JP5038399B2 - センサネットワークノードのエネルギ展開を制御する方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、無線センサネットワークに関し、具体的には、無線センサネットワークノードのエネルギ展開（energy expanding）を制御する方法及び装置に関する。

センサネットワークではいくつかの制限がある。第一に、センサネットワークの通信容量が非常に制限される。センサネットワークにおけるセンサの通信帯域幅は、狭く、頻繁に変えられる。通信の対象範囲は、数十メータから数百メータだけである。データ送信が利用可能な帯域幅を超える場合には、高ロストパケット率（high lost-packet rate）が引き起こされるだろう。

第二に、センサの電力エネルギは非常に制限される。多くのエネルギは、センサネットワークの情報検知、データ処理、及び通信において要求され、バッテリ供給下でのセンサネットワークのノード電力供給を切り替えることができない場合には、これにより引き起こされるエネルギ消費は、全体のセンサネットワークのライフサイクルに直接影響するだろう。

クラスタヘッドデータフュージョン（cluster head data fusion）は、ネットワークトラフィックを削減することによりノードエネルギ消費を削減する手段である。この手段によれば、センサネットワークは、通常、複数のノードクラスタを含み、各ノードクラスタが中心ノードを含み、センサネットワークが複数のセンササブネットワークに分割されるので、各センサノードからセンサネットワークベースステーションにオリジナルデータを直接送信することによるデータ通信のボトルネックを回避することができる。

さらに、対象ノード（即ち、クラスタヘッドノード）とジグビーネットワークにおけるセンサノードとの間で要求される場合のウェークアップ（wake-up）に基づく動作モードは、センサネットワークにおけるエネルギ供給の問題を部分的に解決することができる。

しかしながら、複数のセンサノードがセンサネットワーク内に含まれ、各センサノードのデータプロセス及び通信状態が互いに異なり、対応するエネルギ消費状態が互いに異なる。従って、センサノードの通信容量及びパワーエネルギが無線センサネットワークにおいて制限されるという前提においては、センサノードの電力消費をセーブし、センサネットワークの全体寿命を延ばすためにネットワークリソースをどのように効果的に利用するかという問題を解決する必要が依然ある。

本発明は、センサノードの電力消費をセーブし、センサネットワークの全体寿命を延ばすためにネットワークリソースを効果的に利用することが可能である、センサネットワークのエネルギ展開を制御する方法及び装置を提供する。

本発明のネットワークのエネルギ（energy expanding；以下、エネルギ展開という）を制御する方法によれば、前記ネットワーク内のノードのエネルギ状態を示すエネルギ情報を取得するステップと、前記エネルギ情報に基づき、少なくとも１つのデータ送信パラメータを適宜調節するステップとを有する。

本発明のネットワークのエネルギ展開を制御する装置によれば、前記ネットワーク内のノードのエネルギ状態を示すエネルギ情報を取得する取得デバイスと、前記エネルギ情報に基づき、少なくとも１つのデータ送信パラメータを適宜調節する調節デバイスとを有する。

本発明のネットワークのエネルギ展開を制御するコンピュータプログラムのプロダクトによれば、前記ネットワーク内のノードのエネルギ状態を示すエネルギ情報を取得するコードと、前記エネルギ情報に基づき、少なくとも１つのデータ送信パラメータを適宜調節するコードとを有する。

本発明のネットワークによれば、複数のノードと、前記複数のノードに接続されたネットワークコントローラとを有し、前記ネットワークコントローラは、当該ネットワーク内のノードのエネルギ状態を示すエネルギ情報を取得する取得デバイスと、前記エネルギ情報に基づき、少なくとも１つのデータ送信パラメータを適宜調節する調節デバイスとを有する。

要約すれば、センサノードの通信容量及びパワーエネルギが無線センサネットワークにおいて制限されるという前提において、本発明の装置及び方法は、ネットワークリソースをより効果的に利用するために、ノードのエネルギ情報に基づきノードのデータ送信パラメータを適宜調節し、センサノードの電力消費をセーブし、センサネットワークの寿命を延ばすことができる。

以下において、本発明の他の目的及び成果は、図面を参照して本発明の詳細な説明及び特許請求の範囲を介して明らかになり、本発明は十分に理解されるだろう。

全ての図面において、同一の参照符号は、同一の、同様の、又は対応する性質又は機能を示す。

以下において、本発明の好ましい実施形態が添付図面を参照して詳細に説明されるだろう。

本発明の一実施形態によれば、本発明は、無線センサネットワークにおけるセンサノードのエネルギ展開を制御する方法及び装置に関して詳細に説明されるだろう。本発明の概念の範囲を離れることなく、本発明が、ブルートゥースネットワーク又は無線ローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）のような、他の形式のネットワークに変更され、適用されることが当業者により理解されるであろう。

無線センサネットワークにおいては、データ送信の成功（successful data transmission）を保証するために、ノードが、受信ノードにデータを送信し、受信ノードが、データ送信の成功を知らせるために、データの受信の成功後にフィードバック情報を返信するだろう。データを送信したノードが、再送信タイムアウト中に、データ送信の成功についてのいずれのフィードバック情報も受信しない場合には、データが再送信されるだろう。データを送信したノードが、再送信の後に、データ送信の成功についてのいずれのフィードバック情報も未だに受信しない場合には、データは、データが無事に送信されるまで何度も再送信されるだろう。それに代えて、再送信の或る時間の後に未だに成功しない場合には、データ送信が中止されるだろう。

図１は、本発明の実施形態によるセンサネットワークの構成の一例を示している。このセンサネットワークは、センサネットワークコントローラ１１０、複数の無線センサノード１２０、及び複数の有線センサノード１３０を含んでいる。

センサ１２０及び１３０は、有線又は無線接続を介してセンサネットワークコントローラ１１０に接続されており、センサネットワークコントローラ１１０は、データを収集するために用いられ、この機能は、無線通信ネットワークにおけるベースステーション（基地局）若しくは有線通信ネットワークにおけるルータ、又はこれらの組み合わせと同様である。各センサ１２０及び１３０とセンサネットワークコントローラ１１０間での有線通信は、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）又は専用の通信回線を経由するものであり、無線通信は、無線ローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）又はブルートゥーススタンダードを採用することができる。

それぞれのセンサノード１２０及び１３０は、検出結果等の情報を、センサネットワークコントローラ１１０、例えば、図において実線で示された有線送信に送信する。その際、センサネットワークコントローラ１１０も、制御信号を、それぞれのセンサノード１２０及び１３０、例えば、図において破線で示された有線送信に送信し、これらが最適化されるだろう。最適化処理は、情報が或るセンサを介して送信されるかどうかを決定すること、或るセンサのサンプリングレートを調節すること、又は或るセンサのデータが暗号化されるかどうかを決定すること等を含んでいる。センサネットワークコントローラ１１０が、全ての検出データの収束点であって、検出データを解析及び処理してから検出結果の処理中心を推定するためのものであることが図１で示されている。検出結果の処理中心は、ネットワークを最適化するための制御中心である。

図２は、本発明の他の実施形態によるセンサネットワークの構成の一例を示している。この実施形態においては、複数のセンサ１２０及び１３０は、有線又は無線接続を介してデータコレクタ２１０に接続されて、センサネットワーク２２０を構成している。別個のセンサネットワーク２２０、２３０及び２４０は、それぞれのデータコレクタを介してセンサネットワークコントローラ２５０に接続されている。センサネットワークコントローラ２５０は、それぞれのセンサネットワーク２２０、２３０及び２４０からセンサデータを収集し、それぞれのセンサネットワーク２２０、２３０及び２４０に制御コマンドを送信する。前述の種々の最適化処理は、２１０等のデータコレクタにより、ネットワーク２２０、２３０及び２４０内のそれぞれのセンサ１２０及び１３０に対して実行される。

図３では、本発明の実施形態によるセンサネットワークにおけるネットワークコントローラの機能構成の一例を示している。

センサネットワークコントローラ３００は、エネルギ情報取得デバイス３１２及び調節デバイス３２０を含んでおり、エネルギ情報取得デバイス３１２は、ネットワーク内の一のノードのエネルギ状態を示すエネルギ情報を取得するために用いられる。例えば、エネルギ情報は、センサノードの電力供給状態を示してもよく、例えば、ノードの電力状態が、３つのレベル、即ち、それぞれが３、２及び１の値で表される高、中及び低に分類されてもよい。

エネルギ情報は、ネットワーク内のノード上のパワーモニタデバイス（図示されていない）により監視されており、その後、エネルギ情報取得デバイス３１２に転送される。

調節デバイス３２０は、エネルギ情報に基づき、ノードの少なくとも１つのデータ送信パラメータを適宜調節するために用いられる。データ送信パラメータは、再送信タイムアウト及び／又は再送信回数（retransmission times）であってもよく、再送信タイムアウトは、データを送信するノードが、データ送信の成功についてのいずれのフィードバック情報も受信しない場合に、データを再送信するタイムアウトであり、再送信回数は、データを送信するノードが、データ送信の成功についてのいずれのフィードバック情報も受信しない場合に、データを再送信する回数である。

本発明の実施形態によれば、センサネットワークコントローラ３００は、ノードがデータを送信している場合に利用可能な帯域幅の状態を取得するための利用可能帯域幅取得デバイス３１４を更に含んでいる。利用可能な帯域幅の状態は、ネットワークモニタデバイス（図示されていない）により監視されてもよく、その後、利用可能帯域幅取得デバイス３１４に転送される。

調節デバイス３２０は、取得デバイスにより取得されたエネルギ情報に基づいて、センサノードの再送信タイムアウトを調節するためのタイムアウト調節デバイス３２２を含んでいる。センサノードがより十分な電力供給を持つほど、対象センサノードにデータを再送信するタイムアウトがより短く調節され、そうでなければ、データを再送信するタイムアウトがより長く調節される。このような手法で、センサノードの電力消費をセーブすることができる。

調節デバイス３２０は、取得デバイスにより取得されたエネルギ情報に基づいて、データ送信を失敗した後にデータを再送信する回数を調節するための再送信回数調節デバイス３２４を含んでいる。センサノードがより十分な電力供給を持つほど、対象センサノードにデータを再送信する回数（times）がより多く調節され、そうでなければ、データを再送信する回数がより少なく調節される。このような手法で、センサノードの電力消費をセーブすることができる。

センサネットワークコントローラ３００は、データを送信及び受信し、センサネットワーク内の他のセンサノードと通信するためのセンサノード用の送信デバイス３３０を更に含んでいる。例えば、送信デバイス３３０は、ジグビー／ブルートゥースネットワークのプロトコルの下での信号送信器／受信器であってもよい。

本実施形態においては、ネットワークコントローラ３００の電力の取得は、帯域幅の取得により実現することができ、再送信タイムアウトを調節したり再送信回数を調節したりする機能を、これらの種々のノードが互いに通信可能である限りは、センサネットワーク内の種々のノードにより実行することができる。

本発明の実施形態に従って図３に開示されたセンサネットワークコントローラ３００の機能の全て／一部は、適切にプログラムされたコンピュータにより実現されてもよいことを理解すべきであり、このコンピュータは、センサネットワークノードのエネルギ展開を制御するためのコンピュータプログラムでロードされる。コンピュータプログラムは、ネットワークにおけるノードのエネルギ状態を示すエネルギ情報を取得するためのコードと、エネルギ情報に基づき、少なくとも１つのデータ送信パラメータを適宜調節するためのコードとを含んでいる。

前述したようなコンピュータプログラムは、記憶媒体に記憶されてもよい。

前述のコンピュータプログラムのこれらの部分は、マシンを生成するためのプロセッサに供給されてもよいので、プロセッサ上で実行されたコードは、前述した機能を実現可能なデバイスを作り出す。

図４では、本発明の実施形態による無線センサネットワークを最適化するための手法を示すフローチャートである。

最初に、ステップＳ４１０では、センサネットワーク内のそれぞれのセンサノードのデータ送信パラメータが初期化される。初期化通信処理において、収束ノードは、能動的に接続信号を報知し、データフレーム及びＭＡＣ（Media Access Control）コマンドフレームがセンサノードで無事に受信及び確認された後に、肯定応答フレーム（acknowledge frame）が収束ノードに返される。次に、センサノードは、スリープ動作モードになる。次に、収束ノード及びセンサノードは、マスタ／スレーブが交換される。収束ノードモジュールは、モード動作状態になり、接続要求信号に対する応答を待つ。センサノードは、マスタモードで動作され、他の態様で接続要求を要求又は起動するときのウェークアップを待つ。

初期化の後、２つの初期化されたデータ送信パラメータ（再送信タイムアウト及び再送信回数）が取得される。

ステップＳ４２０では、センサノードは、データを他のセンサノードに送信し始める。

ステップＳ４３０では、他のセンサノードからフィードバックされたデータ送信の成功についての応答情報が、初期化された再送信タイムアウト内に受信されたかどうかを決定する。応答情報が再送信タイムアウト内に受信された場合には、全体のプロセスは直ちに終了するだろう。

応答情報が、初期化されたタイムアウト内にセンサノードにより受信されない場合には、ステップＳ４３５では、データ再送信の全体試行回数（即ち、初期化された再送信回数又は調節された再送信回数）に到達したかどうかを決定する。データ再送信の全体試行回数に到達した場合には、全体のプロセスは直ちに終了するだろう。

データ再送信の全体試行回数に到達していないと決定された場合には、ステップＳ３４０では、センサノードは、最初に、その時のエネルギ状態情報を取得する。センサネットワーク内のその時の利用可能帯域幅情報を取得してもよい。

ステップＳ４５０では、取得したエネルギ状態情報及び／又はその時の利用可能帯域幅情報に応じて、再送信タイムアウト及び再送信回数が適宜調節される。

センサノードがより十分な電力供給を持つほど、対象センサノードにデータを再送信するタイムアウトがより短く調節され、そうでなければ、データを再送信するタイムアウトがより長く調節される。このような手法で、センサノードの電力消費をセーブすることができる。センサノードがより十分な電力供給を持つほど、対象センサノードにデータを再送信する回数がより多く調節され、そうでなければ、データを再送信する回数がより少なく調節される。このような手法で、センサノードの電力消費をセーブすることができる。

同様の理由により、センサノードがより十分な利用可能帯域幅を持つほど、対象センサノードにデータを再送信するタイムアウトがより短く調節され、そうでなければ、データを再送信するタイムアウトがより長く調節される。具体的な調節が図５に示されている。

ステップＳ４６０では、調節したデータ送信パラメータ、即ち再送信タイムアウト及び再送信回数に応じて、データが再送信される。

ステップＳ４７０では、他のセンサノードからフィードバックされたデータ送信の成功についての応答情報が、調節された再送信タイムアウト内に受信されたかどうかを決定する。応答情報が、調節されたタイムアウト内に受信された場合には、全体の処理は直ちに終了する。そうでなければ、ステップＳ４４０に移行し、その時のエネルギ状態情報が再び取得されるとともに、センサネットワーク内のその時の利用可能帯域幅情報が取得され、エネルギ状態情報及びその時の利用可能帯域幅情報に応じて、再送信タイムアウト及び再送信回数が、データ送信が成功するまで、又は再送信回数に到達して送信が中止されるまで、調節される。

データ送信データ（ステップＳ４５０）を調節する頻度は、実際のネットワーク状態に応じて調節されてもよいことは理解される。例えば、データ送信の３回の失敗の後に１回調節したり、３０分等の或る期間毎に１回調節したりしてもよい。

図５は、本発明の実施形態によるセンサネットワークノードのエネルギ展開を制御する手法の一例を示している。

図に示すように、Ｔは、センサノードの２つのデータ送信間の間隔を示している。ｔ１、ｔ２及びｔ３は、それぞれ、センサノードが何回もデータを送信した場合の時間を示している。ｂは、ネットワーク利用可能帯域幅を示し、ｂＨ、ｂＭ及びｂＬは、それぞれ、高利用可能帯域幅、中利用可能帯域幅及び低利用可能帯域幅を示している。ｐＳは、センサノードの電力供給状態を示しており、例えば、ノードの電力状態が、３つのレベル、即ち、それぞれがパワー情報１、２及び３で表される高、中及び低に分類されてもよい。

最初に、ステージ１では、期間ｔ１において、センサノードが対象センサノードにデータを送信する。その時の利用可能帯域幅がｂＨであり、センサノードの電力供給状態がｐ１である。その後、期間

において、センサノードが、データ受信の成功についての応答情報を対象センサノードから受信しない場合には、ステージ２に移行し、データが対象センサノードに再送信される。ここで、ｎは調節係数であり、例えば、ｎは、センサノードの実際の電力供給状態に応じて２０〜３０に等しくなるように設定されてもよい。

次に、ステージ２では、期間ｔ２において、センサノードは、同一のデータを対象センサノードに再送信する。これと同時に、更新情報に応じて、その時の利用可能帯域幅がｂＭであり、センサノードの電力供給状態がｐ２であることが識別される。その後、再送信タイムアウトは、

に調節される。

調節されたタイムアウトに従って、

の時点で、センサノードが、データ受信の成功についての応答情報を対象センサノードから受信しない場合には、ステージ３に移行し、データが対象センサノードに再送信される。

次に、ステージ３では、期間ｔ３において、センサノードは、再び、同一のデータを対象センサノードに再送信する。これと同時に、更新情報に応じて、その時の利用可能帯域幅がｂＬであり、センサノードの電力供給状態がｐ３であることが識別される。その後、再送信タイムアウトは、

に調節される。

調節されたタイムアウトに従って、

の時点で、センサノードが、データ受信の成功についての応答情報を対象センサノードから受信しない場合には、データは、データ送信が成功するまで、又は再送信回数に到達して送信が中止されるまで、対象センサノードに再送信され続ける。

本発明の実施形態によれば、データが対象センサノードに再送信される回数を、センサノードの電力供給状態に基づき適宜調節することができる。センサノードがより十分な電力供給を持つほど、対象センサノードにデータを再送信する回数がより多く調節され、そうでなければ、データを再送信する（全体試行）回数がより少なく調節される。このような手法で、センサノードの電力消費をセーブすることができる。

例えば、センサノードの電力状態ｐＳが、３つのレベル、即ち、それぞれが１、２及び３の値で表される高、中及び低に分類されてもよく、その後、データを再送信するための全体試行回数Ｒが、

から計算されてもよい。ここで、ｍは、自然数の係数であり、例えば、ｍ＝８に設定されてもよい。このとき、センサノードｐＳ＝２のパワー状態である場合には、データを再送信する回数Ｒが４回に等しくなる。

本発明に開示された方法及び装置は、本発明の概念から離れることなく変更されてもよいことが当業者により理解されるべきだろう。従って、本発明の保護範囲は、特許請求の範囲の内容により限定されるべきである。

本発明の実施形態によるセンサネットワークの構成の一例を示す図である。 本発明の他の実施形態によるセンサネットワークの構成の一例を示す図である。 本発明の実施形態によるセンサネットワークにおけるネットワークコントローラの機能構成の一例を示す図である。 本発明の実施形態によるセンサネットワークノードのエネルギ展開を制御する手法を示すフローチャートである。 本発明の実施形態によるセンサネットワークノードのエネルギ展開を制御する手法の一例を示す図である。

Claims (10)

1. ネットワークのエネルギ展開を制御する方法であって、
   前記ネットワーク内のノードのエネルギ状態を示すエネルギ情報を取得するステップと、
   前記ノードの利用可能な帯域幅状態を示す帯域幅情報を取得するステップと、
   前記エネルギ情報と前記帯域幅情報とに基づき、少なくとも１つのデータ再送信パラメータを適宜調節するステップとを有する、方法。
2. 前記データ再送信パラメータは、前記ノードがデータ送信を失敗した後にデータを再送信し始めるタイムアウトである、請求項１に記載の方法。
3. 前記データ再送信パラメータは、前記ノードがデータ送信を失敗した後にデータを再送信し始める回数である、請求項１に記載の方法。
4. ネットワークのエネルギ展開を制御する装置であって、
   前記ネットワーク内のノードのエネルギ状態を示すエネルギ情報を取得する第１の取得デバイスと、
   前記ノードの利用可能な帯域幅状態を示す帯域幅情報を取得する第２の取得デバイスと、
   前記エネルギ情報と前記帯域幅情報とに基づき、少なくとも１つのデータ再送信パラメータを適宜調節する調節デバイスとを有する、装置。
5. 前記データ再送信パラメータは、前記ノードがデータ送信を失敗した後にデータを再送信し始めるタイムアウトである、請求項４に記載の装置。
6. 前記データ再送信パラメータは、前記ノードがデータ送信を失敗した後にデータを再送信し始める回数である、請求項４に記載の装置。
7. ネットワークのエネルギ展開を制御するコンピュータプログラムであって、
   前記ネットワーク内のノードのエネルギ状態を示すエネルギ情報を取得するコードと、
   前記ノードの利用可能な帯域幅状態を示す帯域幅情報を取得するコードと、
   前記エネルギ情報と前記帯域幅情報とに基づき、少なくとも１つのデータ再送信パラメータを適宜調節するコードとを有する、コンピュータプログラム。
8. 前記データ再送信パラメータは、前記ノードがデータ送信を失敗した後にデータを再送信し始めるタイムアウトである、請求項７に記載のコンピュータプログラム。
9. 前記データ再送信パラメータは、前記ノードがデータ送信を失敗した後にデータを再送信し始める回数である、請求項７に記載のコンピュータプログラム。
10. 複数のノードと、
    前記複数のノードに接続されたネットワークコントローラとを有するネットワークであって、
    前記ネットワークコントローラは、
    当該ネットワーク内のノードのエネルギ状態を示すエネルギ情報を取得する第１の取得デバイスと、
    前記ノードの利用可能な帯域幅状態を示す帯域幅情報を取得する第２の取得デバイスと、
    前記エネルギ情報と前記帯域幅情報とに基づき、少なくとも１つのデータ再送信パラメータを適宜調節する調節デバイスとを有する、ネットワーク。

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