JP2008099075A - Sensor network system and media access control method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、バッテリ容量で駆動する無線センサノードにより構成されるセンサネットワークシステム及びメディアアクセス制御方法に関する。 The present invention relates to a sensor network system including a wireless sensor node driven by battery capacity and a media access control method.
センサネットワークシステムは、限られたバッテリ容量で駆動する小型無線センサノードにより構成されるシステムである。センサネットワークシステムは、各センサノードで環境情報を取得し、マルチホップで基地局にデータを収集することが可能なため、河川や森林のリモートセンシング，防犯センシング，農場監視システムなど様々なアプリケーションが考えられている。しかしながら、センサノードの数が膨大な数（数万から数百万個）に及ぶようなシステムや、広大な敷地や立ち入りの困難な場所にセンサノードを設置し使用するシステムでは、バッテリ交換作業が大きな課題となっている。このため、各センサノードの消費電力を削減し、センサネットワークシステム全体の可用時間を伸ばすこと（低消費電力化）が切望されている。 The sensor network system is a system composed of small wireless sensor nodes that are driven with a limited battery capacity. The sensor network system can acquire environmental information at each sensor node and collect data to the base station in multi-hop, so various applications such as remote sensing of rivers and forests, security sensing, and farm monitoring systems are considered. It has been. However, in systems where the number of sensor nodes is enormous (tens of thousands to millions), or in systems where sensor nodes are installed and used in large sites or places that are difficult to enter, battery replacement work is not possible. It has become a big issue. For this reason, reducing the power consumption of each sensor node and extending the usable time of the whole sensor network system (reduction in power consumption) are desired.
各センサノードにおける消費電力は、無線データ通信に関わる部分が支配的となっている。センサノードにおいて無線データ通信に関わる部分は、ＲＦ（Radio Frequency）回路である。このＲＦ回路の送信器および受信器の起動／停止を制御するのが、ＭＡＣ（Media Access Control）層である。このため、低消費電力指向のＭＡＣ層の開発が重要な課題となっている。
ＭＡＣの電力エネルギーの消費の原因として、主に４つの要因（アイドルリスニング，オーバヒヤリング，衝突，コントロールパケットのオーバヘッド）が考えられる。センサネットワークでは殆どが非通信状態（アイドル状態）であり、このアイドル状態でも受信器が起動している限り受信時と同じ電力を消費するというものがアイドルリスニングである。従って、ＭＡＣの低消費電力化のためには、パケットを受信しないにもかかわらず受信器を起動させるアイドルリスニングにより浪費されるエネルギーを削減することが有効である。
The power consumption in each sensor node is dominant in the portion related to wireless data communication. A part related to wireless data communication in the sensor node is an RF (Radio Frequency) circuit. The MAC (Media Access Control) layer controls the start / stop of the transmitter and receiver of this RF circuit. For this reason, development of a low power consumption oriented MAC layer is an important issue.
There are mainly four factors (idle listening, overhearing, collision, and control packet overhead) as the causes of the consumption of the MAC power energy. Most sensor networks are in a non-communication state (idle state), and idle listening is to consume the same power as during reception as long as the receiver is activated even in this idle state. Therefore, in order to reduce the power consumption of the MAC, it is effective to reduce the energy wasted by idle listening that activates the receiver despite not receiving a packet.
上述したような低消費電力化のＭＡＣとして、周期起動型ＭＡＣが知られている。周期起動型ＭＡＣでは、パケット受信のため各ノードはある起動周期(Wake-up Period)で一定の起動期間(Wake-up Duration) だけ受信モードに入ることとしている。起動周期に対する起動期間の割合であるデューティサイクル比を小さくすることで、周期起動型ＭＡＣはアイドルリスニングに起因する消費電力を小さくしている。 A periodic activation type MAC is known as a MAC with low power consumption as described above. In the cyclic activation type MAC, each node enters the reception mode for a certain activation period (Wake-up Duration) for a certain activation period (Wake-up Period) for packet reception. By reducing the duty cycle ratio, which is the ratio of the activation period to the activation period, the periodic activation type MAC reduces the power consumption caused by idle listening.
一般に、周期起動型ＭＡＣでは、起動周期が大きくなるほど、送受信ノード間での通信確立までの遅延時間は増大する。このため、同じデューティサイクル比のもとでは、起動周期が小さい方が遅延時間の面で有利である。
従来から存在する周期起動型ＭＡＣでは、例えば、起動期間が１１５ｍｓというように長く固定的に設定されているものや（非特許文献１）、また起動期間が５０μｓというようにチャネルを監視するのに十分な短い時間に設定されているものなどがある（非特許文献２）。同じデューティサイクル比のもとでは、起動周期が大きくなると遅延増大の面で不利である。このため、送受信ノード間で通信を確立するまでに要する遅延時間が同程度となる条件下では、起動期間が短い周期起動型ＭＡＣの方がデューティサイクル比を小さくできるために消費電力面で有利となる。
In general, in the cyclic activation type MAC, the delay time until the establishment of communication between the transmission and reception nodes increases as the activation period increases. For this reason, under the same duty cycle ratio, a smaller start cycle is advantageous in terms of delay time.
In the conventional cyclic activation type MAC, for example, the activation period is set to be long and fixed as 115 ms (Non-patent Document 1), or the channel is monitored such that the activation period is 50 μs. Some have been set to a sufficiently short time (Non-Patent Document 2). Under the same duty cycle ratio, an increase in the starting period is disadvantageous in terms of an increase in delay. For this reason, under conditions where the delay time required for establishing communication between the transmitting and receiving nodes is approximately the same, the periodic activation type MAC having a short activation period is advantageous in terms of power consumption because the duty cycle ratio can be reduced. Become.
起動期間が短い周期起動型ＭＡＣでは、データを送信するためには起動周期以上のコントロールパケット（プリアンブル）を送信する必要がある。このため、起動周期を大きくすると送信時のオーバヘッドは（アイドルリスニングに起因する消費電力削減に反して）逆に大きくなる。また、起動期間が短い周期起動型ＭＡＣの最適な起動周期は、送信範囲内にある隣接ノード数や送信頻度に依存する。従って、ネットワーク全体で最適な起動周期を決定することが難しいという問題がある。 In a cyclic activation type MAC with a short activation period, it is necessary to transmit a control packet (preamble) longer than the activation period in order to transmit data. For this reason, if the activation period is increased, the overhead during transmission increases (as opposed to power consumption reduction due to idle listening). In addition, the optimum activation period of the cyclic activation type MAC with a short activation period depends on the number of adjacent nodes in the transmission range and the transmission frequency. Therefore, there is a problem that it is difficult to determine an optimal activation cycle for the entire network.
起動期間が短い周期起動型ＭＡＣを改良したものに、ＡＣＫに次回の起動時間を含めることで送信ノードに起動スケジュールを学習させる方式がある（非特許文献３）。しかし、センサノードの動作クロックにはドリフトがあるため、この学習結果のあいまい性が時間とともに増加する。よって、この起動スケジュール学習は、通信の頻度がある程度多い場合でなければ有効に働かないといった問題がある。 As an improvement of the periodic activation type MAC with a short activation period, there is a method of causing the transmission node to learn the activation schedule by including the next activation time in the ACK (Non-patent Document 3). However, since there is a drift in the operation clock of the sensor node, the ambiguity of this learning result increases with time. Therefore, this activation schedule learning has a problem that it does not work effectively unless the frequency of communication is high to some extent.
一方、センサネットワークにおける時刻同期には、パケット交換による方式と外部信号による方式が知られている。パケット交換による時刻同期プロトコルとしては、Reference Broadcast Synchronization(ＲＢＳ)，Timing-sync Protocol for Sensor Networks(ＴＰＳＮ)，Flooding Time Synchronization Protocol(ＦＴＳＰ)の３つが挙げられる。
ＲＢＳは、先ず時刻同期の基準となるノードが参照パケットをブロードキャストする。参照パケットを受信した各ノードは、ローカルの受信時刻を記録し、それぞれのノードで受信時刻を交換することで同期を行うものである。ＲＢＳでは、各ノードで数μ秒誤差の同期を行うことが可能である。
次にＴＰＳＮは、ネットワークのスパニングツリーを構成し、それぞれのペアノード毎にＮＴＰによる方式で時刻同期を行うものである。ＴＰＳＮは、ＲＢＳの２倍の同期精度を有し、５ホップ先のセンサノードにおいて５０μ秒以下の誤差を実現している。
最後にＦＴＳＰは、定期的な同期パケットのブロードキャストにより、複数のタイムスタンプを作成するものである。それにより各センサノードのクロックドリフトを線形回帰法により求めている。クロックドリフトを補正することにより１μ秒誤差の時刻同期を実現している。
On the other hand, for time synchronization in a sensor network, a packet exchange method and an external signal method are known. There are three time synchronization protocols by packet exchange: Reference Broadcast Synchronization (RBS), Timing-sync Protocol for Sensor Networks (TPSN), and Flooding Time Synchronization Protocol (FTSP).
In the RBS, first, a node serving as a reference for time synchronization broadcasts a reference packet. Each node that receives the reference packet records the local reception time and performs synchronization by exchanging the reception time at each node. In RBS, each node can synchronize an error of several microseconds.
Next, the TPSN constitutes a spanning tree of the network and performs time synchronization by an NTP method for each pair node. The TPSN has twice the synchronization accuracy of the RBS, and realizes an error of 50 μsec or less at the sensor node 5 hops away.
Finally, FTSP creates a plurality of time stamps by periodically broadcasting synchronous packets. Thereby, the clock drift of each sensor node is obtained by the linear regression method. By correcting the clock drift, time synchronization with an error of 1 μs is realized.
また先行する特許文献として、周辺端末がリファレンス端末と時刻同期をおこなうシステムが知られている（特許文献１）。これは、センサネットワークのように端末（センサノードと同義）の電力量に制限があり、各端末が定期的にアクティブ状態とスリープ状態を繰り返す間欠動作を行っている状況で、端末間での時刻同期及び新設端末による隣接ネットワークの検出において、時刻同期信号を受信するために長い時間待機する必要なく、そのため消費電力量を低く抑えることができる時刻同期システムを提供するものである。
リファレンス端末により、所定の送信周期毎に、時刻情報を含む時刻同期信号を複数回連続して配信し、周辺端末により、所定の送信周期ごとに、時刻同期信号を１回受信した時点でリファレンス端末の時刻に同期することを特徴とするもので、周辺端末のクロック精度によって、リファレンス端末が連続に時刻同期信号を送信する回数を決定するものである。
As a prior patent document, a system in which a peripheral terminal performs time synchronization with a reference terminal is known (Patent Document 1). This is because the amount of power of terminals (synonymous with sensor nodes) is limited as in sensor networks, and each terminal performs intermittent operations that periodically repeat the active state and the sleep state. It is an object of the present invention to provide a time synchronization system capable of suppressing power consumption low without waiting for a long time to receive a time synchronization signal in synchronization and detection of an adjacent network by a new terminal.
When the reference terminal distributes a time synchronization signal including time information continuously for a plurality of times for each predetermined transmission cycle, and the peripheral terminal receives the time synchronization signal once for each predetermined transmission cycle, the reference terminal The number of times the reference terminal continuously transmits the time synchronization signal is determined according to the clock accuracy of the peripheral terminals.
これらの時刻同期プロトコルは、通常のデータ通信と同じチャネルを使用した場合、パケット交換の頻度が多いため、それに伴う消費エネルギーのオーバヘッドが大きくなり、またデータの衝突頻度を高くする可能性があるといった問題がある。 These time synchronization protocols use the same channel as normal data communication, so the frequency of packet exchange is high, so the overhead of energy consumption associated with it increases, and the frequency of data collisions may increase. There's a problem.
一方、外部信号による時刻同期として、ＧＰＳ（Global Positioning System）が挙げられる。ＧＰＳは、数十ナノ秒の精度での時刻同期も可能である。しかし、ＧＰＳは消費電力が大きく、１チップ化されたＬＳＩ（Large Scale Integration）でも数１０ｍＷ程度の消費電力であるため、センサノードの時刻同期としてはオーバヘッドが大きいといった問題がある。 On the other hand, GPS (Global Positioning System) is mentioned as time synchronization by an external signal. GPS can also synchronize time with an accuracy of several tens of nanoseconds. However, GPS consumes a large amount of power, and even a single scale LSI (Large Scale Integration) consumes about several tens of mW, so there is a problem that the overhead of the sensor node time synchronization is large.
上述したように、センサネットワークシステムにおいて、起動期間が短い周期起動型ＭＡＣでは、データを送信するためには起動周期以上のコントロールパケット（プリアンブル）を送信する必要があり、起動周期を大きくすると送信時のオーバヘッドは（アイドルリスニングに起因する消費電力削減に反して）逆に大きくなるという問題があった。また、起動期間が短い周期起動型ＭＡＣの最適な起動周期は、送信範囲内にある隣接ノード数や送信頻度に依存することから、ネットワーク全体で最適な起動周期を決定することが難しいという問題があった。 As described above, in the sensor network system, in the cyclic activation type MAC having a short activation period, it is necessary to transmit a control packet (preamble) longer than the activation period in order to transmit data. On the other hand, there is a problem that the overhead of (in contrast to the power consumption reduction caused by idle listening) becomes large. In addition, since the optimum activation period of the cyclic activation type MAC with a short activation period depends on the number of adjacent nodes in the transmission range and the transmission frequency, it is difficult to determine the optimum activation period for the entire network. there were.
また、時刻同期手段としてパケット交換による方法では、上述したようにパケットの頻度が多くなることから起因する消費エネルギーのオーバヘッドが大きくなり、またデータの衝突頻度を高くする可能性があるといった問題がある。
また、時刻同期手段としてＧＰＳを用いる方法では、１チップ化されたＬＳＩを採用してもなお消費電力が大きく、センサノードの時刻同期としてはオーバヘッドが大きいといった問題がある。
In addition, the method using the packet exchange as the time synchronization means has a problem that the overhead of the consumed energy is increased due to the increased frequency of the packets as described above, and the data collision frequency may be increased. .
In addition, the method using GPS as the time synchronization means has a problem that power consumption is still large even if a single-chip LSI is adopted, and overhead is large for time synchronization of sensor nodes.
上記問題点に鑑み、本発明は、その目的は、センサネットワークのように構成するセンサノードの電力量に制限があり、各センサノードが定期的に起動状態（アクティブ状態）と待機状態（スリープ状態）を繰り返す間欠動作を行っている状況で、センサノード間でのデータ送受信するために必要となる起動状態の時間と、コントロールパケット（プリアンブル）の送信時間を制御して、センサノードの消費電力量を低く抑えることができるセンサネットワークシステム及びメディアアクセス制御方法を提供することにある。 In view of the above problems, the object of the present invention is to limit the amount of power of a sensor node configured like a sensor network, and each sensor node is periodically activated (active) and standby (sleep). ), The power consumption of the sensor node is controlled by controlling the start-up time and the transmission time of the control packet (preamble) required for data transmission / reception between the sensor nodes. Is to provide a sensor network system and a media access control method.
上記目的を達成するため、本発明は、基地局とセンサノードとが無線でデータ送受信を行うセンサネットワークシステムにおいて、
前記センサノードが、
１）外部信号を用いた時計同期手段と、
２）同一の起動周期および起動タイミングで所定起動期間だけＲＦ回路をＯＮとし、前記起動期間後は前記ＲＦ回路をＯＦＦとするチャネル監視手段と、
３）データ送信の際には周辺ノードの前記起動タイミングに合わせてプリアンブル信号を送信し、前記周辺ノードを起動させデータ受信可能な状態にさせた後にデータ送信を行うデータ送信手段と、
４）データ受信の際には前記起動期間に他のノードからの前記プリアンブル信号を受信した場合に前記起動期間後も前記ＲＦ回路をＯＮに維持してデータ受信可能な状態とし、前記ＲＦ回路をＯＦＦとするデータ受信手段と、
を備えた構成とされたことを特徴とするセンサネットワークシステムである。
To achieve the above object, the present invention provides a sensor network system in which a base station and a sensor node transmit and receive data wirelessly.
The sensor node is
1) clock synchronization means using an external signal;
2) Channel monitoring means for turning on the RF circuit for a predetermined activation period at the same activation cycle and activation timing, and turning off the RF circuit after the activation period;
3) Data transmission means for transmitting data after transmitting a preamble signal in accordance with the activation timing of the peripheral node at the time of data transmission and activating the peripheral node to make it ready for data reception;
4) At the time of data reception, when the preamble signal from another node is received during the activation period, the RF circuit is kept ON after the activation period so that data can be received. Data receiving means for turning off;
It is the sensor network system characterized by having provided the structure.
上記構成により、センサノード間でのデータ送受信するために必要となる起動時間と、プリアンブルの送信時間を制御して、センサノードの消費電力量を低く抑えることができる。
なお、データ受信の際には起動期間に他のノードからのプリアンブル信号を受信した場合に起動期間後もＲＦ回路をＯＮに維持してデータ受信可能な状態とした後は、正常にデータ受信した場合に、例えばＡＣＫ信号を返信してＲＦ回路をＯＦＦするか、若しくは一定時間データを待った後にＲＦ回路をＯＦＦする。
With the above configuration, the power consumption of the sensor node can be kept low by controlling the start-up time and the preamble transmission time required for data transmission / reception between the sensor nodes.
When receiving data, if a preamble signal from another node is received during the start-up period, the RF circuit is kept ON after the start-up period and the data can be received. In this case, for example, an ACK signal is returned to turn off the RF circuit, or after waiting for data for a certain time, the RF circuit is turned off.
また、本発明は、上記の発明において、外部信号が長波帯標準電波信号であることを特徴とする。 In the present invention, the external signal is a long-wave standard radio signal.
上記の長波帯標準電波信号を外部信号に用いる構成により、精度の高い同期を低い消費電力で実現することが技術的に可能である。 It is technically possible to realize highly accurate synchronization with low power consumption by using the above-described long wave band standard radio signal as an external signal.
また、本発明は、上記の発明において、プリアンブル信号長が、前記時計同期手段により得られる絶対時間からのクロックドリフトの４倍長に前記起動期間を加算したものであることを特徴とする。 Also, the present invention is characterized in that, in the above-mentioned invention, a preamble signal length is obtained by adding the activation period to a length four times the clock drift from the absolute time obtained by the clock synchronization means.
プリアンブル信号長は、受信センサノードを含む周辺センサノードを起動させるのに必要な長さが必要である。しかし、各センサノードの起動タイミングは、各センサノードのクロックドリフトによりずれる可能性がある。このため、プリアンブル信号長はこのずれを考慮して決定する必要があり、プリアンブル信号長は時刻同期回数とクロックドリフトの大きさによって決定されることになる。
センサノード間の相対クロックドリフトは、クロックドリフトの４倍長の幅の間に分布することから、時計同期手段により得られる絶対時間からのクロックドリフトの４倍長に前記起動期間を加算したものをプリアンブル信号長にしたものである。
プリアンブル信号長を、時計同期手段により得られる絶対時間からのクロックドリフトの４倍長に起動期間を加算したものとすることにより、周囲の隣接センサノード全てを起動させることが可能となる。
The preamble signal length needs to be a length necessary to activate the peripheral sensor nodes including the receiving sensor node. However, the activation timing of each sensor node may be shifted due to clock drift of each sensor node. For this reason, it is necessary to determine the preamble signal length in consideration of this deviation, and the preamble signal length is determined by the number of time synchronizations and the magnitude of clock drift.
Since the relative clock drift between the sensor nodes is distributed over a width that is four times longer than the clock drift, a value obtained by adding the start-up period to four times the clock drift from the absolute time obtained by the clock synchronization means. The preamble signal length is used.
By setting the preamble signal length to 4 times the clock drift from the absolute time obtained by the clock synchronization means and adding the activation period, it is possible to activate all neighboring adjacent sensor nodes.
また、本発明は、上記の発明において、センサノードにおける前記クロックドリフトは、外部信号による時計同期手段による時刻同期を用いて、自動的にドリフト補正されることを特徴とする。 Further, the present invention is characterized in that, in the above invention, the clock drift in the sensor node is automatically drift-corrected by using time synchronization by a clock synchronization means using an external signal.
センサノードにおけるクロックドリフトは、水晶発振器の精度に強く依存するため、上記構成により、水晶発振器の精度を高めることができる。 Since the clock drift in the sensor node strongly depends on the accuracy of the crystal oscillator, the accuracy of the crystal oscillator can be increased by the above configuration.
次に、本発明は、基地局とセンサノードとが無線でデータ送受信を行うセンサネットワークのメディアアクセス制御方法であって、
前記センサノードが、
１）長波帯標準電波信号を用いて時刻同期を行い、
２）同一の起動周期および起動タイミングで所定起動期間だけＲＦ回路をＯＮとし、前記起動期間後は前記ＲＦ回路をＯＦＦし、
３）データ送信の際には周辺ノードの前記起動タイミングに合わせてプリアンブル信号を送信し、前記周辺ノードを起動させデータ受信可能な状態にさせた後にデータ送信を行い、
４）データ受信の際には前記起動期間に他のノードからの前記プリアンブル信号を受信した場合に前記起動期間後も前記ＲＦ回路をＯＮに維持してデータ受信可能な状態とし、前記ＲＦ回路をＯＦＦとする、
ことを特徴とするメディアアクセス制御方法である。
Next, the present invention is a media access control method for a sensor network in which a base station and a sensor node wirelessly transmit and receive data,
The sensor node is
1) Perform time synchronization using long wave standard radio signals,
2) The RF circuit is turned on only for a predetermined activation period at the same activation cycle and activation timing, and after the activation period, the RF circuit is turned off.
3) At the time of data transmission, a preamble signal is transmitted in accordance with the activation timing of the peripheral node, the data is transmitted after the peripheral node is activated and made ready for data reception,
4) At the time of data reception, when the preamble signal from another node is received during the activation period, the RF circuit is kept ON after the activation period so that data can be received. OFF
This is a media access control method.
上記構成により、センサノード間でのデータ送受信するために必要となる起動時間と、プリアンブルの送信時間を制御して、センサノードの消費電力量を低く抑えることができる。
なお、データ受信の際には起動期間に他のノードからのプリアンブル信号を受信した場合に起動期間後もＲＦ回路をＯＮに維持してデータ受信可能な状態とした後は、正常にデータ受信した場合に、例えばＡＣＫ信号を返信してＲＦ回路をＯＦＦするか、若しくは一定時間データを待った後にＲＦ回路をＯＦＦする。
With the above configuration, the power consumption of the sensor node can be kept low by controlling the start-up time and the preamble transmission time required for data transmission / reception between the sensor nodes.
When receiving data, if a preamble signal from another node is received during the start-up period, the RF circuit is kept ON after the start-up period and the data can be received. In this case, for example, an ACK signal is returned to turn off the RF circuit, or after waiting for data for a certain time, the RF circuit is turned off.
また、本発明は、上記の発明において、プリアンブル信号長が、前記長波帯標準電波信号により得られる絶対時間からのクロックドリフトの４倍長に前記起動期間を加算したものであることを特徴とする。 Further, the present invention is characterized in that, in the above-mentioned invention, the preamble signal length is obtained by adding the start-up period to a length four times the clock drift from the absolute time obtained from the long wave standard radio signal. .
センサノード間の相対クロックドリフトは、クロックドリフトの４倍長の幅の間に分布することから、時計同期手段により得られる絶対時間からのクロックドリフトの４倍長に前記起動期間を加算したものをプリアンブル信号長にしたものである。 Since the relative clock drift between the sensor nodes is distributed over a width that is four times longer than the clock drift, a value obtained by adding the start-up period to four times the clock drift from the absolute time obtained by the clock synchronization means. The preamble signal length is used.
本発明によれば、センサネットワークのように構成するセンサノードの電力量に制限があり、各センサノードが定期的に起動状態と待機状態を繰り返す間欠動作を行っている状況で、センサノード間でのデータ送受信するために必要となる起動時間とプリアンブルの送信時間を制御して、センサノードの消費電力量を低く抑えることができるといった利点がある。このことは、後述する実施例において、モデルを使用して解析的に消費電力を試算し評価を行うことにより、定量的にセンサノードの消費電力量を低く抑えることを示すことにする。 According to the present invention, there is a limit to the amount of power of sensor nodes configured like a sensor network, and each sensor node performs an intermittent operation that periodically repeats a start state and a standby state. There is an advantage that the power consumption of the sensor node can be kept low by controlling the start-up time and preamble transmission time required for data transmission / reception. This indicates that, in an embodiment described later, the power consumption of the sensor node is quantitatively suppressed by using a model to analytically calculate and evaluate the power consumption.
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明していく。
図１に、従来技術の起動期間が短い周期起動型ＭＡＣとして、Low Power Listening（ＬＰＬ）方式のセンサネットワークシステムのタイミングチャート（図１（ａ））と、本発明のセンサネットワークシステムのタイミングチャート（図１（ｂ））を示す。
従来技術のＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムでは、キャリアを検知するのに十分な時間（例えば、５０マイクロ秒以下）だけ、各センサノードが周期的に起動している。図１（ａ）に示されるように、隣接センサノード間で起動タイミングを同期しておらず、データを送信するためには起動周期以上のプリアンブルを送信する必要がある。起動周期を大きくすることにより、アイドルリスニングの消費電力を削減することができるのであるが、起動周期を大きくするとプリアンブル送信時のオーバヘッドは（アイドルリスニングに起因する消費電力削減に反して）逆に大きくなる。
本発明のセンサネットワークシステムでは、図１（ｂ）に示されるように、全センサノードが長波帯標準電波信号を用いて時刻同期し、同一の起動周期および起動タイミングで所定起動期間だけ起動することとしている。全てのセンサノードの起動時刻が同期しており、各センサノードは隣接センサノードの起動タイミングの予測が容易であるため、結果としてプリアンブル信号長を短縮することができる
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a timing chart (FIG. 1 (a)) of a sensor network system of a low power listening (LPL) system as a periodic activation type MAC with a short activation period of the prior art, and a timing chart of a sensor network system of the present invention (FIG. FIG. 1 (b)) is shown.
In the conventional LPL type sensor network system, each sensor node is periodically activated for a time sufficient to detect a carrier (for example, 50 microseconds or less). As shown in FIG. 1A, the activation timing is not synchronized between adjacent sensor nodes, and it is necessary to transmit a preamble longer than the activation cycle in order to transmit data. By increasing the startup period, it is possible to reduce the power consumption of idle listening. However, if the startup period is increased, the overhead during preamble transmission (as opposed to the power consumption reduction due to idle listening) increases. Become.
In the sensor network system of the present invention, as shown in FIG. 1 (b), all sensor nodes are time-synchronized using a long-wave standard radio signal and are activated for a predetermined activation period with the same activation cycle and activation timing. It is said. Since the activation times of all sensor nodes are synchronized and each sensor node can easily predict the activation timing of adjacent sensor nodes, the preamble signal length can be shortened as a result.
時計などの時刻同期に用いられる長波帯標準電波は、現在のところ、米国，ヨーロッパ，日本で利用可能である。この時刻同期は、基地局からＡＭ変調により放送されている時刻同期のためのタイムコードを受信することで実現される。長波帯標準電波を用いた同期は、一般的にはＡＭ波が受信できる環境ならば室内であっても利用できるため、ＧＰＳに比べて使用環境への制約は小さい。
タイムコードは西暦から秒までの情報が含まれており、ＡＭ変調で１秒１ビットの速度で送信されている。１つのタイムコードは１分かけて送信されている。通常は、同期の確度を高めるために、２〜３個のタイムコードを受信して現在時刻を確定させる。従って、１回の同期に２〜３分を必要とする。これによって実現される基地局時間に対する相対誤差は非常に小さく１．５（マイクロ秒）である。小型化・低消費電力化を狙った時計用のワンチップＬＳＩも開発されており、その同期時の消費電力は数１０マイクロワットである。従って、長波帯標準電波を用いることにより、精度の高い同期を低い消費電力で実現することが技術的に可能となる。
The long wave standard radio wave used for time synchronization such as a clock is currently available in the United States, Europe and Japan. This time synchronization is realized by receiving a time code for time synchronization broadcast by AM modulation from the base station. Since synchronization using a long-wave standard radio wave can be used indoors as long as it can receive AM waves, there are fewer restrictions on the usage environment than GPS.
The time code includes information from the Christian era to the second, and is transmitted at a rate of 1 bit per second by AM modulation. One time code is transmitted over 1 minute. Usually, in order to increase the accuracy of synchronization, two to three time codes are received to determine the current time. Therefore, it takes 2-3 minutes for one synchronization. The relative error with respect to the base station time realized by this is very small, 1.5 (microseconds). One-chip LSIs for watches aiming at miniaturization and low power consumption have been developed, and the power consumption at the time of synchronization is several tens of microwatts. Therefore, it is technically possible to achieve highly accurate synchronization with low power consumption by using the long wave standard radio wave.
全センサノードが、同一の起動周期および起動タイミングで所定起動期間だけ起動しチャネルを監視する。チャネルがアイドルであればスリープ状態に遷移する。具体的には、チャネル監視手段により、同一の起動周期（数１０マイクロ秒）および起動タイミングで所定起動期間（数１０ミリ秒）だけＲＦ回路をＯＮとし、起動期間後は前記ＲＦ回路をＯＦＦとする。
送信センサノード側は、データ送信のために、まず周辺センサノードの起動タイミングに合わせてプリアンブルを送信し、周辺センサノードを起動させた後にデータを送信する。受信センサノード側は、起動期間に他のノードからの前記プリアンブル信号を受信した場合に前記起動期間後も前記ＲＦ回路をＯＮに維持してデータ受信可能な状態とし、データを正しく受信した場合はＡＣＫを返信し、スリープ状態に遷移する。
All sensor nodes are activated for a predetermined activation period with the same activation cycle and activation timing, and monitor the channel. If the channel is idle, transition to the sleep state. Specifically, the channel monitoring means turns on the RF circuit for a predetermined activation period (several tens of milliseconds) at the same activation cycle (several tens of microseconds) and activation timing, and turns off the RF circuit after the activation period. To do.
In order to transmit data, the transmitting sensor node first transmits a preamble in accordance with the activation timing of the peripheral sensor node, and transmits data after starting the peripheral sensor node. When the reception sensor node side receives the preamble signal from another node during the activation period, the RF circuit is kept ON even after the activation period so that data can be received. ACK is returned and transition to the sleep state.
プリアンブル信号長は、受信センサノードを含む周辺センサノードを起動させるのに必要な長さが必要である。各センサノードの起動タイミングは、各センサノードのクロックドリフトによりずれる可能性がある。プリアンブル信号長はこのそのずれを考慮して決定する必要がある．すなわち、プリアンブル信号長は時刻同期回数とクロックドリフトの大きさによって決まるのである。 The preamble signal length needs to be a length necessary to activate the peripheral sensor nodes including the receiving sensor node. There is a possibility that the activation timing of each sensor node is shifted due to clock drift of each sensor node. The preamble signal length must be determined in consideration of this deviation. That is, the preamble signal length is determined by the number of time synchronizations and the magnitude of clock drift.
図２に、本発明のセンサネットワークシステムのプリアンブル信号長の大きさを決定するための説明図を示す。長波帯標準電波を用いた時刻同期により得られる絶対時間からの水晶発振器の最大クロックドリフトをｄとすると、センサノード間の相対クロックドリフトは自センサノードを基準として最大でｄの２倍となるので、相対クロックドリフトは、幅４ｄの間に分布することとなる。例えば１日に一回、時刻同期し、１日最大１秒の誤差がある水晶発振器を使用した場合、センサノード間の最大相対誤差は１日あたり２秒となる。この条件下では、時刻同期直前では最低４秒のプリアンブルを送信する必要があることとなる。 FIG. 2 is an explanatory diagram for determining the size of the preamble signal length of the sensor network system of the present invention. Assuming that the maximum clock drift of the crystal oscillator from the absolute time obtained by time synchronization using the long-wave standard radio wave is d, the relative clock drift between the sensor nodes is twice as large as d on the basis of the own sensor node. The relative clock drift will be distributed over the width 4d. For example, when a crystal oscillator having a time synchronization of once every day and a maximum error of 1 second per day is used, the maximum relative error between sensor nodes is 2 seconds per day. Under this condition, it is necessary to transmit a preamble of at least 4 seconds immediately before time synchronization.
本発明のセンサネットワークシステムのプリアンブル信号長を短くするには同期回数を増やす方法とクロックドリフトを小さくする方法がある。時刻同期を頻繁におこなえばクロックドリフトは小さくなり、プリアンブルを送信するために要する消費電力を小さくできる。しかし、反対に時刻同期に伴う消費電力は増大してしまう。ＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムでは、クロックドリフトはシステムの精度が水晶発振器の精度に強く依存するのに対して、本発明のセンサネットワークシステムでは、時刻同期により水晶発振器のクロックドリフトを補正することが可能であり、システムの精度が水晶発振器の精度に依存することを回避できる。 To shorten the preamble signal length of the sensor network system of the present invention, there are a method of increasing the number of synchronizations and a method of reducing clock drift. If the time synchronization is frequently performed, the clock drift is reduced, and the power consumption required for transmitting the preamble can be reduced. However, on the contrary, the power consumption accompanying time synchronization increases. In the LPL type sensor network system, the accuracy of the clock drift depends strongly on the accuracy of the crystal oscillator, whereas in the sensor network system of the present invention, the clock drift of the crystal oscillator can be corrected by time synchronization. Therefore, it can be avoided that the accuracy of the system depends on the accuracy of the crystal oscillator.
以下の実施例では、モデルを使用して解析的に消費電力を試算し評価を行うことにより、定量的にセンサノードの消費電力量を低く抑えることを説明していく。 In the following embodiment, it will be described that the power consumption of a sensor node is quantitatively suppressed by using a model to analytically calculate and evaluate the power consumption.
実施例１では、モデルを使用して消費電力を試算し、従来のＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムと本発明のセンサネットワークシステムの優位性を評価すると共に、消費電力への感度が大きいパラメータを示す。モデルは簡単化しており、パケット衝突は考慮しないものとする。ＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムと本発明のセンサネットワークシステムの消費電力Ｐtotalは、動作時間Ｔtotalと総消費エネルギーＥtotalから次式で定義することにする。 In the first embodiment, power consumption is estimated using a model, the superiority of the conventional LPL type sensor network system and the sensor network system of the present invention is evaluated, and parameters with high sensitivity to power consumption are shown. The model is simplified and packet collisions are not considered. Power consumption of the sensor network system of the sensor network system and the present invention of LPL scheme P total is that the operation time T total and total energy consumption E total is defined by the following equation.
ここで、総消費エネルギーＥtotalを求めるために、データ送受信時の消費エネルギーとアイドル時の消費エネルギーに分けてモデル化を以下に説明する。
先ずデータ送受信による消費エネルギーについて説明する。１個あたりのセンサノードの平均送信範囲内センサノード数をＮ，動作時間Ｔtotal中の平均送信回数をＭとする。送信範囲内センサノードそれぞれもＭ回送信をおこなうと仮定し、１個のノードは平均Ｎ×Ｍ回の受信を行うものとする。ここで、特に衝突や再送は考慮しないものとする。またＮ×Ｍ回の受信の内、Ｍ回が自ノード宛のパケット受信とし、（Ｎ−１）×Ｍ回が他ノード宛のパケット受信とする。
１データの送信，自ノード宛の１データ受信，他ノード宛の１データ受信に要する消費エネルギーをそれぞれＥsend，Ｅrecv-me，Ｅrecv-otherとする。また１データの送信，自ノード宛の１データ受信，他ノード宛の１データ受信に要する時間をそれぞれＴsend，Ｔrecv-me，Ｔrecv-other とする。これらより、動作時間Ｔtotal中にデータの送受信で消費するエネルギーＥcomと要する時間Ｔcom は次式で表される。
Here, in order to obtain the total energy consumption E total , modeling will be described below by dividing it into energy consumption during data transmission / reception and energy consumption during idling.
First, energy consumption by data transmission / reception will be described. Let N be the number of sensor nodes within the average transmission range of one sensor node, and M be the average number of transmissions during the operation time T total . Assume that each sensor node within the transmission range also performs M transmissions, and one node receives an average of N × M receptions. Here, collision and retransmission are not particularly considered. Of the N × M receptions, M is packet reception addressed to the own node, and (N−1) × M receptions of packets addressed to other nodes.
The energy consumption required for transmission of one data, reception of one data addressed to its own node, and reception of one data addressed to another node is assumed to be Esend, Erecv-me, and Erecv-other, respectively. Also, let Tsend, Trecv-me, and Trecv-other be the time required to transmit one data, receive one data addressed to its own node, and receive one data addressed to another node, respectively. From these, the time Tcom required energy Ecom consumed by transmission and reception of data during the operation time T total is expressed by the following equation.
次に、１データを送受信するのに必要な消費エネルギーと時間を求める。まず、ＡＣＫのサイズをＳack，データサイズをＳdata，チャネルレートをＲとし、ＡＣＫを送受信するのに要する時間Ｔack、データを送受信するのに要する時間Ｔdataを以下の式で定義する。 Next, energy consumption and time required for transmitting / receiving one data are obtained. First, ACK size is Sack, data size is Sdata, channel rate is R, and time Tack required to transmit / receive ACK and time Tdata required to transmit / receive data are defined by the following equations.
プリアンブル送信時間をＴpreamble とし、受信，送信，スリープ時の消費電力をそれぞれＰtx，Ｐrx，Ｐsleep とすると、Ｅsend，Ｔsend は次式で算出される。 If the preamble transmission time is Tpreamble and the power consumption during reception, transmission and sleep is Ptx, Prx and Psleep, respectively, Esend and Tsend are calculated by the following equations.
プリアンブルを検知してからデータを受信し始めるまでの各センサノードの平均時間はＴpreamble／２となる。従って、Ｅrecv-me，Ｔrecv-meは次式で算出される。 The average time of each sensor node from the detection of the preamble to the start of data reception is Tpreamble / 2. Accordingly, Erecv-me and Trecv-me are calculated by the following equations.
他センサノード宛のデータを受信した場合、ＡＣＫの返信をせずにアイドル状態になるとする。従って、Ｅrecv-other，Ｔrecv-otherは次式で算出される。 Assume that when data addressed to another sensor node is received, an idle state is returned without returning an ACK. Accordingly, Erecv-other and Trecv-other are calculated by the following equations.
次に、アイドルリスニング時の消費エネルギーについて説明する。起動周期をＴとした場合、アイドルリスニング時におけるＴで消費するエネルギーＥＴは、次式で表される。 Next, energy consumption during idle listening will be described. If the activation cycle is T, the energy E T to be consumed by the T at the time of idling listening is expressed by the following equation.
従って、Ｔtotal 中にアイドルで消費するエネルギーＥidleは以下の式で表される。 Accordingly, the energy Eidle consumed idle during Ttotal is expressed by the following equation.
上記で定義した変数の中で、ＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムと本発明のセンサネットワークシステムで異なる変数は、プリアンブル送信時間Ｔpreambleのみである。ＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムのＴpreambleはＴである。一方、本発明のセンサネットワークシステムは、最大クロックドリフトＤと同期回数Ｃに依存するため、以下の式で表される。なお、同期時のセンサノード間最大相対誤差をＦとし、クロックドリフトは時間とともに線形で変化するとする。 Among the variables defined above, the only variable that differs between the LPL type sensor network system and the sensor network system of the present invention is the preamble transmission time Tpreamble. Tpreamble of the LPL sensor network system is T. On the other hand, since the sensor network system of the present invention depends on the maximum clock drift D and the number of synchronizations C, it is expressed by the following equation. It is assumed that the maximum relative error between sensor nodes during synchronization is F, and the clock drift changes linearly with time.
ＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムと本発明のセンサネットワークシステムそれぞれのＴpreamble により、Ｅcom とＥcom-lplが変わる。そこでＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムと本発明のセンサネットワークシステムのＥcomをそれぞれＥcom-lpl，Ｅcom-imacとし，Ｅidle をそれぞれＥidle-lpl，Ｅidle-imac とする。
またＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムでは長波帯標準電波による時刻同期でエネルギーを消費する。時刻同期時の消費電力をＰsync，Ｔtotal中に同期する回数をＣ，１回の時刻同期に必要な時間をＴsyncとすると、Ｔtotalの間に時刻同期で消費するエネルギーＥsyncは、次式のようになる。
Ecom and Ecom-lpl vary depending on the Tpreamble of the LPL type sensor network system and the sensor network system of the present invention. Therefore, Ecom of the LPL type sensor network system and the sensor network system of the present invention are Ecom-lpl and Ecom-imac, respectively, and Eidle is Eidle-lpl and Eidle-imac, respectively.
In the LPL type sensor network system, energy is consumed in time synchronization with a long wave standard wave. Assuming that the power consumption during time synchronization is Psync and Csync is the number of times of synchronization during Ttotal, and Tsync is the time required for one time synchronization, the energy Esync consumed in time synchronization during Ttotal is as follows: Become.
以上より、ＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムの総消費エネルギーＥtotal-lpl と本発明のセンサネットワークシステムの総消費エネルギーＥtotal-imac は、以下の式で表される。 From the above, the total consumed energy Etotal-lpl of the LPL type sensor network system and the total consumed energy Etotal-imac of the sensor network system of the present invention are expressed by the following equations.
次に、使用するパラメータについて説明し、グラフ図を参照しながら、上述のモデル式から得られた数値結果について説明する。
動作時間Ｔtotalは１日とする。これから、Ｍは１日の送信回数，Ｃは1 日の同期回数となる。ＴＸ，ＲＸ，ＳＬＥＥＰ時の消費電力はそれぞれＰtx = 24.75ｍＷ，Ｐrx = 13.5ｍＷ， Ｐsleep = 0.015ｍＷとする。チャネルレートＲは19.2ｋｂｐｓとし、ＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムおよび本発明のセンサネットワークシステムの起動期間Ｔon は１／Ｒとする。
Next, parameters to be used will be described, and numerical results obtained from the above model formula will be described with reference to a graph.
The operation time Ttotal is 1 day. From this, M is the number of transmissions per day, and C is the number of synchronizations per day. The power consumption during TX, RX, and SLEEP is Ptx = 24.75 mW, Prx = 13.5 mW, and Psleep = 0.015 mW, respectively. The channel rate R is 19.2 kbps, and the startup period Ton of the LPL type sensor network system and the sensor network system of the present invention is 1 / R.
長波帯標準電波による同期回路の消費電力は、Ｐtx = 0.09ｍＷとし、同期に要する時間Ｔsync は２分とする。同期時の最大相対誤差Ｆは絶対時間からの誤差1.5マイクロ秒の２倍と考えて、３マイクロ秒とする。変化させるパラメータは、１日の平均送信回数Ｍ，本発明のセンサネットワークシステムによる１日の同期回数Ｃ，最大クロックドリフトＤ，ＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムおよび本発明のセンサネットワークシステムの起動周期Ｔである。 The power consumption of the synchronization circuit using the long wave standard radio wave is Ptx = 0.09 mW, and the time Tsync required for synchronization is 2 minutes. The maximum relative error F at the time of synchronization is considered to be 3 microseconds, which is twice the error from the absolute time of 1.5 microseconds. The parameters to be changed are the average number of transmissions M per day, the number C of synchronizations per day by the sensor network system of the present invention, the maximum clock drift D, the sensor network system of the LPL system, and the startup period T of the sensor network system of the present invention. is there.
図３は、１日の同期回数Ｃとプリアンブル送信に要する時間Ｔpreambleの関係を示しているグラフである。プリアンブル信号長は、同期回数と反比例の関係にあり、５０回程の同期で十分プリアンブル信号長を短くできることが確認できる。またクロックドリフトは小さくすればするほどプリアンブル信号長を短くできることが確認できる。 FIG. 3 is a graph showing the relationship between the number of synchronizations C per day and the time Tpreamble required for preamble transmission. The preamble signal length is inversely proportional to the number of synchronizations, and it can be confirmed that the preamble signal length can be sufficiently shortened with about 50 synchronizations. It can also be confirmed that the shorter the clock drift, the shorter the preamble signal length.
次に図４は、送信回数Ｍを１００回としたときの送信範囲内のセンサノード数Ｎと総消費電力Ｐtotalのグラフを示している。図４のグラフから、ＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムと本発明のセンサネットワークシステムの双方とも、送信範囲内センサノード数に対する消費電力は線形の関係にあることが確認できる。ＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムの場合は、直線の傾きが起動周期によって変化するのに対し、本発明のセンサネットワークシステムでは直線の傾きは一定である。このためＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムでは、送信範囲内センサノード数に応じて適切な起動周期を選ぶ必要があり、その選択を誤った場合の消費電力に及ぼす影響が大きいことがわかる。 Next, FIG. 4 shows a graph of the number of sensor nodes N in the transmission range and the total power consumption Ptotal when the number of transmissions M is 100. From the graph of FIG. 4, it can be confirmed that the power consumption with respect to the number of sensor nodes in the transmission range has a linear relationship in both the LPL type sensor network system and the sensor network system of the present invention. In the case of an LPL type sensor network system, the slope of the straight line changes depending on the start cycle, whereas in the sensor network system of the present invention, the slope of the straight line is constant. For this reason, in the LPL type sensor network system, it is necessary to select an appropriate activation cycle according to the number of sensor nodes in the transmission range, and it can be seen that there is a great influence on power consumption when the selection is wrong.
一方、本発明のセンサネットワークシステムでは、送信範囲内センサノード数によらず、長い起動周期を選ぶほど消費電力を削減できることがわかる。また、送信範囲内センサノード数を固定とした場合の起動周期に対する消費電力の感度は小さいことがわかる。起動周期とともに送受信ノード間での通信確立のための遅延時間が大きくなる。よって、本発明のセンサネットワークシステムでは、遅延時間の許す範囲で起動周期を大きく設定すればよいことが理解できる。 On the other hand, in the sensor network system of the present invention, it can be seen that power consumption can be reduced as a longer activation cycle is selected, regardless of the number of sensor nodes in the transmission range. It can also be seen that the sensitivity of the power consumption with respect to the activation period when the number of sensor nodes in the transmission range is fixed is small. The delay time for establishing communication between the transmitting and receiving nodes increases with the activation period. Therefore, in the sensor network system of the present invention, it can be understood that the activation period may be set to be large within the range allowed by the delay time.
一般に、センサノードがランダムに配置されると送信範囲内ノード数は一定ではない。このため、ＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムでは、システム全体での最適な共通の起動周期を決定することが困難である。この問題に対して、送信相手の起動周期に応じてプリアンブル信号長を変更する方法も考えられる。しかし、隣接ノード間で起動周期を学習する必要があり、通信プロトコルが複雑になってしまうという弊害がある。 Generally, when sensor nodes are randomly arranged, the number of nodes in the transmission range is not constant. For this reason, in the LPL type sensor network system, it is difficult to determine an optimal common start cycle for the entire system. In order to solve this problem, a method of changing the preamble signal length according to the activation period of the transmission partner is also conceivable. However, it is necessary to learn the activation cycle between adjacent nodes, which has the disadvantage that the communication protocol becomes complicated.
次に、総消費電力Ｐtotalの送信回数Ｍに対する感度について説明する。
図５は、ＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムと本発明のセンサネットワークシステムの起動周期Ｔと総消費電力Ｐtotalの関係を示すグラフである。図５（ａ）は１日の平均送信回数Ｍが１００の場合を示しており、図５（ｂ）は１日の平均送信回数Ｍが１０００の場合を示している。図５（ａ）（ｂ）から、ＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムでは、送信回数Ｍに応じて最小消費電力となる最適な起動周期が存在することが確認できる。このことから、ＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムでは、送信回数に応じて適切な起動周期を選ぶ必要があり、その選択を誤った場合の消費電力に及ぼす影響が大きいことが理解できる。
Next, the sensitivity of the total power consumption Ptotal to the number of transmissions M will be described.
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the startup period T and the total power consumption Ptotal of the LPL type sensor network system and the sensor network system of the present invention. FIG. 5A shows a case where the average number of transmissions M per day is 100, and FIG. 5B shows a case where the average number of transmissions M per day is 1000. 5 (a) and 5 (b), it can be confirmed that in the LPL type sensor network system, there exists an optimum activation cycle that provides the minimum power consumption according to the number of transmissions M. From this, in the LPL type sensor network system, it is necessary to select an appropriate activation cycle according to the number of transmissions, and it can be understood that there is a great influence on power consumption when the selection is wrong.
例えば、ＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムにおいて、Ｍ＝１００の場合において，消費電力最適となる起動周期Ｄは81.13ｍｓである。Ｍ＝１０００の場合において、総消費電力最適となる起動周期Ｄは25.61ｍｓであり、そのときの総消費電力は0.1203ｍＷであるのに対し、Ｍ＝１００の場合において最適な起動周期81.13ｍｓを用いると総消費電力は0.1609ｍＷとなり、その消費電力は33.65％増加することになる。 For example, in the LPL type sensor network system, when M = 100, the startup cycle D that optimizes power consumption is 81.13 ms. In the case of M = 1000, the startup cycle D that optimizes the total power consumption is 25.61 ms, and the total power consumption at that time is 0.1203 mW, whereas the optimal startup cycle of 81.13 ms in the case of M = 100. If used, the total power consumption will be 0.1609 mW, which will increase by 33.65%.
一方、本発明のセンサネットワークシステムは、図５（ａ）（ｂ）中に破線で示されるもの（図中ではＩ−ＭＡＣと表記したプロット）から確認されるように、起動周期を大きくすれば最小消費電力に漸近し、その傾向は送信範囲内センサノード数によらず同じである。よって、本発明のセンサネットワークシステムでは、遅延時間の許す範囲で起動周期を大きく設定すればよいことがわかる。また、本発明のセンサネットワークシステムでは、クロックドリフトを小さくするほど総消費電力は削減され、送信回数が多いほどその効果が大きいことがわかる。 On the other hand, in the sensor network system of the present invention, as shown in FIG. 5 (a) and FIG. 5 (b), what is indicated by a broken line (a plot expressed as I-MAC in the figure), Asymptotically approaching the minimum power consumption, the tendency is the same regardless of the number of sensor nodes in the transmission range. Therefore, it can be seen that in the sensor network system of the present invention, it is sufficient to set the activation period to be large within the range allowed by the delay time. In the sensor network system of the present invention, it can be seen that the total power consumption is reduced as the clock drift is reduced, and the effect is greater as the number of transmissions is increased.
図６は、１センサノードあたりの１日の平均送信回数Ｍに対する総消費電力Ｐtotalの関係を示すグラフである。ＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムは、送信回数が少ない場合は長い起動周期で総消費電力が少なくなり、送信回数が多い場合は短い起動周期で総消費電力が少ないことがわかる。図６のグラフ中の「LPL Limitation」の曲線は、送信回数Ｍに対して最適な起動周期を選択した場合の総消費電力を表している。 FIG. 6 is a graph showing the relationship of the total power consumption Ptotal with respect to the average number of transmissions M per day per sensor node. It can be seen that the LPL type sensor network system reduces the total power consumption in a long activation cycle when the number of transmissions is small, and decreases the total power consumption in a short activation cycle when the number of transmissions is large. The “LPL Limitation” curve in the graph of FIG. 6 represents the total power consumption when the optimum activation period is selected for the number of transmissions M.
一方、本発明のセンサネットワークシステムでは、図６中に破線で示されるもの（図中ではＩ−ＭＡＣと表記したプロット）から確認されるように、最大クロックドリフトを小さくするほど総消費電力は削減され、ＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムに対して優位な送信回数の範囲を広げることが可能である。１日のクロックドリフトＤが１００ｍｓの場合、本発明のセンサネットワークシステムは、総消費電力をＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムの最小消費電力の限界値より低くできるのである。
また、本発明のセンサネットワークシステムでは時刻同期によるクロックドリフトの補正を行うことによりクロックドリフトを小さくできることから、本発明のセンサネットワークシステムは、ＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムに対して優位であると言えよう。
On the other hand, in the sensor network system of the present invention, as confirmed from what is indicated by a broken line in FIG. 6 (a plot expressed as I-MAC in the figure), the total power consumption is reduced as the maximum clock drift is reduced. Thus, it is possible to widen the range of the number of times of transmission superior to the LPL type sensor network system. When the daily clock drift D is 100 ms, the sensor network system of the present invention can reduce the total power consumption below the limit value of the minimum power consumption of the LPL type sensor network system.
Further, in the sensor network system of the present invention, the clock drift can be reduced by correcting the clock drift by time synchronization. Therefore, it can be said that the sensor network system of the present invention is superior to the LPL type sensor network system. .
ＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムは、送信範囲内ノード数，データ送信頻度に対して消費電力を最小にする最適な起動周期の感度が高く、起動周期の設定を注意深く選択する必要がある。これに対し、本発明のセンサネットワークシステムでは、送受信ノード間での通信確立のための遅延時間の許す範囲で起動周期を大きく設定すればよいことが理解できよう。また、外部信号による定期的時刻同期により各センサノードがクロックドリフトを容易に補正できるため、日差１秒の水晶発振器を利用したとしても、クロックドリフトは小さい値に抑えられることが期待できる。以上のことから、本発明のセンサネットワークシステムは、ＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムに対してデータ送信頻度によらず低消費電力化システムとして優位であるといえる。 The sensor network system of the LPL system has high sensitivity of the optimum start cycle that minimizes power consumption with respect to the number of nodes in the transmission range and the data transmission frequency, and it is necessary to carefully select the start cycle setting. On the other hand, in the sensor network system of the present invention, it can be understood that the activation period may be set large within the range allowed by the delay time for establishing communication between the transmitting and receiving nodes. In addition, since each sensor node can easily correct the clock drift by periodic time synchronization by an external signal, it can be expected that the clock drift can be suppressed to a small value even if a crystal oscillator with a daily difference of 1 second is used. From the above, it can be said that the sensor network system of the present invention is superior to the LPL type sensor network system as a low power consumption system regardless of the data transmission frequency.
本発明のセンサネットワークシステム及びメディアアクセス制御方法によれば、センサネットワークシステム全体の可用時間向上（低電力化）が図ることができ、センサノードの数が膨大な数に及ぶようなシステムや、広大な敷地や立ち入りの困難な場所にセンサノードを設置し使用するシステムへの利用が可能となる。 According to the sensor network system and the media access control method of the present invention, it is possible to improve the available time (low power consumption) of the entire sensor network system, and a system that has an enormous number of sensor nodes, or a vast It becomes possible to use it for a system that installs and uses sensor nodes in difficult sites or places where access is difficult.
Ｗａｋｅ 起動期間(Wake-up Duration) Wake-up duration
Claims (6)
外部信号を用いた時計同期手段と；
同一の起動周期および起動タイミングで所定起動期間だけＲＦ回路をＯＮとし、前記起動期間後は前記ＲＦ回路をＯＦＦとするチャネル監視手段と；
データ送信の際には周辺ノードの前記起動タイミングに合わせてプリアンブル信号を送信し、前記周辺ノードを起動させデータ受信可能な状態にさせた後にデータ送信を行うデータ送信手段と；
データ受信の際には前記起動期間に他のノードからの前記プリアンブル信号を受信した場合に前記起動期間後も前記ＲＦ回路をＯＮに維持してデータ受信可能な状態とし、前記ＲＦ回路をＯＦＦとするデータ受信手段と；
を備えたことを特徴とするセンサネットワークシステム。 In a sensor network system in which a base station and a sensor node transmit and receive data wirelessly, the sensor node includes:
Clock synchronization means using an external signal;
Channel monitoring means for turning on the RF circuit for a predetermined activation period at the same activation cycle and activation timing and turning off the RF circuit after the activation period;
Data transmitting means for transmitting data after transmitting a preamble signal in accordance with the activation timing of the peripheral node at the time of data transmission and activating the peripheral node to enable data reception;
At the time of data reception, when the preamble signal from another node is received during the activation period, the RF circuit is maintained ON after the activation period so that data can be received, and the RF circuit is turned off. Data receiving means to perform;
A sensor network system comprising:
長波帯標準電波信号を用いて時刻同期を行い、
同一の起動周期および起動タイミングで所定起動期間だけＲＦ回路をＯＮとし、前記起動期間後は前記ＲＦ回路をＯＦＦし、
データ送信の際には周辺ノードの前記起動タイミングに合わせてプリアンブル信号を送信し、前記周辺ノードを起動させデータ受信可能な状態にさせた後にデータ送信を行い、
データ受信の際には前記起動期間に他のノードからの前記プリアンブル信号を受信した場合に前記起動期間後も前記ＲＦ回路をＯＮに維持してデータ受信可能な状態とし、前記ＲＦ回路をＯＦＦとすることを特徴とするメディアアクセス制御方法。 A sensor network media access control method in which a base station and a sensor node wirelessly transmit and receive data, wherein the sensor node includes:
Synchronize time using long wave standard radio signal,
The RF circuit is turned on for a predetermined activation period at the same activation cycle and activation timing, and after the activation period, the RF circuit is turned off.
When transmitting data, transmit a preamble signal in accordance with the activation timing of the peripheral node, perform data transmission after activating the peripheral node and enabling data reception,
At the time of data reception, when the preamble signal from another node is received during the activation period, the RF circuit is maintained ON after the activation period so that data can be received, and the RF circuit is turned off. A media access control method.
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