(57)【要約】【課題】本発明は、指向性アンテナを使用するモバイルシンク、モバイルシンクを有するセンサーネットワークを提供し、従来のモバイルシンクに存在するパケットロス、伝送効率の低下およびセンサーノードのエネルギー利用効率が低いなどの問題点を解決する。【解決手段】モバイルシンクは、前記センサーノードに情報需要リクエストを送信する指向性アンテナと、該指向性アンテナに、モバイルシンクが移動過程において、前記センサーノードにより前記情報送信リクエストに応答して送信する情報を受信できるようなセンサーノードのみに、移動方向に沿って情報需要リクエストを送信させるように制御する制御手段とを含むことを特徴とする。【選択図】図２
2008118645.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセンサーノードが設置されたセンサーネットワークにおいて移動し、センサーノードと通信するモバイルシンクであって
前記センサーノードに情報需要リクエストを送信する指向性アンテナと、
該指向性アンテナに、モバイルシンクが移動過程において、前記センサーノードにより前記情報送信リクエストに応答して送信する情報を受信できるようなセンサーノードのみに、移動方向に沿って情報需要リクエストを送信させるように制御する制御手段とを含むことを特徴とする、モバイルシンク。
【請求項２】
請求項１に記載のモバイルシンクにおいて、
モバイルシンクの移動速度と方向を検知する移動速度・方向検知手段と、
移動の方向と速度によって、前記モバイルシンクが移動過程においてセンサーノードからの情報を受信できるエリアを判断する判断手段と、をさらに含み、
前記制御手段が、前記判断手段が判断した結果によって、前記指向性アンテナにより情報需要リクエストを送信することを特徴とする、モバイルシンク。
【請求項３】
請求項１または２に記載のモバイルシンクにおいて、前記モバイルシンクは、指向性アンテナまたは全方向性アンテナにより前記センサーノードからの情報を受信することを特徴とする、モバイルシンク。
【請求項４】
請求項１または２に記載のモバイルシンクにおいて、前記指向性アンテナが送信したビームの波形が扇形に近似し、かつ、移動速度が大きい程、ビームの幅が狭くなることを特徴とする、モバイルシンク。
【請求項５】
請求項１または２に記載のモバイルシンクにおいて、モバイルシンクの速度は、ビームが直線形状に近くなるまで大きくなったときに、ビームの先端にあるセンサーノードからの情報のみを受信することを特徴とする、モバイルシンク。
【請求項６】
請求項１または２に記載のモバイルシンクにおいて、前記モバイルシンクは、デジタルアナログ変換器と、クロック信号を発生するクロック発生器と、メモリと、中央演算処理装置と、無線信号をアンテナに送信する無線送信機と、前記無線送信機が送信した無線信号の位相調節を行う位相調節器とをさらに有することを特徴とする、モバイルシンク。
【請求項７】
請求項６に記載のモバイルシンクにおいて、前記モバイルシンクが有する指向性アンテナが並列に設置される複数のアンテナであり、前記複数のアンテナの位相をずらして給電することにより、指向性をもつアンテナを実現することを特徴とする、モバイルシンク。
【請求項８】
請求項７に記載のモバイルシンクにおいて、前記モバイルシンクはさらに、加速度センサーを有し、加速度センサーの各軸の検知値を積分することにより、モバイルシンクの各軸における速度を求めて、前記アンテナの方向性を検知することを特徴とする、モバイルシンク。
【請求項９】
請求項８に記載のモバイルシンクにおいて、前記モバイルシンクがシンクノードを載せた車であることを特徴とする、モバイルシンク。
【請求項１０】
請求項８に記載のモバイルシンクにおいて、前記モバイルシンクがＰＤＡまたは携帯電話機を携帯している通行人であることを特徴とする、モバイルシンク。
【請求項１１】
ネットワークに設置される複数のセンサーノードと、ネットワークにおいて移動しセンサーノードと通信を行うモバイルシンクとを有するセンサーネットワークであって、
前記モバイルシンクは、モバイルシンクが移動過程において、前記センサーノードにより前記情報送信リクエストに応答して送信する情報を受信できるようなセンサーノードのみに、移動方向に沿って情報需要リクエストを送信させる指向性アンテナを有することを特徴とする、センサーネットワーク。
【請求項１２】
請求項１１に記載のセンサーネットワークにおいて、移動の方向と速度によって、前記モバイルシンクが移動過程においてセンサーノードからの情報を受信できるエリアを判断し、指向性アンテナが上記の判断の結果によって情報需要リクエストを送信することを特徴とする、センサーネットワーク。
【請求項１３】
請求項１１または１２に記載のセンサーネットワークにおいて、前記モバイルシンクが指向性アンテナまたは全方向性アンテナにより前記センサーノードからの情報を受信することを特徴とする、センサーネットワーク。
【請求項１４】
請求項１１または１２に記載のセンサーネットワークにおいて、前記モバイルシンクは、デジタルアナログ変換器と、クロック信号を発生するクロック発生器と、メモリと、中央演算処理装置と、無線信号をアンテナに送信する無線送信機と、前記無線送信機が送信した無線信号の位相調節を行う位相調節器とをさらに有することを特徴とする、センサーネットワーク。
【請求項１５】
請求項１４に記載のセンサーネットワークにおいて、前記モバイルシンクが有する指向性アンテナが並列に設置される複数のアンテナであり、前記複数のアンテナの位相をずらして給電することにより、指向性をもつアンテナを実現することを特徴とする、センサーネットワーク。
【請求項１６】
請求項１５に記載のセンサーネットワークにおいて、前記モバイルシンクはさらに、加速度センサーを有し、加速度センサーの各軸の検知値を積分することにより、モバイルシンクの各軸における速度を求めて、前記アンテナの方向性を検知することを特徴とする、センサーネットワーク。
【請求項１７】
請求項１６に記載のセンサーネットワークにおいて、前記モバイルシンクがシンクノードを載せた車であることを特徴とする、センサーネットワーク。
【請求項１８】
請求項１６に記載のセンサーネットワークにおいて、前記モバイルシンクがＰＤＡまたは携帯電話機を携帯している通行人であることを特徴とする、センサーネットワーク。
【請求項１９】
請求項１１に記載のセンサーネットワークにおいて、前記センサーノードが前記モバイルシンクから送信された信号の強さによって、隣接のセンサーノードに前記情報需要リクエストを拡散するかを決定することを特徴とする、センサーネットワーク。
【請求項２０】
請求項１１に記載のセンサーネットワークにおいて、前記センサーノードがサブノードに前記モバイルシンクから送信された情報需要リクエストを拡散した後、該サブノードから受信した前記需要に適合するデータを一定の時間をバッファリングし、さらにローカルデータと合併して、親ノードに合併後のデータを送信することを特徴とする、センサーネットワーク。
【請求項２１】
請求項１１に記載のセンサーネットワークにおいて、前記センサーノードは、サブノードからのデータを受信した時間と、親ノードにデータを送信する時間、即ちそのカウンタがカウントを開始する時間との時間差を計算し、その時間差を積算し、Ｋホップデータで収集した往復時間ＴＲＴＴからその積算時間差を差し引くことで、アイドリングサイクルを低減させることを特徴とする、センサーネットワーク。
【請求項２２】
請求項１１に記載のセンサーネットワークにおいて、前記センサーノードは、予め決められた時間が経過しても、情報需要リクエストを受信していない場合に、睡眠状態になることを特徴とする、センサーネットワーク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モバイルシンク、モバイルシンクを有する無線センサーネットワークに関し、特に指向性アンテナを使用するモバイルシンク、モバイルシンクを有する無線センサーネットワークに関する。
【背景技術】
【０００２】
無線センサーネットワークは広く適用されており、イベント発生地の付近に無線方式により接続されるセンサーノードを集中的に配置することで、興味のある情報を収集することができる。
【０００３】
無線センサーネットワークにおいて、その他のセンサーノードからの情報を収集する機能を有するノードが設置されているが、このようなノードをシンクノード（ｓｉｎｋ  ｎｏｄｅ）という。複数のセンサーノードを互いに接続してなるセンサーネットワークにおいて、通信がシンクノードと隣接するノードに集中しているため、これらの隣接するノードの電力消費が大きく、通信のボトルネックになっている。
【０００４】
上記の問題を解決するために、シンクノードを移動させてデータを有効に収集する方法が提案された。このような機能を有するノードをモバイルシンク（ｍｏｂｉｌｅ  ｓｉｎｋ）という。このモバイルシンクの例としては、計算装置と通信装置が装備された救急車が挙げられる。
【０００５】
モバイルシンクを移動させることにより、下記の長所をもつことが可能である。
【０００６】
データ収集対象のノード付近に移動することで、数ホップですべてのセンサーノードとモバイルシンク間の通信を実現することができる。
【０００７】
また、センサーネットワークにおいて移動することで、データ中継のコストはこのシンクノードの付近に集中するのではなく、ネットワーク全体で割り当てるので、固定シンクのように通信集中のノードが発生することはない。
【０００８】
しかしながら、従来のモバイルシンクは、モバイルシンク位置の変化によって、大量なパケットロスと伝送遅延が引き起こされている問題点があった。データシンクが比較的高い速度で移動するとき、これらの問題が特に深刻になる。
【０００９】
図１９は従来のモバイルシンクに存在した問題点を示す模式図である。図１９において、モバイルシンクの移動に従って、モバイルシンクがデータを受信できるエリアも移動する。モバイルシンクがＡ点にあるとき、円内の各ノードにデータ送信のリクエストを送る。各ノードがそのリクエストに応じてデータを送信するが、モバイルシンクがＢ点に移動したため、陰部分のノードが直接モバイルシンクにデータを送信できないことが発生し、さらに、パケットロス、および陰部分のノードでエネルギーが無駄になる状況が発生する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、指向性アンテナを使用するモバイルシンクや、モバイルシンクを有するセンサーネットワークを提供し、従来のモバイルシンクに存在していた、モバイルシンクが移動するときにモバイルシンクがセンサーノードからの情報を受信できないことに起因するパケットロス、伝送効率の低下、およびセンサーノードのエネルギー利用効率が低いなどの問題を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は速度情報を利用する。モバイルシンクは指向性アンテナを利用してその運動方向に沿って需要パケットをブロードキャストし、予め需要ベースのルートを設置する。このモバイルシンクがそのもとの方向に沿って引き続き行進するとき、付近のセンサーノードから戻されたデータを収集する。予め設置した需要ベースのルートを予めきめ細く適当な程度に調整すれば、戻されたデータはデータの集中点に到達するときにこのモバイルシンクに会い、パケットの転送率を向上させ、エネルギー消耗を低減させることが可能である。
【実施例１】
【００１２】
本発明のセンサーネットワークにおいて、Ｎ個のノードがランダムに１つのセンサーエリア内に分布している。モバイルシンクはその付近の情報を収集することに用いられる。モバイルシンクは例えば、シンクノードを載せた移動中の車であり、エリア内に大量なセンサーノードがランダムに分布されている。車が予め決められた速度でこの場所を通過する。車が自身を中心とし、例えば１０００ｍを半径とする円形エリア内の情報を収集する。これらのセンサーの無線通信距離がこの半径より遙かに小さいので、マルチホップの方式によりデータをモバイルシンクに発射しなければならない。
【００１３】
このセンサーネットワークシステムの構造について、下記のことを想定する。
【００１４】
（Ａ）すべてのセンサーノードは固定である。各センサーノードに唯一の識別子があり、例えばＧＰＳ受信機またはその他の位置検出技術によりそれ自身の位置を知る。全方向性アンテナによりパケットを受発射する。受信信号の強さは測定できるものである。すべてのノードが同様な通信半径Ｒを有すると仮定する。
【００１５】
（Ｂ）モバイルデータシンクがそれ自身の運動状況を知っている。即ち、それが自分で現在の速度と運動方向を測定できる。これはシンクノードが常に車にあり、また、例えばＧＰＳなどのほかの装置があるからである。しかし、モバイルシンクがその他のセンサーノードの位置を必ずしも知ることはない。
【００１６】
（Ｃ）モバイルデータシンクは、指向性アンテナを使用してパケットを発射し、ビーム形成技術により動的にその発射利得と最大輻射方向を制御する。その受信アンテナは全方向性であっても指向性であってもよい。また、その他のノードと同じように同様なパラメータがある。
【００１７】
モバイルシンクの具体的な構造は、例えば図１に示すように、デジタルアナログ変換器１３０２と、クロック信号を発生するクロック発生器１３０３と、例えばＲＡＭ１３０５、ＲＯＭ１３０６などを含むメモリと、中央演算処理装置１３０４と、無線信号をアンテナに送信する無線送信機１３０７と、前記無線送信機が送信した無線信号の位相調節を行う位相調節器１３０８と、アンテナ１３０９とを有する。
【００１８】
モバイルシンクは、指向性アンテナを有するほか、その指向性アンテナに移動方向に沿って前記センサーノードに情報需要リクエストを送信させるよう制御する制御手段をさらに有する。また、モバイルシンクの移動速度と方向を検知する移動速度・方向検知手段と、移動の方向と速度によって、モバイルシンクが移動過程においてセンサーノードからの情報を受信できるエリアを判断する判断手段とを有し、制御手段は、前記判断手段が判断した結果によって、指向性アンテナにより情報需要リクエストを送信する。
【００１９】
これらの制御手段、判断手段などは、中央演算処理装置を介してメモリに記憶されているそれぞれのプログラムを実行することにより実現する。
【００２０】
指向性アンテナ１３０９は、例えば並列に設置される複数のアンテナであり、前記複数のアンテナの位相をずらして給電することにより、指向性をもつアンテナを実現する。
【００２１】
また、モバイルシンクは、加速度センサー１３０１を有し、加速度センサー１３０１の各軸の検知値を積分することにより、モバイルシンクの各軸における速度を求めて、前記アンテナの方向性を検知する。その加速度センサーは例えば、ＭＥＭＳ３軸加速度センサーである。
【００２２】
以下、いかにアンテナの指向性を利用してデータシンクノードの移動性を有効に処理するかを説明する。
【００２３】
シンクノードは、ネットワークを経由して需要を転送し、ホップ方式により階層フィールドを確立する。従って、取得したいデータは反対の経路に沿って下流にシンクノードの１ホップ隣接点、最終的にこのデータシンクノードに流れる。しかし、需要ブロードキャストを発信した後、シンクノードが絶えず移動しているため、データが戻って来たとき、確立した階層フィールドがすでにタイムアウトしたことがある。これによって、特にデータシンクノードが高速に運動するときは、深刻なパケットロス問題が発生する。
【００２４】
本発明の基本的な考え方としては、モバイルシンクが到達する前に経路を確立する。本発明は指向性アンテナを利用して需要情報を発信する。モバイルシンクの運動が予知できるものであれば、指向性アンテナと適応ビーム形成技術を利用して、最大輻射方向をモバイルシンクの次の位置に向かわせ、そのルートに沿って需要をブロードキャストする。全方向性アンテナによるブロードキャストに比べ、エネルギーを著しく節約することができる。モバイルシンクの位置が変化した後、全方向性アンテナがカバーする大多数のノードはこのモバイルシンクと通信できなくなるからである。
【００２５】
（１）モバイルシンクの移動距離Ｓ
【００２６】
ｖをモバイルシンクの速度とし、最遠のＫホップ以内のセンサーにデータ取得をリクエストすることとする。Ｋホップのデータ収集の往復時間（ＲＴＴ）をＴＲＴＴと表す。従って、データが戻って来る前に、モバイルシンクはすでに下記の距離を走行した。
【数１】
2008118645.tif 000003
【００２７】
ゆえに、モバイルシンクのアンテナビームは少なくとも距離Ｓをカバーしなければならない。ＴＲＴＴとｖを利用して、モバイルシンクは動的にそのビーム方向図を制御し、データが戻って来たときにまだその１ホップ隣接の通信範囲内にあることを確保する。
【００２８】
（２）最適ビーム幅と最適電力構造
【００２９】
以下、発射アンテナの最適ビーム幅と最適電力構造を説明する。
【００３０】
モバイルシンクの発射アンテナが波長１、利得Ｇｔ、電力Ｐｔを有することとする。センサーノードは全方向性アンテナを使用して受信する。この全方向性アンテナの利得をＧｒ、受信機の電力閾値をＰｒ，ｍｉｎとする。自由空間減衰の場合、アンテナビームがカバーする最大距離は、
【数２】
2008118645.tif 000004
となる。
【００３１】
式において、ＰｔとＧｔは最適エネルギー効率を実現するよう制御することができるパラメータである。
【００３２】
多くの場合、アンテナの規格化電力方向図Ｐｎ（θ）が角度に従って変化するため、ビーム方向図の形状が不規則になる。分析しやすくするために、アンテナを均一輻射利得を有する方向図に近似し、図２に示す扇形ビームを得る。垂直方向に全方向性アンテナの場合と同様な方向図を有することとすれば、ビーム幅θｐは次式で表すことができる。
【数３】
2008118645.tif 000005
【００３３】
ただし、Ｇｔ≧１である。θｐ内に、アンテナ利得は一定の値Ｇｔをとる。Ｇｔ＝１、θｐ＝２ｐのとき、上式は全方向性アンテナを表す。
【００３４】
図２はモバイルシンクの位置とビーム方向図である。
【００３５】
図２において、モバイルシンクがｘ軸に移動するとき、アンテナビームがカバーするエリアをＤｂｅｅｍと表し、その半径は式（２）により与えられる。Ｄｂｅａｍの面積は、
【数４】
2008118645.tif 000006
となる。
【００３６】
従って、カバーする面積は発射電力に比例し、アンテナ利得（ビーム幅）に関係はない。
【００３７】
式（１）から、データが拡散器に戻ったとき、モバイルシンクがすでに距離ｓを行進した。通信距離が限られているために発生したパケットロスを最小限にするために、これらの拡散器がモバイルシンクの新位置付近に集中することが望ましい。従って、下記の目的関数を最適化ビーム幅とする。
【数５】
2008118645.tif 000007
【００３８】
ここに、Ｅ［ｄ２ｔｏＳＩＮＫ］は拡散器からモバイルシンクへの平均距離の平方である。Ｅ［ｄ２ｔｏＳＩＮＫ］の偏差には、拡散器のモバイルシンク位置に対する集中の程度が反映される。
【００３９】
数学の期待値を計算するには、
【数６】
2008118645.tif 000008
2008118645.tif 000009
がある。
【００４０】
式（２）と（３）を合わせて、
【数７】
2008118645.tif 000010
を得た。
【００４１】
ここに、ｈは定数である。それを式（６）に代入して、
【数８】
2008118645.tif 000011
を得た。
【００４２】
Ｅ［ｄ２ｔｏＳＩＮＫ］の導数を計算して、下記の方程式により最適Ｒｍａｘを求める。
【数９】
2008118645.tif 000012
【００４３】
最後に、式（３）から発射アンテナの最適パラメータ構造を得た。
【数１０】
2008118645.tif 000013
【００４４】
（３）速度ｖとビーム幅θｐとの関係
【００４５】
以下、上記の式の与えられた電力Ｐｔに対する制限を検討する。
【００４６】
モバイルシンクが静止状態にあるとき、ｖ＝０であり、式（１）から、Ｓ＝０となることが分かる。ゆえに、式（８）は
【数１１】
2008118645.tif 000014
に退化する。
【００４７】
明らかに、Ｒｍａｘを最小値をとるとき、エネルギーコストが最小である。式（７）から、Ｇｔ＝１のとき、Ｒｍａｘが最小値ｘｘｘになることが分かる。同時に、θｐ＝２ｐになり、それが全方向性アンテナであることを表す。
【００４８】
図３に示すように、ｖが大きくなるとき、θｐが単調に低減する。
【００４９】
図３にモバイルシンクの速度ｖの関数として、最適ビーム幅θｐ（ｏｐｔ）の数値計算の結果を示している。
【００５０】
速度ｖが無限大に近づくと、θｐが０に近づく。これは需要パケットをモバイルシンクの運動方向のみにブロードキャストすることを示す。
【００５１】
上述したように、最適ビーム幅中の下記の特性を発見した。ｖの絶対値が増大するとき、θｐが小さくなり、しかも、
【数１２】
2008118645.tif 000015
となる。
【００５２】
（４）センサーノードでの需要拡散の条件
【００５３】
以下に、モバイルノードで需要リクエストを送信した後、センサーノードで隣接のノードにその需要リクエストを送信するか、即ち、需要を拡散するかを説明する。自由空間減衰によると、比較的強い信号電力は受信機と送信機の間の距離が比較的短いことを意味する。従って、受信信号の強さによって需要パケットを転送するかを決めることが考えられる。センサーノードで受信した需要パケットの信号強さをチェックして、電力レベルが予め設定された閾値を超える場合、需要情報を拡散しない。ここでは、需要パケットの発射電力がモバイルシンクの速度によって決められるので、直接信号電力を用いる代わりに、同等受信電力、つまり、信号電力と受信機の閾値との比を用いて、需要拡散を制御する。
【数１３】
2008118645.tif 000016
とし、Ｐｒ（ｅｑ）の閾値をａと設定する。需要ベースのルートストラテジーを
ａ）Ｐｒ（ｅｑ）＞１／ａの場合、拡散しない。
ｂ）Ｐｒ（ｅｑ）≦１／ａの場合、拡散する。
と表す。
【００５４】
同等受信電力をこの閾値と比較し、ノードに受信した需要パケットを転送するかを決めるための簡単な規則を提供する。事実上に、上記のストラテジーは図４（ａ）に示すように、需要拡散器をＲｍｉｎ≦Ｒ≦Ｒｍａｘの範囲に制限する。なお、Ｒｍｉｎは、
【数１４】
2008118645.tif 000017
と表すことができる。
【００５５】
従って、このエネルギー感知拡散により、発射アンテナから遠いエリアのみをカバーするビーム方向図を生成することに同等する。パラメータａはエネルギー消費とデータ取得品質の間の折衷を示す。ａが小さい程、需要拡散器が多く、それらがエネルギーをより多く消費し、よりよいデータ取得サービスを提供する。電力感知アルゴリズムを使用しなければ、それがａ＝０の場合と同等する。
【００５６】
図４に電力感知と本発明の需要ベースの拡散エリアとの関係を示す。
【００５７】
図４（ａ）はアンテナを簡略化したモデルにおいて得たものであり、そのうち、アンテナ利得をビーム幅内の定数と想定していることに注意されたい。実際の応用において、アンテナは不均一なアンテナ利得と不規則なビーム形状をもつことが多い。それが角度０に最大値に達し、角度の増大に従って、徐々に０まで減って行く。このように、この拡散ストラテジーにより、図４（ｂ）に示す需要ベースの拡散エリアが得られる。この図から、モバイルシンク付近の一部のノードも陰エリア内にあり、需要拡散器になることが分かる。モバイルシンクが移動するとき、それらが通信範囲を超え、そのデータを送信することができない。この点はパケット転送率における利得をある程度補正するものの、電力感知ＩＤＤＡで節約できるエネルギーに比べれば、それが比較的小さい。
【００５８】
もちろん、減衰とシールド効果によって、実際に需要エリアがスムーズな境界を有することは不可能であり、連続的なエリアになることも不可能である。しかし、統計的に、需要拡散器エリアは閾値がないメカニズムよりもさらに集中するといえる。
【００５９】
（５）データ転送プロセス
【００６０】
本発明において、データ転送は、初期需要ブロードキャスト、需要拡散、データ報告の３つの段階から構成される。これらの段階において、それぞれＲＥＳＥＲＶＡＴＩＯＮ、ＩＮＴＥＲＥＳＴ、ＤＡＴＡの３種類のパケットを使用する。モバイルシンクの一次元運動の特別な状況を例として通信プロセスを説明する。
【００６１】
（５−１）転送需要リクエスト
【００６２】
図５は、モバイルシンクが点Ａ１にＲＥＳＥＲＶＡＴＩＯＮパケットをブロードキャストし、点Ｂ１に返信データを受信することを予期する。このモバイルシンクが点Ａ２に到達したとき、再度ブロードキャストする。この需要サイクルは必要とするデータ更新速度によって予め決められたものである。
【００６３】
初期需要ブロードキャスト（ルート予約）
【００６４】
モバイルシンクは遅延累加とローパスフィルタによりデータ収集における往復遅延ＲＴＴを予測する。その後、モバイルシンクは式（１０）により発射電力とアンテナ利得を設定し、周期的に需要パケットをブロードキャストする。その他のノードから転送されるパケットとは異なり、このパケットのタイプはＲＥＳＥＲＶＡＴＩＯＮである。このパケットは往復遅延時間、ホップ数、総ホップ数、シンクノートに必要とするデータタイプをさらに含む。モバイルシンクからのＲＥＳＥＲＶＡＴＩＯＮパケットの場合、ホップ数は１である。需要を１ホップ転送すると、ホップ数に１をプラスする。ホップ数がＫになると、拡散が停止し、データがモバイルシンクに還流する。そのため、Ｋによりデータ収集の範囲が決められている。
【００６５】
図５に本発明の通信処理プロセスを示す。モバイルシンクは周期的に照合リクエストを送信しデータを受信する。
【００６６】
（５−２）需要拡散プロセス
【００６７】
センサーノードは受信されたＲＥＳＥＲＶＡＴＩＯＮパケットにより起こされ、パケットをブロードキャストするかを決定する。パケットタイプはＩＮＴＥＲＥＳＴになり、ホップ数に１がプラスされる。Ｋホップになると、ノードがこの拡散処理を停止し、データ報告の段階に戻る。需要拡散の間、個々のノードは需要バッファと階層リストを保持する。この２つの構造は下記の通りである。
【００６８】
（ａ）需要バッファ。それぞれの需要を需要バッファに記憶する。データタイプが異なり、または、番号が異なる場合、２つの需要は異なる需要である。需要バッファに重複した需要パケットを集め、ネットワークにおける不必要な拡散を避ける。
【００６９】
（ｂ）階層リスト。階層リスト中の各項目はそれぞれ１つの需要番号に対応する。それがソースノードＩＤとホップ数を含む。個々のセンサーはすべてその中から需要を受信したノードＩＤを記憶し、受信したパケット中の件数を記録する。この方法により、後でデータフローをモバイルシンクに導くための経路を形成する。データ報告がまだ終了していないとき、これらのノードはモバイルシンクからその他の需要を受信する可能性があることに注意する必要がある。そのため、異なる需要に異なる経路を保存する必要がある。
【００７０】
モバイルシンクがデータを収集し、その後、現場から離れるので、同一のデータの照合が同一のノードに到達する可能性が比較的小さい。そのため、ＩＤＤＡアルゴリズムにおいてデータバッファを配置しない。同様に、モバイルシンクの移動性によって、ＩＤＤＡには経路増強を使用しない。しかし、モバイルシンクが円を中心に行進するとき、例えば、パトロールまたは偵察のタスクを行うとき、データバッファを導入して重複のデータ照合に応答し、さらにエネルギーを節約することができる。
【００７１】
ＩＮＴＥＲＥＳＴパケット受信したとき、ノードはまずそれを需要バッファにある情報と比較する。以前のレコードを見つけなければ、新しいレコードを需要バッファと階層リストに追加する。同様な需要レコードが存在した場合、受信したパケットを転送しない。それが階層リストにあるものより小さいホップ数を有するとき、対応のソースＩＤとホップ数を更新する。複数の需要を受信した場合、最小ホップ数を有するパケットを選択する。ホップ数が同様である場合、最も強い信号を有するパケットを優先的に選択する。
【００７２】
（５−３）センサーノードでのデータ転送プロセス
【００７３】
需要転送はすべてのＫホップ範囲をカバーするまで続けられる。Ｋホップノードのデータとモバイルシンクの需要と同様である場合、それがＤＡＴＡパケットを階層フィールドにおいて記録されたその親ノードに送信する。一方、個々のノードでＩＮＴＥＲＥＳＴパケットを転送した後、しばらく待ってその前のノードにそのデータを報告する。また、往復遅延を均一にＫホップに割り当てる。具体的に、ホップ数ｋを有するノードの場合、待ち時間は、
【数１５】
2008118645.tif 000018
となる。
【００７４】
従って、各ノードにそれぞれ１つのタイムスロットを割り当ててその親ノードを報告させる。ノードがモバイルシンクに近い程、その待ち時間が長い。４．４項においてさらに式（１５）について説明する。カウンタ時間の間に、親ノードで上流ノードから成功に受信したＤＡＴＡパケットをバッファリングする。式（１５）により決められたカウンタ時間が経過した後、データ蓄積処理を行い、バッファリングしたデータをローカルデートに合併して、代表的なＤＡＴＡパケットを生成して送り出す。このような方式で、需要拡散器に到達するまで、マルチホップ経路によりデータを蓄積・中継する。この需要拡散器は蓄積したＤＡＴＡパケットを絶えず送信し、モバイルシンクからの応答または特定の重複回数に達するまでに操作を停止しない。ある一定の長さの時間が経過してもＩＮＴＥＲＥＳＴまたはＲＥＳＥＲＶＡＴＩＯＮを受信しなかった場合、センサーノードが睡眠モードに入る。指向性拡散とは異なり、上記のストラテジーにはネットワークにおけるノード間の正確な時間同期を必要としない点に注意されたい。これは時間マークを一切使用することなく、すべてのカウンタはローカル時間で計算を行っているからである。
【００７５】
次に、簡単な例で需要拡散とデータ報告の過程を説明する。ここでは、総ホップ数Ｋを４とする。図６に示すように、需要ベースの拡散により例えばセンサーノードにおけるツリー構造トポロジーが形成される。そのうちのルートとは需要拡散器を指し、各ツリーはそれぞれ１つの拡散器に対応することに注意されたい。
【００７６】
図７は図６の需要拡散とデータ報告の過程を説明するタイミング図である。時間間隔Ｔ１において、ノード１からほかのすべてのノードを通過して需要パケットを３回送信する。ｋが４になったとき、ノード７、８、９は直ちにそれらの親ノードにデータを報告する。この過程は時間間隔Ｔ２の終わりに完了する。ノード４、５、６は直ちにデータを報告せず、式（１５）で与えられたそれらのカウンタの時刻ｔ＝Ｔ／２になるのを待ってカウントを停止する。カウントを停止すると、上流ノードのバッファからのパケットを合わせる。例えば、ノード２はノード４と５からのデータをその自分のローカルデータと合併して、合併後に得たデータをノード１に送信する。この発射は時刻Ｔ３に完成する。同様に、時間帯Ｔ４において、データをノード１、つまり需要拡散器に送信する。最後に、ノード１のカウンタが時刻ｔ＝Ｔにカウントを停止したとき、それが合併後のパケットをモバイルシンクに送信する。モバイルシンクがＡＣＫを受信したとき、または、ある特定のリトライ限界になったとき、発射が停止し、このラウンドの通信が終了する。
【００７７】
図６は総ホップ数Ｋ＝４のときの簡単な状況を示す図である。
【００７８】
図７は図６に示したネットワークトポロジーにおけるＩＤＤＡ操作を説明するタイミング図である。
【００７９】
上流ノードが順次データをその親ノードに報告できるよう、往復遅延の値を十分大きくする。しかし、往復時間が長すぎると、データ収集の質が大きく低減するに違いなく、モバイルシンクは大きなエリアをカバーするためにより多くの発射電力を消費することになる。図７を見れば分かるように、時間ラインにいくつかのアイドルサイクルがある。これらのアイドル間隔の積算長さを記録し、それを現在のＲＴＴから差し引くことができれば、比較的小さいＲＴＴが得られると共に、データを成功に報告することができる。一方、ＴＲＴＴが小さすぎる場合、各ノードでデータを成功に報告するための十分なタイムスロットが割り当てられない可能性がある。この場合、次のデータ転送を確保するよう、ＴＲＴＴを大きくする必要がある。従って、パケットにアイドルサイクルを記録するセグメントを追加することができる。各非リーフノードは、カウンタ時間内にサブノードからのＤＡＴＡを受信すると、サブノードからデータ報告を受信した時間とそのカウンタがカウント開始する時間との間の時間差を計算し、それを積算した長さに加える。サブノードがいくつか存在する場合、最後にパケットを受信した時間を用いる。しかし、ダメージされたパケットを受信した場合、または、転送失敗を検知した場合には、２倍の間隔を差し引き、つまり、積算したアイドルサイクルに−ｘｘｘｘを加えて次のラウンドのＴＲＴＴを増大させる。最後に、モバイルシンクで現在のＴＲＴＴから積算したアイドルサイクルを差し引いてＴＲＴＴ＊を求める。
【００８０】
（６）本発明のエネルギー消費効果の評価
【００８１】
簡略化するために、１階ラジオモデルにより通信過程におけるエネルギー消費を計算する。シミュレーションにおいて、ラジオ局でＥｅｌｅｃ＝５０ｎＪ／ビットを消費して受発信機回路の作動に対応し、また、１００ｐＪ／ビット／ｍ２を消費して増幅器に受け入れられる信号対ノイズ比を実現させる。従って、１ビットのパケットを距離ｄの所に受発信するために必要とするエネルギーコストは
【数１６】
2008118645.tif 000019
となる。
【００８２】
パケットレベルシミュレーションは下記の設定において行われたものである（図８参照）。データモバイルシンクが６００ｍ×６００ｍのセンサーエリアを通過し、このセンサーエリア内に、ランダムにセンサーノードを配置する。中央の破線がデータモバイルシンクの移動軌跡と方向を示す。データモバイルシンクが点（０，３００）から、＋ｘ方向に行進する。各センサーノードにそれぞれ２０ｍの通信半径Ｒと１０ｍの検知半径を有する。３６００のセンサーノードが配置された場合、ノード密度はｎ＝３６００／（６００ｍ×６００ｍ）＝０．００１／ｍ２となり、１つの目標が同時に３．１４個のセンサーノードにより検知されることを意味する。これは確実な目標検知アプリケーションにとって適切といえる。このように、検知エリア内に３６００のセンサーノードを配置する。１００個の目標が外部の２本の破線により設定された長さ６００ｍ、幅３２０ｍの矩形エリア内にランダムに分布する。モバイルシンクはＫ＝１０ホップ以内、あるいは、１０Ｒ＝２００ｍに相当する距離以内にデータをそれに報告することをリクエストする。
【００８３】
ここでは、ネットワークの稼動効率の測定に、全エネルギー消費、パケット転送率、目標検知率の３つの性能指標を採用する。また、対応する需要拡散器がモバイルシンクの通信範囲以内にあれば、パケットを成功にモバイルシンクに転送すること、その情報を含むパケットがデータモバイルシンクに転送されれば、目標が検知されることとする。
【００８４】
次に、ｖを４０／ｍに固定し、ａを０から１に変化させ、シミュレーションによりパラメータａのネットワーク性能に対する影響を分析する。図９にパラメータａのネットワーク性能に対する影響を示す。図９において、実線は点ａ＝０の最大エネルギーコスト規格化の電力感知ＩＤＤＡの全エネルギー消費を表し、破線は目標検知率を表し、点線はすべての転送試みにおける転送成功の百分率を表す。各点についてそれぞれ３０回のシミュレーションの結果を平均する。ａが大きくなる程、エネルギー消費と検知率が共に小さくなることが示されている。また、ａの最適値に対応する最大なＰＤＲもある。このａｏｐｔの周辺に、検知率もそのピーク（９０％と高く）に達す。ビーム方向図のエッジ効果によって、Ｒｍｉｎがｔ−Ｒとｓの間にあるとき、ＰＤＲが最大値になり、この値は
【数１７】
2008118645.tif 000020
となる。
【００８５】
このシミュレーションの場合、ｓ＝８０ｍ、Ｒ＝２０ｍとしているので、最適なａは０．３６≦ａｏｐｔ≦０．６４と想定しているが、これは図１０に示すシミュレーションの結果と完全に一致している。
【００８６】
図１０に最適化パラメータａと最大ＰＤＡとの関係を示す。
【００８７】
（８）ノード密度の影響
【００８８】
実際のセンサーネットワークにおいて、ノード密度が非常に大きい。一般的に、ノード数が少ない程、ネットワークの性能が悪い。これはノード数の低減によりネットワークの接続性が破壊されるからである。ネットワーク中のマルチホップルートの場合、モバイルシンクによる必要なデータの収集がより困難になる。従って、パケットの転送率が低下し、同一の目標を検知するノード数も減るので、検知の確率が低下する。従って、この場合、目標検知率が下がる。
【００８９】
性能比較
【００９０】
次に各データ報告のエネルギー消費、ＰＤＡとＴＤＲの視点から、ＩＤＤＡ、電力感知ＩＤＤＡと従来の指向性拡散の比較を行う。モバイルシンクの速度は１０ｍ／ｓ〜５０ｍ／ｓの範囲内に変化する。
【００９１】
図１３は各データ報告のエネルギー消費の比較を示す図である。
【００９２】
図１４はパケット転送成功率の比較を示す図である。
【００９３】
図１５は目標検知率の比較を示す図である。
【００９４】
図１３により、本発明では、エネルギーが著しく節約されることが分かる。具体的に、５０ｍ／ｓの速度において、指向性拡散のエネルギーコストはＩＤＤＡのエネルギーコストの１．８倍である。電力感知ＩＤＤＡはＩＤＤＡをもとにさらに１．３倍改良された。指向性拡散において、各データ報告のエネルギーコストが速度の増大に従って速やかに増大する。これは速度の増大に従って、データ報告を確保するために、速度の平方によって全方向性アンテナの発射電力を増加しなければならないからである。これに対して、指向性アンテナの場合、データモバイルシンクはその電力をその運動方向に集中し、エネルギー効率を向上させることができる。速度が低いとき、ネットワークで消費するエネルギーは３つの案ではほぼ同様である点に注意する必要がある。
【００９５】
図１４と図１５もパケット転送率と目標検知率の面に、ＩＤＤＡと電力感知ＩＤＤＡの性能が指向性拡散の性能を超えていることを示している。指向性拡散の場合、検知率が速度の増大に従って速やかに低下するのに対し、本発明では、速度が変化するにもかかわらず安定な検知品質を維持する。特に電力感知ＩＤＤＡにおいて、パケット転送の成功率が速度の増大とともに向上することには意味深い点がある。これは、速度が上がることに伴い、ビーム幅が狭くなるからである。従って、モバイルシンクの受信範囲以内にないエリアがより少なく、より多くの需要拡散器はそれらが収集したパケットをモバイルシンクに転送する。図１３と図１４を比較して、電力感知ＩＤＤＡのＩＤＤＡに対するエネルギー利得はＰＤＲにおけるそれと同様に多くない。例えば、５０ｍ／ｓのとき、電力感知ＩＤＤＡのＰＤＲが２．２倍増加するが、エネルギー消費はわずか１．３倍に増加する。このことは、電力感知ＩＤＤＡの場合、需要拡散の早期に必要としない需要拡散器を除去することによって多くのエネルギーを節約していると解釈できる。しかし、電力感知ＩＤＤＡに拡散器の数を減らしたが、需要が多くのホップを拡散した後、それがほぼＩＤＤＡの場合と同様な大きさのエリアをカバーした。そのため、ある程度エネルギー利得が低減される。
【実施例２】
【００９６】
本発明のモバイルシンクは、例えばＰＤＡまたは携帯電話機を携帯している通行人であっても良い。図１６に通行人がＰＤＡまたは携帯電話機を携帯し、指向性アンテナを利用して進行方向に指向的にデータ需要リクエストを送信することを示す。図において、１００１はＰＤＡまたは携帯電話機、１００２は電波が到達する範囲、１００３は電波が到達する範囲内のセンサーノード、１００４は電波が到達する範囲外のセンサーノードをそれぞれ表す。
【００９７】
図１７にＰＤＡまたは携帯電話機における指向性アンテナの設置方法を示す。図１７において、１１０１はＰＤＡまたは携帯電話機を表す。ＰＤＡまたは携帯電話機の例えば上部に、アンテナ収容部１１０２が設置されている。該アンテナ収容部１１０２に、例えば指向性アンテナ１１０３とウェーブダイレクタ１１０４が収容されている。１１０６は最も強い輻射方向を表す。
【００９８】
アンテナの種類として、例えば八木アンテナ、矩形開口アンテナ、マトリックスアンテナがある。
【００９９】
ここでは、説明しやすくするために、ＰＤＡまたは携帯電話機が有する指向性アンテナが指す方向と通行人の進行方向は同様であることを想定する。指向性アンテナが指す方向と通行人の進行方向が異なる場合、加速度センサーを設置して、加速度センサーの検知結果によってそれを一致になるよう調節することができる。
【０１００】
図１８に加速度センサーが内蔵されたＰＤＡまたは携帯電話機を示す。図１８において、１１０１はＰＤＡまたは携帯電話機の本体、１２０２は加速度センサーが内蔵されている加速度センサー収容部を表す。
【０１０１】
本実施例のＰＤＡまたは携帯電話機をモバイルシンクとして動作する構成については、実施例１におけるモバイルシンクの構造と同様であるので、その説明を省略する。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】本発明のモバイルシンクの具体的な構造を示す図である。
【図２】本発明のモバイルシンクの位置とビームの模式図である。
【図３】本発明のモバイルシンクの速度ｖの関数である最適ビーム幅を示す図である。
【図４】本発明の電力感知ＩＤＤＡの需要ベースの拡散エリアを示す図である。
【図５】本発明のモバイルシンクで周期的に照合リクエストを送信し、データを受信することを示す過程図である。
【図６】総ホップ数Ｋ＝４のときの需要拡散とデータ報告の過程を示す図である。
【図７】図６の需要拡散とデータ報告の過程を示すタイミング図である。
【図８】モバイルシンクが方形のセンサーエリアを通過したシミュレーション過程を示す図である。
【図９】パラメータａのネットワーク性能に対する影響を示す図である。
【図１０】最適化パラメータａと最大ＰＤＡとの関係を示す図である。
【図１１】異なるノード密度を有するパケット転送率と目標検知率を示す図である。
【図１２】異なるノード密度を有するパケット転送率と目標検知率を示す図である。
【図１３】各データ報告のエネルギー消費の比較を示す図である。
【図１４】パケット転送成功率の比較を示す図である。
【図１５】目標検知率の比較を示す図である。
【図１６】本発明の実施例２における通行人がＰＤＡまたは携帯電話機を携帯し、指向性アンテナを利用して進行方向に指向的にデータ需要リクエストを送信することを示す図である。
【図１７】ＰＤＡまたは携帯電話機における指向性アンテナの設置方法を示す図である。
【図１８】加速度センサーが内蔵されたＰＤＡまたは携帯電話機を示す図である。
【図１９】従来のモバイルノードに通信失敗が発生したことを示す略図である。
【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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【図１１】
2008118645.tif 000031
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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