(57)【要約】【課題】各種タイプのセンサノードが混在する状況下においても柔軟に適応し低エネルギー化を図ることが可能な無線センサネットワークの通信方法の提供。【解決手段】各センサノード３は、複数のクラスタＣｉに区分されている。また、各クラスタＣｉにおいては、当該クラスタＣｉ内におけるゲートウェイ３ｂの指定を行うクラスタヘッド３ａが選定されている。クラスタヘッド３ａが、当該クラスタＣｉ内の各センサノード３の可用なエネルギー情報を収集するし、可用なエネルギーの最大のセンサノード３をゲートウェイ３ｂに選定するクラスタ内スケジューリング処理を間欠的に繰り返し実行する。そして、当該クラスタＣｉ内の各センサノード３は、各周期で選定されるゲートウェイ３ｂを通して、当該クラスタＣｉ外のセンサノード３又は基地局２とのデータの交信を行う。【選択図】図１
2008078963.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基地局と複数のセンサノードとが相互に無線交信を行い、前記基地局及び前記各センサノード間でデータの転送を行う無線センサネットワークの通信方法であって、
前記各センサノードは、一乃至複数のクラスタに区分されているとともに、各クラスタにおいては、当該クラスタ内におけるゲートウェイの選定を行うクラスタヘッドが選定されており、
前記各クラスタにおいて、
前記クラスタヘッドが、当該クラスタ内の各センサノードと通信し、各センサノードの可用なエネルギーの情報を収集するエネルギー情報収集ステップと、
当該クラスタ内のセンサノードのうち、可用なエネルギーの最も多いセンサノードをゲートウェイとして選定するゲートウェイ選定ステップと、
を有するクラスタ内スケジューリング処理を間欠的に繰り返し実行し、
当該クラスタ内の各センサノードは、各周期で選定されるゲートウェイを通して、当該クラスタ外のセンサノード又は基地局とのデータの交信を行うことを特徴とする無線センサネットワークの通信方法。
【請求項２】
前記基地局が、前記各センサノードを一乃至複数のクラスタに区分し、各クラスタ毎に１つのセンサノードをクラスタヘッドとして選定するクラスタ化ステップと、
前記各センサノードが、前記基地局により設定されたクラスタ区分に基づき自己が属するクラスタを設定し、前記基地局によりクラスタヘッドに選定されたセンサノードが、自己の動作モードをクラスタヘッドとして機能するように設定するクラスタ形成ステップと、を備え、
間欠的に繰り返し実行される前記クラスタ内スケジューリング処理は、前記クラスタ形成ステップにより形成される各クラスタにおいてそれぞれ実行されることを特徴とする請求項１記載の無線センサネットワークの通信方法。
【請求項３】
前記クラスタヘッド選定ステップは、
前記基地局が、すべてのセンサノードに対して位置情報を要求する同報メッセージ（以下「位置要求メッセージ」という。）を送信する位置要求ステップと、
各センサノードが、前記位置要求メッセージに対して基地局に位置情報を返信する位置返信ステップと、
前記基地局が、各センサノードの位置情報に基づき、各センサノードを一乃至複数のクラスタに区分し、各クラスタ内の１個のセンサノードをクラスタヘッドに選定するクラスタ設定ステップと、
前記基地局が、各センサノードが属するクラスタに関する情報の同報メッセージ（以下「クラスタ化メッセージ」という。）を配信するクラスタ化メッセージ配信ステップと、
前記クラスタヘッドに選定された各センサノードに対しクラスタヘッド選定メッセージを配信するクラスタヘッド・メッセージ配信ステップと、
を有しており、
前記クラスタ形成ステップは、
前記各センサノードが、前記クラスタ化メッセージにより指定された自己が属するクラスタを設定するクラスタ設定ステップと、
前記各センサノードのうち前記クラスタヘッド選定メッセージによりクラスタヘッドに指定されたセンサノードが、自己の動作モードをクラスタヘッドとして機能するように設定するクラスタヘッド設定ステップと、
を有することを特徴とする請求項２記載の無線センサネットワークの通信方法。
【請求項４】
基地局と複数のセンサノードとが相互に無線交信を行い、前記基地局及び前記各センサノード間でデータの転送を行う無線センサネットワークにおいて用いられるセンサノードであって、
回路駆動用の電源と、
前記電源の可用なエネルギー量を検出するエネルギー検出手段と、
前記基地局又は他のセンサノードとの間でデータの送受信を行うデータ通信手段と、
前記基地局から送信されるクラスタヘッド選定メッセージを受信すると、自己の動作モードを、クラスタヘッドの動作モード（以下「クラスタヘッドモード」という。）に設定するクラスタヘッド設定手段と、
クラスタ内の各センサノードの識別情報及びそれらの可用なエネルギー量を記憶するクラスタ・テーブルと、
自己と同じクラスタに属する他のセンサノードを前記クラスタ・テーブルに登録するノード登録手段と、
前記クラスタヘッドモードに設定された場合、前記クラスタ・テーブルに登録された他の各センサノードに対し、間欠的に繰り返しエネルギー検出要求を送信するエネルギー検出要求送信手段と、
他のセンサノードから前記エネルギー検出要求を受信した場合、前記エネルギー検出手段により検出される電源の可用なエネルギー量情報を、当該センサノードに返信するエネルギー量返信手段と、
前記エネルギー検出要求に対して他のセンサノードからエネルギー量情報の返信を受信した場合、当該センサノードの可用なエネルギー量情報を前記クラスタ・テーブルに登録するエネルギー登録手段と、
前記エネルギー検出要求に同期して、エネルギー検出手段が検出する自己の可用なエネルギー量情報を前記クラスタ・テーブルに登録する自己エネルギー登録手段と、
前記クラスタヘッドモードにおいて前記クラスタ・テーブルが更新された場合、前記クラスタ・テーブルに登録された各センサノードのうち、最も可用なエネルギー量が多いセンサノードをゲートウェイに選定するゲートウェイ選定手段と、
前記ゲートウェイ選定手段が選定したゲートウェイが他のセンサノードの場合、当該センサノードに対しゲートウェイ選定信号を送信するゲートウェイ要求手段と、
他のセンサノードから前記ゲートウェイ選定信号を受信した場合、又は自己がゲートウェイに選定された場合、自己の動作モードをゲートウェイモードに設定するゲートウェイ設定手段と、
前記ゲートウェイモードに設定された場合、クラスタ内の他のセンサノード又は他のクラスタのゲートウェイモードのセンサノードから受信される転送データを、他のクラスタのゲートウェイモードのセンサノード又は前記基地局に送信するデータ転送手段と、
を備えていることを特徴とするセンサノード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線センサネットワーク（wireless sensor network）において静的クラスタリングにより通信経路を設定し通信を行う通信方法及びそれに用いるセンサノードに関し、特に、低エネルギーで動作しネットワーク全体の電池寿命を最大限に引き延ばすことが可能な通信方法及びセンサノードに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の低エネルギー・ワイヤレス通信技術（low power wireless communication technology）の進展により、次世代の無線センサネットワークの開発が可能となった。
【０００３】
一般に、無線センサネットワークは、検出エリアの内部やその近傍に配置された非常に多くのセンサノード（sensor node）で構成される（非特許文献１参照）。センサネットワークには、自己組織化（self-organization）、協働（cooperating）、及びデータ処理（data processing）の機能が必要とされる。また、通常、ワイヤレスのセンサノードは、独立した電源で駆動されるため、使用可能なエネルギーが制限される。従って、センサネットワークでは、ネットワーク全体で、各センサノードの限られたエネルギーをどのように有効に利用し、ネットワーク全体でデータをどのように伝達させるかは、ネットワーク全体の機能継続時間、データ転送の待ち時間、及び品質に直接影響してくる問題である（非特許文献２参照）。そのため、低エネルギー通信のためのプロトコルについて、これまでいくつか提案されている（非特許文献１〜３参照）。
【０００４】
低エネルギー通信のための無線センサネットワーク・プロトコルに関しては、ネットワークのトポロジーに従って、平面トポロジー・プロトコル（flat topology protocol）と階層トポロジー・プロトコル（hierarchy topology protocol）との２種類に分類することができる（非特許文献２〜４参照）。
【０００５】
センサネットワークのクラスタ化（clustering）は、一種のセンサネットワークの階層化とみることができる。ここで、「クラスタ（cluster）」とは、協働するいくつかの近接したセンサノードの集合をいう。クラスタ化プロトコルは、静的クラスタリング（static clustering）と動的クラスタリング（dynamic clustering）の２つのカテゴリに分類される。
【０００６】
静的クラスタリングでは、ネットワークの全稼働時間に渡りクラスタが固定された状態が保たれる。一方、動的クラスタリングでは、ネットワークの稼働時間内に、適応的にクラスタの再構成が行われる。
【０００７】
低エネルギー適応クラスタリング法（Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy ：以下「LEACH」という。）は、無線センサネットワークのエネルギー消費を最小化するための動的クラスタリング・プロトコルである（特許文献１，非特許文献１，２，４参照）。LEACHのプロトコルは、いくつかのセンサノードをランダムに選択し、これをクラスタヘッド（cluster head）とする。そして、基地局（base station）と交信するためのエネルギー消費は、すべてのセンサノードに分散される。ネットワークの稼働時間は、時間ステップ（time step）又はラウンド（round）と呼ばれる固定長時間区間に分割される。各ラウンドにおけるLEACHの動作は、設定フェーズ（setup phase）と定常フェーズ（steady phase）との２つのフェーズに分けることができる。設定フェーズにおいては、いくつかのクラスタヘッドが選択され、ランダムに一時的なクラスタが構成される。定常フェーズにおいては、各センサノードは、クラスタヘッドと交信を行い、クラスタヘッドは受信したデータを融合して基地局に向けて転送する。
【特許文献１】米国特許第７，０３５，２４０号明細書
【特許文献２】特開２００２−４４００３号公報
【特許文献３】特開２００２−４４００３号公報
【特許文献４】特表２００５−５２６４１６号公報
【非特許文献１】Iian Ian F. Akyildiz, Weilian Su, Yogesh Sankarasubramaniam, and Erdal Cayirci, "A Survey on Sensor Networks", IEEE Communications Magazine, August 2002, pp. 102-114.
【非特許文献２】Ahmed A Ahmed, Hongchi Shi, and Yi Shang, "A Survey on Network Protocols for Wireless Sensor Netwroks", IEEE 2003, pp.301-305.
【非特許文献３】Jamal N. Al-Karaki, and Ahmed E. Kamal, "Routing Techniques in Wireless Sensor Networks: A Survey", IEEE Wireless Communications, December 2004.
【非特許文献４】Wendi Rabiner Heinzelman, Anantha Chandrakasan, and Hari Balakrishnan, "Energy-Efficient Communication Protocol for Wireless Microscnsor Networks", Proceedings of the 33rd Hawaii International Conference on System Sciences, 2000.
【非特許文献５】Bisaglia, P., Castle, R. and Baynham, S.H., "Channel modeling and system performance for HomePNA 2.0", IEEE Journal on SelectedAreas in Communications, Volume 20, Issue 5, June 2002, pp.913-922.
【非特許文献６】Srdan Capkun, Maher Hamdi, and Jean-Pierre Hubaus, "GPSfiree positioning in mobile Ad-Hoc networks", Proceedings of the 34th Hawaii International Conference on System Sciences, IEEE 2001.
【非特許文献７】保坂 幸治, 呉屋 健, 梅原 大祐, 川合 誠, "SOMアルゴリズムを用いたネットワークトポロジーの再現", 電気学会論文誌C, vol.122-C, no.2, pp.208-216, 2002年2月
【非特許文献８】朝倉茂, 梅原大祐, 川合誠, 「SOMアルゴリズムを用いた移動端末の分散型位置推定法」, 信学論B, Vol. J85-B, No. 7, pp.10421050, July 2002.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述の静的クラスタリングは、動的クラスタリングに比べると性能は高い。しかしながら、本質的な問題として、ホットスポット問題（hotspot problem）を内包している。「ホットスポット問題」とは、基幹センサノード(backbone sensor node)が、他のセンサノードに比べより速くエネルギーを消耗し、他のセンサより早く不機能状態（fail）に陥るという問題である。
【０００９】
一方、動的クラスタリングは、ホットスポット問題を解決するにはよい方法である。しかし、動的クラスタ化オーバーヘッド（dynamic clustering overhead）は、限られたエネルギーしか持たないセンサノードにとっては大きな負荷であり、また、動的クラスタリングの安定性は、静的クラスタリングの安定性に比べると劣る。
【００１０】
また、動的クラスタリングの一種である上述のLEACHには、次の２つの問題点がある。
【００１１】
一つ目の問題点は、すべてのクラスタヘッドが、センサネットワークのある限られた一領域に集中して割り当てられる可能性があるということである。センサネットワーク中にクラスタヘッドが存在しない領域ができると、その領域内のセンサノードは、クラスタヘッドとの交信に多くのエネルギーを消費することになる。かかる状況は、センサネットワーク全体の寿命や性能を低下させる。
【００１２】
二つ目の問題点は、ラウンドごとにクラスタが再構成されるため、クラスタの再構成の際のエネルギー消費が大きくなるとともに、無線センサネットワークの安定性を低下させることである。
【００１３】
また、無線センサネットワークは、種々のタイプのセンサノードが混在するような様々な状況下で広範に使用される。従って、このような様々な状況下でも、柔軟に適応してセンサネットワークの低エネルギー化を図っていく必要がある。
【００１４】
そこで、本発明の目的は、上記静的クラスタリング及び動的クラスタリングにおける問題を解決するとともに、種々のタイプのセンサノードが混在するような様々な状況下においても、柔軟に適応し低エネルギー化を図ることが可能な無線センサネットワークの通信方法及びそれに用いるセンサノードを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
〔１〕原理
〔１−１〕低エネルギー静的クラスタリング法
これまでに、数々の無線センサネットワークのためのプロトコルが提案されているが、それらの殆どは、無線センサネットワークを構成するセンサノードのタイプは１種類のみであるようなごく簡単な状況を前提としている。しかしながら、実際には、多くの無線センサネットワークにおいては、様々なタイプのセンサノードが互いに結びついて協働している。このような状況においては、各センサノードのエネルギー消費のばらつきも考慮に入れておく必要がある。
【００１６】
そこで、まず、前提として、次のような動作環境を仮定する。
（１）同時刻にすべてのセンサノードが稼働するようなことは滅多に起こらない。
（２）すべてのセンサノードは均質で、駆動のために使用可能なエネルギーが制限されている。
（３）異なるタイプのセンサノードに対するエネルギー消費は異なる。
（４）基地局（base station）は、商用電源などのエネルギー供給源に接続されけい続的にエネルギー供給が行われ、また無線センサネットワークの外側に位置している。
（５）ネットワークの安定性が高度に要求されている。
（６）いったん、ある割合のセンサノードが不機能状態（fail）となると、無線センサネットワーク全体が不機能状態となったものとする。
【００１７】
かかる状況では、無線センサネットワークは、各センサノードのエネルギー消費を抑える必要があり、エネルギー消費の分配を各センサに等しく割り当てるとともに、ネットワーク全体の高い安定性を保たなければならない。
【００１８】
そこで、本発明においては、低エネルギー静的クラスタリング法（Low-Energy Static Clustering Scheme：LESCS）という新たな手法を用いる。
【００１９】
LESCSにおける稼働期間は、中央集権ネットワーク・クラスタリング計算フェーズ（centralist network clustering calculation phase）、クラスタ形成フェーズ（cluster formation phase）、及びクラスタ内スケジューリング・フェーズ（intra-cluster scheduling phase）の３つのフェーズに分けることができる。
【００２０】
中央集権ネットワーク・クラスタリング計算フェーズ及びクラスタ形成フェーズは、センサネットワークの初期化のときのみ実行される。いったん、ネットワーク・クラスタが形成されてしまうと、センサネットワーク全体が不機能状態（fail）となるまで、無線センサネットワークは３番目のフェーズ（クラスタ内スケジューリング・フェーズ）を繰り返し実行する。
【００２１】
第１のフェーズは、中央集権ネットワーク・クラスタリング計算フェーズである。データ情報には常に位置情報が付加されるので（非特許文献５，６）、センサネットワークの外部にある基地局が最適なネットワーク・トポロジの計算（クラスタリング計算）を行うのは容易である。また、基地局は、各クラスタに対して、１つのセンサノードをクラスタヘッドとする。クラスタとクラスタヘッドは、最初に１度だけ決められ、変更はされない。基地局は、その結果をセンサネットワーク全体に同報メッセージ（broadcast message）として送信する。以下、この同報メッセージを「クラスタ化メッセージ」と呼ぶ。クラスタリング計算の結果の例を図１に示す。
【００２２】
第２のフェーズは、クラスタ形成フェーズである。基地局からの同報メッセージに基づいて、各センサノードは、自己の位置からクラスタ中心（cluster center）までの距離が最も短いクラスタを、自己が所属するクラスタに選定する。各クラスタのクラスタヘッドは、当該クラスタ内のすべてのセンサノードの位置とエネルギー情報とを記憶する。そして、クラスタヘッドは、クラスタ内の各センサノードに０〜ｋ−１（ｋはクラスタ内のセンサノード数）までの連番を割り振る。この連番は、後のスケジューリングで利用される。また、クラスタヘッドは、それぞれのセンサノードの利用可能なエネルギーの情報を記憶する。
【００２３】
ここで、静的クラスタリング・プロトコルがどのように実行されるのかを簡単に説明しておく。図１は、ＬＥＳＣＳにおいて、情報源センサノードから基地局まで、どのようにしてデータが転送されるのかを示している。図１の左上隅のクラスタ内のセンサノードは、そのクラスタのゲートウェイ（gateway）にデータを送る。ゲートウェイは、各センサノードからのデータを融合し、隣接するクラスタのゲートウェイに転送する。このようなマルチホップ（multi hops）を通じて、融合されたデータは最終的に基地局まで転送される。
【００２４】
このマルチホップの間、各ゲートウェイはデータ収集を行い、データを融合し転送する。従って、ゲートウェイとなるセンサノードは、明らかに他のセンサノードに比べ、遙かに早期にエネルギーを消耗する。もし、あるセンサノードがゲートウェイとして機能するならば、そのセンサノードは他のセンサノードよりも遙かに速く不機能状態（fail）に陥る。このような現象は、ホットスポット問題と呼ばれ、上述したように、従来から静的クラスタリング・プロトコルで問題となっている。この問題を解決するために、LESCSにおいては、ダイナミックにゲートウェイの割り当てを変更する第３のフェーズを実施する。
【００２５】
第３のフェーズは、クラスタ内スケジューリング・フェーズである。このクラスタ内スケジューリング・フェーズは、間欠的に繰り返すループ処理として実施される。各ループは、時間ステップ（time step）又はラウンド（round）と呼ばれる固定された時間長で行われる。各ラウンドにおいて、クラスタヘッドは、そのクラスタ内で最も利用可能なエネルギーが残存しているセンサノードをゲートウェイに選定する。
【００２６】
例えば、図２は、あるラウンドにおいて、２個の隣接するクラスタ間のゲートウェイの割り当てと、データ転送を示している。クラスタ１のセンサノード（C1,3）は、クラスタ１のゲートウェイとして機能する。クラスタ１内のすべてのセンサノードのデータは、センサノード（C1,3）に転送される。そして、センサノード（C1,3）は、各データを融合し、クラスタ２のゲートウェイ（C2,2）に転送する。
【００２７】
図２に示されたエネルギーレベルを見ると、センサノード（C1,3）は、クラスタヘッド（C1,0）及びクラスタ１内の他のセンサノード（例えば、センサノード（C1,2））よりも速くエネルギーを消費している。第３のフェーズの最適化を行わないとすれば、このセンサノード（C1,3）が他のセンサノードよりも速く不機能状態に陥ることは明らかである。
【００２８】
図３に、図２の状態から１ラウンドが経過した後の無線センサネットワークの状態を示す。この状態では、センサノード（C1,2）がクラスタ１のゲートウェイに割り当てられている。
【００２９】
ゲートウェイとして働くため、センサノード（C1,2）は他のセンサノードよりも速くエネルギーを消費する。しかしながら、ラウンド終了時のセンサノード（C1,2）の利用可能なエネルギーは、センサノード（C1,3）とほほ同等である。このように、ダイナミックにゲートウェイの割り当てを変更することで、各センサノードのエネルギー消費のバランスをとることができる。
【００３０】
クラスタ内スケジューリング・フェーズにおけるスケジューリングは、ゲートウェイとして機能する際に必要となる大きなエネルギー消費を、すべてのセンサノードに平等に分配することが可能となる。これにより、ホットスポットの問題と、無線センサネットワーク全体の寿命の問題を解決することができる。
【００３１】
尚、ゲートウェイの割り当てに関する詳しい手順は次の通りである。
【００３２】
（１）第１ステップでは、クラスタヘッドは、クラスタ内のそれぞれのセンサノードの利用可能なエネルギーを予測する。
【００３３】
（２）そして、第２ステップでは、クラスタヘッドは、最も多くのエネルギーが残存しているセンサノードをゲートウェイに選定する。その後、クラスタヘッドは、クラスタ内のすべてのセンサノードに、その選定結果を送信する。もし、先に選択されたセンサノードよりも残存する利用可能なエネルギーの多いセンサノードがある場合には、クラスタヘッドはゲートウェイの選択を変更し、新たなセンサノードがゲートウェイとして割り当てられる。これにより、予測された利用可能なエネルギーの最も多いセンサノードがゲートウェイとなる。
【００３４】
尚、場合によっては、クラスタヘッド自身がゲートウェイとして選択される場合もある。なぜなら、クラスタヘッドとして働くための追加的なエネルギー消費は、ゲートウェイとして働くための追加的なエネルギー消費に比べると遙かに小さいからである。これが、クラスタヘッドを固定したセンサノードに割り当てることができる理由でもある。
【００３５】
〔１−２〕エネルギー解析及び評価
上記LESCSを用いた場合の無線センサネットワークのエネルギー消費を解析するため、転送モード及び受信モードにおけるエネルギー消費を考慮した、センサノードの無線通信特性についての仮定を行う。ここでは、簡単なモデルとして、無線通信では、転送又は受信回路の動作にEelec=50 nJ/bitのエネルギー消費があり、送信アンプにおいてεamp=100 pJ/bit/m2のエネルギー消費があると仮定する（非特許文献４参照）。この場合、送信距離dをＫ-bitのメッセージを送信するためのエネルギー消費は、次式（１）のようになる。
【００３６】
【数１】
2008078963.tif 000003
【００３７】
また、メッセージの受信のために消費されるエネルギーERは、次式（２）のようになる。
【００３８】
【数２】
2008078963.tif 000004
【００３９】
今、無線センサネットワークには、異なる送信レート1000 bit/round, 2000 bit/round 及び3000 bit/roundの３つのタイプのセンサノードがあると仮定し、それぞれ、タイプ１，タイプ２，タイプ３と呼ぶ。式（１），式（２）によれば、ゲートウェイではない間の各タイプのセンサノードの各ラウンドにおけるエネルギー消費E1, E2, E3は、それぞれ次式（３）（４）（５）のようになる。
【００４０】
【数３】
2008078963.tif 000005
ここで、dはクラスタ内の各センサノードとゲートウェイとの間の距離である。
【００４１】
また、ゲートウェイとして機能する場合のセンサノードのエネルギー消費Egatewayは、次式（６）のようになる。
【００４２】
【数４】
2008078963.tif 000006
ここで、Dは異なるクラスタのゲートウェイ間の距離、m1は各クラスタ内の全データレート、m2はゲートウェイでデータ融合を行いマルチホップを通じて基地局に転送したときの全データレートである。
【００４３】
シミュレーションでは、100個のセンサネットワークをランダムに生成した。100個のセンサの位置は、100×100 m2の方形領域内にランダムにとった。タイプ１のセンサノード（1000 bit/round）の数は50個、タイプ２のセンサノード（2000 bit/round）の数は30個、タイプ３のセンサノード（3000 bit/round）の数は20個とした。また、各センサの初期エネルギーは1.0 Jとした。
【００４４】
性能の評価に当たっては、次の２つのパラメータを考慮する。第１のパラメータは、最初にセンサノードの不機能状態（fail）が発生したときのラウンド数である。第２のパラメータは、センサネットワーク内のすべてのセンサノードの平均寿命である。
【００４５】
図４は、100×100 m2の矩形領域における1.0 J/nodeの無線センサネットワークを用いて行った、LESCS及びLEACHによるシミュレーション結果である。図４において、横軸はラウンド数を表し、縦軸は機能状態にあるセンサノードの数である。
【００４６】
図４から分かるように、LESCSは、最初にセンサノードの不機能状態が発生するまでのラウンド数のみならず、ネットワーク内のセンサノード全体の平均寿命においても、LEACHよりも優れた性能を示すことが分かる。最初にセンサノードの不機能状態が発生するまでのラウンド数は、LESCSがLEACHよりも遙かに遅くなる。また、最後に残ったセンサノードが不機能状態となるまでのラウンド数は、LESCSとLEACHとでほぼ同じである。以上の結果から、LESCSはLEACHよりも、無線センサネットワーク全体を長期間にわたって正常に動作させることができることが証明される。
【００４７】
〔２〕本発明の構成及び作用
本発明の無線センサネットワークの通信方法の第１の構成は、基地局と複数のセンサノードとが相互に無線交信を行い、前記基地局及び前記各センサノード間でデータの転送を行う無線センサネットワークの通信方法であって、
前記各センサノードは、一乃至複数のクラスタに区分されているとともに、各クラスタにおいては、当該クラスタ内におけるゲートウェイの選定を行うクラスタヘッドが選定されており、
前記各クラスタにおいて、
前記クラスタヘッドが、当該クラスタ内の各センサノードと通信し、各センサノードの可用なエネルギーの情報を収集するエネルギー情報収集ステップと、
当該クラスタ内のセンサノードのうち、可用なエネルギーの最も多いセンサノードをゲートウェイ（gateway）として選定するゲートウェイ選定ステップと、
を有するクラスタ内スケジューリング処理（intra-cluster scheduling process）を間欠的に繰り返し実行し、
当該クラスタ内の各センサノードは、各周期で選定されるゲートウェイを通して、当該クラスタ外のセンサノード又は基地局とのデータの交信を行うことを特徴とする。
【００４８】
この構成により、センサネットワーク内でのクラスタは、最初に構成されておりネットワークの稼働中は固定されているため（静的クラスタリング手法を採るため）、クラスタ再構成の際のエネルギー消費の増大や、無線センサネットワークの安定性の低下といった問題は生じない。
【００４９】
また、ネットワークの稼働中は、クラスタ内スケジューリング処理を間欠的に繰り返し実行することにより、クラスタ内のゲートウェイは、各ラウンドごとに最も可用なエネルギーの多いセンサノードに動的に割り当てられる。従って、ネットワークの稼働時間全体を通して、エネルギー消費の大きいゲートウェイの負荷は各センサノードに分散される。そのため、特定のセンサノードのみが早期に不機能状態（fail）に陥る事態が回避され、ホットスポット問題を回避することができる。また、ネットワーク全体の寿命や性能も高めることが可能となる。
【００５０】
ここで、「センサノードの可用なエネルギー」とは、センサノードの電源に蓄えられた利用可能なエネルギー（電力量等）をいう。クラスタヘッドは、クラスタヘッドと各センサノードとの間で通信を行うことにより、可用なエネルギーの情報を収集する。また、クラスタ内スケジューリング処理は「間欠的に繰り返し実行」されるが、これは、一定の時間ごとに繰り返し実行してもよいし、不均一な時間間隔で間欠的に繰り返し実行してもよい。
【００５１】
本発明の無線センサネットワークの通信方法の第２の構成は、前記第１の構成において、前記基地局が、前記各センサノードを一乃至複数のクラスタに区分し、各クラスタ毎に１つのセンサノードをクラスタヘッドとして選定するクラスタ化ステップと、
前記各センサノードが、前記基地局により設定されたクラスタ区分（cluster division）に基づき自己が属するクラスタを設定し、前記基地局によりクラスタヘッドに選定されたセンサノードが、自己の動作モードをクラスタヘッドとして機能するように設定するクラスタ形成ステップと、を備え、
間欠的に繰り返し実行される前記クラスタ内スケジューリング処理は、前記クラスタ形成ステップにより形成される各クラスタにおいてそれぞれ実行されることを特徴とする。
【００５２】
この構成によれば、ネットワークの稼働初期の段階で、クラスタ化ステップ及びクラスタ形成ステップを実行し、ネットワークの状態に適応してクラスタ化とクラスタヘッドの選択が行われる。クラスタ化は、基地局が中央集権的に行うため、ネットワーク全体の形状を考慮して適宜クラスタ化を行うことが可能である。また、クラスタヘッドの指定も基地局が中央集権的に行う。従って、すべてのクラスタヘッドが、センサネットワークのある限られた一領域に集中して割り当てられるといった事態を回避することができる。
【００５３】
本発明の無線センサネットワークの通信方法の第３の構成は、前記第２の構成において、前記クラスタヘッド選定ステップは、
前記基地局が、すべてのセンサノードに対して位置情報（position information）を要求する同報メッセージ（broadcast message）（以下「位置要求（position request）メッセージ」という。）を送信する位置要求ステップと、
各センサノードが、前記位置要求メッセージに対して基地局に位置情報を返信する位置返信ステップと、
前記基地局が、各センサノードの位置情報に基づき、各センサノードを一乃至複数のクラスタに区分し、各クラスタ内の１個のセンサノードをクラスタヘッドに選定するクラスタ設定ステップと、
前記基地局が、各センサノードが属するクラスタに関する情報の同報メッセージ（以下「クラスタ化メッセージ」という。）を配信するクラスタ化メッセージ配信ステップと、
前記クラスタヘッドに選定された各センサノードに対しクラスタヘッド選定メッセージを配信するクラスタヘッド・メッセージ配信ステップと、
を有しており、
前記クラスタ形成ステップは、
前記各センサノードが、前記クラスタ化メッセージにより指定された自己が属するクラスタを設定するクラスタ設定ステップと、
前記各センサノードのうち前記クラスタヘッド選定メッセージによりクラスタヘッドに指定されたセンサノードが、自己の動作モードをクラスタヘッドとして機能するように設定するクラスタヘッド設定ステップと、を有することを特徴とする。
【００５４】
この構成によれば、基地局は位置要求メッセージを各センサノードに配信し、各センサノードの位置情報を収集した上でクラスタ化を行う。これにより、ネットワークの形状に応じてクラスタ分割を行うことができるため、極端に遠距離の通信を強いられるセンサノードが現れることを防止できる。
【００５５】
ここで、「位置情報」とは、各センサノードの位置を示す情報をいい、絶対的位置（ＧＰＳなどにより測位される座標等）の情報であるか相対的位置（他のセンサノード又は基地局に対する相対的な位置）の情報であるかを問わない。また、位置情報は、必ずしも正確な座標である必要はなく、ネットワーク・トポロジが推定できる程度のものであればよい。各センサノードが位置情報を取得する場合には、公知の方法を利用することができる。例えば、相対位置情報を取得する場合には、GPS free positioningによる手法（非特許文献６参照）や自己組織化マップ（Self-organization maps：SOM）による手法（非特許文献７，８参照）などを利用することができる。
【００５６】
本発明の無線センサネットワークのセンサノードの構成は、基地局と複数のセンサノードとが相互に無線交信を行い、前記基地局及び前記各センサノード間でデータの転送を行う無線センサネットワークにおいて用いられるセンサノードであって、
回路駆動用の電源と、
前記電源の可用なエネルギー量を検出するエネルギー検出手段と、
前記基地局又は他のセンサノードとの間でデータの送受信を行うデータ通信手段と、
前記基地局から送信されるクラスタヘッド選定メッセージを受信すると、自己の動作モードを、クラスタヘッドの動作モード（以下「クラスタヘッドモード」という。）に設定するクラスタヘッド設定手段と、
クラスタ内の各センサノードの識別情報及びそれらの可用なエネルギー量を記憶するクラスタ・テーブルと、
自己と同じクラスタに属する他のセンサノードを前記クラスタ・テーブルに登録するノード登録手段と、
前記クラスタヘッドモードに設定された場合、前記クラスタ・テーブルに登録された他の各センサノードに対し、間欠的に繰り返しエネルギー検出要求を送信するエネルギー検出要求送信手段と、
他のセンサノードから前記エネルギー検出要求を受信した場合、前記エネルギー検出手段により検出される電源の可用なエネルギー量情報を、当該センサノードに返信するエネルギー量返信手段と、
前記エネルギー検出要求に対して他のセンサノードからエネルギー量情報の返信を受信した場合、当該センサノードの可用なエネルギー量情報を前記クラスタ・テーブルに登録するエネルギー登録手段と、
前記エネルギー検出要求に同期して、エネルギー検出手段が検出する自己の可用なエネルギー量情報を前記クラスタ・テーブルに登録する自己エネルギー登録手段と、
前記クラスタヘッドモードにおいて前記クラスタ・テーブルが更新された場合、前記クラスタ・テーブルに登録された各センサノードのうち、最も可用なエネルギー量が多いセンサノードをゲートウェイに選定するゲートウェイ選定手段と、
前記ゲートウェイ設定手段が選定したゲートウェイが他のセンサノードの場合、当該センサノードに対しゲートウェイ選定信号を送信するゲートウェイ要求手段と、
他のセンサノードから前記ゲートウェイ選定信号を受信した場合、又は自己がゲートウェイに選定された場合、自己の動作モードをゲートウェイモードに設定するゲートウェイ設定手段と、
前記ゲートウェイモードに設定された場合、クラスタ内の他のセンサノード又は他のクラスタのゲートウェイモードのセンサノードから受信される転送データを、他のクラスタのゲートウェイモードのセンサノード又は前記基地局に送信するデータ転送手段と、を備えていることを特徴とする。
【００５７】
この構成によれば、基地局からクラスタヘッド選定メッセージを受信すると、自己のセンサノードの動作モードがクラスタヘッドモードに設定される。
【００５８】
次に、センサノードは、他のセンサノードと協働して、以下の（１）〜（３）のようなクラスタ内スケジューリング処理を間欠的に繰り返し行う。
【００５９】
（１）クラスタヘッドモードに設定されたセンサノード（以下「クラスタヘッド」という。）は、エネルギー検出要求手段は、クラスタ内の他の各センサノードに対して間欠的に繰り返しエネルギー検出要求を送信する。各センサノードは、エネルギー検出要求を受信すると、エネルギー量返信手段が、当該センサノードの電源の可用なエネルギー量情報をクラスタヘッドに返信する。
【００６０】
（２）クラスタヘッドは、各センサノードからエネルギー量情報を受信すると、エネルギー登録手段が、当該センサノードのエネルギー量情報をクラスタ・テーブルに登録する。また、自己エネルギー登録手段が、自己の可用なエネルギー量をクラスタ・テーブルに登録する。
【００６１】
（３）クラスタヘッドは、ゲートウェイ選定手段は、クラスタ・テーブルに登録された各センサノードの可用なエネルギー量を比較し、可用なエネルギー量が最も多いセンサノードをゲートウェイに選定する。そして、ゲートウェイ要求手段は、ゲートウェイに選定されたセンサノードに対してゲートウェイ選定信号を送信する。ゲートウェイに選定されたセンサノードは、ゲートウェイ選定信号を受信すると、自己の動作モードをゲートウェイモードに設定する。
【００６２】
各センサノードは、ゲートウェイモードに設定されたセンサノード（以下「ゲートウェイ」という。）を介して、クラスタ外のセンサノード又は基地局とデータ送信を行う。ゲートウェイは、クラスタ内の他のセンサノードからデータを受信すると、他のクラスタのゲートウェイモードのセンサノード又は前記基地局に送信する。
【００６３】
このように、クラスタ内スケジューリング処理を間欠的に繰り返し行うことで、各ラウンドで最も可用なエネルギー量が大きいセンサノードがゲートウェイに選択される。従って、クラスタ内の各センサノードはほぼ均等な速さでエネルギーを消耗し、ネットワークの平均的な電池寿命が長く、ホットスポット問題が生じることもない。
【００６４】
ここで、「センサノードの識別情報」とは、各センサノードを識別するための情報をいい、例えば、センサノードの位置情報、センサノードのIDなどである。
【発明の効果】
【００６５】
以上のように、本発明に係る無線センサネットワークの通信方法及びセンサノードによれば、静的クラスタリング手法を採るため、クラスタ再構成の際のエネルギー消費の増大や、無線センサネットワークの安定性の低下といった問題は生じない。また、ネットワークの稼働中は、クラスタ内スケジューリング処理を間欠的に繰り返し実行することにより、各クラスタのゲートウェイが動的に切り替えられるため、各クラスタ内の各センサノードのエネルギー消耗速度はほぼ均質となる。従って、ホットスポット問題は生じず、ネットワークの電池平均寿命を最大限に延ばすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６６】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００６７】
（１）無線センサネットワークの構成
図１は、本発明の実施例１に係る無線センサネットワーク１の構成を表す図である。無線センサネットワーク１は、基地局２と複数のセンサノード３を備えている。基地局２と各センサノード３は、無線により互いに交信が可能である。また、基地局２は、商用電源等の外部電源に接続されており、外部から連続してエネルギーの供給を受けることができる。一方、各センサノード３は、各々、電池１２を備えており、電池１２に蓄えられたエネルギーにより駆動する。
【００６８】
また、センサノード３は、クラスタヘッド３ａ、ゲートウェイ３ｂ、及びその他のセンサノード３ｃに分類される。尚、クラスタヘッド３ａとゲートウェイ３ｂとが同じセンサノードとなる場合もあるが、ここの説明では便宜上分けて呼ぶことにする。
【００６９】
各センサノード３が構成する無線センサネットワーク１は、先に説明したクラスタ形成フェーズの処理を実行することで、複数のクラスタに区分される。図１においては、無線センサネットワーク１は、９つのクラスタＣ１〜Ｃ９に区分されている。また、図１では、各クラスタのクラスタ中心４を記号「＋」により示す。
【００７０】
（２）センサノード３の構成
図５は、各センサノード３の機能構成を示すブロック図である。
【００７１】
センサノード３は、データ通信手段１１、電池１２、センサ１３、データ記憶手段１４、クラスタ・テーブル１５、データ転送手段１６、位置検出手段１７、エネルギー検出手段１８、自己エネルギー登録手段１９、エネルギー検出要求送信手段２０、エネルギー量返信手段２１、エネルギー登録手段２２、クラスタ設定手段２３、クラスタヘッド設定手段２４、ノード登録手段２５、ゲートウェイ選定手段２６、ゲートウェイ要求手段２７、及びゲートウェイ設定手段２８を備えている。
【００７２】
データ通信手段１１は、外部との無線通信を行う通信モジュールである。電池１２は、センサノード３内の各回路を駆動するための電気エネルギーを蓄電する。センサ１３は、温度センサ、振動センサ等の各種センサであり、用途に応じて選ばれる。
【００７３】
データ記憶手段１４は、センサ１３で検出された検出データや、他のセンサノード３から受信したデータなどを一時的に記憶するメモリである。
【００７４】
クラスタ・テーブル１５は、センサノード３が属するクラスタ内の各センサノード３の識別情報及びそれらの可用なエネルギー量を記憶するメモリである。
【００７５】
位置検出手段１７は、GPS free positioningによる手法（非特許文献６参照）や自己組織化マップ（Self-organization maps：SOM）による手法（非特許文献７，８参照）などの各種手法により、センサノード３の相対的な位置関係の推定を行う。
【００７６】
エネルギー検出手段１８は、電池１２の可用なエネルギー量を検出する。エネルギー検出要求送信手段２０は、センサノード３がクラスタヘッド３ａに設定された場合、クラスタ・テーブル１５に登録された他の各センサノード３に対し、間欠的に繰り返しエネルギー検出要求を送信する。エネルギー量返信手段２１は、他のセンサノード３からエネルギー検出要求を受信した場合、エネルギー検出手段１８により検出される電池１２の可用なエネルギー量情報を、当該センサノード３に返信する。エネルギー登録手段２２は、エネルギー検出要求に対して他のセンサノード３からエネルギー量情報の返信を受信した場合、当該センサノード３の可用なエネルギー量情報をクラスタ・テーブル１５に登録する。自己エネルギー登録手段１９は、上記エネルギー検出要求送信手段２０のエネルギー検出要求の送信に同期して、エネルギー検出手段１８が検出する自己の可用なエネルギー量情報をクラスタ・テーブル１５に登録する。
【００７７】
クラスタ設定手段２３は、基地局２から配信されるクラスタ化メッセージに基づいて、自己の所属するクラスタ番号を設定する。クラスタヘッド設定手段２４は、基地局２から送信されるクラスタヘッド選定メッセージを受信すると、自己の動作モードを、クラスタヘッドモードに設定する。センサノード３は、クラスタヘッドモードに設定された場合には、そのクラスタのクラスタヘッド３ａとして機能する。
【００７８】
ノード登録手段２５は、自己と同じクラスタに属する他のセンサノード３の識別情報（相対位置情報等）をクラスタ・テーブル１５に登録する。
【００７９】
ゲートウェイ選定手段２６は、動作モードがクラスタヘッドモードである場合においてクラスタ・テーブル１５が更新された場合、クラスタ・テーブル１５に登録された各センサノード３のうち、最も可用なエネルギー量が多いセンサノード３をゲートウェイ３ｂに選定する。ゲートウェイ要求手段２７は、ゲートウェイ選定手段２６が選定したゲートウェイ３ｂが他のセンサノード３の場合、当該センサノード３に対しゲートウェイ選定信号を送信する。ゲートウェイ設定手段２８は、他のセンサノード３からゲートウェイ選定信号を受信した場合、又はゲートウェイ選定手段２６により自己がゲートウェイ３ｂに選定された場合、自己の動作モードをゲートウェイモードに設定する。センサノード３は、動作モードがゲートウェイモードに設定された場合、ゲートウェイ３ｂとして機能する。また、同じセンサノード３に対してクラスタヘッドモードとゲートウェイモードを同時に設定することも可能である。
【００８０】
データ転送手段１６は、動作モードがゲートウェイモードに設定された場合、クラスタ内の他のセンサノード３又は他のクラスタのゲートウェイ３ｂから受信される転送データを、他のクラスタのゲートウェイ３ｂ又は基地局２に送信する。
【００８１】
（３）基地局２の構成
図６は、基地局２の機能構成を示すブロック図である。基地局２は、データ通信手段３１、位置情報テーブル３２、位置要求手段３３、クラスタ設定手段３４、クラスタ化メッセージ配信手段３５、クラスタヘッド設定手段３６、及びクラスタヘッド・メッセージ配信手段３７を備えている。尚、基地局２は、各センサノード３から転送されるデータの収集を行う機能を有するものであるが、この機能に関しては本発明に直接関係する部分ではないため、図６においてはその機能構成部分は省略している。
【００８２】
データ通信手段３１は、各センサノード３の無線通信を行う通信モジュールである。位置情報テーブル３２は、各センサノード３の位置情報及びクラスタ番号の情報を格納するテーブルである。位置要求手段３３は、各センサノード３に対して、位置情報を返すように要求する同報メッセージ（位置要求メッセージ）を発信する。
【００８３】
クラスタ設定手段３４は、各センサノード３の位置情報に基づき、各センサノード３を一乃至複数のクラスタに区分する。クラスタ化メッセージ配信手段３５は、各センサノード３が属するクラスタに関する情報の同報メッセージ（クラスタ化メッセージ）を配信する。
【００８４】
クラスタヘッド設定手段３６は、各クラスタ内の１個のセンサノード３をクラスタヘッド３ａに選定する。クラスタヘッド・メッセージ配信手段３７は、クラスタヘッド３ａに選定された各センサノード３に対しクラスタヘッド選定メッセージを配信する。
【００８５】
（４）無線センサネットワーク１の動作
以上のように構成された本実施例の無線センサネットワーク１について、以下その動作を説明する。
【００８６】
（４−１）中央集権ネットワーク・クラスタリング計算フェーズ
ネットワークの初期化の最初の段階で、中央集権ネットワーク・クラスタリング計算フェーズの動作が実行される。
【００８７】
まず、基地局２の位置要求手段３３は、無線センサネットワーク１内のすべてのセンサノード３に対して、位置要求メッセージを配信する。
【００８８】
各センサノード３は、位置要求メッセージを受信すると、位置検出手段１７がGPS free positioningやSOMの手法により相対位置を推定し、位置要求メッセージ発信した側にその相対位置情報を返信する。また、データ転送手段１６は、位置要求メッセージを他のセンサノード３に配信する。更に、他のセンサノード３から相対位置情報が返信されてきた場合、その相対位置情報と自己の相対位置情報を融合して、位置要求メッセージを発信した側にその融合データを返信する。
【００８９】
このようにして、位置要求メッセージは、各センサノード３間をマルチホップ（multi hop）により伝達される。また、各センサノード３の相対位置情報も、マルチホップにより基地局２に返信される。尚、「マルチホップ」とは、直接通信可能な範囲にない２つの端末間の通信において、他の端末が中継する形で２つの端末同士が通信を行うことをいう。
【００９０】
基地局２では、クラスタ設定手段３４が、各センサノード３から返信された相対位置情報から、無線センサネットワーク１の範囲及びそのトポロジーを推定する。そして、無線センサネットワーク１を１乃至複数のクラスタに区分し、各クラスタにクラスタ番号を割り振るとともに、各センサノード３にそれが属するクラスタのクラスタ番号を割り当てる。そして、クラスタ化メッセージ配信手段３５が、この各センサノード３のクラスタ番号の情報を、クラスタ化メッセージとして各センサノード３に配信する。この配信も、同様にマルチホップ・アクセスにより行われる。
【００９１】
各センサノード３においては、クラスタ化メッセージを受信すると、クラスタ設定手段２３が、そのメッセージに含まれる自己のクラスタ番号を抽出し、そのクラスタ番号を自己のクラスタ番号として設定する。
【００９２】
また、基地局２では、クラスタヘッド設定手段３６が、各クラスタ内の１個のセンサノード３をそのクラスタのクラスタヘッド３ａに選定する。クラスタヘッド３ａの選定は、ランダムに行ってもよいし、クラスタ中心４（図１参照）に最も近いセンサノード３をクラスタヘッド３ａに選定するようにしてもよい。クラスタヘッド・メッセージ配信手段３７は、選定されたクラスタヘッド３ａの情報を、各センサノード３に対して配信する。
【００９３】
各センサノード３においては、クラスタヘッド・メッセージを受信すると、クラスタヘッド設定手段２４が、自己がクラスタヘッド３ａに選定されている場合には、動作モードをクラスタヘッドモードに設定し、そうでない場合には、クラスタヘッドモードを解除する。
【００９４】
（４−２）クラスタ形成フェーズ
各クラスタのクラスタヘッド３ａにおいて、エネルギー検出要求送信手段２０が、当該クラスタ内のすべてのセンサノード３に対してエネルギー検出要求を送信する。
【００９５】
このエネルギー検出要求を受信した各センサノード３は、エネルギー検出手段１８により電池１２に残存している可用なエネルギー量を推定する。そして、エネルギー量返信手段２１は、その推定値をクラスタヘッド３ａに返信する。
【００９６】
クラスタヘッド３ａにおいて、各センサノード３の可用なエネルギー量情報を受信すると、位置検出手段１７によりそのエネルギー量情報を送信したセンサノード３の相対位置を推定する。そして、ノード登録手段２５及びエネルギー登録手段２２は、そのセンサノード３の相対位置情報とエネルギー量情報を、クラスタ・テーブル１５に記憶させる。ここで、センサノード３の相対位置情報が、そのセンサノード３の識別情報となる。
【００９７】
また、クラスタヘッド３ａの自己エネルギー登録手段１９は、エネルギー検出手段１８により推定された自己の電池１２の残存している可用なエネルギー量を、クラスタ・テーブル１５に記憶させる。この場合、対応する相対位置情報は０とされる。
【００９８】
以上の処理によって、クラスタヘッド３ａのクラスタ・テーブル１５には、クラスタ内のすべてのセンサノード３の識別情報と可用なエネルギー量情報とが登録され、クラスタの形成が完了する。
【００９９】
（４−３）クラスタ内スケジューリング・フェーズ
各クラスタのクラスタヘッド３ａにおいて、クラスタ形成フェーズで行った処理と同様に、クラスタ内の各センサノード３のエネルギー量情報及び自己のエネルギー量情報を取得して、クラスタ・テーブル１５を更新する。尚、クラスタ形成フェーズにおいて直前にエネルギー量情報の取得がされた場合（第１ラウンドの場合）には、重複するためこの処理は省略される。
【０１００】
次に、ゲートウェイ選定手段２６は、クラスタ・テーブル１５を参照し、各センサノード３の可用なエネルギー量を比較し、それが最も大きいセンサノード３をゲートウェイ３ｂに選定する。
【０１０１】
選定されたゲートウェイ３ｂがクラスタヘッド３ａ以外のセンサノード３の場合、ゲートウェイ要求手段２７は、各センサノード３に、ゲートウェイ選定信号を送信する。ゲートウェイ選定信号を受信したセンサノード３では、ゲートウェイ設定手段２８が、そのセンサノード３の動作モードをゲートウェイモードに設定する。これにより、選定されたセンサノード３はゲートウェイ３ｂとして機能するようになる。
【０１０２】
一方、選定されたゲートウェイ３ｂがクラスタヘッド３ａの場合、ゲートウェイ要求手段２７が各センサノード３に、ゲートウェイ選定信号を送信するとともに、クラスタヘッド３ａのゲートウェイ設定手段２８が、クラスタヘッド３ａの動作モードをゲートウェイモードに設定する。これにより、クラスタヘッド３ａはゲートウェイ３ｂとしても機能するようになる。
【０１０３】
また、ゲートウェイ３ｂに選定されなかったセンサノード３は、自己が選定されていないゲートウェイ選定信号を受信すると、現在の動作モードがゲートウェイモードである場合にはそれを解除する。
【０１０４】
そして、以降は、このクラスタ内の各センサノード３は、ゲートウェイ３ｂを中継して、クラスタ外のセンサノード３や基地局２との更新を行う。
【０１０５】
以上のクラスタ内スケジューリング・フェーズにおける一連の処理は、一定の時間毎に間欠的に繰り返し行われる。これにより、各ラウンドにおいてゲートウェイ３ｂは可用なエネルギー量が最も大きいセンサノード３に割り当てられ、電力消費がクラスタ内の各センサノード３にほぼ均等に配分される。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】本発明の実施例１に係る無線センサネットワークの構成を表す図である。
【図２】あるラウンドにおける、２個の隣接するクラスタ間のゲートウェイの割り当てと、データ転送を示す図である。
【図３】図２の状態から１ラウンドが経過した後の無線センサネットワークの状態を示す図である。
【図４】100×100 m2の矩形領域における1.0 J/nodeの無線センサネットワークを用いて行った、LESCS及びLEACHによるシミュレーション結果である。
【図５】センサノード３の機能構成を示すブロック図である。
【図６】基地局２の機能構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【０１０７】
１  無線センサネットワーク
２  基地局
３  センサノード
３ａ  クラスタヘッド
３ｂ  ゲートウェイ
３ｃ  その他のセンサノード
４  クラスタ中心
Ｃ１〜Ｃ９  クラスタ
１１  データ通信手段
１２  電池
１３  センサ
１４  データ記憶手段
１５  クラスタ・テーブル
１６  データ転送手段
１７  位置検出手段
１８  エネルギー検出手段
１９  自己エネルギー登録手段
２０  エネルギー検出要求送信手段
２１  エネルギー量返信手段
２２  エネルギー登録手段
２３  クラスタ設定手段
２４  クラスタヘッド設定手段
２５  ノード登録手段
２６  ゲートウェイ選定手段
２７  ゲートウェイ要求手段
２８  ゲートウェイ設定手段
３１  データ通信手段
３２  位置情報テーブル
３３  位置要求手段
３４  クラスタ設定手段
３５  クラスタ化メッセージ配信手段
３６  クラスタヘッド設定手段
３７  クラスタヘッド・メッセージ配信手段
【図１】
2008078963.tif 000007
【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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