提出日 平成 23 年 2 月 15 日
大規模センサネットワークにおけるノード移動性を考慮した自律分散通信法式の検討
川原研究室
09232202 上田 聖

はじめに広範囲の環境を随時監視するセンサネットワークでは，センサノードは電源供給が困難な場所に配置されることが多い．そのため，省電力化が重要となる．
センシングデータをマルチホップ通信で収集する場合，無線LAN の MAC 層通信方式である CSMA/CA 方式を利用すると，隠れ端末問題が多発し通信性能が大幅に劣化する恐れがある．
先行研究では，同一無線チャネルの使用を仮定した自律分散的なフレーム転送のスケジューリング機構として，位相拡散時分割方式の有効性を検証している．しかし，そこではセンサは固定位置にあるものとして検証を行っており，センサの移動性については考慮していない．
そこで本研究では，各センサノードの移動性を考慮し，移動ノード数，ノードの移動速度が位相拡散時分割方式の通信タイミングを調整し終えるまでの時間に与える影響を調査する．

2

位相拡散時分割方式

2.1

フレーム転送の衝突と相互作用範囲

図 1: 通信範囲と相互作用範囲

Convergence Time[sec]1200

In Nodes TimeOut Nodes Time
P=8P=9P=10P=131000
80060040020000

Number of Phase Division

無線通信において，近傍にあるノード間で同時に送信が行われると，電波の干渉により衝突が発生する．このような衝突は， 図 3: シミュレーションモデル
7 ∗ 7，移動ノード数 1)
通信範囲が重複することによる直接衝突と，隠れ端末問題と呼 (ノード配置
15
Minimum Number of Phase Division
ばれる衝突の二つに分けることができる．隠れ端末問題とは，図1 のようなノード群において，ノード 0 とノード 10 がノード 110宛に同時に通信を開始する場合に発生する問題である．位相拡散時分割方式では，この隠れ端末問題を考慮し，通信タイミングを調整しなければならない範囲として図 1 のように通信範囲5の 2 倍の範囲である相互作用範囲を定義している．

2.2

図 2: タイミング調整のイメージ図(分割数 ＝5)

動作概要と最小分割数0.0010.0020.003
Speed[point/sec]

0.0040.005

図 4: ノードの移動速度と収束時間(ノード配置：7 ∗ 7)
1000

Convergence Time[sec]1P=8P=9P=10P=13750

500

250

00050100150
Number of Nodes

200

12345

Number Of Moving Nodes
ここで無線ノード i の位相を θi とし，通信は位相 (0,2π) の
図 6: 移動ノード数と収束時間
図5:
各ノード数における最小分割数
内 0 < θi < φc の範囲で行い，各ノードは周期的に通信を行う(移動速度 =0.0005[point/sec])
ものとする．
4 シミュレーション結果及び考察
位相拡散時分割方式とは，通信を開始するノードがインパル 4.1 移動ノードが 1 つの場合の収束時間への影響
ス信号を送信し，それを受け取ったノードが自律的に位相差を
図 4 に図 3 のシミュレーションモデルにおいて設定分割数が形成することで相互作用範囲内のノードとの通信タイミングの 異なる場合の移動速度と平均収束時間の関係を示す．緑線は移重複を回避する方式である．位相は，ノード間のフレーム転送 動ノードの速度に応じて図 3 のノード A，B が移動ノードの相に衝突可能性がある場合は受信ノードの位相を遠ざけるように 互作用範囲内に入る時間を示し，青線は移動ノードがノード C，調整され，衝突可能性がない場合は予め設定された分割数に従 D の相互作用範囲から出て行く時間を示している．また，図中
い通信周期を分割する点に位相を近づけるように調整される． の P は分割数を示しており，ノード配置 7 ∗ 7 においては，最図 1 に示すノード 0 の相互作用範囲内ノードにおいて，位相 小分割数が 8 であったため，図 4 では分割数 8 以上の結果を示
拡散時分割方式を適用する前の位相の初期配置と位相拡散時分 している．
割方式を適用し全ノードにおいて衝突がなくなった時の位相配
図 4 において分割数が 8 の時，0〜0.0005[point/sec] の間で収置を図 2 に示す．ここでは分割数を 5 に設定しているため領域 束時間が減少している．これは，ノードの移動によって移動ノーを分割する点である分割点が 5 個となり，それぞれのノードは ドとノード X，Y，Z の相互作用範囲内のノード数が減少するた分割点に集められている．このような状態を収束状態とし，収 めであると考えられる．また，速度が 0.0005〜0.001[point/sec]束状態に遷移するまでの時間を収束時間とする．になると収束時間が増加している．これはノードの移動速度がしかし，図 2 の (b) に示す位相配置は図 1 のノード 0 の相互 増加することによって，相互作用範囲内のノード数が減少して作用範囲においてのみ通信タイミング調整を行ったもので，実 いる間に通信タイミングの調整が終わらず移動ノードがノード際はノード番号が割り当てられていないノードの通信タイミン A，B の相互作用範囲内に入るためであると考えられる．
グも調整しなければならない．これを考慮すると分割数 5 では
このように分割数 8 においては収束時間にノードの移動によ通信タイミングの重複回避に要する時間が増大し，現実的な利 る影響が見られるが，図 4 を見ると分割数 9 以上ではノードの用には適さなくなってしまう．そのため位相拡散時分割方式では 移動は収束時間にほぼ影響しないことが分かる．これは分割数ノード数に応じて分割数を増やし位相配置に余裕を持たせる必 が増加すると相互作用範囲内のノードが同期を取るタイミング要がある．以降，収束に至るための分割数を最小分割数とする． が増加し，ノードの移動による相互作用範囲内のノード数の増減による影響が減少するからだと考えられる．
2.3 位相ダイナミクス
以上から移動ノード数 1 では，最小分割数以上の設定によるインパルス信号を受け取ったノードは，(1) 式によって位相を ノードの移動は収束時間に大きく影響しないといえる．
図 5 に最小分割数とノード数の関係を示すが，この図より位決定する．(1) 式は，各センサノードの通信周期を決定する固有振動数 ωi を含む項，インパルス信号を受け取ったノードが位相 相拡散時分割方式では，分割数を 10 以上に設定するとノード数応答関数 R(∆θij ) によって送信タイミングの調整を行う相互作 に関わらずノードの移動は収束時間に大きく影響しないと考え用項，相互作用項によって均衡状態に陥った場合に確率的に位 られる．

4.2

相を変動させる確率項の三つの項から構成されている．

k ∑dθi= ωi +dt
N3R(∆θij ) + ξ(Si )

(1)

j∈ki

シミュレーションモデル
本研究では，以下のような条件でシミュレーションを行う．

• ノード配置：正規格子状

5• 通信範囲：1point– point：2 ノード間の 1 座標分の距離．
• 相互作用範囲：2point• ノードの移動方向 / 速度：一方向 / 等速
図 3 にノード配置が 7 ∗ 7，ノードが右方向に移動する場合のシミュレーションモデルを示す．評価指標には，全ノードが収束に要するまでの時間である平均収束時間を用いる．

移動ノード数の収束時間への影響

図 6 に移動ノード数が 1〜5 個の場合の収束時間を示す．この図では分割数 8 において移動ノード数が増えるに従って収束時間が減少している．これは複数ノードが同時に動く事により，同時に多くのノードの相互作用範囲内のノードが減少し，収束状態に遷移しやすくなるためだと考えられる．また，最小分割数以上の分割数では 4.1 節と同様に収束時間は変動していない．
これらから移動ノードが増加しても分割数を最小分割数以上に設定すれば収束時間にほぼ影響しないことが確認できる．

まとめ

本研究では，移動ノードの速度と収束時間の関係と分割数の影響を調査し，位相拡散時分割方式による転送タイミング調整がノード移動に有効であるか調査した．その結果，ノード数の増減や移動ノード数の増減に関係なく，分割数を大きく設定すればノードの移動による収束時間への影響はみられないことを確認した．しかし，分割数を大きくしすぎると通信範囲 φc が狭くなり，転送性能が劣化する事が考えられるため適切な分割数を設定する事が必要である．

C5-6