JP2008099074A - Data transmission scheduling method and sensor network system using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、定期情報収集型アプリケーションを実行するセンサネットワークにおける各センサノードのアイドル時間の消費電力を低減するデータ送信スケジューリング方法およびそれを用いたセンサネットワークシステムに関する。 The present invention relates to a data transmission scheduling method for reducing power consumption during idle time of each sensor node in a sensor network that executes a periodic information collection type application, and a sensor network system using the same.
近年注目されているセンサネットワークは、センシング機能を有するセンサノードを無線通信によってネットワーク化したものである。各センサノードは通常バッテリで動作する。センサネットワークは、多数のセンサノードが分散配置されることから、各センサノードのバッテリ交換の回数を削減し、システム全体の可用時間の長期化を図ることが、センサネットワークの実用化に向けての技術課題となっている。
かかるシステム全体の可用時間の長期化に対する問題点として、アイドルリスニングと衝突による再送が挙げられる。
In recent years, sensor networks attracting attention are obtained by networking sensor nodes having a sensing function by wireless communication. Each sensor node normally operates with a battery. In sensor networks, a large number of sensor nodes are distributed. Therefore, reducing the number of battery replacements for each sensor node and prolonging the usable time of the entire system will lead to the practical application of sensor networks. It has become a technical issue.
Problems associated with prolonging the usable time of the entire system include idle listening and retransmission due to collision.
アイドルリスニングの問題とは、実際にデータ通信していない期間に消費電力の大きいＲＦ（Radio Frequency）回路が起動して無駄な消費電力が発生するという問題である。各センサノードはノード自身がセンシングしたデータを送信するだけでなく、基地局から遠く離れたセンサノードのセンシングデータを中継するため、常に受信できるようにＲＦ回路を起動しておく必要があるというものである。 The problem of idle listening is a problem that wasteful power consumption occurs due to activation of an RF (Radio Frequency) circuit with large power consumption during a period when data communication is not actually performed. Each sensor node not only transmits the data sensed by the node itself, but also relays the sensing data of the sensor node far away from the base station, so it is necessary to activate the RF circuit so that it can always be received It is.
また、衝突による再送の問題とは、データ送信中に干渉などによるエラーが発生した場合に、データを最初から再送する必要があるという問題である。また、データ通信帯域を確保するためにセンサノード間でＲＴＳ／ＣＴＳ（Request To Send／Clear To Send）交換を必要とするが、ＲＴＳが衝突した場合にもＲＴＳを再送するオーバーヘッドが発生する。なお、ＲＴＳ／ＣＴＳは、無線ＬＡＮの標準規格ＩＥＥＥ802.11に規定されているものである。 Also, the problem of retransmission due to collision is a problem that data must be retransmitted from the beginning when an error due to interference or the like occurs during data transmission. Further, although RTS / CTS (Request To Send / Clear To Send) exchange is required between sensor nodes in order to secure a data communication band, an overhead for retransmitting the RTS occurs even when the RTS collides. The RTS / CTS is defined in the wireless LAN standard IEEE 802.11.
センサネットワークのアプリケーションの一つで、定期的に各センサノードでセンシングしたデータ（例えば、気候や気温など）を基地局へ収集するというような定期情報集型アプリケーションでは、一度構成されたネットワークツリーを再利用し複数回にわたってデータを収集することが想定される。このような場合、はじめにデータ送信のタイミングを記憶し、スケジューリングすることによりセンサノードにおけるアイドルリスニングの時間を減らすことが可能である。 One of the sensor network applications, which is a periodic information collection application that periodically collects data sensed by each sensor node (for example, climate, temperature, etc.) into a base station. It is assumed that data will be reused and collected multiple times. In such a case, it is possible to reduce the idle listening time in the sensor node by first storing and scheduling the data transmission timing.
この定期情報集型アプリケーションに対応したデータ収集システムとして、Power Scheduling（ＰＳ）方式のデータ収集システムが知られている（非特許文献１）。ＰＳ方式とは、送受信する期間をスケジューリングし、送受信以外の期間はＲＦ回路をＯＦＦ状態にすることにより、低消費電力化を実現するものである。
以下に、ＰＳ方式について詳しく説明する。ＰＳ方式では、セットアップステップと転送ステップの二つのフェイズが存在する。
As a data collection system corresponding to this periodic information collection type application, a data collection system of the Power Scheduling (PS) method is known (Non-Patent Document 1). In the PS system, power transmission / reduction is realized by scheduling transmission / reception periods and turning off the RF circuit during periods other than transmission / reception.
Hereinafter, the PS system will be described in detail. In the PS system, there are two phases, a setup step and a transfer step.
先ず、セットアップステップでは、ＲＴＳ／ＣＴＳ交換によって通信帯域を確保しデータを送受信する。その際に送受信したセンサノードは、データを正しく通信できたときの送受信の開始時刻を自ノードのメモリにリストとして記憶する。このときリストに記憶する開始時刻とはＲＴＳを送り始めた時刻である。
図１に、ソースノードが基地局へデータをマルチホップさせる場合に、各ノードが保持しているリストの様子を示す。このリストの各要素の左側のアルファベット（Ｔ，Ｒ）は送信（Ｔ）または受信（Ｒ）を示し、また右側の記号は通信開始時刻を示している。例えば、リストの要素にＴ，ｔＴ０とある場合、データの収集開始時刻からｔＴ０秒後に送信(Ｔransmit)するということを意味している。
First, in the setup step, a communication band is secured by RTS / CTS exchange and data is transmitted / received. The sensor node that has transmitted and received at this time stores the start time of transmission and reception when data can be correctly communicated as a list in the memory of the node. The start time stored in the list at this time is the time when the RTS is started to be sent.
FIG. 1 shows a state of a list held by each node when the source node multihops data to the base station. The alphabet (T, R) on the left side of each element of this list indicates transmission (T) or reception (R), and the symbol on the right side indicates the communication start time. For example, when T and t T0 are included in the elements of the list, this means that transmission is made (Transmit) after t T0 seconds from the data collection start time.
次に、転送ステップでは、各データ収集期間のはじめに全てのセンサノードのＲＦ回路をＯＦＦ状態にする。ここで、ＲＦ回路をＯＦＦ状態にすることをスリープ状態と称する。送信予定のセンサノードは、セットアップステップで記憶したリストの送信時刻直前にＲＦ回路をＯＮ状態にし、ＲＴＳ／ＣＴＳ交換することなくすぐにデータを送信する。送信ノードは送信が完了すると直ちにスリープ状態となる。また受信予定のノードも送信する場合と同様に、セットアップステップで記憶した受信時刻直前にＲＦ回路をＯＮ状態にし、受信が完了するとスリープ状態となる。 Next, in the transfer step, the RF circuits of all the sensor nodes are turned off at the beginning of each data collection period. Here, turning off the RF circuit is referred to as a sleep state. The sensor node scheduled to transmit turns on the RF circuit immediately before the transmission time of the list stored in the setup step, and immediately transmits data without exchanging RTS / CTS. The sending node goes to sleep as soon as transmission is complete. Similarly to the case of transmitting the node scheduled to receive, the RF circuit is turned on immediately before the reception time stored in the setup step, and when the reception is completed, the sleep state is entered.
以上説明したように、このＰＳ方式ではデータ送受信時以外の無駄なアイドルリスニングを削減して、各センサノードは常にスリープとなることで、システム可用時間の向上を実現しているのである。 As described above, in this PS system, unnecessary idle listening other than during data transmission / reception is reduced, and each sensor node always goes to sleep, thereby improving the system available time.
しかし、上述したＰＳ方式は、以下の述べるような問題がある。
第１の問題は、ＰＳ方式のシステムは精度の高い時刻同期を行う必要があるという実装上の問題で、仮に外界からの干渉や同期のずれによってデータ送信に失敗した場合、他のデータ送信と衝突する可能性があるというものである。
However, the above-described PS system has the following problems.
The first problem is an implementation problem that the PS system needs to perform highly accurate time synchronization. If data transmission fails due to interference from the outside world or synchronization shift, There is a possibility of a collision.
また第２の問題は、各センサノードは他のセンサノードの通信スケジュールを記憶しておらず、ノイズ等の理由で送信エラーが発生した場合、エラーとなった送信データを再送することはできないという信頼性の問題がある。再送することはできない理由は、ＰＳ方式が時間管理されているため、またイベントの遅れやイベント発生間隔の変化に柔軟に対応できないことに起因する。 The second problem is that each sensor node does not store the communication schedule of other sensor nodes, and if a transmission error occurs due to noise or the like, it is not possible to retransmit the transmission data in error. There is a reliability problem. The reason why it cannot be retransmitted is because the PS system is time-managed, and it cannot flexibly cope with event delays and changes in event occurrence intervals.
さらに第３の問題は、ＰＳ方式は各センサノードにおいてデータを個別に送信しているため、中継ノードでデータ集約（圧縮）することはできず、システムの可用時間の向上が十分でないという問題がある。同時に、データ集約するためにはセンサノードよりバッテリが多く、基地局と同じ役割をもつ特別なノードが必要となるといった問題もある。 Further, the third problem is that the PS method transmits data individually at each sensor node, so data cannot be aggregated (compressed) at the relay node, and the system availability time is not sufficiently improved. is there. At the same time, there is a problem that a special node having the same role as the base station is required in order to collect data because the battery is more than the sensor node.
上記のＰＳ方式の問題点に鑑み、本発明は、他のデータ送信と衝突する可能性を削減し、またエラーとなった送信データを再送でき、イベントの遅れやイベント発生間隔の変化に柔軟に対応できるもので、各センサノードにおいてデータ集約可能で、システムの可用時間の向上を実現し得るデータ送信スケジューリング方法およびそれを用いたセンサネットワークシステムを提供することを目的とする。 In view of the above-mentioned problems with the PS system, the present invention reduces the possibility of collision with other data transmissions, can retransmit transmission data in error, and flexibly responds to changes in event delays and event occurrence intervals. An object of the present invention is to provide a data transmission scheduling method and a sensor network system using the data transmission scheduling method that can cope with the data aggregation at each sensor node and can improve the available time of the system.
上記目的を達成するため、本発明は、定期情報収集型アプリケーションに対応したセンサネットワークシステムにおける各センサノードのデータ送信スケジューリング方法であって、各センサノードが自ノードの送受信イベントに加えて周辺の他ノードの送受信イベントを学習するセットアップステップと、周囲の送受信イベントの進行をトレースし、自ノードの送信タイミングを決定し、データ集約してデータを送信する転送ステップからなり、
前記セットアップステップが、ＲＦ回路をＯＮ状態にするステップと、自ノードのデータ送受信および周辺の他ノードのデータ送受信に関して、正常に通信が行われた場合に各データ送受信のイベントを時系列リストとして記憶するステップと、前記時系列リストに同一の送信元ノードと送信先ノードのイベントが存在した場合に、前記時系列リストから該イベントを削除し、前記時系列リストの最後にイベントとして記憶するステップとを備え、
前記転送ステップが、データ収集開始時にＲＦ回路をＯＦＦ状態にするステップと、前記時系列リストに基づいて、データ受信のイベント時刻直前にＲＦ回路をＯＮ状態にし、データ受信を行い、受信完了後すぐにＲＦ回路をＯＦＦにするステップと、前記時系列リストの最後に記憶されているデータ送信のイベント時刻直前にＲＦ回路をＯＮ状態にし、データ集約してデータ送信を行い、送信完了後すぐにＲＦ回路をＯＦＦにするステップとを備える構成されたことを特徴とするデータ送信スケジューリング方法である。
In order to achieve the above object, the present invention provides a data transmission scheduling method for each sensor node in a sensor network system corresponding to a periodic information collection type application. It consists of a setup step that learns node transmission / reception events, a transfer step that traces the progress of surrounding transmission / reception events, determines the transmission timing of its own node, aggregates data, and transmits data.
The setup step stores the data transmission / reception event as a time-series list when the communication is normally performed with respect to the step of turning on the RF circuit and the data transmission / reception of the own node and the data transmission / reception of other peripheral nodes. And when there is an event of the same transmission source node and transmission destination node in the time series list, deleting the event from the time series list and storing it as an event at the end of the time series list; With
In the transfer step, the RF circuit is turned off at the start of data collection, and based on the time series list, the RF circuit is turned on immediately before the data reception event time, data is received, and immediately after the reception is completed. The RF circuit is turned off at the same time, and the RF circuit is turned on immediately before the data transmission event time stored at the end of the time series list. A data transmission scheduling method comprising: a step of turning off a circuit.
上記構成により、他のデータ送信と衝突する可能性を削減し、またエラーとなった送信データを再送でき、イベントの遅れやイベント発生間隔の変化に柔軟に対応できるもので、各センサノードにおいてデータ集約可能で、システムの可用時間の向上を実現することができる。 With the above configuration, it is possible to reduce the possibility of collision with other data transmissions, retransmit the transmission data in error, and flexibly respond to changes in event delays and event occurrence intervals. The system can be aggregated, and the system availability time can be improved.
また本発明は、上記発明のデータ送信スケジューリング方法のセットアップステップおよび転送ステップにおけるデータ送受信の前に、ＲＴＳ（Ｒｅｑｕｅｓｔ Ｔｏ Ｓｅｎｄ）／ＣＴＳ（Ｃｌｅａｒ Ｔｏ Ｓｅｎｄ）交換を用いて帯域を確保するステップを更に備える構成されたことを特徴とする。 The present invention further includes a step of securing a band using RTS (Request To Send) / CTS (Clear To Send) exchange before data transmission / reception in the setup step and the transfer step of the data transmission scheduling method of the present invention. It is structured.
上記ＲＴＳ／ＣＴＳ交換を用いて帯域を確保するステップを備える構成により、エラーとなった送信データを再送でき、イベントの遅れやイベント発生間隔の変化に柔軟に対応できる。
ＲＴＳ／ＣＴＳ交換するメディアアクセス制御方式であれば、例えばＩＥＥＥ８０２．１１準拠のネットワークなど様々なネットワークシステムに対して、本発明のデータ送信スケジューリング方式が適用できる。
With the configuration including the step of securing the bandwidth using the RTS / CTS exchange, it is possible to retransmit the transmission data in error, and flexibly cope with event delays and changes in event occurrence intervals.
As long as the media access control system exchanges RTS / CTS, the data transmission scheduling system of the present invention can be applied to various network systems such as an IEEE 802.11-compliant network.
また本発明は、上記発明のデータ送信スケジューリング方法のセットアップステップにおいて、各センサノードは、周期的にＲＦ回路をＯＮ状態にするステップと、データ送信する際は周期長のプリアンブル信号データを送信するステップとを更に備える構成されたことを特徴とする。 According to the present invention, in the setup step of the data transmission scheduling method according to the present invention, each sensor node periodically turns on the RF circuit, and transmits data of a period length when transmitting data. It is characterized by further comprising.
各センサノードは、周期的にＲＦ回路をＯＮ状態にすることで、より低消費電力化を実現できる。 Each sensor node can realize lower power consumption by periodically turning on the RF circuit.
また本発明は、上記発明のデータ送信スケジューリング方法の転送ステップにおけるデータ集約が、ヘッダ集約であることが好ましい。
ヘッダ集約して１回データ送信を行うことで、低消費電力化を図り、システムの可用時間の向上を図るのである。
なお、本発明のデータ送信スケジューリング方法の転送ステップにおけるデータ集約は、何らかの圧縮アルゴリズムを適用してデータ集約することも可能である。
In the present invention, it is preferable that the data aggregation in the transfer step of the data transmission scheduling method of the above invention is header aggregation.
By collecting the headers once and transmitting data once, the power consumption can be reduced and the usable time of the system can be improved.
The data aggregation in the transfer step of the data transmission scheduling method of the present invention can be performed by applying some compression algorithm.
また本発明は、上記発明のデータ送信スケジューリング方法の転送ステップのデータ送信において、前記時系列リストに記憶されたデータ送信イベント時刻になっても時系列リストにあるデータ受信イベント全てが完了していない場合に、所定時間経過後にデータ集約してデータ送信することを特徴とする。
本発明のデータ送信スケジューリング方法では、送信エラー時に再送するため、時系列リストにあるデータ受信イベント全てが完了していない場合においても、一定時間待機してデータ送信することにしたものである。
According to the present invention, in the data transmission in the transfer step of the data transmission scheduling method of the above invention, all the data reception events in the time series list are not completed even at the data transmission event time stored in the time series list. In this case, the data is collected and transmitted after a predetermined time has elapsed.
In the data transmission scheduling method of the present invention, since retransmission is performed when a transmission error occurs, data transmission is performed after waiting for a certain time even when all the data reception events in the time series list are not completed.
また本発明は、定期情報収集型アプリケーションに対応したセンサネットワークシステムにおける各センサノードにおいて、
ＲＦ回路と、前記ＲＦ回路のＯＮ／ＯＦＦ制御手段と、データ送受信のイベントを記憶する手段と、受信データをデータ集約して送信する手段とを備え、
前記データ送受信のイベントを記憶する手段は、自ノードのデータ送受信および周辺の他ノードのデータ送受信に関して、正常に通信が行われた場合に各データ送受信のイベントを時系列リストとして記憶し、
前記時系列リストに同一の送信元ノードと送信先ノードのイベントが存在した場合に、前記時系列リストから該イベントを削除し、前記時系列リストの最後にイベントとして記憶するものであり、
前記ＲＦ回路のＯＮ／ＯＦＦ制御手段は、
前記時系列リストに基づいてデータ受信イベント時刻直前にＲＦ回路をＯＮ状態にし、データ受信完了後すぐにＲＦ回路をＯＦＦにし、また、
前記時系列リストに基づいてデータ送信イベント時刻直前にＲＦ回路をＯＮ状態にし、データ送信完了後すぐにＲＦ回路をＯＦＦにするものであることを特徴とするセンサネットワークシステムである。
Further, the present invention provides each sensor node in a sensor network system corresponding to a periodic information collection type application.
An RF circuit, an ON / OFF control means for the RF circuit, a means for storing a data transmission / reception event, and a means for collecting and transmitting received data.
The means for storing the data transmission / reception event stores each data transmission / reception event as a time-series list when communication is normally performed with respect to data transmission / reception of the own node and data transmission / reception of other peripheral nodes.
When there is an event of the same source node and destination node in the time series list, the event is deleted from the time series list and stored as an event at the end of the time series list,
The RF circuit ON / OFF control means includes:
Based on the time series list, the RF circuit is turned on immediately before the data reception event time, the RF circuit is turned off immediately after the data reception is completed,
The sensor network system is characterized in that the RF circuit is turned on immediately before the data transmission event time based on the time series list and the RF circuit is turned off immediately after the data transmission is completed.
上記発明のセンサネットワークシステムにおいて、ＲＴＳ／ＣＴＳ交換手段を更に備え、前記データ送受信の前に、ＲＴＳ／ＣＴＳ交換を用いて帯域を確保することが好適である。
エラーとなった送信データを再送でき、イベントの遅れやイベント発生間隔の変化に柔軟に対応できるからである。
In the sensor network system of the present invention, it is preferable that RTS / CTS exchanging means is further provided and a band is secured using RTS / CTS exchanging before the data transmission / reception.
This is because the transmission data in error can be retransmitted, and it is possible to flexibly cope with event delays and changes in event occurrence intervals.
本発明のデータ送信スケジューリング方法およびそれを用いたセンサネットワークシステムによれば、他のデータ送信と衝突する可能性を削減し、またエラーとなった送信データを再送でき、イベントの遅れやイベント発生間隔の変化に柔軟に対応できるもので、各センサノードにおいてデータ集約可能で、システムの可用時間の向上を実現することができる。 According to the data transmission scheduling method and the sensor network system using the data transmission scheduling method of the present invention, it is possible to reduce the possibility of collision with other data transmissions, retransmit the transmission data in error, delay the event, and the event occurrence interval. It is possible to flexibly cope with changes in the data, and it is possible to collect data at each sensor node, thereby realizing improvement in the available time of the system.
以下、本発明のデータ送信スケジューリング方法およびそれを用いたセンサネットワークシステムの実施例について、図面を参照しながら、セットアップステップと転送ステップに分けて詳細に説明していく。なお、以下の実施例に特に限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of a data transmission scheduling method and a sensor network system using the same according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings, divided into a setup step and a transfer step. In addition, it is not specifically limited to the following examples.
１）セットアップステップ
本発明のデータ送信スケジューリング方法では、例えば、Directed Diffusion を簡略化したTiny Diffusionに沿ってデータを収集する。Tiny Diffusionは、interestと呼ばれるパケットをネットワーク全体にフラッディングし、各ノードはinterestパケットに対応したデータを基地局に向けて送信する。
なお、経路決定方法については、基地局への経路（各センサノードから見れば次ホップ）が決定できるものであればよく、経路決定アルゴリズムを自由に選定し本発明のデータ送信スケジューリング方法に用いることが可能である。本発明のデータ送信スケジューリング方法は、特にTiny Diffusionに限定されるものではない。その実施例としてTiny Diffusionを適用するものである。
以下に本発明のデータ送信スケジューリング方法での手順を説明する。
1) Setup Step In the data transmission scheduling method of the present invention, for example, data is collected along a Tiny Diffusion in which Directed Diffusion is simplified. Tiny Diffusion floods a packet called interest throughout the network, and each node transmits data corresponding to the interest packet toward the base station.
Any route determination method may be used as long as the route to the base station (next hop as viewed from each sensor node) can be determined, and a route determination algorithm can be freely selected and used in the data transmission scheduling method of the present invention. Is possible. The data transmission scheduling method of the present invention is not particularly limited to Tiny Diffusion. As an example, Tiny Diffusion is applied.
The procedure in the data transmission scheduling method of the present invention will be described below.
１）まず基地局がデータ収集の間隔と転送ステップでのデータ収集回数を報せるためのinterest パケットをネットワーク全体にフラッディングする。
ここで、interestパケットは基地局から送信ノードまでの最小ホップ数の情報を有する。１つ目のinterestパケットを受信したノードは、自身のホップ数情報をinterestパケットのホップ数＋１の値に更新し、周辺ノードへフォワードする。そして２つ目以降のinterestパケットを受信したノードは、自分の記憶しているホップ数がinterestパケットのホップ数＋１よりも大きい場合、自身のホップ数を更新し周辺ノードへフォワードする。このとき、受信ノードは最小ホップのinterestパケットを送信したノードのアドレスを記憶しておく。また最小のホップ数が更新されない場合は、そのinterestパケットはフォワードされない。
1) First, the base station floods the entire network with an interest packet for reporting the data collection interval and the number of data collections in the transfer step.
Here, the interest packet has information on the minimum number of hops from the base station to the transmission node. The node that has received the first interest packet updates its own hop count information to the value of the interest packet hop count + 1, and forwards it to the neighboring nodes. When the number of hops stored therein is larger than the number of hops of the interest packet + 1, the node that has received the second and subsequent interest packets updates its own hop number and forwards it to the neighboring nodes. At this time, the receiving node stores the address of the node that transmitted the minimum hop interest packet. If the minimum hop count is not updated, the interest packet is not forwarded.
２）次にinterestパケットを受信したセンサノードは、interestパケットのフォワードが終わると自ノードより基地局に近いノードにセンシングしたデータを送信する。
ここで自ノードより基地局に近いノードとは、先ほど記憶した最小ホップで届いたinterestパケットの送信ノード中で一番早くinterestパケットの届いたノードとする。また自ノードより基地局から遠くにあるノードからのデータを中継する場合にも、自分のセンシングしたデータの送信先と同じノードへ送る。
2) Next, the sensor node that receives the interest packet transmits the sensed data to a node closer to the base station than its own node when forwarding of the interest packet is completed.
Here, the node closer to the base station than the own node is the node that has received the interest packet earliest among the transmission nodes of the interest packet that has arrived at the minimum hop stored earlier. Also, when relaying data from a node farther from the base station than the own node, the data is sent to the same node as the transmission destination of the sensed data.
本発明のデータ送信スケジューリング方法では、データを送受信する際に用いるメディアアクセス制御方法としてＬＰＬ（Low Power Listening）方式を用いる。ＬＰＬ方式は図２に示すように周期的にＲＦ回路を起動し、起動している短い期間だけキャリアを検知する方式である。キャリアを検知した場合はデータを受信できる状態となり、検知しなかった場合はすぐにスリープ状態となる。ＬＰＬ方式はＲＦ回路の起動時間が短いので消費電力が小さいのである。ＬＰＬ方式の場合、センサノードが送信したい場合は、周期の長さのプリアンブルを送り、目的ノードを含む周辺ノード全て、データを受信できる状態にする。 In the data transmission scheduling method of the present invention, an LPL (Low Power Listening) method is used as a media access control method used when transmitting and receiving data. The LPL method is a method in which an RF circuit is periodically activated as shown in FIG. 2 and a carrier is detected only for a short period of activation. When the carrier is detected, the data can be received. When the carrier is not detected, the sleep state is immediately entered. The LPL method consumes less power because the startup time of the RF circuit is short. In the case of the LPL method, when a sensor node wants to transmit, a preamble having a length of a period is sent so that all peripheral nodes including the target node can receive data.
しかし従来のＬＰＬ方式では、プリアンブル送信後すぐにデータを送信し始めるため、隠れ端末による衝突やオーバーヒアリングの問題を回避することが困難であった。
そこで本発明のデータ送信スケジューリング方法は、帯域を確保するために、従来のＬＰＬ方式にＲＴＳ／ＣＴＳ交換の機能を加えたものを用いている。ＲＴＳ／ＣＴＳを受信した周辺ノードは、ＲＴＳ／ＣＴＳに含まれている時間分だけスリープ状態となる。これによりオーバーヒアリングの問題を回避することができ、消費電力も削減される。図３にＬＰＬ方式にＲＴＳ／ＣＴＳ交換機能を加えた場合のデータ送受信の動作タイミングチャーチを示す。
However, in the conventional LPL system, data transmission starts immediately after the preamble transmission, so it is difficult to avoid the problems of collision and overhearing due to hidden terminals.
Therefore, the data transmission scheduling method of the present invention uses a conventional LPL system with an RTS / CTS exchange function added to secure a bandwidth. The peripheral node that has received the RTS / CTS enters a sleep state for the time included in the RTS / CTS. As a result, the problem of overhearing can be avoided and power consumption can be reduced. FIG. 3 shows an operation timing church for data transmission / reception when an RTS / CTS exchange function is added to the LPL system.
本発明のデータ送信スケジューリング方法では、ＲＴＳ／ＣＴＳ交換を利用して送信のタイミングを決定している。受信したＲＴＳ／ＣＴＳ交換の種類・送信開始時刻・送信ノード及び受信ノードのアドレスと自ノードのデータ送信開始時刻を時間順に時系列リストに保持する。また新たに要素を時系列リストに追加する際に既に同じ要素がある場合、保存してある要素を削除し新たな要素を時系列リストの最後に加える。これは後述する転送ステップにおいて、自ノードより基地局から遠くにあるノードのデータを集約して次のノードへ送るためである。またデータ送信後はスリープとなるため、それ以降の要素は時系列リストから削除される。 In the data transmission scheduling method of the present invention, the transmission timing is determined using RTS / CTS exchange. The type of the received RTS / CTS exchange, the transmission start time, the address of the transmission node and the reception node, and the data transmission start time of the own node are held in the time series list in time order. When a new element is added to the time series list and the same element already exists, the saved element is deleted and the new element is added to the end of the time series list. This is because in a transfer step described later, data of nodes farther from the base station than the own node are aggregated and sent to the next node. Further, since the sleep is performed after data transmission, the subsequent elements are deleted from the time series list.
図４は、３個のノードの場合の各ノードが持つ時系列リストの例を示している。時系列リストの各要素の一番左にあるアルファベットはＲＴＳの受信，ＣＴＳの受信，データ送信，データ受信を示している。各要素の左から２番目と３番目にある数字はそれぞれパケットの送信ノードＩＤと受信ノードＩＤを示し、一番右の数字はそのパケットの送信または受信を開始した時刻を示している。 FIG. 4 shows an example of a time-series list that each node has in the case of three nodes. The alphabet on the left of each element of the time series list indicates RTS reception, CTS reception, data transmission, and data reception. The second and third numbers from the left of each element indicate the transmission node ID and reception node ID of the packet, respectively, and the rightmost number indicates the time when transmission or reception of the packet is started.
例えば時系列リストの要素が「Ｒ−２−３−１５」のときは、２番ノードが３番ノードに対しデータ収集開始から１５秒後にＲＴＳパケットを送信したということを示している。この時系列リストは次のセットアップステップまで保持し続ける。 For example, when the element of the time series list is “R-2-3-15”, it indicates that the second node has transmitted the RTS packet to the third node 15 seconds after the data collection start. This time series list is kept until the next setup step.
図４に示される３個のノードの時系列リストについて、以下に説明する。
先ず、図４の左上に示される１番ノードから図４の右の３番ノードに対して、データが送信される。これにより１番ノードの時系列リストには、「Ｓ−１−３−ｔＴ０」（１番ノードが３番ノードに対しデータ収集開始からｔＴ０秒後にデータ送信したこと）が記憶される。これと同時に、３番ノードの時系列リストには、「Ｅ−１−３−ｔＲ０」（３番ノードが１番ノードからｔＲ０秒後にデータ受信したこと）が記憶される。また、周辺ノードの２番ノードの時系列リストには、「Ｃ−１−３−ｔＴ０」（１番ノードが３番ノードに対しデータ収集開始からｔＴ０秒後にデータ送信したというＣＴＳパケットを受信したこと）が記憶される。
同様に、データ収集開始からｔＴ１秒後、ｔＴ２秒後、ｔＴ３秒後、ｔＴ４秒後と、ＲＴＳ／ＣＴＳパケットのやりとり、若しくはデータ送受信が行われ、各ノードの時系列リストに記憶されている。セットアップステップでは、各ノードの時系列リストにおいて、同一の送信元ノードと送信先ノードのイベントが存在した場合は、時系列リストから該イベントを削除し、時系列リストの最後にイベントとして記憶するように編集する。
The time series list of three nodes shown in FIG. 4 will be described below.
First, data is transmitted from the first node shown in the upper left of FIG. 4 to the third node on the right of FIG. As a result, “S-1-3−t T0 ” (that the first node has transmitted data to the third node after t T0 seconds from the start of data collection) is stored in the time series list of the first node. At the same time, “E-1-3−t R0 ” (that the third node has received data after t R0 seconds from the first node) is stored in the time series list of the third node. Also, in the time series list of the second node of the peripheral node, “C-1-3−t T0 ” (the CTS packet that the first node transmitted data to the third node after t T0 seconds from the start of data collection) (Received) is stored.
Similarly, RTS / CTS packet exchange or data transmission / reception is performed after t T1 seconds, t T2 seconds, t T3 seconds, t T4 seconds after data collection start, and stored in the time series list of each node Has been. In the setup step, if an event of the same transmission source node and transmission destination node exists in the time series list of each node, the event is deleted from the time series list and stored as an event at the end of the time series list. Edit to
２）転送ステップ
次に、転送ステップについて説明する。転送ステップでは、セットアップステップで構成された時系列リストに基づいて各ノードが送信する。まず時系列リストの先頭に自ノードの送信があるノードがデータ送信を行う。データ通信の際に、送受信ノードがＲＴＳ／ＣＴＳ交換するので、ＲＴＳ／ＣＴＳを受信した周辺ノードは自分のリストを更新する。 そして更新された時系列リストの次の要素が自ノードの送信である場合、受信したＲＴＳ／ＣＴＳによるスリープの後すぐに自データの送信準備（ＲＴＳ／ＣＴＳ交換）を開始する。
2) Transfer step Next, the transfer step will be described. In the transfer step, each node transmits based on the time-series list configured in the setup step. First, a node having its own node transmission at the top of the time series list performs data transmission. Since the transmitting / receiving node exchanges RTS / CTS during data communication, the peripheral node receiving the RTS / CTS updates its list. If the next element of the updated time-series list is transmission of the own node, preparation for transmission of the own data (RTS / CTS exchange) is started immediately after the sleep by the received RTS / CTS.
データ送信が終了したノードは、次のデータ収集開始時までスリープ状態となる。このようにセットアップステップでデータを送信できた順番にデータを送信することで、衝突を抑制され円滑にデータを収集することができることになる。 The node that has completed data transmission enters a sleep state until the next data collection start time. Thus, by transmitting data in the order in which data could be transmitted in the setup step, collision can be suppressed and data can be collected smoothly.
また干渉や衝突などでＲＴＳ／ＣＴＳが受信できなかった場合は、時系列リストが更新されないためにいつまでもデータを送信できないといった問題が生じる。そこで、時系列リストで記憶している自分のデータを送信できた時間になってもリストが更新されない場合で、かつ、中継する全てのデータがそろっている場合は、すぐにデータを送信することにする。 Further, when RTS / CTS cannot be received due to interference or collision, the time series list is not updated, and thus there is a problem that data cannot be transmitted indefinitely. Therefore, if the list is not updated even when it is time to transmit your own data stored in the time series list, and all the data to be relayed is available, send the data immediately. To.
またセットアップステップで送信した時刻になっても中継する予定のデータがそろっていない場合は、一定時間待機した後、データが全てそろっていなくてもそれまでのデータを集約し送信することにする。データがそろっていない状態で送信したノードは、さらに一定時間待ち、それでもデータが届かない場合はスリープ状態となる。 If there is no data to be relayed at the time of transmission in the setup step, after waiting for a certain period of time, the data up to that point will be collected and transmitted even if not all of the data is available. A node that has transmitted data in a state where it does not have the data waits for a certain period of time, and if data still does not arrive, it goes into a sleep state.
ＰＳ方式ではＲＴＳ／ＣＴＳ交換せずすぐにデータを送っているために、衝突回避する手段がなく再送はできないのに対し、本発明のデータ送信スケジューリング方法では、ＰＳ方式と異なり転送ステップでもＲＴＳ／ＣＴＳ交換しているために、データの衝突回避が可能なため再送することができる。 In the PS system, data is sent immediately without RTS / CTS exchange, and therefore, there is no means for avoiding collision and retransmission is not possible. On the other hand, in the data transmission scheduling method of the present invention, unlike the PS system, RTS / CTS Since CTS exchange is performed, data collision can be avoided, so that retransmission can be performed.
以下の実施例では、本発明のデータ送信スケジューリング方法についてシミュレータを用いて評価したものについて説明する。 In the following embodiments, the data transmission scheduling method of the present invention evaluated using a simulator will be described.
本発明のデータ送信スケジューリング方法についてシミュレータを用いて検証した。モデルの条件を下記表１に示す。なお、基地局はデータを１０回収集するごとにinterest パケットをフラッディングし経路を再構成するものとする。 The data transmission scheduling method of the present invention was verified using a simulator. The model conditions are shown in Table 1 below. It is assumed that every time data is collected 10 times, the base station floods the interest packet to reconfigure the route.
図５に、本発明のデータ送信スケジューリング方法（図中ではProposal schedulingと表記），ＰＳ方法，スケジューリングなしの場合における時間ごとの稼動ノード数を示す。ここで、パケットのペイロードサイズは１６ｂｙｔｅｓである。図５からは、ＰＳ方式が、本発明のデータ送信スケジューリング方法を上回っている時間があることが確認できる。しかし、通常基地局周りのセンサノードが先にバッテリ切れとなることを考慮すると、最初のノードがバッテリ切れを起こすまでの時間以降は基地局にデータはほぼ届かないと考えられる。そこで本評価でのライフタイムは、最初のノードがバッテリ切れを起こすまでの時間とする。すなわち、本発明のデータ送信スケジューリング方法の場合は、図５中に矢印で示す時間となる。 FIG. 5 shows the number of active nodes per time in the case of the data transmission scheduling method of the present invention (indicated as “Proposal scheduling” in the figure), the PS method, and no scheduling. Here, the payload size of the packet is 16 bytes. From FIG. 5, it can be confirmed that the PS system has a time exceeding the data transmission scheduling method of the present invention. However, considering that the sensor nodes around the base station normally run out of battery first, it is considered that data hardly reaches the base station after the time until the first node runs out of battery. Therefore, the lifetime in this evaluation is the time until the first node runs out of battery. That is, in the case of the data transmission scheduling method of the present invention, the time indicated by the arrow in FIG.
本発明のデータ送信スケジューリング方法のライフタイム（図５中に矢印で示す時間）は、スケジューリングなしに対して約３．５倍，ＰＳ方式に対しては約２．２倍長いことが確認できる。この一番の要因として、パケットのペイロードサイズ（１６ｂｙｔｅｓ）に対してヘッダサイズ（３２ｂｙｔｅｓ）が大きくパケットの集約による消費エネルギーの削減効果が大きいためと考えられる。またスケジューリングにより送信終了後すぐにＲＦ回路の電源をＯＦＦ状態にできることもその要因の一つであると考えられる。しかしＬＰＬ方式では、常にＲＦ回路の電源をＯＮ・ＯＦＦする間欠動作しているため、スケジューリングしていない場合でもアイドル時間のほとんどはスリープ状態になっている。そのため送信終了後すぐにＲＦ回路の電源をＯＦＦ状態にする効果はデータ集約による効果ほどはないと考えられる。 It can be confirmed that the lifetime of the data transmission scheduling method according to the present invention (the time indicated by the arrow in FIG. 5) is about 3.5 times longer without scheduling and about 2.2 times longer with the PS system. This is probably because the header size (32 bytes) is larger than the packet payload size (16 bytes), and the effect of reducing energy consumption due to packet aggregation is great. Further, it is considered that one of the factors is that the power supply of the RF circuit can be turned off immediately after the end of transmission by scheduling. However, in the LPL system, since the intermittent operation of turning on / off the power supply of the RF circuit is always performed, most of the idle time is in the sleep state even when scheduling is not performed. Therefore, it can be considered that the effect of turning off the power of the RF circuit immediately after transmission is not as great as the effect of data aggregation.
次に、ペイロードサイズを変化させた場合の結果を図６に示す。図６から、ペイロードサイズが小さいほど、本発明のデータ送信スケジューリング方法の効果が大きいことが確認できる。またペイロードサイズが大きくなるにつれ、本発明のデータ送信スケジューリング方法とＰＳ方式との差はなくなっていることが確認できる。これはペイロードサイズが大きくなるにつれ、ヘッダ集約の効果が小さくなるからである。
しかしセンサネットワークでは、実際のセンシングしたデータのサイズは小さく、ペイロードサイズとヘッダサイズはほとんど変わらないことが多いことが想定されるため、本発明のデータ送信スケジューリング方法は有用であるといえる。
Next, the results when the payload size is changed are shown in FIG. From FIG. 6, it can be confirmed that the smaller the payload size, the greater the effect of the data transmission scheduling method of the present invention. Further, as the payload size increases, it can be confirmed that there is no difference between the data transmission scheduling method of the present invention and the PS method. This is because the effect of header aggregation decreases as the payload size increases.
However, in the sensor network, the actual sensed data size is small, and it is assumed that the payload size and the header size are often almost the same. Therefore, it can be said that the data transmission scheduling method of the present invention is useful.
以上のように本発明のデータ送信スケジューリング方法は、従来のＰＳ方式との比較から、送信タイミングを制御することにより、センサネットワークシステムのライフタイム向上できることが理解できる。また、スケジューリングにデータ集約を加えることにより、従来のＰＳ方式に比べ最大で約２倍のシステム時間向上が得られることが確認でき、本発明のデータ送信スケジューリング方法の有用性が示された。 As described above, it can be understood from the comparison with the conventional PS method that the data transmission scheduling method of the present invention can improve the lifetime of the sensor network system by controlling the transmission timing. Further, by adding data aggregation to the scheduling, it was confirmed that the system time can be improved up to about twice as much as that of the conventional PS system, and the usefulness of the data transmission scheduling method of the present invention was shown.
本発明のデータ送信スケジューリング方法およびそれを用いたセンサネットワークシステムによれば、センサネットワークシステム全体の可用時間向上（低電力化）が図ることができ、センサノードの数が膨大な数に及ぶようなシステムや、広大な敷地や立ち入りの困難な場所にセンサノードを設置し使用するシステムへの利用が可能となる。 According to the data transmission scheduling method of the present invention and the sensor network system using the data transmission scheduling method, it is possible to improve the available time (low power consumption) of the entire sensor network system, and the number of sensor nodes reaches a huge number. The system can be used for a system in which sensor nodes are installed and used in a large site or a place where entry is difficult.
Ｗａｋｅ 起動期間(Wake-up Duration) Wake-up duration
Claims (7)
前記セットアップステップが、
ＲＦ回路をＯＮ状態にするステップと；
自ノードのデータ送受信および周辺の他ノードのデータ送受信に関して、正常に通信が行われた場合に各データ送受信のイベントを時系列リストとして記憶するステップと；
前記時系列リストに同一の送信元ノードと送信先ノードのイベントが存在した場合に、前記時系列リストから該イベントを削除し、前記時系列リストの最後にイベントとして記憶するステップと；
を備え、
前記転送ステップが、
データ収集開始時にＲＦ回路をＯＦＦ状態にするステップと；
前記時系列リストに基づいて、データ受信のイベント時刻直前にＲＦ回路をＯＮ状態にし、データ受信を行い、受信完了後すぐにＲＦ回路をＯＦＦにするステップと；
前記時系列リストの最後に記憶されているデータ送信のイベント時刻直前にＲＦ回路をＯＮ状態にし、データ集約してデータ送信を行い、送信完了後すぐにＲＦ回路をＯＦＦにするステップと；
を備えたことを特徴とするデータ送信スケジューリング方法。 A data transmission scheduling method for each sensor node in a sensor network system corresponding to a periodic information collection type application, in which each sensor node learns transmission / reception events of other nodes in the vicinity in addition to transmission / reception events of its own node; It consists of a transfer step that traces the progress of surrounding transmission / reception events, determines the transmission timing of its own node, aggregates data and transmits data,
The setup step includes
Turning on the RF circuit;
A step of storing each data transmission / reception event as a time-series list when communication is normally performed with respect to data transmission / reception of the own node and data transmission / reception of other neighboring nodes;
Deleting the event from the time series list and storing it as an event at the end of the time series list when there is an event of the same source node and destination node in the time series list;
With
The transfer step comprises:
Turning off the RF circuit at the start of data collection;
A step of turning on the RF circuit immediately before the event time of data reception based on the time series list, performing data reception, and turning off the RF circuit immediately after the reception is completed;
A step of turning on the RF circuit immediately before the event time of data transmission stored at the end of the time series list, collecting data and transmitting the data, and turning off the RF circuit immediately after the transmission is completed;
A data transmission scheduling method comprising:
ＲＦ回路と、前記ＲＦ回路のＯＮ／ＯＦＦ制御手段と、データ送受信のイベントを記憶する手段と、受信データをデータ集約して送信する手段とを備え、
前記データ送受信のイベントを記憶する手段は、自ノードのデータ送受信および周辺の他ノードのデータ送受信に関して、正常に通信が行われた場合に各データ送受信のイベントを時系列リストとして記憶し、
前記時系列リストに同一の送信元ノードと送信先ノードのイベントが存在した場合に、前記時系列リストから該イベントを削除し、前記時系列リストの最後にイベントとして記憶するものであり、
前記ＲＦ回路のＯＮ／ＯＦＦ制御手段は、
前記時系列リストに基づいてデータ受信イベント時刻直前にＲＦ回路をＯＮ状態にし、データ受信完了後すぐにＲＦ回路をＯＦＦにし、また、
前記時系列リストに基づいてデータ送信イベント時刻直前にＲＦ回路をＯＮ状態にし、データ送信完了後すぐにＲＦ回路をＯＦＦにするものであることを特徴とするセンサネットワークシステム。 In each sensor node in the sensor network system corresponding to the periodic information collection type application,
An RF circuit, an ON / OFF control means for the RF circuit, a means for storing a data transmission / reception event, and a means for collecting and transmitting received data.
The means for storing the data transmission / reception event stores each data transmission / reception event as a time-series list when communication is normally performed with respect to data transmission / reception of the own node and data transmission / reception of other peripheral nodes.
When there is an event of the same source node and destination node in the time series list, the event is deleted from the time series list and stored as an event at the end of the time series list,
The RF circuit ON / OFF control means includes:
Based on the time series list, the RF circuit is turned on immediately before the data reception event time, the RF circuit is turned off immediately after the data reception is completed,
A sensor network system characterized in that, based on the time series list, the RF circuit is turned on immediately before the data transmission event time, and the RF circuit is turned off immediately after the data transmission is completed.
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