指向性アンテナの通信距離延長効果を用いた省電力センサネットワーク

「 マ ル チ メ デ ィ ア， 分 散， 協 調 と モ バ イ ル
（DICOMO 2006）シンポジウム」平成 18 年 7 月
指向性アンテナの通信距離延長効果を用いた省電力センサネットワーク
崎山
朝彦 １
萬代 雅希 ２
渡辺 尚 ３
１
静岡大学情報学研究科
静岡大学情報学部 ２
静岡大学創造科学技術大学院インフォマティクス部門 ３
Using Effect of Directional Antenna of Extend the Transmission range
in Power Saving Sensor Networks
Tomohiko Sakiyama１
Masaki Bandai２
Takashi Watanabe３
Graduate School of Information, Shizuoka University１
Faculty of information, Shizuoka University ２
Informatics Section, Graduate School of Science and Technology, Shizuoka University３
1.
2.
はじめに
近年,安価で小型化された無線通信機能を有するセンサノ
ードの開発が進み,センサネットワークが注目されている[1].
センサネットワークとは,小型センサノードからセンシング
した情報をマルチホップ通信により収集するネットワークで
ある.Mote[2]に代表されるセンサノードはすでに実用化され,
現在の技術でもセンサ,通信,電力供給などの機能をある程度
小型の容積に集約できる.しかし,センサノードはバッテリー
駆動のため電力消費の制約が厳しい.そのため,省電力化を行
うことが重要課題である.
また,センサネットワークの省電力化を目指した研究開発
は盛んに行われている.S-MAC [3](Sensor Medium Access
Control)や SMACS[4] (Self-organizing Medium Access Control
for Sensor networks)といったノードのスリープ状態を導入し
た省電力化 MAC(Medium Access Control)層プロトコルや,
複数のデータを一つのデータに集約することによって,省電
力化を図る Directed Diffusion[5]といったネットワーク層プ
ロトコル等の手法はセンサノードの省電力化に有効である.
しかし,従来のセンサネットワークの省電力化に関する研究
は,無指向性のオムニアンテナの使用を前提としている.
そこで本稿ではセンサネットワークへの指向性アンテナの
適用について検討する.まずセンサネットワークにおける指
向性アンテナの適用領域について評価する.指向性アンテナ
は通信距離の延長により,遠くのノードと通信が可能となる.
その指向性アンテナの通信距離延長効果によってシンクへの
到達ホップ数が削減され,省電力化が予想される.しかし, こ
の効果によるネットワークライフタイムの延長は見込めない.
それはセンサネットワークにおいて各ノードがシンクに向か
ってマルチホップ通信を行い,シンクに近いセンサノードほ
ど他のセンサノードのパケットの中継により電力消費が大き
くなるためである.この問題は指向性アンテナの適用だけで
の解決は難しい.そこで次に,指向性アンテナによる省電力効
果を活かし,シンク付近の電力消費の均一化によってネット
ワークライフタイムの延長を図ることを目的とし,バッテリ
ー残量を考慮した分散ルーティングについて検討する.
関連研究
文献[6]では無線マルチホップネットワーク環境で,指向性
アンテナをランダムに固定配置したネットワークは,無指向
性アンテナによるネットワークと比較し, ルート構築率が高
いことを示している.これは,狭いビーム幅の指向性アンテナ
を利用することで近隣の通信可能ノード数は減少するが,通
信距離の延長効果により遠くの通信可能ノード数が増加する
ためである.この効果により,アンテナ制御などの複雑さをな
くし,実用性があることを明らかにしている.
3.
センサネットワークにおける指向性アンテナの
適用領域の評価
本章ではセンサネットワークにおける指向性アンテナの適
用領域の評価を行う.センサネットワークにおける消費電力
の問題を解決するために指向性アンテナの通信距離延長効果
によってシンクへの到達ホップ数の削減による省電力化を図
る.以下のセンサネットワークモデル,指向性アンテナモデル,
無線リンクモデルを用いた場合の電力消費,ネットワークラ
イフタイムに関する評価を行う.
3.1 センサネットワークモデル
センサネットワークはセンシング情報を収集するシンクと
センシング情報をマルチホップ通信によって伝送するセンサ
ノードによって構成する. シンクは中心,センサノードはラ
ンダムに配置する.センサノードからのシンクへマルチホッ
プ通信によってセンシング情報を収集する.
3.2 アンテナモデル
本稿ではバックローブ,サイドローブを考慮した指向性ア
ンテナモデルを用いる.また,ノードは送信および受信が同方
向,同ビーム幅の送受信アンテナ 1 本有するものとする.メイ
ン ロー ブ ビ ー ム 幅は θ [rad],指 向性 ア ン テ ナ 方向 は 固 定 と す
る.指向性アンテナモデルの利得データとして,ESPAR アンテ
ナの測定結果にもとづくビーム利得を使用し,メインローブ
ビーム幅はθ[rad],指向性アンテナ方向は固定とする.
－ 805 －
指向性アンテナモデルの利得データとして,ESPAR アンテナ
の測定結果にもとづくビーム利得を使用し,メインローブ利
得＝無指向性利得＋5.88[dB] とする.(図 1).
10
5
0
-5
-10
omni
directional
きると考えられる.
図４はネットワーク全体の総パケット数を示す .これはネ
ットワーク全体で発生したパケット数を示す.密度 D が低い
ところでは,平均ホップ数同様に無指向性アンテナのルート
構築が低いため,指向性アンテナのほうが総パケット数は高
い.密度 D が増えることによって,発生パケット数も増えるた
め,無指向性アンテナ,指向性アンテナ共に総パケット数は増
加する. 指向 性 アンテナは 無 指向性アン テ ナと比較す る と,
密度 D=6 以上では,無指向性アンテナが約 100 パケット以上
高い.よって指向性アンテナの適用によって,総パケット数が
削減されている.よってネットワーク全体の省電力化を達成
している.
7
6
アンテナモデル
5
平均ホップ 数
図１
3.3 無線リンクモデル
本稿では自由空間伝播を考慮した無線リンクモデルを用い
る式(1).送信ノードは Pt[dB]の伝送電力で送信,受信ノードは
Pr[dB] の 受 信 電 力 で 受 信 . 送 信 利 得 は Gt[dB], 受 信 利 得 は
Gr[dB]とし距離はｄ[m]とする.
4
3
omni
directional
2
1
0
3
Pr [ dB ] � Pt [ dB ] � G t [ dB ] � G r [ dB ] � Γ[ dB ]
2
(1)
受信電力 Pr[dB]が受信スレッショルド Ps[dB]を超えると
受信する.
3.4 計算機シミュレーションによる評価
3.1～3.3 で述べたセンネットワークモデル,アンテナモデル,
無線リンクモデルによる指向性アンテナのセンサネットワー
クにおける適用領域の評価を計算機シミュレーションによっ
て行う.ノードの通信距離は無指向性で約 50m,エリアは 500m
×500m,ノード数を 100～500 に変化させ密度 D を変化させる.
密度 D は 1 ホップ内の平均ノード数を表す.ノードはランダム
に配置し,指向性アンテナのメインローブの方向もランダム
に形成する.シンクからホップカウントパケットをブロード
キャストしルーティングテーブルを作成,シンクへの最短ホ
ップルートをルーティングテーブルから選択.この際衝突は
起きない仮定とし,パケット発生間隔は 8s でポアソン分布に
従い発生させる .
3.5 電力消費
電力消費の指標は平均ホップ数 ,ネットワーク全体の総パ
ケット数によって表す.図３にシンクへの平均ホップ数を示
す.これは全ノードのシンクへの最短ホップ数の平均である.
また密度 D は無指向性１ホップの通信距離内に存在する平均
ノード数を示す（以下のグラフの横軸密度 D も同様とする）.
密度 D が低いところでは指向性アンテナは無指向性アンテナ
を上回っているが,これは密度が低く,無指向性アンテナにお
けるルート構築率が低いためである.そして,密度 D=6 以上で
は指向性アンテナは無指向性アンテナと比較し,約１ホップ
以上低い値となっている.よって指向性アンテナの通信距離
延長効果による平均ホップ数削減により,省電力化を達成で
9
密度D
12
15
図 3 シンクへの平均ホップ数
350
総 パ ケ ッ ト 数 （ kpac ke ts）
� ４πｄ �
��
�
� λ �
6
300
250
200
150
omni
directional
100
50
0
3
図4
6
9
12
15
密度D
ネットワーク全体の総パケット数
3.6 ネットワークライフタイム
図５にネットワークライフタイムを示す.ネットワークラ
イフタイムは 1 つのノードがバッテリーを使い切るまでの時
間と定義する.シミュレーションパラメータとしてネットワ
ークライフタイムは 1 ノードが 1 万パケット転送するまでの
時間とする.この結果より,通信距離延長による省電力効果に
よるネットワークライフタイムの延長はみられない.そこで
図６において,各転送回数によるノード数の分布について評
価した.これにより,10000 万以下の高転送回数のノードはシ
ンク付近のノードを示す.このシンク付近の高転送のノード
数が,無指向性と指向性の差が少ないため,ネットワークライ
フタイムの延長が図れないことが明らかとなった.しかしな
がら,指向性アンテナを利用した場合,未転送ノードや転送回
数が少ないノードが多く存在していることが明らかとなった.
したがって,センサネットワークにおいてネットワークライ
フタイムが切れたとき,指向性アンテナを用いた場合の方が
バッテリー残量の多いノードが多数存在することが明らかと
なった.
－ 806 －
ネットワー クライフタイム(s)
1400
で定義する.またこのときの表１に示される付加値とはルー
ト形成時のホップカウントを受けた際に増加させるホップ数
を示す. 例えば,バッテリー残量レベルが 1 の場合,ホップカ
ウントによるルート形成時に付加値として３ホップをホップ
カウントに付加する.これによりバッテリー残量の低いノー
ドを避ける遠回りルートが形成される.閾値,付加値は遠回り
ルートに適切な値とした.
表１ バッテリー残量レベル
1200
1000
800
600
omni
directional
400
200
0
3
6
9
12
15
下
下
50
00
以
以
10
00
10
00
0以
下
下
50
0以
10
0以
下
omni
directional
0
ノード数
付加値
1/2
３
レベル 2
1/4
５
1/10
１０
4.2 バッテリー残量を考慮したルーティング
図６
3.７
閾値
レベル 1
レベル 3
密度D
図 5 ネットワークライフタイム
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
バッテリー残量レベル
転送回数
各転送回数によるノード数の分布
指向性アンテナの適用領域の評価のまとめ
本章ではセンサネットワークにおける指向性アンテナの適
用領域を評価し た.ホップ数 削 減によりネット ワーク全体は
省電力化される が,ネットワ ー クライフタイム が延長されな
いことが明らかとなった,しかし,未転送ノードを含め,バッテ
4.1 節のバッテリー残量レベルの定義に基づき,バッテリー
残量を考慮した分散ルーティングのアルゴリズムについて以
下に示す(図７).
１.スタートアップ
シンクからのホップカウントパケットをフラッディングし,
ルートを形成.
２.通常フェーズ
ルーティングテーブルから最短ホップルートを選択し,シ
ンクへのデータ転送.
３, ルート変更フェーズ
バッテリー残量がある閾値に達したとき,そのノードが,自
身のバッテリー残量レベルを変更し,シンクへルート変更メ
ッセージを送信.ルート変更メッセージを受け取ったシンク
はホップカウントパケットをフラッディング.このときバッ
テリー残量レベルに応じた付加値をホップカウントに加えて
送信.これにより低残量ノードを避ける遠回りルートが生成
される.そして通常フェーズへ戻る.
４.終了
バッテリーが切れたら終了とする.
リー残量が多い ノードが多数存 在ことも明らか となった.次
start
に,この特性を活かし, シンク付近の 電力 消費 の均一化によ
るネットワークライフタイムの延長 を目的とし,バッテリ
ー残量を考慮した分散ルーティングを 提 案し ,計 算 機 シ
Hop count
ブロードキャスト
ミュレーションによって評価する.
４.
通常フェーズ
シンクへの最
短ルート選択
提案方式
本章ではバッテリー残量を考慮した分散ルーティングを提
案する.3 節のセンサネットワークにおける指向性アンテナを
適用領域の評価より, 指向性アンテナにより構成されたセン
サネットワークにおいて, バッテリー残量が多いノードが多
く存在することが明らかとなった.そこで提案方式によって,
バッテリー残量が少ないノードを中継ノードとしない遠回り
ルートを選択し,シンク付近の電力消費を均一にすることに
よって,ネットワークライフタイムの延長を図る.提案の詳細
として,4.１節でバッテリー残量レベルの定義,4.3 節でバッテ
リー残量を考慮したルーティングについて述べ,4.4 節ではバ
ッテリー残量を考慮した分散ルーティングの動作例について
述べる.
シンクへの
データ転送
no
バッテリー切れ
Yes
バッテリー残量
＜１/10
Yes
シンクへルート変更
メッセージを送信
4.1 バッテリー残量レベルの定義
レベル＝3
－ 807 －
バッテリー残量
＜１/４
Yes
no
バッテリー残量
＜１/２
レベル=2
Yes
レベル=1
end
提案方式ではバッテリー残量を考慮した分散ルーティング
を考えるにあたって,まずバッテリー残量をある閾値によっ
て３つのレベルに分ける.このバッテリー残量レベルを表１
no
ルート変更フェーズ
図７
提案方式のアルゴリズム
no
4.2 バッテリーを考慮した分散ルーティングの動作例
A
2
図８
3
C
B
A
D
2
1
1
4
S
1
1
S
バッテリーを考慮した分散ルーティングの動作例
A→C→D→S
3hop
A→B→S
2hop
A
B
C
D
S
data
ルート変更メッセージ
Hop count
Bのバッテリー
残量Level1
Hop count
Hopcount＋3
A→C→D→S
3hop
A→B→S
4hop
data
2000
1500
1000
omni
directional
500
0
3
5.
D
2
B
2500
図１０
C
3
テリー残量の低いノードを中継ノードとしない遠回りルート
を選択する場合に,このバッテリー残量の高いノードが有効
活用されるからである.この遠回りルートにより転送処理が
分散され,シンク付近の電力消費を均一にし,ネットワークラ
イフタイムの延長がなされる.
ネットワークライフタイム(ｓ)
図８にバッテリーを考慮した分散ルーティングの動作例,
図９にそのシーケンスチャートを示す.まずノード A から通
常フェーズにおけるシンクへのデータ転送が行われる.この
ときのルートは A→B→S を最短ホップルートとして選択.そ
して中継ノードである B のバッテリー残量が１/2 となりバッ
テリー残量レベルがレベル 1 となる.そしてレベル 1 となった
ノード B はシンクへルート変更メッセージを送信.それを受
け取ったシンクは Hop count パケットをフラッディング.各
ノードがこれを受け取り,新たなルートテーブルを作成.この
ときレベル 1 のノード B は Hop count パケットに付加値とし
て３ホップ付加して送信.それにより A からのルート A→B
→S が４ホップとなり,３ホップの A→C→D→S のルートが
選択される.これにより低残量バッテリーを避ける遠回りル
ートが選択され,転送処理が分散される.これによりシンク付
近の電力消費の均一化を図られる.
data
data
6
9
密度D
12
15
ネットワークライフタイム
まとめ
本稿ではセンサネットワークへの指向性アンテナの適用に
ついて検討した.まずセンサネットワークにおける指向性ア
ンテナの適用領域について評価した.指向性アンテナは通信
距離の延長により,より遠くのノード通信が可能となり,その
通信距離延長効果によってシンクへの到達ホップ数が削減さ
れネットワーク全体の省電力化がなされた.しかし,センサネ
ットワークにおいて各ノードがシンクに向かってマルチホッ
プ通信を行うため,シンクに近いセンサノードほど他のセン
サノードのパケットの中継により電力消費が大きくなるとい
う問題は指向性アンテナの適用だけでは解決は難しく,ネッ
トワークライフタイムの延長は見られなかった.次に指向性
アンテナによる省電力効果を利用し,シンク付近の電力消費
の均一化によってネットワークライフタイムの延長を図るバ
ッテリー残量を考慮したルーティング方式を提案した.提案
方式はバッテリー残量の低いノードを避けて,遠回りをする
ルーティング方式であり,この方式により,シンク付近のノー
ドの均一化により,ネットワークライフタイムの延長を達成
した.今後は MAC 層における衝突を考慮した場合の指向性ア
ンテナの影響を評価し,より省電力化できる方式を提案する.
参考文献
図９
シーケンスチャート
4.3 計算機シミュレーションによる評価
提案方式を計算機シミュレーションによって評価する.評
価パラメータは 3 節のシミュレーションと同様である.性能
指標として 3 節と同様,１つのノードのバッテリー残量が切
れるまでの時間をネットワークライフタイムとする.シミュ
レーションでは 1 万パケット転送するまでの時間とする.ま
た, これまでの研究ではルート変更時に生じるホップカウン
トパケット等の制御パケットによるオーバヘッドを考慮して
おらず,予想される性能が得られない可能性がある.しかしな
がら無指向性と指向性の制御パケットによる差は少ないと考
え,今回の評価では簡単化のため省略する.
図 10 にネットワークライフタイムを示す.指向性は無指向
性と比較し,ネットワークライフタイムが延長されている.特
に密度 D が高いところではその差は大きい. これは 3 節での
センサネットワークにおける指向性アンテナを適用した場合,
バッテリー残量の高いノードが多く存在することから,バッ
[1] I.F.Akyildiz, W.Su, Y.Sankarasubramaniam, and
E.Cayirci, `A survey on sensor networks,'' IEEE
Communications Magazine, pp.102-114,Aug. 2002.
[2] http://www.spp.co.jp/sssj/mote2dot.doc
[3] W.Ye,J.Heidemann,and D.Estrin, ``An energy-efficient MAC
protocol for wireless sensor networks,'' in Proc. IEEE
INFOCOM2002, pp.1567-1576, Jun. 2002.
[4]K.Sohrabi,J.Gao,V.Ailawadhi,andG.J.Pottie,``Protocols
for
self-organization of a wireless sensor network,'' IEEE Personal
Communications pp.16-27, Oct. 2000.
[5]C.Intanagonwiwat,R.Govindan,andD.Estrin,``Directed
diffusion: a scalable and robust communication paradigm for
sensor networks,'' in Proc. ACM MobiCom2000, pp.56-67, 2000.
[6] Christian Bettstetter , Christian Hartmann, and Clemens
Moser” How Does Randomized Beamforming Improve the
Connectivity of Ad Hoc Networks?”, Conference on
Communications (ICC2005),CD-ROM
謝辞
本研究は科研費基盤研究 A(17200003)の助成を受けて行った
－ 808 －