JP2008078963A - Communication method for wireless sensor network, and sensor node - Google Patents

Communication method for wireless sensor network, and sensor node Download PDF

Info

Publication number
JP2008078963A
JP2008078963A JP2006255359A JP2006255359A JP2008078963A JP 2008078963 A JP2008078963 A JP 2008078963A JP 2006255359 A JP2006255359 A JP 2006255359A JP 2006255359 A JP2006255359 A JP 2006255359A JP 2008078963 A JP2008078963 A JP 2008078963A
Authority
JP
Grant status
Application
Patent type
Prior art keywords
cluster
sensor node
sensor
energy
gateway
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2006255359A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takaaki Baba
Hiroshi Ko
孝明 馬場
博 黄
Original Assignee
Univ Waseda
学校法人早稲田大学
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02DCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THIR OWN ENERGY USE
    • Y02D70/00Techniques for reducing energy consumption in wireless communication networks
    • Y02D70/40According to the transmission technology
    • Y02D70/44Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • Y02D70/448Radio transmission systems, i.e. using radiation field for communication between two or more posts
    • Y02D70/449Radio transmission systems, i.e. using radiation field for communication between two or more posts at least one of which is mobile

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a communication method for a wireless sensor network that achieves low energy while allowing a wireless sensor network to be flexibly adapted even under a situation in which various types of sensor nodes mixedly exist. <P>SOLUTION: Each sensor node 3 is classified into a plurality of clusters Ci. A cluster head 3a for performing designation of a gateway 3b inside each cluster Ci is selected in each cluster Ci. Each cluster head 3a collects available-energy information of each sensor node 3 inside each cluster Ci and intermittently and repeatedly executes inter-cluster scheduling processing for selecting the sensor node 3 having the maximum available-energy as the gateway 3b. Each sensor node 3 inside each cluster Ci executes data intercommunication in-between the sensor node 3 outside each cluster Ci or a base station 2 through the gateway 3b selected for each cycle. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、無線センサネットワーク(wireless sensor network)において静的クラスタリングにより通信経路を設定し通信を行う通信方法及びそれに用いるセンサノードに関し、特に、低エネルギーで動作しネットワーク全体の電池寿命を最大限に引き延ばすことが可能な通信方法及びセンサノードに関する。 The present invention relates to a communication method and a sensor node for use therein performs setting a communication path by static clustering communication in wireless sensor networks (wireless sensor network), in particular, to maximize operation with the entire network battery life with low energy a communication method and sensor nodes capable of stretching.

近年の低エネルギー・ワイヤレス通信技術(low power wireless communication technology)の進展により、次世代の無線センサネットワークの開発が可能となった。 Recent advances in low energy wireless communication technology (low power wireless communication technology), has enabled the development of next-generation wireless sensor networks.

一般に、無線センサネットワークは、検出エリアの内部やその近傍に配置された非常に多くのセンサノード(sensor node)で構成される(非特許文献1参照)。 In general, wireless sensor networks are very composed many sensor nodes (: sensor node) (see Non-Patent Document 1) which is arranged inside or in the vicinity of the detection area. センサネットワークには、自己組織化(self-organization)、協働(cooperating)、及びデータ処理(data processing)の機能が必要とされる。 The sensor networks, self-organizing (self-organization), cooperating (cooperating), and data capabilities of the processing (data Processing) is required. また、通常、ワイヤレスのセンサノードは、独立した電源で駆動されるため、使用可能なエネルギーが制限される。 Also, usually, wireless sensor nodes are often driven by independent power supply, available energy is limited. 従って、センサネットワークでは、ネットワーク全体で、各センサノードの限られたエネルギーをどのように有効に利用し、ネットワーク全体でデータをどのように伝達させるかは、ネットワーク全体の機能継続時間、データ転送の待ち時間、及び品質に直接影響してくる問題である(非特許文献2参照)。 Thus, the sensor networks, the entire network, the limited energy of each sensor node how effectively utilized, is how to transmit data across the network, the entire network functionality duration of the data transfer latency, and issues a is coming directly affects the quality (see non-Patent Document 2). そのため、低エネルギー通信のためのプロトコルについて、これまでいくつか提案されている(非特許文献1〜3参照)。 Therefore, the protocol for low energy communication, proposed are (see Non-Patent Documents 1 to 3) which is some heretofore.

低エネルギー通信のための無線センサネットワーク・プロトコルに関しては、ネットワークのトポロジーに従って、平面トポロジー・プロトコル(flat topology protocol)と階層トポロジー・プロトコル(hierarchy topology protocol)との2種類に分類することができる(非特許文献2〜4参照)。 For the wireless sensor network protocol for low energy communication according to the network topology can be classified into two types of planar topology protocol (flat topology protocol) and a hierarchical topology protocol (hierarchy topology protocol) (Non see Patent Document 2 to 4).

センサネットワークのクラスタ化(clustering)は、一種のセンサネットワークの階層化とみることができる。 Clustering of the sensor network (clustering) can be regarded as hierarchical kind of sensor networks. ここで、「クラスタ(cluster)」とは、協働するいくつかの近接したセンサノードの集合をいう。 Here, the "cluster (cluster)", refers to a collection of some of the adjacent sensor node cooperating. クラスタ化プロトコルは、静的クラスタリング(static clustering)と動的クラスタリング(dynamic clustering)の2つのカテゴリに分類される。 Clustering protocol are classified into two categories: static clustering (Static clustering) and dynamic clustering (dynamic clustering).

静的クラスタリングでは、ネットワークの全稼働時間に渡りクラスタが固定された状態が保たれる。 In static clustering, when a cluster over the entire operating time of the network is fixed is maintained. 一方、動的クラスタリングでは、ネットワークの稼働時間内に、適応的にクラスタの再構成が行われる。 On the other hand, in the dynamic clustering, in the network uptime, reconstruction of adaptively clusters is performed.

低エネルギー適応クラスタリング法(Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy :以下「LEACH」という。)は、無線センサネットワークのエネルギー消費を最小化するための動的クラスタリング・プロトコルである(特許文献1,非特許文献1,2,4参照)。 Low energy adapted clustering method (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy:. Hereinafter referred to as "LEACH") is a dynamic clustering protocol for minimizing the energy consumption of the wireless sensor network (Patent Document 1, Non-Patent Document 1 , see 2,4). LEACHのプロトコルは、いくつかのセンサノードをランダムに選択し、これをクラスタヘッド(cluster head)とする。 LEACH protocol, some sensor nodes randomly select, which is the cluster head (cluster head). そして、基地局(base station)と交信するためのエネルギー消費は、すべてのセンサノードに分散される。 The energy consumption for communicating with a base station (base station) is dispersed to all the sensor nodes. ネットワークの稼働時間は、時間ステップ(time step)又はラウンド(round)と呼ばれる固定長時間区間に分割される。 Network uptime is divided into time steps (time step) or fixed long section called round (round english (us)). 各ラウンドにおけるLEACHの動作は、設定フェーズ(setup phase)と定常フェーズ(steady phase)との2つのフェーズに分けることができる。 Operation of LEACH in each round can be divided into two phases with the setting phase (setup phase) and steady phase (steady phase). 設定フェーズにおいては、いくつかのクラスタヘッドが選択され、ランダムに一時的なクラスタが構成される。 In setting phase, some of the cluster head is selected, is configured temporary clusters randomly. 定常フェーズにおいては、各センサノードは、クラスタヘッドと交信を行い、クラスタヘッドは受信したデータを融合して基地局に向けて転送する。 In the steady phase, each sensor node performs communication with the cluster head, the cluster head transfers to the base station by fusing the received data.
米国特許第7,035,240号明細書 US Pat. No. 7,035,240 特開2002−44003号公報 JP 2002-44003 JP 特開2002−44003号公報 JP 2002-44003 JP 特表2005−526416号公報 JP-T 2005-526416 JP

上述の静的クラスタリングは、動的クラスタリングに比べると性能は高い。 Static clustering described above, when compared to the dynamic clustering performance is high. しかしながら、本質的な問題として、ホットスポット問題(hotspot problem)を内包している。 However, as an essential problem, the enclosing hotspots problem (hotspot problem). 「ホットスポット問題」とは、基幹センサノード(backbone sensor node)が、他のセンサノードに比べより速くエネルギーを消耗し、他のセンサより早く不機能状態(fail)に陥るという問題である。 The "hot spot problem", mission-critical sensor nodes (backbone sensor node) is depleted faster than energy compared to other sensor nodes, it is an issue that falls into more quickly than other sensor non-functional status (fail).

一方、動的クラスタリングは、ホットスポット問題を解決するにはよい方法である。 On the other hand, dynamic clustering is a good way to solve the hot spot problem. しかし、動的クラスタ化オーバーヘッド(dynamic clustering overhead)は、限られたエネルギーしか持たないセンサノードにとっては大きな負荷であり、また、動的クラスタリングの安定性は、静的クラスタリングの安定性に比べると劣る。 However, dynamic clustering overhead (dynamic clustering overhead) is a large load for the limited sensor nodes having only energy, also the stability of the dynamic clustering is inferior compared to the stability of the static clustering .

また、動的クラスタリングの一種である上述のLEACHには、次の2つの問題点がある。 Moreover, it is a kind of dynamic clustering the above LEACH, there are the following two problems.

一つ目の問題点は、すべてのクラスタヘッドが、センサネットワークのある限られた一領域に集中して割り当てられる可能性があるということである。 The first problem is that all the cluster heads is that concentrated on one area limited with sensor network may be assigned. センサネットワーク中にクラスタヘッドが存在しない領域ができると、その領域内のセンサノードは、クラスタヘッドとの交信に多くのエネルギーを消費することになる。 When the cluster head in the sensor network can region not present, sensor nodes in that region will consume a lot of energy in the communication with the cluster head. かかる状況は、センサネットワーク全体の寿命や性能を低下させる。 Such situations reduces the overall life and performance sensor networks.

二つ目の問題点は、ラウンドごとにクラスタが再構成されるため、クラスタの再構成の際のエネルギー消費が大きくなるとともに、無線センサネットワークの安定性を低下させることである。 The second problem is that, since the cluster is reconstructed for each round, with energy consumption in the cluster reconfiguration increases is to reduce the stability of the wireless sensor network.

また、無線センサネットワークは、種々のタイプのセンサノードが混在するような様々な状況下で広範に使用される。 Also, wireless sensor networks, various types of sensor nodes are widely used in a variety of contexts, such as mixed. 従って、このような様々な状況下でも、柔軟に適応してセンサネットワークの低エネルギー化を図っていく必要がある。 Thus, even under such various conditions, it is necessary to attempt to lower energy of the sensor network by flexibly adapted.

そこで、本発明の目的は、上記静的クラスタリング及び動的クラスタリングにおける問題を解決するとともに、種々のタイプのセンサノードが混在するような様々な状況下においても、柔軟に適応し低エネルギー化を図ることが可能な無線センサネットワークの通信方法及びそれに用いるセンサノードを提供することにある。 It is an object of the present invention, the addition to the solution to problems in static clustering and dynamic clustering, even under a variety of situations, such as various types of sensor nodes are mixed, flexibly adapting reduce the energy of it is to provide a sensor node using a communication method and its possible wireless sensor networks.

〔1〕原理 〔1−1〕低エネルギー静的クラスタリング法 これまでに、数々の無線センサネットワークのためのプロトコルが提案されているが、それらの殆どは、無線センサネットワークを構成するセンサノードのタイプは1種類のみであるようなごく簡単な状況を前提としている。 [1] Principle [1-1] ever low energy static clustering method, protocol for multiple wireless sensor networks have been proposed, most of them, the type of sensor nodes of the wireless sensor network is based on the premise in which such a very simple situation only one kind. しかしながら、実際には、多くの無線センサネットワークにおいては、様々なタイプのセンサノードが互いに結びついて協働している。 However, in practice, in many wireless sensor networks, and cooperating tied various types of sensor nodes to each other. このような状況においては、各センサノードのエネルギー消費のばらつきも考慮に入れておく必要がある。 In such a situation, it is necessary to take into consideration variations in the energy consumption of each sensor node.

そこで、まず、前提として、次のような動作環境を仮定する。 Therefore, first, as a premise, it is assumed that the following operating environment.
(1)同時刻にすべてのセンサノードが稼働するようなことは滅多に起こらない。 (1), such as all the sensor nodes at the same time running the infrequent.
(2)すべてのセンサノードは均質で、駆動のために使用可能なエネルギーが制限されている。 (2) all sensor nodes homogeneous, usable energy for the drive is limited.
(3)異なるタイプのセンサノードに対するエネルギー消費は異なる。 (3) Energy consumption for different types of sensor nodes are different.
(4)基地局(base station)は、商用電源などのエネルギー供給源に接続されけい続的にエネルギー供給が行われ、また無線センサネットワークの外側に位置している。 (4) the base station (base station) is connected to silicon-sustaining energy supply to the energy source, such as a commercial power supply is performed, also located outside the wireless sensor network.
(5)ネットワークの安定性が高度に要求されている。 (5) Stability of the network is highly required.
(6)いったん、ある割合のセンサノードが不機能状態(fail)となると、無線センサネットワーク全体が不機能状態となったものとする。 (6) Once the sensor nodes of a certain proportion is not functional status (fail), the entire wireless sensor network is assumed to have a non-functional state.

かかる状況では、無線センサネットワークは、各センサノードのエネルギー消費を抑える必要があり、エネルギー消費の分配を各センサに等しく割り当てるとともに、ネットワーク全体の高い安定性を保たなければならない。 In such a situation, the wireless sensor network, it is necessary to suppress the energy consumption of each sensor node, the distribution of energy consumption allocates equal to each sensor must be kept high stability of the entire network.

そこで、本発明においては、低エネルギー静的クラスタリング法(Low-Energy Static Clustering Scheme:LESCS)という新たな手法を用いる。 Therefore, in the present invention, a low energy static clustering method (Low-Energy Static Clustering Scheme: LESCS) using a new technique called.

LESCSにおける稼働期間は、中央集権ネットワーク・クラスタリング計算フェーズ(centralist network clustering calculation phase)、クラスタ形成フェーズ(cluster formation phase)、及びクラスタ内スケジューリング・フェーズ(intra-cluster scheduling phase)の3つのフェーズに分けることができる。 Busy period in LESCS is centralized network clustering calculation phase (centralist network clustering calculation phase), cluster formation phase (cluster formation phase), and be divided into three phases in a cluster scheduling phase (intra-cluster scheduling phase) can.

中央集権ネットワーク・クラスタリング計算フェーズ及びクラスタ形成フェーズは、センサネットワークの初期化のときのみ実行される。 Centralized network clustering calculation phase and cluster formation phase is performed only when the initialization of the sensor network. いったん、ネットワーク・クラスタが形成されてしまうと、センサネットワーク全体が不機能状態(fail)となるまで、無線センサネットワークは3番目のフェーズ(クラスタ内スケジューリング・フェーズ)を繰り返し実行する。 Once the network clusters from being formed, the sensor until the entire network is not functional status (fail), the wireless sensor network repeats the third phase (intra-cluster scheduling phase).

第1のフェーズは、中央集権ネットワーク・クラスタリング計算フェーズである。 The first phase is a centralized network clustering calculation phase. データ情報には常に位置情報が付加されるので(非特許文献5,6)、センサネットワークの外部にある基地局が最適なネットワーク・トポロジの計算(クラスタリング計算)を行うのは容易である。 Is always the position information to the data information is added (Non-Patent Documents 5 and 6), a base station that is external to the sensor network to perform the calculation (clustering calculation) for optimal network topology is easy. また、基地局は、各クラスタに対して、1つのセンサノードをクラスタヘッドとする。 Further, the base station, for each cluster, a single sensor node cluster head. クラスタとクラスタヘッドは、最初に1度だけ決められ、変更はされない。 Clusters and cluster head, is determined only once at the beginning, it is not changed. 基地局は、その結果をセンサネットワーク全体に同報メッセージ(broadcast message)として送信する。 The base station transmits the result to the entire sensor network as a broadcast message (broadcast message). 以下、この同報メッセージを「クラスタ化メッセージ」と呼ぶ。 Hereinafter, the broadcast message is referred to as a "cluster of message". クラスタリング計算の結果の例を図1に示す。 Exemplary results of the clustering calculation shown in FIG.

第2のフェーズは、クラスタ形成フェーズである。 The second phase is the cluster formation phase. 基地局からの同報メッセージに基づいて、各センサノードは、自己の位置からクラスタ中心(cluster center)までの距離が最も短いクラスタを、自己が所属するクラスタに選定する。 Based on the broadcast message from the base station, each sensor node, the shortest cluster distance from its position to the cluster center (cluster center), selects a cluster by itself belongs. 各クラスタのクラスタヘッドは、当該クラスタ内のすべてのセンサノードの位置とエネルギー情報とを記憶する。 Cluster head in each cluster stores the position and energy information of all sensor nodes in the cluster. そして、クラスタヘッドは、クラスタ内の各センサノードに0〜k−1(kはクラスタ内のセンサノード数)までの連番を割り振る。 The cluster head, 0 to k-1 to each sensor node in the cluster (k is the number of sensors nodes in the cluster) allocate sequential numbers to. この連番は、後のスケジューリングで利用される。 The sequence number is used by the scheduling after. また、クラスタヘッドは、それぞれのセンサノードの利用可能なエネルギーの情報を記憶する。 Also, the cluster head stores information of the available energy of the respective sensor node.

ここで、静的クラスタリング・プロトコルがどのように実行されるのかを簡単に説明しておく。 Here, a description of how easily executed how static clustering protocol. 図1は、LESCSにおいて、情報源センサノードから基地局まで、どのようにしてデータが転送されるのかを示している。 1, in LESCS, from the information source sensor node to the base station, how does the data indicates whether the transferred. 図1の左上隅のクラスタ内のセンサノードは、そのクラスタのゲートウェイ(gateway)にデータを送る。 Sensor nodes in the upper left corner of the cluster of Figure 1, sends the data to the gateway (gateway) of the cluster. ゲートウェイは、各センサノードからのデータを融合し、隣接するクラスタのゲートウェイに転送する。 Gateway combines the data from each sensor node, and transfers to the gateway of an adjacent cluster. このようなマルチホップ(multi hops)を通じて、融合されたデータは最終的に基地局まで転送される。 Through such a multi-hop (multi hops), fused data it is finally transferred to the base station.

このマルチホップの間、各ゲートウェイはデータ収集を行い、データを融合し転送する。 During this multi-hop, each gateway performs data collection, to fuse data transfer. 従って、ゲートウェイとなるセンサノードは、明らかに他のセンサノードに比べ、遙かに早期にエネルギーを消耗する。 Thus, the sensor node as a gateway, obviously compared to other sensor nodes, consumes energy in early much. もし、あるセンサノードがゲートウェイとして機能するならば、そのセンサノードは他のセンサノードよりも遙かに速く不機能状態(fail)に陥る。 If there sensor node acts as a gateway, the sensor node falls into faster not functional status (fail) much than other sensor nodes. このような現象は、ホットスポット問題と呼ばれ、上述したように、従来から静的クラスタリング・プロトコルで問題となっている。 Such a phenomenon is called the hot spot problem, as described above, it has become a problem in the static clustering protocol from the conventional. この問題を解決するために、LESCSにおいては、ダイナミックにゲートウェイの割り当てを変更する第3のフェーズを実施する。 To solve this problem, in the LESCS, implementing the third phase to change the allocation of gateway dynamically.

第3のフェーズは、クラスタ内スケジューリング・フェーズである。 The third phase is a cluster within the scheduling phase. このクラスタ内スケジューリング・フェーズは、間欠的に繰り返すループ処理として実施される。 The intra-cluster scheduling phase is implemented as a loop processing of repeating intermittently. 各ループは、時間ステップ(time step)又はラウンド(round)と呼ばれる固定された時間長で行われる。 Each loop is performed in time steps (time step) or fixed length of time called a round (round english (us)). 各ラウンドにおいて、クラスタヘッドは、そのクラスタ内で最も利用可能なエネルギーが残存しているセンサノードをゲートウェイに選定する。 In each round, the cluster head selects a sensor node most available energy within the cluster remains in a gateway.

例えば、図2は、あるラウンドにおいて、2個の隣接するクラスタ間のゲートウェイの割り当てと、データ転送を示している。 For example, Figure 2 shows in some rounds, and gateways assignments between two adjacent clusters, the data transfer. クラスタ1のセンサノード(C1,3)は、クラスタ1のゲートウェイとして機能する。 Cluster 1 sensor nodes (C1,3) functions as a cluster 1 gateway. クラスタ1内のすべてのセンサノードのデータは、センサノード(C1,3)に転送される。 Data for all sensor nodes in a cluster 1 is transferred to the sensor node (C1,3). そして、センサノード(C1,3)は、各データを融合し、クラスタ2のゲートウェイ(C2,2)に転送する。 The sensor nodes (C1,3) are fused to each data, and transfers to the cluster 2 of the gateway (C2,2).

図2に示されたエネルギーレベルを見ると、センサノード(C1,3)は、クラスタヘッド(C1,0)及びクラスタ1内の他のセンサノード(例えば、センサノード(C1,2))よりも速くエネルギーを消費している。 Looking at the energy levels shown in FIG. 2, the sensor node (C1,3), the cluster head (C1,0) and the other sensor nodes in the cluster 1 (e.g., sensor node (C1,2)) than It is consuming fast energy. 第3のフェーズの最適化を行わないとすれば、このセンサノード(C1,3)が他のセンサノードよりも速く不機能状態に陥ることは明らかである。 If no optimization of the third phase, it is clear that the sensor node (C1,3) falls into non functional state faster than the other sensor nodes.

図3に、図2の状態から1ラウンドが経過した後の無線センサネットワークの状態を示す。 3 shows a state of the wireless sensor network after one round has elapsed from the state of FIG. この状態では、センサノード(C1,2)がクラスタ1のゲートウェイに割り当てられている。 In this state, the sensor node (C1,2) is assigned to the gateway of the cluster 1.

ゲートウェイとして働くため、センサノード(C1,2)は他のセンサノードよりも速くエネルギーを消費する。 To serve as a gateway, the sensor node (C1,2) consumes faster energy than other sensor nodes. しかしながら、ラウンド終了時のセンサノード(C1,2)の利用可能なエネルギーは、センサノード(C1,3)とほほ同等である。 However, the available energy of the round at the end of the sensor node (C1,2), the sensor node (C1,3) Tohoho equivalent. このように、ダイナミックにゲートウェイの割り当てを変更することで、各センサノードのエネルギー消費のバランスをとることができる。 In this way, by changing the allocation of gateway dynamically, it is possible to balance the energy consumption of each sensor node.

クラスタ内スケジューリング・フェーズにおけるスケジューリングは、ゲートウェイとして機能する際に必要となる大きなエネルギー消費を、すべてのセンサノードに平等に分配することが可能となる。 Scheduling in cluster scheduling phase, a large energy consumption required when serving as a gateway, it is possible to distribute equally to all sensor nodes. これにより、ホットスポットの問題と、無線センサネットワーク全体の寿命の問題を解決することができる。 This makes it possible to solve the problem of hot spots, the problem of the life of the entire wireless sensor network.

尚、ゲートウェイの割り当てに関する詳しい手順は次の通りである。 The procedure detailed on assigning gateway is as follows.

(1)第1ステップでは、クラスタヘッドは、クラスタ内のそれぞれのセンサノードの利用可能なエネルギーを予測する。 (1) In the first step, the cluster heads, predicts the available energy of each sensor node in the cluster.

(2)そして、第2ステップでは、クラスタヘッドは、最も多くのエネルギーが残存しているセンサノードをゲートウェイに選定する。 (2) Then, in the second step, the cluster head, most energy is selected sensor nodes remaining in the gateway. その後、クラスタヘッドは、クラスタ内のすべてのセンサノードに、その選定結果を送信する。 Thereafter, the cluster head, to all sensor nodes in the cluster, and transmits the selection result. もし、先に選択されたセンサノードよりも残存する利用可能なエネルギーの多いセンサノードがある場合には、クラスタヘッドはゲートウェイの選択を変更し、新たなセンサノードがゲートウェイとして割り当てられる。 If there is more sensor nodes of available energy remaining than the sensor nodes selected above, the cluster head will change the selection of the gateway, the new sensor node is assigned as a gateway. これにより、予測された利用可能なエネルギーの最も多いセンサノードがゲートウェイとなる。 Thus, the most common sensor node of the predicted available energy is a gateway.

尚、場合によっては、クラスタヘッド自身がゲートウェイとして選択される場合もある。 Incidentally, in some cases, if the cluster head itself is selected as a gateway. なぜなら、クラスタヘッドとして働くための追加的なエネルギー消費は、ゲートウェイとして働くための追加的なエネルギー消費に比べると遙かに小さいからである。 Because additional energy consumption to serve as the cluster head, because much smaller than the additional energy consumption for acting as a gateway. これが、クラスタヘッドを固定したセンサノードに割り当てることができる理由でもある。 This is also the reason can be assigned to a fixed sensor node cluster head.

〔1−2〕エネルギー解析及び評価 上記LESCSを用いた場合の無線センサネットワークのエネルギー消費を解析するため、転送モード及び受信モードにおけるエネルギー消費を考慮した、センサノードの無線通信特性についての仮定を行う。 [1-2] To analyze the energy consumption of the wireless sensor network in the case of using the energy analysis and evaluation above LESCS, considering energy consumption in transmission mode and reception mode, make assumptions about the wireless communication capabilities of the sensor node . ここでは、簡単なモデルとして、無線通信では、転送又は受信回路の動作にE elec =50 nJ/bitのエネルギー消費があり、送信アンプにおいてε amp =100 pJ/bit/m 2のエネルギー消費があると仮定する(非特許文献4参照)。 Here, as a simple model, in a wireless communication, the operation of the transfer or receiving circuit has energy consumption E elec = 50 nJ / bit, there is energy consumption ε amp = 100 pJ / bit / m 2 by a transmission amplifier assume (see non-Patent Document 4). この場合、送信距離dをK-bitのメッセージを送信するためのエネルギー消費は、次式(1)のようになる。 In this case, the energy consumption for a transmission distance d to transmit a message of K-bit is given by the following equation (1).

また、メッセージの受信のために消費されるエネルギーE Rは、次式(2)のようになる。 The energy E R consumed for receiving the message, the following equation (2).

今、無線センサネットワークには、異なる送信レート1000 bit/round, 2000 bit/round 及び3000 bit/roundの3つのタイプのセンサノードがあると仮定し、それぞれ、タイプ1,タイプ2,タイプ3と呼ぶ。 Now, the wireless sensor network, assuming that there are different transmission rates 1000 bit / round, 2000 bit / round and 3000 bit / 3 types of sensor nodes round english (us), called respectively, Type 1, Type 2, and Type 3 . 式(1),式(2)によれば、ゲートウェイではない間の各タイプのセンサノードの各ラウンドにおけるエネルギー消費E 1 , E 2 , E 3は、それぞれ次式(3)(4)(5)のようになる。 Equation (1), according to equation (2), the energy consumption E 1, E 2, E 3 in each round of each type of sensor nodes during non-gateway, the following equations (3) (4) (5 )become that way.

ここで、dはクラスタ内の各センサノードとゲートウェイとの間の距離である。 Here, d is the distance between the sensor nodes and the gateway in the cluster.

また、ゲートウェイとして機能する場合のセンサノードのエネルギー消費E gatewayは、次式(6)のようになる。 The energy consumption E gateway of the sensor nodes when functioning as a gateway, the following equation (6).

ここで、Dは異なるクラスタのゲートウェイ間の距離、m 1は各クラスタ内の全データレート、m 2はゲートウェイでデータ融合を行いマルチホップを通じて基地局に転送したときの全データレートである。 Here, D is the total data rate when transferring different distances between clusters of gateways, m 1 is the total data rate in each cluster, m 2 is the base station through the multi-hop performs data fusion at the gateway.

シミュレーションでは、100個のセンサネットワークをランダムに生成した。 In the simulation, randomly generated a 100 sensor networks. 100個のセンサの位置は、100×100 m 2の方形領域内にランダムにとった。 Position of the 100 sensors, taken randomly 100 × 100 m 2 square area. タイプ1のセンサノード(1000 bit/round)の数は50個、タイプ2のセンサノード(2000 bit/round)の数は30個、タイプ3のセンサノード(3000 bit/round)の数は20個とした。 Number 50 type 1 sensor nodes (1000 bit / round), number 30 of the type 2 sensor nodes (2000 bit / round), the number of type 3 of the sensor node (3000 bit / round) is 20 and the. また、各センサの初期エネルギーは1.0 Jとした。 The initial energy of each sensor was 1.0 J.

性能の評価に当たっては、次の2つのパラメータを考慮する。 In the evaluation of the performance, consider the following two parameters. 第1のパラメータは、最初にセンサノードの不機能状態(fail)が発生したときのラウンド数である。 The first parameter is the first number of rounds when not functional status (fail) occurs in the sensor nodes. 第2のパラメータは、センサネットワーク内のすべてのセンサノードの平均寿命である。 The second parameter is the average life span of all the sensor nodes within the sensor network.

図4は、100×100 m 2の矩形領域における1.0 J/nodeの無線センサネットワークを用いて行った、LESCS及びLEACHによるシミュレーション結果である。 4 was performed using 1.0 J / node of wireless sensor networks in a rectangular area of 100 × 100 m 2, a simulation result according LESCS and LEACH. 図4において、横軸はラウンド数を表し、縦軸は機能状態にあるセンサノードの数である。 4, the horizontal axis represents the number of rounds and the ordinate is the number of sensor nodes in functional state.

図4から分かるように、LESCSは、最初にセンサノードの不機能状態が発生するまでのラウンド数のみならず、ネットワーク内のセンサノード全体の平均寿命においても、LEACHよりも優れた性能を示すことが分かる。 As can be seen from FIG. 4, LESCS initially not only the number of rounds to non functional state of the sensor node is generated, even in the average life of the whole sensor nodes in the network, to exhibit better performance than LEACH It can be seen. 最初にセンサノードの不機能状態が発生するまでのラウンド数は、LESCSがLEACHよりも遙かに遅くなる。 First Rounds to non functional state occurs in the sensor node, LESCS is much slower than LEACH. また、最後に残ったセンサノードが不機能状態となるまでのラウンド数は、LESCSとLEACHとでほぼ同じである。 The number of rounds to last remaining sensor nodes is not functional status is similar for LESCS and LEACH. 以上の結果から、LESCSはLEACHよりも、無線センサネットワーク全体を長期間にわたって正常に動作させることができることが証明される。 These results, LESCS rather than LEACH, it is demonstrated that it is possible to operate normally the entire wireless sensor network for a long period of time.

〔2〕本発明の構成及び作用 本発明の無線センサネットワークの通信方法の第1の構成は、基地局と複数のセンサノードとが相互に無線交信を行い、前記基地局及び前記各センサノード間でデータの転送を行う無線センサネットワークの通信方法であって、 [2] the first configuration of the communication method of the wireless sensor network configurations and operations of the Invention The present invention includes a base station and a plurality of sensor nodes performs radio communication with each other between said base station and said each sensor node in a communication method of the wireless sensor network for transferring data,
前記各センサノードは、一乃至複数のクラスタに区分されているとともに、各クラスタにおいては、当該クラスタ内におけるゲートウェイの選定を行うクラスタヘッドが選定されており、 Wherein each sensor node, together are divided into one or a plurality of clusters, in each cluster, and the cluster head for selecting the gateway is selected within the cluster,
前記各クラスタにおいて、 In each cluster,
前記クラスタヘッドが、当該クラスタ内の各センサノードと通信し、各センサノードの可用なエネルギーの情報を収集するエネルギー情報収集ステップと、 The cluster head, to communicate with each sensor node in the cluster, and energy information collection step of collecting information on the available energy of each sensor node,
当該クラスタ内のセンサノードのうち、可用なエネルギーの最も多いセンサノードをゲートウェイ(gateway)として選定するゲートウェイ選定ステップと、 Of sensor nodes in the cluster, and the gateway selection step of selecting the highest sensor nodes available energy as a gateway (gateway),
を有するクラスタ内スケジューリング処理(intra-cluster scheduling process)を間欠的に繰り返し実行し、 Intermittently and repeatedly executes the intra-cluster scheduling process having (intra-cluster scheduling process),
当該クラスタ内の各センサノードは、各周期で選定されるゲートウェイを通して、当該クラスタ外のセンサノード又は基地局とのデータの交信を行うことを特徴とする。 Each sensor node in the cluster through gateways selected in each period, and performs communication of data with the cluster out of the sensor nodes or base stations.

この構成により、センサネットワーク内でのクラスタは、最初に構成されておりネットワークの稼働中は固定されているため(静的クラスタリング手法を採るため)、クラスタ再構成の際のエネルギー消費の増大や、無線センサネットワークの安定性の低下といった問題は生じない。 With this configuration, the clusters in the sensor network, (to take the static clustering method) for the running of the first is constituted network is fixed, increase in the energy consumption in the cluster reconfiguration, there is no problem such reduced stability of wireless sensor networks.

また、ネットワークの稼働中は、クラスタ内スケジューリング処理を間欠的に繰り返し実行することにより、クラスタ内のゲートウェイは、各ラウンドごとに最も可用なエネルギーの多いセンサノードに動的に割り当てられる。 Moreover, while the network is up, by intermittently and repeatedly executes the intra-cluster scheduling process, the gateway in the cluster is dynamically assigned in descending sensor nodes the most available energy for each round. 従って、ネットワークの稼働時間全体を通して、エネルギー消費の大きいゲートウェイの負荷は各センサノードに分散される。 Thus, throughout the network uptime, gateway load large energy consumption is distributed to each sensor node. そのため、特定のセンサノードのみが早期に不機能状態(fail)に陥る事態が回避され、ホットスポット問題を回避することができる。 Therefore, it is possible to only a specific sensor node is avoided a situation falling into non functional status (fail) early to avoid hot spots problem. また、ネットワーク全体の寿命や性能も高めることが可能となる。 Further, it is possible to increase also the overall network lifetime and performance.

ここで、「センサノードの可用なエネルギー」とは、センサノードの電源に蓄えられた利用可能なエネルギー(電力量等)をいう。 Here, "available energy of the sensor node" refers to the available energy stored in the power supply of the sensor node (electric energy, etc.). クラスタヘッドは、クラスタヘッドと各センサノードとの間で通信を行うことにより、可用なエネルギーの情報を収集する。 Cluster head, by communicating with the cluster head and the sensor node, collecting information available energy. また、クラスタ内スケジューリング処理は「間欠的に繰り返し実行」されるが、これは、一定の時間ごとに繰り返し実行してもよいし、不均一な時間間隔で間欠的に繰り返し実行してもよい。 Further, in the scheduling process cluster but is "intermittently repeated execution", which may be executed repeatedly every predetermined time, or may be intermittently performed repeatedly in a non-uniform time intervals.

本発明の無線センサネットワークの通信方法の第2の構成は、前記第1の構成において、前記基地局が、前記各センサノードを一乃至複数のクラスタに区分し、各クラスタ毎に1つのセンサノードをクラスタヘッドとして選定するクラスタ化ステップと、 The second configuration of the communication method of the wireless sensor network of the present invention, in the first configuration, the base station, the classified one or more clusters each sensor node, one sensor node in each cluster and clustering step of selecting as the cluster head,
前記各センサノードが、前記基地局により設定されたクラスタ区分(cluster division)に基づき自己が属するクラスタを設定し、前記基地局によりクラスタヘッドに選定されたセンサノードが、自己の動作モードをクラスタヘッドとして機能するように設定するクラスタ形成ステップと、を備え、 Wherein each sensor node, the set of clusters which itself belongs on the basis of the set cluster divided by the base station (cluster division), the sensor node was selected as the cluster head by the base station, a cluster head self operation mode and a cluster forming step of setting to function as,
間欠的に繰り返し実行される前記クラスタ内スケジューリング処理は、前記クラスタ形成ステップにより形成される各クラスタにおいてそれぞれ実行されることを特徴とする。 The cluster scheduling process is intermittently performed repeatedly is characterized by being invoked in each cluster formed by the cluster formation step.

この構成によれば、ネットワークの稼働初期の段階で、クラスタ化ステップ及びクラスタ形成ステップを実行し、ネットワークの状態に適応してクラスタ化とクラスタヘッドの選択が行われる。 According to this arrangement, in operation the initial phase of the network, perform the clustering step and cluster formation step, the selection of clustering and cluster head adapted to the state of the network is performed. クラスタ化は、基地局が中央集権的に行うため、ネットワーク全体の形状を考慮して適宜クラスタ化を行うことが可能である。 Clustering, since the base station performs centralized manner, it is possible to perform appropriate clustering considering the entire network configuration. また、クラスタヘッドの指定も基地局が中央集権的に行う。 In addition, the designation of the cluster head also base station centralized carried out. 従って、すべてのクラスタヘッドが、センサネットワークのある限られた一領域に集中して割り当てられるといった事態を回避することができる。 Therefore, all cluster heads, it is possible to avoid a situation allocated concentrated to a limited area with the sensor network.

本発明の無線センサネットワークの通信方法の第3の構成は、前記第2の構成において、前記クラスタヘッド選定ステップは、 A third configuration of a communication method of a wireless sensor network of the present invention, in the second configuration, the cluster head selection step,
前記基地局が、すべてのセンサノードに対して位置情報(position information)を要求する同報メッセージ(broadcast message)(以下「位置要求(position request)メッセージ」という。)を送信する位置要求ステップと、 Said base station, a location request transmitting all broadcast message requesting location information (position information) to the sensor node (broadcast message) (hereinafter "location request (position request) message". As) a,
各センサノードが、前記位置要求メッセージに対して基地局に位置情報を返信する位置返信ステップと、 Each sensor node, and position reply step of returning the location information to the base station to the location request message,
前記基地局が、各センサノードの位置情報に基づき、各センサノードを一乃至複数のクラスタに区分し、各クラスタ内の1個のセンサノードをクラスタヘッドに選定するクラスタ設定ステップと、 Said base station, based on the position information of each sensor node, each sensor node is divided into one or a plurality of clusters, and the cluster setting step of selecting one sensor node in each cluster to the cluster head,
前記基地局が、各センサノードが属するクラスタに関する情報の同報メッセージ(以下「クラスタ化メッセージ」という。)を配信するクラスタ化メッセージ配信ステップと、 The base station, and clustering message delivery step each sensor node to deliver the broadcast message information about belonging cluster (hereinafter referred to as "clustering messages".)
前記クラスタヘッドに選定された各センサノードに対しクラスタヘッド選定メッセージを配信するクラスタヘッド・メッセージ配信ステップと、 And cluster head message delivery step of delivering the cluster head selection message to each sensor node is selected as the cluster head,
を有しており、 A has,
前記クラスタ形成ステップは、 The cluster forming step,
前記各センサノードが、前記クラスタ化メッセージにより指定された自己が属するクラスタを設定するクラスタ設定ステップと、 Wherein each sensor node, and the cluster setting step by itself to set the clusters belonging designated by the clustering message,
前記各センサノードのうち前記クラスタヘッド選定メッセージによりクラスタヘッドに指定されたセンサノードが、自己の動作モードをクラスタヘッドとして機能するように設定するクラスタヘッド設定ステップと、を有することを特徴とする。 The sensor nodes specified in the cluster head by the cluster head selection message among the sensor nodes, to the cluster head setting step of setting to work of the self operation mode as the cluster head, characterized in that it has a.

この構成によれば、基地局は位置要求メッセージを各センサノードに配信し、各センサノードの位置情報を収集した上でクラスタ化を行う。 According to this configuration, the base station delivers the position request message to each sensor node performs clustering on collected positional information of each sensor node. これにより、ネットワークの形状に応じてクラスタ分割を行うことができるため、極端に遠距離の通信を強いられるセンサノードが現れることを防止できる。 This makes it possible to perform the cluster dividing according to the shape of the network, it is possible to prevent the extreme sensor node forced to long-distance communication appears.

ここで、「位置情報」とは、各センサノードの位置を示す情報をいい、絶対的位置(GPSなどにより測位される座標等)の情報であるか相対的位置(他のセンサノード又は基地局に対する相対的な位置)の情報であるかを問わない。 Here, the "position information" refers to information indicating the position of each sensor node, the absolute position information in which whether the relative position of (coordinates or the like which is positioning the like GPS) (other sensor nodes or base station regardless whether the information of the relative position) with respect to. また、位置情報は、必ずしも正確な座標である必要はなく、ネットワーク・トポロジが推定できる程度のものであればよい。 The position information is not necessarily the exact coordinates, as long as the extent to which the network topology can be estimated. 各センサノードが位置情報を取得する場合には、公知の方法を利用することができる。 When each sensor node obtains the location information may be a known method. 例えば、相対位置情報を取得する場合には、GPS free positioningによる手法(非特許文献6参照)や自己組織化マップ(Self-organization maps:SOM)による手法(非特許文献7,8参照)などを利用することができる。 For example, when acquiring the relative position information, GPS free method (see Non-Patent Document 6) by positioning and self-organizing maps: etc. (Self-organization maps SOM) by Method (see Non-Patent Documents 7 and 8) it can be used.

本発明の無線センサネットワークのセンサノードの構成は、基地局と複数のセンサノードとが相互に無線交信を行い、前記基地局及び前記各センサノード間でデータの転送を行う無線センサネットワークにおいて用いられるセンサノードであって、 Configuration of the sensor node in wireless sensor network of the present invention is used in a wireless sensor network in which a base station and a plurality of sensor nodes mutually perform radio communication, the transfer of data between said base station and said each sensor node a sensor node,
回路駆動用の電源と、 And a power supply for circuit driving,
前記電源の可用なエネルギー量を検出するエネルギー検出手段と、 Energy detecting means for detecting an available energy quantity of said power supply,
前記基地局又は他のセンサノードとの間でデータの送受信を行うデータ通信手段と、 Data communication means for transmitting and receiving data to and from the base station or another sensor node,
前記基地局から送信されるクラスタヘッド選定メッセージを受信すると、自己の動作モードを、クラスタヘッドの動作モード(以下「クラスタヘッドモード」という。)に設定するクラスタヘッド設定手段と、 Upon receiving the cluster head selection message transmitted from the base station, the self operation mode, the cluster head setting means for setting the operation mode of the cluster head (hereinafter referred to as "cluster head mode".)
クラスタ内の各センサノードの識別情報及びそれらの可用なエネルギー量を記憶するクラスタ・テーブルと、 And cluster table for storing identification information and available energy amount of their respective sensor nodes in the cluster,
自己と同じクラスタに属する他のセンサノードを前記クラスタ・テーブルに登録するノード登録手段と、 And a node registration means for registering the other sensor nodes belonging to the same cluster as the self to the cluster table,
前記クラスタヘッドモードに設定された場合、前記クラスタ・テーブルに登録された他の各センサノードに対し、間欠的に繰り返しエネルギー検出要求を送信するエネルギー検出要求送信手段と、 If set to the cluster head mode, to other sensor nodes registered in the cluster table, the energy detection request transmitting means for transmitting intermittently repeated energy detection request,
他のセンサノードから前記エネルギー検出要求を受信した場合、前記エネルギー検出手段により検出される電源の可用なエネルギー量情報を、当該センサノードに返信するエネルギー量返信手段と、 If the other sensor node receiving the energy detection request, the available amount of energy information of the power source detected by the energy detector means, and energy returning means for returning to the sensor node,
前記エネルギー検出要求に対して他のセンサノードからエネルギー量情報の返信を受信した場合、当該センサノードの可用なエネルギー量情報を前記クラスタ・テーブルに登録するエネルギー登録手段と、 When receiving a reply energy information from other sensor nodes to the energy detection request, the energy registration means for registering the available amount of energy information of the sensor node to the cluster table,
前記エネルギー検出要求に同期して、エネルギー検出手段が検出する自己の可用なエネルギー量情報を前記クラスタ・テーブルに登録する自己エネルギー登録手段と、 A self-energy registration means for registering in synchronization with said energy detection request, the energy detecting means the available amount of energy information of a self detecting the cluster table,
前記クラスタヘッドモードにおいて前記クラスタ・テーブルが更新された場合、前記クラスタ・テーブルに登録された各センサノードのうち、最も可用なエネルギー量が多いセンサノードをゲートウェイに選定するゲートウェイ選定手段と、 If the cluster table in the cluster head mode is updated, among the sensor nodes registered to the cluster table, the gateway selecting means for selecting the most available amount of energy is large sensor node to the gateway,
前記ゲートウェイ設定手段が選定したゲートウェイが他のセンサノードの場合、当該センサノードに対しゲートウェイ選定信号を送信するゲートウェイ要求手段と、 If the gateway where the gateway setting means is selected it is other sensor nodes, and the gateway requesting means for transmitting a gateway selection signal to the sensor node,
他のセンサノードから前記ゲートウェイ選定信号を受信した場合、又は自己がゲートウェイに選定された場合、自己の動作モードをゲートウェイモードに設定するゲートウェイ設定手段と、 If the other sensor node receiving the gateway selection signal, or if self is selected in the gateway, and gateway setting means for setting a self operation mode to the gateway mode,
前記ゲートウェイモードに設定された場合、クラスタ内の他のセンサノード又は他のクラスタのゲートウェイモードのセンサノードから受信される転送データを、他のクラスタのゲートウェイモードのセンサノード又は前記基地局に送信するデータ転送手段と、を備えていることを特徴とする。 If it sets to the gateway mode, and transmits the transfer data received from the other sensor nodes or of another cluster gateway mode of the sensor node in the cluster, the sensor node or the base station gateway mode of another cluster characterized in that it comprises a data transfer unit.

この構成によれば、基地局からクラスタヘッド選定メッセージを受信すると、自己のセンサノードの動作モードがクラスタヘッドモードに設定される。 According to this configuration, when receiving the cluster head selection message from the base station, the operation mode of its own sensor nodes are set to a cluster head mode.

次に、センサノードは、他のセンサノードと協働して、以下の(1)〜(3)のようなクラスタ内スケジューリング処理を間欠的に繰り返し行う。 Next, the sensor nodes, in cooperation with other sensor nodes, intermittently and repeatedly performs intra-cluster scheduling process similar to the following (1) to (3).

(1)クラスタヘッドモードに設定されたセンサノード(以下「クラスタヘッド」という。)は、エネルギー検出要求手段は、クラスタ内の他の各センサノードに対して間欠的に繰り返しエネルギー検出要求を送信する。 (1) set the sensor node to the cluster head mode (hereinafter referred to as "cluster head".), The energy detection request means transmits the intermittently repeated energy detection request to the other of each sensor node in the cluster . 各センサノードは、エネルギー検出要求を受信すると、エネルギー量返信手段が、当該センサノードの電源の可用なエネルギー量情報をクラスタヘッドに返信する。 Each sensor node receives an energy detection request, the amount of energy return means returns the power available amount of energy information of the sensor node to the cluster head.

(2)クラスタヘッドは、各センサノードからエネルギー量情報を受信すると、エネルギー登録手段が、当該センサノードのエネルギー量情報をクラスタ・テーブルに登録する。 (2) a cluster head receives the energy information from each sensor node, the energy registration means registers the energy information of the sensor node in the cluster table. また、自己エネルギー登録手段が、自己の可用なエネルギー量をクラスタ・テーブルに登録する。 In addition, the self-energy registration means registers the available amount of energy of the self to the cluster table.

(3)クラスタヘッドは、ゲートウェイ選定手段は、クラスタ・テーブルに登録された各センサノードの可用なエネルギー量を比較し、可用なエネルギー量が最も多いセンサノードをゲートウェイに選定する。 (3) the cluster heads, the gateway selection unit compares the available amount of energy of each sensor nodes registered to the cluster table, selecting the largest sensor nodes available amount of energy to the gateway. そして、ゲートウェイ要求手段は、ゲートウェイに選定されたセンサノードに対してゲートウェイ選定信号を送信する。 Then, the gateway request means transmits a gateway selection signal to the selected the sensor node to the gateway. ゲートウェイに選定されたセンサノードは、ゲートウェイ選定信号を受信すると、自己の動作モードをゲートウェイモードに設定する。 Sensor nodes selected in the gateway receives the gateway selection signal sets the self operation mode to the gateway mode.

各センサノードは、ゲートウェイモードに設定されたセンサノード(以下「ゲートウェイ」という。)を介して、クラスタ外のセンサノード又は基地局とデータ送信を行う。 Each sensor node via a set to the gateway mode to a sensor node (hereinafter referred to as "gateways".), Performs the data transmission outside the cluster of the sensor nodes or base stations. ゲートウェイは、クラスタ内の他のセンサノードからデータを受信すると、他のクラスタのゲートウェイモードのセンサノード又は前記基地局に送信する。 The gateway receives the data from the other sensor nodes in the cluster, and transmits the sensor node or the base station gateway mode of another cluster.

このように、クラスタ内スケジューリング処理を間欠的に繰り返し行うことで、各ラウンドで最も可用なエネルギー量が大きいセンサノードがゲートウェイに選択される。 In this way, by performing intermittently repeated cluster scheduling process, most available amount of energy is large sensor nodes in each round is selected gateway. 従って、クラスタ内の各センサノードはほぼ均等な速さでエネルギーを消耗し、ネットワークの平均的な電池寿命が長く、ホットスポット問題が生じることもない。 Thus, each sensor node in the cluster consumed energy at a substantially uniform speed, average battery life of the network is long, nor hot spot problems.

ここで、「センサノードの識別情報」とは、各センサノードを識別するための情報をいい、例えば、センサノードの位置情報、センサノードのIDなどである。 The "identification information of the sensor node" refers to information for identifying each sensor node, for example, a position information, ID of the sensor nodes of the sensor node.

以上のように、本発明に係る無線センサネットワークの通信方法及びセンサノードによれば、静的クラスタリング手法を採るため、クラスタ再構成の際のエネルギー消費の増大や、無線センサネットワークの安定性の低下といった問題は生じない。 As described above, according to the communication method and the sensor node of wireless sensor network according to the present invention, for taking a static clustering method, increase in the energy consumption in the cluster reconfiguration, decreased stability of the wireless sensor network there is no problem such as. また、ネットワークの稼働中は、クラスタ内スケジューリング処理を間欠的に繰り返し実行することにより、各クラスタのゲートウェイが動的に切り替えられるため、各クラスタ内の各センサノードのエネルギー消耗速度はほぼ均質となる。 Moreover, while the network is up, by intermittently and repeatedly executes the intra-cluster scheduling process, since the gateway for each cluster are switched dynamically, energy consumption rate of each sensor node in each cluster is substantially homogeneous . 従って、ホットスポット問題は生じず、ネットワークの電池平均寿命を最大限に延ばすことができる。 Therefore, the hot spot problem does not occur, it is possible to extend the battery life expectancy of the network to the maximum.

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.

(1)無線センサネットワークの構成 図1は、本発明の実施例1に係る無線センサネットワーク1の構成を表す図である。 (1) Configuration FIG. 1 of the wireless sensor network is a diagram illustrating a configuration of a wireless sensor network 1 according to the first embodiment of the present invention. 無線センサネットワーク1は、基地局2と複数のセンサノード3を備えている。 Wireless sensor network 1 includes a base station 2 and a plurality of sensor nodes 3. 基地局2と各センサノード3は、無線により互いに交信が可能である。 The base station 2 each sensor node 3 can communicate with each other wirelessly. また、基地局2は、商用電源等の外部電源に接続されており、外部から連続してエネルギーの供給を受けることができる。 Further, the base station 2 is connected to an external power source such as a commercial power source, it can be supplied with energy continuously from the outside. 一方、各センサノード3は、各々、電池12を備えており、電池12に蓄えられたエネルギーにより駆動する。 On the other hand, each sensor node 3 are each provided with a battery 12, driven by the energy stored in the battery 12.

また、センサノード3は、クラスタヘッド3a、ゲートウェイ3b、及びその他のセンサノード3cに分類される。 Further, the sensor node 3, cluster head 3a, is classified as a gateway 3b, and the other sensor node 3c. 尚、クラスタヘッド3aとゲートウェイ3bとが同じセンサノードとなる場合もあるが、ここの説明では便宜上分けて呼ぶことにする。 Note that the cluster head 3a and the gateway 3b are some cases where the same sensor node will be referred to for convenience divided here description.

各センサノード3が構成する無線センサネットワーク1は、先に説明したクラスタ形成フェーズの処理を実行することで、複数のクラスタに区分される。 Wireless sensor networks 1 each sensor node 3 constituting, by executing the processes of cluster formation phase described above, is divided into a plurality of clusters. 図1においては、無線センサネットワーク1は、9つのクラスタC1〜C9に区分されている。 In Figure 1, wireless sensor network 1 is divided into nine clusters C1 to C9. また、図1では、各クラスタのクラスタ中心4を記号「+」により示す。 Further, in FIG. 1, the cluster center 4 of each cluster indicated by the symbol "+".

(2)センサノード3の構成 図5は、各センサノード3の機能構成を示すブロック図である。 (2) Configuration FIG. 5 of the sensor node 3 is a block diagram showing the functional configuration of each sensor node 3.

センサノード3は、データ通信手段11、電池12、センサ13、データ記憶手段14、クラスタ・テーブル15、データ転送手段16、位置検出手段17、エネルギー検出手段18、自己エネルギー登録手段19、エネルギー検出要求送信手段20、エネルギー量返信手段21、エネルギー登録手段22、クラスタ設定手段23、クラスタヘッド設定手段24、ノード登録手段25、ゲートウェイ選定手段26、ゲートウェイ要求手段27、及びゲートウェイ設定手段28を備えている。 Sensor node 3, the data communication unit 11, a battery 12, sensor 13, data storage unit 14, the cluster table 15, the data transfer unit 16, the position detecting means 17, the energy detecting means 18, self-energy registration means 19, the energy detection request transmission means 20, the amount of energy returning means 21, the energy registration means 22, and a cluster configuration unit 23, the cluster head setting unit 24, the node registration device 25, the gateway selection unit 26, the gateway request means 27, and the gateway setting means 28 .

データ通信手段11は、外部との無線通信を行う通信モジュールである。 Data communication means 11 is a communication module that performs wireless communication with the outside. 電池12は、センサノード3内の各回路を駆動するための電気エネルギーを蓄電する。 Battery 12 stores electric electrical energy for driving the respective circuits of the sensor node 3. センサ13は、温度センサ、振動センサ等の各種センサであり、用途に応じて選ばれる。 Sensor 13, a temperature sensor, a variety of sensors such as a vibration sensor is selected depending on the application.

データ記憶手段14は、センサ13で検出された検出データや、他のセンサノード3から受信したデータなどを一時的に記憶するメモリである。 Data storage means 14, the detection data and detected by the sensor 13 is a memory that temporarily stores the received data from the other sensor nodes 3.

クラスタ・テーブル15は、センサノード3が属するクラスタ内の各センサノード3の識別情報及びそれらの可用なエネルギー量を記憶するメモリである。 Cluster table 15 is a memory for storing identification information and available energy amount of their respective sensor nodes 3 in the cluster which is the sensor node 3 belongs.

位置検出手段17は、GPS free positioningによる手法(非特許文献6参照)や自己組織化マップ(Self-organization maps:SOM)による手法(非特許文献7,8参照)などの各種手法により、センサノード3の相対的な位置関係の推定を行う。 Position detecting means 17, GPS free method (see Non-Patent Document 6) by positioning and self-organizing maps: by various methods such as (Self-organization maps SOM) by Method (see Non-Patent Documents 7 and 8), the sensor node 3 to estimate the relative positional relationship.

エネルギー検出手段18は、電池12の可用なエネルギー量を検出する。 Energy detection means 18 detects the available energy amount of the battery 12. エネルギー検出要求送信手段20は、センサノード3がクラスタヘッド3aに設定された場合、クラスタ・テーブル15に登録された他の各センサノード3に対し、間欠的に繰り返しエネルギー検出要求を送信する。 Energy detection request transmitting means 20, the sensor node 3 when it is set to a cluster head 3a, to other sensor nodes 3 registered in the cluster table 15, and transmits the intermittently repeated energy detection request. エネルギー量返信手段21は、他のセンサノード3からエネルギー検出要求を受信した場合、エネルギー検出手段18により検出される電池12の可用なエネルギー量情報を、当該センサノード3に返信する。 Energy returning means 21, when receiving the energy detection request from another sensor node 3, the available amount of energy information of the battery 12 detected by the energy detector 18, and returns to the sensor node 3. エネルギー登録手段22は、エネルギー検出要求に対して他のセンサノード3からエネルギー量情報の返信を受信した場合、当該センサノード3の可用なエネルギー量情報をクラスタ・テーブル15に登録する。 Energy registration means 22, when receiving a reply energy amount information from another sensor node 3 to the energy detection request, and registers the available amount of energy information of the sensor node 3 to the cluster table 15. 自己エネルギー登録手段19は、上記エネルギー検出要求送信手段20のエネルギー検出要求の送信に同期して、エネルギー検出手段18が検出する自己の可用なエネルギー量情報をクラスタ・テーブル15に登録する。 Self-energy register means 19, in synchronization with the transmission of energy detection request of the energy detection request transmitting unit 20, the energy detecting means 18 registers the available amount of energy information of a self detecting the cluster table 15.

クラスタ設定手段23は、基地局2から配信されるクラスタ化メッセージに基づいて、自己の所属するクラスタ番号を設定する。 Cluster setting means 23, based on the clustering message delivered from the base station 2, sets a cluster number of self belongs. クラスタヘッド設定手段24は、基地局2から送信されるクラスタヘッド選定メッセージを受信すると、自己の動作モードを、クラスタヘッドモードに設定する。 Cluster head setting means 24 receives the cluster head selection message transmitted from the base station 2, the self operation mode is set to the cluster head mode. センサノード3は、クラスタヘッドモードに設定された場合には、そのクラスタのクラスタヘッド3aとして機能する。 Sensor node 3, when it is set to a cluster head mode, functions as a cluster head 3a of the cluster.

ノード登録手段25は、自己と同じクラスタに属する他のセンサノード3の識別情報(相対位置情報等)をクラスタ・テーブル15に登録する。 Node registration unit 25 registers the identification information of other sensor nodes 3 belonging to the same cluster as the self (the relative position information, etc.) to the cluster table 15.

ゲートウェイ選定手段26は、動作モードがクラスタヘッドモードである場合においてクラスタ・テーブル15が更新された場合、クラスタ・テーブル15に登録された各センサノード3のうち、最も可用なエネルギー量が多いセンサノード3をゲートウェイ3bに選定する。 Gateway selection unit 26, when the operation mode is a cluster table 15 when a cluster head mode is updated, among the sensor nodes 3 registered in the cluster table 15, most available amount of energy is large sensor node 3 to select the gateway 3b. ゲートウェイ要求手段27は、ゲートウェイ選定手段26が選定したゲートウェイ3bが他のセンサノード3の場合、当該センサノード3に対しゲートウェイ選定信号を送信する。 Gateway request means 27, gateway 3b the gateway selection unit 26 has selected the case of other sensor nodes 3, with respect to the sensor node 3 transmits a gateway selection signal. ゲートウェイ設定手段28は、他のセンサノード3からゲートウェイ選定信号を受信した場合、又はゲートウェイ選定手段26により自己がゲートウェイ3bに選定された場合、自己の動作モードをゲートウェイモードに設定する。 Gateway setting means 28, when receiving the gateway selection signal from the other sensor node 3, or self by the gateway selection unit 26 when it is selected in the gateway 3b, sets the self operation mode to the gateway mode. センサノード3は、動作モードがゲートウェイモードに設定された場合、ゲートウェイ3bとして機能する。 Sensor node 3, when the operation mode is set to the gateway mode, and functions as a gateway 3b. また、同じセンサノード3に対してクラスタヘッドモードとゲートウェイモードを同時に設定することも可能である。 It is also possible to set the cluster head mode and gateway mode simultaneously to the same sensor node 3.

データ転送手段16は、動作モードがゲートウェイモードに設定された場合、クラスタ内の他のセンサノード3又は他のクラスタのゲートウェイ3bから受信される転送データを、他のクラスタのゲートウェイ3b又は基地局2に送信する。 Data transfer means 16, when the operation mode is set to the gateway mode, the transfer data received from the other sensor node 3, or of another cluster gateway 3b in a cluster, other clusters gateway 3b or base station 2 to send to.

(3)基地局2の構成 図6は、基地局2の機能構成を示すブロック図である。 (3) Configuration 6 of the base station 2 is a block diagram showing the functional configuration of the base station 2. 基地局2は、データ通信手段31、位置情報テーブル32、位置要求手段33、クラスタ設定手段34、クラスタ化メッセージ配信手段35、クラスタヘッド設定手段36、及びクラスタヘッド・メッセージ配信手段37を備えている。 The base station 2 includes data communication means 31, the position information table 32, the position requesting means 33, the cluster setting means 34, clustered message delivery means 35, the cluster head setting means 36, and the cluster head message delivery means 37 . 尚、基地局2は、各センサノード3から転送されるデータの収集を行う機能を有するものであるが、この機能に関しては本発明に直接関係する部分ではないため、図6においてはその機能構成部分は省略している。 The base station 2 is one having a function for collecting data to be transferred from the sensor node 3, not a part directly related to the present invention with respect to this function, the functional structure in FIG. 6 portions are omitted.

データ通信手段31は、各センサノード3の無線通信を行う通信モジュールである。 Data communication means 31 is a communication module for wireless communication of each sensor node 3. 位置情報テーブル32は、各センサノード3の位置情報及びクラスタ番号の情報を格納するテーブルである。 Position information table 32 is a table for storing the information of the position information and the cluster number of each sensor node 3. 位置要求手段33は、各センサノード3に対して、位置情報を返すように要求する同報メッセージ(位置要求メッセージ)を発信する。 Position requesting means 33, for each sensor node 3, transmits a broadcast message (location request message) for requesting to return location information.

クラスタ設定手段34は、各センサノード3の位置情報に基づき、各センサノード3を一乃至複数のクラスタに区分する。 Cluster setting means 34, based on the position information of each sensor node 3, to partition each sensor node 3 to one or a plurality of clusters. クラスタ化メッセージ配信手段35は、各センサノード3が属するクラスタに関する情報の同報メッセージ(クラスタ化メッセージ)を配信する。 Clustering message delivery means 35 delivers the broadcast message (clustered message) information about the cluster to each sensor node 3 belongs.

クラスタヘッド設定手段36は、各クラスタ内の1個のセンサノード3をクラスタヘッド3aに選定する。 Cluster head setting means 36 selects one of the sensor nodes 3 in each cluster to the cluster head 3a. クラスタヘッド・メッセージ配信手段37は、クラスタヘッド3aに選定された各センサノード3に対しクラスタヘッド選定メッセージを配信する。 Cluster head message delivery means 37, for each sensor node 3, which is selected as the cluster head 3a distributing cluster head selection message.

(4)無線センサネットワーク1の動作 以上のように構成された本実施例の無線センサネットワーク1について、以下その動作を説明する。 (4) The wireless sensor network 1 of this embodiment constructed as above operates in the wireless sensor network 1, the operation thereof will be described below.

(4−1)中央集権ネットワーク・クラスタリング計算フェーズ ネットワークの初期化の最初の段階で、中央集権ネットワーク・クラスタリング計算フェーズの動作が実行される。 (4-1) at the initial stage of the initialization of the centralized network clustering computation phase network, the operation of the centralized network clustering calculation phase is performed.

まず、基地局2の位置要求手段33は、無線センサネットワーク1内のすべてのセンサノード3に対して、位置要求メッセージを配信する。 First, the position requesting means 33 of the base station 2, to all the sensor nodes 3 of the wireless sensor network 1, to deliver the position request message.

各センサノード3は、位置要求メッセージを受信すると、位置検出手段17がGPS free positioningやSOMの手法により相対位置を推定し、位置要求メッセージ発信した側にその相対位置情報を返信する。 Each sensor node 3 receives the position request message, the position detecting means 17 estimates the relative position by a technique GPS free Positioning and SOM, and returns the relative position information on the side located request message originated. また、データ転送手段16は、位置要求メッセージを他のセンサノード3に配信する。 Further, the data transfer unit 16 distributes the location request message to the other sensor node 3. 更に、他のセンサノード3から相対位置情報が返信されてきた場合、その相対位置情報と自己の相対位置情報を融合して、位置要求メッセージを発信した側にその融合データを返信する。 Furthermore, the relative position information from the other sensor nodes 3 may have been returned, by fusing the relative position information of the relative position information and self, and returns the fused data on the side that originated the location request message.

このようにして、位置要求メッセージは、各センサノード3間をマルチホップ(multi hop)により伝達される。 In this way, the position request message is transmitted between the sensor node 3 by a multi-hop (multi hop). また、各センサノード3の相対位置情報も、マルチホップにより基地局2に返信される。 Further, the relative position information of the sensor node 3 is also sent back to the base station 2 by a multi-hop. 尚、「マルチホップ」とは、直接通信可能な範囲にない2つの端末間の通信において、他の端末が中継する形で2つの端末同士が通信を行うことをいう。 The "multi-hop" is a communication between two terminals is not in direct communication range, the two terminals between the form in which another terminal is relayed refers to communicate.

基地局2では、クラスタ設定手段34が、各センサノード3から返信された相対位置情報から、無線センサネットワーク1の範囲及びそのトポロジーを推定する。 The base station 2, the cluster configuration means 34, from the relative position information returned from each sensor node 3, to estimate the extent and topology of wireless sensor network 1. そして、無線センサネットワーク1を1乃至複数のクラスタに区分し、各クラスタにクラスタ番号を割り振るとともに、各センサノード3にそれが属するクラスタのクラスタ番号を割り当てる。 Then, by dividing the wireless sensor network 1 to 1 or a plurality of clusters, with assigned cluster number in each cluster is assigned a cluster number which belongs cluster to each sensor node 3. そして、クラスタ化メッセージ配信手段35が、この各センサノード3のクラスタ番号の情報を、クラスタ化メッセージとして各センサノード3に配信する。 The clustered message delivery means 35, the information of each sensor node 3 of the cluster number, distributed to each sensor node 3 as a clustered message. この配信も、同様にマルチホップ・アクセスにより行われる。 This distribution is also similarly performed by a multi-hop access.

各センサノード3においては、クラスタ化メッセージを受信すると、クラスタ設定手段23が、そのメッセージに含まれる自己のクラスタ番号を抽出し、そのクラスタ番号を自己のクラスタ番号として設定する。 In each sensor node 3 receives the clustered message, the cluster setting means 23 extracts the own cluster number contained in the message, set the cluster number as its own cluster number.

また、基地局2では、クラスタヘッド設定手段36が、各クラスタ内の1個のセンサノード3をそのクラスタのクラスタヘッド3aに選定する。 Further, the base station 2, the cluster head setting means 36, to select one of the sensor nodes 3 in each cluster to the cluster head 3a of the cluster. クラスタヘッド3aの選定は、ランダムに行ってもよいし、クラスタ中心4(図1参照)に最も近いセンサノード3をクラスタヘッド3aに選定するようにしてもよい。 Selection of cluster head 3a may be performed at random, the cluster center 4 may be selected sensor node 3 closest (see FIG. 1) to the cluster head 3a. クラスタヘッド・メッセージ配信手段37は、選定されたクラスタヘッド3aの情報を、各センサノード3に対して配信する。 Cluster head message delivery means 37, the information of the selected cluster head 3a, is delivered to each sensor node 3.

各センサノード3においては、クラスタヘッド・メッセージを受信すると、クラスタヘッド設定手段24が、自己がクラスタヘッド3aに選定されている場合には、動作モードをクラスタヘッドモードに設定し、そうでない場合には、クラスタヘッドモードを解除する。 In each sensor node 3 receives the cluster head message, the cluster head setting means 24, when the self is selected as the cluster head 3a sets the operation mode to the cluster head mode, otherwise It cancels the cluster head mode.

(4−2)クラスタ形成フェーズ 各クラスタのクラスタヘッド3aにおいて、エネルギー検出要求送信手段20が、当該クラスタ内のすべてのセンサノード3に対してエネルギー検出要求を送信する。 (4-2) in the cluster formation phase cluster head 3a of each cluster, the energy detection request transmission unit 20 transmits the energy detection request to all the sensor nodes 3 in the cluster.

このエネルギー検出要求を受信した各センサノード3は、エネルギー検出手段18により電池12に残存している可用なエネルギー量を推定する。 Each sensor node receiving the energy detection request 3 estimates the available amount of energy remaining in the battery 12 by the energy detector 18. そして、エネルギー量返信手段21は、その推定値をクラスタヘッド3aに返信する。 The amount of energy returning means 21, and returns the estimated value to the cluster head 3a.

クラスタヘッド3aにおいて、各センサノード3の可用なエネルギー量情報を受信すると、位置検出手段17によりそのエネルギー量情報を送信したセンサノード3の相対位置を推定する。 In the cluster head 3a, it receives the available amount of energy information of each sensor node 3, to estimate the relative position of the sensor node 3 that transmitted the energy amount information by the position detection means 17. そして、ノード登録手段25及びエネルギー登録手段22は、そのセンサノード3の相対位置情報とエネルギー量情報を、クラスタ・テーブル15に記憶させる。 The node registration device 25 and the energy registration means 22, the relative position information and energy information of the sensor node 3, is stored in the cluster table 15. ここで、センサノード3の相対位置情報が、そのセンサノード3の識別情報となる。 Here, the relative position information of the sensor node 3, the identification information of the sensor node 3.

また、クラスタヘッド3aの自己エネルギー登録手段19は、エネルギー検出手段18により推定された自己の電池12の残存している可用なエネルギー量を、クラスタ・テーブル15に記憶させる。 Moreover, self-energy register means 19 of the cluster head 3a is the available amount of energy that remains to have a self-battery 12 estimated by the energy detection unit 18, is stored in the cluster table 15. この場合、対応する相対位置情報は0とされる。 In this case, the corresponding relative position information is set to 0.

以上の処理によって、クラスタヘッド3aのクラスタ・テーブル15には、クラスタ内のすべてのセンサノード3の識別情報と可用なエネルギー量情報とが登録され、クラスタの形成が完了する。 Above by the processing, the cluster table 15 of the cluster head 3a, the identification information and availability of energy information of all the sensor nodes 3 in the cluster are registered, the formation of clusters is completed.

(4−3)クラスタ内スケジューリング・フェーズ 各クラスタのクラスタヘッド3aにおいて、クラスタ形成フェーズで行った処理と同様に、クラスタ内の各センサノード3のエネルギー量情報及び自己のエネルギー量情報を取得して、クラスタ・テーブル15を更新する。 (4-3) In the cluster head 3a of the cluster in the scheduling phase each cluster, as well as the process performed by the cluster formation phase, to obtain the amount of energy information and energy information of the self of each sensor node 3 in the cluster , to update the cluster table 15. 尚、クラスタ形成フェーズにおいて直前にエネルギー量情報の取得がされた場合(第1ラウンドの場合)には、重複するためこの処理は省略される。 Incidentally, when it is the acquisition of energy information immediately before the cluster formation phase (if the first round), the process for overlapping are omitted.

次に、ゲートウェイ選定手段26は、クラスタ・テーブル15を参照し、各センサノード3の可用なエネルギー量を比較し、それが最も大きいセンサノード3をゲートウェイ3bに選定する。 The gateway selection unit 26 refers to the cluster table 15, it compares the available amount of energy of the sensor node 3, to select it the largest sensor node 3 to the gateway 3b.

選定されたゲートウェイ3bがクラスタヘッド3a以外のセンサノード3の場合、ゲートウェイ要求手段27は、各センサノード3に、ゲートウェイ選定信号を送信する。 If selected gateway 3b are the sensor node 3 except cluster head 3a, the gateway request means 27, each sensor node 3 transmits a gateway selection signal. ゲートウェイ選定信号を受信したセンサノード3では、ゲートウェイ設定手段28が、そのセンサノード3の動作モードをゲートウェイモードに設定する。 In the sensor node 3 receives the gateway selection signal, the gateway setting means 28 sets the operation mode of the sensor node 3 to the gateway mode. これにより、選定されたセンサノード3はゲートウェイ3bとして機能するようになる。 Thus, the sensor node 3, which is selected is as to function as a gateway 3b.

一方、選定されたゲートウェイ3bがクラスタヘッド3aの場合、ゲートウェイ要求手段27が各センサノード3に、ゲートウェイ選定信号を送信するとともに、クラスタヘッド3aのゲートウェイ設定手段28が、クラスタヘッド3aの動作モードをゲートウェイモードに設定する。 On the other hand, if the gateway 3b which is selected is a cluster head 3a, the gateway request means 27 to each sensor node 3, sends the gateway selection signal, the gateway setting means 28 of the cluster head 3a is, the operation mode of the cluster head 3a to configure the gateway mode. これにより、クラスタヘッド3aはゲートウェイ3bとしても機能するようになる。 Thus, the cluster head 3a will also function as a gateway 3b.

また、ゲートウェイ3bに選定されなかったセンサノード3は、自己が選定されていないゲートウェイ選定信号を受信すると、現在の動作モードがゲートウェイモードである場合にはそれを解除する。 Further, the sensor node 3 that has not been selected in the gateway 3b receives the gateway selection signal self is not selected, when the current operation mode is the gateway mode to release it.

そして、以降は、このクラスタ内の各センサノード3は、ゲートウェイ3bを中継して、クラスタ外のセンサノード3や基地局2との更新を行う。 And, thereafter, each sensor node 3 in this cluster is to relay gateway 3b, and updates the sensor node 3 and the base station 2 of the outside of the cluster.

以上のクラスタ内スケジューリング・フェーズにおける一連の処理は、一定の時間毎に間欠的に繰り返し行われる。 A series of processes in the above cluster scheduling phase is intermittently repeated every predetermined time. これにより、各ラウンドにおいてゲートウェイ3bは可用なエネルギー量が最も大きいセンサノード3に割り当てられ、電力消費がクラスタ内の各センサノード3にほぼ均等に配分される。 Thus, gateway 3b in each round is assigned to the largest sensor node 3 available amount of energy, the power consumption is substantially equally distributed to each sensor node 3 in the cluster.

本発明の実施例1に係る無線センサネットワークの構成を表す図である。 Is a diagram illustrating the structure of a wireless sensor network according to a first embodiment of the present invention. あるラウンドにおける、2個の隣接するクラスタ間のゲートウェイの割り当てと、データ転送を示す図である。 In a certain round, a gateway allocation between two adjacent clusters is a diagram showing a data transfer. 図2の状態から1ラウンドが経過した後の無線センサネットワークの状態を示す図である。 Is a diagram showing the state of the wireless sensor network after one round has elapsed from the state of FIG. 100×100 m 2の矩形領域における1.0 J/nodeの無線センサネットワークを用いて行った、LESCS及びLEACHによるシミュレーション結果である。 It was performed using a wireless sensor network of 1.0 J / node in the rectangular region of 100 × 100 m 2, a simulation result according LESCS and LEACH. センサノード3の機能構成を示すブロック図である。 It is a block diagram showing a functional configuration of the sensor node 3. 基地局2の機能構成を示すブロック図である。 Is a block diagram showing the functional configuration of the base station 2.

符号の説明 DESCRIPTION OF SYMBOLS

1 無線センサネットワーク2 基地局3 センサノード3a クラスタヘッド3b ゲートウェイ3c その他のセンサノード4 クラスタ中心C1〜C9 クラスタ11 データ通信手段12 電池13 センサ14 データ記憶手段15 クラスタ・テーブル16 データ転送手段17 位置検出手段18 エネルギー検出手段19 自己エネルギー登録手段20 エネルギー検出要求送信手段21 エネルギー量返信手段22 エネルギー登録手段23 クラスタ設定手段24 クラスタヘッド設定手段25 ノード登録手段26 ゲートウェイ選定手段27 ゲートウェイ要求手段28 ゲートウェイ設定手段31 データ通信手段32 位置情報テーブル33 位置要求手段34 クラスタ設定手段35 クラスタ化メッセージ配信手段36 クラスタヘッド設定手段37 ク 1 wireless sensor network 2 base station 3 sensor node 3a cluster head 3b gateway 3c other sensor node 4 cluster center C1~C9 cluster 11 communication unit 12 battery 13 sensor 14 data storage unit 15 cluster table 16 data transfer unit 17 a position detection It means 18 energy detection means 19 self-energy register means 20 energy detection request transmitting unit 21 energy returning means 22 energy registration means 23 clusters setting means 24 cluster head setting means 25 node registering unit 26 gateway selection unit 27 gateway request means 28 gateway setting means 31 data communication means 32 position information table 33 position requesting means 34 clusters setting means 35 clustering message delivery means 36 cluster head setting means 37 click スタヘッド・メッセージ配信手段 Sutaheddo message delivery means

Claims (4)

  1. 基地局と複数のセンサノードとが相互に無線交信を行い、前記基地局及び前記各センサノード間でデータの転送を行う無線センサネットワークの通信方法であって、 Base station and a plurality of sensor nodes performs radio communication with one another, a communication method of the wireless sensor network for transferring data between said base station and said each sensor node,
    前記各センサノードは、一乃至複数のクラスタに区分されているとともに、各クラスタにおいては、当該クラスタ内におけるゲートウェイの選定を行うクラスタヘッドが選定されており、 Wherein each sensor node, together are divided into one or a plurality of clusters, in each cluster, and the cluster head for selecting the gateway is selected within the cluster,
    前記各クラスタにおいて、 In each cluster,
    前記クラスタヘッドが、当該クラスタ内の各センサノードと通信し、各センサノードの可用なエネルギーの情報を収集するエネルギー情報収集ステップと、 The cluster head, to communicate with each sensor node in the cluster, and energy information collection step of collecting information on the available energy of each sensor node,
    当該クラスタ内のセンサノードのうち、可用なエネルギーの最も多いセンサノードをゲートウェイとして選定するゲートウェイ選定ステップと、 Of sensor nodes in the cluster, and the gateway selection step of selecting the highest sensor nodes available energy as a gateway,
    を有するクラスタ内スケジューリング処理を間欠的に繰り返し実行し、 Intermittently and repeatedly executes the intra-cluster scheduling process with,
    当該クラスタ内の各センサノードは、各周期で選定されるゲートウェイを通して、当該クラスタ外のセンサノード又は基地局とのデータの交信を行うことを特徴とする無線センサネットワークの通信方法。 Each sensor node in the cluster through gateways selected in each period, a method of communicating wireless sensor network, characterized in that communicates data between the clusters outside of the sensor node or base station.
  2. 前記基地局が、前記各センサノードを一乃至複数のクラスタに区分し、各クラスタ毎に1つのセンサノードをクラスタヘッドとして選定するクラスタ化ステップと、 Said base station, the classified one or more clusters each sensor node, and clustering step of selecting one sensor node as a cluster head in each cluster,
    前記各センサノードが、前記基地局により設定されたクラスタ区分に基づき自己が属するクラスタを設定し、前記基地局によりクラスタヘッドに選定されたセンサノードが、自己の動作モードをクラスタヘッドとして機能するように設定するクラスタ形成ステップと、を備え、 As each sensor node, the set of clusters which itself belongs on the basis of the cluster classification set by the base station, the sensor node was selected as the cluster head by the base station, which serves the self operation mode as a cluster head and a cluster forming step of setting a,
    間欠的に繰り返し実行される前記クラスタ内スケジューリング処理は、前記クラスタ形成ステップにより形成される各クラスタにおいてそれぞれ実行されることを特徴とする請求項1記載の無線センサネットワークの通信方法。 The scheduling process is the cluster is intermittently repeated execution The communication method according to claim 1, wherein the wireless sensor network, characterized in that each executed at each cluster formed by the cluster formation step.
  3. 前記クラスタヘッド選定ステップは、 The cluster head selection step,
    前記基地局が、すべてのセンサノードに対して位置情報を要求する同報メッセージ(以下「位置要求メッセージ」という。)を送信する位置要求ステップと、 Said base station, a broadcast message requesting location information for all of the sensor nodes (hereinafter referred to as "position request message".) And a position request step of transmitting a
    各センサノードが、前記位置要求メッセージに対して基地局に位置情報を返信する位置返信ステップと、 Each sensor node, and position reply step of returning the location information to the base station to the location request message,
    前記基地局が、各センサノードの位置情報に基づき、各センサノードを一乃至複数のクラスタに区分し、各クラスタ内の1個のセンサノードをクラスタヘッドに選定するクラスタ設定ステップと、 Said base station, based on the position information of each sensor node, each sensor node is divided into one or a plurality of clusters, and the cluster setting step of selecting one sensor node in each cluster to the cluster head,
    前記基地局が、各センサノードが属するクラスタに関する情報の同報メッセージ(以下「クラスタ化メッセージ」という。)を配信するクラスタ化メッセージ配信ステップと、 The base station, and clustering message delivery step each sensor node to deliver the broadcast message information about belonging cluster (hereinafter referred to as "clustering messages".)
    前記クラスタヘッドに選定された各センサノードに対しクラスタヘッド選定メッセージを配信するクラスタヘッド・メッセージ配信ステップと、 And cluster head message delivery step of delivering the cluster head selection message to each sensor node is selected as the cluster head,
    を有しており、 A has,
    前記クラスタ形成ステップは、 The cluster forming step,
    前記各センサノードが、前記クラスタ化メッセージにより指定された自己が属するクラスタを設定するクラスタ設定ステップと、 Wherein each sensor node, and the cluster setting step by itself to set the clusters belonging designated by the clustering message,
    前記各センサノードのうち前記クラスタヘッド選定メッセージによりクラスタヘッドに指定されたセンサノードが、自己の動作モードをクラスタヘッドとして機能するように設定するクラスタヘッド設定ステップと、 The sensor nodes specified in the cluster head by the cluster head selection message among the sensor nodes, and the cluster head setting step of setting to work of the self operation mode as the cluster head,
    を有することを特徴とする請求項2記載の無線センサネットワークの通信方法。 The communication method wireless sensor network according to claim 2, wherein a.
  4. 基地局と複数のセンサノードとが相互に無線交信を行い、前記基地局及び前記各センサノード間でデータの転送を行う無線センサネットワークにおいて用いられるセンサノードであって、 Base station and a plurality of sensor nodes performs radio communication with each other, a sensor node for use in a wireless sensor network for transferring data between said base station and said each sensor node,
    回路駆動用の電源と、 And a power supply for circuit driving,
    前記電源の可用なエネルギー量を検出するエネルギー検出手段と、 Energy detecting means for detecting an available energy quantity of said power supply,
    前記基地局又は他のセンサノードとの間でデータの送受信を行うデータ通信手段と、 Data communication means for transmitting and receiving data to and from the base station or another sensor node,
    前記基地局から送信されるクラスタヘッド選定メッセージを受信すると、自己の動作モードを、クラスタヘッドの動作モード(以下「クラスタヘッドモード」という。)に設定するクラスタヘッド設定手段と、 Upon receiving the cluster head selection message transmitted from the base station, the self operation mode, the cluster head setting means for setting the operation mode of the cluster head (hereinafter referred to as "cluster head mode".)
    クラスタ内の各センサノードの識別情報及びそれらの可用なエネルギー量を記憶するクラスタ・テーブルと、 And cluster table for storing identification information and available energy amount of their respective sensor nodes in the cluster,
    自己と同じクラスタに属する他のセンサノードを前記クラスタ・テーブルに登録するノード登録手段と、 And a node registration means for registering the other sensor nodes belonging to the same cluster as the self to the cluster table,
    前記クラスタヘッドモードに設定された場合、前記クラスタ・テーブルに登録された他の各センサノードに対し、間欠的に繰り返しエネルギー検出要求を送信するエネルギー検出要求送信手段と、 If set to the cluster head mode, to other sensor nodes registered in the cluster table, the energy detection request transmitting means for transmitting intermittently repeated energy detection request,
    他のセンサノードから前記エネルギー検出要求を受信した場合、前記エネルギー検出手段により検出される電源の可用なエネルギー量情報を、当該センサノードに返信するエネルギー量返信手段と、 If the other sensor node receiving the energy detection request, the available amount of energy information of the power source detected by the energy detector means, and energy returning means for returning to the sensor node,
    前記エネルギー検出要求に対して他のセンサノードからエネルギー量情報の返信を受信した場合、当該センサノードの可用なエネルギー量情報を前記クラスタ・テーブルに登録するエネルギー登録手段と、 When receiving a reply energy information from other sensor nodes to the energy detection request, the energy registration means for registering the available amount of energy information of the sensor node to the cluster table,
    前記エネルギー検出要求に同期して、エネルギー検出手段が検出する自己の可用なエネルギー量情報を前記クラスタ・テーブルに登録する自己エネルギー登録手段と、 A self-energy registration means for registering in synchronization with said energy detection request, the energy detecting means the available amount of energy information of a self detecting the cluster table,
    前記クラスタヘッドモードにおいて前記クラスタ・テーブルが更新された場合、前記クラスタ・テーブルに登録された各センサノードのうち、最も可用なエネルギー量が多いセンサノードをゲートウェイに選定するゲートウェイ選定手段と、 If the cluster table in the cluster head mode is updated, among the sensor nodes registered to the cluster table, the gateway selecting means for selecting the most available amount of energy is large sensor node to the gateway,
    前記ゲートウェイ選定手段が選定したゲートウェイが他のセンサノードの場合、当該センサノードに対しゲートウェイ選定信号を送信するゲートウェイ要求手段と、 If the gateway where the gateway selecting means has selected the other sensor node, and the gateway requesting means for transmitting a gateway selection signal to the sensor node,
    他のセンサノードから前記ゲートウェイ選定信号を受信した場合、又は自己がゲートウェイに選定された場合、自己の動作モードをゲートウェイモードに設定するゲートウェイ設定手段と、 If the other sensor node receiving the gateway selection signal, or if self is selected in the gateway, and gateway setting means for setting a self operation mode to the gateway mode,
    前記ゲートウェイモードに設定された場合、クラスタ内の他のセンサノード又は他のクラスタのゲートウェイモードのセンサノードから受信される転送データを、他のクラスタのゲートウェイモードのセンサノード又は前記基地局に送信するデータ転送手段と、 If it sets to the gateway mode, and transmits the transfer data received from the other sensor nodes or of another cluster gateway mode of the sensor node in the cluster, the sensor node or the base station gateway mode of another cluster and data transfer means,
    を備えていることを特徴とするセンサノード。 Sensor nodes, characterized in that it comprises a.
JP2006255359A 2006-09-21 2006-09-21 Communication method for wireless sensor network, and sensor node Pending JP2008078963A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006255359A JP2008078963A (en) 2006-09-21 2006-09-21 Communication method for wireless sensor network, and sensor node

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006255359A JP2008078963A (en) 2006-09-21 2006-09-21 Communication method for wireless sensor network, and sensor node

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2008078963A true true JP2008078963A (en) 2008-04-03

Family

ID=39350562

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006255359A Pending JP2008078963A (en) 2006-09-21 2006-09-21 Communication method for wireless sensor network, and sensor node

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2008078963A (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101808390A (en) * 2010-03-08 2010-08-18 南昌航空大学 Construction method of aggregation tree for collecting self health state of wireless sensor network
KR101068944B1 (en) 2008-12-02 2011-09-30 한국전자통신연구원 Method and Apparatus for Virtual Backbone Construction
KR101460937B1 (en) 2014-01-09 2014-11-13 중앙대학교 산학협력단 Method, apparatus and computer program product for utilizing mobile device as a gateway in energy management system
JP2015534754A (en) * 2012-09-21 2015-12-03 ユニバーシティー オブ サウス オーストラリアUniversity Of South Australia Communication system and method
WO2017018914A1 (en) 2015-07-27 2017-02-02 Telefonaktiebolaget Lm Ericsson (Publ) Power management based task distribution in a communication device cluster

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003032263A (en) * 2001-07-18 2003-01-31 Matsushita Electric Ind Co Ltd Optimum master machine selecting method for ad hoc wireless lan system of star connection, and ad hoc wireless lan system of the star connection
JP2006186446A (en) * 2004-12-27 2006-07-13 Hiroshima Industrial Promotion Organization Communication method
WO2006090480A1 (en) * 2005-02-23 2006-08-31 Hitachi, Ltd. Sensor net management method
JP2007004390A (en) * 2005-06-22 2007-01-11 Ntt Docomo Inc Sensor network system, cluster formation method, and sensor node
JP2009535883A (en) * 2006-04-29 2009-10-01 コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ Method and apparatus for controlling the energy development of the sensor network nodes

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003032263A (en) * 2001-07-18 2003-01-31 Matsushita Electric Ind Co Ltd Optimum master machine selecting method for ad hoc wireless lan system of star connection, and ad hoc wireless lan system of the star connection
JP2006186446A (en) * 2004-12-27 2006-07-13 Hiroshima Industrial Promotion Organization Communication method
WO2006090480A1 (en) * 2005-02-23 2006-08-31 Hitachi, Ltd. Sensor net management method
JP2007004390A (en) * 2005-06-22 2007-01-11 Ntt Docomo Inc Sensor network system, cluster formation method, and sensor node
JP2009535883A (en) * 2006-04-29 2009-10-01 コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ Method and apparatus for controlling the energy development of the sensor network nodes

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101068944B1 (en) 2008-12-02 2011-09-30 한국전자통신연구원 Method and Apparatus for Virtual Backbone Construction
CN101808390A (en) * 2010-03-08 2010-08-18 南昌航空大学 Construction method of aggregation tree for collecting self health state of wireless sensor network
JP2015534754A (en) * 2012-09-21 2015-12-03 ユニバーシティー オブ サウス オーストラリアUniversity Of South Australia Communication system and method
KR101460937B1 (en) 2014-01-09 2014-11-13 중앙대학교 산학협력단 Method, apparatus and computer program product for utilizing mobile device as a gateway in energy management system
WO2017018914A1 (en) 2015-07-27 2017-02-02 Telefonaktiebolaget Lm Ericsson (Publ) Power management based task distribution in a communication device cluster

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Bachir et al. MAC essentials for wireless sensor networks
Caccamo et al. An implicit prioritized access protocol for wireless sensor networks
Aziz et al. A survey on distributed topology control techniques for extending the lifetime of battery powered wireless sensor networks
Ding et al. Distributed energy-efficient hierarchical clustering for wireless sensor networks
Van Hoesel et al. Prolonging the lifetime of wireless sensor networks by cross-layer interaction
Li et al. A survey on routing protocols for large-scale wireless sensor networks
US7035240B1 (en) Method for low-energy adaptive clustering hierarchy
Arisha et al. Energy-aware TDMA-based MAC for sensor networks
Gupta et al. Performance evaluation of load-balanced clustering of wireless sensor networks
Cheng et al. General network lifetime and cost models for evaluating sensor network deployment strategies
Kredo II et al. Medium access control in wireless sensor networks
US20090252102A1 (en) Methods and systems for a mobile, broadband, routable internet
Khan et al. Static vs. mobile sink: The influence of basic parameters on energy efficiency in wireless sensor networks
US7830838B2 (en) Energy efficient wireless sensor network, node devices for the same and a method for arranging communications in a wireless sensor network
Bajaber et al. Adaptive decentralized re-clustering protocol for wireless sensor networks
Muruganathan et al. A centralized energy-efficient routing protocol for wireless sensor networks
US20090154481A1 (en) Apparatus and method for adaptive data packet scheduling in mesh networks
Lai et al. Arranging cluster sizes and transmission ranges for wireless sensor networks
US7277414B2 (en) Energy aware network management
Kumar Performance analysis of energy efficient clustering protocols for maximising lifetime of wireless sensor networks
Pei et al. Low power TDMA in large wireless sensor networks
Hammoudeh et al. Adaptive routing in wireless sensor networks: QoS optimisation for enhanced application performance
Wei et al. Clustering ad hoc networks: Schemes and classifications
Lee et al. FlexiTP: a flexible-schedule-based TDMA protocol for fault-tolerant and energy-efficient wireless sensor networks
US20090168796A1 (en) Apparatus and method for adaptive channel hopping in mesh networks

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20090918

A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711

Effective date: 20091001

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20091001

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20110824

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20110909

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20120124