定時間後の電力の残存量を予測することができる。
【００５１】
また、通信経路決定プログラムは、コンピュータに、所定の条件に従って各ノードに予め順位を付与する順位付与処理と、処理対象のノードよりも順位が上であるノードを、処理対象のノードの親ノードの候補として選択する候補選択処理と、電力状況予測処理で、候補として選択したノードにもとづいて目的関数を作成する処理とを実行させるものであってもよい。そのような構成によれば、所定の条件に合致するノードだけを選択し処理を行うことができ、親ノード及び送信割合を決定する際の処理負担を軽減することができる。
【００５２】
また、通信経路決定プログラムは、コンピュータに、順位付与処理で、通信エラーが発生する確率が小さい順に、各ノードに順位を付与する処理を実行させるものであってもよい。そのような構成によれば、通信エラーが発生する確率が小さいノードだけを選択し処理を行うことができ、親ノード及び送信割合を決定する際の処理負担を軽減することができる。
【発明の効果】
【００５３】
本発明によれば、マルチホップネットワークにおいて、各ノードの所定時間後の電力消費の状況を考慮して、親ノード及び各親ノードへの送信割合を決定する。従って、マルチホップネットワークにおいて、将来の電力消費を考慮して効率的な通信経路の設定を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５４】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明による通信経路決定装置を用いたマルチホップ無線ネットワークの構成の一例を示すブロック図である。図１に示すように、マルチホップ無線ネットワークは、無線基地局１と、複数の無線ノード１０とを含む。また、図１に示すように、無線基地局１は、基地局サーバ２０と基地局装置３０とを含む。なお、本実施の形態において、通信経路決定装置は、基地局サーバ２０によって実現される。
【００５５】
本実施の形態では、マルチホップ無線ネットワークとして、任意に配置した複数の小型センサを含むセンサネットワークに、通信経路決定装置を用いる場合を説明する。例えば、通信経路決定装置は、センサネットワークとして、複数の防犯センサを含む防犯監視システムに用いられる。また、例えば、通信経路決定装置は、センサネットワークとして、複数の温度センサや湿度センサを含む環境モニタリングシステムや、倉庫の貯蔵環境を監視するシステムに用いられる。
【００５６】
また、本実施の形態では、通信経路決定装置は、送受信されるデータのトラフィックがある程度予測できるセンサネットワークに適用される。例えば、通信経路決定装置は、各センサから所定時間毎にデータを収集するセンサネットワークに適用される。また、本実施の形態では、通信経路決定装置は、センサネットワークの通信帯域を圧迫しない程度の通信量（通信帯域の許容範囲内の通信量）のシステムに適用される。
【００５７】
本実施の形態では、各無線ノード１０は、防犯センサや温度センサ、湿度センサ等の各種センサを備える。各無線ノード１０は、センサを用いて各種検出データを採取し、採取した検出データを無線基地局に送る。この場合、各無線ノード１０は、無線基地局までの通信条件が良い場合（通信距離が短い場合や通信エラー確率が小さい場合）、検出データを無線信号として直接無線基地局に送信する。また、各無線ノード１０は、無線基地局までの通信条件が良くない場合（通信距離が長い場合や通信エラー確率が大きい場合）、自分以外の無線ノード１０を中継ノードとして選択し、選択した中継ノードを介して検出データを無線基地局に送信する。
【００５８】
無線基地局は、各無線ノード１０から各種検出データを受信し収集する。そして、無線基地局は、基地局サーバ２０を用いて、収集した各種検出データを処理する。例えば、無線基地局は、収集した各種検出データを集計したり分析したりする。
【００５９】
図２は、無線基地局の構成の一例を示すブロック図である。基地局サーバ２０は、具体的には、ワークステーションやパーソナルコンピュータ等の情報処理装置である。基地局サーバ２０は、無線基地局が各無線ノード１０から収集した各種検出データを処理する機能を備える。また、基地局サーバ２０は、マルチホップ無線ネットワークに含まれる各無線ノード１０の通信経路（無線ノード１０から無線基地局までの経路）を決定する機能を備える。
【００６０】
図２に示すように、基地局サーバ２０は、情報受信手段２１、採取データ処理手段２２、エラー確率データベース２３、残存電力データベース２４、消費電力データベース２５、経路算出手段２６及び情報送信手段２７を含む。
【００６１】
情報受信手段２１は、具体的には、基地局サーバ２０のＣＰＵ及び入出力インタフェース部によって実現される。情報受信手段２１は、基地局装置３０を介して、各無線ノード１０から各種データを受信する機能を備える。本実施の形態では、情報受信手段２１は、各無線ノード１０がセンサを用いて採取したデータ（以下、採取データともいう）を基地局装置３０を介して受信し、採取データ処理手段２２に出力する。また、情報受信手段２１は、各無線ノード１０が測定した通信エラー確率を基地局装置３０を介して受信し、エラー確率データベース２３に記憶させる。また、情報受信手段２１は、各無線ノード１０が備える電池の電力の残存量（以下、残存電力量ともいう）を基地局装置３０を介して受信し、残存電力データベース２４に記憶させる。
【００６２】
採取データ処理手段２２は、具体的には、基地局サーバ２０のＣＰＵによって実現される。採取データ処理手段２２は、各無線ノード１０から収集した採取データを処理する機能を備える。例えば、採取データ処理手段２２は、各無線ノード１０からの採取データを集計したり採取データを分析したりする。また、採取データ処理手段２２は、処理した採取データをディスプレイ装置等の表示装置に表示させる。
【００６３】
エラー確率データベース２３は、具体的には、磁気ディスク装置等のデータベース装置によって実現される。エラー確率データベース２３は、各無線ノード１０間の通信エラー確率、及び無線基地局と各無線ノード１０との間の通信エラー確率を蓄積する。図３は、エラー確率データベース２３が記憶する通信エラー確率の例を示す説明図である。図３に示すように、エラー確率データベース２３は、各無線ノード１０間の通信エラー確率、及び無線ノード１０と各無線基地局との間の通信エラー確率を、無線ノード１０に対応付けて蓄積する。
【００６４】
例えば、図３に示す例では、ｉ番目の無線ノード１０がｊ番目の無線ノード１０に無線信号を送信した場合の通信エラー確率がｅｉｊパーセントであることが分かる。また、ｉ番目の無線ノード１０が無線基地局に無線信号を送信した場合の通信エラー確率がｅｉ０パーセントであることが分かる。
【００６５】
なお、通信エラー確率は、例えば、各無線ノード１０を設置した際に各無線ノード１０によって測定され、各無線ノード１０から無線基地局に送信される。そして、エラー確率データベース２３は、無線基地局が各無線ノード１０から受信した通信エラー確率を蓄積する。
【００６６】
また、一般に、２つの無線ノード１０間で、いずれか一方のノードから他方のノードに無線信号を送信した場合と、その逆方向に無線信号を送信した場合とでは、通信条件が同じであり通信エラー確率が同じになる。そのため、エラー確率データベース２３は、２つの無線ノード１０間について、いずれか一方向に信号送信した場合の通信エラー確率だけを蓄積する。
【００６７】
図３に示す例では、例えば、２番目の無線ノード１０から１番目の無線ノード１０に送信する場合と、１番目の無線ノード１０から２番目の無線ノード１０に送信する場合とでは、送信距離等の通信条件が同じである。そのため、一般に、２番目の無線ノード１０から１番目の無線ノード１０に送信する場合の通信エラー確率ｅ２１と、１番目の無線ノード１０から２番目の無線ノード１０に送信する場合の通信エラー確率ｅ１２とは同じになる。そのため、図３に示すように、エラー確率データベース２３は、１番目及び２番目の無線ノード１０間について、２番目の無線ノード１０から１番目の無線ノード１０に信号送信した場合の通信エラー確率ｅ２１だけを蓄積する。そのようにすれば、各無線ノード１０が通信エラー確率を測定する処理負担を軽減することができ、基地局サーバ２０のエラー確率データベース２３が蓄積するデータ量を軽減することができる。
【００６８】
残存電力データベース２４は、具体的には、磁気ディスク装置等のデータベース装置によって実現される。残存電力データベース２４は、各無線ノード１０が備える電池の残存電力量を蓄積する。図４は、残存電力データベース２４が記憶する残存電力量の例を示す説明図である。図４に示すように、残存電力データベース２４は、残存電力量を無線ノード１０に対応付けて蓄積する。
【００６９】
なお、残存電力量は、例えば、各無線ノード１０によって管理され、各無線ノード１０から無線基地局に送信される。そして、残存電力データベース２４は、無線基地局が各無線ノード１０から受信した残存電力量を蓄積する。また、各無線ノード１０は、各無線ノード１０の通信経路の設定を行う毎に、無線基地局からの要求に応じて現在の残存電力量を無線基地局に送信する。そして、基地局サーバ２０は、各無線ノード１０の通信経路の設定を行う毎に、各無線ノード１０から受信した現在の残存電力量にもとづいて、残存電力データベース２４が蓄積する残存電力量を更新する。
【００７０】
消費電力データベース２５は、具体的には、磁気ディスク装置等のデータベース装置によって実現される。消費電力データベース２５は、各無線ノード１０が所定単位あたりに消費する電力量を予め蓄積する。
【００７１】
図５は、消費電力データベース２５が記憶する消費電力量の例を示す説明図である。本実施の形態では、図５に示すように、消費電力データベース２５は、単位送信量あたりの消費電力、単位受信量あたりの消費電力及び単位時間消費電力を、無線ノード１０に対応付けて蓄積する。単位送信量あたりの消費電力（以下、単位送信消費電力ともいう）は、無線ノード１０がデータを送信する際に、所定の送信量あたりに無線ノード１０が消費する電力量である。また、単位受信量あたりの消費電力（以下、単位受信消費電力ともいう）は、無線ノード１０がデータを受信する際に、所定の受信量あたりに無線ノード１０が消費する電力量である。
【００７２】
単位時間消費電力は、データ送受信以外の処理を行うために、無線ノード１０が所定時間あたりに消費する電力量である。例えば、消費電力データベース２５は、単位時間消費電力として、無線ノード１０がチャネル監視を行ったりセンサを用いてデータ採取を行ったりする際に、所定時間あたりに消費する電力量を蓄積する。また、消費電力データベース２５は、無線ノード１０がセンサを用いて所定時間あたりに採取するデータ量（以下、採取データ量ともいう）を、無線ノード１０に対応付けて蓄積する。
【００７３】
なお、各無線ノード１０がそれぞれ同じ機種（同様の構成及び機能を備えたもの）である場合、各採取データ量（λ１〜λｎ）、各単位送信消費電力量（ｕ１〜ｕｎ）、各単位受信消費電力量（ｖ１〜ｖｎ）及び各単位時間消費電力量（ｗ１〜ｗｎ）は、それぞれ同じ値であってもよい。
【００７４】
経路算出手段２６は、具体的には、基地局サーバ２０のＣＰＵによって実現される。経路算出手段２６は、無線ノード１０の所定時間後の電力の残存量を予測するための予測モデルを作成し、各無線ノード１０の所定時間後の電池の残存電力量を予測する機能を備える。また、経路算出手段２６は、作成した予測モデルにもとづいて、各無線ノード１０の通信経路を決定する機能を備える。本実施の形態では、経路算出手段２６は、予測モデルにもとづいて、無線ノード１０の所定時間後の電池の残存電力量が最大となるように、各無線ノード１０の通信経路を決定する。また、経路算出手段２６は、決定した通信経路を示す経路情報を生成する機能を備える。
【００７５】
本実施の形態では、経路算出手段２６は、予測モデルにもとづいて各無線ノード１０の親ノードを決定することによって、通信経路を決定する。本実施の形態において、「親ノード」とは、無線ノード１０がデータを送信する送信先のノードである。例えば、無線ノード１０が中継ノードを介して無線基地局にデータを送信する場合、中継ノードがその無線ノード１０の親ノードとなる。また、無線ノード１０が直接無線基地局にデータを送信する場合、無線基地局がその無線ノード１０の親ノードとなる。
【００７６】
また、本実施の形態では、経路算出手段２６は、１つの無線ノード１０について１つの親ノードを決定する場合に限らず、１つの無線ノード１０について１つ又は複数の親ノードを決定する。複数の親ノードを決定する場合、経路算出手段２６は、予測モデルにもとづいて、複数の親ノードを決定するとともに、各親ノードに送信するデータ量の割合（以下、単に送信割合ともいう）を決定することによって、通信経路を決定する。
【００７７】
本実施の形態では、経路算出手段２６は、各ノードの所定時間後の電力の残存量を予測するための予測モデルとして、無線ノード１０の所定時間後の残存エネルギーを予測するための目的関数を作成する。例えば、経路算出手段２６は、残存電力データベース２４及び消費電力データベース２５が記憶する情報にもとづいて、各無線ノード１０の所定時間後の電池の残存電力量の予測値を求める。また、経路算出手段２６は、求めた残存電力量の予測値を用いて、無線ノード１０の残存電力量の和を最大化するための目的関数を作成する。そして、経路算出手段２６は、作成した目的関数にもとづいて、無線ノード１０の残存電力量の和が最大となるように通信経路を決定する。
【００７８】
また、経路算出手段２６は、予測モデルとして、無線ノード１０毎に所定の重み付けを行った目的関数を作成してもよい。この場合、経路算出手段２６は、無線ノード１０毎に所定の重み付けを行い、無線ノード１０の残存電力量の加重和を最大化するための目的関数を作成する。そして、経路算出手段２６は、作成した目的関数にもとづいて、残存電力量の加重和が最大となるように通信経路を決定する。例えば、経路算出手段２６は、現在の残存電力量が小さいノードのウエイトを大きく重み付けして（残存電力量の小さいノードを優先考慮して）、残存電力量の加重和を最大化するための目的関数を求める。
【００７９】
なお、経路算出手段２６は、例えば、線形計画法を用いて、目的関数が最大となるように、各無線ノード１０の親ノードを決定し各親ノードへの送信割合を決定する。そして、経路算出手段２６は、決定した親ノード及び送信割合を含む経路情報を無線ノード１０毎に生成する。
【００８０】
情報送信手段２７は、具体的には、基地局サーバ２０のＣＰＵ及び入出力インタフェース部によって実現される。情報送信手段２７は、経路算出手段２６が生成した経路情報を、基地局装置３０を介して各無線ノード１０に送信する機能を備える。
【００８１】
基地局装置３０は、各無線ノード１０と無線信号を送受信する機能を備える。本実施の形態では、基地局装置３０は、各無線ノード１０から無線信号として受信した各種データを基地局サーバ２０に出力する。また、基地局装置３０は、基地局サーバ２０から入力したデータを無線信号として各無線ノード１０に送信する。
【００８２】
図６は、無線ノード１０の構成の一例を示すブロック図である。無線ノード１０は、センサを用いて各種検出データを採取し、採取データを無線信号として親ノードに送信する機能を備える。また、無線ノード１０は、自分以外の無線ノード（子ノード）１０から親ノードとして選択されている場合、その子ノードが無線基地局に送る採取データを中継する機能を備える。
【００８３】
図６に示すように、無線ノード１０は、センサ１１、データ採取手段１２、経路設定手段１３、残存電力管理手段１４、電池１５、エラー確率測定手段１６、エラー確率集計手段１７、エラー確率記憶手段１８及び送受信部１９を含む。
【００８４】
センサ１１は、例えば、防犯センサや温度センサ、湿度センサ等である。センサ１１は、例えば、侵入者やドアの開閉の有無等を検出する機能を備える。また、センサ１１は、例えば、温度や湿度を検出する機能を備える。
【００８５】
データ採取手段１２は、具体的には、無線ノード１０の制御部によって実現される。データ採取手段１２は、センサ１１が検出した各種検出データを入力し、センサ１１からデータを採取する機能を備える。例えば、データ採取手段１２は、侵入者やドアの開閉の有無を示す検出データをセンサ１１から入力する。また、例えば、データ採取手段１２は、温度や湿度の値を示す検出データをセンサ１１から入力する。
【００８６】
経路設定手段１３は、具体的には、無線ノード１０の制御部によって実現される。経路設定手段１３は、無線基地局からの経路情報にもとづいて通信経路を設定する機能を備える。本実施の形態では、経路設定手段１３は、経路情報にもとづいて自分以外の無線ノード１０や無線基地局を親ノードとして選択する。また、経路設定手段１３は、選択した１又は複数の親ノードにデータを送信するように送受信部１９を制御する。また、経路設定手段１３は、経路情報にもとづいて各親ノードへの送信割合を設定する。そして、経路設定手段１３は、設定した送信割合に従って各親ノードにデータを送信するように送受信部１９を制御する。
【００８７】
残存電力管理手段１４は、具体的には、無線ノード１０の制御部によって実現される。残存電力管理手段１４は、無線ノード１０が備える電池１５の残存電力量を管理する機能を備える。本実施の形態では、残存電力管理手段１４は、無線基地局からの要求に応じて電池１５の残存電力量を求める。
【００８８】
エラー確率測定手段１６は、具体的には、無線ノード１０の制御部によって実現される。エラー確率測定手段１６は、各無線ノード１０との間の通信エラー確率、及び無線基地局との間の通信エラー確率を求める機能を備える。例えば、エラー確率測定手段１６は、信号強度と通信エラー確率とを対応付けた対応テーブルを予め記憶部（図示せず）に記憶する。この場合、エラー確率測定手段１６は、自分以外の各無線ノード１０又は無線基地局から受信した無線信号の信号強度を測定する。そして、エラー確率測定手段１６は、予め記憶する対応テーブルから測定した信号強度に対応する通信エラー確率を抽出することによって、各無線ノードとの間の通信エラー確率や無線基地局との間の通信エラー確率を求める。
【００８９】
エラー確率集計手段１７は、具体的には、無線ノード１０の制御部によって実現される。エラー確率集計手段１７は、エラー確率測定手段１６が求めた通信エラー確率を集計し、集計した通信エラー確率をエラー確率記憶手段１８に一時記憶させる機能を備える。また、エラー確率集計手段１７は、一時記憶させた各通信エラー確率をエラー確率記憶手段１８から抽出し、抽出した各通信エラー確率を無線基地局に送信するように送受信部１９に指示する。例えば、エラー確率測定手段１６が自分以外の全ての無線ノード１０及び無線基地局に対する通信エラー確率を算出すると、エラー確率集計手段１７は、集計した各通信エラー確率を送受信部１９に送信させる。
【００９０】
エラー確率記憶手段１８は、具体的には、メモリ等の記憶装置である。エラー確率記憶手段１８は、エラー確率集計手段１７の指示に従って、エラー確率測定手段１６が求めた通信エラー確率を一時記憶する。
【００９１】
送受信部１９は、各無線ノード１０や無線基地局と無線信号を送受信する機能を備える。本実施の形態では、送受信部１９は、データ採取手段１２がセンサ１１から採取した検出データを、無線信号として親ノード（無線基地局又は無線ノード１０）に送信する。また、送受信部１９は、子ノードからの中継データを、無線信号として親ノードに送信する。
【００９２】
また、送受信部１９は、残存電力管理手段１４が求めた電池１５の残存電力量を、無線信号として無線基地局又は無線ノード１０に送信する。また、送受信部１９は、エラー確率集計手段１７が集計した各通信エラー確率を、無線信号として無線基地局又は無線ノード１０に送信する。また、送受信部１９は、無線基地局又は無線ノード１０から経路情報を無線信号として受信し、経路設定手段１３に出力する。
【００９３】
なお、本実施の形態において、基地局サーバ２０の記憶装置は、各無線ノード１０の通信経路を決定する処理を実行するための各種プログラムを記憶している。例えば、基地局サーバ２０の記憶装置は、コンピュータに、コンピュータに、各ノードの所定時間後の電力の消費状況を予測する電力状況予測処理と、予測した各ノードの電力の消費状況にもとづいて、ノード毎に親ノードを決定し、各親ノードに送信するデータ量の割合である送信割合を決定することによって、各ノードの通信経路を決定する経路決定処理と、決定した通信経路を示す経路情報を生成する経路情報生成処理と、生成した経路情報を各ノードに送信する経路情報送信処理とを実行させるための通信経路決定プログラムを記憶している。
【００９４】
次に、動作について説明する。本実施の形態において、基地局サーバ２０は、マルチホップ無線ネットワークに含まれる各無線ノード１０の採取データ量、単位送信消費電力量、単位受信消費電力量及び単位時間消費電力量を、予め消費電力データベース２５に蓄積している。
【００９５】
また、本実施の形態では、各無線ノード１０を設置した際に、予め各無線ノード１０間及び無線基地局と各無線ノード１０との間の通信エラー確率を測定している。本実施の形態では、各無線ノード１０を設置した際に、基地局サーバ２０は、基地局装置３０を介して、通信エラー確率を測定する旨の指示情報を各無線ノード１０に送信する。この場合、通信条件が良くない無線ノード１０については、無線基地局は、他の無線ノード１０を中継ノードとして用いて指示情報を送信する。無線基地局から指示情報を受信すると、各無線ノード１０のエラー確率測定手段１６は、各無線ノード１０との間の通信エラー確率及び無線基地局との間の通信エラー確率を測定する。
【００９６】
エラー確率集計手段１７は、エラー確率測定手段１６が測定する各通信エラー確率をエラー確率記憶手段１８に一時記憶させる。また、自分以外の全ての無線ノード１０との間の通信エラー確率及び無線基地局との間の通信エラー確率を測定しエラー確率記憶手段１８に一時記憶させると、エラー確率集計手段１７は、エラー確率記憶手段１８から各通信エラー確率を抽出し送受信部１９に出力する。すると、送受信部１９は、各通信エラー確率を無線信号として無線基地局に送信する。
【００９７】
基地局サーバ２０の情報受信手段２１は、基地局装置３０を介して各無線ノード１０から通信エラー確率を受信する。そして、情報受信手段２１は、受信した各通信エラー確率をエラー確率データベース２３に記憶させる。以上の処理を実行することによって、各無線ノード１０を設置した際に、各無線ノード１０間及び無線基地局と各無線ノード１０との間の通信エラー確率がそれぞれ測定され、基地局サーバ２０に蓄積される。
【００９８】
また、各無線ノード１０を設置した際に、マルチホップ無線ネットワークは、各無線ノード１０の通信経路を設定する。また、各無線ノード１０の設置後、マルチホップ無線ネットワークは、予め定めた時間（以下、経路設定周期ともいう）毎に、各無線ノード１０から無線基地局までの通信経路を繰り返し設定しなおす。
【００９９】
図７は、マルチホップ無線ネットワークにおいて、各無線ノード１０の通信経路を設定する処理の一例を示す流れ図である。基地局サーバ２０は、各無線ノード１０を設置した際に通信経路の設定処理を開始すると、基地局装置３０を介して、現在の電池の残存電力量を測定する旨の指示情報を各無線ノード１０に送信する。なお、通信条件が良くない無線ノード１０については、無線基地局は、他の無線ノード１０を中継ノードとして用いて指示情報を送信する。
【０１００】
無線基地局から指示情報を受信すると、各無線ノード１０の残存電力管理手段１４は、電池１５の現在の残存電力量を求める（ステップＳ１１）。そして、無線ノード１０の送受信部１９は、残存電力管理手段１４が求めた残存電力量を、無線信号として無線基地局に送信する。なお、通信条件が良くない場合、送受信部１９は、他の無線ノード１０を中継ノードして用いて残存電力量を無線基地局に送信する。
【０１０１】
基地局サーバ２０の情報受信手段２１は、基地局装置３０を介して、各無線ノード１０から残存電力量を受信する。そして、情報受信手段２１は、受信した各残存電力量を残存電力データベース２４に記憶させる（ステップＳ１２）。
【０１０２】
また、経路算出手段２６は、各ノードの所定時間後の電力の残存量を予測するための予測モデルを作成して各無線ノード１０の所定時間後の残存電力量を予測し、各無線ノード１０の通信経路を決定する。そして、経路算出手段２６は、決定した通信経路を示す経路情報を生成する（ステップＳ１３）。
【０１０３】
図８は、図７に示すステップＳ１３において、基地局サーバ２０が各無線ノード１０の所定時間後の残存電力量を予測し、各無線ノード１０の通信経路を決定する処理の一例を示す流れ図である。本実施の形態では、基地局サーバ２０は、通信条件が良い順番に、予めマルチホップ無線ネットワークに含まれる各無線ノード１０に番号を付与する。
【０１０４】
例えば、基地局サーバ２０は、無線ノード１０と無線基地局との間の通信エラー確率（Ｅ１０〜Ｅｎ０）が小さい順番に、各無線ノード１０に番号を付与する。この場合、通信エラー確率が同じである無線ノード１０が複数あるとき、基地局サーバ２０は、通信エラー確率が同じである無線ノード１０については、無線基地局との通信距離が小さい順に無線ノード１０に番号を付与する。例えば、通信エラー確率が１００パーセントである（すなわち、通信不能である）無線ノード１０が複数ある場合、基地局サーバ２０は、通信距離が小さい順に無線ノード１０に番号を付与する。
【０１０５】
まず、１番目の無線ノード１０（通信条件が最も良いノード）の通信経路を決定する場合を説明する。基地局サーバ２０の経路算出手段２６は、１番目の無線ノード１０の親ノードを無線基地局に決定する（ステップＳ１３１）。すなわち、１番目の無線ノード１０よりも通信条件が良い無線ノード１０がないので、経路算出手段２６は、１番目の無線ノード１０の通信経路を、無線基地局に直接送信する経路だけに決定する。
【０１０６】
次に、２番目以降の無線ノード１０の通信経路を決定する場合を説明する。経路算出手段２６は、マルチホップ無線ネットワークに含まれる複数の無線ノード１０の中から、処理対象の無線ノード１０の親ノードの候補を選択する（ステップＳ１３２）。本実施の形態では、経路算出手段２６は、複数の無線ノード１０のうち、処理対象の無線ノード１０よりノード番号が小さい（通信条件が良い）全てのノードを親ノード候補として選択する。また、経路算出手段２６は、ノード番号が小さいノードに加えて、無線基地局を親ノード候補として選択する。
【０１０７】
また、経路算出手段２６は、各無線ノード１０の所定周期τ後の残存電力量を予測するための予測モデルを作成する。本実施の形態では、経路算出手段２６は、各無線ノード１０の所定周期τ後の残存電力量の予測値を求める（ステップＳ１３３）。この場合、経路算出手段は、消費電力データベース２５が記憶する採取データ量、単位送信消費電力量、単位受信消費電力量及び単位時間消費電力量を用いて、残存電力量の予測値を求める。
【０１０８】
また、経路算出手段２６は、求めた残存電力量の予測値を用いて、各無線ノード１０の残存電力量を予測するための目的関数を作成する。例えば、経路算出手段２６は、各無線ノード１０の予測残存電力量の和を最大化するための目的関数を作成する。また、例えば、経路算出手段２６は、無線ノード１０毎に所定の重み付けを行い、各無線ノード１０の予測残存電力量の加重和を最大化するための目的関数を求める。
【０１０９】
経路算出手段２６は、作成した予測モデルを用いて、各無線ノード１０の親ノード、及び親ノード毎の送信割合を決定する（ステップＳ１３４）。本実施の形態では、経路算出手段２６は、作成した目的関数が最大となるように、各無線ノード１０の親ノード及び各親ノードへの送信割合を決定する。この場合、経路算出手段２６は、目的関数が最大となるように、選択した親ノード候補の中から１又は複数のノードを選択し、選択したノードを親ノードとして決定する。また、経路算出手段２６は、決定した各親ノードへの送信割合を決定する。例えば、経路算出手段２６は、線形計画法を用いて、各無線ノードの親ノード及び各親ノードへの送信割合を求める。
【０１１０】
例えば、２番目の無線ノード１０の通信経路を決定する場合、経路算出手段２６は、無線基地局及びノード番号１の無線ノード１０を親ノード候補として選択する。そして、経路算出手段２６は、所定の目的関数を作成し、作成した目的関数が最大となるように、無線基地局と１番目の無線ノード１０のうちのいずれか又は両方を親ノードとして決定する。また、経路算出手段２６は、決定した各親ノードへの送信割合を決定する。例えば、１番目の無線ノード１０だけを親ノードとして決定した場合、経路算出手段２６は、１番目の無線ノード１０への送信割合を１００パーセントと決定する。また、無線基地局及び１番目の無線ノード１０の両方を親ノードとして決定した場合、経路算出手段２６は、無線基地局及び１番目の無線ノード１０への送信割合をそれぞれ５０パーセントと決定する。
【０１１１】
経路算出手段２６は、マルチホップ無線ネットワークに含まれる全ての無線ノード１０について、通信経路を決定したか否かを判断する（ステップＳ１３５）。通信経路を決定していない無線ノード１０があると判断した場合、経路算出手段２６は、ステップＳ１３２の処理に戻り、全ての無線ノード１０の通信経路を決定するまで、ステップＳ１３２からステップＳ１３５までの処理を繰り返し実行する。なお、経路算出手段２６は、予め付与したノード番号の順に、各無線ノード１０についてステップＳ１３２からステップＳ１３５までの処理を実行する。
【０１１２】
ステップＳ１３５で全ての無線ノード１０について通信経路を決定したと判断すると、経路算出手段２６は、決定した親ノード及び各親ノードへの送信割合を含む経路情報を、無線ノード１０毎に生成する（ステップＳ１３６）。
【０１１３】
以上のように、経路算出手段２６は、ステップＳ１３１からステップＳ１３６までの処理を実行することによって、予め付与したノード番号の順に、各無線ノード１０の通信経路（本例では、親ノード及び各親ノード毎の送信割合）を逐次的に決定し、経路情報を生成する。
【０１１４】
各経路情報を生成すると、情報送信手段２７は、経路算出手段２６が生成した各経路情報を、基地局装置３０を介してそれぞれ各無線ノード１０に送信する（ステップＳ１４）。なお、通信条件が良くない無線ノード１０については、無線基地局は、他の無線ノード１０を中継ノードとして用いて経路情報を送信する。
【０１１５】
経路情報を受信すると、各無線ノード１０の経路設定手段１３は、受信した経路情報にもとづいて通信経路を設定する（ステップＳ１５）。本実施の形態では、経路設定手段１３は、経路情報にもとづいて親ノードを選択し、選択した１又は複数の親ノードにデータを送信するように送受信部１９を制御する。また、経路設定手段１３は、経路情報にもとづいて親ノード毎に送信割合を設定し、設定した送信割合に従って各親ノードにデータを送信するように送受信部１９を制御する。
【０１１６】
なお、各無線ノード１０は、例えば、送信割合にもとづいてデータを分割し、分割したデータを各親ノードに分配して送信することによって、設定した送信割合に従って各親ノードにデータを送信する。また、各無線ノード１０は、データを分割するのでなく、例えば、複数のデータを送信割合に従って確率的に各親ノードに割り振ることによって、設定した送信割合に従って各親ノードにデータを送信してもよい。
【０１１７】
以上のように、ステップＳ１１からステップＳ１５までの処理が実行されることによって、マルチホップ無線ネットワークに含まれる各無線ノード１０の通信経路が設定される。
【０１１８】
通信経路を設定すると、基地局サーバ２０は、通信経路を設定してから所定時間が経過したか否かを判断する（ステップＳ１６）。すなわち、基地局サーバ２０は、最後に通信経路を設定してから、次の経路設定周期τが経過したか否かを判断する。経路設定周期τを経過したと判断すると、無線基地局は、再び残存電力量測定の指示情報を各無線ノード１０に送信する。そして、ステップＳ１１からステップＳ１５までの処理が繰り返し実行される。すなわち、経路設定周期τ毎に、各無線ノード１０の通信経路が繰り返し設定される。
【０１１９】
以上のように、本実施の形態によれば、基地局サーバ２０は、各無線ノード１０の電力消費の各要素にもとづいて、各ノードの所定時間後の電力の残存量を予測するための予測モデルを作成する。そして、基地局サーバ２０は、作成した予測モデルにもとづいて、各無線ノード１０の送受信負荷及び所定時間後の残余エネルギーを求め通信経路を決定する。例えば、基地局サーバ２０は、各無線ノード１０の所定時間後の電力の残存量を予測するための目的関数を作成し、作成した目的関数が最大となるように、無線ノード１０毎に親ノード及び送信割合を決定する。そのため、各ノードの所定時間後の電力消費の状況を考慮して、親ノード及び各親ノードへの送信割合を決定することができる。従って、マルチホップ無線ネットワークにおいて、将来の電力消費を考慮して効率的な通信経路の設定を行うことができる。
【０１２０】
なお、各無線ノード１０を設置し通信経路を設定した後、マルチホップ無線ネットワークに含まれる無線ノード１０のうち、データ送受信の負荷が他の無線ノード１０より著しく大きいノードがある場合、負荷の大きい無線ノード１０の周辺に無線ノード１０を追加して負荷分散を行ってもよい。例えば、無線基地局に近いノードが他のノードより著しくデータ中継量が大きい場合、そのノードの周辺に無線ノード１０を追加して通信経路を再設定してもよい。そのようにすれば、特定のノードの電池の電力量が著しく消耗することを防止することができ、マルチホップ無線ネットワークに含まれる各ノードの電池を均等に長持ちさせることができる。また、負荷が大きいノードの周辺に中継専用のノードを追加して、通信経路を再設定するようにしてもよい。
【０１２１】
また、本実施の形態では、現在の残存電力量が小さいノードのウエイトを大きく重み付けして目的関数を作成する例を説明したが、経路決定のために作成する目的関数は、本実施の形態で示したものに限られない。例えば、無線ノード１０の残存電力量以外に重要要素がある場合、経路算出手段２６は、その重要要素に応じた重み付けを行って目的関数を作成してもよい。例えば、各無線ノード１０の地理的な設置条件によって電池取り替えのためのコストがノード毎に異なる場合、経路算出手段２６は、コストの高いノードのウエイトを大きく重み付けして目的関数を作成してもよい。そのようにすれば、電池取り替えのコストが大きいノードを優先的に考慮して、通信経路の設定を行うことができる。
【実施例】
【０１２２】
次に、本発明の具体的な実施例を説明する。なお、本実施例では、マルチホップ無線ネットワークがセンサネットワークである場合を説明する。本実施例において、センサネットワークは、任意に配置した複数の小型センサを含む。また、センサを備えた各ノードは、センサを用いてデータを採取し、直接又は他の中継ノードを用いて採取データを無線基地局に送る。無線基地局は、無線信号として各センサからのデータを収集し、基地局サーバ（データ処理装置）２０に有線でデータを転送する。
【０１２３】
まず、本実施例におけるセンサネットワークの設計思想の概念を説明する。本実施例において、センサを備えた各ノードの送信パワーは一定であるとする。また、センサを備えた各ノードの送信の際の消費電力は送信量に比例し、受信の際の消費電力は受信量に比例するとする。また、データ採取やチャネル監視等の送受信以外の要素による消費電力は、稼働時間のみに比例する（単位時間あたり一定）とする。無線送信失敗確率（通信エラー確率）は、送信距離や遮蔽物等の無線条件により異なり、予め各無線ノード１０で計測され基地局サーバ２０に蓄積される。
【０１２４】
なお、本実施例では、データ送信に失敗した場合、各無線ノード１０や無線基地局は、成功するまでデータを再送する。また、本実施例では、無線信号の検出（carrier sensor）方式（例えば、ＣＳＭＡ／ＣＡ＋ＡＣＫ）によって、送信衝突確率が無視できる（トラヒック密度が小さい）ものとする。
【０１２５】
本実施例において、基地局サーバ２０は、各ノードの送信先（親ノード）を決定する。決定した送信先が複数である場合、基地局サーバ２０は、各親ノードへの振り分け割合（送信割合）を決定する。そのようにすることによって、基地局サーバ２０がシステム全体の送信経路を決定し、各無線ノード１０の通信経路が設定される。
【０１２６】
親ノードを選択する際に考慮すべき重要な要素は、各ノードの送受信量である。無線基地局を親ノードに選択し（中継不要）、又はできるだけ無線基地局に近いノード（処理対象のノード自身から遠いノード）を親ノード（中継ノード）として選択するというポリシに従って経路設定する場合、システム全体のホップ数を削減でき中継トラヒックを軽減することができる。しかし、一方で送信距離が増大することによってエラー率が増加し、再送トラヒックが増加する。このように、無線基地局や無線基地局に近いノードを親ノードに選択すると、中継トラヒックを軽減できる反面、再送トラヒックが増加するというトレードオフ関係がある。そのため、一般的に、センサネットワークにおいて、最適な送信経路を設定することは容易にできない。
【０１２７】
本実施例では、一定の目的関数を条件として用いて、効率的な送信経路設定手順を示す。本実施例では、一例として、一定期間後の各ノードの予測残存エネルギーの加重和を最大化するための関数を、送信経路設定の目的関数として用いる。なお、一定期間後に送信経路の再設定が可能であれば、通信経路の設定を周期的に（例えば、２４時間毎に）実施することによって、更に各無線ノード１０の電池寿命を延ばすことができる。
【０１２８】
本実施例では、経路設定の周期τを予め定める。例えば、２４時間毎に各無線ノード１０の経路設定を行うように、予め経路設定周期τを定める。また、予め無線基地局を含む各ノード間送信の場合の無線条件を調査しておく。本実施例では、各ノード設置時に、各無線ノード１０は、一回のみエラー率を計測する。そして、基地局サーバ２０は、各無線ノード１０が計測したエラー率を蓄積する。
【０１２９】
また、基地局サーバ２０は、無線基地局（ＢＳ）向け送信エラー率が小さい順に、予めセンサノード（無線ノード）１０に番号１，２，．．．，ｎを付与する。なお、本実施例では、無線基地局（ＢＳ）のノード番号を０とする。また、送信エラー率が１００パーセントである（すなわち、直接送信できない）等エラー率が同一の場合、基地局サーバ２０は、無線基地局からの距離が小さい順に番号を付与する。
【０１３０】
経路設定を行う場合、各センサノードは、初期残存エネルギーレベル（現在の電池の残存電力量）Ｅ０ｉを調査（計測）する。そして、基地局サーバ２０は、各無線ノード１０が計測した初期残存エネルギーレベルを蓄積する。なお、Ｅ０ｉは、ノードｉの初期残存エネルギーレベルを示す。
【０１３１】
また、基地局サーバ２０は、各無線ノード１０の採取データ量λｉ、単位送信消費電力ｕｉ、単位受信消費電力ｖｉ及び単位時間消費電力ｗｉを予め蓄積している。なお、λｉは、ノードｉが単位時間に採取し、親ノードに送信すべきデータ量である。また、ｕｉは、ノードｉが単位送信量あたりに消費するエネルギー（電力量）である。また、ｖｉは、ノードｉが単位受信量あたりに消費するエネルギーである。また、ｗｉは、ノードｉが送受信以外の処理を行うために、単位時間あたりに消費するエネルギーである。
【０１３２】
また、基地局サーバ２０は、各無線ノード１０設置の際に、各無線ノード１０が計測した通信エラー確率ｅｉｊを蓄積する。なお、ｅｉｊは、ノードｉからノードｊにデータを送信する場合のエラー確率である。
【０１３３】
本実施例では、基地局サーバ２０は、所定周期τ後の各ノードの残存エネルギー（残存電力量）を式（１）を用いて評価する（求める）。
【０１３４】
Ｅ１ｉ＝Ｅ０ｉ−τ（ｕｉｘｉ＋ｖｉｙｉ＋ｗｉ）                              式（１）
【０１３５】
式（１）において、Ｅ１ｉは、ノードｉの設定見直し周期τ後の予測残存エネルギーレベルである。式（１）において、各消費電力は、送受信量にそれぞれ比例するものとする。また、ｘｉは、ノードｉが単位時間に送信するデータ量（再送や中継を含む）である。また、ｙｉは、ノードｉが単位時間に受信するデータ量（再送や中継を含む）である。
【０１３６】
また、基地局サーバ２０は、各ノードの予測残存エネルギーの加重和を最大化するための目的関数を、式（２）を用いて作成する。
【０１３７】
ΣｉｃｉＥ１ｉ                                                            式（２）
【０１３８】
ただし、式（２）において、予測残存エネルギー｛Ｅ１ｉ｝は、送信割合｛αｉｊ｝の関数である。また、αｉｊは、送信データ量ｘｉのうち、ノードｉがノードｊに送信するデータの割合である。なお、各送信データ量ｘｉは、ノード毎に異なる量であってもよく同一の量であってもよい。また、本実施例では、基地局サーバ２０が予めノード設置の際に各ノードの送信データ量ｘｉを蓄積する場合を説明するが、基地局サーバ２０は、所定期間τ毎に、各ノードから送信データ量ｘｉを受信するようにしてもよい。また、基地局サーバ２０は、非定期に各ノードから送信データ量ｘｉを受信するようにしてもよい。
【０１３９】
本実施例では、基地局サーバ２０は、式（３）に示す制約条件に従って、式（４）に示すように、最適化問題として目的関数を最大化するように送信割合αｉｊを決定する。すなわち、基地局サーバ２０は、各ノードの予測残存エネルギーの加重和が最大になるように、送信割合αｉｊを決定する。
【０１４０】
αｉｊ≧０，Σｊαｉｊ＝１                                                式（３）
【０１４１】
ｍａｘｉｍｉｚｅ｛ΣｉｃｉＥ１ｉ｝                                        式（４）
【０１４２】
式（２）において、ｃｉは、目的関数の各ノード予測残存エネルギーレベル加重和におけるノードｉのウェイトである。本実施例では、基地局サーバ２０は、基本的に現在の残余エネルギーＥ０の小さいノードが大きなウェイトになるように、ウエイトｃｉの値を決定する。すなわち、基地局サーバ２０は、電池の残余電力量の小さいノードを優先考慮してウエイトｃｉの値を決定する。例えば、基地局サーバ２０は、式（５）を用いてウエイトｃｉの値を決定する。
【０１４３】
ｃｉ＝１／（Ｅ０ｉ）ｍ                                                    式（５）
【０１４４】
式（５）において、ｍの値を大きくする程、基地局サーバ２０は、Ｅ０の小さいノードのウェイトが重くなるようにウエイトｃｉの値を決定することができる。
【０１４５】
しかし、ノードの数が多い場合、式（３）及び式（４）で定義される最適化問題を解くことは難しい。そこで、本実施例では、部分最適化問題解決手段を用いて、各ノードの親ノードと送信割合とを逐次的に決定していくことによって、簡易に経路設定を実現できる経路設定手順を示す。
【０１４６】
以上に示す設計思想に従って、基地局サーバ２０は、各無線ノード１０の通信経路を決定する処理を行う。以下、具体的に、基地局サーバ２０が各無線ノード１０の通信経路を決定する動作を説明する。まず、各無線ノード１０の設置の際に、基地局サーバ２０が初期化を行う動作を説明する。図９は、基地局サーバ２０が行う初期化の処理の一例を示す流れ図である。
【０１４７】
各無線ノード１０の設置の際、基地局サーバ２０は、各無線ノード１０の採取データ量λｉ等の情報を、予め消費電力データベース２５に蓄積する（ステップＳ２１）。この場合、基地局サーバ２０は、例えば、ユーザ（例えば、センサネットワークの管理者）の操作に従って、各無線ノード１０の採取データ量λｉや、単位送信消費電力量ｕｉ、単位受信消費電力量ｖｉ、単位時間消費電力量ｗｉを入力し、消費電力データベース２５に蓄積する。
【０１４８】
基地局サーバ２０は、通信エラー確率ｅｉｊの測定を指示する指示情報を、基地局装置３０を介して各無線ノード１０に送信する。また、基地局サーバ２０は、各無線ノードが測定した通信エラー確率ｅｉｊを、無線基地局装置３０を介して受信する。そして、基地局サーバ２０は、受信した各通信エラー確率ｅｉｊをエラー確率データベース２３に蓄積する（ステップＳ２２）。
【０１４９】
また、基地局サーバ２０は、各無線ノード１０から通信エラー確率ｅｉｊを受信すると、受信した通信エラー確率ｅｉｊにもとづいて、各ノードに順位を付与する。本実施例では、基地局サーバ２０は、受信した通信エラー確率ｅｉｊが小さい順に、各ノードに番号を付ける（ステップＳ２３）。例えば、基地局サーバ２０は、無線基地局との通信エラー確率ｅｉ０が小さい順に各ノードに番号を付ける。本実施例では、基地局サーバ２０は、通信エラー確率ｅｉｊが小さい順に、ノード１、ノード２・・・ノードｎと番号を付与する。また、基地局サーバ２０は、無線基地局自身にノード０と番号を付与する。
【０１５０】
次に、基地局サーバ２０が各無線ノード１０の通信経路を決定する動作を説明する。図１０は、基地局サーバ２０が各無線ノード１０の通信経路を決定する処理の具体例を示す流れ図である。基地局サーバ２０は、各ノードの周期τ後の暫定予測残余電力Ｅ１ｉの初期値及び所定のパラメータを設定する（ステップＳ３１）。本実施例では、基地局サーバ２０は、パラメータとして、各ノードから無線基地局までの単位時間及び単位送信量あたりの目的関数に対する送信コストｆｉを用いて、通信経路決定の処理を行う。この場合、無線基地局については送信コストを考慮する必要がないので、ステップＳ３１において、基地局サーバ２０は、無線基地局に対する送信コストｆ０を０と設定する。
【０１５１】
基地局サーバ２０は、まず、ノード番号をカウントするためのカウンタｉを１に設定し、ノード１の通信経路を決定する。この場合、基地局サーバ２０は、無線基地局より通信エラー確率が小さいノードが他に存在しないので、ノード１の親ノードとしてノード０（すなわち、無線基地局）を選択する。また、基地局サーバ２０は、送信割合α１０を１に決定し、ノード１の送信コストｆ１とノード１から無線基地局までの単位時間及び単位送信量あたりの消費電力ｇ１とを評価する。また、基地局サーバ２０は、ノード１のデータ送信のみを考慮した目的関数Ｇ１を求め、周期τ後のノード１の暫定予測残余電力Ｅ１１を更新する（ステップＳ３２）。
【０１５２】
次に、基地局サーバ２０は、ノード２以降の通信経路を、所定のアルゴリズムに従って決定する。基地局サーバ２０は、カウンタｉの値を１加算する（ステップＳ３３）。すなわち、基地局サーバ２０は、順位（ノード番号）が次の無線ノード１０を新たな処理対象のノードとして選択する。また、基地局サーバ２０は、カウンタｉを更新すると、更新後のカウンタｉの値が無線ノード数ｎより大きいか否かを判断する（ステップＳ３４）。すなわち、基地局サーバ２０は、センサネットワークに含まれる全てのノードについて、通信経路を決定したか否かを判断する。カウンタｉの値がｎより大きい（すなわち、全てのノードについて通信経路を決定した）と判断すると、基地局サーバ２０は、通信経路決定の処理を終了する。
【０１５３】
カウンタｉの値がｎより大きくない（すなわち、未処理のノードが存在する）と判断すると、基地局サーバ２０は、カウンタｉの現在の値に対応する番号のノードｉの通信経路を決定する処理を行う。ここで、ノード（ｉ−１）までの送信割合αを決定済みであるとし、基地局サーバ２０がノードｉの親ノード及び送信割合αを決定する手順を説明する。この場合、基地局サーバ２０は、目的関数Ｇｉ−１及び暫定予測残余電力Ｅ１１，・・・，Ｅ１ｉ−１も更新済みであり、各パラメータ（送信コストｆｊ及び後述するｇｊ（ｊ＜ｉ），ｈｋｊ（ｊ＜ｋ＜ｉ））も計算済みであるとする。
【０１５４】
基地局サーバ２０は、ノードｉの親ノード候補として、無線基地局（ノード０）、ノード１、ノード２、・・・及びノード（ｉ−１）を選択する（ステップＳ３５）。また、基地局サーバ２０は、ノード２の親ノード候補である無線基地局、ノード１、ノード２、・・・及びノード（ｉ−１）への送信割合を、それぞれαｉ０，・・・，αi, i-1とする。
【０１５５】
基地局サーバ２０は、ノードｉからのデータ送信によって発生する周期τ間におけるノード１、ノード２、・・・及びノード（ｉ−１）の新たな消費電力（ノードｉの中継のための消費電力）を、それぞれ式（６）を用いて求める。また、基地局サーバ２０は、ノードｉからのデータ送信によって発生する周期τ間におけるノードｉ自身の消費電力を、式（７）を用いて求める。
【０１５６】
τλｉαｉｊ［ｇｊ＋ｖｊ／（１−ｅｉｊ）］＋τλｉΣｊ＜ｋ＜ｉαｉｋｈｋｊ
（ノードｊ，ｊ＜ｉ）                                                  式（６）
【０１５７】
τλｉΣｊ＜ｉαｉｊｕｉ／（１−ｅｉｊ）
（ノードｉ）                                                          式（７）
【０１５８】
また、基地局サーバ２０は、求めた各消費電力にもとづいて、ノード１、・・・及びノード（ｉ−１）からの送信のみを考慮した目的関数Ｇｉを、式（８）を用いて求める。
【０１５９】
Ｇｉ＝Ｇｉ−１−τλｉΣ０＜ｊ＜ｉｃｊ｛αｉｊ［ｇｊ＋ｖｊ／（１−ｅｉｊ）］
＋Σｊ＜ｋ＜ｉαｉｋｈｋｊ｝＋ｃｉＥ１ｉ−ｃｉτλｉΣｊ＜ｉαｉｊｕｉ／（１−ｅｉｊ）
＝Ｇｉ−１＋ｃｉＥ１ｉ
−［ｃｉｕｉ／（１−ｅｉ０）］τλｉαｉ０
−Σ０＜ｊ＜ｉ｛ｃｉｕｉ／（１−ｅｉｊ）＋ｃｊ［ｇｊ＋ｖｊ／（１−ｅｉｊ）
＋Σｊ＜ｋ＜ｉαｉｋｈｋｊ］｝τλｉαｉｊ
＝Ｇｉ−１＋ｃｉＥ１ｉ−ｑｉ０τλｉαｉ０−Σ０＜ｊ＜ｉ（ｆｊ＋ｑｉｊ）τλｉαｉｊ
式（８）
【０１６０】
ただし、式（８）において、ｑｉ０及びｑｉｊは、それぞれ式（９）及び式（１０）を用いて表される。
【０１６１】
ｑｉ０＝ｃｉｕｉ／（１−ｅｉ０）                                          式（９）
【０１６２】
ｑｉｊ＝（ｃｊｖｊ＋ｃｉｕｉ）／（１−ｅｉｊ）                            式（１０）
【０１６３】
式（８）に示すように、目的関数Ｇｉは、送信割合｛αｉｊ｝の線形関数（αｉｊを変数とする線形関数）となる。この場合、基地局サーバ２０は、目的関数Ｇｉを最大にするために、送信割合｛αｉｊ｝の係数を比較し、その係数の絶対値が最小となる送信割合αを１にし他のαを０にすることによって、ノードｉの親ノード及び送信割合を決定する。また、基地局サーバ２０は、係数の絶対値が最小になる送信割合αが複数ある場合、それらの送信割合αに対応するノードへのデータ送信の割合が均等になるように、送信割合αを決定する（ステップＳ３６）。
【０１６４】
ステップＳ３６において、基地局サーバ２０は、目的関数Ｇｉにおける係数の絶対値（ｆｊ＋ｑｉｊ）が最大となるノードを、ノードｉの親ノードとして決定する。この場合、例えば、ノードｊ＊を親ノードとして決定した場合、基地局サーバ２０は、ノードｊ＊への送信割合をαｉｊ＊＝１と決定する。また、基地局サーバ２０は、ノードｊ＊以外の親ノード候補への送信割合をαｉｊ＝０と決定する。なお、ノードｉに対してｓ個（複数個）の親ノードを決定した場合、基地局サーバ２０は、親ノードとして決定したノードｊ＊への送信割合をαｉｊ＊＝１／ｓと決定する。
【０１６５】
送信割合｛αｉｊ｝を決定すると、基地局サーバ２０は、ノードｉの送信コスト係数ｆｉを、式（１１）を用いて求める。
【０１６６】
ｆｉ＝ｑｉ０αｉ０＋Σ０＜ｊ＜ｉ（ｆｊ＋ｑｉｊ）αｉｊ                          式（１１）
【０１６７】
また、基地局サーバ２０は、目的関数Ｇｉを、送信コスト係数ｆｉを用いて式（１２）に示すように書き直す（更新する）。
【０１６８】
Ｇｉ＝Ｇｉ−１＋ｃｉＥ１ｉ−τλｉｆｉ                                    式（１２）
【０１６９】
また、基地局サーバ２０は、周期τ後のノード１、ノード２、・・・及びノードｉの暫定予測残余電力を、それぞれ式（１３）及び式（１４）を用いて更新する（ステップＳ３７）。
【０１７０】
Ｅ１ｊ＝Ｅ１ｊ−τλｊｈｉｊ
（ノードｊ，ｊ＜ｉ）                                                  式（１３）
【０１７１】
Ｅ１ｉ＝Ｅ１ｉ−τλｉｇｉ
（ノードｉ）                                                          式（１４）
【０１７２】
ただし、式（１３）において、ｈｉｊ＝αｉｊ［ｇｊ＋ｖｊ／（１−ｅｉｊ）］＋Σｊ＜ｋ＜ｉαｉｋｈｋｊは、ノードｉの単位時間及び単位送信量あたりのノードｊの中継消費電力である。また、式（１４）において、ｇｉ＝Σｊ＜ｉαｉｊｕｉ／（１−ｅｉｊ）は、ノードｉからの単位時間及び単位送信量あたりの消費電力である。
【０１７３】
基地局サーバ２０は、ステップＳ３３からステップＳ３７までの処理を、ノード２からノードｎまでの全てのノードについて繰り返し実行し、各ノードの通信経路を逐次的に決定する。そして、全てのノードについて通信経路を決定すると、基地局サーバ２０は、通信経路決定の処理を終了する。すなわち、ステップＳ３４において、カウンタｉの値がｎより大きいと判断すると、基地局サーバ２０は、通信経路決定の処理を終了する。
【０１７４】
次に、基地局サーバ２０が行う通信経路決定の動作を、図１０のフローチャートに示す手順に従って具体的に説明する。まず、基地局サーバ２０は、図１０に示すステップＳ３１において、各ノードの周期τ後の暫定予測残余電力Ｅ１ｉを、式（１５）を用いてそれぞれ求める。
【０１７５】
Ｅ１ｉ＝Ｅ０ｉ−τｗｉ                                                  式（１５）
【０１７６】
また、基地局サーバ２０は、図１０に示すステップＳ３２において、ノード１の親ノードを無線基地局（ＢＳ）だけに決定する。すなわち、基地局サーバ２０は、送信割合α１０＝１と決定する。また、基地局サーバ２０は、ノード１からのデータ送信によって発生する周期τ間におけるノード１の消費電力を、式（１６）を用いて求める。
【０１７７】
τλ１ｕ１／（１−ｅ１０）                                              式（１６）
【０１７８】
また、基地局サーバ２０は、ｆ１＝ｃ１ｕ１／（１−ｅ１０）とし、ノード１のデータ送信のみを考慮した目的関数Ｇ１を、式（１７）を用いて求める。
【０１７９】
Ｇ１＝ｃ１［Ｅ１１−（τλ１ｕ１／（１−ｅ１０））］
＝ｃ１Ｅ１１−τλ１ｆ１                                            式（１７）
【０１８０】
ここで、λ１はノード１からのデータ送信量であるので、ｆ１はノード１から無線基地局までの単位時間及び単位送信量あたりの目的関数に対する送信コストに相当する。
【０１８１】
また、基地局サーバ２０は、周期τ後のノード１の暫定予測残余電力Ｅ１１を、式（１８）を用いて更新する。
【０１８２】
Ｅ１１＝Ｅ１１−τλ１ｇ１                                              式（１８）
【０１８３】
ただし、式（１８）において、ｇ１＝ｕ１／（１−ｅ１０）は、ノード１からの単位時間及び単位送信量あたりの消費電力である。
【０１８４】
次に、基地局サーバ２０は、図１０に示すステップＳ３３からステップＳ３７までの処理に従って、ノード２以降の通信経路を逐次決定する。まず、ノード２の通信経路を決定する手順を説明する。基地局サーバ２０は、ノード２の親ノード候補として、無線基地局（ノード０）及びノード１を選択する。また、基地局サーバ２０は、ノード２の親ノード候補である無線基地局及びノード１への送信割合を、それぞれα２０及びα２１とする。
【０１８５】
基地局サーバ２０は、ノード２からのデータ送信によって発生する周期τ間におけるノード１の新たな消費電力（ノード２の中継のための消費電力）を、式（６）を用いて求める。この場合、基地局サーバ２０は、ノード１の新たな消費電力を式（１９）に示すように求める。
【０１８６】
τλ２α２１［ｕ１／（１−ｅ１０）＋ｖ１／（１−ｅ２１）］                  式（１９）
【０１８７】
また、基地局サーバ２０は、ノード２からのデータ送信によって発生する周期τ間におけるノード２自身の消費電力を、式（７）を用いて求める。この場合、基地局サーバ２０は、ノード２自身の消費電力を式（２０）に示すように求める。
【０１８８】
τλ２α２０ｕ２／（１−ｅ２０）＋τλ２α２１ｕ２／（１−ｅ２１）            式（２０）
【０１８９】
また、基地局サーバ２０は、求めた各消費電力にもとづいて、ノード１及びノード２からの送信のみを考慮した目的関数Ｇ２を、式（８）を用いて求める。この場合、基地局サーバ２０は、目的関数Ｇ２を式（２１）に示すように求める。
【０１９０】
Ｇ２＝Ｇ１−ｃ１τλ２α２１［ｕ１／（１−ｅ１０）＋ｖ１／（１−ｅ２１）］＋ｃ２Ｅ１２
−ｃ２［τλ２α２０ｕ２／（１−ｅ２０）＋τλ２α２１ｕ２／（１−ｅ２１）］
＝Ｇ１＋ｃ２Ｅ１２
−［ｃ２ｕ２／（１−ｅ２０）］τλ２α２０
−｛ｃ１［ｕ１／（１−ｅ１０）＋ｖ１／（１−ｅ２１）］
＋ｃ２［ｕ２／（１−ｅ２１）］｝τλ２α２１
＝Ｇ１＋ｃ２Ｅ１２−ｑ２０τλ２α２０−（ｆ１＋ｑ２１）τλ２α２１        式（２１）
【０１９１】
ただし、式（２１）において、ｑ２０及びｑ２１は、それぞれ式（９）及び式（１０）を用いて、式（２２）及び式（２３）に示すように表される。
【０１９２】
ｑ２０＝ｃ２ｕ２／（１−ｅ２０）                                          式（２２）
【０１９３】
ｑ２１＝（ｃ１ｖ１＋ｃ２ｕ２）／（１−ｅ２１）                            式（２３）
【０１９４】
式（２１）に示すように、目的関数Ｇ２は、送信割合α２０及びα２１の線形関数となる。この場合、基地局サーバ２０は、目的関数Ｇ２を最大にするために、送信割合α２０及びα２１の係数を比較し、その係数の絶対値が大きい方の送信割合αを最小にすることによって、ノード２の親ノード及び送信割合を決定する。
【０１９５】
本実施例では、基地局サーバ２０は、送信割合α２０の係数ｑ２０と、α２１の係数ｆ１＋ｑ２１とを比較する。例えば、送信割合α２０の係数がα２１の係数より大きい場合、基地局サーバ２０は、ノード１をノード２の唯一の親ノードとして決定する。すなわち、基地局サーバ２０は、ｑ２０＞ｆ１＋ｑ２１である場合、送信割合α20＝０及びα21＝１と決定する。
【０１９６】
また、送信割合α２０の係数がα２１の係数より小さい場合、基地局サーバ２０は、ノード０（すなわち、無線基地局）をノード２の唯一の親ノードとして決定する。すなわち、基地局サーバ２０は、ｑ２０＜ｆ１＋ｑ２１である場合、送信割合α20＝１及びα21＝０と決定する。
【０１９７】
また、送信割合α２０の係数とα２１の係数とが等しい場合、基地局サーバ２０は、ノード０（すなわち、無線基地局）及びノード１の両方を、ノード２の親ノードとして決定する。また、基地局サーバ２０は、無線基地局及びノード１へのデータの送信量の割合が均等になるように（すなわち、それぞれ割合が５０パーセントになるように）、各送信割合α２０及びα２１を決定する。すなわち、基地局サーバ２０は、ｑ２０＝ｆ１＋ｑ２１である場合、送信割合α20＝０．５及びα21＝０．５と決定する。
【０１９８】
なお、比較対照の送信割合の係数が等しい場合、目的関数Ｇ２の値は送信割合によらない。そのため、本実施例では、基地局サーバ２０は、ノード１とノード２とのバランスを考慮して、無線基地局への送信割合α20とノード１への送信割合α21とが均等になるように、その割合を決定する。
【０１９９】
送信割合α20及びα21を決定すると、基地局サーバ２０は、ノード２の送信コスト係数ｆ２を、式（１１）を用いて求める。この場合、基地局サーバ２０は、送信コスト係数ｆ２を式（２５）に示すように求める。
【０２００】
ｆ２＝ｑ２０α２０＋（ｆ１＋ｑ２１）α２１                                  式（２５）
【０２０１】
式（２５）に示す送信コスト係数ｆ２は、送信割合α２０及びα２１を決定すると値が定まり定数となる。また、送信コスト係数ｆ２は、ノード２から無線基地局までの単位時間及び単位送信量あたりの目的関数に対する送信コストを示す。
【０２０２】
また、基地局サーバ２０は、目的関数Ｇ２を、送信コスト係数ｆ２を式（１２）に適用して、式（２６）に示すように書き直す（更新する）。
【０２０３】
Ｇ２＝Ｇ１＋ｃ２Ｅ１２−τλ２ｆ２                                        式（２６）
【０２０４】
また、基地局サーバ２０は、周期τ後のノード１及びノード２の暫定予測残余電力Ｅ１１，Ｅ１２を、それぞれ式（１３）及び式（１４）を用いて更新する。この場合、基地局サーバ２０は、暫定残余電力Ｅ１１，Ｅ１２をそれぞれ式（２７）及び式（２８）に示すように更新する。
【０２０５】
Ｅ１１＝Ｅ１１−τλ２ｈ２１                                            式（２７）
【０２０６】
Ｅ１２＝Ｅ１２−τλ２ｇ２                                              式（２８）
【０２０７】
ただし、式（２７）において、ｈ２１＝α２１［ｇ１＋ｖ１／（１−ｅ２１）］は、ノード２の単位時間及び単位送信量あたりのノード１の中継消費電力である。また、式（２８）において、ｇ２＝α２０ｕ２／（１−ｅ２０）＋α２１ｕ２（１−ｅ２１）は、ノード２からの単位時間及び単位送信量あたりの消費電力である。
【０２０８】
次に、ノード３の通信経路を決定する手順を説明する。基地局サーバ２０は、ノード３の親ノード候補として、無線基地局（ノード０）、ノード１及びノード２を選択する。また、基地局サーバ２０は、ノード２の親ノード候補である無線基地局、ノード１及びノード２への送信割合を、それぞれα３０、α３１及びα３２とする。
【０２０９】
基地局サーバ２０は、ノード３からのデータ送信によって発生する周期τ間におけるノード１及びノード２の新たな消費電力（ノード３の中継のための消費電力）を、式（６）を用いて求める。この場合、基地局サーバ２０は、ノード１の新たな消費電力を式（２９）及び式（３０）に示すように求める。
【０２１０】
τλ３α３１［ｕ１／（１−ｅ１０）＋ｖ１／（１−ｅ３１）］
＋τλ３α３２α２１［ｕ１／（１−ｅ１０）＋ｖ１／（１−ｅ２１）］        式（２９）
【０２１１】
τλ３α３２［ｖ２／（１−ｅ３２）＋α２０ｕ２／（１−ｅ２０）
＋α２１ｕ２／（１−ｅ２１）］                                        式（３０）
【０２１２】
また、基地局サーバ２０は、ノード３からのデータ送信によって発生する周期τ間におけるノード３自身の消費電力を、式（７）を用いて求める。この場合、基地局サーバ２０は、ノード２自身の消費電力を式（３１）に示すように求める。
【０２１３】
τλ３［α３０ｕ３／（１−ｅ３０）＋α３１ｕ３／（１−ｅ３１）
＋α３２ｕ３／（１−ｅ３２）］                                        式（３１）
【０２１４】
また、基地局サーバ２０は、求めた各消費電力にもとづいて、ノード１、ノード２及びノード３からの送信のみを考慮した目的関数Ｇ３を、式（８）を用いて求める。この場合、基地局サーバ２０は、目的関数Ｇ２を式（３２）に示すように求める。
【０２１５】
Ｇ３＝Ｇ２−ｃ１τλ３｛α３１［ｕ１／（１−ｅ１０）＋ｖ１／（１−ｅ３１）
＋α３２α２１［ｕ１／（１−ｅ１０）＋ｖ１／（１−ｅ２１）］｝
−ｃ２τλ３α３２［ｖ２／（１−ｅ３２）＋α２０ｕ２／（１−ｅ２０）
＋α２１ｕ２／（１−ｅ２１）］
＋ｃ３Ｅ１３−ｃ３τλ３［α３０ｕ３／（１−ｅ３０）
＋α３１ｕ３／（１−ｅ３１）＋α３２ｕ３／（１−ｅ３２）］
＝Ｇ２＋ｃ３Ｅ１３
−［ｃ３ｕ３／（１−ｅ３０）］τλ３α３０
−｛ｃ１［ｕ１／（１−ｅ１０）＋ｖ１／（１−ｅ３１）］
＋ｃ３ｕ３／（１−ｅ３１）｝τλ３α３１
−｛ｃ２［ｖ２／（１−ｅ３２）＋α２０ｕ２／（１−ｅ２０）
＋α２１ｕ２／（１−ｅ２１）］＋ｃ１α２１［ｕ１／（１−ｅ１０）
＋ｖ１／（１−ｅ２１）］＋ｃ３ｕ３／（１−ｅ３２）｝τλ３α３２
＝Ｇ２＋ｃ３Ｅ１３−ｑ３０τλ３α３０
−（ｆ１＋ｑ３１）τλ３α３１−（ｆ２＋ｑ３２）τλ３α３２          式（３２）
【０２１６】
ただし、式（３２）において、ｑ３０、ｑ３１及びｑ３２は、それぞれ式（９）及び式（１０）を用いて、式（３３）、式（３４）及び式（３５）に示すように表される。
【０２１７】
ｑ３０＝ｃ３ｕ３／（１−ｅ３０）                                          式（３３）
【０２１８】
ｑ３１＝（ｃ１ｖ１＋ｃ３ｕ３）／（１−ｅ３１）                            式（３４）
【０２１９】
ｑ３２＝（ｃ２ｖ２＋ｃ３ｕ３）／（１−ｅ３２）                            式（３５）
【０２２０】
式（３２）に示すように、目的関数Ｇ３は、送信割合α３０、α３１及びα３２の線形関数となる。この場合、基地局サーバ２０は、目的関数Ｇ３を最大にするために、送信割合α３０、α３１及びα３２の係数を比較し、その係数の絶対値が最小となる送信割合αを１にし他のαを０にすることによって、ノード３の親ノード及び送信割合を決定する。また、基地局サーバ２０は、係数の絶対値が最小になる送信割合αが複数ある場合、それらの送信割合αに対応するノードへのデータ送信の割合が均等になるように、送信割合αを決定する。
【０２２１】
送信割合α３０、α３１及びα３２を決定すると、基地局サーバ２０は、ノード３の送信コスト係数ｆ３を、式（１１）を用いて求める。この場合、基地局サーバ２０は、送信コスト係数ｆ３を式（３６）に示すように求める。
【０２２２】
ｆ３＝ｑ３０α３０＋（ｆ１＋ｑ３１）α３１＋（ｆ２＋ｑ３２）α３２              式（３６）
【０２２３】
また、基地局サーバ２０は、目的関数Ｇ３を、送信コスト係数ｆ３を式（１２）に適用して、式（３７）に示すように書き直す（更新する）。
【０２２４】
Ｇ３＝Ｇ２＋ｃ３Ｅ１３−τλ３ｆ３                                        式（３７）
【０２２５】
また、基地局サーバ２０は、周期τ後のノード１、ノード２及びノード３の暫定予測残余電力Ｅ１１，Ｅ１２，Ｅ１３を、それぞれ式（１３）及び式（１４）を用いて更新する。この場合、基地局サーバ２０は、暫定残余電力Ｅ１１，Ｅ１２，Ｅ１３をそれぞれ式（３８）、式（３９）及び式（４０）に示すように更新する。
【０２２６】
Ｅ１１＝Ｅ１１−τλ３ｈ３１                                            式（３８）
【０２２７】
Ｅ１２＝Ｅ１２−τλ３ｈ３２                                            式（３９）
【０２２８】
Ｅ１３＝Ｅ１３−τλ３ｇ３                                              式（４０）
【０２２９】
ただし、式（３８）において、ｈ３１＝α３１［ｇ１＋ｖ１／（１−ｅ３１）］＋α３２ｈ２１は、ノード３の単位時間及び単位送信量あたりのノード１の中継消費電力である。また、式（３９）において、ｈ３２＝α３２［ｇ１＋ｖ１／（１−ｅ２１）］は、ノード３の単位時間及び単位送信量あたりのノード２の中継消費電力である。また、式（４０）において、ｇ３＝α３０ｕ３／（１−ｅ３０）＋α３１ｕ３／（１−ｅ３１）＋α３２ｕ３／（１−ｅ３２）は、ノード３からの単位時間及び単位送信量あたりの消費電力である。
【０２３０】
基地局サーバ２０は、以上に示したプロセスを繰り返し実行し、ノード２からノードｎまでの親ノード及び送信割合を決定する。また、基地局サーバ２０は、センサネットワークに含まれる全てのノードの親ノード及び送信割合が決定すると、決定した親ノード及び送信割合を含む経路情報を生成する。
【０２３１】
以上のように、本実施例によれば、基地局サーバ２０は、部分最適化問題解決手段を用いて、ノード２からノードｎまでの通信経路を逐次的に決定する。従って、部分最適化問題解決手段を用いることによって、簡易な方法で通信経路決定装置を実現することができる。また、部分最適化問題解決手段を用いて効率的に経路決定を行えるので、経路決定における処理負担や計算コストを軽減することができる。
【０２３２】
なお、本実施例では、ノードｉの親ノード候補を選択する際にノードｉよりも無線基地局に近い全てのノードを親ノード候補として選択する場合を説明したが、基地局サーバ２０は、ノードｉよりも無線基地局に近いノードのうち、所定の条件に従って１又は複数のノードを親ノード候補として選択してもよい。例えば、基地局サーバ２０は、ノードｉよりも無線基地局に近いノードｊのうち、ノードｉとの通信エラー確率ｅｉｊが、ノードｉと無線基地局との間の通信エラー確率ｅｉ０より小さいノード（すなわち、ｅｉｊ＜ｅｉ０であるノード）を、親ノード候補として選択してもよい。また、例えば、基地局サーバ２０は、ノードｉよりも無線基地局に近いノードｊのうち、ノードｉとの通信エラー確率ｅｉｊが１００パーセントより小さいノード（すなわち、ｅｉｊ＜１００％であり、ノードｉと通信可能であるノード）を、親ノード候補として選択してもよい。
【０２３３】
また、本実施例では、部分最適化問題解決手段を用いて送信割合αの係数を比較する場合を説明したが、基地局サーバ２０は、係数比較以外の線形計画問題の手法を用いて、親ノード及び送信割合を決定してもよい。例えば、基地局サーバ２０は、シンプレックス法等の線形計画法を用いて、所定の制約条件に従って目的関数が最大となるように、各無線ノード１０の親ノード及び送信割合を決定してもよい。
【産業上の利用可能性】
【０２３４】
本発明は、マルチホップ無線ネットワークにおいて、各無線ノードの通信経路設定を行う用途に適用できる。例えば、センサシステムにおいて、センサを備えた各無線ノードの無線通信経路を設定する用途に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【０２３５】
【図１】本発明による通信経路決定装置を用いたマルチホップ無線ネットワークの構成の一例を示すブロック図である。
【図２】無線基地局の構成の一例を示すブロック図である。
【図３】エラー確率データベース２３が記憶する通信エラー確率の例を示す説明図である。
【図４】残存電力データベース２４が記憶する残存電力量の例を示す説明図である。
【図５】消費電力データベース２５が記憶する消費電力量の例を示す説明図である。
【図６】無線ノード１０の構成の一例を示すブロック図である。
【図７】マルチホップ無線ネットワークにおいて、各無線ノード１０の通信経路を設定する処理の一例を示す流れ図である。
【図８】基地局サーバ２０が各無線ノード１０の所定時間後の残存電力量を予測し、各無線ノード１０の通信経路を決定する処理の一例を示す流れ図である。
【図９】基地局サーバ２０が行う初期化の処理の一例を示す流れ図である。
【図１０】基地局サーバ２０が各無線ノード１０の通信経路を決定する処理の具体例を示す流れ図である。
【符号の説明】
【０２３６】
１０  無線ノード
１１  センサ
１２  データ採取手段
１３  経路設定手段
１４  残存電力管理手段
１５  電池
１６  エラー確率測定手段
１７  エラー確率集計手段
１８  エラー確率記憶手段
１９  送受信部
２０  基地局サーバ
２１  情報受信手段
２２  採取データ処理手段
２３  エラー確率データベース
２４  残存電力データベース
２５  消費電力データベース
２６  経路算出手段
２７  情報送信手段
３０  基地局装置
【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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【図９】
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【図１０】
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