JP2010141805A - 代表ノード配置方法および端末ノード - Google Patents

Abstract

【課題】ネットワーク内の各端末ノードから効率よく情報収集するための代表ノードの配置を決定する。
【解決手段】ネットワークの外周に位置する端末ノード（PSi）が、自身を含む３つの端末ノードを通る円（C_ki）の曲率と当該円の法線の基本ベクトルとを求め、自身の識別子と基本ベクトルとを含む探索信号を当該基本ベクトルの方向へ前記曲率に反比例する距離だけ送信する。前記距離の終点にて探索信号を受信した端末ノード（RSi）が、自身を含む３つの端末ノードを通る円（C_kij）の曲率と当該円の法線の基本ベクトルとを新たに求め、探索信号を新たな基本ベクトルの方向へ新たな曲率に反比例する距離だけ転送する。結合リストに自身との隣接関係が示されている全ての端末ノードから探索信号を受信した端末ノード（RSij）の周辺領域を代表ノードの配置候補として決定する。
【選択図】図７

Description

本発明は、無線ネットワークあるいはセンサネットワークのように、複数の端末ノードとそれらから情報を収集する代表ノードとから構成されるネットワークに関する。

無線通信によるａｄ−ｈｏｃなネットワークの構築においては、基本的に、各無線ノードが、自律的分散的にネットワーク（以下、「ＮＷ」と記す。）トポロジを構成する。この種のネットワークに関し、最近では、モバイルバックホール技術が注目されており、その簡易基地局の設置形式には、固定型だけではなく移動型もある。

センサＮＷの場合、複数のセンサノードと、これらに対する情報の収集機能および配布機能を備えたシンクノードとを設けるという形態がある。また、各センサノードに通信機能を備え、センサノード間の転送によりシンクノードと交信するという形態も注目されている。このようなセンサＮＷあるいは無線ＮＷにおいて、カバレッジ内の情報収集を効率的かつ短時間で行うためには、簡易基地局やシンクノードといった代表ノードを何処に設置するかが重要となる。また、ネットワークにおける最適な経路制御方法も重要である。

代表ノードの設置方法としては、例えば、図８に示すような、Voronoi分割によるクラスタリングを利用した方法がある。この方法は、基本的には、出来るだけ少ないノードで、所望のエリアの情報をもれなく収集するという目的に適している。しかしながら、代表ノードが故障した場合は、人手で新たなものを配置するか、あるいは、予め代表ノードの近辺にバックアップ用のノードを用意しておく必要がある。

その他の方法として、例えば、後述の特許文献１〜５には、電力制御によって代表ノードの通信出力を大きくし、通信可能距離を伸ばすという手法が示されている。また、特許文献６には、センサノードをクラスタに分け、クラスタ内に、代表ノードとしてのゲートウェイを決定するクラスタヘッドを設置するという方法が記載されている。さらにまた、特許文献７には、端末ノードが自律的に移動して代表ノードのカバレッジを最大にすることで、等価的に、代表ノードの位置を最適化しようとする技術が記載されている。
特開２００８−１２５０７９号公報 特開２００８−０６０９９４号公報 特開２００８−０２２４８４号公報 特開２００７−３０６４０７号公報 特開２００４−０３２６４０号公報 特開２００８−０７８９６３号公報 特開２００６−１６５６９５号公報

上記特許文献１〜５に記載の技術によれば、通信可能距離を伸ばすことが可能となる。しかしながら、所要出力エネルギーは距離の２乗に比例するので、ノードの消費電力が増大するという問題がある。上記特許文献６に記載の技術は、クラスタヘッドによる集中管理方式であるため、そのクラスタヘッドが故障した場合、システム全体の動作が中断する。

上記特許文献７に記載の技術では、全ての動きがランダムウォークに頼るので、カバレッジは、ある確率でしか最大化されず、その確率はセンサ数が増えるほど小さくなる。また、確率的にトーラスや空隙を持つカバレッジが形成される。さらに、センサの故障などによるカバレッジの空隙を補充するのはランダムウォークに頼るので、ある確率でしか実現できない。

そこで、本発明の目的は、ネットワーク内の各端末ノードから効率よく情報収集するための代表ノードの配置を決定する方法を提供することにある。

本発明に係る方法は、複数の端末ノードおよび該各端末ノードから情報を収集する代表ノードを含むネットワークにおいて前記代表ノードの配置を決定する方法であって、前記複数の端末ノード間の隣接関係および相対位置に関するリストを当該各端末ノードに設定し、前記複数の端末ノードのうち前記ネットワークの外周に位置する端末ノードのそれぞれが、自身を含む３つの端末ノードを通る円の曲率と当該円の法線の基本ベクトルとを求め、自身の識別子と前記基本ベクトルとを含む探索信号を当該基本ベクトルの方向へ前記曲率に反比例する距離だけ送信し、前記距離の終点にて前記探索信号を受信した端末ノードが、自身を含む３つの端末ノードを通る円の曲率と当該円の法線の基本ベクトルとを新たに求め、前記受信した探索信号に自身の識別子を付加し、当該探索信号を前記新たな基本ベクトルの方向へ前記新たな曲率に反比例する距離だけ転送し、前記複数の端末ノードのうち、前記リストに自身との隣接関係が示されている全ての端末ノードから前記探索信号を受信した端末ノードを検出し、前記検出された端末ノードの周辺領域を前記代表ノードの配置候補として決定する。

本発明に係る端末ノードは、複数の端末ノードおよび該各端末ノードから情報を収集する代表ノードを含むネットワークにおける前記端末ノードであって、前記複数の端末ノード間の隣接関係および相対位置に関するリストと、自身を含む３つの端末ノードを通る円の曲率と当該円の法線の基本ベクトルとを求める計算部と、自身の識別子と前記基本ベクトルとを含む探索信号を当該基本ベクトルの方向へ前記曲率に反比例する距離だけ送信する送信制御部と、前記リストに自身との隣接関係が示されている全ての端末ノードから前記探索信号を受信したことを検知した場合に自身の周辺領域が前記代表ノードの配置候補であることを報知する収束検知部とを備える。

本発明によれば、ネットワーク内の各端末ノードから効率よく情報収集するための代表ノードの配置を決定することができる。

本発明の１つの実施形態について図面を参照して詳細に説明する。本実施形態は、センサＮＷを想定したものであるが、センシングを行わない無線ＮＷにも適用することができる。

図１に、センサＮＷ100の構成例を示す。センサＮＷ100は、センシングデータを生成する複数のセンサノード10と、各センサノード10からセンシングデータを収集するシンクノード20とを備える。センサノード10は、本発明に係る端末ノードに対応し、シンクノード20は代表ノードに対応するものである。図示の状態は、センシングすべきエリアにセンサノード10が適宜ばら撒かれており、そのエリアの任意の場所にシンクノード20が配置されている状態である。本実施形態は、このシンクノード20の適切な配置を決定するものである。

センサＮＷ100において、各センサノード10は、以下の要件を満たす：
1. 互いの通信エリア30が重なるセンサノード10同士で情報を交換可能であること。
2. センサノード10間の接続関係および方向を認識可能であること。
3. 受信電力レベルに関し、全てのセンサノード10で共通の閾値がある。
4. センサノード10を個々に特定するための識別子がある。
5. 隣接する３つのセンサノード10を通る円の曲率と、その円の法線の基本ベクトルとを計算可能であること。
6．次式（１）に従って、上記曲率に反比例する通信距離あるいは通信強度を算出可能であること。ここで、「ｋ」は曲率を表し、「α」（＞０）は、反比例の係数を表す。

上記の要件を満たすために、センサノード10は、図２に示すように構成することができる。センシング部11は、センシングデータの生成を担うハードウェア及びソフトウェアである。移動部12は、センサノード10を移動させるための手段であり、例えば、車輪，ベルトコンベア，可動脚などを自動制御により動作させるものである。通信部13は、上記の要件「1.」に対応する機能であり、他ノードやシンクノード20と交信するための機能である。

曲率計算部14は、上記の要件「5.」に対応する機能であり、自ノードを含む３つのセンサノード10を通る円の曲率を算出する。基本ベクトル計算部15は、曲率計算部14で用いた円の法線の基本ベクトルを求める。送信制御部16は、上記の要件「6.」に対応する機能を含み、算出した距離あるいは強度で、センサノード10のＩＤ（識別子）を含む探索信号を上記の基本ベクトルの方向へ送信するための制御を行う。情報蓄積部17は、他ノードから受信した探索信号やその他の情報を蓄積する記憶手段である。収束検知部18は、自ノードがセンサＮＷ100における後述の収束点であるかどうかを検知し、自身が収束点である場合はそれを報知する機能である。

結合リスト19は、上記の要件「2.」のための手段であり、センサノード10間の隣接関係や相対位置に関する一覧である。曲率計算部14，基本ベクトル計算部15，送信制御部16，収束検知部18は、結合リスト19を参照して各々の処理を実行する。

図３に、シンクノード20の機能構成を示す。移動部21，通信部22，結合リスト23は、前述したセンサノード10の移動部12，通信部13，結合リスト23と同様のものである。ネットワーク制御部24は、各センサノード10からセンシングデータを収集するなど、シンクノード20が代表ノードとして機能するための手段である。

図４，図５，図６，図７を参照して、本実施形態の動作を説明する。以下の説明は、図１の状態のセンサＮＷ100において、現時点では任意の場所あるシンクノード20を適切な位置に移すための動作に関するものである。

図４より、センサノード10のうち、センサＮＷ100の外周にあるノードPSiは、自身に設定されている結合リスト19を読み出し（図５：ステップS1）、自身（PSi）と、同じく外周にあって隣接するノードPSi+1およびノードPSi-1とを通る円C_kiを認識し、その円の曲率kiを算出する（ステップS2）。また、その円C_kiの法線の基本ベクトル（ki/abs(ki)）を求める（ステップS3）。

ノードPSiは、算出した曲率及び基本ベクトルと、自身のＩＤと、通信回数「１」とを含む探索信号を作成する（ステップS4）。この通信回数「１」は、今回の探索信号の識別子に相当する。ノードPSiは、作成した探索信号を、基本ベクトルの方向に、曲率に反比例する距離だけ送信する（ステップS5）。これは、円（C_ki）の曲率が大きいほど、すなわち円の半径が小さいほど、通信距離が短いことを意味する。その結果、図４に示す「１回目の通信距離」の矢印に沿って、ノードPSiから探索信号が送信される。

本実施形態のノードPSiは、上記の距離の分、探索信号を送信するために、前述の式（１）に基づいて送信電力レベルを制御する。式（１）は、ノードPSiが、左右に位置する２つのノード（PSi+1,PSi-1）との間で形成される円C_kiの曲率、及び、その円C_kiの法線の基本ベクトルに応じて、情報を送信する様子を表す式である。

式（１）の「ｋ（θ,ｔ）」は、時刻ｔにおいて原点に対し角度θに位置するノードPSiが、隣接のノードPSi+1およびノードPSi-1とで形成する円C_kiの曲率を表す。「α」は、前述したように反比例の係数であり、これによりノードPSiからの送信距離が決まる。なお、上記の式（１）は、極座標系に基づく記述であるが、同様の内容を表すものであれば、座標系は２次元直交座標系であってもよい。

また、図４より、センサＮＷ100の外周に位置する、例えばノードPSjの場合も、隣接のノードPSj+1およびノードPSj-1とを通る円C_kjに基づいて、図示の矢印に沿って探索信号を送信する。

図６のフローチャートを参照して、ノードPSiからの探索信号を受信したノードの動作を説明する。ここでは、一例として、ノードRSiの動作を述べる。

ノードRSiは、ノードPSiから発信された探索信号を受信すると（ステップS11）、その受信電力レベルを、各ノードで共通の閾値と比較する（ステップS12）。あるノードでの受信電力レベルが上記閾値より下回ることは、そのノードが、探索信号の送信距離の終点であることを意味する。

ノードRSiは、上記比較の結果、受信電力レベルが閾値より小さい場合、探索信号の発信元であるノードPSiに向けて、自身が経路上の分岐点であることを表す情報を送信する。そのために、まずノードRSiは、受信した探索信号が示す基本ベクトルの反対方向に位置するセンサノード10との間で、同じ探索信号に関する受信電力レベルの情報を交換する（ステップS13）。

ノードRSiは、上記の交換により取得した受信電力レベルが閾値以上を示す場合（ステップS14：No）、交換相手のセンサノード10に対し、自身（RSi）のＩＤと、前述の探索信号の識別子である通信回数「１」とを通知する（ステップS15）。

上記と同様な通知が、図４に示すように、基本ベクトルの反対方向に沿って順次行われる。これにより、ノードPSiとノードRSiとの間の各ノードで、パスベクトル型の経路情報が作成される。

一方、分岐点のノードRSiは、隣接のセンサノード10と交信し、ノードPSiとは別のノードから発信され且つ通信回数「１」を示す探索信号を受信したノードを探す。そして、発見された２つのノードと自身とで形成される円に基づいて、図５に示す手順と同様な手順で、「２回目の通信」により探索信号を転送する。その様子を図７に示す。

図７より、ノードRSiと隣接の２つのノードとを通る円C_kijが形成されていることがわかる。ノードRSiは、円C_kijの法線の基本ベクトルに沿って、この円C_kijの曲率に反比例する距離だけ、探索信号を送信する。なお、このとき送信される探索信号には、円C_kijに関する曲率及び基本ベクトルや、通信回数「２」が記述される。

上記の手順を、センサＮＷ100の外周のノードから順に全てのノードが実行すると、Gage=Hamiltonの定理により、理論上、円が、ある点に収束するはずである。本実施形態では、この収束点を、シンクノード20の適切な位置であるとみなす。そのために、１つのセンサノード10を擬似的な収束点として取り扱う。収束点としてのセンサノード10は、より具体的には、結合リスト19に記載の隣接ノードの全てから探索信号を受信したノードである。本実施形態では、一例として、図７に示すノードRSijが収束点として検出される。

収束点のノード（RSij）を検出する方法は任意であるが、例えば、そのノードが、ランプの点滅や音の鳴動などにより、自身が収束点であることを報知するという方法がある。その他、収束点のノードが、通信範囲を広げて、シンクノード20に直接的に通知するようにしてもよい。

センサＮＷ100において収束点のノードRSijが検出されると、その付近の領域をシンクノード20の配置候補として決定する。そして、配置候補の領域にシンクノード20を移動させる、あるいは、シンクノード20が自ら収束点付近に移動する。これにより、シンクノード20を、センサＮＷ100において最も情報収集効率のよい場所に配置することができる。

なお、その後、センサＮＷ100の構成（トポロジ）に変更があった場合は、円の曲率が変化する付近のセンサノード10が、上記手順と同様にして探索信号を送信する。これにより、新たな収束点が検出されることから、その新たな収束点付近にシンクノード20を移動させればよい。

また、上記のように構成されたセンサＮＷ100の経路は、シンクノード20をルートとする最短経路木を構成している。よって、構成された経路に従って各センサノード10が情報を送ることで、その情報を最短経路でシンクノード20に届けることが出来る。

以上説明したように、本実施形態によれば、センサノード10間での探索信号の伝搬により、シンクノード20の最適な配置を決定することができる。その理由は、２次元平面内の任意の凸曲線は、Gage=Hamiltonの定理によって、最終的には１つの点（点と見なすことの出来る円または楕円）に収束するからである。

また、センサＮＷ100において、あるノードが除去されることによりカバレッジに空隙が生じた場合でも、残りのノード間で新たに探索信号を伝搬させることで、その空隙を補填することができる。

本発明の実施は、上記形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内で適宜変更が可能である。例えば、探索信号の送信距離に関し、上記実施形態では、センサノード10の送信電力を制御したが、これに替えて、送信距離を転送ホップ数により定義してもよい。この場合、探索信号の発信元となるノードが、その探索信号を何ホップ先のノードまで転送すべきかを決定し、決定したホップ数を探索信号に記述して送信する。そして、探索信号の転送ごとにホップ数をカウントし、指定されたホップ数の上限に達したときのノードが、前述したノードRSi（図７）のような、経路の分岐点に相当する。

本発明は、端末ノード（10）の動作に対応したコンピュータプログラム、あるいは、そのプログラムを記憶した記録媒体として実施することができる。

本発明の実施形態におけるネットワークの構成図である。 本発明の実施形態におけるセンサノードの機能構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態におけるシンクノードの機能構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態におけるセンサノードの動作に関する説明図である。 本発明の実施形態におけるセンサノードの動作手順のフローチャートである。 本発明の実施形態におけるセンサノードの動作手順のフローチャートである。 本発明の実施形態におけるセンサノードの動作に関する説明図である。 Voronoi分割によるクラスタリングに関する説明図である。

符号の説明

100 センサＮＷ
10 センサノード（端末ノード）
20 シンクノード（代表ノード）
C_ki，C_kj，C_kij 円

Claims (9)

1. 複数の端末ノードおよび該各端末ノードから情報を収集する代表ノードを含むネットワークにおいて前記代表ノードの配置を決定する方法であって、
   前記複数の端末ノード間の隣接関係および相対位置に関するリストを当該各端末ノードに設定し、
   前記複数の端末ノードのうち前記ネットワークの外周に位置する端末ノードのそれぞれが、自身を含む３つの端末ノードを通る円の曲率と当該円の法線の基本ベクトルとを求め、自身の識別子と前記基本ベクトルとを含む探索信号を当該基本ベクトルの方向へ前記曲率に反比例する距離だけ送信し、
   前記距離の終点にて前記探索信号を受信した端末ノードが、自身を含む３つの端末ノードを通る円の曲率と当該円の法線の基本ベクトルとを新たに求め、前記受信した探索信号に自身の識別子を付加し、当該探索信号を前記新たな基本ベクトルの方向へ前記新たな曲率に反比例する距離だけ転送し、
   前記複数の端末ノードのうち、前記リストに自身との隣接関係が示されている全ての端末ノードから前記探索信号を受信した端末ノードを検出し、
   前記検出された端末ノードの周辺領域を前記代表ノードの配置候補として決定することを特徴とする方法。
2. 前記探索信号を送信または転送する端末ノードが、時刻ｔにおいて原点に対し角度θを成す位置において、前記円の曲率と該曲率に反比例する前記距離とを式（１）に基づき求めることを特徴とする請求項１記載の方法。
   
   
3. 前記探索信号を送信すべき距離が、当該探索信号の送信電力レベルにより規定されることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. 前記探索信号を送信すべき距離が、当該探索信号の転送ホップ数により規定されることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
5. 前記距離の終点にて前記探索信号を受信した前記端末ノードは、当該探索信号の受信電力レベルが規定の閾値を下回る端末ノードであることを特徴とする請求項３記載の方法。
6. 前記距離の終点にて前記探索信号を受信した前記端末ノードは、当該探索信号の転送ホップ数の上限に対応する端末ノードであることを特徴とする請求項４記載の方法。
7. 前記距離の終点の端末ノードが、当該距離の始点の端末ノードに対し、自身が転送経路の分岐点であることを表す情報を前記基本ベクトルの反対方向に沿って送信し、
   前記終点の端末ノードと前記始点の端末ノードとの間に位置し且つ当該終点の端末ノードからの前記情報を受信した端末ノードが、当該情報に自身の識別子を付加して該情報を前記始点の端末ノードに向けて転送することを特徴とする請求項５又は６記載の方法。
8. 複数の端末ノードおよび該各端末ノードから情報を収集する代表ノードを含むネットワークにおける前記端末ノードであって、
   前記複数の端末ノード間の隣接関係および相対位置に関するリストと、
   自身を含む３つの端末ノードを通る円の曲率と当該円の法線の基本ベクトルとを求める計算部と、
   自身の識別子と前記基本ベクトルとを含む探索信号を当該基本ベクトルの方向へ前記曲率に反比例する距離だけ送信する送信制御部と、
   前記リストに自身との隣接関係が示されている全ての端末ノードから前記探索信号を受信したことを検知した場合に自身の周辺領域が前記代表ノードの配置候補であることを報知する収束検知部とを備えることを特徴とする端末ノード。
9. コンピュータを請求項８記載の端末ノードとして機能させることを特徴とするプログラム。