JP2005526416A - エネルギ認識ネットワーク管理 - Google Patents

Abstract

エネルギ認識方式でセンサからなるネットワークを管理する方法は、エネルギ消費を最小限にするようにセンサをクラスタ化するステップと、ネットワークを経路指定するステップ（ステップ４４）と、各センサ位置で利用可能なエネルギをモデル化するステップ（ステップ４５）と、センサのバッテリレベルがある所定の値まで低下したとき、あるいはそのエネルギモデルがセンサの実際のエネルギ状態からかけ離れたために調整するときにネットワークを再経路指定するステップ（ステップ４７）と、を含む。

Description

本発明は、ワイヤレスデータネットワークに関し、より具体的には、センサネットワークにおけるデータ処理および通信に関連するエネルギ消費の管理に関する。

本出願は、仮出願第６０／３０９，９４９号（２００１年８月３日）の特典を主張する。
無人式センサのネットワーク構成は、セキュリティ管理や災害管理など多くの軍事用途や民生用途に関する効率に大きな影響を及ぼすことが予測される。これらのシステムは、関心領域内におけるイベントを監視するために複数のセンサから収集したデータを処理する。こうしたシステム内のセンサは、典型的には、使い捨て式であり、そのエネルギが消耗するまで寿命が続くことが期待される。したがって、こうしたセンサシステムではエネルギは極めて稀少な資源であり、そのセンサの寿命をある具体的な利用目的の持続時間に及ばせるために賢明な管理をしなければならない。

センサは一般に、データ処理能力および通信能力を備えている。検知回路は、センサ周囲の環境からのパラメータを計測し、これらのパラメータを電気信号に変換する。こうした信号の処理によって、センサの近傍に位置するオブジェクトおよび／またはセンサの近傍で発生するイベントに関する幾つかの特性が明らかとなる。センサは検知したこうしたデータを、通常は無線式送信機を介して、コマンドセンタに直接的であるか、あるいはデータ集中センタ（ゲートウェイ）を介するかのいずれかによって通信する。このゲートウェイは、誤ったデータや異常を排除し報告されたデータからある時間期間にわたって結論を引き出すために、検知したデータの統合を実行することができる。たとえば、偵察目的のセンサネットワークでは、センサデータがターゲットの検出を指示する一方で、複数のセンサの報告を統合して使用して、検出したターゲットを追跡および識別を行う。

信号処理および通信の作用は、センサのエネルギの主たる消費元である。センサはバッテリ作動式であるため、センサを常時アクティブに保つことによってバッテリを持続できる持続時間が限定されることになる。したがって、受容可能なレベルの品質を有する所望の機能を実行し、要求される利用目的に対する持続時間にわたって十分なセンサエネルギを持続し維持するためには、センサネットワークの最適な編成および管理が極めて重要である。センサネットワークの利用目的向けの編成によってセンサのうち適当に選択したある一部のみをオンにすることが可能となり、これによって関与する必要がないセンサのエネルギの浪費が回避される。

有線式ネットワークでは、従来からエンドツーエンドのスループットの最大化、並びに遅延の最小化が強調されてきた。一般にパスは、ホップカウントまたは遅延を最小限にするように計算される。ワイヤレスネットワークはこうした設計メトリックスをその有線式の対応ネットワークから受け継いでいるが、エネルギの制約および信号干渉が中心的課題となっている。ワイヤレスの消費者向けデバイスの人気の高まりのために、信号干渉が研究者集団からの注目を最も集めている。

特にあるネットワークが遠隔に展開した無人式センサからなる場合において、エネルギ効率を高めることが求められている。従来技術は、ワイヤレス通信に対してハードウェア関連のエネルギ効率の面を改善することに着目している。低パワーの電子機器、パワーダウンモード、およびエネルギ効率のよい変調は、この分野における研究の例である。

エネルギ認識経路指定は、ワイヤレスモバイルデバイスの進歩によって動機付けされて最近の数年で若干注目を受け始めた。ワイヤレスモバイルネットワーク向けの経路指定テーブルをメンテナンスすることのオーバーヘッドは極めて大きいため、経路の安定性が大きな懸念の１つとなっている。パワー効率のよい経路指定プロトコルを設計する際に考慮すべき課題の中には、バッテリのパワー容量、送信パワー、および経路の安定性があることが知られており、ノードのバッテリ枯渇時間が最大限となるようにその経路を選択するアルゴリズムが提唱されている。報告されている結果によれば、寿命を最大とするためには、ノード間においてそのエネルギ予備力に比例してエネルギ消費の均衡が計られるようにしてトラフィックを経路指定すべきであることが指摘されている。

データ転送に関して所望のレベルのサービス品質（ＱｏＳ）を確保すると共に、ネットワークの寿命を維持するエネルギ認識ネットワーク管理の方法が長年求められ続けている。

エネルギ効率を改善しようとする従来の取り組みと対照的に、本発明は、データリンクレイヤやネットワークレイヤのプロトコルに関連するシステム通信ソフトウェアを改善する。具体的には、本発明者等の発明は、センサのエネルギ消費およびデータ収集へのセンサの関与に基づいて多重ゲートウェイセンサネットワークのトポロジを管理する。各センサの残存のバッテリ寿命が数学的にモデル化され、このモデルは、そのセンサの実際のパワー状態を反映するように更新される。この多重ゲートウェイアーキテクチャは個々のセンサが典型的には長距離通信の能力がない場合であっても、広い地理域をカバーするように極めて多くのセンサ組に合わせてスケール変更が可能であるので有利である。そのシステムがサービスを劣化させることなく追加的負荷に対処でき、かつ大きな関心領域をカバーできるようにするために、本発明者等の発明は、複数のゲートウェイを用いたネットワーク式クラスタ化を利用する。好ましい実施の一形態では、センサの送信範囲が制約されている場合ではエネルギを節約する必要のため、各ゲートウェイはそのセンサのできるだけ近くに配置される。

本発明の一態様では、センサは、各センサがその個々のゲートウェイを伴った１つのクラスタであるグループの形で配列され、各クラスタ内におけるセンサの相互接続は、個々のセンサのエネルギを節約するように再配列、すなわち再経路指定することができる。各ゲートウェイは、そのクラスタのセンサに対する広域クラスタ経路指定テーブルを含んでおり、また各センサはこれより小さい転送テーブルを含んでいる。したがって、ある種のセンサは、それ自身のクラスタのゲートウェイに直接接続することができ、一方別のセンサは、個々のセンサ内でエネルギを節約するように接続を再経路指定することができるようにして別のセンサを介してゲートウェイに接続することができる。さらに、この再経路指定では、ある種の状況では、あるクラスタおよびゲートウェイから別のクラスタおよびゲートウェイにセンサを移し替えることが必要となることがある。各クラスタのゲートウェイは、各センサの利用目的および利用可能エネルギに基づいたセンサ編成およびネットワーク管理を担当することになる。信号処理においてどのセンサをアクティブとする必要があるかを知ることによって、通信に関して消費されるエネルギを最小限にするように、すなわちデータ送信に関するサービス品質（ＱｏＳ）を確保したままでネットワークの寿命を延ばすようにネットワークトポロジを動的に適合される。

任意のセンサとそのゲートウェイ間で多重ホップ通信を提供することが本発明の目的である。本発明の別の目的は、リンクレイヤにおける衝突および再送信に起因する遅延を減少させることである。

図１を参照すると、センサネットワークのシステムアーキテクチャが図示されている。このアーキテクチャでは、個々のワイヤレスセンサ１００は、単一のコマンドノードまたはプロセッサ１１によって制御されるクラスタ１０、２０および３０にグループ分けされている。これらのワイヤレスセンサ１００は、ターゲットまたはイベントを検出するために環境を探索する責任を果たす。センサ１００は、典型的には、短距離で無線通信する能力しかない。いずれのクラスタ１０、２０および３０も、クラスタ内のセンサを管理する、またそのセンサに関する広域クラスタ経路指定テーブルを含む対応するゲートウェイノード１５、２５および３５を有する。実施の一形態では、そのセンサ１００は通信範囲に基づいてクラスタ化されている。別の実施形態では、そのセンサ１００は、個々のセンサ１００の数、種類および地理的位置に基づいてクラスタ化されている。

センサはそのゲートウェイノードからコマンドを受け取り、そのゲートウェイノードに読み取りを送信し、これらの読み取りはゲートウェイノードによって処理される。ゲートウェイノードは、コマンドノードによる判断に従って任意のクラスタ内のセンサからの読み取りを用いてイベントまたはターゲットを追跡することができる。しかし、ある特定のクラスタに属するセンサはそのクラスタのゲートウェイを介してのみアクセス可能である。しかし、さらに別の実施形態では、各ゲートウェイは、そのクラスタからのセンサデータを別のゲートウェイに経路指定する。

コマンドノードまたはプロセッサ１１は、センサから離れた遠隔に展開する。コマンドノードは、センサネットワーク全体をクラスタ化し、かつゲートウェイ間でのジョブを調停する。ゲートウェイノードは、センサと比べてあまりエネルギ制約的でないため、長距離通信リンクを介してコマンドノードをセンサネットワークとインターフェースする。ゲートウェイノードは、たとえば検出したターゲットの位置や方位などのセンサ読み取りの統合を通じて作成した報告をコマンドノードに送信する。コマンドノードは、これらの報告をユーザに提示し、全体的な状況認識を得るために収集した報告に関するシステムレベルの統合を実行する。

ここで図３を参照すると、各センサ１００は、アクティブモード、あるいは検知回路１０４および処理回路１０３の電源がオフにされている低パワーのスタンバイモードで動作することができ、各処理回路１０３と関連づけするか、その内部に組み込むようにしてそのセンサに関する転送テーブルがある。さらに各センサ１００に関する無線送信機１０２と受信機１０１の両方は別々にオンおよびオフにすることができ、またその送信パワーは要求される範囲に基づいてプログラムすることができる。各センサ１００は、別のセンサからの転送データに対する無線中継の役割を果たすことができる。低パワーのスタンバイモードなど、これらの能力の幾つかは、ＳｅｎＴｅｃｈ Ｉｎｃ．によるＡｃｏｕｓｔｉｃ Ｂａｌｌｉｓｔｉｃ Ｍｏｄｕｌｅなど、当技術分野で利用可能なワイヤレスセンサに対して利用することができる。

各センサ１００のオンボードのクロック１０５は、それぞれの対応するゲートウェイ１５、２５および３５にあるクロックと同期されている。クロックの同期は、汎地球測位衛星（ＧＰＳ）システムの使用を介したり、あるいは同期メッセージの交換を通じて実現することができる。ある特定のクラスタ１０、２０および３０に対するゲートウェイ１５、２５および３５は、それらの地理的位置、最新のセンサ読み取り、残存するセンサのエネルギ、現在の利用目的に基づいてそのクラスタ内のセンサを管理する。具体的には、ゲートウェイ１５、２５または３５は、そのクラスタ１０、２０または３０内においてセンサネットワークを動的に再構成し、そのセンサに対してそれらの通信および処理回路をオンおよびオフにするように指令する。さらにゲートウェイは、そのクラスタ内のセンサのうち選択した一部分から読み取りを収集し、コマンドノードまたはプロセッサ１１に報告する前にこれらの読み取りを統合する。

センサネットワークをクラスタ化することによって、センサ編成およびネットワーク管理に関するゲートウェイの役割を高めることが可能となる。センサを編成するとは、環境を能動的に監視し検知信号を処理しなければならない最小組のセンサを選択することを意味する。センサ編成は、その用途特有であり、ある時間期間にわって検知したデータに依存する。たとえば、ターゲットを正確に追跡するようにセンサを編成することはターゲットの方向および速さに依存する。こうしたミッション向けのセンサ編成を実行するための機構が利用可能となっている。

ゲートウェイノード１５、２５または３５は、センサデータに対する経路を設定し、ネットワーク全体にわたって待ち時間を監視し、かつセンサ１００間での媒体アクセスを調停するクラスタベースの集中式ネットワークマネージャの役割をすることになる。ゲートウェイ１５、２５または３５は、すべてのセンサ位置におけるエネルギ利用と、利用目的および環境の変化とを追跡する。ゲートウェイは、センサおよびネットワークについて、ネットワークの寿命を延ばすように効率的に動作するように構成する。たとえば、ゲートウェイ１５、２５または３５は、低パワーで送信するように検知および信号処理に関してアクティブとなっているセンサ１００に対しては、極めて短距離だけをカバーするように指令しており、また近傍にある別のセンサに対してはデータを転送するように指令することによって、多重ホップ経路がセットアップされるようにネットワークを再経路指定する。

媒体アクセス制御（ＭＡＣ）の機構によって、センサは必要がないときにはその受信機を選択的にオフにすることが可能となる。ゲートウェイノードは、センサの位置で消費される資源を追跡し、センサがその無線送信機および受信機をオンおよびオフにするための決定性スケジュールをセットアップする。さらに、送信回路および受信回路を制御することによってさらに、ノード間での無線干渉（ノイズ）が低下する、したがって、センサが低い送信エネルギを用いて確実に通信することを可能にし、誤り率を低減することができる。

ＩＥＥＥ８０２．１１などのワイヤレスネットワークに対する蓄積転送スキームは、ノードをオフにされているモードであるスリープモードを有する。センサがスリープモードにある間でのパケットの紛失を回避するために、ゲートウェイはバッファ式インターフェースの役割を果たすことができる。蓄積転送スキームによりさらに、より上位のネットワークプロトコルレイヤを必要としないローカル再送信が可能となる。

エネルギ認識プロトコルによって、あるエリアにわたってランダムに展開したセンサ間でネットワークデータ経路をセットアップおよびメンテナンスする。パワー認識時分割多元接続（ＴＤＭＡ）ベースのＭＡＣプロトコルは、ゲートウェイ１５、２５または３５の制御下における受信機へのデータの伝達を調整する。本発明では、そのゲートウェイはその経路決定に基づいてスロット割り当てを実行する。アップリンク通信の方がダウンリンク通信と比べてより高頻度であるため、制御オーバーヘッドがより小さくなり、またこのためバンド幅効率がより大きくなるので有利である。ゲートウェイ１５、２５または３５は、適当な動作モードを設定するように各センサ１００にその状態を伝達する。

センサネットワークは、ある特定のクラスタ内のセンサの寿命を延ばすという主目的で管理されている。システムのトポロジは、経路指定および媒体アクセス制御（ＭＡＣ）を用いて調整を受けている。センサのエネルギは、ネットワークトポロジに対する変更の決定に関して、また、経路の設定に関して中心的なものである。メッセージは、センサの送信エネルギを節約するように多重ホップを介して経路指定される。経路決定においては、データ伝達に関する待ち時間やその他のＱｏＳ属性も考慮される。さらに、センサとゲートウェイの間のメッセージトラフィックは、衝突を回避し、必要がないときにはそのセンサの無線機をオフにできるように時間的な調停を受けている。

ゲートウェイノード１５、２５および３５は、各クラスタに割り当てられた利用目的に基づいたセンサ編成をする役目を担っている。したがって、ゲートウェイは、そのクラスタ内の各センサ１００のデータ処理回路の構成を制御することになる。クラスタ内においてネットワーク管理の役目をゲートウェイ１５、２５および３５に割り当てることによって、センサ資源の利用効率が改善されるので有利である。ゲートウェイ１５、２５および３５は、現在の利用目的に関するセンサ関与と、センサごとの利用可能エネルギとに基づいてネットワーク管理に対してエネルギ認識計測法を適用することができる。ゲートウェイ１５、２５および３５はセンサに構成コマンドを送信するため、ゲートウェイ１５、２５および３５は送信時間を管理し、かつ送出するメッセージに対する経路を確立する役目を有する。したがって、センサからのメッセージトラフィックに関してネットワークトポロジを管理することは、ゲートウェイ１５、２５および３５の役割に対する論理的拡張と理解することができ、とりわけ、センサ１００のすべての読み取りをゲートウェイ１５、２５および３５に転送し、統合および特定用途向けの処理を行っている。

各センサ１００と、これに対するゲートウェイノード１５、２５または３５との間の送信経路は、センサまたはノードと別のセンサまたはノードとの間のメッセージに関するパスを指定するテーブルに表記されている。センサデータに対する経路の設定は、クラスタトポロジを認識するゲートウェイ１５、２５または３５内で実行する。集中式および分散式の両方の経路指定では、ネットワークトポロジが変化するたびに経路指定テーブルのメンテナンスが必要である。分散型方式はより大きなネットワークについてスケーラブルであるが、経路指定テーブルの更新およびセンサノードのローカルバージョン間での一貫性を保証するために、大きな計算資源や通信資源を消費し、このためすでに制限されているセンサのエネルギのうちその用途専用とすることができる部分が限定されることになる。さらに、センサの無線受信機は自身を宛先としない経路指定メッセージ送信を受信することがあるため、センサ間で経路指定メッセージをやり取りすることは、不必要なエネルギを消耗する過度のトラフィックを生成することになる。

一方、本発明者らの集中式経路指定スキームはクラスタに基づいているため簡単であり、かつセンサネットワークの性質に適合する。センサはデータの処理および通信を付託されているため、資源が制約されたセンサノードから経路決定の負担を取り除くことは有利である。さらに、ゲートウェイ１５、２５または３５はネットワークの広域クラスタ展望を有するため、経路決定はセンサレベルにおけるローカルの展望に基づいた決定と比べてより効率的となる。ゲートウェイがクラスタ内のセンサ１００を編成することを考えると、データ処理に対するエネルギ預託、残存するセンサのエネルギ、センサの位置、データの受信に関する受容可能な待ち時間、メッセージ経路を効率的に設定する際のリンクトラフィックに関する考察を組み合わせることができる。さらに、ノードの受信機をオフにするという決定はローカルＭＡＣプロトコルに基づく決定と比べてより正確かつ確定的であるため、広域クラスタセンサのステータスに関する知見によって媒体アクセス制御の堅牢性および有効性が改善される。集中式経路指定は、クラスタ内の多数のセンサに対するスケーラビリティを制限するが、より多くのゲートウェイを展開することが可能である。このシステムアーキテクチャは、スケーラビリティを確保するためにクラスタ化の概念を促進する。

クラスタ内のセンサノードは、検知のみ、中継のみ、検知−中継、および非アクティブという４つの主要な状態のうち１つとすることができる。検知状態では、ノードの検知回路がオンであり、かつノードは一定速度でデータをゲートウェイに送っている。中継状態では、センサはターゲットを検知していないが、その通信回路が別のアクティブノードからのデータを中継するようにオンとなっている。あるセンサがターゲットの検知と別のノードからのメッセージの中継との両方を行っている場合は、検知−中継状態にあると見なされる。これ以外では、センサは非アクティブセンサであると見なされ、その検知および通信回路をオフにすることができる。ノードの状態決定の判断は、ゲートウェイの位置において、現在のセンサ編成、センサのバッテリレベル、および所望のネットワークパフォーマンス尺度に基づいて実施する。

各クラスタでは、ゲートウェイ１５、２５または３５は、図３に示すようにデータプロセッサ１０３、無線送信機１０２および受信機１０１に関してモデルベースのエネルギ消費を利用してセンサバッテリ１０６の寿命を追跡する。ゲートウェイは周期的に、バッテリエネルギの実際のレベルに関してアクティブ状態にあるセンサのすべてに問い合わせをすることによって、センサの残存エネルギの展望を調整することになる。ネットワークの基本的動作は、データサイクルと経路指定サイクルという交代する２つのサイクルからなる。

図２は、ターゲット追跡の利用目的の間におけるセンサネットワークの典型的なクラスタの一例を示す。データサイクルの間では、ターゲットを検知するノードがそのデータをゲートウェイに送っている。経路指定サイクルの間では、ネットワーク内の各センサの状態がゲートウェイによって決定され、次いでノードはその新たに割り当てられた状態、並びにデータを如何に経路指定するかに関して通知を受ける。

オーバーヘッドおよびデータパケットの脱落のためにゲートウェイのエネルギモデルに若干の不正確性が存在することになる。経路指定パラメータを微調整すると共にリフレッシュの更新を行うことによって、発明者らは偏差をある容認可能な限度内で補正することができるものと確信しているため、このモデル近似を依然として受け入れている。ゲートウェイにおける大きな計算上のオーバーヘッドも、センサノードと比べてパワー制約がはるかに緩やかであるため受容が可能である。ソース側の経路指定に関するスケーラビリティの問題には、各クラスタがそのゲートウェイノードによって管理されるネットワークのクラスタ化を用いて対処する。

図４および５を参照すると、本発明者らは一般に、ネットワークに対する経路指定の方法ステップ４４と再経路指定の方法ステップ４７とについて、最小コストの経路指定パス最適化問題として記述することができる。この最小コスト経路指定問題は、エンドツーエンドの遅延要件を保証するように遅延制約が追加されるように拡張する。

図７は、本発明の方法の経路指定機能（ステップ４４および４７）が拡張Ｄｉｊｋｓｔｒａアルゴリズムによってどのように部分的に表現されるかを示す。この機能は、１対多最短アルゴリズムの転置と見なすことができる。経路指定を最適化するために、本発明の客観的機能では、主にパワーの節約や遅延の軽減などの多くの別の因子を考慮する必要がある。パス制約の経路指定の問題に関しては、遅延制約を満足できない実行不可能パスをすべて排除しながら、拡張Ｄｉｊｋｓｔｒａアルゴリズムに関する同じ方式を用いることができる。

センサネットワークのあるクラスタについて、本発明者らは、各方向に関連するコストを伴う双方向ワイヤレスリンクによってこれらが接続されているものと仮定する。各リンクは、各エンド位置にあるノードに関してエネルギレベルが異なるため各方向について異なるコストを有することがある。２つのセンサ間のパスのコストは、横断するリンクの各コストの和であると定義する。各検知可能ノードについて、経路指定アルゴリズムによってこのセンサからゲートウェイまでの最小コストパスを求める必要がある。この経路指定アルゴリズムは、転置特性を利用してゲートウェイから検知可能ノードまでの最短パスを求めることができる。

この点まででは、本発明の経路指定アルゴリズムが典型的なＤｉｊｋｓｔｒａアルゴリズムといっても過言ではない。本発明者らは、パワー節約、遅延最適化およびその他のセンサ関連特性を考慮に入れるようにこのアルゴリズムを拡張する。先ず、センサネットワーク環境の性質を考慮に入れるように、各リンクに関するコスト関数を定義し直す。次いで、本発明者らはセンサネットワーク環境をより重視するように経路指定をカスタマイズするために新たな手順を定義する。本発明の集中式適応型経路指定方式では、すべてのノードから集中制御で情報が収集されるネットワーク内で、変化する条件に反応するので有利である。

図５および６に戻ると、ワイヤレスネットワークに関する新規のリンクコスト関数を表す。ネットワークを経路指定するステップ４４は、図５で示したコスト関数を最小化するようなノード対ノードのリンクリストの構築からなる。このコスト関数は、各２つのノード（ｉおよびｊ）間のリンクで必要となるコスト因子の和である。

通信コスト因子ＣＦ１は、ワイヤレス送信パワーのコストを反映するパワー関連因子であり、環境の性質に依存する指数べきをＬとして距離のＬ乗に正比例する。送信側センサが受信側のゲートウェイのより近くにあるほど、それだけその通信コスト因子ＣＦ１が小さくなり、これによりノード対ノードのリンクを経路指定についてより魅力的に形成することができる。距離Ｃ０に及ぶ送信パワーの増分式変化は、送信回路によって要求されるパワーである。送信された信号のごく小さい部分だけしか受信されないため、実際の送信パワーは距離と共に指数関数的（Ｌ）に増加する。

エネルギ利用可能コスト因子ＣＦ２は、経路指定ステップ４４の間でより多くのエネルギを有するノードを好むパワー関連因子である。センサがより多くのエネルギを含んでいるほど、それだけそのセンサを経路指定に関してより良好である。豊富なエネルギを有するノードは長時間継続することが期待され、したがって経路指定に関して選択したパスに対する信頼性が高まる。関数Ｆは、各センサのバッテリ内の利用可能エネルギをモデル化する。

エネルギ消費率コスト因子ＣＦ３は、現在のエネルギ消費率Ｃ２、センサが検知センサとして機能できる最大時間ＭＡＸＴＩＭＥ、並びに現在の消費率における期待時間Ｔｊを考慮したものである。エネルギ消費率コスト因子ＣＦ３は、センサのバッテリがエネルギを枯渇させた場合に増加し、使用過剰のノードは、そのノードに多くのエネルギが残っていても不支持とする（好まない）。

可能コスト因子ＣＦ４は、具体的な各センサに関する中継可能コストＣ３と検知可能コストＣ４との和を意味する。これらの可能コストは、センサ検知およびデータ中継機能を有効にするのに必要となるエネルギオーバーヘッドである。可能コスト因子ＣＦ４の因子は、現在非アクティブなノードの使用よりも現在有効なノードの使用を好むと共に、これらのノードの各々がすでに検知回路内で若干のエネルギを消費するため検知可能ノードの中継ノードとしての使用を嫌う。可能コスト因子ＣＦ４によって、そのセンサネットワークが消費するパワーを最小量とすることができ、依然として最大ターゲットカバー範囲を可能にできるので有利である。

経路指定コスト因子ＣＦ５は、センサをある最大の接続数に制限する。１中継あたりの接続数限度を超える通信パスの追加を回避するために余力コストＣ５が使用される。この因子は、その寿命時間を延ばすために過負荷の中継可能ノードを退けるのに役立つ。２つ以上の送信パスに基づいたノードは単一の送信パスに基づくノードと比べてより重要であるため、経路指定コスト因子ＣＦ５を使用することによってシステムの全体的な信頼性が改善されるので有利である。

遅延コスト因子ＣＦ６は、ワイヤレスデータ送信の速度コストＣ６を考慮してものである。センサがゲートウェイからより遠くにあるほど、それだけそのワイヤレス通信がセンサからメッセージを送信する際の遅延がより大きくなる。遅延コスト因子ＣＦ６の因子は、より遠くにあるノードよりも、より近くにあるノードを支持する（好む）。

待ち行列コスト因子ＣＦ７は、全体的負荷コストＣ７（たとえば、その経路があるセンサを通過する各メッセージに関する蓄積転送過程）を考慮したものである。この待ち行列コスト因子ＣＦ７の因子はさらに、そのデータメッセージがこのセンサを通過してゲートウェイ１５、２５または３５に至る経路を介して送られている検知可能ノードの総数を全体的負荷とした場合で、中継ノードの位置での全体的データメッセージ負荷を考慮する。待ち行列コスト因子ＣＦ７は、より長い待ち行列長さを有する中継ノードを退け、これによりシステムはデータパケットの脱落や遅延を回避することができる。

経路指定アルゴリズムにおける幾つかのネットワークパフォーマンス計測を満足させるために、ゲートウェイは各ノードのバッテリ内の残存容量を把握する必要がある。多くのバッテリエネルギを消費することがある各センサに対してその残存バッテリ容量についてゲートウェイに通知するように要求するのではなく、ゲートウェイによって各ノードに関するエネルギモデルをメンテナンスする。ゲートウェイは、受信した各パケットを用いて、発信側センサノードからゲートウェイまでのパスに沿ったノードに関する残存バッテリ容量を変化させることによってモデルを更新する。

このエネルギモデルは、そのモデルの不正確性、通信エラーによるパケットの脱落、あるいはノードにおけるバッファオーバーフローによるパケットの脱落のために実際のセンサのバッテリレベルから外れることがあり得る。この偏差は、経路決定の不正確さにつながることがあり、ネットワークのパフォーマンスに悪影響を及ぼすことがある。この偏差を補償するため、ノードはゲートウェイのエネルギモデルを周期的に（ある低い頻度で）リフレッシュする。非アクティブノードを含めたすべてのノードは、事前指定した時点においてそのリフレッシュパケットを送り出し、次いでゲートウェイの経路決定を受け取るために所定の時点においてその受信機をオンにする。このためには、そのノードおよびゲートウェイが上で仮定したように同期することが必要である。

ノードのリフレッシュパケットが通信エラーのために脱落する場合、ゲートウェイはそのセンサが次のサイクルの間において不動作であると見なし、このノードはオフにされることになる。しかし、この状況は、次のリフレッシュにおいて訂正することができる。また一方で、ゲートウェイからノードまでの経路決定パケットが脱落した場合に、本発明者らは２つの代替手段を有する。

ノードは自分自身でオフになることができる。このことは、衝突が減少するという利点を有するが、そのノードが検知または中継状態にあるべき場合にはデータパケットの紛失につながることがある。センサのデータが紛失すると、冗長的なセンサの選択および／または特殊なデータ統合技法の使用を介して受容できるようにしていなければ問題となることがあり得る。

ノードは自身の以前の状態をメンテナンスすることができる。このため特に、ノードの新たな状態が偶然以前の状態と同じである場合に、そのデータパケットを保全することができる。しかし、このようになっていない場合には、このノードの送信が別のノードの送信と衝突する確率が高まる。

本発明による方法は、そのセンサ編成の変化に最適に応答するように動的な調整が可能である再経路指定のステップ４７を含むので有利である。ターゲット追跡用のセンサネットワークでは、ターゲットが移動するのに従って選択されるセンサが様々となる。アクティブセンサの選択の変更は、検知データの伝達およびターゲットの適正な追跡を確実にするように、経路指定アルゴリズムによって対応しなければならなくなる。さらに、ゲートウェイ１５、２５または３５は、データ処理（検知）において、あるいはデータパケットの転送（中継）においてアクティブとなっているあらゆるセンサの位置において利用可能なエネルギレベルを連続的に監視することになる。再経路指定は、次の３つの基準に基づいている。

１．センサ再編成：アクティブセンサの再選択を要求するイベントが発生した場合に、ゲートウェイは再経路指定を実行することがある。
２．センサのバッテリのエネルギレベル：任意のアクティブセンサのバッテリレベルがあるレベルまで低下した場合に、ゲートウェイは再経路指定を実行することがある。

３．エネルギモデル調整：センサから更新したステータスを受信した後にも、再経路指定を行うことができる。エネルギモデルに対する変更は、現在の経路の最適性に悪影響を与える可能性があり、したがって新たな経路を生成しなければならない。

すべてのノードは、ゲートウェイの経路決定およびそのローカル経路指定テーブル（ノードの新たな状態を中継する場合）を受け取るためにその受信機１０１を所定の時点でオンにする。このことは、すべての再経路指定が同じ所定の時点で実施されるべきであることを意味する。ノードのエネルギを節約するため、特にリフレッシュパケットがノードからゲートウェイまで中継なしに直接送信されるときには、そのリフレッシュサイクルを低い頻度で実施する。

この新規の経路指定プロトコルはＭＡＣレイヤプロトコルと独立であるため、ある種のＭＡＣレイヤプロトコルの選択によってそのパフォーマンスが改善される。最近の研究結果によれば、ワイヤレスネットワークインターフェースによって全体的パワーのかなりの部分が消費されることが指摘されている。計測によって、ウェブブラウザやメールなどの典型的な用途では、インターフェースがオンでありかつアイドリング状態にあるときに消費されるエネルギはパケットを受信するコストと比べてより大きいことが分かっている。その理由は、インターフェースは一般に、実際にパケットを受信する時間よりアイドリング状態にある時間の方がより長いためである。さらに、各状態（すなわち、オフ状態、アイドリング状態、受信状態、送信状態）間での切り替えによって時間およびエネルギが消費される。したがって、ワイヤレスシステムでは、媒体アクセスプロトコルを適応させ、エネルギ効率を改善させるように調整することができる。

一実施形態では、本発明の方法は、そのスロット割り当てがゲートウェイ１５、２５または３５によって管理される時分割多元接続（ＴＤＭＡ）をベースとしたＭＡＣレイヤを使用する。ゲートウェイ１５、２５または３５は、各センサに対してそのセンサが別のノードの送信を聴取すべきスロットに関して、並びにセンサがそれ自身の送信のために使用できるスロットに関して情報伝達する。

図８は、典型的なフェーズのシーケンスの一例を示す。このプロトコルは、データ転送フェーズ、リフレッシュフェーズ、イベント誘発式再経路指定フェーズ、およびリフレッシュベースの再経路指定フェーズという４つの主要フェーズからなる。データ転送フェーズでは、センサはそのデータを各センサに割り当てられたタイムスロット内で送出する。中継ではこのデータをゲートウェイに転送するための自身の転送テーブルを使用する。非アクティブのセンサノードは、ステータスの更新を送出するまで、あるいは経路同報通信メッセージを受信するまでオフのままである。

リフレッシュフェーズは、ゲートウェイの位置におけるセンサモデルを更新するように指定する。このフェーズは周期的であり、複数のデータ転送フェーズの後で発生する。センサのステータスに対する周期的な調整によって、経路決定の品質を高め、前提としたセンサモデルの不正確性を矯正する。リフレッシュフェーズの間では、ネットワーク内の各センサは、事前割り当てしたスロット番号を使用してゲートウェイにそのステータス（エネルギレベル、状態、位置、その他）を通知する。このフェーズの間に情報を送出しないセンサはいずれも、機能していないものと見なされる。センサが依然として機能しており、かつ通信エラーのためにそのパケットが失われた場合は、その状態を次のリフレッシュフェーズにおいて矯正することができる。このフェーズのスロットサイズは、データ転送フェーズのスロットサイズと比べてより小さい（これについては以下で説明することにする）。

上で検討したように、再経路指定のステップ（ステップ４７）は、センサのエネルギが、あるしきい値未満となった場合、センサからステータス更新を受信した後、あるいはセンサ編成に変更があった場合に必要となる。本発明者らの方式における媒体アクセスは時間ベースであるため、再経路指定は、事前スケジュールできる同期イベントとして保持していなければならない。再経路指定の発生率の変動に対応するために、再経路指定に関して２つのフェーズを指定し異なる頻度でスケジュール設定する。第１のフェーズは、イベントベースの再経路指定と云い、これによってゲートウェイはセンサ編成の変更に応答することができ、センサのうち１つの利用可能エネルギを事前設定の受容可能レベル未満まで低下させることができる。第２の再経路指定フェーズはリフレッシュフェーズが終了した直後に実施される。この２つのフェーズの間において、ゲートウェイは経路指定アルゴリズムを起動し、さらにその事前割り当てしたスロット番号で新たな経路を各センサに送出すると共に、表１に示すようにその新規の状態およびスロット番号に関して各センサに通知する。イベントが任意の時点で発生する可能性があり、かつ受容可能な待ち時間内で対処すべきである場合、イベントベースの再経路指定フェーズがリフレッシュベースの再経路指定と比べてより高頻度となるようにスケジュールする。メッセージ再経路指定を要求するイベントが全く無ければ、イベント誘発式再経路指定フェーズはアイドリング時間となる。

センサネットワーク内の各センサはそのスロットの割り当てがリフレッシュフェーズの間では送信に使用し、かつ再経路指定フェーズの間ではこのスロット内で受信するようにして割り当てを受けているため、リフレッシュフェーズおよび再経路指定フェーズの長さは固定されている。同様に、データ転送フェーズの長さも固定されている。アクティブノードの数はある再経路指定フェーズと別の再経路指定フェーズとで違っていても、データ転送フェーズの長さは、アクティブノードの数ではなくデータ送出速度に関連させるべきである。データ転送フェーズの長さがアクティブノードの数に依存していると、センサは自身が無関係である間においてもパワーを消費することがある。システム設計の間では、クラスタ内でアクティブとなり得るセンサの最大数に対応できるようにデータ転送フェーズのサイズを決定すべきであることに留意されたい。すべてのフェーズの長さが固定であるため、リフレッシュフェーズおよび再経路指定フェーズの期間を初めから取り決めておくことができ、経路指定パケット内に含める必要がない。

対応するフェーズのパケットに関する説明を表２に示す。データ転送フェーズで使用するデータパケットは、送信者および中継センサに関するエネルギモデルをゲートウェイによって調整できるようにするために発信側センサＩＤを含んでいる。さらに、このセンサＩＤによって、特定用途向けの処理のためにその位置並びに検知したデータの内容が特定される。リフレッシュパケットは、利用可能エネルギに関する最新の計測値を含んでいる。好ましい実施の一形態では、そのセンサ１００は可搬型であると共に、ある具体的な利用目的による要求に応じて新たな地理的位置まで移動することができる。

経路指定パケットの内容は、受信側センサノードの新たな状態に応じて異なる。センサ１００が非アクティブである場合、そのパケットは単に、受信側ノードのＩＤを含むだけである。センサ１００が環境を検知するように設定されている場合、そのパケットは、データ送出速度、並びにこれらのデータを送出するためのタイムスロットを含んでいる。さらに、検知向けに設定されるノードには、そのセンサがカバーしなければならない送信範囲が通知されることになる。基本的には、その送信パワーは、経路指定アルゴリズムでの指定に従ったこのセンサからゲートウェイまでのパス上の次の中継に到達できる程度に十分な大きさとすべきである。中継センサはデータパケットをどこに転送すべきか、並びにどの送信をカバーすべきかを特定する転送テーブルを受け取ることになる。

この転送テーブルは（タイムスロット、データ発信側ノード、並びに送信範囲）といった形態をした順序対からなる。「タイムスロット」という入力項目は、到着するパケットに対する聴取のために受信機をオンにする時点を指定する。「ソース側ノード」とはそのデータパケットを発信したセンサのことであり、また「送信パワー」とはそのデータの送出に使用するための送信パワーのことである。この送信パワーは、発信側センサからゲートウェイまでのパス上の次の中継に到達できる程度に十分な大きさにすべきである。データ経路上の中間にあるセンサについては指定していないことに留意されたい。したがって、中継ノードはデータ発信側ノードに関して認識するだけで十分である。この送信範囲によって、そのデータパケットを転送するように命じられた次の中継ノードは、確実にデータパケットその他を明瞭に受信することができる。こうした方式によれば、メンテナンスを要する経路指定テーブルのサイズが極めて小さくなるためその実現が極めて簡略化され、またそのセンサと通信する際に経路の変更がより迅速となる。こうした簡略化はセンサが有する限られた計算資源に適合させるのに極めて望ましい。本発明者らは、冗長的なセンサを割り当てかつ解析的技法を適用することによって、データパケットの紛失を許容できるようにしたセンサ編成および洗練されたデータ統合に依拠する。

リフレッシュフェーズと再経路指定フェーズに対するスロットサイズは、これらによってそのクラスタ内のすべてのセンサノードをカバーするため同じとなっている。この２つのスロットは、データ転送フェーズのスロットと比べてより小さい。このことは２つの理由によっている。第１には、経路指定パケットが典型的にはデータパケットより小さいためである。第２には、データ転送フェーズの間において、より大きなスロットサイズを引き出すように多くのノードがオフになっているためである。これ以外のフェーズでは、すべてのノードをオンにしてゲートウェイと通信しなければならない。パケット移送中の間での衝突を回避するためには、リフレッシュフェーズおよび再経路指定フェーズのスロットサイズを、最大長をもつ経路指定パケットの送出に要する時間と、ゲートウェイによる計算に従ったそのネットワークの最大伝播時間とを加えた時間に等しくすべきである。データ転送フェーズのスロットサイズは、最大長をもつデータパケットの送出に要する時間と、そのネットワークの最大伝播時間とを加えた時間に等しい。

ここで本発明に従ったスロット割り当ての一例を示す図９に言及することにする。スロット割り当てはゲートウェイによって実行すると共に、再経路指定フェーズの間においてノードに通知される。スロット割り当てに関しては別のアルゴリズムを使用することもできる。現在、本発明者らは、その現時点の負荷に基づいて送信向けのスロット数を各センサに対して割り当てている。このスロット割り当ては連続である。ノード１、４および５がセンサの役割をしており、これによってこれらのノードにはそのデータを送信するためにスロットが１つ割り当てられている。センサ２はセンサ１および４に対する中継の役割を果たしており、したがってセンサ２には２つのスロットを割り当てている。センサ３はセンサおよびリレーとして働く。センサ３には、それ自身のセンサデータを送信するためのスロット１つと、別のセンサパケットを中継するためのスロット３つと、が割り当てられている。この例では、ゲートウェイは、別のセンサからのパケットを受信することになるスロットと、これらのパケットの送信に使用できるスロットと、に関して各センサに通知する。たとえば、ゲートウェイはセンサ３に対しては、タイムスロット２〜４（ノード２および５に関する送信スロットに対応）においてパケットの受信のためにその受信機をオンにすべきであること、並びにそれ自身のパケットを送信するためにタイムスロット５〜８を使用できること、を通知する。

ここで、この連続式スロット割り当てアルゴリズムによって瞬時的なバッファオーバーフローにつながることがあることに留意されたい。たとえば、図９のセンサ３が２パケット分のバッファだけしか有していなければ、センサ３がたまたま、スロット２〜４において、ノード２および５からの３つのパケットを受信することが起こり得る。こうなるとバッファのオーバーフローによってパケットの脱落につながることがある。しかし、送信用および受信用のスロットを交互配置させていれば、このオーバーフローは生じることがない。

本明細書で使用する略語のリストを以下の「符号の説明」の項にＡＢＣ順に列挙する。
本発明の精神や範囲を逸脱することなく代替的な実施形態を考案することができる。たとえば、個々のセンサやゲートウェイは、静止型ではなく可搬型とすることができる。

本発明の具体的な例示的実施形態の１つに従ったクラスタグループを含む分散型センサネットワークのアーキテクチャを表した図である。 図１に示したセンサネットワーク、並びにセンサによって追跡を受けているターゲットに関する別の図である。 図１のセンサネットワークにおける使用に適した典型的なセンサのブロック図である。 本発明によるネットワークの管理に関する方法ステップの流れ図である。 本発明の例示的実施形態の１つで使用する全体コストの数式である。 図５の全体コスト数式を形成する個々のコスト因子を表した図である。 本発明のある種の実施形態に適する、ネットワークに対して最小コストとした経路を決定するための数学的アルゴリズムを表した図である。 本発明のある具体的な例示的実施形態に従ってゲートウェイに送られるデータ転送のシーケンスを表した例示的プロトコルの図である。 本発明のある具体的な例示的実施形態で使用される割り当てなどのデータスロット割り当てを表した図である。

符号の説明

１０ 第１のセンサクラスタ
１１ コマンドノードまたはプロセッサ
１５ ゲートウェイノード（第１のセンサクラスタ）
２０ 第２のセンサクラスタ
２５ ゲートウェイノード（第２のセンサクラスタ）
３０ 第３のセンサクラスタ
３５ ゲートウェイノード（第３のセンサクラスタ）
４１ 方法ステップ−センサ展開
４２ 方法ステップ−各センサの地理的位置を決定
４３ 方法ステップ−エネルギ消費を最小にするためセンサをクラスタ化
４４ 方法ステップ−データ経路を形成
４５ 方法ステップ−各センサに対し利用可能エネルギをモデル化（ゲートウェイで）
４６ 方法ステップ−環境を検出し且つデータを中継
４７ 方法ステップ−データ経路を調整
１００ ワイヤレスセンサ
１０１ 受信機（センサの一部）
１０２ 送信機（センサの一部）
１０３ 処理回路（センサの一部）
１０４ 検知回路（センサの一部）
１０５ クロック（センサの一部）

Claims (5)

1. 各センサが、環境パラメータを検出し、デジタルデータを受信し、デジタルデータを送信し、および別のセンサから受信したデジタルデータを中継することが可能であるワイヤレスセンサ（１００）のノードを含むネットワークを構築および管理する方法であって、
   （ａ）前記センサを所定の地理的エリアにわたって展開するステップ（ステップ４１）と、
   （ｂ）各センサの前記地理的位置を決定するステップ（ステップ４２）と、
   （ｃ）前記センサを複数のグループにクラスタ化するステップ（ステップ４３）と、該各グループはさらに、前記グループにおける各センサからのデータを制御ノード（１１）まで中継する責任があるゲートウェイを含み、
   （ｄ）各ゲートウェイにある広域クラスタ経路指定テーブルと前記センサにあるより小さいローカル転送テーブルとを用いて、エネルギ消費を最小にするためにネットワークデータ経路を設定するステップ（ステップ４４）と、
   前記経路指定テーブルおよび転送テーブルは、
   （ｉ）前記ゲートウェイのうち特定の１つから直接、または前記センサのうち特定の複数の別のセンサからの中継を介して前記ゲートウェイのうち１つを用いて間接的に、各センサがデータを送信および通信するか否か、そして
   （ｉｉ）各センサがいつデータを送信および受信するか
   を決定し、
   （ｅ）数式を用いて各センサにおいて利用可能なエネルギをモデル化するステップ（ステップ４５）と、
   前記数式は、各種機能を前記センサが実行している時間量と各機能により消費されるエネルギ量とを考慮し、前記各種機能は、
   （ｉ）環境パラメータの検出と、
   （ｉｉ）デジタルデータの受信と、
   （ｉｉｉ）デジタルデータの送信と、
   を含み、
   （ｆ）環境パラメータを検出し、データを制御ノードまで中継するステップ（ステップ４６）と、
   （ｇ）各センサにおいて利用可能なエネルギ量の変化を補償するように前記ネットワークデータ経路を再設定するステップ（ステップ４７）と
   を含む方法。
2. ネットワークを経路指定する前記ステップ（ステップ４４）は、ネットワークに対する全体コスト関数を最小化し、前記全体コスト関数はさらに、
   （ａ）通信コスト因子（ＣＦ１）、
   （ｂ）より多くのエネルギを有するネットワークノード、またはより少ないエネルギを有するネットワークノードを好む残存エネルギ利用可能コスト因子（ＣＦ２）、
   （ｃ）中継ノードとして検知可能ノードの使用を好まない検知可能コスト因子（ＣＦ３）であるエネルギ消費率コスト因子（ＣＦ３）、
   （ｄ）現在非アクティブのノードの使用よりも現在有効になっているノードの使用を好み、検知可能ノードの中継ノードとしての使用を好まない可能コスト因子（ＣＦ４）、
   （ｅ）所定の最大値を超える通信パスの追加を回避する経路指定コスト因子（ＣＦ５）
   の各コスト因子を含んでいる、請求項１に記載の方法。
3. ネットワークを再経路指定する前記ステップ（ステップ４７）は、
   （ａ）アクティブセンサの再選択を要求するイベントが発生したときのセンサ再編成、
   （ｂ）センサのバッテリレベルの変化、
   （ｃ）センサにおけるエネルギをモデル化する前記数式に対する調整、
   の３つの基準に基づいている、請求項１に記載の方法。
4. 各センサは、環境パラメータを検出し、デジタルデータを受信し、デジタルデータを送信し、および別のセンサから受信したデジタルデータを中継することが可能であるワイヤレスセンサ（１００）のノードを含むネットワークを管理する方法であって、
   （ａ）ネットワークの相互接続性を詳述するテーブルを作成することによって、エネルギ消費を最小化するためにネットワークデータ経路を設定するステップ（ステップ４４）と、
   前記相互接続性は各種センサの各々に対し、
   （ｉ）ゲートウェイノードのうち特定の１つから直接、または前記センサのうち特定の複数の別のセンサからの中継を介して前記ゲートウェイノードのうち１つを用いて間接的に、前記センサがデータを送信および受信するか否か、そして、
   （ｉｉ）前記センサがいつデータを送信および受信するか、
   を定義し、
   （ｂ）数式を用いて各センサにおいて利用可能なエネルギをモデル化するステップ（ステップ４５）と、前記数式は、各種機能を前記センサが実行している時間量と各機能により消費されるエネルギ量とを考慮し、前記各数式は
   （ｉ）環境パラメータの検出と、
   （ｉｉ）デジタルデータの受信と、
   （ｉｉｉ）デジタルデータの送信と、
   を含み、
   （ｃ）環境パラメータを検出し、データを制御ノードまで中継するステップ（ステップ４６）と、
   （ｄ）各センサにおいて利用可能なエネルギ量の変化を補償するように前記ネットワークデータ経路を再設定するステップ（ステップ４７）と、
   を含む方法。
5. （ａ）各センサが環境パラメータを検出することができ、複数のクラスタの形に配列されている複数のセンサと、
   （ｂ）前記クラスタの各々に関連付けられ、当該クラスタ内のセンサからセンサデータを受信するゲートウェイであって、当該クラスタ内のセンサの相互接続性を詳述し、当該センサの各々に利用可能なエネルギをモデル化し、前記センサにおいて利用可能なエネルギ量の変化に従って当該センサの接続を変化させるために当該センサに制御信号を送信するテーブルを含む、該ゲートウェイと、
   （ｃ）各ゲートウェイからセンサデータを受信するための制御プロセッサと、
   を備えるセンサのネットワークを管理するためのシステム。

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