(57)【要約】【課題】単一の共有ワイヤレス通信チャネルによって互いに接続されたセンサノードを含むネットワークの媒体アクセス制御プロトコルが、各ノードにおいて、ネットワークアクセスが分散して管理されるように以下のプロトコルを実行する。【解決手段】ノードは、少なくともフレーム長に等しい時間期間に亘ってチャネルを監視する。フレーム長は、予め決められているとともにネットワークの状況に依存する。フレームはタイムスロットに分割される。特定のタイムスロットは、チャネルがそのタイムスロット中に搬送波信号を有する場合には占有とマークされ、その他の場合には空きとマークされる。ノードは、空いているタイムスロット中にだけパケットを送信する。フレーム構造は、ネットワークの構成が時間の経過に伴って変化する場合に、定期的に更新される。
2007519282.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一の共有ワイヤレス通信チャネルによって互いに接続された複数のノードを含むネットワークの媒体アクセス制御プロトコルであって、前記各ノードの前記プロトコルは、
各ノードにおいて、少なくともフレーム長に等しい時間期間に亘って前記チャネルを監視することと、
前記フレームを複数のタイムスロットに分割することと、
前記チャネルが特定のタイムスロット中に搬送波信号を有する場合には、前記特定のタイムスロットを占有とマークし、その他の場合には、前記タイムスロットを空きとマークすることと、
前記タイムスロットが空きとマークされている場合にのみパケットを送信することと
を含む、単一の共有ワイヤレス通信チャネルによって互いに接続された複数のノードを含むネットワークの媒体アクセス制御プロトコル。
【請求項２】
前記ノードは、センサノードである
請求項１記載のプロトコル。
【請求項３】
前記ネットワークは、アドホック型である
請求項１記載のプロトコル。
【請求項４】
前記パケットは、定期的に送信される、
請求項１記載のプロトコル。
【請求項５】
前記パケットは、感知されたイベントに応答して送信される
請求項２記載のプロトコル。
【請求項６】
前記ノードの前記フレームの前記タイムスロットは、時間同期される
請求項１記載のプロトコル。
【請求項７】
前記チャネルにおいて、監視され、かつ、前記タイムスロットのマーキングは、定期的に更新される
請求項１記載のプロトコル。
【請求項８】
前記監視することは、受動的である
請求項１記載のプロトコル。
【請求項９】
前記マークすることは、前記チャネルを監視することによって得られた情報だけを必要とする
請求項１記載のプロトコル。
【請求項１０】
異なるノードは、異なるレートでパケットを送信する
請求項１記載のプロトコル。
【請求項１１】
前記監視することは、前記ネットワーク内の前記複数のノードのＩＤを明らかにする
請求項１記載のプロトコル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、包括的にはワイヤレスセンサネットワークに関し、より詳細には、係るネットワークの媒体アクセス制御プロトコルに関する。
【背景技術】
【０００２】
ワイヤレスセンサネットワーク（ＷＳＮ）は、コンピュータが現実世界の現象を感知しかつ対話できるようにする。ＷＳＮは、環境計測、生物医学研究、人体撮像およびトラッキング、ならびに民生用途および軍事用途に使用されている。
【０００３】
ＷＳＮでは、各ノードに１つまたは複数のセンサが装備される。センサは、通常、単一の共有ワイヤレスチャネルを介して中央プロセッサに送信されるデータを取得する。これにより、媒体アクセス制御（ＭＡＣ）レイヤの設計が非常に重要になる。ノードは通常、バッテリで動作するため、ＷＳＮでの１つの重要なパフォーマンス測度（metric）はエネルギー消費である。他のパフォーマンス測度としてはスループットおよび待ち時間がある。
【０００４】
ＷＳＮ用途は、データの取得およびデータの送信に使用されるモードに従って特徴付けることができる。たとえば、気候センサは、データを常時取得するが、アラームセンサはイベントに基づく。このように特徴が異なることにより、特にセンサノードが両方のモードでデータを取得する場合には、ＭＡＣレイヤに異なる課題が課される。
【０００５】
通常、２種類のアクセスプロトコル、すなわち時分割多元接続（ＴＤＭＡ）および搬送波感知多元接続（ＣＳＭＡ）がＷＳＮにおいて主に使用される。ＴＤＭＡプロトコルには、各ノードが所定の時間枠中にデータを送信するため、衝突のない通信という利点がある。しかし、ＴＤＭＡプロトコルは、割り当てられる時間枠の調整を必要とする。通常、これには、或る種のインフラストラクチャが必要であり、アドホック型ＷＳＮまたは動的ＷＳＮには適さない。ＣＳＭＡプロトコルは、いずれのインフラストラクチャも必要としない。しかし、ノードの密度に伴って衝突の可能性が増す。衝突はエネルギー消費を増大させ、スループットを低減させる。
【０００６】
ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ規格の分散制御機能（ＤＣＦ）であるＩＥＥＥ８０２．１１「Wireless LAN medium access control (MAC) and physical layer (phy) specifications」１９９９は、フォーウェイ（ＲＴＳ／ＣＴＳ／ＤＡＴＡ／ＡＣＫ）ハンドシェイキングを使用するコンテンションベースのプロトコルである。各ノードは、まずチャネルを監視し、チャネルが空いている場合にだけ受信器との通信を開始することによって、媒体を争奪する。チャネルの監視はエネルギーを消費する。また、ネットワークの密度が高くなるほど衝突が発生しやすくなる。
【０００７】
センサＭＡＣ（Ｓ−ＭＡＣ）プロトコルは、各ノードにおいて定期的にスリープ期間を使用することによって、スループットおよび待ち時間に関してエネルギー消費を低減する。互いの送信範囲内にあるノードは、スリープ期間に従ってそれ自体を同期させる。エネルギー消費は低減するが、ノードに送信が許される時間枠が短いため、その間の衝突の確率が増す。さらに、固定のスリープ期間はイベントベースのセンサに適さない。Ye他著「An Energy Efficient MAC Protocol for Wireless Sensor Networks」Proc. INFOCOM' 02, June 2002を参照されたい。
【０００８】
エネルギーを意識したＴＤＭＡベースのＭＡＣプロトコルを、クラスタおよびゲートウェイで構成することができる。各ゲートウェイは、クラスタベースの中央ネットワークマネージャとして働き、ノードの送信要件に基づいてＴＤＭＡフレーム内のスロットを割り当てる。Journal of Computer Networksに刊行予定のArisha他著「Energy-aware TDMA-based MAC for sensor networks」を参照されたい。
【０００９】
ＩＥＥＥ８０２．１５．４規格もまた、低データレートワイヤレスセンサネットワークに使用することができる。この規格は、互いに重ならない２つの期間、すなわちアクセスコンテンション期間およびコンテンションフリー期間を有するスーパーフレーム構造を使用する。ネットワークはクラスタ化されるものと想定され、各クラスタヘッダがフレーム構造を同報通信し、コンテンションフリー期間中に、優先されるトラフィックに時間枠を割り振る。コンテンション期間中、ノードはＣＳＭＡ／ＣＡを使用してチャネルにアクセスする。
【００１０】
レート制御法も媒体アクセスの統制に使用することができる。しかし、この解決策は、低データレートを有する高密度ＷＳＮには不適である。Woo他著「A transmission control scheme for media access in sensor networks」Proc. ACM Mobicom '01, July 2001を参照されたい。
【００１１】
別の衝突のないＭＡＣプロトコルは、タイムスロット構造に基づく。Rajendran他著「Energy-Efficient, Collision-Free Medium Access Control for Wireless Sensor Networks」Proc. ACM SenSys 03, November 2003を参照されたい。このシステムは、各ノードのトラフィック要件に基づく分散選択方式を使用して、ノードが送信に使用すべきタイムスロットを判断する。各ノードは、あらゆる２ホップ隣接ノードに関する情報およびランダムアクセス期間中の各ノードのトラフィック情報を取得する。この情報に基づいて、各ノードは優先度を決め、どのタイムスロットを使用すべきかを決定する。送信または受信するパケットがいずれもないノードは、特定のタイムスロット中、スリープする。このプロトコルは許容できる遅延で高い送信比率を有するが、プロトコルのパフォーマンスは、各ノードにおける２ホップ隣接情報に依存する。この情報はシグナリングを通して収集されるため、エネルギー消費は、高密度ネットワークの場合に大幅に増大する。これはまた、衝突による不完全な隣接情報にも繋がり得る。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１２】
ワイヤレスセンサネットワーク（ＷＳＮ）は、低エネルギー消費および分散ネットワーキング要件を特徴とする。本発明は、ノードがデータを定期的に送信または受信する高密度ＷＳＮに適する。本発明は分散フレーム構造を使用する。この構造は、インフラストラクチャなしでのセンサノードの調整を提供する。
【００１３】
分散フレームベースのＭＡＣプロトコル（ＤＦＢ−ＭＡＣ）は、コンテンションベースのプロトコルの堅牢性および分散性を、フレームベースのプロトコルの高スループットおよびエネルギー効率と組み合わせる。
【００１４】
ノードが、受動的にチャネルを監視することにより、いつパケットを送信することが可能であるかを判断する。監視により、空きタイムスロットおよび他のノードによって占有されているタイムスロットが明らかになる。本発明では、いずれのスケジューリング情報もノード間で共有する必要がない。
【００１５】
本発明によるＤＦＢ−ＭＡＣは、センサネットワークにおいて使用される代表的な従来技術による分散ＭＡＣプロトコルであるＩＥＥＥ８０２．１１ｂ分散制御機能（ＤＣＦ）と比較した場合に、大幅なエネルギー節減を実現する。
【００１６】
ＤＦＢ−ＭＡＣは、エネルギー消費を低減するのみならず、インテリジェントスケジューリングを用いることによってより高い効率も提供する。ＤＦＢ−ＭＡＣは許容できる待ち時間パフォーマンスを有し、高密度ＷＳＮに適する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、ワイヤレスセンサネットワークに分散フレームベースの媒体アクセス制御プロトコルを提供する。このプロトコルは効率的であり、エネルギー消費および待ち時間を最小限に抑える。このプロトコルでは、各ノードが、それ自体の送信スケジュールを、他のノードとは別個に、決定して保持する。したがって、このプロトコルは、クラスタ化または他の或る種のインフラストラクチャを必要としない。
【００１８】
実験により、本発明によるＤＦＢ−ＭＡＣプロトコルは、エネルギー効率およびスループットに関して、同様に分散ＭＡＣプロトコルである従来のＩＥＥＥ８０２．１１プロトコルよりも良好なパフォーマンスを有することが示されている。
【００１９】
ＤＦＢ−ＭＡＣプロトコルは、ＩＥＥＥ８０２．１１規格に基づいたプロトコルと比較した場合、最大で１００％の効率向上を提供する。このプロトコルのエネルギー消費は、ＩＥＥＥ８０２．１１に基づくものよりも２桁低い。したがって、本発明は、希少な資源が効率的に消費されるように、センサノードの送信スケジューリングを分散して調整することにより、スループットの増大およびエネルギー節減の両方を実現する。ＤＦＢ−ＭＡＣはまた、ＩＥＥＥ８０２．１１と同等の待ち時間も実現し、これにより、待ち時間が制約条件ではない用途に適したものになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１は、本発明による高密度ワイヤレスセンサネットワーク（ＷＳＮ）１００を示す。ＷＳＮ１００は、複数のセンサノード１０１、および中央処理ノード１１０を備える。ノードは限られた送信範囲１０２を有する。したがって、遠隔ノードが、中間ノードおよび単一の共有ワイヤレス通信チャネルを通る経路１０３を経由して、データを処理ノード１１０に送信することが必要である。ネットワークは静的であってもよく、またはアドホック型であってもよい。さらに、ネットワーク１００はインフラストラクチャなしで動作することが可能であり、自己構成可能である。
【００２１】
ノードは、温度、気圧、または大気環境等の環境データを取得することができる。一実施形態では、データは、固定サイズのパケットで定期的に送信される。別の実施形態では、データはイベントベースである。
【００２２】
プロトコル概観
共有チャネルへの分散アクセスを使用して、本発明によるプロトコルは信頼性の高い通信を提供する。ノードは、送信するパケットがあるときは常にチャネルを争奪する。各ノードは、パケットを送信する都度、チャネルを争奪する必要があるため、希少なエネルギー資源が消費される。したがって、コンテンション期間中に成功する確率を最大限に高めることが望ましい。
【００２３】
ノードの密度が高まるにつれ、衝突の増大により消費エネルギーはますます大きくなり得る。従来技術によるコンテンションベースのプロトコルでは、コンテンションにより、ノードはノード自身の間で調整を維持する。この調整は、暗黙的に形成されたスケジュールとして考えることができる。しかし、この暗黙的なスケジュールについての情報はノードに記憶されない。したがって、各ノードは、送信するパケットがあるときはその都度、同じ手順を経る必要がある。
【００２４】
通常、定期的なトラフィックを生成する用途の場合、このスケジュールを各ノードに保存して、後の試みにおいて衝突のない通信を提供することができる。
【００２５】
従来技術によるＴＤＭＡベースの解決策はこの原理に基づくが、インフラストラクチャおよびローカル通信マネージャが必要なことにより、クラスタ化およびエネルギー消費に関してより一層の問題が持ち込まれる。
【００２６】
図２に示すように、本発明では、分散フレーム構造２００を使用する。この構造は、ワイヤレスセンサネットワークにおける分散スケジューリング問題に対処し、ネットワーク内の各ノードがフレーム２０１を保持する。フレームは、共有チャネルから取得された情報に基づく。各ノードは、チャネルを受動的に監視し、かつ、送信する時間枠を選択することにより、フレーム２０１内の空きスロット２１０を判断する。搬送波信号を検出するには、スロット中のチャネル占有を検出することで十分である。より複雑な実施態様では、ノードはパケットをデコードして、ノードにスロットを関連付けることができる。次いで、各ノードは、あらゆるフレーム内の同じ時間枠を使用して送信し、ノードがパケットを送信または受信していない他の時間枠中は非活動状態になる、すなわち「スリープ」する。フレームのサイズおよび各フレーム中の空きスロットの数は、利用可能な帯域およびパケットサイズに依存し得る。
【００２７】
送信は、ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ規格のＲＴＳ／ＣＴＳ／ＤＡＴＡ／ＡＣＫ方式２２０に基づく。ノードは、複数のノードが同じ空き時間枠を選択した場合にはバックオフを行い、バックオフに従ってそれぞれのスロットを変更する。スケジューリングはチャネルトラフィックに基づくため、ＤＦＢ−ＭＡＣプロトコルは衝突を最小限に抑える。さらに、本発明のＤＦＢ−ＭＡＣプロトコルは、各ノードをＭＡＣレベルで同期させる必要がない。すなわち、各フレームは分散したまま保持される。したがって、シグナリングパケットを送信する必要がなく、インフラストラクチャは必要ない。
【００２８】
しかし、本発明では、ノード間の適正通信（proper communication）を確保するために、同じ送信領域内の隣接ノードが、スロットレベルで時間同期される（２３０）ものと想定する。この要件は、既存のプロトコルを使用する低データレートチャネルを有するＷＳＮの場合に満たすことができる。たとえば、Elson他著「Time synchronization for wireless sensor networks」Proc. International Parallel and Distributed Processing, Symposium, pp. 1965-1970, April 2001、Elson他著「Wireless sensor networks: A new regime for time synchronization」Proc. First Workshop on Hot Topics In Networks, October 2002、およびWang他著「A wireless time-synchronized COTS sensor platform, Part II: applications to beamforming」Proc. IEEE CAS Workshopを参照されたい。
【００２９】
図２に示すように、各ノードはフレーム２０１を保持する。フレームは時間枠２１０に分割される。各時間枠の持続期間は、固定サイズパケットの送信時間に一致する。スロットの数、すなわちフレームサイズもまた、ネットワーク１００の密度およびトラフィック属性に従って決定することができる。
【００３０】
分散フレームベースのＭＡＣプロトコル
パケットを送信しているノードは、フレーム構造内の時間枠のスケジュールを保持する。異なるノードのフレームは同期される必要がないが、フレーム内のスロットは同期させる必要がある。すなわち、異なるノードでの各フレームの開始および終了は、図示のように互いに異なり得る。ノードは、共有チャネルを監視することによってチャネル占有情報を取得する。次いで、ノードは、チャネル占有情報に従って、空き時間枠にパケットをスケジュールする。監視により、ネットワークの一部であるノードのＩＤを明らかにすることもできる。
【００３１】
図３は、プロトコルの詳細なステップ３００を示す。
【００３２】
フレーム発見３１０
各ノードが、少なくとも１つのフレーム１０２と同じ長さである所定量の時間に亘ってチャネルを受動的に監視する。
【００３３】
チャネル中の信号、たとえば搬送波信号に従って、ノードは時間枠を空きまたは占有とマークする。ノードは、パケットを、空きとマークされたタイムスロットで送信することができる。こうして、空きタイムスロットを判断することができる（３２０）。その結果、送信フレーム２０１が、共有チャネル内で入手可能な情報に基づいて構築される。
【００３４】
スロット割り振り３３０
送信フレームが構築された後、ノードは、送信フレーム２０１中の空きスロットの中から送信スロットを割り振る。この選択は、ランダムであってもよく、または或る所定の順序で行ってもよい。フレームが大きい場合、複数のスロットをノードに割り振ることが可能であってもよい。送信フレームはチャネルトラフィックに基づいて構築されるため、ノードの通信が他のノードの通信と衝突しない確率が高い。考えられる新たに入ったノードとの衝突をさらに回避するために、ノードは、ＩＥＥＥ８０２．１１ＲＴＳ／ＣＴＳ／ＤＡＴＡ／ＡＣＫ方式に基づいてフォーウェイハンドシェイキング２２０を行う。
【００３５】
各ノードは、データを送信または受信していないとき、または他の場合にスロットの割り振りを待っている（３４０）ときには「スリープ」する。
【００３６】
受信器探索３５０
ノードは受信器探索を行い、受信器が見つかる（３６０）と、それぞれの受信器に対してノードがデータを送信する意図について示す。送信用のスロットを選択した後、ノードは、各フレームのそのスロットに亘ってＲＴＳパケットを絶え間なく送信する（３７０）ことができ、したがって他のノードがそれぞれのフレームを適宜構築し、かつ更新することができる。
【００３７】
受信器が以下説明するようにフレーム更新を行った（３８０）後、送信を行う（３７０）ことができる。
【００３８】
フレーム更新３８０
センサネットワークの動的な性質により、各ノードのフレームのタイムスロットスケジューリングは、時間の経過に伴って変化し得る。送信フレーム構造を更新する（３８０）ために、各ノードは、指定された期間中、フレーム発見フェーズを行う。トラフィックの変化に応じて、送信フレームは更新され、割り振られたスロットが空いたままであることを保証する（３９０）。さらに、各ノードは、受信器探索を行っている潜在的な送信器を探索する。
【００３９】
本発明について好ましい実施形態の例として説明したが、他の様々な適合および変更を本発明の精神および範囲内で行い得ることを理解されたい。したがって、添付の特許請求の範囲の目的は、本発明の真の精神および範囲内の係る変形および変更をすべて包含することである。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明によるワイヤレスセンサネットワークの図である。
【図２】図１のネットワークと併用される分散フレーム構造のブロック図である。
【図３】図２のフレーム構造を決定する手順についての流れ図である。
【図１】
2007519282.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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