JP2010166150A - センサデータ収集システム、センサネットワーク構築装置、センサノード、センサネットワーク構築方法、および親ノード切替方法。 - Google Patents

センサデータ収集システム、センサネットワーク構築装置、センサノード、センサネットワーク構築方法、および親ノード切替方法。 Download PDF

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Abstract

【課題】センサノードが偏って配置された環境や、電波の減衰の度合いが通信パスごとに異なる環境においても、すべてのセンサノードから効率よくデータを収集する。
【解決手段】センサネットワーク構築装置３０の遅延評価値算出装置３３により、任意の階層における試行中のクラスタ構成の評価値を算出する際、各クラスタの親ノードが当該クラスタ内の子ノードから無線通信を介してセンサデータを収集する際に生じるクラスタ遅延量を推定し、これらクラスタ遅延量を合計して得られた遅延評価値を、当該階層におけるデータ収集効率を示す評価値として算出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、データ収集技術に関し、特に複数のセンサから無線通信を介してセンサデータを収集する技術に関する。
一般に、センサノードがネットワークを構成してデータを収集するような通信ネットワークをセンサネットワークと呼んでいる。これまでに、無線の送信電力を調整できる無線通信モジュールを想定して、階層的にクラスタを生成し、高速なデータ収集を実現しようとする手法が提案されている（例えば、非特許文献１など参照）。
具体的には、階層ごとに１つ以上のクラスタを有し、任意のセンサノードからなる１つ以上の子ノードと１つの親ノード（クラスタヘッド）とからクラスタが構成された、階層クラスタ構造により、センサネットワークを構成している。データ収集時においては、子ノードが、センシングしたセンサデータを無線通信で当該クラスタの親ノードへ送信し、親ノードが、１つ上位の階層における任意の上位クラスタの子ノードとして動作する。最上位階層に構成する１つのクラスタの親ノードとして基地局を用いる。
また、上記手法において、非特許文献３に記載のＣＬＡＲＡＮＳの方法を用いることにより、クラスタリング計算を高速化したものも提案されている（例えば、非特許文献２など参照）。
岸野泰恵,櫻井保志,亀井剛次,柳沢豊,前川卓也,岡留剛,「大規模センサネットワークにおける遅延の抑制を考慮したデータ収集機構の提案」,情報処理学会研究報告(ユビキタスコンピューティングシステム研究会 2008-UBI-17),Vol.2008,No.18,pp.127-134,Mar. 2008. Yasue Kishino, Yasushi Sakurai, Koji Kamei, Yutaka Yanagisawa, Takuya Maekawa, and Takeshi Okadome, "Data Gathering in High-Density Wireless Sensor Networks Using Hierarchical Clustering", Proc. of IEEE International Symposium on Wireless Communication Systems(ISWCS 2008), pp.547-551,Oct. 2008. R. T. Ng and J. Han, "Efficient and Effective Clustering Methods for Spatial Data Mining"、in Proc. of VLDB'94, pp.144-155, 1994.
一般に、センサノードが高密度に配置されたセンサネットワークでは、多数のセンサノードから少ない遅延でデータを基地局に収集することが課題となる。ここで遅延とは、センサノードの周囲状況が変化して新たなセンサデータがセンシングされてから基地局にデータが到達するまでの遅延をさす。また、センサノードは周囲状況が変化したときにのみセンサデータを送信するものとする。
非特許文献１や非特許文献２で開示されている手法は、前述のとおり、階層的にクラスタを生成してネットワークトポロジを決定することにより、少ない遅延でセンサデータを収集しようとするものである。この手法によれば、階層ごとに異なる無線通信チャネルを予め割り当てられており、同一階層の各クラスタでは同一無線通信チャネルが用いられるが、センサノードが均等に配置されている場合には、概ね平衡な木構造を生成できる。このため、近隣のセンサノードとの電波の衝突により通信エラーが発生する可能性も低い。
しかしながら、上記手法では、電波の衝突といった無線通信の特性を十分に考慮していないため、クラスタ構成によっては余分な遅延が生じる可能性があった。例えば、センサノードが偏って配置された環境では、クラスタ内のセンサノードの数が均一にならないため、センサノードの配置密度が高い部分では電波の衝突が発生しやすくなり、結果として遅延が大きくなるという問題点があった。また、電波を遮るものが多く電波の減衰の度合いが通信パスごとに異なるような環境では、無線の衝突が多くなるようなクラスタリングを行ってしまう可能性があった。さらに、効率的なデータ収集が行えるネットワークトポロジが生成できたとしても、クラスタリングに長い計算時間がかかっては、実際の状況で本発明を使うことが難しくなるという問題点があった。
本発明はこのような課題を解決するためのものであり、センサノードが偏って配置された環境や、電波の減衰の度合いが通信パスごとに異なる環境においても、すべてのセンサノードから効率よくデータを収集できるセンサネットワークを構築可能なセンサデータ収集システムを提供することを目的としている。
このような目的を達成するために、本発明にかかるセンサデータ収集システムは、センサにより周囲状況をセンシングして得たセンサデータを無線通信で送受信する複数のセンサノードと、これら複数のセンサノードからなるクラスタが１つ以上含まれる階層で階層化することにより各センサノード間を結ぶセンサネットワークを構築するセンサネットワーク構築装置と、センサネットワークを用いて各センサノードのセンサデータを収集する基地局とを含み、各センサノードがそれぞれ子ノードまたは親ノードとして動作して、１つ以上の子ノードと１つの親ノードとから各クラスタを構成し、当該親ノードが当該クラスタ内のセンサノードで得られたセンサデータを当該階層に固有の無線通信チャネルを介して収集し、当該親ノードが１つ上位の階層のクラスタの子ノードとして動作するとともに、基地局が最上位階層を構成する１つのクラスタの親ノードとして動作することにより、すべてのセンサノードで得られたセンサデータを基地局で収集するセンサデータ収集システムであって、ネットワーク構築装置は、各センサノードで検出した、当該センサノードと他のセンサノードとの間で無線通信可能な最小送信電波強度値を、これらセンサノード間の距離としてセンサネットワークを介して収集するノード間距離収集装置と、任意の階層に含まれるクラスタごとに、当該親ノードが当該各子ノードからセンサデータを無線通信を介して収集する際に生じるクラスタ遅延量を推定し、これらクラスタ遅延量を合計することにより、当該階層におけるデータ収集効率を示す遅延評価値を算出する遅延評価値算出装置と、任意の階層に属する各子ノードを、予め選択した当該階層の親ノードのうち当該子ノードと最短距離にある親ノードのクラスタへ割り当てた後、任意のクラスタのうち当該親ノードから距離が短い順に他のクラスタの子ノードを選択して当該親ノードのクラスタへ配置換えすることにより新たなクラスタ構成を生成し、当該階層のこれら新たなクラスタ構成のうち遅延評価値が最も小さいクラスタ構成を当該階層のクラスタ構成として決定するクラスタリング処理装置とを備えている。
この際、遅延評価値算出装置で、任意のクラスタでセンサデータ収集時に行われる無線通信について、無線通信の衝突が発生しない際に生じる正常時遅延量に、無線通信の衝突が発生してセンサデータの再収集が行われた際に生じる衝突時遅延量を加算することにより、当該クラスタでのセンサデータ収集時に生じるクラスタ遅延量を推定することようにしてもよい。
また、遅延評価値算出装置で、階層のクラスタのうち、配置換え前後の両クラスタ内で行われる無線通信を受信可能なセンサノードを含むクラスタであって、かつ配置換え候補として選択された子ノードのうち配置換え前後のクラスタの両親ノードと無線通信可能な子ノードが存在するクラスタを選択し、これらクラスタに関するクラスタ遅延量を推定して合計することにより当該階層の遅延評価値を算出するようにしてもよい。
また、クラスタリング処理装置で、最下位層から順にそれぞれの階層におけるクラスタ構成を決定し、最下位層より上位に位置する任意の階層についてクラスタ構成を決定する際、最下位から当該階層直下までの各階層で親ノードとして選択されていない未選択センサノードのうちから当該階層の親ノードを選択するようにしてもよい。
また、子ノードに、当該親ノードとの間で所定期間以上通信できない場合、最上位階層より下位の各階層で用いる無線通信チャネルを用いて通信可能な親ノードを探索し、見つかった通信可能な親ノードのうち当該子ノードとの間の距離が最も短い親ノードを当該子ノードの新たな親ノードとして切り替える親ノード切替装置を備えてもよい。
本発明にかかるセンサネットワーク構築装置は、センサにより周囲状況をセンシングして得られたセンサデータを無線通信で送受信する複数のセンサノードと、複数のセンサノードからなるクラスタが１つ以上含まれる階層で階層化されたセンサネットワークを構築するセンサネットワーク構築装置と、センサネットワークを用いて各センサノードのセンサデータを収集する基地局とを含み、各センサノードがそれぞれ子ノードまたは親ノードとして動作して、１つ以上の子ノードと１つの親ノードとから各クラスタを構成し、当該親ノードが当該クラスタ内のセンサノードで得られたセンサデータを当該階層に固有の無線通信チャネルを介して収集し、当該親ノードが１つ上位の階層のクラスタの子ノードとして動作するとともに、基地局が最上位階層を構成する１つのクラスタの親ノードとして動作することにより、すべてのセンサノードで得られたセンサデータを基地局で収集するセンサデータ収集システムで用いられるセンサネットワーク構築装置であって、各センサノードで検出した、当該センサノードと他のセンサノードとの間で無線通信可能な最小送信電波強度値を、これらセンサノード間の距離としてセンサネットワークを介して収集するノード間距離収集装置と、任意の階層に含まれるクラスタごとに、当該親ノードが当該各子ノードからセンサデータを無線通信を介して収集する際に生じるクラスタ遅延量を推定し、これらクラスタ遅延量を合計することにより、当該階層におけるデータ収集効率を示す遅延評価値を算出する遅延評価値算出装置と、任意の階層に属する各子ノードを、予め選択した当該階層の親ノードのうち当該子ノードと最短距離にある親ノードのクラスタへ割り当てた後、任意のクラスタのうち当該親ノードから距離が短い順に他のクラスタの子ノードを選択して当該親ノードのクラスタへ配置換えすることにより新たなクラスタ構成を生成し、当該階層のこれら新たなクラスタ構成のうち遅延評価値が最も小さいクラスタ構成を当該階層のクラスタ構成として決定するクラスタリング処理装置とを備えている。
また、本発明にかかるセンサノードは、センサにより周囲状況をセンシングして得たセンサデータを無線通信で送受信する複数のセンサノードと、これら複数のセンサノードからなるクラスタが１つ以上含まれる階層で階層化することにより各センサノード間を結ぶセンサネットワークを構築するセンサネットワーク構築装置と、センサネットワークを用いて各センサノードのセンサデータを収集する基地局とを含み、各センサノードがそれぞれ子ノードまたは親ノードとして動作して、１つ以上の子ノードと１つの親ノードとから各クラスタを構成し、当該親ノードが当該クラスタ内のセンサノードで得られたセンサデータを当該階層に固有の無線通信チャネルを介して収集し、当該親ノードが１つ上位の階層のクラスタの子ノードとして動作するとともに、基地局が最上位階層を構成する１つのクラスタの親ノードとして動作することにより、すべてのセンサノードで得られたセンサデータを基地局で収集するセンサデータ収集システムで用いられるセンサノードであって、当該親ノードとの間で所定期間以上通信できない場合、最上位階層より下位の各階層で用いる無線通信チャネルを用いて通信可能な親ノードを探索し、見つかった通信可能な親ノードのうち当該子ノードとの間の距離が最も短い親ノードを当該子ノードの新たな親ノードとして切り替える親ノード切替装置を備えている。
また、本発明にかかるセンサネットワーク構築方法は、センサにより周囲状況をセンシングして得られたセンサデータを無線通信で送受信する複数のセンサノードと、複数のセンサノードからなるクラスタが１つ以上含まれる階層で階層化されたセンサネットワークを構築するセンサネットワーク構築装置と、センサネットワークを用いて各センサノードのセンサデータを収集する基地局とを含み、各センサノードがそれぞれ子ノードまたは親ノードとして動作して、１つ以上の子ノードと１つの親ノードとから各クラスタを構成し、当該親ノードが当該クラスタ内のセンサノードで得られたセンサデータを当該階層に固有の無線通信チャネルを介して収集し、当該親ノードが１つ上位の階層のクラスタの子ノードとして動作するとともに、基地局が最上位階層を構成する１つのクラスタの親ノードとして動作することにより、すべてのセンサノードで得られたセンサデータを基地局で収集するセンサデータ収集システムで用いられるセンサネットワーク構築方法であって、センサネットワーク構築装置のノード間距離収集装置が、各センサノードで検出した、当該センサノードと他のセンサノードとの間で無線通信可能な最小送信電波強度値を、これらセンサノード間の距離としてセンサネットワークを介して収集するノード間距離収集ステップと、センサネットワーク構築装置の遅延評価値算出装置が、任意の階層に含まれるクラスタごとに、当該親ノードが当該各子ノードからセンサデータを無線通信を介して収集する際に生じるクラスタ遅延量を推定し、これらクラスタ遅延量を合計することにより、当該階層におけるデータ収集効率を示す遅延評価値を算出する遅延評価値算出ステップと、センサネットワーク構築装置のクラスタリング処理装置が、任意の階層に属する各子ノードを、予め選択した当該階層の親ノードのうち当該子ノードと最短距離にある親ノードのクラスタへ割り当てた後、任意のクラスタのうち当該親ノードから距離が短い順に他のクラスタの子ノードを選択して当該親ノードのクラスタへ配置換えすることにより新たなクラスタ構成を生成し、当該階層のこれら新たなクラスタ構成のうち遅延評価値が最も小さいクラスタ構成を当該階層のクラスタ構成として決定するクラスタリング処理ステップとを備えている。
また、本発明にかかる親ノード切替方法は、センサにより周囲状況をセンシングして得たセンサデータを無線通信で送受信する複数のセンサノードと、これら複数のセンサノードからなるクラスタが１つ以上含まれる階層で階層化することにより各センサノード間を結ぶセンサネットワークを構築するセンサネットワーク構築装置と、センサネットワークを用いて各センサノードのセンサデータを収集する基地局とを含み、各センサノードがそれぞれ子ノードまたは親ノードとして動作して、１つ以上の子ノードと１つの親ノードとから各クラスタを構成し、当該親ノードが当該クラスタ内のセンサノードで得られたセンサデータを当該階層に固有の無線通信チャネルを介して収集し、当該親ノードが１つ上位の階層のクラスタの子ノードとして動作するとともに、基地局が最上位階層を構成する１つのクラスタの親ノードとして動作することにより、すべてのセンサノードで得られたセンサデータを基地局で収集するセンサデータ収集システムで用いられる親ノード切替方法であって、子ノードが、当該親ノードとの間で所定期間以上通信できない場合、最上位階層より下位の各階層で用いる無線通信チャネルを用いて通信可能な親ノードを探索するステップと、子ノードが、見つかった通信可能な親ノードのうち当該子ノードとの間の距離が最も短い親ノードを当該子ノードの新たな親ノードとして切り替えるステップとを備えている。
本発明によれば、任意の階層における試行中のクラスタ構成を評価する際、各クラスタの親ノードが当該クラスタ内の子ノードから無線通信を介してセンサデータを収集する際に生じる遅延量を推定し、これらクラスタの遅延量を合計して得られた遅延評価値を、当該階層におけるデータ収集効率を示す評価値として用いるようにしたので、近隣のセンサノードとの電波の衝突による遅延が少ないクラスタ構成をより高く評価することができる。これにより、センサノードが偏って配置された環境や、電波の減衰の度合いが通信パスごとに異なる環境においても、少ない遅延量で、すべてのセンサノードから効率よくデータを収集することが可能となる。
本発明の第１の実施の形態にかかるセンサデータ収集システムの構成を示すブロック図である。 センサノードの構成例を示すブロック図である。 基地局の構成例を示すブロック図である。 ネットワーク構築装置の構成例を示すブロック図である。 センサネットワークの階層クラスタ構造例を示す説明図である。 本実施の形態にかかるセンサデータ収集システムのデータ集約処理を示すフローチャートである。 階層クラスタ構造の一例を示すトポロジである。 クラスタ構成例である。 データ収集処理のスケジュールを示すタイミングチャートである。 本発明の第１の実施の形態にかかるネットワーク構築装置におけるクラスタ分割処理を示すフローチャートである。 他のクラスタ構成例である。 本発明の第１の実施の形態にかかるネットワーク構築装置における階層的クラスタリング処理を示すフローチャートである。 センサデータ収集時の遅延測定結果である。 本発明の第２の実施の形態にかかるセンサノードの構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施の形態にかかるセンサノードの親ノード切替処理を示すフローチャートである。
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［第１の実施の形態］
まず、図１を参照して、本発明の第１の実施の形態にかかるセンサデータ収集システムについて説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態にかかるセンサデータ収集システムの構成を示すブロック図である。図２は、センサノードの構成例を示すブロック図である。図３は、基地局の構成例を示すブロック図である。図４は、ネットワーク構築装置の構成例を示すブロック図である。
このセンサデータ収集システム１は、無線通信網からなるセンサネットワーク５０で相互に接続された、複数のセンサノード１０、基地局２０、ネットワーク構築装置３０を含み、各センサノード１０のセンサでセンシングしたセンサデータを、センサネットワーク５０を介して基地局２０へ並行して収集する機能を有している。このうち、ネットワーク構築装置３０については、センサネットワーク５０の構築時にのみ必要となる構成であり、その後のセンサデータ収集時には不要となる。また、このネットワーク構築装置３０の機能を基地局２０で実現してもよい。
センサノード１０には、図２に示すように、周囲の状況をセンシングしセンサデータとして出力するセンサ１１と、センサ１１から出力されるセンサデータに変化があったことをイベントとして検出するセンサイベント検出装置１２と、無線通信用送信キューとして送信すべきセンサデータを記憶するセンサデータ記憶装置１４と、センサイベント検出装置１２でイベントを検出した際のセンサデータを処理してセンサデータ記憶装置１４へ保存するセンサデータ処理装置１３と、他のセンサノード１０や基地局２０と無線通信を行うことによりセンサデータなどの各種データを送受信するとともに、送信電波の強度を多段階に調整でき、他センサノードとの間で最小送信電波強度を検出する無線通信装置１５とが設けられている。
センサノード１０を構成するセンサ１１、センサイベント検出装置１２、センサデータ処理装置１３、センサデータ記憶装置１４、および無線通信装置１５については、それぞれ別個の装置から実現した場合を例として説明するが、これらのうち複数の装置を１つの装置で実現してもよい。また、これら装置での内部処理については、専用の信号処理回路で実現してもよく、コンピュータでＣＰＵなどの演算処理装置とプログラムとを協働させてなる個々の機能処理装置で実現してもよい。
基地局２０には、図３に示すように、センサノード１０と無線通信を行うことによりセンサデータなどの各種データを送受信する無線通信装置２１と、無線通信装置２１で受信したセンサデータを集約して上位装置（図示せず）へ出力する受信データ処理装置２２とが設けられている。
基地局２０を構成する無線通信装置２１および受信データ処理装置２２については、それぞれ別個の装置から実現した場合を例として説明するが、これらのうち複数の装置を１つの装置で実現してもよい。また、これら装置での内部処理については、専用の信号処理回路で実現してもよく、コンピュータでＣＰＵなどの演算処理装置とプログラムとを協働させてなる個々の機能処理装置で実現してもよい。
ネットワーク構築装置３０には、図４に示すように、主な構成として、無線通信装置３１、ノード間距離収集装置３２、遅延評価値算出装置３３、クラスタリング処理装置３４、およびネットワーク設定装置３５が設けられている。
無線通信装置３１は、センサノード１０と無線通信を行うことによりセンサデータなどの各種データを送受信する機能を有している。
ノード間距離収集装置３２は、各センサノード１０で検出した当該センサノードと他のセンサノードとの間で無線通信可能な最小送信電波強度値を、これらセンサノード間の距離としてセンサネットワーク５０を介してそれぞれ収集する機能を有している。
遅延評価値算出装置３３は、任意の階層に含まれるクラスタごとに、当該親ノード（クラスタヘッド）が当該各子ノードからセンサデータを無線通信を介して収集する際に生じる遅延量を推定する機能と、これらクラスタの遅延量を合計することにより、当該階層におけるデータ収集効率を示す遅延評価値を算出する機能とを有している。
クラスタリング処理装置３４は、任意の階層に属する各子ノードを、予め選択した当該階層の親ノードのうち当該子ノードと最短距離にある親ノードのクラスタへ割り当てる機能と、任意のクラスタのうち当該親ノードから距離が短い順に他のクラスタの子ノードを選択して当該親ノードのクラスタへ配置換えすることにより新たなクラスタ構成を生成する機能と、当該階層のこれら新たなクラスタ構成のうち遅延評価値が最も小さいクラスタ構成を当該階層のクラスタ構成として決定する機能と、各階層のクラスタ構成を決定することによりセンサネットワーク全体のトポロジを構成する機能とを有している。
ネットワーク設定装置３５は、このトポロジに基づいて個々のセンサノード１０に関する通信相手情報と当該通信相手センサノードに関する距離とを、センサネットワーク５０を介して各センサノード１０へ通知する機能を有している。
ネットワーク構築装置３０を構成する無線通信装置３１、ノード間距離収集装置３２、遅延評価値算出装置３３、クラスタリング処理装置３４、およびネットワーク設定装置３５については、それぞれ別個の装置から実現した場合を例として説明するが、これらのうち複数の装置を１つの装置で実現してもよい。また、これら装置での内部処理については、専用の信号処理回路で実現してもよく、コンピュータでＣＰＵなどの演算処理装置とプログラムとを協働させてなる個々の機能処理装置で実現してもよい。
これにより、センサノード１０では、周囲の状況の変化によるセンサデータの変化がイベントとしてセンサデータ処理装置１３により検出されると、その変化を示すセンサデータが無線通信装置１５を介して基地局２０へ送信される。基地局２０では、このようにして各センサノード１０でセンシングしたセンサデータを無線通信装置２１で受信し、受信データ処理装置２２で集約して出力する。
［センサネットワーク］
次に、図５を参照して、本実施の形態にかかるセンサデータ収集システムのセンサネットワークについて説明する。図５は、センサネットワークの階層クラスタ構造例を示す説明図である。
センサネットワーク５０は、複数の階層を有するとともに、階層ごとに１つ以上のクラスタが設けられている階層クラスタ構造をなしている。
図５の例では、最下位階層ＬL、中間階層ＬM、最上位階層ＬHの３つの階層から構成されており、これら階層ごとに１つ以上のセンサノード１０からなるクラスタが１つ以上設けられている。なお、実際のセンサネットワーク５０において、階層数は３に限定されるものではなく、少なくとも最下位階層ＬL、最上位階層ＬHの２つの階を含み、センサノード１０の数やクラスタの数に応じて、中間階層ＬMを増加させればよい。
最下位階層ＬLでは、各センサノード１０は位置的に近くに存在する他のセンサノード１０とともにクラスタをそれぞれ生成し、クラスタごとにその中の１台のセンサノード１０にデータを集約する。各クラスタにおいてデータが集約されるセンサノード１０を当該クラスタの親ノードと定義する。また、各クラスタに属するセンサノード１０のうち親ノード以外のセンサノード１０を子ノードという。
各クラスタ内の無線通信については、当該クラスタの子ノードから親ノードにセンサデータが送信できれば十分であるため、無線送信の電波強度を制限して微弱な電波で無線通信を行うことができる。これにより、クラスタ間での電波の干渉を低減でき、各クラスタにおいて並行してデータ収集を行うことが可能となる。
中間層ＬMおよび最上位階層ＬHのクラスタの子ノードは、１段下の階層における各クラスタの親ノードから構成されており、階層ごとにこのようなクラスタ構成が繰り返し形成されている。これにより、階層が上がるごとにそれぞれのクラスタでデータが順次集約される。
最上位階層ＬHのクラスタは、基地局２０を親ノードとする１つのクラスタから構成されており、このクラスタの子ノードは、中間層ＬMの各クラスタの親ノードから構成されている。このため、最終的には最上位階層ＬHの基地局２０に対してすべてのセンサノード１０からセンサデータが集約される。
また、この階層クラスタ構造では、各階層で異なる通信チャネルを使用する。図５の例では、最下位階層ＬL、中間階層ＬM、最上位階層ＬHごとに、通信チャネルＣｈL，ＣｈM，ＣｈHを用いる。これにより、階層間での無線通信の干渉がなくなり、各階層で独立してデータを収集できる。
本実施の形態では、このような階層クラスタ構造を用いることで、各センサノード１０でセンシングしたセンサデータを少ない遅延で並行して効率よく収集している。これにより、ポーリングを用いる手法とは異なり、効率よくデータが収集できる。また、時分割多重を用いる方法と異なり、実装もシンプルで容易に導入可能である。
なお、本実施の形態では、通信帯域が溢れるほどのデータは発生しないものとする。また、センサノード間の距離は、位置取得センサを用いるのではなく、電波の強度を利用して計測するものとする。具体的には、あるセンサノードから送信電波強度を変化させて複数のパケットを送信し、受信側では、受け取ったパケットのうち最小の電波強度を距離とする。
［データ収集方法］
次に、図６および図７を参照して、本実施の形態にかかるセンサデータ収集システムのデータ集約方法について説明する。図６は、本実施の形態にかかるセンサデータ収集システムのデータ集約処理を示すフローチャートである。図７は、階層クラスタ構造の一例を示すトポロジである。
最下位階層ＬLのクラスタでは、各子ノードの持つセンサデータを親ノードに集約する。この際、親ノードは、まず、無線通信装置１５において通信チャネルとして最下位階層ＬLのチャネルＣｈLを選択し、クラスタ内の子ノードへデータ要求メッセージを送信する。子ノードは、無線通信装置１５において通信チャネルとしてチャネルＣｈLを選択しており、親ノードからデータ要求メッセージを受信した子ノードは、その時点で自身の送信キューに格納されているセンサデータを親ノードへ送信する。送信キューが空であれば、何も送信しない。
親ノードは、無線通信装置１５により各子ノードからデータを受信して収集した後、通信チャネルを１段上の中間階層ＬMのチャネルＣｈLに切り替え、この中間階層ＬMの親ノードからデータ要求メッセージが送られるのを待つ。データ要求を受信すると、親ノードは、最下位階層ＬLの子ノードから収集したセンサデータを、前述した最下位階層ＬLの子ノードと同様にして中間階層ＬMの親ノードへ送信する。このようにして、すべての階層のクラスタでこの処理が繰り返し実行され、最上位階層ＬHにある基地局２０にデータが集約される。また、各階層の親ノードも他の子ノードと同じくセンシングを行っているため、子ノードから収集したセンサデータを上位階層へ送信する際、自身がセンシングしたセンサデータも付加して送信する。
次に、図６を参照して、任意の階層に属するセンサノードのデータ集約処理について説明する。図６において、最下位階層ＬLから上にｍ番目の階層におけるｉ番目の子ノードをＮciとし、その親ノードをＮpとし、当該階層で用いる通信チャネルをＣｈmとし、１段上のｍ＋１番目の階層で用いる通信チャネルをＣｈm+1とし、子ノードＮciへの送信電波強度をＥciとし、親ノードＮpへの送信電波強度をＥpとする。
センサノード１０は、ループ１として、ループ２を含むステップ１０１〜１０７を繰り替えし実行している。ループ１では、まず、センサデータ処理装置１３により、センサイベント検出装置１２でイベントを検出した際のセンサデータを処理して送信キューであるセンサデータ記憶装置１４へ追加保存し（ステップ１０１）、無線通信装置１５により、通信チャネルをＣｈmに設定し（ステップ１０２）、子ノード選択用変数ｉを０に初期化する（ステップ１０３）。
次に、センサノード１０は、変数ｉが子ノード数ｎに達するまで、ステップ１１１〜１１５からなるループ２を繰り返し実行する。ループ２では、まず、無線通信装置１５により、送信電波強度をＥciに設定し（ステップ１１１）、子ノードＮciに対してデータ要求メッセージを送信した後（ステップ１１２）、子ノードＮciからのデータ受信待ちとなる（ステップ１１３）。
ここで、所定の待ち時間が経過するまでに子ノードＮciからデータを受信した場合（ステップ１１３：ＹＥＳ）、無線通信装置１５により、その受信データを送信キューへ追加保存し（ステップ１１４）、変数ｉを１だけ加算する（ステップ１１５）。また、ステップ１１３において、データ要求メッセージの送信から待ち時間が経過するまでに子ノードＮciからデータを受信できなかった場合（ステップ１１３：ＮＯ）、ステップ１１５へ移行する。
このようにして、すべての子ノードについてループ２を繰り返し実行することにより、各子ノードからセンサデータを収集して送信キューに保存した後、センサノード１０は、無線通信装置１５により、通信チャネルをＣｈm+1に設定するとともに（ステップ１０４）、送信電波強度をＥpに設定し（ステップ１０５）、親ノードＮpからのデータ要求メッセージの受信待ちとなる（ステップ１０６）。
ここで、所定の待ち時間が経過するまでに親ノードＮpからのデータ要求メッセージを受信した場合（ステップ１０６：ＹＥＳ）、無線通信装置１５により、送信キューに保存されている各子ノードから収集したセンサデータ、さらには自身でセンシングしたセンサデータを親ノードＮpへ送信し（ステップ１０７）、ループ１の先頭であるステップ１０１へ戻る。また、ステップ１０６において、待ち時間が経過するまでに親ノードＮpからのデータ要求メッセージを受信できなかった場合（ステップ１０６：ＮＯ）、ループ１の先頭であるステップ１０１へ戻る。
したがって、このデータ集約処理では、各センサノードにおいて、自身のセンシング結果と他のセンサノードから受信したセンシング結果がセンサデータ記憶装置１４の中の送信キューで管理され、送信要求があったときには送信キューに保存されているセンサデータがすべて送信される。また、ループ２のデータ収集処理とステップ１０２の通信チャネル変更処理については、子ノードが存在するときにだけ実行される処理であり、当該センサノードが子ノードを持たない場合、これら処理は実行されない。
次に、図７を参照して、センサデータの集約手順の具体例について説明する。図７のトポロジ例では、階層Ｌ1に、センサノードＡ，Ｂ，ＥからなるクラスタＣＬ11と、センサノードＣ，Ｄ，ＦからなるクラスタＣＬ12が設けられており、このうちセンサノードＥ，Ｆがそれぞれの親ノードである。また階層Ｌ2に、センサノードＥ，Ｆ，ＧからなるクラスタＣＬ21が設けられており、センサノードＧが親ノードである。また階層Ｌ3には、センサノードＧ，Ｈ，ＩからなるクラスタＣＬ31が設けられており、このうちセンサノードＩが親ノードである。また、階層Ｌ1，Ｌ2，Ｌ3では、通信チャネルとして、それぞれ異なるチャネルＣｈ1，Ｃｈ2，Ｃｈ3を用いる。
このようなトポロジでは、次のようなステップ（ａ）〜（ｃ）でセンサデータを集約する。
（ａ）センサノードＡとセンサノードＢはセンサノードＥへチャネルＣｈ1でセンサデータを集約し、センサノードＣとセンサノードＤはセンサノードＦへチャネルＣｈ1でセンサデータを集約する。
（ｂ）センサノードＥとセンサノードＦは、それぞれの子ノードからチャネルＣｈ1でデータを集約し終えると通信チャネルをチャネルＣｈ2に切り替え、センサノードＧへセンサデータを集約する。
（ｃ）センサノードＧとセンサノードＨは、それぞれの子ノードからチャネルＣｈ2でデータを集約し終えると通信チャネルをチャネルＣｈ3に切り替え、センサノードＩにデータを集約する。
図７のトポロジでは２分木を例としているが、クラスタ内のセンサノード数は通信の効率を考慮して最適な値を決めるものとする。
［遅延推定方法］
次に、図８および図９を参照して、前述したデータ収集方法により、無線通信を介してセンサデータを収集する際に発生する遅延を推定する方法について説明する。図８は、クラスタ構成例である。図９は、データ収集処理のスケジュールを示すタイミングチャートである。
ある階層においてクラスタｉで生じる遅延量ｌiを、次の式（１）のように定義する。ここで、ＮXはセンサノードＸの子孫センサノードの個数、Ｐiはクラスタｉの親ノード、ＴiはＰiが自身の子ノードにデータを要求する周期の見積り値、Ｃi,aはクラスタiのａ番目の子ノード、Ｃj,bはクラスタｉのｂ番目の子ノード、ｆ（Ｘa，Ｘb，Ｘc）はセンサノードＸaからセンサノードＸbに送信されたパケットをセンサノードＸcが受信できるかを判別する関数、ｑi,jは無線通信の衝突が発生する確率、ｎはこの階層のクラスタの個数、ｍiはｉ番目のクラスタの子ノードの数である。最上位階層では、Ｎroot＋１は全センサノード数を意味する。
Figure 2010166150
式（１）における判別関数ｆ（Ｘa，Ｘb，Ｘc）は次の式（２）のように定義する。ここで、ｄ（Ｘa，Ｘb）は、センサノードＸaからセンサノードＸbへの距離（最小送信電波強度値）を意味する。
Figure 2010166150
また、式（１）における衝突発生確率ｑi,jは、次の式（３）のように定義する。ここで、ｔは親ノードが子ノードに対してセンサデータの要求とセンサデータの収集を行うのに必要な通信時間である。
Figure 2010166150
また、式（１）における周期見積り値Ｔiは、次の式（４）のように定義する。ここで、Ｐiは１つ上位の階層において、ｊ番目のクラスタに所属しているものとする。最上位階層では親ノードは常に子ノードと通信が行えるため、Ｔ0＝ｍ0ｔとなる。
Figure 2010166150
本実施の形態では、任意のクラスタにおけるセンサデータ収集にかかる遅延について、前述した式（１）に示すように、無線通信の衝突がない場合にデータを集める際に生じる遅延（正常時遅延量）に、衝突が起こった場合に追加で発生する遅延と衝突の確率を掛け合わせて得られた遅延（衝突時遅延量）を加算することにより、推定している。
まず、衝突がなければ、クラスタｉの親ノードＰiは、子ノードから平均値Ｔi／２の時間でデータを集められるため、クラスタｉ全体では、前述した式（１）の第１項に示すように、合計ＮPiＴi／２の遅延（正常時遅延量）が生じる。
また、前述した式（１）の第２項は、衝突が発生した際に期待される追加の遅延（衝突時遅延量）に関するものである。無線の衝突によって、親ノードＰiが、ある子ノードからデータを収集できなかった場合には、その子ノードを介して収集されるデータのすべてに対して、さらにＴiの遅延が発生する。
この遅延は、クラスタｉとクラスタｊのそれぞれ１つの子ノードからデータを収集する通信が同時に発生した際に生じるものであり、衝突する確率はｔ／Ｔiとｔ／Ｔjを掛け合わせることで求められる。親ノードＰiで衝突が発生する場合は、子ノードのどれと通信を行っているときでも衝突する可能性があるため、確率をｍi倍している。
図８のクラスタ構成例では、親ノードＰ1のクラスタＣＬ1内に、子ノードＣ1,1，Ｃ1,2，Ｃ1,3，Ｃ1,4が配置されており、親ノードＰ2のクラスタＣＬ2内に、子ノードＣ2,1，Ｃ2,2，Ｃ2,3が配置されている。この際、Ｃ1,2とＣ2,3は、互いのクラスタの無線通信圏内に存在している。このため、クラスタＣＬ1の子ノードＣ1,2がクラスタＣＬ2のクラスタ内通信のうちＣ2,3からＰ2への無線通信とＰ2からＣ2,3への無線通信を受信でき、Ｃ2,3もＣ1,2からＰ1への無線通信を受信できることとする。
このようなクラスタ構成において、図９のようなスケジュールで無線通信が行われたものとする。クラスタＣＬ1では、まず、親ノードＰ1が子ノードＣ1,1、Ｃ1,2、Ｃ1,3、Ｃ1,4と無線通信チャネルＷkで順にセンサデータを要求して収集する。続いて、親ノードＰ1は、上位階層で子ノードとなって動作するため通信チャネルを上位階層のＷk−１に変更して、上位階層の親ノードからセンサデータを要求されるのを待ち、この後、一定時間が経過するか、または親ノードにセンサデータを収集されると、下位階層の無線通信チャネルＷkへ切り替えて、子ノードＣ1,1、Ｃ1,2、Ｃ1,3、Ｃ1,4へのデータ要求を再開する。
式（１）では、このような親ノードＰ1による一巡のデータ収集動作にかかる所要時間の平均をＴ1としている。
前述したように、図８のクラスタ構成例では、Ｃ1,2とＣ2,3は、互いに相手の無線通信を受信できる位置に存在している。このため、図９のようなスケジュールに従って、これらＣ1,2とＣ2,3がそれぞれの親ノードＰ1，Ｐ2との無線通信を同時に行うと、無線通信の衝突が起こる。
このような衝突が発生すると、親ノードは、その際のデータ収集に失敗するため、Ｃ1,2ではＴ1，Ｃ2,3ではＴ2の遅延が発生する。この衝突は、Ｔ1の間にｔの時間を占める通信と、Ｔ2の間にｔの時間を占める通信が同時に起こった場合に発生するため、このようなクラスタＣＬi，ＣＬj間において、無線通信の衝突が発生する確率ｑi,jは、前述した式（３）のように計算される。
クラスタＣＬ2において、Ｃ2,3はＣ1,2からＰ1への通信は聞こえるが、Ｐ1からＣ1,2への通信は聞こえないため、衝突の確率は半分になる。衝突が親ノードＰ1で発生する場合は、どの子ノードと通信しているときでも衝突が発生する可能性があるため、確率をｍ1倍する。
このようにして定義した見積りの遅延を用いて、ある階層のデータ収集の効率のよさを評価する評価関数Ｇを次の式（５）のように定義する。ここで、ｎはこの階層のクラスタの個数、ｍiはｉ番目のクラスタの子ノードの数である。
Figure 2010166150
また、前述した式（１）から明らかなように、遅延を見積もる際には、各子ノードと親ノードの通信がお互いに衝突するかをすべて調べる必要があるため、計算量が多くなる。本実施の形態にかかる手法では、予め各センサノードから他のセンサノードへの距離をソートしたデータを用いて、任意のセンサノード間の無線通信を他センサノードで受信できるかを判別する判別関数ｆがｆ＝０となる部分の計算を避けることで、計算の効率化を図っている。また、各階層における遅延ｌ0，ｌ1，…，ｌnを同時に計算することで、計算の繰り返しの回数を減らし、計算を高速化できる。
［クラスタリング方法］
次に、本実施の形態にかかるネットワーク構築装置３０における、センサノードのクラスタリング方法について説明する。
本実施の形態では、データ収集の際の遅延が少なくなるようにセンサノードをクラスタリングしてネットワークトポロジを決定する。クラスタリングの際に、クラスタ間の重複が多いと通信の衝突が頻繁に発生するため、遅延が大きくなる。また、センサノードの割り振りに偏りが大きく、センサノードが特定のクラスタに集中すると、このクラスタでのデータ収集で大きな遅延が発生する。本実施の形態では、できるだけ無線の衝突が少なく、子ノードの数が公平になるようなクラスタリング方法の具体例として、クラスタ分割方法、クラスタ分割の高速化、階層的クラスタリング方法について説明する。
［クラスタ分割方法］
前述のような非特許文献１のような既存の手法では、任意の階層において、子ノードは最も距離が短いところにある親ノードのクラスタに所属することになる。しかし、単純に最短距離でクラスタリングするだけでは、偏って子ノードが配置される場合があり、これによりデータ収集の遅延が増加したり、通信の衝突の頻度が増加する可能性がある。
これに対して、本実施の形態では、任意の階層において、最短距離にある親ノードのクラスタへセンサノードを配置した後、子ノードの数の少ないクラスタへ他のクラスタから子ノードを配置換えすることで、さらに遅延が少なくなるように調整を行っている。
図１０は、本発明の第１の実施の形態にかかるネットワーク構築装置におけるクラスタ分割処理を示すフローチャートである。
図１０において、Ｐが全親ノードの集合、ｐがＰから選択した親ノード、Ｃが全子ノードの集合、Ｃeが配置換え候補となる子ノードの集合、ｃがＣeから選択した子ノード、Ｃnewが子ノードの新たな集合、Ｃ’が配置換え中のクラスタの子ノード集合、ｅが配置換えの候補の子ノード数、ｍがクラスタの子ノード数、ｍavgがクラスタ内の子ノードの個数の平均を意味する。
ネットワーク構築装置３０は、クラスタリング処理装置３４により、すべてのセンサノードのうち予め指定された親ノードのクラスタに対して、その他のセンサノードを子ノードとしてそれぞれ割り振って配置することで、クラスタ分割を行う。
まず、クラスタリング処理装置３４は、子ノード集合Ｃの各子ノードを、親ノード集合ｐ’のうち、当該子ノードと最も距離が近い親ノードのクラスタに配置する（ステップ２０１）。
この後、ループ１として、ループ２およびループ３を含むステップ２１１，２１２を、親ノード集合Ｐに含まれる親ノードｐごとに、繰り返し実行する。
ループ１において、クラスタリング処理装置３４は、まず、選択した親ノードｐのクラスタの子ノード数をｍに格納する（ステップ２１１）。ここで、ｍが平均子ノード数ｍavg以下の場合（ステップ２１２：ＮＯ）、ループ１により次の親ノードの処理へ移行する。
一方、ｍが子ノード数平均値ｍavgより大きい場合（ステップ２１２：ＹＥＳ）、ループ２として、ループ３を含むステップ２２１〜２２３を、ｍavgとｍの差分回数だけ繰り返し実行する。
ループ２において、クラスタリング処理装置３４は、まず、親ノードｐから距離が近い順に、他クラスタの子ノードをｅ個選択して、配置換え子ノード候補集合Ｃeへ格納し（ステップ２２１）、子ノード集合Ｃを子ノードの新たな集合Ｃnewへコピーする（ステップ２２２）。
この後、ループ３として、ステップ２３１〜２３５を、配置換え子ノード候補集合Ｃeに含まれる子ノードＣごとに、繰り返し実行する。
ループ３において、クラスタリング処理装置３４は、まず、選択した子ノードＣを親ノードｐのクラスタへ配置換えし（ステップ２３１）、当該クラスタの配置換え後の子ノード集合をＣ’とする（ステップ２３２）。
次に、クラスタリング処理装置３４は、当該階層における配置換え前後のクラスタ構成に関する遅延評価値であるＧ（Ｐ，Ｃ）とＧ（Ｐ，Ｃ’）とを遅延評価値算出装置３３で計算し、配置換え前と比較して配置換え後の遅延評価値が小さい場合にのみ（ステップ２３３：ＹＥＳ）、配置換え後の子ノード集合Ｃ’をＣnewに保存する（ステップ２３４）。また、配置換え前と比較して配置換え後の遅延評価値が大きい場合には（ステップ２３３：ＮＯ）、Ｃ’の保存は行わない。
この後、クラスタリング処理装置３４は、選択した子ノードｃを元のクラスタへ戻した後（ステップ２３５）、ループ３により次の子ノードの処理へ移行する。
配置換え子ノード候補集合Ｃe内のすべての子ノードｃについて、ループ３の処理が終了した場合、クラスタリング処理装置３４は、ループ２へ戻って、ＣnewをＣへ格納し（ステップ２２３）、ループ２により新たな配置換え候補子ノードの処理へ移行する。
また、ｍavgとｍの差分回数だけループ２の処理を繰り返し実行してループ２が終了した場合、クラスタリング処理装置３４は、ループ１により次の親ノードの処理へ移行する。
一方、親ノード集合Ｐに含まれる親ノードｐごとにループ１の処理を繰り返し実行して、ルーフ１が終了した場合、クラスタリング処理装置３４は、一連のクラスタ分割処理を終了する。
これにより、子ノードを配置換えした新たなクラスタ構成のうち、当該階層に関する遅延評価値が最も小さいクラスタ構成、すなわちセンサデータの収集時に発生しうる遅延が最も少ないクラスタ構成が、最終的に当該階層の子ノード集合Ｃとして選択されることになる。したがって、センサネットワークについて、本実施の形態にかかるクラスタ分割処理により、できるだけ無線通信の衝突が少なく、子ノードの数が公平になるようなトポロジを得ることが可能となる。
［クラスタ分割処理の高速化］
次に、前述したクラスタ分割処理の高速化について説明する。
子ノードを配置換えする際に、評価関数Ｇをすべてのクラスタについて計算して比較する処理を行うと、評価関数Ｇの計算に時間がかかるため、高速にクラスタリングを行えない。
本実施の形態では、任意の階層に含まれるすべてのクラスタのうち、特定の条件を満たすクラスタのみを対象として、当該階層の評価関数Ｇを計算して子ノードを配置換えするべきかを判定することで、クラスタ分割を高速化する。さらに、配置換えの候補となる子ノードを列挙する操作も、遅延推定処理の高速化のために用意した距離でソートしたデータを用いて高速化する。
評価関数Ｇの計算対象となるクラスタは、少なくとも次の２つの条件のいずれか一方を満たすクラスタものとする。
条件１：配置換えする子ノードの元のクラスタか新しいクラスタのどちらかのクラスタ内通信を受信できるセンサノードが１つ以上含まれるクラスタであること。
条件２：配置換えの候補となるセンサノードと配置換え前後のクラスタの親との間の通信を受信できるセンサノードが１つ以上含まれるクラスタであること。
図１１は、他のクラスタ構成例である。ここでは、子ノードＣ1,2をクラスタＣＬ1からクラスタＣＬ2へ配置換えするかを検討する場合について説明する。
図１１のクラスタ構成例では、親ノードＰ1のクラスタＣＬ1内に、子ノードＣ1,1，Ｃ1,2，Ｃ1,3，Ｃ1,4が配置されており、親ノードＰ2のクラスタＣＬ2内に、子ノードＣ2,1，Ｃ2,2が配置されており、親ノードＰ3のクラスタＣＬ3内に、子ノードＣ3,1，Ｃ3,2，Ｃ3,3が配置されており、親ノードＰ4のクラスタＣＬ4内に、子ノードＣ4,1，Ｃ4,2，Ｃ4,3が配置されており、親ノードＰ5のクラスタＣＬ5内に、子ノードＣ5,1，Ｃ5,2が配置されている。
この際、クラスタＣＬ4のＣ4,3が、Ｃ1,2の移動元クラスタＣＬ1のＰ1の無線通信圏内に存在しており、Ｐ2の無線通信を受信できることとする。また、クラスタＣＬ5のＰ1が、Ｐ2に対してＣ1,2より近い距離に存在しており、Ｃ1,2と移動先クラスタＣＬ2のＰ2との無線通信を受信できることとする。
このような場合には、評価関数Ｇの計算対象として、配置換え前後のクラスタとしてクラスタＣＬ1，ＣＬ2の他に、上記条件１を満たすクラスタとしてクラスタＣＬ4が挙げられ、上記条件２を満たすクラスタとしてクラスタＣＬ5が挙げられる。したがって、評価関数Ｇは、クラスタＣＬ1，ＣＬ2，ＣＬ4，ＣＬ5のみを用いて計算すればよく、クラスタＣＬ3に関する評価関数Ｇの計算を省くことが可能となる。
［階層的クラスタリング処理］
次に、前述した任意の階層におけるクラスタ分割処理を用いて階層的にクラスタを分割する階層的クラスタリング処理について説明する。
クラスタリングは、センサノードが移動するなど状況が変化したときにやり直す必要があるため、センサノードの数が増えたとしても、短時間で計算が終わる必要がある。そこで、非特許文献３に代表されるランダム探索アルゴリズムを取り入れる。既存のデータベース分野のクラスタリング手法の多くでは、各階層で子ノードの中から親ノードを選択している。
このような既存の手法を本発明のようなセンサノードネットワークに適用して、親ノードを子ノードの中から選択する操作を各階層で繰り返すと、ｋ階層目(ｋ≫１とする)の親ノードは、最下位層からｋ−１階層までのすべての子ノードからｋ−１個のチャネルを使ってデータを収集することになり、ボトルネックとなってしまう。
本実施の形態では、上記のような問題を解消するため、最下位層から最上位層に向けて順にそれぞれの階層におけるクラスタ構成を決定するものとし、最下位層より上位に位置する任意のｋ階層目についてクラスタ構成を決定する際、最下位から当該ｋ階層直下、すなわちｋ−１階層目までの各階層のうち、どの階層においても親ノードとして選択されていない未選択センサノードのうちから当該階層の親ノードを選択する。
図１２は、本発明の第１の実施の形態にかかるネットワーク構築装置における階層的クラスタリング処理を示すフローチャートである。
図１２において、Ｐkがｋ階層目の親ノードの集合、Ｐ’が試行中の親ノードの集合、Ｎが親ノードとして選択されていない全センサノードの集合、Ｃがクラスタリング中の階層の子ノード集合、ｋmaxが階層数、ｎkがｋ階層目のクラスタの個数、ｓが比較の最大回数を意味する。
ネットワーク構築装置３０は、クラスタリング処理装置３４により、まず、すべてのセンサノードを集合Ｎおよび集合Ｃへ代入し（ステップ３０１）、ループ１として、ループ２を含むステップ３１１〜３１５を、最下位の階層（ｋ＝１）から最上位の階層（ｋ＝ｋmax）まで、階層ごとに繰り返し実行する。
ループ１において、クラスタリング処理装置３４は、まず、集合Ｎからランダムに選択したｎk個のセンサノードを、当該階層ｋの親ノード集合Ｐkに格納する（ステップ３１１）。これにより、Ｎは親ノードとして選択されていないセンサノードの集合となる。
続いて、Ｐkの各センサノードを親ノードとして、集合Ｃの各子ノードを当該子ノードと最も距離が近い親ノードのクラスタに配置することにより、ｎk個のクラスタに集合Ｃを分割し（ステップ３１２）、得られたクラスタ構成に関するセンサノード入れ替え後の遅延評価値であるＧ（Ｐk，Ｃ）を遅延評価値算出装置３３で計算する（ステップ３１３）。
この後、ループ２として、ステップ３２１〜３２６を、ｓ回だけ繰り返し実行する。
ループ２において、クラスタリング処理装置３４は、まず、親ノード集合Ｐkを集合Ｐ’に代入し（ステップ３２１）、集合Ｐ’と集合Ｎから、１つずつセンサノードを選択して入れ替える（ステップ３２２）。
続いて、Ｐ’の各センサノードを親ノードとして、集合Ｃの各子ノードを当該子ノードと最も距離が近い親ノードのクラスタに配置することにより、ｎk個のクラスタに集合Ｃを分割し（ステップ３２３）、得られたクラスタ構成に関するセンサノード入れ替え後の遅延評価値であるＧ（Ｐ’，Ｃ）を遅延評価値算出装置３３で計算する（ステップ３２４）。
次に、クラスタリング処理装置３４は、当該階層における入れ替え前後のクラスタ構成に関する遅延評価値であるＧ（Ｐk，Ｃ）とＧ（Ｐ’，Ｃ）とを比較する。ここで、入れ替え前に比較して入れ替え後の遅延評価値が低い場合には（ステップ３２５：ＹＥＳ）、入れ替え後の親ノード集合Ｐ’をＰkに保存し（ステップ３２６）、ループ２の処理変数ｉを初期化して（ステップ３２７）、ループ２の処理をさらにｓ回繰り返し実行する。
一方、入れ替え前に比較して入れ替え後の遅延評価値が高い場合には（ステップ３３５：ＮＯ）、Ｐ’の保存は行わず、ループ２により新たな親ノードの入れ替え処理へ移行する。
また、ループ２において、同一Ｐkについてｓ回比較を繰り返しても、より低い遅延評価値を持つものが見つからず、ループ２が終了した場合、クラスタリング処理装置３４は、ループ２で得られた遅延評価値の小さい親ノード集合Ｐkを、当該ｋ階層における親ノード集合として確定する。
この後、ループ１へ戻って、親ノード集合Ｐkを、次に処理する１つ上位の階層における子ノード集合Ｃへ保存し（ステップ３１４）、集合Ｎから親ノード集合Ｐkを除外したものを、次に処理する１つ上位の階層における親ノード候補、すなわち親ノードとして選択されていない新たなセンサノード集合Ｎとして保存する（ステップ３１５）。
この後、クラスタリング処理装置３４は、ループ１により１つ上位の階層に関するクラスタリング処理へ移行する。
一方、ｋmax個のすべての階層ごとにループ１の処理を繰り返し実行して、ルーフ１が終了した場合、クラスタリング処理装置３４は、一連の階層化クラスタリング処理を終了する。
これにより、各階層において他のどの階層でも親ノードになっていないセンサノードを親ノードとして選択して、クラスタ構成を生成できる。したがって、各階層の親ノードが、１つの無線通信チャネルのみで、当該クラスタ内の各子ノードからセンサデータを収集できるトポロジを得ることが可能となる。なお、より効率のよいクラスタを探したい場合には、親ノードをランダムに探索する処理を何度か繰り返し、その中で遅延評価値Ｇが最小となるものを選択すればよい。
［第１の実施の形態の効果］
このように、本実施の形態では、センサネットワーク構築装置３０の遅延評価値算出装置３３により、任意の階層における試行中のクラスタ構成の評価値を算出する際、各クラスタの親ノードが当該クラスタ内の子ノードから無線通信を介してセンサデータを収集する際に生じるクラスタ遅延量を推定し、これらクラスタ遅延量を合計して得られた遅延評価値を、当該階層におけるデータ収集効率を示す評価値として算出するようにしたので、近隣のセンサノードとの電波の衝突による遅延が少ないクラスタ構成をより高く評価することができる。
これにより、センサノードが偏って配置された環境や、電波の減衰の度合いが通信パスごとに異なる環境においても、少ない遅延量で、すべてのセンサノードから効率よくデータを収集することが可能となる。特に、室内に高い密度で配置されている多くのモノに、それぞれセンサノードを埋め込んで、これらセンサノードから各種センサデータを収集して活用するアプリケーションを実現できる。
また、本実施の形態では、遅延評価値算出装置３３により、任意のクラスタでセンサデータ収集時に行われる無線通信について、無線通信の衝突が発生しない際に生じる正常時遅延量に、無線通信の衝突が発生してセンサデータの再収集が行われた際に生じる衝突時遅延量を加算することにより、当該クラスタでのセンサデータ収集時に生じる遅延量を推定するようにしてもよい。これにより、無線通信の衝突を考慮したクラスタ遅延量を精度よく推定することができる。
また、本実施の形態では、遅延評価値算出装置３３により、階層のクラスタのうち、配置換え前後の両クラスタ内で行われる無線通信を受信可能なセンサノードを含むクラスタと、配置換え候補として選択された子ノードのうち配置換え前後のクラスタの両親ノードと無線通信可能な子ノードが存在するクラスタとを選択し、これらクラスタに関するクラスタ遅延量を推定して合計することにより当該階層の遅延評価値を算出するようにしてもよい。これにより、子ノードの配置換えにより無線通信状況が変化しないクラスタに関するクラスタ遅延の推定処理を省くことができ、クラスタ分割処理を高速化することが可能となる。
また、本実施の形態では、クラスタリング処理装置３４により、最下位層より上位の階層についてクラスタ構成を決定する際、当該階層までの階層で親ノードとして選択されていない未選択センサノードのうちから当該階層の親ノードを選択するようにしてもよい。これにより、各階層の親ノードが、１つの無線通信チャネルのみを使用して、各子ノードからセンサデータを収集できるトポロジを得ることが可能となる。
図１３は、センサデータ収集時の遅延測定結果である。この例では、実機のセンサノード１０を用いて実際にデータの遅延を測定する実験を行った。センサノード１０は、ＩＥＥＥ８０２．１４．５準拠の無線通信モジュールを備え、送信電力の強さを１６段階（環境にもよるが、通信可能距離は２ｍから３０ｍ程度）で変更可能である。送信できるパケットのサイズは１２５バイトである。
このセンサノードを用いて、２０台(２階層の４分木)と、３９台(３階層の３分木)の２つの静的なトポロジの遅延を測定した。各センサノード１０は、約１０ｍ×１０ｍの部屋に配置した。フラットなトポロジの場合の遅延についても測定し、公平に比較するため、この場合の結果は木構造のトポロジで使用したチャネルの数で割っている。
図１３に示されているように、実機を用いた場合であっても、本実施の形態のクラスタリング手法を利用してセンサデータを収集した方が、単にフラットなトポロジでセンサデータを収集するよりも、センサデータ収集にかかる遅延が短く、センサノード数が増えるにつれて両者の差はさらに開く傾向にあることがわかる。
［第２の実施の形態］
次に、図１４を参照して、本発明の第２の実施の形態にかかるセンサデータ収集システムについて説明する。図１４は、本発明の第２の実施の形態にかかるセンサノードの構成を示すブロック図である。
第１の実施の形態では、ネットワーク構築装置３０により、センサネットワークのトポロジを構築する場合について説明した。この際、センサノードがモノに埋め込まれている場合、モノの移動に応じてセンサノードも移動する。このような場合には、子ノードと親ノードとの距離が離れて、任意の子ノードが親ノードとの通信範囲から外れると、それまでのトポロジを維持できなくなり、他のクラスタに所属しなおす必要がある。
本実施の形態では、センサノードにより、親ノードとの無線通信状況の悪化に応じて、新たな親ノードを探索して切り替える場合について説明する。
本実施の形態では、図１４に示すように、センサノード１０に親ノード切替装置１６が追加されている。親ノード切替装置１６は、当該親ノードとの間で所定期間以上通信できない場合、最上位階層より下位の各階層で用いる無線通信チャネルを用いて通信可能な親ノードを探索する機能と、見つかった通信可能な親ノードのうち当該子ノードとの間の距離が最も短い親ノードを当該子ノードの新たな親ノードとして切り替える機能とを有している。なお、センサノード１０におけるその他の構成、さらにはセンサデータ収集システムにおけるセンサノード１０以外の構成については、第１の実施の形態と同様であり、ここでの詳細な説明は省略する。
次に、図１５を参照して、本発明の第２の実施の形態にかかるセンサノードの親ノード切替動作について説明する。図１５は、本発明の第２の実施の形態にかかるセンサノードの親ノード切替処理を示すフローチャートである。
センサノード１０は、それまで無線通信していた親ノードとの間で所定期間以上にわたり無線通信できなくなった場合、親ノード切替装置１６により、図１５の親ノード切替処理を実行する。
親ノード切替装置１６は、まず、親ノードとの間で行っていたデータ収集動作を停止し（ステップ４０１）、ループ１として、ステップ４１１，４１２を、最上位階層の無線通信チャネルＷkmaxを除くすべての階層で用いられている無線通信チャネルＷ1〜Ｗkmax−１ごとに、繰り返し実行する。
ループ１において、親ノード切替装置１６は、まず、無線通信装置１５で用いる無線通信チャネルを、選択した無線通信チャネルＷに設定し（ステップ４１１）、他のクラスタにおける子ノードと親ノードとの間の無線通信をチェックし、その親ノードとの距離を確認し（ステップ４１２）、ループ１により次の無線通信チャネルの処理へ移行する。
この後、ループ１が終了した場合、親ノード切替装置１６は、各無線通信チャネルのうち親ノードからのメッセージを受信した無線通信チャネルが存在した場合（ステップ４０２：ＹＥＳ）、これら親ノードのうち自センサノードとの距離が最も短いものを新たな親ノードとして選択する（ステップ４０３）。
一方、いずれの無線通信チャネルにおいても親ノードからのメッセージを受信できなかった場合（ステップ４０２：ＮＯ）、最上位階層の親ノードである基地局２０を新たな親ノードとして選択する（ステップ４０４）。
このようにして、新たな親ノードを選択した後、親ノード切替装置１６は、予め設けられている制御チャネルを用いて、新たな親ノードを切替先として指定した親ノード切替要求をネットワーク構築装置３０へ通知する（ステップ４０５）。
ネットワーク構築装置３０のネットワーク設定装置３５は、センサノード１０からの親ノード切替要求の受信に応じて、当該親ノード切替要求で通知された切替先となる親ノードに対して、当該センサノードの増設を指示する子ノード増設指示を、制御チャネルを用いて通知する。
この子ノード増設指示に応じて、親ノードは、子ノード増設指示で指定されたセンサノードを新たな子ノードとして増設し、当該子ノードに対してセンサデータ収集のためのデータ要求メッセージを送信する。
親ノード切替装置１６は、この後、新たな親ノードからのデータ要求メッセージの受信待ちへ移行し（ステップ４０６）、当該データ要求メッセージの受信に応じて、親ノードとの間で新たなデータ収集動作を開始し（ステップ４０７）、一連の親ノード切替処理を終了する。
［第２の実施の形態の効果］
このように、本実施の形態によれば、それまで無線通信していた親ノードとの間で所定期間以上にわたり無線通信できなくなった場合、センサノードが新たな親ノードを探索して、親ノードの切り替えを自発的に行うようにしたので、センサノードがモノに埋め込まれており、モノの移動に応じてセンサノードも移動して、センサネットワークのトポロジが変化するような場合であっても、データ収集処理を維持することができる。
また、本実施の形態では、親ノードの切り替えを行ったセンサノードが親ノードであって、当該センサノード配下に子ノードが存在する場合、ネットワーク構築装置３０あるいは当該親ノードから、配下の子ノードに対して、新たな親ノードの探索を指示する親ノード探索指示を通知し、この親ノード探索指示に応じて、これら配下の子ノードにおいて、前述した図１５に示した親ノード切替処理を実行するようにしてもよい。
これにより、親ノードの移動により、その配下の子ノードとの距離が変化した場合には、これら子ノードと距離の近い親ノードへ切り替えることができ、データ収集処理を維持することができる。
なお、多くのセンサノードが移動を繰り返した場合、センサネットワークのトポロジに偏りが生じて、センサデータ収集にかかる遅延が大きくなる可能性がある。このため、ネットワーク構築装置３０では、各親ノードでのセンサデータ収集にかかる遅延量を監視し、基準遅延量を越えた場合には、データ収集動作の停止を各センサノードへ指示して、第１の実施の形態で説明したクラスタリング処理を再実行するようにしてもよい。
これにより、センサネットワークのトポロジの偏りを修正でき、少ない遅延量で、すべてのセンサノードから効率よくデータを収集することが可能となる。
１…センサデータ収集システム、１０…センサノード、１１…センサ、１２…センサイベント検出装置、１３…センサデータ処理装置、１４…センサデータ記憶装置、１５…無線通信装置、１６…親ノード切替装置、２０…基地局、２１…無線通信装置、２２…受信データ処理装置、３０…ネットワーク構築装置、３１…無線通信装置、３２…ノード間距離収集装置、３３…遅延評価値算出装置、３４…クラスタリング処理装置、３５…ネットワーク設定装置、５０…センサネットワーク。

Claims (9)

  1. センサにより周囲状況をセンシングして得たセンサデータを無線通信で送受信する複数のセンサノードと、これら複数のセンサノードからなるクラスタが１つ以上含まれる階層で階層化することにより前記各センサノード間を結ぶセンサネットワークを構築するセンサネットワーク構築装置と、前記センサネットワークを用いて前記各センサノードのセンサデータを収集する基地局とを含み、前記各センサノードがそれぞれ子ノードまたは親ノードとして動作して、１つ以上の子ノードと１つの親ノードとから前記各クラスタを構成し、当該親ノードが当該クラスタ内のセンサノードで得られたセンサデータを当該階層に固有の無線通信チャネルを介して収集し、当該親ノードが１つ上位の階層のクラスタの子ノードとして動作するとともに、前記基地局が最上位階層を構成する１つのクラスタの親ノードとして動作することにより、すべての前記センサノードで得られたセンサデータを前記基地局で収集するセンサデータ収集システムであって、
    前記ネットワーク構築装置は、
    前記各センサノードで検出した、当該センサノードと他のセンサノードとの間で無線通信可能な最小送信電波強度値を、これらセンサノード間の距離として前記センサネットワークを介して収集するノード間距離収集装置と、
    任意の階層に含まれるクラスタごとに、当該親ノードが当該各子ノードからセンサデータを無線通信を介して収集する際に生じるクラスタ遅延量を推定し、これらクラスタ遅延量を合計することにより、当該階層におけるデータ収集効率を示す遅延評価値を算出する遅延評価値算出装置と、
    任意の階層に属する各子ノードを、予め選択した当該階層の親ノードのうち当該子ノードと最短距離にある親ノードのクラスタへ割り当てた後、任意のクラスタのうち当該親ノードから距離が短い順に他のクラスタの子ノードを選択して当該親ノードのクラスタへ配置換えすることにより新たなクラスタ構成を生成し、当該階層のこれら新たなクラスタ構成のうち前記遅延評価値が最も小さいクラスタ構成を当該階層のクラスタ構成として決定するクラスタリング処理装置と
    を備えることを特徴とするセンサデータ収集システム。
  2. 請求項１に記載のセンサデータ収集システムにおいて、
    前記遅延評価値算出装置は、任意のクラスタでセンサデータ収集時に行われる無線通信について、無線通信の衝突が発生しない際に生じる正常時遅延量に、無線通信の衝突が発生してセンサデータの再収集が行われた際に生じる衝突時遅延量を加算することにより、当該クラスタでのセンサデータ収集時に生じるクラスタ遅延量を推定することを特徴とするセンサデータ収集システム。
  3. 請求項１に記載のセンサデータ収集システムにおいて、
    前記遅延評価値算出装置は、前記階層のクラスタのうち、前記配置換え前後の両クラスタ内で行われる無線通信を受信可能なセンサノードを含むクラスタであって、かつ前記配置換え候補として選択された子ノードのうち前記配置換え前後のクラスタの両親ノードと無線通信可能な子ノードが存在するクラスタを選択し、これらクラスタに関するクラスタ遅延量を推定して合計することにより当該階層の遅延評価値を算出することを特徴とするセンサデータ収集システム。
  4. 請求項１に記載のセンサデータ収集システムにおいて、
    前記クラスタリング処理装置は、最下位層から順にそれぞれの階層におけるクラスタ構成を決定し、最下位層より上位に位置する任意の階層についてクラスタ構成を決定する際、最下位から当該階層直下までの各階層で親ノードとして選択されていない未選択センサノードのうちから当該階層の親ノードを選択することを特徴とするセンサデータ収集システム。
  5. 請求項１に記載のセンサデータ収集システムにおいて、
    前記子ノードは、当該親ノードとの間で所定期間以上通信できない場合、前記最上位階層より下位の各階層で用いる無線通信チャネルを用いて通信可能な親ノードを探索し、見つかった通信可能な親ノードのうち当該子ノードとの間の前記距離が最も短い親ノードを当該子ノードの新たな親ノードとして切り替える親ノード切替装置を備えることを特徴とするセンサデータ収集システム。
  6. センサにより周囲状況をセンシングして得られたセンサデータを無線通信で送受信する複数のセンサノードと、複数の前記センサノードからなるクラスタが１つ以上含まれる階層で階層化されたセンサネットワークを構築するセンサネットワーク構築装置と、前記センサネットワークを用いて前記各センサノードのセンサデータを収集する基地局とを含み、前記各センサノードがそれぞれ子ノードまたは親ノードとして動作して、１つ以上の子ノードと１つの親ノードとから前記各クラスタを構成し、当該親ノードが当該クラスタ内のセンサノードで得られたセンサデータを当該階層に固有の無線通信チャネルを介して収集し、当該親ノードが１つ上位の階層のクラスタの子ノードとして動作するとともに、前記基地局が最上位階層を構成する１つのクラスタの親ノードとして動作することにより、すべての前記センサノードで得られたセンサデータを前記基地局で収集するセンサデータ収集システムで用いられるセンサネットワーク構築装置であって、
    前記各センサノードで検出した、当該センサノードと他のセンサノードとの間で無線通信可能な最小送信電波強度値を、これらセンサノード間の距離として前記センサネットワークを介して収集するノード間距離収集装置と、
    任意の階層に含まれるクラスタごとに、当該親ノードが当該各子ノードからセンサデータを無線通信を介して収集する際に生じるクラスタ遅延量を推定し、これらクラスタ遅延量を合計することにより、当該階層におけるデータ収集効率を示す遅延評価値を算出する遅延評価値算出装置と、
    任意の階層に属する各子ノードを、予め選択した当該階層の親ノードのうち当該子ノードと最短距離にある親ノードのクラスタへ割り当てた後、任意のクラスタのうち当該親ノードから距離が短い順に他のクラスタの子ノードを選択して当該親ノードのクラスタへ配置換えすることにより新たなクラスタ構成を生成し、当該階層のこれら新たなクラスタ構成のうち前記遅延評価値が最も小さいクラスタ構成を当該階層のクラスタ構成として決定するクラスタリング処理装置と
    を備えることを特徴とするセンサネットワーク構築装置。
  7. センサにより周囲状況をセンシングして得たセンサデータを無線通信で送受信する複数のセンサノードと、これら複数のセンサノードからなるクラスタが１つ以上含まれる階層で階層化することにより前記各センサノード間を結ぶセンサネットワークを構築するセンサネットワーク構築装置と、前記センサネットワークを用いて前記各センサノードのセンサデータを収集する基地局とを含み、前記各センサノードがそれぞれ子ノードまたは親ノードとして動作して、１つ以上の子ノードと１つの親ノードとから前記各クラスタを構成し、当該親ノードが当該クラスタ内のセンサノードで得られたセンサデータを当該階層に固有の無線通信チャネルを介して収集し、当該親ノードが１つ上位の階層のクラスタの子ノードとして動作するとともに、前記基地局が最上位階層を構成する１つのクラスタの親ノードとして動作することにより、すべての前記センサノードで得られたセンサデータを前記基地局で収集するセンサデータ収集システムで用いられるセンサノードであって、
    当該親ノードとの間で所定期間以上通信できない場合、前記最上位階層より下位の各階層で用いる無線通信チャネルを用いて通信可能な親ノードを探索し、見つかった通信可能な親ノードのうち当該子ノードとの間の前記距離が最も短い親ノードを当該子ノードの新たな親ノードとして切り替える親ノード切替装置を備えることを特徴とするセンサノード。
  8. センサにより周囲状況をセンシングして得られたセンサデータを無線通信で送受信する複数のセンサノードと、複数の前記センサノードからなるクラスタが１つ以上含まれる階層で階層化されたセンサネットワークを構築するセンサネットワーク構築装置と、前記センサネットワークを用いて前記各センサノードのセンサデータを収集する基地局とを含み、前記各センサノードがそれぞれ子ノードまたは親ノードとして動作して、１つ以上の子ノードと１つの親ノードとから前記各クラスタを構成し、当該親ノードが当該クラスタ内のセンサノードで得られたセンサデータを当該階層に固有の無線通信チャネルを介して収集し、当該親ノードが１つ上位の階層のクラスタの子ノードとして動作するとともに、前記基地局が最上位階層を構成する１つのクラスタの親ノードとして動作することにより、すべての前記センサノードで得られたセンサデータを前記基地局で収集するセンサデータ収集システムで用いられるセンサネットワーク構築方法であって、
    前記センサネットワーク構築装置のノード間距離収集装置が、前記各センサノードで検出した、当該センサノードと他のセンサノードとの間で無線通信可能な最小送信電波強度値を、これらセンサノード間の距離として前記センサネットワークを介して収集するノード間距離収集ステップと、
    前記センサネットワーク構築装置の遅延評価値算出装置が、任意の階層に含まれるクラスタごとに、当該親ノードが当該各子ノードからセンサデータを無線通信を介して収集する際に生じるクラスタ遅延量を推定し、これらクラスタ遅延量を合計することにより、当該階層におけるデータ収集効率を示す遅延評価値を算出する遅延評価値算出ステップと、
    前記センサネットワーク構築装置のクラスタリング処理装置が、任意の階層に属する各子ノードを、予め選択した当該階層の親ノードのうち当該子ノードと最短距離にある親ノードのクラスタへ割り当てた後、任意のクラスタのうち当該親ノードから距離が短い順に他のクラスタの子ノードを選択して当該親ノードのクラスタへ配置換えすることにより新たなクラスタ構成を生成し、当該階層のこれら新たなクラスタ構成のうち前記遅延評価値が最も小さいクラスタ構成を当該階層のクラスタ構成として決定するクラスタリング処理ステップと
    を備えることを特徴とするセンサネットワーク構築方法。
  9. センサにより周囲状況をセンシングして得たセンサデータを無線通信で送受信する複数のセンサノードと、これら複数のセンサノードからなるクラスタが１つ以上含まれる階層で階層化することにより前記各センサノード間を結ぶセンサネットワークを構築するセンサネットワーク構築装置と、前記センサネットワークを用いて前記各センサノードのセンサデータを収集する基地局とを含み、前記各センサノードがそれぞれ子ノードまたは親ノードとして動作して、１つ以上の子ノードと１つの親ノードとから前記各クラスタを構成し、当該親ノードが当該クラスタ内のセンサノードで得られたセンサデータを当該階層に固有の無線通信チャネルを介して収集し、当該親ノードが１つ上位の階層のクラスタの子ノードとして動作するとともに、前記基地局が最上位階層を構成する１つのクラスタの親ノードとして動作することにより、すべての前記センサノードで得られたセンサデータを前記基地局で収集するセンサデータ収集システムで用いられる親ノード切替方法であって、
    前記子ノードが、当該親ノードとの間で所定期間以上通信できない場合、前記最上位階層より下位の各階層で用いる無線通信チャネルを用いて通信可能な親ノードを探索するステップと、
    前記子ノードが、見つかった通信可能な親ノードのうち当該子ノードとの間の前記距離が最も短い親ノードを当該子ノードの新たな親ノードとして切り替えるステップと
    を備えることを特徴とする親ノード切替方法。
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