JP4919204B2

JP4919204B2 - センサネットワークシステム及びメディアアクセス制御方法

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Publication number: JP4919204B2
Application number: JP2006279761A
Authority: JP
Inventors: 真澄一圓; 博川口; 能太田; 雅彦吉本
Original assignee: Kobe University NUC
Current assignee: Kobe University NUC
Priority date: 2006-10-13
Filing date: 2006-10-13
Publication date: 2012-04-18
Anticipated expiration: 2026-10-13
Also published as: JP2008099075A

Description

本発明は、バッテリ容量で駆動する無線センサノードにより構成されるセンサネットワークシステム及びメディアアクセス制御方法に関する。

センサネットワークシステムは、限られたバッテリ容量で駆動する小型無線センサノードにより構成されるシステムである。センサネットワークシステムは、各センサノードで環境情報を取得し、マルチホップで基地局にデータを収集することが可能なため、河川や森林のリモートセンシング，防犯センシング，農場監視システムなど様々なアプリケーションが考えられている。しかしながら、センサノードの数が膨大な数（数万から数百万個）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では、バッテリ交換作業が大きな課題となっている。このため、各センサノードの消費電力を削減し、センサネットワークシステム全体の可用時間を伸ばすこと（低消費電力化）が切望されている。

各センサノードにおける消費電力は、無線データ通信に関わる部分が支配的となっている。センサノードにおいて無線データ通信に関わる部分は、ＲＦ（Radio Frequency）回路である。このＲＦ回路の送信器および受信器の起動／停止を制御するのが、ＭＡＣ（Media Access Control）層である。このため、低消費電力指向のＭＡＣ層の開発が重要な課題となっている。
ＭＡＣの電力エネルギーの消費の原因として、主に４つの要因（アイドルリスニング，オーバヒヤリング，衝突，コントロールパケットのオーバヘッド）が考えられる。センサネットワークでは殆どが非通信状態（アイドル状態）であり、このアイドル状態でも受信器が起動している限り受信時と同じ電力を消費するというものがアイドルリスニングである。従って、ＭＡＣの低消費電力化のためには、パケットを受信しないにもかかわらず受信器を起動させるアイドルリスニングにより浪費されるエネルギーを削減することが有効である。

上述したような低消費電力化のＭＡＣとして、周期起動型ＭＡＣが知られている。周期起動型ＭＡＣでは、パケット受信のため各ノードはある起動周期(Wake-up Period)で一定の起動期間(Wake-up Duration) だけ受信モードに入ることとしている。起動周期に対する起動期間の割合であるデューティサイクル比を小さくすることで、周期起動型ＭＡＣはアイドルリスニングに起因する消費電力を小さくしている。

一般に、周期起動型ＭＡＣでは、起動周期が大きくなるほど、送受信ノード間での通信確立までの遅延時間は増大する。このため、同じデューティサイクル比のもとでは、起動周期が小さい方が遅延時間の面で有利である。
従来から存在する周期起動型ＭＡＣでは、例えば、起動期間が１１５ｍｓというように長く固定的に設定されているものや（非特許文献１）、また起動期間が５０μｓというようにチャネルを監視するのに十分な短い時間に設定されているものなどがある（非特許文献２）。同じデューティサイクル比のもとでは、起動周期が大きくなると遅延増大の面で不利である。このため、送受信ノード間で通信を確立するまでに要する遅延時間が同程度となる条件下では、起動期間が短い周期起動型ＭＡＣの方がデューティサイクル比を小さくできるために消費電力面で有利となる。

起動期間が短い周期起動型ＭＡＣでは、データを送信するためには起動周期以上のコントロールパケット（プリアンブル）を送信する必要がある。このため、起動周期を大きくすると送信時のオーバヘッドは（アイドルリスニングに起因する消費電力削減に反して）逆に大きくなる。また、起動期間が短い周期起動型ＭＡＣの最適な起動周期は、送信範囲内にある隣接ノード数や送信頻度に依存する。従って、ネットワーク全体で最適な起動周期を決定することが難しいという問題がある。

起動期間が短い周期起動型ＭＡＣを改良したものに、ＡＣＫに次回の起動時間を含めることで送信ノードに起動スケジュールを学習させる方式がある（非特許文献３）。しかし、センサノードの動作クロックにはドリフトがあるため、この学習結果のあいまい性が時間とともに増加する。よって、この起動スケジュール学習は、通信の頻度がある程度多い場合でなければ有効に働かないといった問題がある。

一方、センサネットワークにおける時刻同期には、パケット交換による方式と外部信号による方式が知られている。パケット交換による時刻同期プロトコルとしては、Reference Broadcast Synchronization(ＲＢＳ)，Timing-sync Protocol for Sensor Networks(ＴＰＳＮ)，Flooding Time Synchronization Protocol(ＦＴＳＰ)の３つが挙げられる。
ＲＢＳは、先ず時刻同期の基準となるノードが参照パケットをブロードキャストする。参照パケットを受信した各ノードは、ローカルの受信時刻を記録し、それぞれのノードで受信時刻を交換することで同期を行うものである。ＲＢＳでは、各ノードで数μ秒誤差の同期を行うことが可能である。
次にＴＰＳＮは、ネットワークのスパニングツリーを構成し、それぞれのペアノード毎にＮＴＰによる方式で時刻同期を行うものである。ＴＰＳＮは、ＲＢＳの２倍の同期精度を有し、５ホップ先のセンサノードにおいて５０μ秒以下の誤差を実現している。
最後にＦＴＳＰは、定期的な同期パケットのブロードキャストにより、複数のタイムスタンプを作成するものである。それにより各センサノードのクロックドリフトを線形回帰法により求めている。クロックドリフトを補正することにより１μ秒誤差の時刻同期を実現している。

また先行する特許文献として、周辺端末がリファレンス端末と時刻同期をおこなうシステムが知られている（特許文献１）。これは、センサネットワークのように端末（センサノードと同義）の電力量に制限があり、各端末が定期的にアクティブ状態とスリープ状態を繰り返す間欠動作を行っている状況で、端末間での時刻同期及び新設端末による隣接ネットワークの検出において、時刻同期信号を受信するために長い時間待機する必要なく、そのため消費電力量を低く抑えることができる時刻同期システムを提供するものである。
リファレンス端末により、所定の送信周期毎に、時刻情報を含む時刻同期信号を複数回連続して配信し、周辺端末により、所定の送信周期ごとに、時刻同期信号を１回受信した時点でリファレンス端末の時刻に同期することを特徴とするもので、周辺端末のクロック精度によって、リファレンス端末が連続に時刻同期信号を送信する回数を決定するものである。

これらの時刻同期プロトコルは、通常のデータ通信と同じチャネルを使用した場合、パケット交換の頻度が多いため、それに伴う消費エネルギーのオーバヘッドが大きくなり、またデータの衝突頻度を高くする可能性があるといった問題がある。

一方、外部信号による時刻同期として、ＧＰＳ（Global Positioning System）が挙げられる。ＧＰＳは、数十ナノ秒の精度での時刻同期も可能である。しかし、ＧＰＳは消費電力が大きく、１チップ化されたＬＳＩ（Large Scale Integration）でも数１０ｍＷ程度の消費電力であるため、センサノードの時刻同期としてはオーバヘッドが大きいといった問題がある。

特開２００６−０７４３２６号公報 W.Ye, J.Heidemann, and D.Estrin, "An Energy-Efficient MAC Protocolfor Wireless Sensor Networks," In Proceedings of the 21st International Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies (INFOCOM 2002), June 2002. J.Hill and D.Culler, "Mica: a wireless platform for deeply embedded networks," In IEEE Micro, November/December 2002. A.El-Hoiyi and J.-D.Decotignie, "WiseMAC: An Ultra Low Power MAC Protocol for the Downlink of Infrastructure Wireless Sensor Networks," In Proceedings of the 9th IEEE Symposium on Computers and Communication (ISCC 2004), June 2004.

上述したように、センサネットワークシステムにおいて、起動期間が短い周期起動型ＭＡＣでは、データを送信するためには起動周期以上のコントロールパケット（プリアンブル）を送信する必要があり、起動周期を大きくすると送信時のオーバヘッドは（アイドルリスニングに起因する消費電力削減に反して）逆に大きくなるという問題があった。また、起動期間が短い周期起動型ＭＡＣの最適な起動周期は、送信範囲内にある隣接ノード数や送信頻度に依存することから、ネットワーク全体で最適な起動周期を決定することが難しいという問題があった。

また、時刻同期手段としてパケット交換による方法では、上述したようにパケットの頻度が多くなることから起因する消費エネルギーのオーバヘッドが大きくなり、またデータの衝突頻度を高くする可能性があるといった問題がある。
また、時刻同期手段としてＧＰＳを用いる方法では、１チップ化されたＬＳＩを採用してもなお消費電力が大きく、センサノードの時刻同期としてはオーバヘッドが大きいといった問題がある。

上記問題点に鑑み、本発明は、その目的は、センサネットワークのように構成するセンサノードの電力量に制限があり、各センサノードが定期的に起動状態（アクティブ状態）と待機状態（スリープ状態）を繰り返す間欠動作を行っている状況で、センサノード間でのデータ送受信するために必要となる起動状態の時間と、コントロールパケット（プリアンブル）の送信時間を制御して、センサノードの消費電力量を低く抑えることができるセンサネットワークシステム及びメディアアクセス制御方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明のセンサネットワークシステムは、マルチホップで基地局にデータを収集可能な無線センサノードにより構成されるセンサネットワークシステムにおいて、
前記センサノードが、
１）長波帯標準電波信号を用いた時計同期手段と、
２）同一の起動周期および起動タイミングで所定起動期間だけＲＦ回路をＯＮとし、前記起動期間後は前記ＲＦ回路をＯＦＦとするチャネル監視手段と、
３）データ送信の際には周辺ノードの前記起動タイミングに合わせてプリアンブル信号を送信し、前記周辺ノードを起動させデータ受信可能な状態にさせた後にデータ送信を行うデータ送信手段と、
４）データ受信の際には前記起動期間に他のノードからの前記プリアンブル信号を受信した場合に前記起動期間後も前記ＲＦ回路をＯＮに維持してデータ受信可能な状態とし、前記ＲＦ回路をＯＦＦとするデータ受信手段と、
を備えた構成とされたことを特徴とする。

上記構成により、センサノード間でのデータ送受信するために必要となる起動時間と、プリアンブルの送信時間を制御して、センサノードの消費電力量を低く抑えることができる。
なお、データ受信の際には起動期間に他のノードからのプリアンブル信号を受信した場合に起動期間後もＲＦ回路をＯＮに維持してデータ受信可能な状態とした後は、正常にデータ受信した場合に、例えばＡＣＫ信号を返信してＲＦ回路をＯＦＦするか、若しくは一定時間データを待った後にＲＦ回路をＯＦＦする。

上記の長波帯標準電波信号を用いることにより、精度の高い同期を低い消費電力で実現することが技術的に可能である。

また、本発明は、上記の発明において、プリアンブル信号長が、前記時計同期手段により得られる絶対時間からのクロックドリフトの４倍長に前記起動期間を加算したものであることを特徴とする。

プリアンブル信号長は、受信センサノードを含む周辺センサノードを起動させるのに必要な長さが必要である。しかし、各センサノードの起動タイミングは、各センサノードのクロックドリフトによりずれる可能性がある。このため、プリアンブル信号長はこのずれを考慮して決定する必要があり、プリアンブル信号長は時刻同期回数とクロックドリフトの大きさによって決定されることになる。
センサノード間の相対クロックドリフトは、クロックドリフトの４倍長の幅の間に分布することから、時計同期手段により得られる絶対時間からのクロックドリフトの４倍長に前記起動期間を加算したものをプリアンブル信号長にしたものである。
プリアンブル信号長を、時計同期手段により得られる絶対時間からのクロックドリフトの４倍長に起動期間を加算したものとすることにより、周囲の隣接センサノード全てを起動させることが可能となる。

また、本発明は、上記の発明において、センサノードにおける前記クロックドリフトは、外部信号による時計同期手段による時刻同期を用いて、自動的にドリフト補正されることを特徴とする。

センサノードにおけるクロックドリフトは、水晶発振器の精度に強く依存するため、上記構成により、水晶発振器の精度を高めることができる。

次に、本発明のメディアアクセス制御方法は、マルチホップで基地局にデータを収集可能な無線センサノードにより構成されるセンサネットワークのメディアアクセス制御方法であって、
前記センサノードが、
１）長波帯標準電波信号を用いて時刻同期を行い、
２）同一の起動周期および起動タイミングで所定起動期間だけＲＦ回路をＯＮとし、前記起動期間後は前記ＲＦ回路をＯＦＦし、
３）データ送信の際には周辺ノードの前記起動タイミングに合わせてプリアンブル信号を送信し、前記周辺ノードを起動させデータ受信可能な状態にさせた後にデータ送信を行い、
４）データ受信の際には前記起動期間に他のノードからの前記プリアンブル信号を受信した場合に前記起動期間後も前記ＲＦ回路をＯＮに維持してデータ受信可能な状態とし、前記ＲＦ回路をＯＦＦとする、
ことを特徴とする。

また、本発明は、上記の発明において、プリアンブル信号長が、前記長波帯標準電波信号により得られる絶対時間からのクロックドリフトの４倍長に前記起動期間を加算したものであることを特徴とする。

センサノード間の相対クロックドリフトは、クロックドリフトの４倍長の幅の間に分布することから、時計同期手段により得られる絶対時間からのクロックドリフトの４倍長に前記起動期間を加算したものをプリアンブル信号長にしたものである。

本発明によれば、センサネットワークのように構成するセンサノードの電力量に制限があり、各センサノードが定期的に起動状態と待機状態を繰り返す間欠動作を行っている状況で、センサノード間でのデータ送受信するために必要となる起動時間とプリアンブルの送信時間を制御して、センサノードの消費電力量を低く抑えることができるといった利点がある。このことは、後述する実施例において、モデルを使用して解析的に消費電力を試算し評価を行うことにより、定量的にセンサノードの消費電力量を低く抑えることを示すことにする。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明していく。
図１に、従来技術の起動期間が短い周期起動型ＭＡＣとして、Low Power Listening（ＬＰＬ）方式のセンサネットワークシステムのタイミングチャート（図１（ａ））と、本発明のセンサネットワークシステムのタイミングチャート（図１（ｂ））を示す。
従来技術のＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムでは、キャリアを検知するのに十分な時間（例えば、５０マイクロ秒以下）だけ、各センサノードが周期的に起動している。図１（ａ）に示されるように、隣接センサノード間で起動タイミングを同期しておらず、データを送信するためには起動周期以上のプリアンブルを送信する必要がある。起動周期を大きくすることにより、アイドルリスニングの消費電力を削減することができるのであるが、起動周期を大きくするとプリアンブル送信時のオーバヘッドは（アイドルリスニングに起因する消費電力削減に反して）逆に大きくなる。
本発明のセンサネットワークシステムでは、図１（ｂ）に示されるように、全センサノードが長波帯標準電波信号を用いて時刻同期し、同一の起動周期および起動タイミングで所定起動期間だけ起動することとしている。全てのセンサノードの起動時刻が同期しており、各センサノードは隣接センサノードの起動タイミングの予測が容易であるため、結果としてプリアンブル信号長を短縮することができる

時計などの時刻同期に用いられる長波帯標準電波は、現在のところ、米国，ヨーロッパ，日本で利用可能である。この時刻同期は、基地局からＡＭ変調により放送されている時刻同期のためのタイムコードを受信することで実現される。長波帯標準電波を用いた同期は、一般的にはＡＭ波が受信できる環境ならば室内であっても利用できるため、ＧＰＳに比べて使用環境への制約は小さい。
タイムコードは西暦から秒までの情報が含まれており、ＡＭ変調で１秒１ビットの速度で送信されている。１つのタイムコードは１分かけて送信されている。通常は、同期の確度を高めるために、２〜３個のタイムコードを受信して現在時刻を確定させる。従って、１回の同期に２〜３分を必要とする。これによって実現される基地局時間に対する相対誤差は非常に小さく１．５（マイクロ秒）である。小型化・低消費電力化を狙った時計用のワンチップＬＳＩも開発されており、その同期時の消費電力は数１０マイクロワットである。従って、長波帯標準電波を用いることにより、精度の高い同期を低い消費電力で実現することが技術的に可能となる。

全センサノードが、同一の起動周期および起動タイミングで所定起動期間だけ起動しチャネルを監視する。チャネルがアイドルであればスリープ状態に遷移する。具体的には、チャネル監視手段により、同一の起動周期（数１０マイクロ秒）および起動タイミングで所定起動期間（数１０ミリ秒）だけＲＦ回路をＯＮとし、起動期間後は前記ＲＦ回路をＯＦＦとする。
送信センサノード側は、データ送信のために、まず周辺センサノードの起動タイミングに合わせてプリアンブルを送信し、周辺センサノードを起動させた後にデータを送信する。受信センサノード側は、起動期間に他のノードからの前記プリアンブル信号を受信した場合に前記起動期間後も前記ＲＦ回路をＯＮに維持してデータ受信可能な状態とし、データを正しく受信した場合はＡＣＫを返信し、スリープ状態に遷移する。

プリアンブル信号長は、受信センサノードを含む周辺センサノードを起動させるのに必要な長さが必要である。各センサノードの起動タイミングは、各センサノードのクロックドリフトによりずれる可能性がある。プリアンブル信号長はこのそのずれを考慮して決定する必要がある．すなわち、プリアンブル信号長は時刻同期回数とクロックドリフトの大きさによって決まるのである。

図２に、本発明のセンサネットワークシステムのプリアンブル信号長の大きさを決定するための説明図を示す。長波帯標準電波を用いた時刻同期により得られる絶対時間からの水晶発振器の最大クロックドリフトをｄとすると、センサノード間の相対クロックドリフトは自センサノードを基準として最大でｄの２倍となるので、相対クロックドリフトは、幅４ｄの間に分布することとなる。例えば１日に一回、時刻同期し、１日最大１秒の誤差がある水晶発振器を使用した場合、センサノード間の最大相対誤差は１日あたり２秒となる。この条件下では、時刻同期直前では最低４秒のプリアンブルを送信する必要があることとなる。

本発明のセンサネットワークシステムのプリアンブル信号長を短くするには同期回数を増やす方法とクロックドリフトを小さくする方法がある。時刻同期を頻繁におこなえばクロックドリフトは小さくなり、プリアンブルを送信するために要する消費電力を小さくできる。しかし、反対に時刻同期に伴う消費電力は増大してしまう。ＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムでは、クロックドリフトはシステムの精度が水晶発振器の精度に強く依存するのに対して、本発明のセンサネットワークシステムでは、時刻同期により水晶発振器のクロックドリフトを補正することが可能であり、システムの精度が水晶発振器の精度に依存することを回避できる。

以下の実施例では、モデルを使用して解析的に消費電力を試算し評価を行うことにより、定量的にセンサノードの消費電力量を低く抑えることを説明していく。

実施例１では、モデルを使用して消費電力を試算し、従来のＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムと本発明のセンサネットワークシステムの優位性を評価すると共に、消費電力への感度が大きいパラメータを示す。モデルは簡単化しており、パケット衝突は考慮しないものとする。ＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムと本発明のセンサネットワークシステムの消費電力Ｐ_totalは、動作時間Ｔ_totalと総消費エネルギーＥ_totalから次式で定義することにする。

ここで、総消費エネルギーＥ_totalを求めるために、データ送受信時の消費エネルギーとアイドル時の消費エネルギーに分けてモデル化を以下に説明する。
先ずデータ送受信による消費エネルギーについて説明する。１個あたりのセンサノードの平均送信範囲内センサノード数をＮ，動作時間Ｔ_total中の平均送信回数をＭとする。送信範囲内センサノードそれぞれもＭ回送信をおこなうと仮定し、１個のノードは平均Ｎ×Ｍ回の受信を行うものとする。ここで、特に衝突や再送は考慮しないものとする。またＮ×Ｍ回の受信の内、Ｍ回が自ノード宛のパケット受信とし、（Ｎ−１）×Ｍ回が他ノード宛のパケット受信とする。
１データの送信，自ノード宛の１データ受信，他ノード宛の１データ受信に要する消費エネルギーをそれぞれＥsend，Ｅrecv-me，Ｅrecv-otherとする。また１データの送信，自ノード宛の１データ受信，他ノード宛の１データ受信に要する時間をそれぞれＴsend，Ｔrecv-me，Ｔrecv-other とする。これらより、動作時間Ｔ_total中にデータの送受信で消費するエネルギーＥcomと要する時間Ｔcom は次式で表される。

次に、１データを送受信するのに必要な消費エネルギーと時間を求める。まず、ＡＣＫのサイズをＳack，データサイズをＳdata，チャネルレートをＲとし、ＡＣＫを送受信するのに要する時間Ｔack、データを送受信するのに要する時間Ｔdataを以下の式で定義する。

プリアンブル送信時間をＴpreamble とし、受信，送信，スリープ時の消費電力をそれぞれＰtx，Ｐrx，Ｐsleep とすると、Ｅsend，Ｔsend は次式で算出される。

プリアンブルを検知してからデータを受信し始めるまでの各センサノードの平均時間はＴpreamble／２となる。従って、Ｅrecv-me，Ｔrecv-meは次式で算出される。

他センサノード宛のデータを受信した場合、ＡＣＫの返信をせずにアイドル状態になるとする。従って、Ｅrecv-other，Ｔrecv-otherは次式で算出される。

次に、アイドルリスニング時の消費エネルギーについて説明する。起動周期をＴとした場合、アイドルリスニング時におけるＴで消費するエネルギーＥ_Ｔは、次式で表される。

従って、Ｔtotal 中にアイドルで消費するエネルギーＥidleは以下の式で表される。

上記で定義した変数の中で、ＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムと本発明のセンサネットワークシステムで異なる変数は、プリアンブル送信時間Ｔpreambleのみである。ＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムのＴpreambleはＴである。一方、本発明のセンサネットワークシステムは、最大クロックドリフトＤと同期回数Ｃに依存するため、以下の式で表される。なお、同期時のセンサノード間最大相対誤差をＦとし、クロックドリフトは時間とともに線形で変化するとする。

ＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムと本発明のセンサネットワークシステムそれぞれのＴpreamble により、Ｅcom とＥcom-lplが変わる。そこでＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムと本発明のセンサネットワークシステムのＥcomをそれぞれＥcom-lpl，Ｅcom-imacとし，Ｅidle をそれぞれＥidle-lpl，Ｅidle-imac とする。
またＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムでは長波帯標準電波による時刻同期でエネルギーを消費する。時刻同期時の消費電力をＰsync，Ｔtotal中に同期する回数をＣ，１回の時刻同期に必要な時間をＴsyncとすると、Ｔtotalの間に時刻同期で消費するエネルギーＥsyncは、次式のようになる。

以上より、ＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムの総消費エネルギーＥtotal-lpl と本発明のセンサネットワークシステムの総消費エネルギーＥtotal-imac は、以下の式で表される。

次に、使用するパラメータについて説明し、グラフ図を参照しながら、上述のモデル式から得られた数値結果について説明する。
動作時間Ｔtotalは１日とする。これから、Ｍは１日の送信回数，Ｃは1 日の同期回数となる。ＴＸ，ＲＸ，ＳＬＥＥＰ時の消費電力はそれぞれＰtx = 24.75ｍＷ，Ｐrx = 13.5ｍＷ，Ｐsleep = 0.015ｍＷとする。チャネルレートＲは19.2ｋｂｐｓとし、ＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムおよび本発明のセンサネットワークシステムの起動期間Ｔon は１／Ｒとする。

長波帯標準電波による同期回路の消費電力は、Ｐtx = 0.09ｍＷとし、同期に要する時間Ｔsync は２分とする。同期時の最大相対誤差Ｆは絶対時間からの誤差1.5マイクロ秒の２倍と考えて、３マイクロ秒とする。変化させるパラメータは、１日の平均送信回数Ｍ，本発明のセンサネットワークシステムによる１日の同期回数Ｃ，最大クロックドリフトＤ，ＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムおよび本発明のセンサネットワークシステムの起動周期Ｔである。

図３は、１日の同期回数Ｃとプリアンブル送信に要する時間Ｔpreambleの関係を示しているグラフである。プリアンブル信号長は、同期回数と反比例の関係にあり、５０回程の同期で十分プリアンブル信号長を短くできることが確認できる。またクロックドリフトは小さくすればするほどプリアンブル信号長を短くできることが確認できる。

次に図４は、送信回数Ｍを１００回としたときの送信範囲内のセンサノード数Ｎと総消費電力Ｐtotalのグラフを示している。図４のグラフから、ＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムと本発明のセンサネットワークシステムの双方とも、送信範囲内センサノード数に対する消費電力は線形の関係にあることが確認できる。ＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムの場合は、直線の傾きが起動周期によって変化するのに対し、本発明のセンサネットワークシステムでは直線の傾きは一定である。このためＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムでは、送信範囲内センサノード数に応じて適切な起動周期を選ぶ必要があり、その選択を誤った場合の消費電力に及ぼす影響が大きいことがわかる。

一方、本発明のセンサネットワークシステムでは、送信範囲内センサノード数によらず、長い起動周期を選ぶほど消費電力を削減できることがわかる。また、送信範囲内センサノード数を固定とした場合の起動周期に対する消費電力の感度は小さいことがわかる。起動周期とともに送受信ノード間での通信確立のための遅延時間が大きくなる。よって、本発明のセンサネットワークシステムでは、遅延時間の許す範囲で起動周期を大きく設定すればよいことが理解できる。

一般に、センサノードがランダムに配置されると送信範囲内ノード数は一定ではない。このため、ＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムでは、システム全体での最適な共通の起動周期を決定することが困難である。この問題に対して、送信相手の起動周期に応じてプリアンブル信号長を変更する方法も考えられる。しかし、隣接ノード間で起動周期を学習する必要があり、通信プロトコルが複雑になってしまうという弊害がある。

次に、総消費電力Ｐtotalの送信回数Ｍに対する感度について説明する。
図５は、ＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムと本発明のセンサネットワークシステムの起動周期Ｔと総消費電力Ｐtotalの関係を示すグラフである。図５（ａ）は１日の平均送信回数Ｍが１００の場合を示しており、図５（ｂ）は１日の平均送信回数Ｍが１０００の場合を示している。図５（ａ）（ｂ）から、ＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムでは、送信回数Ｍに応じて最小消費電力となる最適な起動周期が存在することが確認できる。このことから、ＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムでは、送信回数に応じて適切な起動周期を選ぶ必要があり、その選択を誤った場合の消費電力に及ぼす影響が大きいことが理解できる。

例えば、ＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムにおいて、Ｍ＝１００の場合において，消費電力最適となる起動周期Ｄは81.13ｍｓである。Ｍ＝１０００の場合において、総消費電力最適となる起動周期Ｄは25.61ｍｓであり、そのときの総消費電力は0.1203ｍＷであるのに対し、Ｍ＝１００の場合において最適な起動周期81.13ｍｓを用いると総消費電力は0.1609ｍＷとなり、その消費電力は33.65％増加することになる。

一方、本発明のセンサネットワークシステムは、図５（ａ）（ｂ）中に破線で示されるもの（図中ではＩ−ＭＡＣと表記したプロット）から確認されるように、起動周期を大きくすれば最小消費電力に漸近し、その傾向は送信範囲内センサノード数によらず同じである。よって、本発明のセンサネットワークシステムでは、遅延時間の許す範囲で起動周期を大きく設定すればよいことがわかる。また、本発明のセンサネットワークシステムでは、クロックドリフトを小さくするほど総消費電力は削減され、送信回数が多いほどその効果が大きいことがわかる。

図６は、１センサノードあたりの１日の平均送信回数Ｍに対する総消費電力Ｐtotalの関係を示すグラフである。ＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムは、送信回数が少ない場合は長い起動周期で総消費電力が少なくなり、送信回数が多い場合は短い起動周期で総消費電力が少ないことがわかる。図６のグラフ中の「LPL Limitation」の曲線は、送信回数Ｍに対して最適な起動周期を選択した場合の総消費電力を表している。

一方、本発明のセンサネットワークシステムでは、図６中に破線で示されるもの（図中ではＩ−ＭＡＣと表記したプロット）から確認されるように、最大クロックドリフトを小さくするほど総消費電力は削減され、ＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムに対して優位な送信回数の範囲を広げることが可能である。１日のクロックドリフトＤが１００ｍｓの場合、本発明のセンサネットワークシステムは、総消費電力をＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムの最小消費電力の限界値より低くできるのである。
また、本発明のセンサネットワークシステムでは時刻同期によるクロックドリフトの補正を行うことによりクロックドリフトを小さくできることから、本発明のセンサネットワークシステムは、ＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムに対して優位であると言えよう。

ＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムは、送信範囲内ノード数，データ送信頻度に対して消費電力を最小にする最適な起動周期の感度が高く、起動周期の設定を注意深く選択する必要がある。これに対し、本発明のセンサネットワークシステムでは、送受信ノード間での通信確立のための遅延時間の許す範囲で起動周期を大きく設定すればよいことが理解できよう。また、外部信号による定期的時刻同期により各センサノードがクロックドリフトを容易に補正できるため、日差１秒の水晶発振器を利用したとしても、クロックドリフトは小さい値に抑えられることが期待できる。以上のことから、本発明のセンサネットワークシステムは、ＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムに対してデータ送信頻度によらず低消費電力化システムとして優位であるといえる。

本発明のセンサネットワークシステム及びメディアアクセス制御方法によれば、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。

従来技術の起動期間が短い周期起動型ＭＡＣとして、ＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムのタイミングチャート（ａ）と、本発明のセンサネットワークシステムのタイミングチャート（ｂ）を示す。本発明のセンサネットワークシステムのプリアンブル信号長の大きさを決定するための説明図を示す。１日の同期回数Ｃとプリアンブル送信に要する時間Ｔpreambleの関係を示しているグラフである。送信回数Ｍを１００回としたときの送信範囲内のセンサノード数Ｎと総消費電力Ｐtotalのグラフを示している。ＬＰＬ方式のセンサネットワークシステムと本発明のセンサネットワークシステムの起動周期Ｔと総消費電力Ｐtotalの関係を示すグラフである。１センサノードあたりの１日の平均送信回数Ｍに対する総消費電力Ｐtotalの関係を示すグラフである。

符号の説明

Ｗａｋｅ起動期間(Wake-up Duration)

Claims

マルチホップで基地局にデータを収集可能な無線センサノードにより構成されるセンサネットワークシステムにおいて、
前記センサノードが、
長波帯標準電波信号を用いた時計同期手段と；
同一の起動周期および起動タイミングで所定起動期間だけＲＦ回路をＯＮとし、前記起動期間後は前記ＲＦ回路をＯＦＦとするチャネル監視手段と；
データ送信の際には周辺ノードの前記起動タイミングに合わせてプリアンブル信号を送信し、前記周辺ノードを起動させデータ受信可能な状態にさせた後にデータ送信を行うデータ送信手段と；
データ受信の際には前記起動期間に他のノードからの前記プリアンブル信号を受信した場合に前記起動期間後も前記ＲＦ回路をＯＮに維持してデータ受信可能な状態とし、前記ＲＦ回路をＯＦＦとするデータ受信手段と；
を備え、
センサノード間でのデータ送受信するために必要となる起動時間とプリアンブルの送信時間を制御して、センサノードの消費電力量を低く抑える、
ことを特徴とするセンサネットワークシステム。
前記プリアンブル信号長が、前記時計同期手段により得られる絶対時間からのクロックドリフトの４倍長に前記起動期間を加算したものであることを特徴とする請求項１記載のセンサネットワークシステム。
前記センサノードにおける前記クロックドリフトは、前記時計同期手段による時刻同期を用いて、自動的にドリフト補正されることを特徴とする請求項２記載のセンサネットワークシステム。
マルチホップで基地局にデータを収集可能な無線センサノードにより構成されるセンサネットワークのメディアアクセス制御方法であって、
前記センサノードが、
長波帯標準電波信号を用いて時刻同期を行い、
同一の起動周期および起動タイミングで所定起動期間だけＲＦ回路をＯＮとし、前記起動期間後は前記ＲＦ回路をＯＦＦし、
データ送信の際には周辺ノードの前記起動タイミングに合わせてプリアンブル信号を送信し、前記周辺ノードを起動させデータ受信可能な状態にさせた後にデータ送信を行い、
データ受信の際には前記起動期間に他のノードからの前記プリアンブル信号を受信した場合に前記起動期間後も前記ＲＦ回路をＯＮに維持してデータ受信可能な状態とし、前記ＲＦ回路をＯＦＦとし、
センサノード間でのデータ送受信するために必要となる起動時間とプリアンブルの送信時間を制御して、センサノードの消費電力量を低く抑える、
ことを特徴とするメディアアクセス制御方法。
前記プリアンブル信号長が、前記長波帯標準電波信号により得られる絶対時間からのクロックドリフトの４倍長に前記起動期間を加算したものであることを特徴とする請求項４記載のメディアアクセス制御方法。