JP5981894B2

JP5981894B2 - ツリー経路選択装置及び方法

Info

Publication number: JP5981894B2
Application number: JP2013164636A
Authority: JP
Inventors: 洋松浦
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2013-08-08
Filing date: 2013-08-08
Publication date: 2016-08-31
Anticipated expiration: 2033-08-08
Also published as: JP2015035670A

Description

本発明は、ツリー経路選択装置及び方法に係り、特に、ワイヤレスセンサネットワーク(WSN)上でルートセンサノードを頂点とする複数センサノードからなるツリーを作成し、ツリー上の各センサノードが、ルートセンサノードまでツリーに沿ってデータを転送し、ルートセンサノードが集約したデータをベースステーションに送信する形態のツリー経路選択装置及び方法に関する。

センサノードは、電池稼動のものが多く、各センサノード電池寿命内でのデータ送信及び転送回数を最大限にするツリー経路選択方法が求められる。特に、二つの異なるセンサノード間距離が大きい場合は消費電力が距離の２乗に比例して大きくなることが知られている。そのため、ツリーを構成するセンサノード間の距離が小さくなるようなツリー経路選択方法が求められる。また、センサノードの他の主な電力消費要因として、データ受信する回数が多いセンサノードは、その数に比例して電力消費がかかるので、データを受信するセンサノードを分散できるツリー経路選択方法が求められている。

特定の場所や地域にセンサを配置し、対象地の湿度、温度、気体濃度等をセンサによって計測し、その平均値、最大値／最小値等をセンサノードツリーで集約し、ルートセンサノードからベースステーションに通知することによって対象地の分析を行う、あるいは、ガスメータ、電気メータなどの情報を定期的にセンサノードツリーで集約することを可能にする技術として、RPL(Routing Protocol for Low-power and Lossy Networks)プロトコルが標準化されている（非特許文献１参照）。

T. Winter, et al., "RPL: IPv6 Routing Protocol for Low-power and Lossy Networks", RFC6550, IETF6550, IETF, March 2012.

しかしながら、上記の非特許文献１のRPLのツリー経路選択方法では、ツリーに加わる新規センサノードは当該センサノードの複数の隣接ノード（IPレイヤの下位レイヤであるMACレイヤで当該センサノードと関連(association)を持っているノード）のランクの中で最も小さいランクのセンサノード直下に自身を所属させ、自身のランクは上位ランクよりも大きく設定する。この場合、ルートセンサノードだけがWSNのツリー上にある場合、新規ノードは自分の隣接ノードにルートセンサノードが存在すれば、ルートセンサノード直下に自身を接続することになる。その場合、当該新規センサノードがルートセンサノードから距離が離れている場合は、新規センサノードからルートセンサノードまでデータを転送する際に大きな電力が必要となり、当該新規センサノードの電池寿命を縮めるという問題がある。

上記の問題について、図１を用いて説明する。図１では、条件として「新規センサノードN1の隣接ノードのリストにルートセンサノードRを有する」が指定されているとする。図１でもわかるように、もし、センサノードN2が最初にルートセンサノードRに接続し、その後に新規センサノードN1がセンサノードN2に接続した場合はN1のデータ転送による電力消費は抑えられることになるが、センサノードN2がルートセンサノードRに接続されていない場合には新規センサノードN1が直接Rに接続する必要があるので、その距離の2乗に比例して消費電力が増大する。

また、RPLではランクが小さいセンサノードのツリー上での直接下位（直下）に接続するセンサノード数が多くなる可能性が高く、そのため、当該センサノードの直下の多くのセンサノードからの送信が集中する可能性があり、結果として受信数が多くなった受信側のセンサノードの消費電力が大きくなる。

本発明は、上記の点に鑑みなされたもので、ワイヤレスセンサネットワークにおいて、近距離のセンサノードがつながるようにし、センサノードの送信にかかる消費電力を抑えるとともに、センサノードツリー上で直下のセンサノード数を少なくすることにより、センサノードの受信にかかる消費電力を抑えることが可能なツリー経路選択装置及び方法を提供することを目的とする。

一態様によれば、ワイヤレスセンサネットワーク（WSN）上のセンサノードツリーに新規に加わるセンサノードと該センサノードが直接接続するツリー上の上位センサノードを決定するためのツリー経路選択装置であって、
前記ツリー上に新たなセンサノードが接続されるたびに、前記ツリー上の各センサノードと、まだツリーに接続されていない複数の隣接センサノードとの区間ごとの距離に基づく評価値の中で最小の評価値に係る隣接センサノードを、前記ツリー上への次の接続対象として選択する制御手段を有するツリー経路選択装置が提供される。

一態様によれば、ツリー上の各センサノードから、まだツリーに属していない隣接センサノードまでの距離を比較し、全てのツリー上のセンサノードから最も距離が小さい隣接センサノードを、新規ツリーノードとして当該新規ツリーノードが隣接するツリー上センサノード直下に接続させることにより、ツリーから近距離のセンサノードがつながることになり、センサノードの送信にかかる消費電力を抑えることが可能になる。さらに、当該新規ツリーノードが接続するツリー上センサノードの直下センサノード数を考慮することにより、センサの受信に関する消費電力も考慮したツリー構成が可能となる。

従来技術の問題点を説明するための図である。本発明の一実施の形態におけるシステム構成例である。本発明の一実施の形態におけるルートセンサノードのツリー経路選択装置の構成例である。本発明の一実施の形態における評価値リストの例である。本発明の一実施の形態における具体例（その１）である。本発明の一実施の形態における具体例（その２）である。

以下、図面と共に本発明の実施の形態を説明する。

図２は、本発明の一実施の形態におけるシステム構成例を示す。

同図に示すシステムは、ツリーのルートセンサノードR，ツリー上でR直下に接続するセンサノードN1，N2、まだツリーに接続されていないセンサノードN3，N4を有するものとする。

このうち、ルートセンサノードRは、経路選択装置１００を有するものとする。なお、本実施の形態では、経路選択装置１００が、ルートセンサノードR内に存在するものとして説明するが、ルートセンサノードRの外部にあってもよい。

図３は、本発明の一実施の形態における経路選択装置の構成を示す。

同図に示すルートセンサノード（R）の経路選択装置１００は、新規ツリーノード受付部１１０、評価値リスト制御部１２０、評価値リスト記憶部１４０を有する。

評価値リスト記憶部１４０は、図４に示すように、隣接ノード区間と当該隣接ノード区間の評価値からなる形式の評価値リスト１４１を有する。ここで、隣接ノード区間とは、片端のセンサノードがツリー上にあり、他端のセンサノードがツリー上センサノードの隣接センサノードである区間である。

評価値リスト制御部１２０は、評価値リスト１４１を参照して、評価値が最も小さい隣接ノード区間を抽出し、当該隣接ノード区間の片側のツリーの隣接センサノードに対して、新規ツリーノードとして、ツリーに参加することを要求するとともに、当該新規ツリーノードの隣接ノード区間情報を要求（隣接ノード情報要求）する。ここでの隣接ノード区間は、片端は新規ツリーノードであり、他端はその当該新規ツリーノードの隣接ノードであるため、複数の区間が存在する可能性がある。

新規ツリーノード受付部１１０は、隣接ノード情報が要求された新規ツリーノードからの隣接ノード情報を取得して、評価値リスト制御部１２０に渡す。

各センサノード（例えば、図２のN4）は、自ノード内に自ノードとその複数の隣接ノード間の距離情報を有しており、ツリー経路選択装置１００からの隣接ノード情報要求を受信すると、自ノードとその隣接ノード間の距離情報を含む隣接ノード情報をツリー経路選択装置１００に通知する。なお、センサノードとその隣接ノード間の距離情報を取得する手法としては、隣接ノードからの電波強度、各センサノードの位置情報等から求める等がある。

評価値リスト制御部１２０は、新規ツリーノード受付部１１０を介して隣接ノード情報を取得する。例えば、新規ツリーノードとしてセンサノード（N4）が選択された場合、N4からの隣接区間情報を評価値リスト１４１に反映した後、例えば、ツリー上ノードから隣接センサノードまでの距離を比較し、全てのツリー上のセンサノードである（R,N1,N2,N4）から最も距離が小さい隣接センサノード（例えば、図２のN3）を、新規ツリーノードとして当該センサノード（N3）が隣接するツリー上センサノード（N1)の直下に接続させる。このとき、新規にツリーに接続させる隣接センサノード（N3）を選択する際に、接続先のツリー上のセンサノードの直下のセンサノード数を考慮し、距離が近く、かつ、直下センサノード数が少ないツリー上のセンサノードに新規センサノードを接続させるようにすることも以下の式(1)を利用することにより可能となる。

具体的には、センサノード間距離をd、ツリー上のセンサノードの直下センサノード数をn、αを直下センサノード数の距離に対する比重を示す0以上のパラメータとし、評価値を、
d²+αn 式(1)
により求め、当該評価値を比較して、最も評価値が小さい隣接センサノードを、新規ツリーノードとしてツリーに接続する。例えば、図５の例では、新規ツリーノードとしてN6が選択されるが、この結果は評価値リストの中で隣接ノード区間N1−N6が最も評価値が小さいからである。

また、評価値リスト制御部１２０は、隣接ノード区間と、その評価値を評価値リスト１４１に書き込むと共に、評価値の大きさでソートする。つまり、新規に隣接ノード区間が加わった場合には、上記の式(1)を使って隣接ノード区間の評価値を求め、評価値でソートして１４１を更新する。

また、評価値リスト制御部１２０は、新規に評価値リスト１４１に加える隣接ノード区間の片端の隣接ノードがすでに、評価値リスト１４１に存在する既存隣接ノード区間の片端の隣接ノードと同じ場合は、両者の評価値を比較して、新規隣接ノード区間評価値が既存隣接ノード区間評価値より小さい場合のみ、新規隣接ノード区間を既存隣接ノード区間と入れ替える。一方、新規隣接ノード区間評価値が既存隣接ノード区間評価値以上の場合には、新規隣接ノード区間を評価値リスト１４１に追記しない。この処理を行う理由は、評価値リスト利用の目的は、ツリーから最小の評価値を持つ隣接ノードを求めることであるためであり、同じ隣接ノードで異なる評価値を持つ複数の隣接ノード区間が存在する場合は小さい評価値を持つ区間だけを残せばよいからである。

上記の、評価値リスト制御部１２０の処理は、既存方式からのオーバヘッドとなるが、各新規ツリーノードからの隣接ノード情報は、ツリー参加時に１度だけ、ルートセンサノードに送信すればよい。

また、新規ツリーノードからの隣接ノード区間情報を受けたルートセンサノードRは、この区間情報に入っている複数区間が、ルートセンサノードRが保持する評価値リスト１４１の中の区間と同じ隣接センサノードを保持するかどうかをチェックするが、この処理は、WSN上のセンサノード数n、センサノード最大ノード次数（センサノードの最大の隣接ノード数）mとして場合、O(mn)の時間計算量となる。他の関連処理（新規隣接ノード区間の評価値リストへの追加、評価値リストのアップデート）も、このO(mn)を超える処理にならないので、次にツリーに接続する新規ツリーノードを決めるための全体の時間計算量はO(mn)となる。このツリー経路選択時間計算量は、リアルタイムのオペレーションを行う上で十分小さい計算量である。

以下に、具体的に説明する。

図５、図６は、本発明の一実施の形態における具体例を示す。図５では、センサノードN6に接続される前の状態を示し、図５では、センサノードN6がツリーに接続された状態を示している。

図５のRはツリーのルートセンサノード、N1，N2はツリー上でR直下に接続するセンサノード、N3〜N7はまだツリーに接続されていないセンサノードを示す。

また、センサノード間のリンクはそれらのノードが隣接関係にあることを示し、リンク上の数字はリンクの両端のノード間距離を示す。なお、実線リンクはその区間がツリー上であるか評価値リスト１４１に存在することを示す。点線リンクはその区間の片端の隣接ノードを持ち、より評価値が小さい区間が評価値リストにあるため、対象区間が評価値リスト１４１に入っていないことを示す。

図５において、ルートセンサノードRは、同図(a)に示す評価値リスト１４１を評価値リスト記憶部１４０に保持し、当該評価値リスト(a)には、区間とその評価値が対応付けられて保持されると共に、評価値の大きさによってソートされている。評価値を求めるための評価式は前述の式(1)に従うが、図５，６の例では、α＝2としている。N1／N2から始まる区間は、これらのセンサノード（N1，N2）直下にノードが存在しないので、n＝0となるため、単純な距離の２乗となる。しかし、ルートセンサノードRから始まる区間はn＝2となるので距離の２乗に４を足した値が評価値となる。

この評価値リスト（図５(a)）から最小の評価値を持つ区間［N1−N6］が選ばれるので、センサノードN6がツリー上でN1の直下に接続することになる。その結果を図６に示す。

評価値リスト１４１の最小値として選択された区間［N1−N6］は、評価値リスト（図５(a)）から削除され（図６(b)）、また、センサノードN1は直下に１つのノード（N6）が接続されたので、評価式（式(1)）において、n＝1となるため、区間［N1−N5］は評価値が25から27に増える（図６（c））。その後に、N6からその隣接ノードまでの区間［N6−N5，N6−N8］を評価値リスト１４１に加える試みに入る。

N6−N5については、既にN5までの区間［N1−N5］があるが、その評価値が「27」であり、N6−N5の評価値「25」の方が小さいので、N1−N5を置き換えることにより、図６(d)に示すように、[N6−N5]の区間と評価値「25」が評価値リスト１４１に格納される。

また、区間［N6−N8］はその距離が2となり、２乗しても4であり、評価値リスト１４１の中で最も小さいので、評価値リスト１４１の最上位に格納され、次にツリーにセンサノードN8が接続されることになる（図６(d)）。

なお、上記の図３に示すツリー経路選択装置の各構成要素の動作をプログラムとして構築し、ルートセンサノードとして利用されるコンピュータにインストールして実行させる、または、ネットワークを介して流通させることも可能である。

本発明は、上記の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲内において種々変更・応用が可能である。

R ルートセンサノード
N センサノード
１００ツリー経路選択装置
１１０新規ツリーノード受付部
１２０評価値リスト制御部
１４０評価値リスト記憶部
１４１評価値リスト

Claims

ワイヤレスセンサネットワーク（WSN）上のセンサノードツリーに新規に加わるセンサノードと該センサノードが直接接続するツリー上の上位センサノードを決定するためのツリー経路選択装置であって、
前記ツリー上に新たなセンサノードが接続されるたびに、前記ツリー上の各センサノードと、まだツリーに接続されていない複数の隣接センサノードとの区間ごとの距離に基づく評価値の中で最小の評価値に係る隣接センサノードを、前記ツリー上への次の接続対象として選択する制御手段を有する
ことを特徴するツリー経路選択装置。
前記区間ごとの評価値は、当該区間の距離と、前記ツリー上のセンサノードの中で当該区間に係るセンサノードの直下に接続されているセンサノードの数とに基づく、
請求項１記載のツリー経路選択装置。
前記ツリー上のセンサノードとその隣接センサノード間の区間とその区間の評価値を対応付けた評価値リストを保持する評価値記憶手段と、
センサノード間距離をd、ツリー上のセンサノードの直下のセンサノード数をn、0以上のパラメータをαとし、d²+αnによって区間の評価値を求め、前記評価値記憶手段に格納する評価値リスト制御手段と、
を更に有し、
前記制御手段は、
前記評価値記憶手段の前記評価値リスト中で最も評価値が小さい隣接センサノードを新規にツリーに接続させる手段を含む
請求項２記載のツリー経路選択装置。
前記評価値リスト制御手段は、
前記評価値リストの前記ツリー上のセンサノードとその隣接センサノード間の区間と該区間の評価値の組を、該評価値の大きさでソートする手段と、
前記隣接センサノードが前記ツリーに加わった場合には、該隣接センサノードとその隣接ノード間の区間を前記評価値リストに追加する手段を含む
請求項３記載のツリー経路選択装置。
ワイヤレスセンサネットワーク（WSN）上のセンサノードツリーに新規に加わるセンサノードと該センサノードが直接接続するツリー上の上位センサノードを決定するためのツリー経路選択方法であって、
制御手段を有する装置において、
前記ツリー上に新たなセンサノードが接続されるたびに、前記ツリー上の各センサノードと、まだツリーに接続されていない複数の隣接センサノードとの区間ごとの距離に基づく評価値の中で最小の評価値に係る隣接センサノードを、前記ツリー上への次の接続対象として選択する制御ステップを行う
ことを特徴するツリー経路選択方法。
前記区間ごとの評価値は、当該区間の距離と、前記ツリー上のセンサノードの中で当該区間に係るセンサノードの直下に接続されているセンサノードの数とに基づく、
請求項５記載のツリー経路選択方法。
前記ツリー上のセンサノードとその隣接センサノード間の区間とその区間の評価値を対応付けた評価値リストを保持する評価値記憶手段と、
評価値リスト制御手段を更に有する装置において、
前記評価値リスト制御手段が、センサノード間距離をd、ツリー上のセンサノードの直下のセンサノード数をn、0以上のパラメータをαとし、d²+αnによって区間の評価値を求め、前記評価値記憶手段に格納する評価値リスト制御ステップを更に行い、
前記制御ステップにおいて、
前記評価値記憶手段の前記評価値リスト中で最も評価値が小さい隣接センサノードを新規にツリーに接続させる
請求項６記載のツリー経路選択方法。
前記評価値リスト制御ステップにおいて、
前記評価値リストの前記ツリー上のセンサノードとその隣接センサノード間の区間と該区間の評価値の組を、該評価値の大きさでソートし、
前記隣接センサノードが前記ツリーに加わった場合には、該隣接センサノードとその隣接ノード間の区間を前記評価値リストに追加する
請求項７記載のツリー経路選択方法。