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センサーネットワークの効率化を実現する自律分散型マルチホップ送信手法

センサーネットワークの効率化を実現する自律分散型マルチホップ送信手法. 上智大学理工学部機械工学科　管理工学研究グループ４年 A0571215 　　河野竜一. 研究背景：センサーネットワークとは. 小型無線装置内蔵センサー. 利用者. 応用例 ： 森林内火災検知，作業員安全管理　など 課題 ： エネルギーが有限 ( 電池で稼働 ) 効率のよい送信路設計アルゴリズムの構築. 情報. 研究背景：電力消費モデル. 小型無線装置内蔵センサー. 距離： d(m) 送信データ： K(bit).

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センサーネットワークの効率化を実現する自律分散型マルチホップ送信手法

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Presentation Transcript

  1. センサーネットワークの効率化を実現する自律分散型マルチホップ送信手法センサーネットワークの効率化を実現する自律分散型マルチホップ送信手法 上智大学理工学部機械工学科　管理工学研究グループ４年 A0571215　　河野竜一

  2. 研究背景：センサーネットワークとは 小型無線装置内蔵センサー 利用者 応用例 ： 森林内火災検知，作業員安全管理　など 課題 ： エネルギーが有限(電池で稼働) 効率のよい送信路設計アルゴリズムの構築 情報

  3. 研究背景：電力消費モデル 小型無線装置内蔵センサー 距離：d(m) 送信データ：K(bit) ・送信電力=Eelec×K + E(d)×K×dn(d) ・受信電力=Eelec×K ・圧縮電力=EAD×K×メッセージ数

  4. 目的 接続性を損なわないようにした上で，従来手法と比べてシステムの稼働期間が長いデータ送信路設計アルゴリズムを提案． システムの稼働期間 1 最初にセンサーが電池切れをおこすまで 2 全てのセンサーが電池切れをおこすまで

  5. 目的 接続性を損なわないようにした上で，従来手法と比べてシステムの稼働期間が長いデータ送信路設計アルゴリズムを提案． システムの稼働期間 1 最初にセンサーが電池切れをおこすまで 2 全てのセンサーが電池切れをおこすまで

  6. センサーネットワークにおける情報収集 ①探索領域内に無線装置内蔵センサーを散布、または配置． ②ネットワークを形成． ③センサーが周辺の情報(温度や湿度など)を採取． ④無線装置が採取した情報をベースステーションへ送信． ⑤ ②③④を繰り返す． 探索領域 ベースステーション

  7. センサーネットワークにおける情報収集 センサー ①探索領域内に無線装置内蔵センサーを散布、または配置． ②ネットワークを形成． ③センサーが周辺の情報(温度や湿度など)を採取． ④無線装置が採取した情報をベースステーションへ送信． ⑤ ②③④を繰り返す． 探索領域 ベースステーション

  8. センサーネットワークにおける情報収集 センサー ①探索領域内に無線装置内蔵センサーを散布、または配置． ②ネットワークを形成． ③センサーが周辺の情報(温度や湿度など)を採取． ④無線装置が採取した情報をベースステーションへ送信． ⑤ ②③④を繰り返す． 探索領域 ベースステーション

  9. センサーネットワークにおける情報収集 センサー ①探索領域内に無線装置内蔵センサーを散布、または配置． ②ネットワークを形成． ③センサーが周辺の情報(温度や湿度など)を採取． ④無線装置が採取した情報をベースステーションへ送信． ⑤ ②③④を繰り返す． 探索領域 ベースステーション

  10. センサーネットワークにおける情報収集 センサー ①探索領域内に無線装置内蔵センサーを散布、または配置． ②ネットワークを形成． ③センサーが周辺の情報(温度や湿度など)を採取． ④無線装置が採取した情報をベースステーションへ送信． ⑤ ②③④を繰り返す． 探索領域 ベースステーション

  11. センサーネットワークにおける情報収集 センサー ①探索領域内に無線装置内蔵センサーを散布、または配置． ②ネットワークを形成． ③センサーが周辺の情報(温度や湿度など)を採取． ④無線装置が採取した情報をベースステーションへ送信． ⑤ ②③④を繰り返す． 探索領域 ベースステーション

  12. 本研究の位置づけ [1]Heinzelman, Pchandrakasan and Balakrishnan : An application-specific protocol architecture for wireless microsensor networks. IEEE transactions on wireless Communications, (2002) [2]Younis and Fahmy, : Distributed clustering in ad-hoc sensor networks: A Hybrid, Energy-efficient Approach. in Proceedings of IEEE INFOCOM, (2004)

  13. クラスタリングとは センサー クラスタ クラスタヘッド ベースステーション

  14. 従来のクラスタリング手法の特徴 • 長所 • 送信スケジュールの構築が確実で簡単． • 短所 • クラスタの位置やサイズに偏りが出る． • 平均送信距離が長くなる． • ラウンドごとにネットワーク形成のための電力が必要．

  15. 提案手法の特徴 1.最も電池残量の多いセンサーがBSへ情報送信する． 　最も電力消費が激しいのがベースステーション 　へのデータ送信のため． 2.データ送信は出来るだけマルチホップで行う． 後述． 3.同じネットワークで数ラウンドデータ送信を繰返す． ネットワーク形成にかかる電力を抑えるため．

  16. A C B データ送信をマルチホップで行う理由 ・A,Bの情報をCへ送信する場合を考える． パターン１：1hop A→C、B→C dAC dBC 消費電力 Cの受信電力 Aの送信電力 Bの送信電力

  17. A C B データ送信をマルチホップで行う理由 ・A,Bの情報をCへ送信する場合を考える． パターン2：2hop A→B→C dAB dBC 消費電力 Cの受信電力 Aの送信電力 Bの送受信電力

  18. C C B B データ送信をマルチホップで行う理由 ・A,Bの情報をCへ送信する場合を考える． パターン１：1hop パターン２:2hop dAC A A dAB dBC dBC dAC>dABならば、全体で見れば2hopで送信した方が電力消費は抑えられる。

  19. 提案手法の特徴 1.最も電池残量の多いセンサーがBSへ情報送信する． 2.データ送信は出来るだけマルチホップで行う． 3.同じネットワークで数ラウンドデータ送信を繰返す．

  20. 探索領域 提案手法のアルゴリズム ベースステーション

  21. Head 探索領域 提案手法のアルゴリズム ①Head決定 Ti=(1-Ei/Eini)×sensor数+i/sensor数 の時刻にHeadに立候補する． ベースステーション

  22. 提案手法のアルゴリズム ①Head決定 ②ADVメッセージの送信 全センサーにHeadとなったことを知らせるADVメッセージを送信する． 探索領域 ベースステーション

  23. 探索領域 提案手法のアルゴリズム ①Head決定 ② ADVメッセージの送信 ③第一世代決定 Headとの距離がRADV以下で距離が近い順のReMAX個のセンサーはHeadを送信先に決定する． RAdv ベースステーション

  24. 提案手法のアルゴリズム ①Head決定 ② ADVメッセージの送信 ③第一世代決定 ④第一世代がADVメッセージ送信 第一世代のセンサーがRADVの範囲にADVメッセージを送信する． RAdv 探索領域 ベースステーション

  25. 提案手法のアルゴリズム ①Head決定 ② ADVメッセージの送信 ③第一世代決定 ④第一世代がADVメッセージ送信 ⑤第二世代決定 メッセージを受け取った距離が近いReMAX個までのセンサーは送信先を決定する． 探索領域 ベースステーション

  26. 提案手法のアルゴリズム ①Head決定 ② ADVメッセージの送信 ③第一世代決定 ④第一世代がADVメッセージ送信 ⑤第二世代決定 ⑥繰り返し 最大世代数GMAXに到達するまでメッセージ送信→送信先決定を繰り返す． 外れセンサー 探索領域 ベースステーション

  27. 提案手法のアルゴリズム ①Head決定 ② ADVメッセージの送信 ③第一世代決定 ④第一世代がAdv-Message送信 ⑤第二世代決定 ⑥繰り返し ⑦情報収集 同ネットワークで数回情報収集を繰り返す． 外れセンサー 探索領域 ベースステーション

  28. 提案手法のフローチャート Head立候補フェーズ Adv-Messageを受信するまで待機 Tiまで待機 Request-Messageを受信 送信先=BSに決定 Permit-Message (世代、TDMA)を送信 T=Ti:HeadID=i、BSを送信先に決定Adv-Message(HeadID)を送信 No T<TiでAdv-Message (HeadID)を受信 Request-Messageを受信 d(i,Head)<Adv-Range Yes No Yes 送信先=HeadIDに決定 Request-Messageを送信 No Adv-Message(ID,世代) を受信 d(i,ID)が最小のIDを送信先に決定 世代=世代 Request-Messageを送信 Yes Permit-Message(世代,TDMA)を受信 世代<世代max No Yes ネットワーク形成フェーズ Adv-Message(ID,世代)を送信 TDMAスケジュールに従って情報送信 No Permit-Message(世代,TDMA)を送信 Yes 情報収集フェーズ

  29. ネットワークの例 ・最大送信距離RADV=20 ・最大受信数ReMAX=4 ・最大世代数GMAX=20 　　　　の場合

  30. 問題設定 ・センサー数N=100 ・探索領域の広さW(m)=100×100 ・BSの座標=(50,175) ・初期電力Eini(J)=0.5 ・Data量K(bit)=2000 ・制御信号量C(bit)=300 ・Eelec(nJ/bit)=50 ・EAD(nJ/bit/message)=5 ・E(d)(pJ/bit/dn(d))=10(d≦87),0.0013(d＞87) ・n(d)=2(d≦87),4(d＞87) ・最大送信距離RADV(m)=30 ・最大受信数ReMAX=2 ・最大世代数GMAX=20 ・繰り返し数Niter=40

  31. 従来手法との比較 外れセンサーの数が多くなるため，センサーの減少量は従来手法と変わらない．

  32. 従来手法との比較(センサー生存数)

  33. 従来手法との比較(総送信情報量)

  34. まとめ ・クラスタリングを用いないマルチホップ送信手法を提案し，従来手法と比べて長い期間センサーネットワークシステムを稼働できることをシミュレーションによって実証した． 今後の課題 • 外れセンサーの数を小さくするか，外れセンサーも他のセンサーを経由できるアルゴリズムの考案． • 繰返しデータ送信をしている最中に中継センサーが電池切れした場合にネットワークを再形成できるアルゴリズムの考案．

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