JP4563210B2 - 通信制御方法、通信ノード、及び通信システム - Google Patents

Description

本発明は、通信制御方法、通信ノード、及び通信システムに関するものである。

ワイヤレスセンサネットワークは、小型、低能力な通信ノードによって構成され、データを発生するノードはソース（Ｓｏｕｒｃｅ）ノード、データを収集するノードはシンク（Ｓｉｎｋ）ノードと呼ばれている。当該通信ノードは、一般的にバッテリ駆動であり、ネットワークの寿命を長くするためには通信ノードにおける消費電力を低く抑える必要がある。消費電力を抑える一つの方法として、ネットワーク内で情報を転送する際、中継ノードで複数のデータを集約することによって、通信量を削減する通信制御方法がある。かかる通信制御方法の一種として、シンクノードからの要求に応じて周期的にデータを送信する場合に、予め複数の通信ノードがデータ送信を行うタイミングを適切に設定することよって、効率よくデータの集約を行う通信制御方法が知られている（例えば、下記非特許文献１を参照）。
Ignacio Solis, Katia Obraczka, "Theimpact of timing in data aggregation for sensor networks," Proc. of the IEEEinternational Conference on Communications(ICC2004), June 2004.

ところで、上記従来の通信制御方法に従って動作する通信ノードは、一定の時間間隔で送信データを生成し、周期的に隣接通信ノードへのデータ送信を行うことを前提としている。したがって、全通信ノードがデータを送信するために、シンクノードからより遠方に位置する上流の通信ノードから順に通信を開始するよう、タイミングをずらして送信時刻を設定することによって、効率良く集約を行いながらデータ転送が行われている。

しかしながら、事象の発生に応じて通信ノードがデータ生成、送信要求を行う事象起動型の通信形態では、送信要求を行う通信ノード、及びその送信要求の時刻が事象発生まで未確定であるため、予めタイミング設定を行う必要がある上記従来の通信制御方法をそのまま採用することができない。

また、各通信ノードは、自分の周囲の通信ノードが送信すべきデータを持っているか否かを認識できないため、上流からのデータ到着を待ち合わせる必要があるかどうかを判定できない。

ここで、データを生成した通信ノードがランダムにデータ送信を開始する方法も考えられる。しかしながら、シンクノードにより近い下流の通信ノードが先にデータ送信を開始した場合、上流の通信ノードのデータが集約されない。したがって、下流の通信ノードは上流の通信ノードからデータを受信すると、再びこのデータを中継するために送信を行わなければならない。その結果、データを生成した全ノードからシンクノードにデータが収集されるまでに、集約されていない冗長度の高いデータがシンクノードに至る経路上に何度も転送され、通信量が増加する。通信量が増加すると、通信ノードで消費する電力が大きくなり、通信ノードのバッテリ持続時間が短くなる。

そこで、本発明は、事象起動型の通信形態においてデータ通信量の低減、及び消費電力の低減を可能とする通信制御方法、通信ノード、及び通信システムを提供することを目的としている。

本発明の一側面に係る通信制御方法は、通信ノードが、送信すべき第１のデータを有する場合に、周囲の他の通信ノードにデータの存在通知を送信する通知ステップと、上記通信ノードが、上記通知ステップの後、所定時間が経過するまでに、データを収集するシンクノードから当該通信ノードより経路上で遠方に位置する上流の通信ノードからの第２のデータの存在通知の有無に基づき、当該上流の通信ノードにおける第２のデータの有無を判定する判定ステップと、上記判定ステップにおいて上記上流の通信ノードに上記第２のデータが存在すると判定された場合に、上記通信ノードが、上記上流の通信ノードからの上記第２のデータを受信するデータ受信ステップと、上記判定ステップにおいて上記上流の通信ノードに上記第２のデータが存在すると判定された場合に、上記通信ノードが、上記第２のデータを受信後、上記第１のデータと上記第２のデータとを集約することによって第３のデータを生成する集約ステップと、上記通信ノードが、上記第１のデータ又は上記第３のデータを送信するデータ送信ステップと、を備え、上記判定ステップにおいて上記上流の通信ノードに上記第２のデータが存在しないと判定された場合には、上記通信ノードが、上記判定ステップの後に上記データ送信ステップにおいて上記第１のデータを送信し、上記判定ステップにおいて上記上流の通信ノードに上記第２のデータが存在すると判定された場合は、上記通信ノードが、上記集約ステップの後に上記データ送信ステップにおいて上記第３のデータを送信することを特徴としている。

本発明の別の一側面に係る通信ノードは、送信すべき第１のデータを有する場合に、周囲の他の通信ノードにデータの存在通知を送信する通知手段と、上記通知手段によって通知が行われた後、所定時間が経過するまでに、データを収集するシンクノードから自ノードより経路上で遠方に位置する上流の通信ノードからの第２のデータの存在通知の有無に基づき、当該上流の通信ノードにおける第２のデータの有無を判定する判定手段と、上記判定手段によって上記上流の通信ノードに上記第２のデータが存在すると判定された場合に、上記上流の通信ノードからの上記第２のデータを受信するデータ受信手段と、上記判定手段によって上記上流の通信ノードに上記第２のデータが存在すると判定された場合に、上記第２のデータを受信後、上記第１のデータと上記第２のデータとを集約することによって第３のデータを生成する集約手段と、上記第１のデータ又は上記第３のデータを送信するデータ送信手段と、を備え、上記判定手段によって、上記上流の通信ノードに上記第２のデータが存在しないと判定された場合には、上記判定手段による判定の後に、データ送信手段が、上記第１のデータを送信し、上記判定手段によって、上記上流の通信ノードに上記第２のデータが存在すると判定された場合は、上記集約手段によって上記第３のデータが生成された後に、データ送信手段が、当該第３のデータを送信することを特徴としている。

本発明の更に別の一側面に係る通信システムは、複数の通信ノードと、上記複数の通信ノードによって生成されるデータを収集するシンクノードと、を備え、上記複数の通信ノードはそれぞれ、送信すべき第１のデータを有する場合に、周囲の他の通信ノードにデータの存在通知を送信する通知手段と、上記通知手段によって通知が行われた後、所定時間が経過するまでに、データを収集するシンクノードから自ノードより経路上で遠方に位置する上流の通信ノードからの第２のデータの存在通知の有無に基づき、当該上流の通信ノードにおける第２のデータの有無を判定する判定手段と、上記判定手段によって上記上流の通信ノードに上記第２のデータが存在すると判定された場合に、上記上流の通信ノードからの上記第２のデータを受信するデータ受信手段と、上記判定手段によって上記上流の通信ノードに上記第２のデータが存在すると判定された場合に、上記第２のデータを受信後、上記第１のデータと上記第２のデータとを集約することによって第３のデータを生成する集約手段と、上記第１のデータ又は上記第３のデータを送信するデータ送信手段と、を有しており、上記判定手段によって、上記上流の通信ノードに上記第２のデータが存在しないと判定された場合には、上記判定手段による判定の後に、データ送信手段が、上記第１のデータを送信し、上記判定手段によって、上記上流の通信ノードに上記第２のデータが存在すると判定された場合は、上記集約手段によって上記第３のデータが生成された後に、データ送信手段が、当該第３のデータを送信することを特徴としている。

本発明によれば、通信ノードが、第１のデータの存在通知を送信した後、所定時間内に上流の通信通信ノードから第２のデータの存在通知を受信した場合には、第１のデータと第２のデータとの集約を行うことによって第３のデータを生成し、当該第３のデータを、シンクノードに向けて送信する。ここで、シンクノードから末端の通信ノードに至る経路上において、ある通信ノードを基準にした場合に、シンクノードから当該通信ノードより遠方に位置する通信ノードが上流の通信ノードである。したがって、本発明によれば、通信ノードに送信すべきデータが発生した場合に、経路上で遠方にある通信ノードからのデータを集約しつつ、シンクノードに収集することができる。故に、データ通信量が削減される。また、通信ノードの通信回数が低減されるので、通信ノードの消費電力が低減される。

上述した本発明においては、前記第１のデータ及び第２のデータのうち一部を選択することによって、前記第３のデータが生成されてもよい。

本発明によれば、本事象起動型の通信形態においてデータ通信量の低減、及び消費電力の低減を可能とする通信制御方法、通信ノード、及び通信システムが提供される。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る通信システムの構成を示す図である。図１に示す通信システム１は、複数の通信ノード１０、及び情報を収集するシンクノード１２を備えている。

通信ノード１０は、情報の生成機能、及び、隣接する通信ノード１０間で情報を送受信する機能を有している。通信ノード１０によって生成された情報は、シンクノード１２に至るまでの予め定められた経路上の他の通信ノード１０によって中継される。通信ノード１０は、バッテリ駆動であり、一定の電力を消費するとデータの生成及び通信動作が不可能となる。

情報は、通信ノード１０の周囲でセンシング対象となる事象が発生した場合に生成される。図１には、事象の発生範囲１４が例示されている。当該事象は、発生範囲１４内に存在する複数の通信ノード１０によって検出される。当該事象を検出した複数の通信ノード１０は、当該事象に対応する情報を含むデータを生成する。

図２は、通信ノードの構成を示す図である。図２に示す通信ノード１０は、物理的に、ＣＰＵ、環境のセンシングを行うセンサデバイスと、データを格納するメモリと、無線の送受信を行う無線送受信器と、電力を供給するバッテリとを備えている。

図２に示すように、通信ノード１０は、センサデバイス部１６と、データ制御部（集約手段）１８と、無線ユニット部（通知手段、データ受信手段、データ送信手段）２０と、無線通信制御部（判定手段）２２とを備えている。

センサデバイス部１６は、周囲の環境（例えば音、振動など）の事象を検出し、検出した事象に対応の情報を生成し、当該情報を含むデータをデータ制御部１８へ出力する。

データ制御部１８は、データ格納部１８ａを有している。データ制御部１８は無線ユニット部２０との間で互いに生成したデータ、及び隣接した通信ノード１０から受信したデータの出力を行う。また、データ制御部１８は、センサデバイス部１６から出力されるデータあるいは無線ユニット部２０から受け取ったデータに対し、送信に適した形態への加工、複数のデータを集約することによってデータ量を圧縮したデータの生成を行い、当該データをデータ格納部１８ａに格納する。さらに、データ制御部１８は、送信すべきデータが存在する場合は、無線通信制御部２２に対してデータ存在通信の送信を要求する。

無線ユニット部２０は、無線送信部２０ａと無線受信部２０ｂとを有している。無線送信部２０ａは、無線通信制御部２２からの要求に従い、制御パケット、あるいはデータ制御部１８から出力されるデータの送信を行う。無線受信部２０ｂは他の通信ノード１０から送信された制御パケット、及びデータの受信を行い、それぞれ無線通信制御部２２、データ制御部１８に対して受信した内容を通知する。

無線通信制御部２２は、無線ユニット部２０に対する送受信の制御を行う。無線通信制御部２２は、データ制御部１８よりデータ存在通知の送信の要求を受けると、通信制御パケットの送信タイミングを決定し、無線送信部２０ａに対し、周囲の通信ノード１０へのデータ存在通知パケットの送信を要求する。

無線通信制御部２２は、上記のデータ存在通知パケットが送信された後、無線受信部２０ｂより渡される他の通信ノード１０の送信情報に基づいてデータ送信タイミングを決定する。より詳細には、無線通信制御部２２は、データ存在通知パケットが送信された後、所定時間が経過するまでに、自ノードより上流に位置する通信ノード１０（シンクノード１２から遠いノード）からデータ存在通知パケットを受信しなかった場合、もしくはデータ存在通知パケットを自ノードに送信した全ての上流の通信ノードからデータ（第２のデータ）を受信した場合に、続けて自ノードからのデータ送信が行われるようにデータ送信タイミングを設定する。

無線通信制御部２２内にはルーティングテーブル２２ａが設けられている。図３は、ルーティングテーブルに格納された情報を示す図である。図３に示すように、ルーティングテーブル２２ａには、周囲の通信ノード１０を特定するための情報に対応付けられて当該通信ノード１０の相対位置が格納されている。この相対位置とは、シンクノード１２から自ノードを経由して末端の通信ノードに至る経路上において、周囲の通信ノード１０が、上流に位置する通信ノードであること、下流に位置する通信ノードであること、又は、同一の経路上に設けられていない通信ノードであることを示す情報である。

続いて、本実施形態にかかる通信ノード１０の動作について説明し、併せて本発明の実施の形態に係る通信制御方法について説明する。図４は、本発明の実施の形態に係る通信制御方法を示すシーケンス図である。

図４に示すように、まず、事象の発生範囲に存在する通信ノード１０のセンサデバイス部１６が、当該事象に対応する情報を含むデータを発生する（ステップＳ１）。このデータは、センサデバイス部１６からデータ制御部１８に出力される（ステップＳ２）。

次いで、データ制御部１８が、上記のデータを通信に適した形態に加工し、加工したデータをデータ格納部１８ａに格納する（ステップＳ３）。このステップＳ３の後、データ制御部１８が、無線通信制御部２２にデータ存在通知の送信を要求する（ステップＳ４）。

次いで、データ存在通知の送信要求を受けた無線通信制御部２２が、無線が使用中かどうかを判定し、使用可能となった時点で、周囲の通信ノードへのデータ存在通知パケットの送信を、無線ユニット部２０に対して許可する（ステップＳ５）。これによって、無線ユニット部２０が、データ存在通知パケットを周囲の他の通信ノード１０に送信する（ステップＳ６）。

次いで、通信ノード１０は、データ存在通知パケット送信後、所定時間待機し（ステップＳ７）、この所定時間内に上流の通信ノードからデータ存在通知パケットを受信したか否かを判定する（ステップＳ８）。この判定結果がＮＯの場合、即ち、所定時間内に上流の通信ノードからデータ存在通知パケットを受信しなかった場合には、無線通信制御部２２が、無線ユニット部２０に対しデータの送信を許可する（ステップＳ９）。この後、データ制御部１８が、データ格納部１８ａに格納されたデータ（第１のデータ）を取り出して、当該データを無線ユニット部２０に出力する（ステップＳ１０）。そして、無線ユニット部２０の無線送信部２０ａが、当該データ（第１のデータ）を、下流の通信ノード、即ち自ノードより経路上でシンクノード１２に近いノードに送信する（ステップＳ１１）。

一方、上述の判定結果がＹＥＳの場合、即ち、上流の通信ノードからデータ存在通知パケットを受信した場合には、データ存在通知パケットを送信した全ての上流の通信ノードからデータ（第２のデータ）を受信するまで、通信ノード１０は待機する（ステップＳ１２）。

上流の通信ノードからデータの受信が終了すると、無線ユニット部２０が、当該データをデータ制御部１８に出力する（ステップＳ１３）。そして、データ制御部１８が、集約処理によって、上流の通信ノードから受信したデータ（第２のデータ）と自ノードで生成したデータ（第１のデータ）を集約したデータ（第３のデータ）を生成し、データ格納部１８ａに格納する（ステップＳ１４）。

この集約処理では、複数のデータの統合により、データ量が削減される。例えば、センサデバイス部１６で検出した振動の最大値を収集する目的の場合、受信した複数のデータのうち、最も大きい値を持つデータのみを下流のノードに向けて転送する。即ち、集約処理によって生成されるデータ（第３のデータ）は、自ノードのデータ（第１のデータ）と上流の通信ノードからのデータ（第２のデータ）とのうちから一部を選択したデータであることができる。

次いで、無線通信制御部２２が、無線ユニット部２０に対しデータ送信を許可する（ステップＳ９）。データ送信が許可されると、データ制御部１８が、送信するデータ（第３のデータ）をデータ格納部１８ａから無線ユニット部２０に出力し（ステップＳ１０）、無線ユニット部２０の無線送信部２０ａが、下流の通信ノードに、データ（第３のデータ）を送信する（ステップＳ１１）。

以下、本実施の形態にかかる通信システム１、通信ノード１０、及び通信制御方法の作用及び効果について説明する。本実施の形態においては、通信ノード１０は、自ノードより上流の通信ノードが送信すべきデータを有していない場合、即ちデータ存在通知パケットの送信後、所定時間内に、上流の通信ノードからのデータ存在通知パケットを受信しなかった場合には、下流の通信ノードへのデータ（第１のデータ）の転送を開始する。上記の所定時間内に上流の通信ノードからデータ存在通知パケットを受信した場合には、通信ノード１０は、上流の通信ノードからのデータ（第２のデータ）を受信するまで待ち合わせ、上流の通信ノードから得られたデータと自ノードが生成したデータを集約することによってデータ量を圧縮し、集約したデータ（第３のデータ）を下流の通信ノードに送信する。

したがって、ある範囲内で複数の通信ノードに同時にデータが発生した場合、シンクノード１２からより遠方に位置する通信ノードから集約を行いながら、順次にデータの転送が行われる。そのため全てのデータを収集するまでに、各通信ノードがデータの送信を行う回数は一回で済み、データの転送回数が減少する。また、各通信ノードで集約により送信データ量を削減することができるので、転送される通信量が減少する。

さらに、データ送信のためにＲＴＳ／ＣＴＳシーケンスに代表される無線衝突回避のための制御手順を用いる場合には、通信ノードは自ノードの上流の通信ノードからデータを受信するまで、無線が利用可能かどうか確認するためのＲＴＳパケットの送信を行わないので、この無線衝突回避のための制御パケットの通信量を減少することが可能である。

その結果、通信ノード１０の消費電力が減少し、通信ノード１０のバッテリの持続時間を延ばすことが可能である。

図１は、図１は、本発明の実施の形態に係る通信システムの構成を示す図である。 図２は、通信ノードの構成を示す図である。 図３は、ルーティングテーブルに格納された情報を示す図である。 図４は、本発明の実施の形態に係る通信制御方法を示すシーケンス図である。

符号の説明

１０…通信ノード、１２…シンクノード、１４…事象の発生範囲、１６…センサデバイス部、１８…データ制御部、１８ａ…データ格納部、２０…無線ユニット部、２０ａ…無線送信部、２０ｂ…無線受信部、２２…無線通信制御部、２２ａ…ルーティングテーブル

Claims (4)

1. 通信ノードが、送信すべき第１のデータを有する場合に、周囲の他の通信ノードにデータの存在通知を送信する通知ステップと、
   前記通信ノードが、前記通知ステップの後、所定時間が経過するまでに、データを収集するシンクノードから当該通信ノードより経路上で遠方に位置する上流の通信ノードからの第２のデータの存在通知の有無に基づき、当該上流の通信ノードにおける第２のデータの有無を判定する判定ステップと、
   前記判定ステップにおいて前記上流の通信ノードに前記第２のデータが存在すると判定された場合に、前記通信ノードが、前記上流の通信ノードからの前記第２のデータを受信するデータ受信ステップと、
   前記判定ステップにおいて前記上流の通信ノードに前記第２のデータが存在すると判定された場合に、前記通信ノードが、前記第２のデータを受信後、前記第１のデータと前記第２のデータとを集約することによって第３のデータを生成する集約ステップと、
   前記通信ノードが、前記第１のデータ又は前記第３のデータを送信するデータ送信ステップと、
   を備え、
   前記判定ステップにおいて前記上流の通信ノードに前記第２のデータが存在しないと判定された場合には、前記通信ノードが、前記判定ステップの後に前記データ送信ステップにおいて前記第１のデータを送信し、
   前記判定ステップにおいて前記上流の通信ノードに前記第２のデータが存在すると判定された場合は、前記通信ノードが、前記集約ステップの後に前記データ送信ステップにおいて前記第３のデータを送信する、
   通信制御方法。
2. 送信すべき第１のデータを有する場合に、周囲の他の通信ノードにデータの存在通知を送信する通知手段と、
   前記通知手段によって通知が行われた後、所定時間が経過するまでに、データを収集するシンクノードから自ノードより経路上で遠方に位置する上流の通信ノードからの第２のデータの存在通知の有無に基づき、当該上流の通信ノードにおける第２のデータの有無を判定する判定手段と、
   前記判定手段によって前記上流の通信ノードに前記第２のデータが存在すると判定された場合に、前記上流の通信ノードからの前記第２のデータを受信するデータ受信手段と、
   前記判定手段によって前記上流の通信ノードに前記第２のデータが存在すると判定された場合に、前記第２のデータを受信後、前記第１のデータと前記第２のデータとを集約することによって第３のデータを生成する集約手段と、
   前記第１のデータ又は前記第３のデータを送信するデータ送信手段と、
   を備え、
   前記判定手段によって、前記上流の通信ノードに前記第２のデータが存在しないと判定された場合には、前記判定手段による判定の後に、前記データ送信手段が、前記第１のデータを送信し、
   前記判定手段によって、前記上流の通信ノードに前記第２のデータが存在すると判定された場合は、前記集約手段によって前記第３のデータが生成された後に、前記データ送信手段が、該第３のデータを送信する、
   通信ノード。
3. 前記集約手段は、前記第１のデータ及び第２のデータのうち一部を選択することによって、前記第３のデータを生成する、請求項２に記載の通信ノード。
4. 複数の通信ノードと、
   前記複数の通信ノードによって生成されるデータを収集するシンクノードと、
   を備え、
   前記複数の通信ノードはそれぞれ、
   送信すべき第１のデータを有する場合に、周囲の他の通信ノードにデータの存在通知を送信する通知手段と、
   前記通知手段によって通知が行われた後、所定時間が経過するまでに、データを収集するシンクノードから自ノードより経路上で遠方に位置する上流の通信ノードからの第２のデータの存在通知の有無に基づき、当該上流の通信ノードにおける第２のデータの有無を判定する判定手段と、
   前記判定手段によって前記上流の通信ノードに前記第２のデータが存在すると判定された場合に、前記上流の通信ノードからの前記第２のデータを受信するデータ受信手段と、
   前記判定手段によって前記上流の通信ノードに前記第２のデータが存在すると判定された場合に、前記第２のデータを受信後、前記第１のデータと前記第２のデータとを集約することによって第３のデータを生成する集約手段と、
   前記第１のデータ又は前記第３のデータを送信するデータ送信手段と、
   を有しており、
   前記判定手段によって、前記上流の通信ノードに前記第２のデータが存在しないと判定された場合には、前記判定手段による判定の後に、前記データ送信手段が、前記第１のデータを送信し、
   前記判定手段によって、前記上流の通信ノードに前記第２のデータが存在すると判定された場合は、前記集約手段によって前記第３のデータが生成された後に、前記データ送信手段が、該第３のデータを送信する、
   通信システム。
   

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