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JP7609399B2 - Sensor network system, sink, node, data communication processing method and program - Google Patents
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Sensor network system, sink, node, data communication processing method and program Download PDF

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Description

本発明は、センサネットワークシステムと、このセンサネットワークシステムに用いるシンクおよびノードと、このセンサネットワークシステムを用いるデータ通信処理方法と、シンクおよびノードに用いるプログラムとに関する。 The present invention relates to a sensor network system, a sink and a node used in the sensor network system, a data communication processing method using the sensor network system, and a program used in the sink and the node.

所定の領域に点在する複数の位置で取得したデータを収集して処理するセンサネットワークシステムが知られている。センサネットワークシステムは、複数のセンサノード装置(以下、「ノード」と略す)と単独のシンクサーバ装置(以下、「シンク」と略す)を備える。複数のノードは複数の位置にそれぞれ配置されており、それぞれのノードはその位置でデータを取得してシンクに送信する。シンクは、複数のノードから収集した複数のデータを処理して、所定の領域に関する全体的なデータを得る。 A sensor network system is known that collects and processes data acquired at multiple locations scattered across a given area. The sensor network system comprises multiple sensor node devices (hereinafter abbreviated as "nodes") and a single sink server device (hereinafter abbreviated as "sink"). The multiple nodes are arranged at multiple locations, and each node acquires data at its location and transmits it to the sink. The sink processes the multiple data collected from the multiple nodes to obtain overall data about the given area.

通常は、混信を防ぐために、シンクは一度に1つのノードとの間で無線通信を行う。この場合、データ収集をデジタル通信で行うことができる一方で、シンクが全てのノードからデータを収集するためには、ノードの総数と同じ数のタイムスロットが必要となる。つまり、ノードの総数が増加すれば、一度のデータ収集にかかる時間も増加する。 Normally, to prevent interference, the sink communicates wirelessly with one node at a time. In this case, data collection can be done digitally, but in order for the sink to collect data from all nodes, it needs the same number of time slots as the total number of nodes. In other words, as the total number of nodes increases, the time it takes to collect data at one time also increases.

LPWA(Low Power, Wide Area:低電力広エリア)の一種であるLoRa(Long Range:長距離)のように、複数のノードが競合する同一の通信チャネルを共有してシンクへ送信するので、ノードが増加すれば、データの収集時間が増加するのみならず、データの衝突が発生する頻度も増加する。 In a system like LoRa (Long Range), which is a type of LPWA (Low Power, Wide Area), multiple nodes share the same competing communication channel to transmit to a sink, so as the number of nodes increases, not only does it take longer to collect data, but the frequency of data collisions also increases.

シンクが所定の領域の全体的なデータを得るために、それぞれのノードが取得した個別のデータまでは必要ない場合がある。例えば、ある領域の気温を調べるためには、複数の地点で取得した気温の平均値さえ分かれば十分である。そして、この平均値は、シンクとの通信に成功したノードの総数と、これらのノードから収集したデータの総和さえ分かれば算出可能である。 In some cases, the sink does not need the individual data acquired by each node to obtain overall data for a given area. For example, to find out the temperature in a certain area, it is sufficient to know the average temperature acquired at multiple points. This average can be calculated by knowing the total number of nodes that successfully communicated with the sink and the sum of the data collected from these nodes.

上記に関連して、非特許文献1(Wanchun Liu他著、「Over-the-Air Computation Systems: Optimization, Analysis and Scaling Laws」、IEEE Transaction on Wireless Communications、2020年、pp.1536~1276)には、Over-the-Air Computation Systems(以降、「AirComp」と略す)が開示されている。 In relation to the above, Non-Patent Document 1 (Wanchun Liu et al., "Over-the-Air Computation Systems: Optimization, Analysis and Scaling Laws," IEEE Transaction on Wireless Communications, 2020, pp. 1536-1276) discloses Over-the-Air Computation Systems (hereinafter abbreviated as "AirComp").

このAirCompでは、複数のノードが単独のシンクにデータを送信するとき、アナログ信号による通信を行う。全てのノードが同時にデータを送信し、シンクがこれらのデータを一度に受信することによって、一度のデータ収集を単独のタイムスロットで行うことができる。また、複数のアナログ信号を同時に受信することによって、シンクはこれらのデータの値の総和を演算することなく得ることができる。 In AirComp, when multiple nodes send data to a single sink, they communicate using analog signals. All nodes send data at the same time, and the sink receives this data all at once, allowing one data collection to be performed in a single time slot. Also, by receiving multiple analog signals simultaneously, the sink can obtain the sum of these data values without performing any calculations.

このとき、それぞれのノードからシンクに届くデータを表すアナログ信号の電力または電界強度は、データのアナログ値に比例していることが好ましい。しかし、ノードとそれぞれのノードの間のチャネル係数とチャネルゲインは、両者の間の距離や通信環境に応じて異なる。そこで、それぞれのノードは、シンクとの間のチャネルゲインに応じて送信電力を適宜に調整する。こうすることによって、シンクに届くアナログ信号の電力または電界強度は、データのアナログ値に比例する。 In this case, it is preferable that the power or field strength of the analog signal representing the data arriving from each node to the sink is proportional to the analog value of the data. However, the channel coefficient and channel gain between the node and each node differ depending on the distance between them and the communication environment. Therefore, each node adjusts the transmission power appropriately depending on the channel gain between the node and the sink. In this way, the power or field strength of the analog signal arriving at the sink is proportional to the analog value of the data.

しかし、実際には、限られた電力で動作するノードの送信電力には上限がある。チャネルゲインが所定の閾値を下回るとき、ノードが最大送信電力を用いてアナログ信号を送信しても、その電力はデータのアナログ値に比例しない。その結果、マルチアクセスチャネルで受信されるアナログデータに歪みが発生し、シンクが得るアナログ値の総和の精度が低下する可能性がある。 However, in practice, there is an upper limit to the transmission power of a node operating with limited power. When the channel gain is below a certain threshold, even if a node transmits an analog signal using its maximum transmission power, the power is not proportional to the analog value of the data. As a result, distortion occurs in the analog data received on the multi-access channel, and the accuracy of the sum of the analog values obtained by the sink may decrease.

Wanchun Liu他著、「Over-the-Air Computation Systems: Optimization, Analysis and Scaling Laws」、IEEE Transaction on Wireless Communications、2020年、pp.1536~1276Wanchun Liu et al., “Over-the-Air Computation Systems: Optimization, Analysis and Scaling Laws”, IEEE Transaction on Wireless Communications, 2020, pp. 1536-1276

データ収集の効率と精度を向上させるセンサネットワークシステム、シンク、ノード、データ通信処理方法およびプログラムを提供する。その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。 A sensor network system, sink, node, data communication processing method and program are provided that improve the efficiency and accuracy of data collection. Other objects and novel features will become apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.

以下に、(発明を実施するための形態)で使用される番号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、(特許請求の範囲)の記載と(発明を実施するための形態)との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、(特許請求の範囲)に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。 Below, the means for solving the problem are explained using the numbers used in (Mode for carrying out the invention). These numbers are added to clarify the correspondence between the description in (Claims) and (Mode for carrying out the invention). However, these numbers should not be used to interpret the technical scope of the invention described in (Claims).

一実施の形態によれば、センサネットワークシステム(100)は、複数のノード(1)と、シンク(2)とを備える。複数のノード(1)は、それぞれがデータ(x)を取得する。シンク(2)は、複数のタイムスロットを含むデータ収集期間ごとに複数のノード(1)からデータ(x)を収集する。シンク(2)は、第1の送信制御装置(223)を備える。第1の送信制御装置(223)は、複数のタイムスロットのそれぞれにおいて、チャネルゲイン閾値(gth)を表す情報を含むビーコンを複数のノード(1)に送信する。複数のノード(1)のそれぞれは、チャネルゲイン検知装置(122)と、第2の送信制御装置(123)とを備える。チャネルゲイン検知装置(122)は、ビーコンに基づいて、シンク(2)との間のチャネルゲイン(g)を検知する。第2の送信制御装置(123)は、データ収集期間の中で一度だけ、所定の通信条件を満たしたタイムスロットでデータ(x)をシンク(2)に送信する。通信条件は、チャネルゲイン(g)がチャネルゲイン閾値(gth)以上であれば満たされ、タイムスロットがデータ収集期間の最後のタイムスロットであれば満たされる。 According to one embodiment, the sensor network system (100) includes a plurality of nodes (1) and a sink (2). Each of the plurality of nodes (1) acquires data (x). The sink (2) collects the data (x) from the plurality of nodes (1) for each data collection period including a plurality of time slots. The sink (2) includes a first transmission control device (223). The first transmission control device (223) transmits a beacon including information representing a channel gain threshold (g th ) to the plurality of nodes (1) in each of the plurality of time slots. Each of the plurality of nodes (1) includes a channel gain detection device (122) and a second transmission control device (123). The channel gain detection device (122) detects a channel gain (g h ) between the node (1) and the sink (2) based on the beacon. The second transmission control device (123) transmits the data (x) to the sink (2) in a time slot that satisfies a predetermined communication condition only once during the data collection period. The communication condition is met if the channel gain (g h ) is greater than or equal to the channel gain threshold (g th ) and the time slot is the last time slot of the data collection period.

一実施の形態によれば、シンク(2)は、パラメータ算出装置(221)と、送信制御装置(223)と、受信制御装置(224)と、後処理装置(225)とを備える。パラメータ算出装置(221)は、外部の複数のノード(1)の総数(K)に基づいて、データ収集期間に含まれる複数のタイムスロットの総数(N)を算出し、複数のタイムスロットの総数(N)に基づいて、チャネルゲイン閾値(gth)と信号振幅の目標値(α)を算出する。送信制御装置(223)は、複数のタイムスロットのそれぞれにおいて、複数のタイムスロットの総数(N)、チャネルゲイン閾値(gth)および信号振幅の目標値(α)を表す情報を含むビーコンを、複数のノード(1)に送信する。受信制御装置(224)は、ビーコンに応じて複数のノード(1)から送信された複数のデータ(x)を受信する。後処理装置(225)は、データ収集期間に受信した複数のデータ(x)の総和を得る。 According to one embodiment, the sink (2) includes a parameter calculation device (221), a transmission control device (223), a reception control device (224), and a post-processing device (225). The parameter calculation device (221) calculates the total number (N) of a plurality of time slots included in a data collection period based on the total number (K) of a plurality of external nodes (1), and calculates a channel gain threshold (g th ) and a target value (α) of a signal amplitude based on the total number (N) of a plurality of time slots. The transmission control device (223) transmits a beacon including information representing the total number (N) of a plurality of time slots, a channel gain threshold (g th ), and a target value (α) of a signal amplitude to the plurality of nodes (1) in each of the plurality of time slots. The reception control device (224) receives a plurality of data (x) transmitted from the plurality of nodes (1) in response to the beacon. The post-processing device (225) obtains the sum of the plurality of data (x) received during the data collection period.

一実施の形態によれば、ノード(1)は、センシング装置(15)と、ビーコン受信装置(121)と、チャネルゲイン検知装置(122)と、送信制御装置(123)とを備える。ビーコン受信装置(121)は、データ収集期間に含まれる複数のタイムスロットのそれぞれにおいて外部のシンク(2)から送信される、チャネルゲイン閾値(gth)を表す情報を含むビーコンを受信する。チャネルゲイン検知装置(122)は、ビーコンに基づいて、シンク(2)との間のチャネルゲイン(g)を検知する。送信制御装置(123)は、データ収集期間の中で一度だけ、所定の通信条件を満たしたタイムスロットでデータ(x)をシンク(2)に送信する。通信条件は、チャネルゲイン(g)がチャネルゲイン閾値(gth)以上であれば満たされ、タイムスロットがデータ収集期間の最後のタイムスロットであれば満たされる。 According to one embodiment, the node (1) includes a sensing device (15), a beacon receiving device (121), a channel gain detection device (122), and a transmission control device (123). The beacon receiving device (121) receives a beacon including information representing a channel gain threshold (g th ) transmitted from an external sink (2) in each of a plurality of time slots included in a data collection period. The channel gain detection device (122) detects a channel gain (g h ) between the node (1) and the sink (2) based on the beacon. The transmission control device (123) transmits data (x) to the sink (2) in a time slot that satisfies a predetermined communication condition only once during the data collection period. The communication condition is satisfied if the channel gain (g h ) is equal to or greater than the channel gain threshold (g th ), and is satisfied if the time slot is the last time slot of the data collection period.

一実施の形態によれば、データ通信処理方法は、複数のノード(1)のそれぞれがデータ(x)を取得すること(S202)と、データ収集期間に含まれる複数のタイムスロットのそれぞれにおいて、チャネルゲイン閾値(gth)を表す情報を含むビーコンをシンク(2)から複数のノード(1)に送信すること(S106)を含む。データ通信処理方法は、さらに、それぞれのノード(1)が、ビーコンに基づいて、シンク(2)との間のチャネルゲイン(g)を検知すること(S208)を含む。データ通信処理方法は、さらに、それぞれのノード(1)が、データ収集期間の中で一度だけ、所定の通信条件を満たしたタイムスロットでデータ(x)をシンク(2)に送信すること(S211)を含む。データ通信処理方法は、さらに、データ収集期間ごとに複数のノード(1)からデータ(x)をシンク(2)が収集すること(S107)を含む。通信条件は、チャネルゲイン(g)がチャネルゲイン閾値(gth)以上であれば満たされ、タイムスロットがデータ収集期間の最後のタイムスロットであれば満たされる。 According to one embodiment, the data communication processing method includes each of the plurality of nodes (1) acquiring data (x) (S202), and transmitting a beacon including information representing a channel gain threshold (g th ) from the sink (2) to the plurality of nodes (1) in each of a plurality of time slots included in a data collection period (S106). The data communication processing method further includes each node (1) detecting a channel gain (g h ) between the node (1) and the sink (2) based on the beacon (S208). The data communication processing method further includes each node (1) transmitting the data (x) to the sink (2) in a time slot that satisfies a predetermined communication condition only once during the data collection period (S211). The data communication processing method further includes the sink (2) collecting the data (x) from the plurality of nodes (1) for each data collection period (S107). The communication condition is satisfied if the channel gain (g h ) is equal to or greater than the channel gain threshold (g th ), and is satisfied if the time slot is the last time slot of the data collection period.

一実施の形態によれば、シンク(2)の演算装置(22)に実行させることによって処理を実現するプログラムにおいて、処理は、外部の複数のノード(1)の総数(K)に基づいて、データ収集期間に含まれる複数のタイムスロットの総数(N)を算出すること(S102)と、複数のタイムスロットの総数(N)に基づいて、チャネルゲイン閾値(gth)と信号振幅の目標値(α)を算出すること(S102)を含む。処理は、さらに、複数のタイムスロットのそれぞれにおいて、複数のタイムスロットの総数(N)、チャネルゲイン閾値(gth)および信号振幅の目標値(α)を表す情報を含むビーコンを、複数のノード(1)に送信すること(S106)を含む。処理は、さらに、ビーコンに応じて複数のノード(1)から送信された複数のデータ(x)を受信すること(S107)を含む。処理は、さらに、データ収集期間に受信した複数のデータ(x)の総和を得ること(S109)を含む。 According to one embodiment, in a program for implementing processing by being executed by a calculation device (22) of a sink (2), the processing includes calculating (S102) a total number (N) of a plurality of time slots included in a data collection period based on a total number (K) of a plurality of external nodes (1), and calculating (S102) a channel gain threshold (g th ) and a target value (α) of a signal amplitude based on the total number (N) of a plurality of time slots. The processing further includes transmitting (S106) a beacon including information representing the total number (N) of a plurality of time slots, a channel gain threshold (g th ), and a target value (α) of a signal amplitude, for each of the plurality of time slots, to the plurality of nodes (1). The processing further includes receiving (S107) a plurality of data (x) transmitted from the plurality of nodes (1) in response to the beacon. The processing further includes obtaining (S109) a sum of the plurality of data (x) received during the data collection period.

一実施の形態によれば、ノード(1)の演算装置(12)に実行させることによって処理を実現するプログラムにおいて、処理は、データ(x)を取得すること(S202)と、データ収集期間に含まれる複数のタイムスロットのそれぞれにおいて外部のシンク(2)から送信される、チャネルゲイン閾値(gth)を表す情報を含むビーコンを受信すること(S203)を含む。処理は、さらに、ビーコンに基づいて、シンク(2)との間のチャネルゲイン(g)を検知すること(S208)を含む。処理は、さらに、データ収集期間の中で一度だけ、所定の通信条件を満たしたタイムスロットでデータ(x)をシンク(2)に送信すること(S211)を含む。通信条件は、チャネルゲイン(g)がチャネルゲイン閾値(gth)以上であれば満たされ、タイムスロットがデータ収集期間の最後のタイムスロットであれば満たされる。 According to one embodiment, in a program for implementing processing by being executed by a computing device (12) of a node (1), the processing includes acquiring data (x) (S202) and receiving a beacon including information representing a channel gain threshold (g th ) transmitted from an external sink (2) in each of a plurality of time slots included in a data collection period (S203). The processing further includes detecting a channel gain (g h ) between the sink (2) based on the beacon (S208). The processing further includes transmitting the data (x) to the sink (2) in a time slot that satisfies a predetermined communication condition only once during the data collection period (S211). The communication condition is satisfied if the channel gain (g h ) is equal to or greater than the channel gain threshold (g th ), and is satisfied if the time slot is the last time slot of the data collection period.

一実施の形態によれば、データ収集の効率と精度を向上させることが出来る。 According to one embodiment, the efficiency and accuracy of data collection can be improved.

図1は、第1の関連技術によるセンサネットワークシステムの一構成例を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of a sensor network system according to a first related technique. 図2は、第1の関連技術によるセンサネットワークシステムの一動作例を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an example of an operation of the sensor network system according to the first related art. 図3は、第2の関連技術によるセンサネットワークシステムの一動作例を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing an example of an operation of a sensor network system according to the second related art. 図4は、第2の関連技術によるセンサネットワークシステムの一動作例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an example of an operation of the sensor network system according to the second related technique. 図5は、第2の関連技術によるセンサネットワークシステムにおけるチャネルゲイン、送信電力および受信電力係数の一例を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing an example of the channel gain, the transmission power, and the reception power coefficient in the sensor network system according to the second related art. 図6は、第2の関連技術によるセンサネットワークシステムにおけるチャネルゲイン、送信電力および受信電力係数の別の一例を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing another example of the channel gain, the transmission power, and the reception power coefficient in the sensor network system according to the second related art. 図7は、第4の関連技術によるセンサネットワークシステムの一動作例を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing an example of an operation of a sensor network system according to the fourth related technique. 図8は、一実施形態によるセンサネットワークシステムの一構成例を示す図である。FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a configuration of a sensor network system according to an embodiment. 図9は、一実施形態によるノードの一構成例を示す図である。FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a configuration of a node according to an embodiment. 図10は、一実施形態によるシンクの一構成例を示す図である。FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a configuration of a sink according to an embodiment. 図11は、一実施形態によるシンクの一動作例を示すフローチャートである。FIG. 11 is a flowchart illustrating an example of an operation of the sink according to an embodiment. 図12Aは、一実施形態によるノードの一動作例を示すフローチャートの一部である。FIG. 12A is a portion of a flowchart illustrating an example of an operation of a node according to an embodiment. 図12Bは、一実施形態によるノードの一動作例を示すフローチャートの一部である。FIG. 12B is a part of a flowchart illustrating an example of an operation of a node according to one embodiment. 図13は、一実施形態によるセンサネットワークシステムの一動作例を示す図である。FIG. 13 is a diagram illustrating an example of an operation of the sensor network system according to an embodiment. 図14は、一実施形態によるセンサネットワークシステムの一動作例を示す図である。FIG. 14 is a diagram illustrating an example of an operation of the sensor network system according to an embodiment. 図15は、一実施形態によるセンサネットワークシステムにおけるチャネルゲイン、送信電力および受信電力係数の一例を示す図である。FIG. 15 is a diagram illustrating an example of channel gain, transmission power, and reception power coefficient in a sensor network system according to an embodiment. 図16は、一実施形態によるセンサネットワークシステムと関連技術によるセンサネットワークシステムの間で送信電力の累積分布関数を比較するグラフである。FIG. 16 is a graph comparing cumulative distribution functions of transmission power between a sensor network system according to an embodiment and a sensor network system according to a related technique. 図17は、一実施形態によるセンサネットワークシステムと関連技術によるセンサネットワークシステムの間で受信電力と目標電力の平均二乗誤差の累積分布関数を比較するグラフである。FIG. 17 is a graph comparing the cumulative distribution function of the mean square error between the received power and the target power between a sensor network system according to an embodiment and a sensor network system according to a related technique.

添付図面を参照して、本発明によるセンサネットワークシステム、シンク、ノード、データ通信処理方法およびプログラムを実施するための形態を以下に説明する。 The following describes embodiments for implementing the sensor network system, sink, node, data communication processing method, and program according to the present invention with reference to the accompanying drawings.

実施形態をよりよく理解するために、関連技術によるセンサネットワークシステムについて先に説明する。 To better understand the embodiment, a sensor network system according to the related art will be described first.

図1は、第1の関連技術によるセンサネットワークシステム1000の一構成例を示す図である。センサネットワークシステム1000は、複数のノード101-1~101-Kとシンク102を備える。ここで、ノード101-1~101-Kの総数はKである。複数のノード101-1~101-Kを区別しないとき、これらをノード101-kまたはノード101と総称する。ここで、枝番号kは1からKまでの範囲に含まれる任意の整数である。 Figure 1 is a diagram showing an example of the configuration of a sensor network system 1000 according to the first related technology. The sensor network system 1000 comprises multiple nodes 101-1 to 101-K and a sink 102. Here, the total number of nodes 101-1 to 101-K is K. When the multiple nodes 101-1 to 101-K are not differentiated from one another, they are collectively referred to as node 101-k or node 101. Here, the branch number k is any integer in the range from 1 to K.

複数のノード101は、所定の領域の複数の位置にそれぞれ配置されている。それぞれのノード101は、配置されている位置において、センサによって所望のデータを取得する。それぞれのノード101は、取得したデータをシンク102に向けて送信する。複数のノード101がデータを取得するタイミングとシンク102に向けてデータを送信するタイミングは、例えば、それぞれのノード101が内蔵する時計に基づいて制御されてもよいし、外部のシンク102などからノード101に送信される無線信号に基づいて制御されてもよい。 The multiple nodes 101 are arranged at multiple positions in a predetermined area. Each node 101 acquires desired data using a sensor at the position where it is arranged. Each node 101 transmits the acquired data to the sink 102. The timing at which the multiple nodes 101 acquire data and the timing at which they transmit data to the sink 102 may be controlled, for example, based on a clock built into each node 101, or may be controlled based on a wireless signal transmitted to the node 101 from an external sink 102 or the like.

図2は、第1の関連技術によるセンサネットワークシステム1000の一動作例を示す図である。図2の横軸は時間を示している。時刻t101から時刻t102にかけて、第1のノード101-1が第1のデータxをシンク102に向けて送信する処理P101が実行される。ここで、時刻t101から時刻t102までの期間を、第1のタイムスロットと呼ぶ。その後、時刻t103から時刻t104までの第2のタイムスロットにおいて、第2のノード101-2が第2のデータxをシンク102に向けて送信する処理P102が実行される。同様に全てのノード101-kが1つずつ順番にデータxをシンク102に向けて送信する。時刻t105から時刻t106までの第Kのタイムスロットにおいて、第Kのノード101-Kが第Kのデータxをシンク102に向けて送信する処理P10Kが実行される。その後、時刻t107から時刻t108にかけて、シンク102がデータ処理を行う処理P100が実行される。複数のデータx~xを区別しないとき、これらをデータxまたはデータxと総称する。 FIG. 2 is a diagram showing an example of an operation of the sensor network system 1000 according to the first related art. The horizontal axis in FIG. 2 indicates time. From time t 101 to time t 102 , a process P101 is executed in which the first node 101-1 transmits the first data x 1 to the sink 102. Here, the period from time t 101 to time t 102 is called the first time slot. Thereafter, in the second time slot from time t 103 to time t 104 , a process P102 is executed in which the second node 101-2 transmits the second data x 2 to the sink 102. Similarly, all the nodes 101-k transmit data x k to the sink 102 one by one in order. In the Kth time slot from time t 105 to time t 106 , a process P10K is executed in which the Kth node 101-K transmits the Kth data x K to the sink 102. Thereafter, from time t107 to time t108 , a process P100 is executed in which the sink 102 processes data. When the multiple data x 1 to x K are not differentiated from one another, they are collectively referred to as data xk or data x.

図2に示したように、図1のセンサネットワークシステム1000では、シンク102は一度に1つのノード101との間で無線通信を行うことによって、複数のノード101が取得したデータxを収集する。この場合、複数のノード101の間で混信が発生することを抑制することができ、また、データxをデジタル信号として収集することができる。その一方で、シンク102が全てのノード101からデータxを収集するためには、ノード101の総数Kと同じ数のタイムスロットが必要となる。つまり、ノード101の総数Kが増加すれば、一度のデータ収集にかかる時間も増加する。ノード101の総数Kによっては、一度のデータ収集にかかる時間が長くなりすぎて、センサネットワークシステム1000の現実的な運用が困難になる場合がある。 As shown in FIG. 2, in the sensor network system 1000 of FIG. 1, the sink 102 collects data x acquired by multiple nodes 101 by wirelessly communicating with one node 101 at a time. In this case, interference between the multiple nodes 101 can be suppressed, and the data x can be collected as a digital signal. On the other hand, in order for the sink 102 to collect data x from all nodes 101, the same number of time slots as the total number K of nodes 101 are required. In other words, as the total number K of nodes 101 increases, the time required to collect data at one time also increases. Depending on the total number K of nodes 101, the time required to collect data at one time may become too long, making it difficult to operate the sensor network system 1000 in a practical manner.

シンク102が所定の領域の全体的なデータxを得るために、それぞれのノード101が取得した個別のデータxまでは必要ない場合がある。例えば、ある領域の気温を調べるためには、複数の地点で取得した気温の平均値さえ分かれば十分である。そして、この平均値は、ノード101の総数Kと、これらのノード101から収集したデータxの総和さえ分かれば算出可能である。 In order for the sink 102 to obtain overall data x for a given area, the individual data x acquired by each node 101 may not be necessary. For example, to check the temperature in a certain area, it is sufficient to know the average temperature value acquired at multiple points. This average value can be calculated by knowing the total number K of nodes 101 and the sum of the data x collected from these nodes 101.

このような観点から改良された、第2の関連技術によるセンサネットワークシステム1000が知られている。この第2の関連技術は、Over-the-Air Computation Systems(以降、「AirComp」と略す)と呼ばれている。 A sensor network system 1000 based on a second related technology that has been improved from this perspective is known. This second related technology is called Over-the-Air Computation Systems (hereinafter abbreviated as "AirComp").

AirCompによる第2の関連技術によるセンサネットワークシステム1000は、図1に示した第1の関連技術によるセンサネットワークシステム1000の構成例と同様に、複数のノード101と単独のシンク102を備える。 The sensor network system 1000 according to the second related technology by AirComp has multiple nodes 101 and a single sink 102, similar to the configuration example of the sensor network system 1000 according to the first related technology shown in Figure 1.

図3は、第2の関連技術によるセンサネットワークシステム1000の一動作例を示す図である。第1のデータxは、第1のノード101-1によって第1の送信電力bで生成された第1のアナログ信号としてシンク102に送信される。このとき、第1のデータxを表す第1のアナログ信号の電力を、bと表すことができる。第1のノード101-1が電力bを有する第1のアナログ信号を出力する動作を、図3では仮想的な積算器M101の動作として示している。 3 is a diagram showing an example of an operation of the sensor network system 1000 according to the second related art. The first data x1 is transmitted to the sink 102 as a first analog signal generated by the first node 101-1 with a first transmission power b1 . At this time, the power of the first analog signal representing the first data x1 can be expressed as b1x1 . The operation of the first node 101-1 outputting the first analog signal having power b1x1 is shown in FIG. 3 as the operation of a virtual integrator M101.

電力bを有する第1のアナログ信号の振幅は、自由空間を伝播してシンク102によって受信されるまでに、第1のチャネル係数hの振幅成分で減衰する。シンク102が受信する第1のアナログ信号の電力は、hで表すことができる。自由空間が第1のアナログ信号を第1のノード101-1からシンク102まで伝播させる動作を、図3では仮想的な積算器M102の動作として示している。なお、チャネル係数hは、振幅に係る成分と位相に係る成分を含む複素数として表される。このうち、振幅に係る成分は、チャネル係数h1の絶対値を二乗することによって算出することができ、チャネルゲインgと呼ばれる。チャネルゲインgは、正の実数として表される。 The amplitude of the first analog signal having power b 1 x 1 is attenuated by the amplitude component of the first channel coefficient h 1 while propagating through free space and being received by the sink 102. The power of the first analog signal received by the sink 102 can be expressed as h 1 b 1 x 1. The operation of the free space propagating the first analog signal from the first node 101-1 to the sink 102 is shown as the operation of a virtual integrator M102 in FIG. 3. The channel coefficient h 1 is expressed as a complex number including a component related to the amplitude and a component related to the phase. Of these, the component related to the amplitude can be calculated by squaring the absolute value of the channel coefficient h 1, and is called the channel gain g 1. The channel gain g 1 is expressed as a positive real number.

同様に、第2のデータxは、仮想的な積算器M201の動作として示すように、第2のノード101-2によって第2の送信電力bで生成された、電力bを有する第2のアナログ信号としてシンク102に送信される。仮想的な積算器M202の動作として示すように、第2のアナログ信号の振幅は第2のチャネル係数hの振幅成分で減衰し、電力hを有する第2のアナログ信号としてシンク102によって受信される。同様に、第Kのデータxは、仮想的な積算器M301の動作として示すように、第Kのノード101-Kによって第Kの送信電力bで生成された、電力bを有する第Kのアナログ信号として送信される。仮想的な積算器M302の動作として示すように、第Kのアナログ信号の振幅は第Kのチャネル係数hの振幅成分で減衰し、電力hを有する第Kのアナログ信号としてシンク102によって受信される。このように、全てのデータxは、それぞれ、全てのノード101によってアナログ信号としてシンク102に送信され、自由空間を伝播し、シンク102によって受信される。 Similarly, the second data x 2 is transmitted to the sink 102 as a second analog signal having power b 2 x 2 generated by the second node 101-2 at the second transmission power b 2 as shown by the operation of the virtual integrator M201. As shown by the operation of the virtual integrator M202, the amplitude of the second analog signal is attenuated by the amplitude component of the second channel coefficient h 2 and is received by the sink 102 as a second analog signal having power h 2 b 2 x 2. Similarly, the Kth data x K is transmitted as a Kth analog signal having power b K x K generated by the Kth node 101-K at the Kth transmission power b K as shown by the operation of the virtual integrator M301. As shown by the operation of the virtual integrator M302, the amplitude of the Kth analog signal is attenuated by the amplitude component of the Kth channel coefficient hK , and is received by the sink 102 as a Kth analog signal having power hKbKxK . In this manner, all data x are transmitted as analog signals by all nodes 101, respectively, to the sink 102, propagate through free space, and are received by the sink 102.

図4は、第2の関連技術によるセンサネットワークシステム1000の一動作例を示す図である。図4の横軸は時間である。まず、時刻t201から時刻t202までの期間に、処理P201として、シンク102が全てのノード101に向けたビーコンを送信する。次に、時刻t203から時刻t204までの期間に、処理P202として、ビーコンに応じてノード101がシンク102に向けてデータxを送信し、シンク102がデータxを受信し、受信したデータxを処理する。 Fig. 4 is a diagram showing an example of an operation of the sensor network system 1000 according to the second related art. The horizontal axis in Fig. 4 represents time. First, in a period from time t 201 to time t 202 , the sink 102 transmits a beacon to all the nodes 101 as process P201. Next, in a period from time t 203 to time t 204 , in response to the beacon, the node 101 transmits data x to the sink 102 as process P202, and the sink 102 receives the data x and processes the received data x.

処理P202において、電力b、b、…、bをそれぞれ有する全てのアナログ信号は、全てのノード101から同時に送信され、電力h、h、…、hをそれぞれ有する全てのアナログ信号としてシンク102によって一度に受信される。このとき、シンク102では、全てのアナログ信号がそれぞれ有する電力h、h、…、hの総和が得られる。図3では、この総和を得る動作を、仮想的な加算器A100の動作として示している。 In process P202, all analog signals having powers b1x1 , b2x2 , ... , bKxK are simultaneously transmitted from all nodes 101 and simultaneously received by sink 102 as all analog signals having powers h1b1x1 , h2b2x2 , ... , hKbKxK . At this time , sink 102 obtains the sum of powers h1b1x1 , h2b2x2 , ... , hKbKxK possessed by all analog signals . In Fig . 3 , the operation of obtaining this sum is shown as the operation of a virtual adder A100 .

なお、図3では、ノード101からシンク102までの無線通信で発生するノイズを、加算器A100でアナログ信号の電力の総和に加算されるノイズnとして示している。 In FIG. 3, noise generated in wireless communication from node 101 to sink 102 is shown as noise n that is added to the total power of the analog signal by adder A100.

また、図4の処理P202において、シンク102は、受信したアナログ信号の電力の総和に対する所定の後処理を行う。後処理の一例として、シンク102は、受信したアナログ信号の電力の総和を、受信したアナログ信号の総数で割り算することによって、受信したアナログ信号の電力の平均値を求めてもよい。図3では、シンク102による後処理を、仮想的な積算器M100による、受信したアナログ信号の電力の総和に係数aを積算する動作として示している。 In addition, in process P202 of FIG. 4, the sink 102 performs a predetermined post-processing on the sum of the power of the received analog signals. As an example of the post-processing, the sink 102 may obtain an average value of the power of the received analog signals by dividing the sum of the power of the received analog signals by the total number of received analog signals. In FIG. 3, the post-processing by the sink 102 is shown as an operation of a virtual integrator M100 multiplying the sum of the power of the received analog signals by a coefficient a.

ここで、係数aがノード101の総数Kの逆数であれば、積算器M100は、電力h、h、…、hの平均値を算出することができる。 Here, if the coefficient a is the reciprocal of the total number K of nodes 101, the integrator M100 can calculate the average value of power h1b1x1 , h2b2x2 , . . . , hKbKxK .

また、1からKまでの任意の整数kにおいて、送信電力bとチャネル係数hを掛け算した受信電力係数hの振幅成分の全てが同じ定数αであり、かつ、係数aが、ノード101の総数Kに定数αを掛け算した積Kαの逆数(1/Kα)であれば、積算器M100は、全てのノード101が取得したデータx~xの平均値を算出することができる。 Furthermore, for any integer k between 1 and K, if all of the amplitude components of the reception power coefficient hkbk obtained by multiplying the transmission power bk and the channel coefficient hk are the same constant α, and the coefficient a is the inverse (1/Kα) of the product Kα obtained by multiplying the total number K of nodes 101 by the constant α, then the integrator M100 can calculate the average value of the data x1 to xK acquired by all of the nodes 101.

図5は、第2の関連技術によるセンサネットワークシステム1000におけるチャネル係数h、送信電力bおよび受信電力係数hの一例を示す図である。図5において、横軸はノード101の番号を、それぞれのノード101が送信するデータxに対応させて示しており、縦軸は受信電力係数hを対数で示している。ただし、厳密には、図5では受信電力係数hとしてその振幅成分を示している。それぞれのノード101-kにおける受信電力係数hは、シンク102で受信されたアナログ信号の電力hを、データxを表すアナログ値で割り算した商であり、送信電力bとチャネル係数hを掛け算した積hに等しい。図5に含まれる複数の棒グラフのそれぞれにおいて、下側の黒い部分の長さはチャネル係数hの振幅成分の値、すなわちチャネルゲインgの値を示し、上側の白い部分の長さは送信電力bの値を示している。なお、図5の横軸において、分かりやすさのために、ノード101の番号はチャネル係数hが小さい順番に左から右に配置されている。 Fig. 5 is a diagram showing an example of the channel coefficient hk , transmission power bk, and reception power coefficient hkbk in the sensor network system 1000 according to the second related technique. In Fig. 5, the horizontal axis shows the node 101 number corresponding to the data xk transmitted by each node 101, and the vertical axis shows the reception power coefficient hkbk in logarithm. However, strictly speaking, Fig. 5 shows the amplitude component as the reception power coefficient hkbk . The reception power coefficient hkbk in each node 101- k is the quotient obtained by dividing the power hkbkxk of the analog signal received by the sink 102 by the analog value representing the data xk , and is equal to the product hkbk obtained by multiplying the transmission power bk and the channel coefficient hk . In each of the bar graphs in Fig. 5, the length of the black portion on the lower side indicates the value of the amplitude component of the channel coefficient hk , i.e., the value of the channel gain gk , and the length of the white portion on the upper side indicates the value of the transmission power bk . For ease of understanding, the numbers of the nodes 101 on the horizontal axis of Fig. 5 are arranged from left to right in ascending order of the channel coefficient hk .

それぞれのノード101-kは、シンク102との間のチャネル係数hと定数αに基づいて、送信電力bを適宜に調整する。このようにすることで、それぞれのノード101-kにおいて、送信電力bとチャネル係数hを掛け算した積hの振幅成分を定数αに等しくすることができる。 Each node 101-k appropriately adjusts the transmission power b k based on the channel coefficient h k and the constant α between the sink 102. In this way, in each node 101-k, the amplitude component of the product h k b k obtained by multiplying the transmission power b k and the channel coefficient h k can be made equal to the constant α.

しかし、ノード101の送信電力bには、ノード101の物理的な性能などに起因する上限値がある。したがって、チャネル係数hの振幅成分が所定の閾値を下回る場合には、ノード101-kが送信電力bを最大送信電力に設定しても、送信電力bとチャネル係数hを掛け算した積hの振幅成分が定数αより小さい場合が考えられる。 However, the transmission power b k of the node 101 has an upper limit due to the physical performance of the node 101. Therefore, when the amplitude component of the channel coefficient h k falls below a predetermined threshold, even if the node 101-k sets the transmission power b k to the maximum transmission power, the amplitude component of the product h k b k obtained by multiplying the transmission power b k and the channel coefficient h k may be smaller than the constant α.

図6は、第2の関連技術によるセンサネットワークシステム1000におけるチャネル係数h、送信電力bおよび受信電力係数hの別の一例を示す図である。図6の例では、第1のデータxを取得した第1のノード101-1から第5のデータxを取得した第5のノード101-5までの5つのノード101において、チャネル係数hの振幅成分が低すぎるため、送信電力bを最大送信電力に設定しても、送信電力bとチャネル係数hを掛け算した受信電力係数hの振幅成分が定数αより小さい。そのため、受信電力係数hの振幅成分から定数αまでに不足する部分が歪みとして、図3で加算器A100の演算結果に発生する。言い換えれば、図6に示す歪みが大きければ大きいほど、シンク102による処理P202の結果における精度が低くなる。 FIG. 6 is a diagram showing another example of the channel coefficient h k , the transmission power b k and the reception power coefficient h k b k in the sensor network system 1000 according to the second related technique. In the example of FIG. 6, in the five nodes 101 from the first node 101-1 that acquired the first data x 1 to the fifth node 101-5 that acquired the fifth data x 5 , the amplitude component of the channel coefficient h k is too low, so even if the transmission power b k is set to the maximum transmission power, the amplitude component of the reception power coefficient h k b k obtained by multiplying the transmission power b k and the channel coefficient h k is smaller than the constant α. Therefore, the insufficient portion from the amplitude component of the reception power coefficient h k b k to the constant α occurs as distortion in the calculation result of the adder A100 in FIG. 3. In other words, the greater the distortion shown in FIG. 6, the lower the accuracy of the result of the process P202 by the sink 102.

歪みの発生を抑制する観点から第2の関連技術を改良した、第3の関連技術によるセンサネットワークシステム1000について説明する。第3の関連技術によるセンサネットワークシステム1000も、図1の場合と同様に構成されている。ただし、第2の関連技術とは異なり、その応用がフェデレーテッドラーニング(Federated Learning)に限られる。すなわち、ノード101がシンク102に送信する情報は、それぞれのノード101が取得したデータxそのものではなく、それぞれのノード101が過去に取得した複数のデータxに基づいて将来的に取得されるデータxを予測するための機械学習によって得られたモデルである。それぞれのノード101は、データxを取得するたびに自身のモデルを更新し、シンク102からの要求に応じて最新のモデルをシンク102に送信する。シンク102は、複数のノード101から受信したモデルを平均化したモデルを、それぞれのノード101に送信する。 The sensor network system 1000 according to the third related technology, which is an improvement of the second related technology from the viewpoint of suppressing the occurrence of distortion, will be described. The sensor network system 1000 according to the third related technology is also configured in the same manner as in FIG. 1. However, unlike the second related technology, its application is limited to federated learning. In other words, the information transmitted from the node 101 to the sink 102 is not the data x itself acquired by each node 101, but a model obtained by machine learning for predicting data x to be acquired in the future based on multiple data x acquired by each node 101 in the past. Each node 101 updates its own model every time it acquires data x, and transmits the latest model to the sink 102 in response to a request from the sink 102. The sink 102 transmits a model obtained by averaging the models received from multiple nodes 101 to each node 101.

ここで、シンク102は、必ずしも毎回、全てのノード101からモデルを受信しなくてもよい。つまり、全てのノード101のうち、ある時刻におけるチャネルゲインgが所望の閾値以上である一部のノード101だけが、シンク102にモデルを送信してもよい。つまり、ノード101とシンク102の位置が固定されていたとしても、その間の通信環境は時間によって動的に変化する。この変化には、例えば、チャネルフェージングなどの影響によるチャネル係数の動的な変化が含まれる。そこで、第3の関連技術によるセンサネットワークシステム1000では、ある時刻においてシンク102との間のチャネルゲインgが所定の閾値を上回っているノード101だけが、その時刻にシンク102にモデルを送信する。このようにすることで、図6に示した歪みの発生を抑制することができる。 Here, the sink 102 does not necessarily receive models from all the nodes 101 every time. That is, among all the nodes 101, only some of the nodes 101 whose channel gain g k at a certain time is equal to or greater than a desired threshold may transmit models to the sink 102. That is, even if the positions of the node 101 and the sink 102 are fixed, the communication environment therebetween changes dynamically with time. This change includes, for example, dynamic changes in channel coefficients due to the influence of channel fading. Therefore, in the sensor network system 1000 according to the third related technology, only the node 101 whose channel gain g k between the node 101 and the sink 102 at a certain time is greater than a predetermined threshold transmits a model to the sink 102 at that time. In this way, the occurrence of the distortion shown in FIG. 6 can be suppressed.

しかし、全てのノード101が同時にデータxをシンク102に送信するとは限らないので、第2の関連技術にそのまま適用できない。 However, since not all nodes 101 will necessarily transmit data x to the sink 102 at the same time, this cannot be directly applied to the second related technology.

チャネルフェージングの影響を抑制する観点から第1の関連技術を改良した第4の関連技術によるセンサネットワークシステム1000について、図7を参照して説明する。図7は、第4の関連技術によるセンサネットワークシステム1000の一動作例を示す図である。図7は、第1のグラフG101、第2のグラフG102および第3のグラフG103を含んでいる。第1のグラフG101、第2のグラフG102および第3のグラフG103は、それぞれ、第1のノード101-1、第2のノード101-2および第3のノード101-3に対応している。図7のそれぞれのグラフにおいて、横軸は時間を表しており、縦軸はチャネルゲインgを示している。それぞれのグラフにおいて、黒い棒グラフは、チャネルゲインgの、所定の閾値未満値を表している。また、白い棒グラフは、チャネルゲインgの、所定の閾値以上の値を表している。 A sensor network system 1000 according to a fourth related technique, which is an improvement of the first related technique from the viewpoint of suppressing the influence of channel fading, will be described with reference to FIG. 7. FIG. 7 is a diagram showing an example of an operation of the sensor network system 1000 according to the fourth related technique. FIG. 7 includes a first graph G101, a second graph G102, and a third graph G103. The first graph G101, the second graph G102, and the third graph G103 correspond to the first node 101-1, the second node 101-2, and the third node 101-3, respectively. In each graph in FIG. 7, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the channel gain g k . In each graph, a black bar graph represents a value of the channel gain g k that is less than a predetermined threshold. Also, a white bar graph represents a value of the channel gain g k that is equal to or greater than a predetermined threshold.

図7に示したように、第4の関連技術では、チャネルフェージングの影響を抑制するために、各ノード101がデータxをシンク102に送信するタイミングの制御を行う。ここで、基本的には、一度に1つのノード101だけが送信を行うように、全てのノード101を集中制御することが好ましい。しかし、多数のノード101を完全に制御することは困難であり、図7の例に示したように、どのノード101もデータxを送信しない時刻t307が発生し得る。反対に、複数のノード101がデータxを同時に送信する時刻t308も発生し得る。 As shown in FIG. 7, in the fourth related technology, in order to suppress the effects of channel fading, the timing at which each node 101 transmits data x to the sink 102 is controlled. Basically, it is preferable to centrally control all nodes 101 so that only one node 101 transmits at a time. However, it is difficult to completely control a large number of nodes 101, and as shown in the example of FIG. 7, a time t307 may occur at which none of the nodes 101 transmits data x. Conversely, a time t308 may occur at which multiple nodes 101 transmit data x simultaneously.

(実施形態)
一実施形態によるセンサネットワークシステム100では、上述した第1の関連技術、第2の関連技術、第3の関連技術および第4の関連技術に鑑みて、データ収集の効率と精度を向上させる。
(Embodiment)
In the sensor network system 100 according to an embodiment, the efficiency and accuracy of data collection are improved in consideration of the above-mentioned first related technique, second related technique, third related technique, and fourth related technique.

効率の観点において、第1の関連技術では、1度のデータ収集期間にノード101の総数Kと同じ数のタイムスロットを必要としていた。その一方で、一実施形態では、1度のデータ収集期間にノード1の総数Kよりずっと少ない数のタイムスロットで全てのノードがシンクに送信する。 In terms of efficiency, the first related technology required the same number of time slots as the total number K of nodes 101 in one data collection period. On the other hand, in one embodiment, all nodes transmit to the sink in a number of time slots that is much smaller than the total number K of nodes 1 in one data collection period.

また、精度の観点において、第2の関連技術では、それぞれのノード101にはシンク102にデータxを送信する機会が1度しか用意されないため、データxを送信した瞬間にチャネルゲインgが低すぎたなどの理由により所望の通信条件が満たされていなければ、シンク102が受信するデータxの一部に歪みが発生し得る。その一方で、一実施形態では、それぞれのノードにはシンクにデータxを送信する機会が複数回用意されるため、あるタイムスロットで所望の通信条件が満たされていなければ、その後のタイムスロットで所望の通信条件が満たされたときにシンクへのデータ送信を行える可能性が発生する。その結果、シンクが受信するデータxの一部に歪みが発生する確率が抑制され、データ収集の精度が向上する。 Also, in terms of accuracy, in the second related technology, each node 101 is provided with only one opportunity to transmit data x to the sink 102, so if the desired communication conditions are not met at the moment the data x is transmitted because the channel gain g k is too low, for example, distortion may occur in part of the data x received by the sink 102. On the other hand, in one embodiment, each node is provided with multiple opportunities to transmit data x to the sink, so that if the desired communication conditions are not met in a certain time slot, there is a possibility that data transmission to the sink can be performed when the desired communication conditions are met in a subsequent time slot. As a result, the probability that distortion occurs in part of the data x received by the sink is suppressed, and the accuracy of data collection is improved.

図8は、一実施形態によるセンサネットワークシステム100の一構成例を示す図である。センサネットワークシステム100は、図1のセンサネットワークシステム1000と同様に、複数のノード1-1~1-Kとシンク2を備える。ここで、ノード1-1~1-Kの総数はKである。複数のノード1-1~1-Kを区別しないとき、これらをノード1-kまたはノード1と総称する。ここで、番号kは1からKまでの範囲に含まれる任意の整数である。 Figure 8 is a diagram showing an example of a configuration of a sensor network system 100 according to an embodiment. The sensor network system 100, like the sensor network system 1000 in Figure 1, comprises multiple nodes 1-1 to 1-K and a sink 2. Here, the total number of nodes 1-1 to 1-K is K. When the multiple nodes 1-1 to 1-K are not differentiated from one another, they are collectively referred to as node 1-k or node 1. Here, the number k is any integer in the range from 1 to K.

複数のノード1は、所定の領域の複数の位置にそれぞれ配置されている。それぞれのノード1は、配置されている位置において、センサによって所定のデータxを取得する。それぞれのノード1は、取得したデータxをシンク2に向けて送信する。複数のノード1がデータxを取得するタイミングは、例えば、それぞれのノード1が内蔵する時計に基づいて制御されてもよいし、外部のシンク2などからノード1に送信される無線信号に基づいて制御されてもよい。複数のノード1がシンク2に向けてデータxを送信するタイミングは、後述するように、シンク2から送信されるビーコンに基づいて制御される。 The multiple nodes 1 are arranged at multiple positions in a predetermined area. Each node 1 acquires predetermined data x by a sensor at the position where it is arranged. Each node 1 transmits the acquired data x to the sink 2. The timing at which the multiple nodes 1 acquire the data x may be controlled, for example, based on a clock built into each node 1, or may be controlled based on a wireless signal transmitted to the node 1 from an external sink 2 or the like. The timing at which the multiple nodes 1 transmit the data x to the sink 2 is controlled based on a beacon transmitted from the sink 2, as described below.

図9は、一実施形態によるノード1の一構成例を示す図である。ノード1は、バス10、演算装置12、メモリ装置13、外部記憶装置14およびセンシング装置15を備える。ノード1は、アンテナ112と、図示しない電源装置をさらに備える。演算装置12、メモリ装置13、外部記憶装置14およびセンシング装置15は、バス10を介して相互に接続されている。 Figure 9 is a diagram showing an example of a configuration of a node 1 according to an embodiment. The node 1 includes a bus 10, a computing device 12, a memory device 13, an external storage device 14, and a sensing device 15. The node 1 further includes an antenna 112 and a power supply device (not shown). The computing device 12, the memory device 13, the external storage device 14, and the sensing device 15 are connected to each other via the bus 10.

入出力装置11は、シンク2などの外部の装置との間でデータxの送受信を行う。演算装置12は、メモリ装置13に格納されているプログラムを実行して所定の処理を行う。メモリ装置13は、プログラムとデータを格納して演算装置12に提供する。外部記憶装置14は、非一過性(non-transitory)な記録媒体141に格納されているプログラムとデータを読み出してメモリ装置13に格納する。センシング装置15は、演算装置12の制御下でノード1が配置されている位置における所定のデータxを取得する。 The input/output device 11 transmits and receives data x to and from an external device such as the sink 2. The calculation device 12 executes a program stored in the memory device 13 to perform a predetermined process. The memory device 13 stores the program and data and provides them to the calculation device 12. The external storage device 14 reads out the program and data stored in a non-transitory recording medium 141 and stores them in the memory device 13. The sensing device 15 acquires predetermined data x at the position where the node 1 is located under the control of the calculation device 12.

入出力装置11は、通信装置111を備える。通信装置111は、アンテナ112に接続されている。演算装置12は、ビーコン受信装置121、チャネルゲイン検知装置122および送信制御装置123を備える。 The input/output device 11 includes a communication device 111. The communication device 111 is connected to an antenna 112. The calculation device 12 includes a beacon receiving device 121, a channel gain detection device 122, and a transmission control device 123.

通信装置111は、アンテナ112を介してシンク2などの外部の装置との間で無線通信を行う。ビーコン受信装置121は、演算装置12が所定のプログラムを実行することによって、シンク2から送信されたビーコンを受信する動作を行う仮想的な装置である。チャネルゲイン検知装置122は、演算装置12が所定のプログラムを実行することによって、ノード1とシンク2の間の無線通信におけるチャネル係数hを検知してその振幅成分であるチャネルゲインgを算出する動作を行う仮想的な装置である。送信制御装置123は、演算装置12が所定のプログラムを実行することによって、データxを示す信号をシンク2に送信するために通信装置111を制御する動作を行う仮想的な装置である。 The communication device 111 performs wireless communication with an external device such as the sink 2 via the antenna 112. The beacon receiving device 121 is a virtual device that receives a beacon transmitted from the sink 2 by the calculation device 12 executing a predetermined program. The channel gain detection device 122 is a virtual device that detects a channel coefficient hk in wireless communication between the node 1 and the sink 2 and calculates a channel gain gk that is an amplitude component of the channel coefficient hk by the calculation device 12 executing a predetermined program. The transmission control device 123 is a virtual device that controls the communication device 111 to transmit a signal indicating data x to the sink 2 by the calculation device 12 executing a predetermined program.

図10は、一実施形態によるシンク2の一構成例を示す図である。シンク2は、バス20、演算装置22、メモリ装置23および外部記憶装置24を備える。シンク2は、アンテナ212と、図示しない電源装置をさらに備える。演算装置22、メモリ装置23および外部記憶装置24は、バス20を介して相互に接続されている。 Figure 10 is a diagram showing an example of the configuration of the sink 2 according to one embodiment. The sink 2 includes a bus 20, a computing device 22, a memory device 23, and an external storage device 24. The sink 2 further includes an antenna 212 and a power supply device (not shown). The computing device 22, the memory device 23, and the external storage device 24 are connected to each other via the bus 20.

入出力装置21は、ノード1などの外部の装置との間でデータxの送受信を行う。演算装置22は、メモリ装置23に格納されているプログラムを実行して所定の処理を行う。メモリ装置23は、プログラムとデータを格納して演算装置22に提供する。外部記憶装置24は、非一過性で有形の記録媒体(non-transitory and tangible recording medium)241に格納されているプログラムとデータを読み出してメモリ装置23に格納する。 The input/output device 21 transmits and receives data x to and from an external device such as node 1. The calculation device 22 executes a program stored in the memory device 23 to perform a predetermined process. The memory device 23 stores the program and data and provides them to the calculation device 22. The external storage device 24 reads out the program and data stored in a non-transitory and tangible recording medium 241 and stores them in the memory device 23.

入出力装置21は、通信装置211を備える。通信装置211は、アンテナ212に接続されている。演算装置22は、パラメータ算出装置221、ビーコン生成装置222、送信制御装置223、受信制御装置224および後処理装置225を備える。 The input/output device 21 includes a communication device 211. The communication device 211 is connected to an antenna 212. The calculation device 22 includes a parameter calculation device 221, a beacon generation device 222, a transmission control device 223, a reception control device 224, and a post-processing device 225.

通信装置211は、アンテナ212を介してノード1などの外部の装置との間で無線通信を行う。パラメータ算出装置221は、演算装置22が所定のプログラムを実行することによって、所定のパラメータを算出する動作を行う仮想的な装置である。ビーコン生成装置222は、演算装置22が所定のプログラムを実行することによって、ビーコンを生成する動作を行う仮想的な装置である。送信制御装置223は、演算装置22が所定のプログラムを実行することによって、ビーコンをノード1に送信するために通信装置211を制御する動作を行う仮想的な装置である。受信制御装置224は、演算装置22が所定のプログラムを実行することによって、ノード1から送信される信号を受信するために通信装置211を制御する動作を行う仮想的な装置である。後処理装置225は、演算装置22が所定のプログラムを実行することによって、ノード1から受信した信号をまとめる処理の動作を行う仮想的な装置である。 The communication device 211 performs wireless communication with an external device such as node 1 via the antenna 212. The parameter calculation device 221 is a virtual device that performs an operation of calculating a predetermined parameter by the calculation device 22 executing a predetermined program. The beacon generation device 222 is a virtual device that performs an operation of generating a beacon by the calculation device 22 executing a predetermined program. The transmission control device 223 is a virtual device that performs an operation of controlling the communication device 211 to transmit a beacon to node 1 by the calculation device 22 executing a predetermined program. The reception control device 224 is a virtual device that performs an operation of controlling the communication device 211 to receive a signal transmitted from node 1 by the calculation device 22 executing a predetermined program. The post-processing device 225 is a virtual device that performs an operation of processing to consolidate signals received from node 1 by the calculation device 22 executing a predetermined program.

図11は、一実施形態によるシンク2の一動作例を示すフローチャートである。図12Aと図12Bは、それぞれ、一実施形態によるノード1の一動作例を示すフローチャートの一部である。図11、図12Aおよび図12Bを参照して、一実施形態によるセンサネットワークシステム100の動作の一例を説明する。 Figure 11 is a flowchart showing an example of an operation of sink 2 according to one embodiment. Figures 12A and 12B are each a part of a flowchart showing an example of an operation of node 1 according to one embodiment. An example of the operation of sensor network system 100 according to one embodiment will be described with reference to Figures 11, 12A, and 12B.

図11のステップS101において、シンク2が動作を開始する。ステップS102において、シンク2のパラメータ算出装置221がパラメータを算出する。算出されるパラメータは、1度のデータ収集期間に含まれるタイムスロットの総数Nと、チャネルゲインの閾値gthと、信号振幅の目標値αとを含む。ここで、総数Nは、1度のデータ収集期間に含まれるタイムスロットに付与される番号の最大値Nでもある。 In step S101 of Fig. 11, the sink 2 starts its operation. In step S102, the parameter calculation device 221 of the sink 2 calculates parameters. The calculated parameters include the total number N of time slots included in one data collection period, a channel gain threshold g th , and a target value α of the signal amplitude. Here, the total number N is also the maximum value N of the number assigned to the time slots included in one data collection period.

一例として、パラメータ算出装置221は、まず、タイムスロットの総数Nを決定する。タイムスロットの総数Nは、例えば、ノード1の総数Kより十分に小さい整数の中から選択されてもよい。パラメータ算出装置221は、次に、タイムスロットの総数Nに基づいて、チャネルゲインの閾値gthを算出する。パラメータ算出装置221は、次に、タイムスロットの総数Nおよびチャネルゲインの閾値gthに基づいて、信号振幅の目標値αを算出する。 As an example, the parameter calculation device 221 first determines the total number N of time slots. The total number N of time slots may be selected, for example, from among integers that are sufficiently smaller than the total number K of nodes 1. The parameter calculation device 221 then calculates a channel gain threshold g th based on the total number N of time slots. The parameter calculation device 221 then calculates a target value α of the signal amplitude based on the total number N of time slots and the channel gain threshold g th .

ステップS103において、シンク2は、タイムスロットのスロット番号を初期化する。一例として、スロット番号はゼロに設定される。ステップS104において、シンク2の演算装置22がスロット番号をインクリメントする。ステップS105において、シンク2のビーコン生成装置222が、タイムスロットの総数Nと、チャネルゲインの閾値gthと、信号振幅の目標値αとに基づいて、ビーコンを生成する。ビーコンは、タイムスロットの総数Nと、チャネルゲインの閾値gthと、信号振幅の目標値αをそれぞれ表す情報を含むように生成される。ビーコンは、現在のスロット番号を表す情報をさらに含むように生成されてもよい。ステップS106において、シンク2の送信制御装置223は、通信装置211を制御して、ノード1に向けてビーコンを送信する。 In step S103, the sink 2 initializes the slot number of the time slot. As an example, the slot number is set to zero. In step S104, the calculation device 22 of the sink 2 increments the slot number. In step S105, the beacon generation device 222 of the sink 2 generates a beacon based on the total number N of time slots, the channel gain threshold g th , and the target value α of the signal amplitude. The beacon is generated to include information representing the total number N of time slots, the channel gain threshold g th , and the target value α of the signal amplitude. The beacon may be generated to further include information representing the current slot number. In step S106, the transmission control device 223 of the sink 2 controls the communication device 211 to transmit a beacon toward the node 1.

その一方で、図12AのステップS201において、それぞれのノード1が動作を開始する。次いで、ステップS202において、それぞれのノード1のセンシング装置15が演算装置12の制御下でデータxを取得する。取得されたデータxは、ノード1のメモリ装置13に格納される。ステップS203において、ビーコン受信装置121がシンク2からビーコンを受信したかどうかを演算装置12が判定する。ここで、ビーコンが受信されていない場合(No)は、ステップS203が再度実行される。言い換えれば、ビーコンが受信されるまで、ステップS203が繰り返される。反対に、ビーコンが受信されている場合(Yes)は、ステップS204が実行される。 Meanwhile, in step S201 of FIG. 12A, each node 1 starts operating. Then, in step S202, the sensing device 15 of each node 1 acquires data x k under the control of the calculation device 12. The acquired data x k is stored in the memory device 13 of the node 1. In step S203, the calculation device 12 determines whether the beacon receiving device 121 has received a beacon from the sink 2. Here, if the beacon has not been received (No), step S203 is executed again. In other words, step S203 is repeated until the beacon is received. On the other hand, if the beacon has been received (Yes), step S204 is executed.

ステップS204において、ビーコン受信装置121は、受信したビーコンからパラメータを取得する。ここで取得されるパラメータには、1度のデータ収集期間に含まれるタイムスロットの総数Nと、チャネルゲインの閾値gthと、信号振幅の目標値αとが含まれる。ステップS205において、ビーコン受信装置121は、今回受信したビーコンが、今回のデータ収集期間に受信した最初のビーコンであるかどうかを判定する。この判定は、例えば、ビーコンに含まれる情報に基づいて行われてもよい。この場合は、シンク2のビーコン生成装置222が、最初のビーコンであるかどうかを表す情報を含むようにビーコンを生成する。今回受信したビーコンが最初のビーコンである場合(Yes)は、ステップS206においてスロット番号と送信済みフラグを初期化した後、図12BのステップS207を実行する。ここで、初期化されたスロット番号は、例えばゼロに設定される。また、初期化された送信済みフラグは「未送信」に設定される。反対に、最初のビーコンでない場合(No)は、ステップS206を実行せずにステップS207を実行する。 In step S204, the beacon receiving device 121 acquires parameters from the received beacon. The acquired parameters include the total number N of time slots included in one data collection period, the channel gain threshold g th , and the target value α of the signal amplitude. In step S205, the beacon receiving device 121 judges whether the currently received beacon is the first beacon received in the currently received data collection period. This judgment may be made, for example, based on information included in the beacon. In this case, the beacon generating device 222 of the sink 2 generates a beacon so as to include information indicating whether the currently received beacon is the first beacon. If the currently received beacon is the first beacon (Yes), the slot number and the transmitted flag are initialized in step S206, and then step S207 in FIG. 12B is executed. Here, the initialized slot number is set to, for example, zero. Also, the initialized transmitted flag is set to "not transmitted". On the other hand, if it is not the first beacon (No), step S207 is executed without executing step S206.

図12BのステップS207において、ノード1の演算装置12がスロット番号をインクリメントする。ステップS208において、チャネルゲイン検知装置122が、受信したビーコンの電力に基づいて、シンク2とノード1の間の無線通信におけるチャネル係数hを検知してチャネルゲインgを算出する。例えば、シンク2が送信するビーコンの送信電力を表す情報が予めノード1のメモリ装置13に格納されていて、この送信電力と、実際に受信したビーコンの電力とに基づいて、シンク2とノード1の間の無線通信におけるチャネル係数hを算出し、このチャネル係数hから減衰に係る振幅成分であるチャネルゲインgを算出することによって、チャネルゲインgの検知を行ってもよい。 In step S207 of Fig. 12B, the calculation device 12 of the node 1 increments the slot number. In step S208, the channel gain detection device 122 detects the channel coefficient hk in the wireless communication between the sink 2 and the node 1 based on the power of the received beacon, and calculates the channel gain gk . For example, information indicating the transmission power of the beacon transmitted by the sink 2 is stored in advance in the memory device 13 of the node 1, and the channel coefficient hk in the wireless communication between the sink 2 and the node 1 is calculated based on this transmission power and the power of the beacon actually received, and the channel gain gk, which is an amplitude component related to attenuation, is calculated from this channel coefficient hk , thereby detecting the channel gain gk .

ステップS209において、ノード1の送信制御装置123が、データxをシンク2に送信する通信条件が満たされているかどうかを判定する。具体的には、現在の送信済みフラグが「未送信」であるという第1の条件を満たし、かつ、検知したチャネルゲインgが閾値gth以上であり、または、スロット番号が最大値Nであるという第2の条件を満たせば、通信条件が満たされていると判定される。 In step S209, the transmission control device 123 of the node 1 determines whether or not the communication conditions for transmitting the data x to the sink 2 are satisfied. Specifically, if a first condition is satisfied that the current transmission flag is “not transmitted” and a second condition is satisfied that the detected channel gain g k is equal to or greater than a threshold value g th or the slot number is the maximum value N, the communication conditions are determined to be satisfied.

言い換えれば、現在の送信済みフラグが「送信済」であれば、通信条件は満たされていないと判定される。この判定によって、1つのノード1が、1度のデータ収集期間の間に、シンク2へのデータxの送信を、1度だけ行うための制御を実現することができる。 In other words, if the current transmission flag is "transmitted", it is determined that the communication conditions are not met. This determination makes it possible to realize control so that one node 1 transmits data x to the sink 2 only once during one data collection period.

また、たとえ現在の送信済みフラグが「未送信」であっても、検知したチャネルゲインgが閾値gth未満であり、かつ、スロット番号が最大値N未満であれば、通信条件は満たされていないと判定される。この判定によって、今回のタイムスロットでチャネルゲインgが閾値gthに達していなければ、シンク2へのデータxの送信を次回以降のタイムスロットに持ち越す制御と、今回のタイムスロットが今回のデータ収集期間の最後のタイムスロットである場合にはたとえチャネルゲインgが閾値gthに達していなくても今回のタイムスロットでシンク2へのデータxの送信を強行する制御とを実現することができる。 Even if the current transmission flag is "not transmitted", it is determined that the communication conditions are not satisfied if the detected channel gain g k is less than the threshold value g th and the slot number is less than the maximum value N. This determination makes it possible to realize control to postpone the transmission of data x to the sink 2 to the next or subsequent timeslot if the channel gain g k has not reached the threshold value g th in the current timeslot, and control to forcibly transmit data x to the sink 2 in the current timeslot even if the channel gain g k has not reached the threshold value g th if the current timeslot is the last timeslot of the current data collection period.

さらに言い換えれば、ノード1が、データ収集期間の中で一度だけ、所定の通信条件を満たしたタイムスロットでデータxをシンク2に送信する、という前提条件の下では、この所定の通信条件は、チャネルゲインgがチャネルゲインの閾値gth以上であれば満たされ、タイムスロットがデータ収集期間の最後のタイムスロットであれば満たされる。 In other words, under the precondition that node 1 transmits data x to sink 2 only once during a data collection period in a time slot that satisfies a predetermined communication condition, this predetermined communication condition is satisfied if the channel gain g k is equal to or greater than a channel gain threshold g th and if the time slot is the last time slot of the data collection period.

通信条件が満たされていると判定された場合(Yes)は、ステップS210とステップS211が実行され、その後ステップS212が実行される。反対に、通信条件が満たされていないと判定された場合(No)は、ステップS210とステップS211は実行されずに、ステップS212が実行される。 If it is determined that the communication conditions are met (Yes), steps S210 and S211 are executed, and then step S212 is executed. Conversely, if it is determined that the communication conditions are not met (No), steps S210 and S211 are not executed, and step S212 is executed.

ステップS210において、ノード1の演算装置12が、信号振幅の目標値αとチャネル係数hに基づいて送信電力bを算出する。具体的には、信号振幅の目標値αを、チャネル係数hで割り算した商を算出して送信電力bとする。ステップS211において、送信制御装置123が、シンク2にデータxを送信し、送信済フラグを立てて「送信済」に設定する。ここで、送信されるデータxは、電力bを有するアナログ信号としてシンク2に送信される。 In step S210, the calculation device 12 of the node 1 calculates the transmission power b k based on the target value α of the signal amplitude and the channel coefficient h k . Specifically, the quotient obtained by dividing the target value α of the signal amplitude by the channel coefficient h k is calculated as the transmission power b k . In step S211, the transmission control device 123 transmits the data x to the sink 2 and sets the transmission completion flag to "transmitted". Here, the data x k to be transmitted is transmitted to the sink 2 as an analog signal having power b k x k .

ステップS212において、ノード1の演算装置12が、現在のスロット番号が最大値Nであるかどうかを判定する。現在のスロット番号が最大値Nである場合(Yes)は、ステップS213を実行した後にステップS202を再度実行する。現在のスロット番号が最大値Nではない場合(No)は、ステップS213を実行せずにステップS203を再度実行する。 In step S212, the computing device 12 of node 1 determines whether the current slot number is the maximum value N. If the current slot number is the maximum value N (Yes), step S213 is executed and then step S202 is executed again. If the current slot number is not the maximum value N (No), step S203 is executed again without executing step S213.

このように、ノード1は、シンク2が送信したビーコンに応じて、データxを表すアナログ信号を生成してシンク2に送信する。シンク2の受信制御装置224は、図11のステップS107において通信装置211を制御することによって、このアナログ信号としてデータxを受信する。 In this way, the node 1 generates an analog signal representing the data xk in response to the beacon transmitted by the sink 2 and transmits it to the sink 2. The reception control device 224 of the sink 2 receives the data xk as this analog signal by controlling the communication device 211 in step S107 of FIG.

ここで、同じタイムスロットのビーコンに応じてアナログ信号をシンク2に送信するノード1は、複数存在する場合がある。この場合、シンク2の受信制御装置224は、複数のアナログ信号として複数のデータxを受信する。この動作を、図13を参照して説明する。 Here, there may be a plurality of nodes 1 that transmit analog signals to the sink 2 in response to a beacon in the same time slot. In this case, the reception control device 224 of the sink 2 receives a plurality of data xk as a plurality of analog signals. This operation will be described with reference to FIG.

図13は、一実施形態によるセンサネットワークシステム100の一動作例を示す図である。第1のデータxは、ステップS211において、第1のノード1-1の送信制御装置123が第1の送信電力bで生成した第1のアナログ信号として、シンク2に送信される。このとき、第1のデータxを表す第1のアナログ信号の電力を、bと表すことができる。第1のノード1-1が電力bを有する第1のアナログ信号を出力する動作を、図13では仮想的な積算器M11の動作として示している。 13 is a diagram showing an example of an operation of the sensor network system 100 according to an embodiment. In step S211, the first data x 1 is transmitted to the sink 2 as a first analog signal generated by the transmission control device 123 of the first node 1-1 with a first transmission power b 1. At this time, the power of the first analog signal representing the first data x 1 can be expressed as b 1 x 1. In FIG. 13, the operation of the first node 1-1 outputting the first analog signal having power b 1 x 1 is shown as the operation of a virtual integrator M11.

電力bを有する第1のアナログ信号の電力は、シンク2に到達して受信されるまでに、第1のチャネル係数hで減衰する。シンク2が受信する第1のアナログ信号の電力は、hで表すことができる。自由空間が第1のアナログ信号を第1のノード1-1からシンク2まで伝播させる動作を、図13では仮想的な積算器M12の動作として示している。 The power of the first analog signal having power b 1 x 1 attenuates by a first channel coefficient h 1 before it reaches and is received by the sink 2. The power of the first analog signal received by the sink 2 can be represented as h 1 b 1 x 1. The operation of free space propagating the first analog signal from the first node 1-1 to the sink 2 is shown in FIG. 13 as the operation of a virtual integrator M12.

上記の積算器M11と積算器M12の動作として説明した第1のノード1-1の動作が行われたタイムスロットと同じタイムスロットに、別のノード1が同様に動作する場合がある。この場合、例えば、第iのデータxは、第iのノード1-iの送信制御装置123によって第iの送信電力bで生成された、電力bを有する第iのアナログ信号としてシンク2に送信される。また、第iのアナログ信号は第iのチャネル係数hで減衰し、電力hを有する第iのアナログ信号としてシンク2に到達して受信される。 There is a case where another node 1 operates in the same time slot as the time slot in which the first node 1-1 operates as described above as the operation of the integrator M11 and the integrator M12. In this case, for example, the i-th data x i is generated by the transmission control device 123 of the i-th node 1-i with the i-th transmission power bi and transmitted to the sink 2 as the i-th analog signal having power bi x i . Also, the i-th analog signal is attenuated by the i-th channel coefficient h i , and arrives at the sink 2 as the i-th analog signal having power h i bi x i and is received.

このとき、第1のノード1-1と第iのノード1-iが送信した2つのアナログ信号を、シンク2はマルチアクセスチャネルで同時に受信する。ここで、シンク2は、これら2つのアナログ信号の電力hと電力hの総和である電力を有する1つのアナログ信号として受信してもよい。この総和を取得する動作を、図13では仮想的な加算器A1の動作として示している。図13では、第1のノード1-1と第iのノード1-iからシンク2までの無線通信で発生するノイズを、加算器A1でアナログ信号の電力の総和に加算されるノイズnとして示している。 At this time, the sink 2 simultaneously receives two analog signals transmitted by the first node 1-1 and the i-th node 1-i through the multi-access channel. Here, the sink 2 may receive these two analog signals as one analog signal having a power that is the sum of the power h 1 b 1 x 1 and the power h i b i x i of these two analog signals. The operation of obtaining this sum is shown in FIG. 13 as the operation of a virtual adder A1. In FIG. 13, noise generated in the wireless communication from the first node 1-1 and the i-th node 1-i to the sink 2 is shown as noise n 1 that is added to the sum of the power of the analog signals by the adder A1.

なお、ここでは1つのタイムスロットで2つのノード1がアナログ信号をシンク2に送信した場合について説明したが、これはあくまでも一例にすぎず、ノード1の数は2より少なくてもよいし、2より多くてもよい。他のタイムスロットで別のノード1がアナログ信号をシンク2に送信する動作については、後述する。 Note that, although the case where two nodes 1 transmit analog signals to the sink 2 in one time slot has been described here, this is merely an example, and the number of nodes 1 may be less than two or more than two. The operation of another node 1 transmitting an analog signal to the sink 2 in another time slot will be described later.

シンク2の受信制御装置224がノード1からデータxを受信した後、図11のステップS108において、シンク2の演算装置22は現在のスロット番号が最大値N未満であるかどうかを判定する。 After the reception control device 224 of sink 2 receives data x from node 1, in step S108 of FIG. 11, the calculation device 22 of sink 2 determines whether the current slot number is less than the maximum value N.

ステップS108において現在のスロット番号が最大値N未満である場合(Yes)は、シンク2はステップS104~ステップS107を再度実行する。このとき、ノード1は図12AのステップS203~図12BのステップS211を再度実行する。その結果、前回と同じタイムスロットにおいて通信条件が満たされずにデータxをシンク2に送信しなかったノード1のうち、今回のタイムスロットにおいて通信条件が満たされたノード1は、データxをシンク2に送信する。 If the current slot number is less than the maximum value N in step S108 (Yes), sink 2 executes steps S104 to S107 again. At this time, node 1 executes steps S203 in FIG. 12A to step S211 in FIG. 12B again. As a result, among nodes 1 that did not transmit data x to sink 2 in the same time slot as the previous time because the communication conditions were not met, nodes 1 that satisfy the communication conditions in the current time slot transmit data x to sink 2.

ここでは、図13を再度参照して、別のタイムスロットにおける仮想的な積算器M31による送信処理と、仮想的な積算器M32と仮想的な加算器A2による受信処理について説明する。すなわち、図13の例では、過去のタイムスロットにおける第1のノード1-1と第iのノード1-iの場合と同様に、今回のタイムスロットにおいては第jのノード1-jと第Kのノード1-Kが、通信条件が満たされてデータxをシンク2に送信しており、また、シンク2はこれらのデータxを同時に受信している。今回のタイムスロットにおいても2つのノード1がアナログ信号をシンク2に送信した場合について説明したが、これはあくまでも一例にすぎず、ノード1の数は2より少なくてもよいし、2より多くてもよい。 Here, referring again to FIG. 13, the transmission process by the virtual integrator M31 in another time slot and the reception process by the virtual integrator M32 and the virtual adder A2 will be described. That is, in the example of FIG. 13, similar to the case of the first node 1-1 and the i-th node 1-i in the past time slot, in the current time slot, the j-th node 1-j and the K-th node 1-K have satisfied the communication conditions and are transmitting data x to the sink 2, and the sink 2 is receiving these data x simultaneously. In the current time slot, the case where two nodes 1 transmit analog signals to the sink 2 has been described, but this is merely an example, and the number of nodes 1 may be less than two or more than two.

さらに、図13を再度参照して、さらに別のタイムスロットにおける仮想的な積算器M21による送信処理と、仮想的な積算器M22と仮想的な加算器A3による受信処理についても説明する。すなわち、図13の例では、過去のタイムスロットにおける第1のノード1-1と第iのノード1-iの場合と同様に、また、前述した別のタイムスロットにおける第jのノード1-jと第Kのノード1-Kの場合と同様に、今回のタイムスロットにおいては第kのノード1-kと第K-1のノード1-(K-1)が、通信条件が満たされてデータxをシンク2に送信しており、また、シンク2はこれらのデータxを同時に受信している。今回のタイムスロットにおいても2つのノード1がアナログ信号をシンク2に送信した場合について説明したが、これはあくまでも一例にすぎず、ノード1の数は2より少なくてもよいし、2より多くてもよい。 Furthermore, referring again to FIG. 13, the transmission process by the virtual integrator M21 in yet another time slot and the reception process by the virtual integrator M22 and the virtual adder A3 will also be described. That is, in the example of FIG. 13, similar to the case of the first node 1-1 and the i-th node 1-i in the past time slot, and similar to the case of the j-th node 1-j and the K-th node 1-K in the other time slot described above, in the current time slot, the k-th node 1-k and the K-1-th node 1-(K-1) have satisfied the communication conditions and are transmitting data x to the sink 2, and the sink 2 is receiving these data x simultaneously. In the current time slot, the case where two nodes 1 transmit analog signals to the sink 2 has been described, but this is merely an example, and the number of nodes 1 may be less than two or more than two.

図11のステップS108において現在のスロット番号が最大値N未満ではない場合(No)は、ステップS109とステップS110を実行し、ステップS102とステップS103を再度実行し、その後、ステップS104を再度実行する。 If the current slot number is not less than the maximum value N in step S108 of FIG. 11 (No), execute steps S109 and S110, execute steps S102 and S103 again, and then execute step S104 again.

ステップS109において、今回のデータ収集期間に含まれる全てのタイムスロットは終了しているので、シンク2の後処理装置225が、収集されたデータxをまとめる後処理を行う。ここでは、一例として、この後処理によって、ノード1から収集したデータxの平均値を求める場合について、図13を参照して説明する。 In step S109, since all time slots included in the current data collection period have ended, the post-processing device 225 of sink 2 performs post-processing to consolidate the collected data x. Here, as an example, a case where the average value of the data x collected from node 1 is calculated by this post-processing will be described with reference to FIG. 13.

タイムスロットごとに受信されたデータxは、それぞれのタイムスロットで受信されたデータxの総和としてメモリ装置23に格納されている。図13の例では、仮想的な加算器A1の出力値はh+hである。ここで、前述したように、送信電力b、bと、チャネル係数h、hは、hの振幅成分=hの振幅成分=信号振幅の目標値αの関係を満たしている。したがって、仮想的な加算器A1の出力値はα(x+x)に等しい。 The data x received for each time slot is stored in the memory device 23 as the sum of the data x received in each time slot. In the example of Fig. 13, the output value of the virtual adder A1 is h1b1x1 + hbixi . Here, as described above, the transmission powers b1 , bi and the channel coefficients h1 , h1 satisfy the relationship that the amplitude component of h1b1 = the amplitude component of hbi = the target value α of the signal amplitude. Therefore, the output value of the virtual adder A1 is equal to α( x1 + xi ).

後処理装置225は、この出力値に係数aを掛け算する。この係数aは、1/(Kα)に等しく設定されている。図13では、後処理装置225によるこの掛け算は、仮想的な積算器M13による後処理として示されている。仮想的な積算器M13の出力値rは、(x+x)/Kに等しい。 The post-processing unit 225 multiplies this output value by a coefficient a, which is set equal to 1/(Kα). In Fig. 13, this multiplication by the post-processing unit 225 is shown as post-processing by a virtual integrator M13. The output value r1 of the virtual integrator M13 is equal to ( x1 + xi )/K.

後処理装置225は、全てのタイムスロットで受信されたデータxの総和について同様の後処理を行う。その結果、図13の例では、仮想的な積算器M23の出力値rとして(x+x)/Kが得られ、仮想的な積算器M33の出力値rとして(x+xK-1)/Kが得られる。 The post-processing device 225 performs similar post-processing on the sum of the data x received in all time slots. As a result, in the example of Fig. 13, ( xj + xK )/K is obtained as the output value r2 of the virtual integrator M23, and ( xk + xK-1 )/K is obtained as the output value rN of the virtual integrator M33.

さらに、後処理装置225は、これらの出力値r、r、…、rの総和rを算出する。その結果、総和rとして(1/K)Σxが得られる。この値は、K個のノード1から収集されたデータxの平均値である。図13の例では、この総和を算出する処理は、仮想的な加算器A0による後処理として示されている。 Furthermore, the post-processing device 225 calculates the sum r of these output values r 1 , r 2 , ..., r N. As a result, (1/K)Σx is obtained as the sum r. This value is the average value of the data x collected from K nodes 1. In the example of Fig. 13, the process of calculating this sum is shown as post-processing by a virtual adder A0.

なお、図13に示した構成の変形例として、後処理において仮想的な加算器A0の前段に接続されている3つの仮想的な積算器M13、M23、M33の代わりに、仮想的な加算器A0の後段に別の1つの仮想的な積算器を配置してもよい。言い換えれば、3つの仮想的な加算器A1、A2、A3の出力の総和を先に得て、その後、この総和に係数aを掛け算しても、データxの平均値が得られる。さらに別の変形例として、上記の変形例の構成から別の仮想的な積算器を取り除いてもよい。この場合は、データxの平均値の代わりに、データxの総和が得られる。 As a modification of the configuration shown in FIG. 13, instead of the three virtual integrators M13, M23, and M33 connected in front of the virtual adder A0 in post-processing, another virtual integrator may be placed in the rear stage of the virtual adder A0. In other words, the average value of data x can be obtained by first obtaining the sum of the outputs of the three virtual adders A1, A2, and A3, and then multiplying this sum by the coefficient a. As yet another modification, the other virtual integrator may be removed from the configuration of the above modification. In this case, the sum of data x is obtained instead of the average value of data x.

ステップS110において、今回のデータ収集期間で行われる全ての処理は終了しているので、シンク2は次のデータ収集期間に移行してステップS102を再度実行する。 In step S110, all processing performed during the current data collection period has been completed, so sink 2 moves on to the next data collection period and executes step S102 again.

以上に説明した一実施形態によるセンサネットワークシステム100の動作の全体像について、図14を参照して説明する。 The overall operation of the sensor network system 100 according to the embodiment described above will be explained with reference to FIG. 14.

図14は、一実施形態によるセンサネットワークシステム100の一動作例を示す図である。図14の横軸は時間を示しており、時刻t01から時刻t04までの期間は1つのデータ収集期間に対応する。時刻t01から時刻t04までの期間は第1のタイムスロットである。第1のタイムスロットのうち、時刻t01から時刻t02までの期間においてシンク2がノード1に向けてビーコンを送信する処理P1が実行される。次いで、第1のタイムスロットのうち、時刻t03から時刻t04までの期間において、通信条件が満たされたノード1が処理P1のビーコンに応じて図13の出力値rを得るためのデータxをシンク2に送信する処理P2が実行される。 FIG. 14 is a diagram showing an example of an operation of the sensor network system 100 according to an embodiment. The horizontal axis of FIG. 14 indicates time, and the period from time t 01 to time t 04 corresponds to one data collection period. The period from time t 01 to time t 04 is a first time slot. In the first time slot, a process P1 is executed in which the sink 2 transmits a beacon to the node 1 during the period from time t 01 to time t 02. Next, in the first time slot, a process P2 is executed in which the node 1, whose communication condition is satisfied, transmits data x to the sink 2 to obtain the output value r 1 of FIG. 13 in response to the beacon of the process P1 during the period from time t 03 to time t 04 .

同様に、時刻t05から時刻t08までの期間は第2のタイムスロットである。時刻t05から時刻t06までの期間にシンク2がノード1に向けてビーコンを送信する処理P3が実行される。時刻t07から時刻t08までの期間において、第1のタイムスロットでデータxをシンク2に送信しておらず、かつ、通信条件が満たされたノード1が、処理P3のビーコンに応じて図13の出力値rを得るためのデータxをシンク2に送信する処理P4が実行される。 Similarly, the period from time t05 to time t08 is the second time slot. In the period from time t05 to time t06 , a process P3 is executed in which the sink 2 transmits a beacon to the node 1. In the period from time t07 to time t08 , the node 1, which has not transmitted data x to the sink 2 in the first time slot and for which the communication condition is satisfied, transmits data x to the sink 2 in response to the beacon of the process P3 to obtain the output value r2 in FIG. 13 .

さらに同様に、時刻t09から時刻t12までの期間は第Nのタイムスロットである。時刻t09から時刻t10までの期間にシンク2がノード1に向けてビーコンを送信する処理P5が実行される。時刻t11から時刻t12までの期間において、これまでのタイムスロットでシンク2にデータxを送信していない全てのノード1が、処理P5のビーコンに応じて図13の出力値rを得るためのデータxをシンク2に送信する処理P6が実行される。なお、処理P6において、図11のステップS109で行われる後処理がさらに実行されてもよい。 Similarly, the period from time t09 to time t12 is the Nth time slot. In the period from time t09 to time t10 , a process P5 is executed in which the sink 2 transmits a beacon to the node 1. In the period from time t11 to time t12 , a process P6 is executed in which all nodes 1 that have not transmitted data x to the sink 2 in the previous time slots transmit data x to the sink 2 to obtain the output value rN in Fig. 13 in response to the beacon in the process P5. In the process P6, the post-processing performed in step S109 in Fig. 11 may be further executed.

このように、一実施形態によるセンサネットワークシステム100では、1つのデータ収集期間を複数のタイムスロットに分けて、それぞれのタイムスロットで複数のノード1が、シンク2から送信される同一のビーコンに応じて、同時にデータxをシンク2に送信する。そのため、第1の関連技術の場合とは異なり、1つのデータ収集期間に含まれる複数のタイムスロットの総数を、ノード1の総数Kよりずっと少なく設定することが可能である。 In this way, in the sensor network system 100 according to one embodiment, one data collection period is divided into multiple time slots, and in each time slot, multiple nodes 1 simultaneously transmit data x to the sink 2 in response to the same beacon transmitted from the sink 2. Therefore, unlike the first related technology, it is possible to set the total number of multiple time slots included in one data collection period to be much less than the total number K of nodes 1.

一実施形態によるセンサネットワークシステム100では、シンク2がノード1から収集するデータxの精度が向上することを、図15を参照して説明する。図15は、一実施形態によるセンサネットワークシステム100におけるチャネル係数h、送信電力bおよび受信電力係数hの一例を示す図である。図5と図6の場合と同様に、図15において、横軸はノード1の番号を、それぞれのノード1が送信するデータxに対応させて示しており、縦軸は受信電力係数hの振幅成分を対数で示している。 With reference to Fig. 15, it will be described how the accuracy of data x collected by the sink 2 from the node 1 is improved in the sensor network system 100 according to an embodiment. Fig. 15 is a diagram showing an example of the channel coefficient hk , transmission power bk, and reception power coefficient hkbk in the sensor network system 100 according to an embodiment. As in Figs. 5 and 6, in Fig. 15, the horizontal axis indicates the number of the node 1 corresponding to the data xk transmitted by each node 1, and the vertical axis indicates the amplitude component of the reception power coefficient hkbk in logarithm.

ただし、図15におけるノード1の番号は、図13におけるノード1の番号とは無関係に、1度目のタイムスロットにおけるチャネル係数hの振幅成分が小さい順番で左から右に配置されている。ここで、第1のノード1-1から第kのノード1-kまでは、破線で示した棒グラフの長さが1度目のタイムスロットにおけるチャネル係数hの振幅成分を表している。また、全てのノード1において、黒い棒グラフの長さが、それぞれのノード1がシンク2にデータxを送信したタイムスロットにおけるチャネル係数hの振幅成分の値を表している。さらに、全てのノード1において、白い棒グラフの長さが、それぞれのノード1がシンク2にデータxを送信したタイムスロットにおける送信電力bの値を表している。 However, the numbers of the nodes 1 in Fig. 15 are arranged from left to right in ascending order of the amplitude component of the channel coefficient hk in the first time slot, regardless of the numbers of the nodes 1 in Fig. 13. Here, the length of the dashed bar graphs from the first node 1-1 to the k-th node 1-k represents the amplitude component of the channel coefficient hk in the first time slot. Furthermore, in all the nodes 1, the length of the black bar graph represents the value of the amplitude component of the channel coefficient hk in the time slot in which each node 1 transmits data x to the sink 2. Furthermore, in all the nodes 1, the length of the white bar graph represents the value of the transmission power bk in the time slot in which each node 1 transmits data x to the sink 2.

一実施形態によるセンサネットワークシステム100では、ノード1のそれぞれにおいて、データxをシンク2に送信する機会が、1度のデータ収集期間に複数回、タイムスロットの総数Nと同じ数だけ用意される。したがって、1つのノード1の通信条件がいずれかのタイムスロットにおいて満たされる可能性が、第2の関連技術の場合よりも多い。このことを、図15では、全てのノード1のうちで第4のノード1-4だけが、全てのタイムスロットでチャネル係数hに対応するチャネルゲインgが閾値gthに達することなく、最後の第Nタイムスロットにおいて最大送信電力を用いてデータxをシンク2に送信したことをして示している。その結果、一実施形態によるセンサネットワークシステム100では、第2の関連技術の場合よりも、シンク2がノード1から収集したデータxの歪みが少なくなる可能性が高く、したがってデータxの精度が向上する。 In the sensor network system 100 according to one embodiment, each node 1 is provided with multiple opportunities to transmit data x to the sink 2 in one data collection period, the number of which is equal to the total number N of time slots. Therefore, the possibility that the communication condition of one node 1 is satisfied in any of the time slots is higher than in the case of the second related technique. This is shown in FIG. 15 by showing that only the fourth node 1-4 among all the nodes 1 transmits data x to the sink 2 using the maximum transmission power in the last N-th time slot without the channel gain g 4 corresponding to the channel coefficient h 4 reaching the threshold g th in all the time slots. As a result, in the sensor network system 100 according to one embodiment, the sink 2 is more likely to have less distortion of the data x collected from the node 1 than in the case of the second related technique, and therefore the accuracy of the data x is improved.

図16を参照して、一実施形態によるセンサネットワークシステム100と、一実施形態によるセンサネットワークシステム100の変形例と、第2の関連技術によるセンサネットワークシステム1000との間における、ノード1、101の送信電力の累積分布関数の比較について説明する。 With reference to FIG. 16, a comparison of the cumulative distribution functions of the transmission power of nodes 1 and 101 between a sensor network system 100 according to one embodiment, a modified example of the sensor network system 100 according to one embodiment, and a sensor network system 1000 according to the second related technology will be described.

図16は、一実施形態によるセンサネットワークシステム100と、関連技術によるセンサネットワークシステム1000の間で送信電力の累積分布関数を比較するグラフである。図16は、第2の関連技術によるセンサネットワークシステム1000に対応する第1のグラフG11と、一実施形態によるセンサネットワークシステム100に対応する第2のグラフG12と、一実施形態によるセンサネットワークシステム100の変形例に対応する第3のグラフG13とを含んでいる。図16において、横軸は送信電力を表し、縦軸は累積分布関数を表している。 Figure 16 is a graph comparing the cumulative distribution function of transmission power between a sensor network system 100 according to one embodiment and a sensor network system 1000 according to a related technology. Figure 16 includes a first graph G11 corresponding to the sensor network system 1000 according to a second related technology, a second graph G12 corresponding to the sensor network system 100 according to one embodiment, and a third graph G13 corresponding to a modified example of the sensor network system 100 according to one embodiment. In Figure 16, the horizontal axis represents transmission power, and the vertical axis represents the cumulative distribution function.

第1のグラフG11、第2のグラフG12および第3のグラフG13は、コンピュータシミュレーションの結果を示している。第1のグラフG11と、第2のグラフG12と、第3のグラフG13とを比較すると、送信電力はほぼ同じである。 The first graph G11, the second graph G12, and the third graph G13 show the results of a computer simulation. Comparing the first graph G11, the second graph G12, and the third graph G13, the transmission power is almost the same.

図17を参照して、一実施形態によるセンサネットワークシステム100と、第2の関連技術によるセンサネットワークシステム1000との間における、受信電力と目標電力の平均二乗誤差の累積分布関数の比較について説明する。 With reference to FIG. 17, a comparison of the cumulative distribution function of the mean square error between the received power and the target power between the sensor network system 100 according to one embodiment and the sensor network system 1000 according to the second related technology will be described.

図17は、一実施形態によるセンサネットワークシステム100と関連技術によるセンサネットワークシステム1000の間で受信電力と目標電力の平均二乗誤差の累積分布関数を比較するグラフである。図17は、関連技術によるセンサネットワークシステム1000に対応する第1のグラフG21と、一実施形態によるセンサネットワークシステム100に対応する第2のグラフG22とを含んでいる。図17において、横軸は受信電力と目標電力の平均二乗誤差を表し、縦軸は累積分布関数を表している。ここで、受信電力はシンク2、102が受信するアナログ信号の電力を表し、チャネルゲインgが閾値gthを下回った場合に発生する歪みを含む可能性がある。その一方で、目標電力は、チャネルゲインgが閾値gthを上回った場合にシンク2、102が受信するアナログ信号の電力を表し、歪みを含まない。 FIG. 17 is a graph comparing the cumulative distribution function of the mean square error between the received power and the target power between the sensor network system 100 according to an embodiment and the sensor network system 1000 according to a related technique. FIG. 17 includes a first graph G21 corresponding to the sensor network system 1000 according to the related technique and a second graph G22 corresponding to the sensor network system 100 according to an embodiment. In FIG. 17, the horizontal axis represents the mean square error between the received power and the target power, and the vertical axis represents the cumulative distribution function. Here, the received power represents the power of the analog signal received by the sink 2, 102, and may include distortion that occurs when the channel gain g k falls below the threshold g th . On the other hand, the target power represents the power of the analog signal received by the sink 2, 102 when the channel gain g k exceeds the threshold g th , and does not include distortion.

第1のグラフG21と第2のグラフG22は、コンピュータシミュレーションの結果を示している。第1のグラフG21と第2のグラフG22を比較すると、一実施形態によるセンサネットワークシステム100では、第2の関連技術によるセンサネットワークシステム1000よりも、受信電力と目標電力の平均二乗誤差が少なく、すなわちシンク2が受信するアナログ信号の歪みを有効に削減できている。 The first graph G21 and the second graph G22 show the results of a computer simulation. Comparing the first graph G21 and the second graph G22, the sensor network system 100 according to one embodiment has a smaller mean square error between the received power and the target power than the sensor network system 1000 according to the second related technology, meaning that the distortion of the analog signal received by the sink 2 is effectively reduced.

このように、一実施形態によるセンサネットワークシステム100では、シンク2が受信するデータxの精度を向上させても、ノード1が消費する電力はほぼ変わらない。 In this way, in one embodiment of the sensor network system 100, even if the accuracy of the data x received by the sink 2 is improved, the power consumed by the node 1 remains almost unchanged.

以上、発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。また、前記実施の形態に説明したそれぞれの特徴は、技術的に矛盾しない範囲で自由に組み合わせることが可能である。 The invention made by the inventor has been specifically described above based on the embodiment, but it goes without saying that the present invention is not limited to the above embodiment and can be modified in various ways without departing from the gist of the invention. Furthermore, the features described in the above embodiment can be freely combined as long as they are not technically inconsistent.

100、1000 センサネットワークシステム
1、1-k、1-1~1-K、101、101-k、101-1~101-K ノード
10 バス
11 入出力装置
111 通信装置
112 アンテナ
12 演算装置
121 ビーコン受信装置
122 チャネルゲイン検知装置
123 送信制御装置
13 メモリ装置
14 外部記憶装置
141 記録媒体
15 センシング装置
2、102 シンク
20 バス
21 入出力装置
211 通信装置
212 アンテナ
22 演算装置
221 パラメータ算出装置
222 ビーコン生成装置
223 送信制御装置
224 受信制御装置
225 後処理装置
23 メモリ装置
24 外部記憶装置
241 記録媒体
A0、A1、A2、A3、A100 加算器
P1~P6、P100、P101、P102、P10K、P201、P202 処理
M100、M101、M102、M201、M202、M301、M302 積算器
M11、M12、M13、M21、M22、M23、M31、M32、M33 積算器
100, 1000 Sensor network system 1, 1-k, 1-1 to 1-K, 101, 101-k, 101-1 to 101-K Node 10 Bus 11 Input/output device 111 Communication device 112 Antenna 12 Arithmetic device 121 Beacon receiving device 122 Channel gain detection device 123 Transmission control device 13 Memory device 14 External storage device 141 Recording medium 15 Sensing device 2, 102 Sink 20 Bus 21 Input/output device 211 Communication device 212 Antenna 22 Arithmetic device 221 Parameter calculation device 222 Beacon generation device 223 Transmission control device 224 Reception control device 225 Post-processing device 23 Memory device 24 External storage device 241 Recording medium A0, A1, A2, A3, A100 Adder P1 to P6, P100, P101, P102, P10K, P201, P202 Processing M100, M101, M102, M201, M202, M301, M302 Accumulator M11, M12, M13, M21, M22, M23, M31, M32, M33 Accumulator

Claims (9)

それぞれがデータを取得する複数のノードと、
複数のタイムスロットを含むデータ収集期間ごとに前記複数のノードから前記データを収集するシンクと
を備え、
前記シンクは、
前記複数のタイムスロットのそれぞれにおいて、チャネルゲイン閾値を表す情報を含むビーコンを前記複数のノードに送信する第1の送信制御装置
を備え、
前記複数のノードのそれぞれは、
前記ビーコンに基づいて、前記シンクとの間のチャネルゲインを検知するチャネルゲイン検知装置と、
前記複数のタイムスロットのうちのいずれかのタイムスロットにおいて、所定の通信条件が満たされたとき、前記データ収集期間の中で一度だけ前記データを前記シンクに送信する第2の送信制御装置と
を備え、
前記通信条件は、
前記チャネルゲインが前記チャネルゲイン閾値以上であれば満たされ、
前記タイムスロットが前記データ収集期間の最後のタイムスロットであれば満たされる
センサネットワークシステム。
Multiple nodes each of which retrieves data;
a sink that collects the data from the plurality of nodes for each data collection period that includes a plurality of time slots;
The sink is
a first transmission control device that transmits a beacon including information representing a channel gain threshold to the plurality of nodes in each of the plurality of time slots;
Each of the plurality of nodes
a channel gain detection device for detecting a channel gain between the sink and the beacon based on the beacon;
a second transmission control device that transmits the data to the sink only once during the data collection period when a predetermined communication condition is satisfied in any one of the plurality of time slots ;
The communication conditions are:
is satisfied if the channel gain is greater than or equal to the channel gain threshold;
The time slot is satisfied if the time slot is the last time slot of the data collection period.
請求項1に記載のセンサネットワークシステムにおいて、
前記シンクは、
外部の複数のノードの総数に基づいて、データ収集期間に含まれる複数のタイムスロットの総数を算出し、前記複数のタイムスロットの前記総数に基づいて、前記チャネルゲイン閾値と信号振幅の目標値を算出するパラメータ算出装置と、
前記複数のタイムスロットのそれぞれにおいて、前記複数のタイムスロットの前記総数、前記チャネルゲイン閾値および前記信号振幅の前記目標値を表す情報を含む前記ビーコンを生成するビーコン生成装置と、
前記ビーコンに応じて前記複数のノードから送信された複数のデータを受信する受信制御装置と、
前記データ収集期間に受信した前記複数のデータの総和を得る後処理装置と
をさらに備える
センサネットワークシステム。
2. The sensor network system according to claim 1,
The sink is
a parameter calculation device that calculates a total number of a plurality of time slots included in a data collection period based on a total number of a plurality of external nodes, and calculates the channel gain threshold and a target value of a signal amplitude based on the total number of the plurality of time slots;
a beacon generating device for generating the beacon including information representing the total number of the plurality of time slots, the channel gain threshold, and the target value of the signal amplitude in each of the plurality of time slots;
a reception control device for receiving a plurality of data transmitted from the plurality of nodes in response to the beacon;
a post-processing device for obtaining a sum of the plurality of pieces of data received during the data collection period.
請求項2に記載のセンサネットワークシステムにおいて、
前記第2の送信制御装置は、
前記チャネルゲインが前記チャネルゲイン閾値以上であるときは、前記信号振幅の目標値を前記チャネルゲインに基づいて送信電力を設定し、
前記チャネルゲインが前記チャネルゲイン閾値未満であるときは、前記ノードの最大送信電力に基づいて前記送信電力を設定し、
前記データを表すアナログ値と前記送信電力に基づいて、前記データを電力で表すアナログ信号を生成し、
前記アナログ信号を前記データとして前記シンクに送信する
センサネットワークシステム。
3. The sensor network system according to claim 2,
The second transmission control device includes:
When the channel gain is equal to or greater than the channel gain threshold, the target value of the signal amplitude is set to a transmission power based on the channel gain;
when the channel gain is less than the channel gain threshold, setting the transmit power based on a maximum transmit power of the node;
generating an analog signal representing the data in terms of power based on the analog value representing the data and the transmission power;
The sensor network system transmits the analog signal as the data to the sink.
請求項3に記載のセンサネットワークシステムにおいて、
前記受信制御装置は、
前記それぞれのタイムスロットにおいて、前記複数のノードから同時に送信された前記複数のデータを表す複数の前記アナログ信号を一度に受信して前記複数のアナログ信号の電力の総和を得る加算器
を備える
センサネットワークシステム。
4. The sensor network system according to claim 3,
The reception control device includes:
an adder that simultaneously receives a plurality of the analog signals representing the plurality of data transmitted simultaneously from the plurality of nodes in each of the time slots and obtains a sum of powers of the plurality of analog signals.
外部の複数のノードの総数に基づいて、データ収集期間に含まれる複数のタイムスロットの総数を算出し、前記複数のタイムスロットの前記総数に基づいて、チャネルゲイン閾値と信号振幅の目標値を算出するパラメータ算出装置と、
前記複数のタイムスロットのそれぞれにおいて、前記複数のタイムスロットの前記総数、前記チャネルゲイン閾値および前記信号振幅の前記目標値を表す情報を含むビーコンを、前記複数のノードに送信する送信制御装置と、
前記ビーコンに応じて前記複数のノードから送信された複数のデータを受信する受信制御装置と、
前記データ収集期間に受信した前記複数のデータの総和を得る後処理装置と
を備える
シンク。
a parameter calculation device that calculates a total number of a plurality of time slots included in a data collection period based on a total number of a plurality of external nodes, and calculates a channel gain threshold and a target value of a signal amplitude based on the total number of the plurality of time slots;
a transmission control device that transmits a beacon to the plurality of nodes in each of the plurality of time slots, the beacon including information representing the total number of the plurality of time slots, the channel gain threshold, and the target value of the signal amplitude;
a reception control device for receiving a plurality of data transmitted from the plurality of nodes in response to the beacon;
a post-processing device that obtains a sum of the plurality of data received during the data collection period.
データを取得するセンシング装置と、
データ収集期間に含まれる複数のタイムスロットのそれぞれにおいて外部のシンクから送信される、チャネルゲイン閾値を表す情報を含むビーコンを受信するビーコン受信装置と、
前記ビーコンに基づいて、前記シンクとの間のチャネルゲインを検知するチャネルゲイン検知装置と、
前記複数のタイムスロットのうちのいずれかのタイムスロットにおいて、所定の通信条件が満たされたとき、前記データ収集期間の中で一度だけ前記データを前記シンクに送信する送信制御装置と
を備え、
前記通信条件は、
前記チャネルゲインが前記チャネルゲイン閾値以上であれば満たされ、
前記タイムスロットが前記データ収集期間の最後のタイムスロットであれば満たされる
ノード。
A sensing device for acquiring data;
a beacon receiving device that receives a beacon including information indicating a channel gain threshold, the beacon being transmitted from an external sink in each of a plurality of time slots included in a data collection period;
a channel gain detection device for detecting a channel gain between the sink and the beacon based on the beacon;
a transmission control device that transmits the data to the sink only once during the data collection period when a predetermined communication condition is satisfied in any one of the plurality of time slots ;
The communication conditions are:
is satisfied if the channel gain is greater than or equal to the channel gain threshold;
The node is satisfied if the time slot is the last time slot of the data collection period.
複数のノードのそれぞれがデータを取得することと、
データ収集期間に含まれる複数のタイムスロットのそれぞれにおいて、チャネルゲイン閾値を表す情報を含むビーコンをシンクから前記複数のノードに送信することと、
前記それぞれのノードが、前記ビーコンに基づいて、前記シンクとの間のチャネルゲインを検知することと、
前記それぞれのノードが、前記複数のタイムスロットのうちのいずれかのタイムスロットにおいて、所定の通信条件が満たされたとき、前記データ収集期間の中で一度だけ前記データを前記シンクに送信することと、
前記データ収集期間ごとに前記複数のノードから前記データを前記シンクが収集することと
を含み、
前記通信条件は、
前記チャネルゲインが前記チャネルゲイン閾値以上であれば満たされ、
前記タイムスロットが前記データ収集期間の最後のタイムスロットであれば満たされる
データ通信処理方法。
Each of the plurality of nodes acquires data;
transmitting a beacon including information representing a channel gain threshold from a sink to the plurality of nodes in each of a plurality of time slots included in a data collection period;
each of the nodes detecting a channel gain between the node and the sink based on the beacon;
each of the nodes transmitting the data to the sink only once during the data collection period when a predetermined communication condition is satisfied in any one of the plurality of time slots ;
The sink collects the data from the plurality of nodes for each data collection period;
The communication conditions are:
is satisfied if the channel gain is greater than or equal to the channel gain threshold;
The method is satisfied if the time slot is the last time slot of the data collection period.
シンクの演算装置に実行させることによって処理を実現するプログラムであって、
前記処理は、
外部の複数のノードの総数に基づいて、データ収集期間に含まれる複数のタイムスロットの総数を算出することと、
前記複数のタイムスロットの前記総数に基づいて、チャネルゲイン閾値と信号振幅の目標値を算出することと、
前記複数のタイムスロットのそれぞれにおいて、前記複数のタイムスロットの前記総数、前記チャネルゲイン閾値および前記信号振幅の前記目標値を表す情報を含むビーコンを、前記複数のノードに送信することと、
前記ビーコンに応じて前記複数のノードから送信された複数のデータを受信することと、
前記データ収集期間に受信した前記複数のデータの総和を得ることと
を含む
プログラム。
A program for implementing processing by causing a sink computing device to execute the program,
The process comprises:
Calculating a total number of a plurality of time slots included in a data collection period based on a total number of a plurality of external nodes;
calculating a channel gain threshold and a signal amplitude target value based on the total number of the plurality of time slots;
transmitting a beacon to the plurality of nodes in each of the plurality of time slots, the beacon including information representative of the total number of the plurality of time slots, the channel gain threshold, and the target value of the signal amplitude;
receiving a plurality of data transmitted from the plurality of nodes in response to the beacon;
obtaining a sum of the plurality of pieces of data received during the data collection period.
ノードの演算装置に実行させることによって処理を実現するプログラムであって、
前記処理は、
データを取得することと、
データ収集期間に含まれる複数のタイムスロットのそれぞれにおいて外部のシンクから送信される、チャネルゲイン閾値を表す情報を含むビーコンを受信することと、
前記ビーコンに基づいて、前記シンクとの間のチャネルゲインを検知することと、
前記複数のタイムスロットのうちのいずれかのタイムスロットにおいて、所定の通信条件が満たされたとき、前記データ収集期間の中で一度だけ前記データを前記シンクに送信することと
を含み、
前記通信条件は、
前記チャネルゲインが前記チャネルゲイン閾値以上であれば満たされ、
前記タイムスロットが前記データ収集期間の最後のタイムスロットであれば満たされる
プログラム。
A program that realizes processing by being executed by a computing device of a node,
The process comprises:
Obtaining data and
receiving a beacon transmitted from an external sink in each of a plurality of time slots included in a data collection period, the beacon including information representing a channel gain threshold;
Detecting a channel gain between the sink and the beacon based on the beacon;
transmitting the data to the sink only once during the data collection period when a predetermined communication condition is satisfied in any one of the plurality of time slots ;
The communication conditions are:
is satisfied if the channel gain is greater than or equal to the channel gain threshold;
The program is satisfied if the time slot is the last time slot of the data collection period.
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