（a）6台 （b）9台
（c）12台 （d）18台
図6.18 バッファサイズ固定時の端末台数変化特性
0 0.1 0.2 0.3
0.001 0.01
パケット廃棄率 Rdrop
0 0.1 0.2 0.3
0.001 0.01
パケット廃棄率 Rdrop
0 0.1 0.2 0.3
0.001 0.01
パケット廃棄率 Rdrop
0 0.1 0.2 0.3
0.001 0.01
パケット廃棄率 Rdrop
ネットワークトラヒックG [packets/Lpkt] ネットワークトラヒックG [packets/Lpkt]
ネットワークトラヒックG [packets/Lpkt] ネットワークトラヒックG [packets/Lpkt]
図6.19 パケット廃棄率の全CH平均 0
0.04 0.08 0.12
6 9 12 15 18
端末台数 Ncch
0 0.04 0.08
6 9 12 15 18
パケット廃棄率の標準偏差𝜎dropt_ave パケット廃棄率の全CH平均𝑅dropt_ave
図6.21 下位CH 6台と18台の時のバッファオーバーフロー率
下位CHのバッファサイズLbufferを固定した評価では，端末台数の増加によってシス テム内のバッファサイズの総量𝐿buffersum が増加していた．そのため各下位CHのバッファ
サイズLbufferの合計𝐿sumbufferをおよそ 60[packets]で固定して，下位 CH台数を増加させ
た場合の特性評価を行う．図6.22に端末台数変化に対するパケット廃棄率特性Rdropを 示す．図6.22から提案法は下位CH台数の増加に従い，特性差異が大きくなっており，
伝送特性差異緩和効果が小さくなっていくことがわかる．このことを定量的に評価する ため，パケット廃棄率の全CH平均とその標準偏差の稼働負荷平均特性（𝑅dropt_ave，𝜎dropt_ave） を用いる．パケット廃棄率の全 CH 平均𝑅dropt_aveを図 6.23，パケット廃棄率の標準偏差
𝜎dropt_aveを図6.24に示す．図 6.23から提案法のパケット廃棄率の全CH平均は端末台数
が増加するに従い，徐々に大きくなっていき，12 台では標準システムより劣化してい る．図6.24 からパケット廃棄率の標準偏差も台数が増加するにつれて標準システムと の差が小さくなっていることが分かる．これは各端末のバッファサイズが小さくなった ことで，提案法の送信未完了パケットを迅速に送信する制御が有効に働かないことが原 因である．このことから図6.25のように，バッファオーバーフロー率𝑅dropOF があまり減 少しないため，パケット廃棄率が劣化する．以上より，提案法による伝送特性差異緩和 効果は台数増加につれて徐々に小さくなり，下位CH台数12台以上の時はパケット廃 棄率が標準システムと比較して劣化している．そのため下位CH台数9台までのネット ワークで提案法は有効であり，12台以上では提案法の有効性を得られないといえる．
以上2種類の端末台数変更方法による検討結果から提案法の伝送特性は，クラスタ形 成時の下位CH数に大きく影響を受けることが分かる．提案法は，小規模～中規模程度 のネットワークで有効に利用できると考えられる．
0.0001 0.001 0.01 0.1 1
0.001 0.01
ネットワークトラヒックG [packets/Lpkt] バッファオーバーフロー率𝑅dropOF
（a）6台 Lbuffer=10 (𝐿sumbuffer=60) [packets] （b）9台 Lbuffer=7 (𝐿sumbuffer=63) [packets]
（c）12台 Lbuffer=5 (𝐿sumbuffer=60)[packets] （d）18台Lbuffer=3 (𝐿sumbuffer=54) [packets]
図6.22 バッファサイズ変動時の端末台数変化特性
0 0.1 0.2 0.3
0.001 0.01
パケット廃棄率 Rdrop
0 0.1 0.2 0.3
0.001 0.01
パケット廃棄率 Rdrop
0 0.1 0.2 0.3
0.001 0.01
パケット廃棄率 Rdrop
0 0.1 0.2 0.3
0.001 0.01
パケット廃棄率 Rdrop
ネットワークトラヒックG [packets/Lpkt] ネットワークトラヒックG [packets/Lpkt]
ネットワークトラヒックG [packets/Lpkt] ネットワークトラヒックG [packets/Lpkt]
図6.23 パケット廃棄率の全CH平均
図6.24 パケット廃棄率の標準偏差 0
0.04 0.08 0.12
6 9 12 15 18
端末台数 Ncch
0 0.04 0.08
6 9 12 15 18
端末台数 Ncch パケット廃棄率の全CH平均𝑅dropt_ave パケット廃棄率の標準偏差𝜎dropt_ave
図6.25 バッファオーバーフロー率（下位CH 18台）
0.0001 0.001 0.01 0.1 1
0.001 0.01
ネットワークトラヒックG [packets/Lpkt] バッファオーバーフロー率𝑅dropOF
第 7 章
結論
WSN では，SN の配置密度の偏りなどから空間不均一トラヒックの発生が想定され る．空間不均一トラヒックによりクラスタ型WSNではクラスタ領域毎のトラヒック量 に偏りが生じ，領域毎の伝送特性が不均一となる問題がある．この不均一性の緩和のた めには，クラスタ型WSNの情報伝送に対して，トラヒックに応じて伝送制御パラメー タ等の調整を行うトラヒック適応制御を実施する必要がある．これまでに，空間不均一 環境のクラスタ内通信に対するトラヒック適応化技術の研究例は多くあるが，CH間通 信に着目した研究例は少ない．ネットワーク全体の性能向上のためには，クラスタ内通 信のみでなくCH間通信に対するトラヒック適応を議論する必要がある．ところが研究 例の少なさから，空間不均一トラヒック環境のCH間通信での伝送特性の不均一は明確 になっておらず，伝送特性の調査をした上でトラヒック適応制御を実施する必要がある．
そこで本論文では，空間不均一トラヒック環境下のクラスタ型WSNのCH間通信に おける伝送特性がトラヒック量の異なるCH間で異なることを明らかにし，この伝送特 性の差異を緩和する送信制御手法を開発・確立することを目的とした．まず伝送特性差 異の明確化のために，計算機シミュレーションによる調査を行った．その結果，トラヒ ック量の異なるCH間でパケット廃棄率や伝送遅延などの伝送特性に差異が生じること が明らかとなった．これは各CHでトラヒックに見合った送信機会が得られていないこ とに起因している．
次に伝送特性差異緩和のために，トラヒック量に応じた優先度制御により送信機会の 自律分散制御を実施するトラヒック適応バックオフ制御方式を提案した．提案法では，
IEEE802.11e における EDCA を応用し，IEEE802.15.4 におけるバックオフ制御パラメータ であるバックオフウィンドウをトラヒック状況に応じて変更して，送信待機時間を変化させる 優先度制御を実施する．この制御により，各 CH における送信機会をトラヒック量に適した 頻度に制御でき，特性差異の緩和を可能とした．計算機シミュレーションにより，空間不 均一トラヒック環境の CH 間通信において，提案法によるトラヒック量の異なる下位 CH間の伝送特性差異緩和効果が確認できた．またトラヒック比変化に対する伝送特性 調査により様々なトラヒック環境においても提案法は有効に機能することが確認でき た．以上により提案法は，不均一トラヒック環境下のWSNにおいて，伝送特性の不均一
性緩和に有効であることを示すことができた． これによりWSN導入時に，SN の配置密 度や配置場所に関わらず，ネットワーク全体に安定した性能を提供できる．
今後の課題は，提案法は高負荷CHに対してバックオフウィンドウを減少させること で伝送特性差異の緩和を実施しているため，競合する下位CH台数が多い環境では，信 号衝突の増加やシステム内のバッファ総量の増加などから提案法による伝送特性差異 緩和効果の有効性を保証できなくなることである．よって端末台数が増加する場合でも，
良好な伝送特性を保ちつつ，伝送特性の不均一性を改善する制御が必要となる．
参考文献
[1] D. E. Culler, D. Estrin and M. B. Srivastava , ” Guest Editors’ Introduction: Overview of Sensor Networks”, IEEE Computer, Vol. 37, No. 8, pp. 41–49, August 2004.
[2] 大橋正良，大槻知明，“ユビキタスセンサネットワーク”，電子情報通信学会誌 Vol.95 No.9 pp.772-778, 2012年9月.
[3] 小牧省三，間瀬憲一，松江英明，守倉正博，無線LANとユビキタスネットワーク，
丸善株式会社，2004年2月.
[4] I. F. Akyildiz, S. Weilian, Y. Sankarasubramaniam, and E. Cayirci, “A Survey on Sensor Networks,” IEEE Communications Magazine, Vol. 40, No. 8, pp. 102–114, January 2002.
[5] X. Ning, R. Sumit, C. Krishna Kant, G. Deepak, B. Alan, G. Ramesh, E. Deborah, “A Wireless Sensor Network for Structural Monitoring,” Proceedings of the 2nd International Conference on Embedded Networked Sensor Systems, pp. 13–24, November 2004.
[6] I.F. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubramaniam and E. Cayirci, “Wireless Sensor Network: a Survey,” Computer Networks, Vol. 38, No. 4, pp. 393-422, March 2002.
[7] IEEE802.15.4, Part15.4: Wireless MAC and PHY Specifications for LR- WPANs, September 2006.
[8]
ZigBee Alliance, ZigBee Specification, 1st edition, ZigBee Standards Organization, June 2005.
[9]
W. R. Heinzelman, A. Chandrakasan and H. Balakrishnan,” Energy-Efficient Communication Protocol for Wireless Microsensor Networks”, Proceedings of The Hawaii International Conference on System Sciences, pp. 1-10, January 2000.
[10] Y. Kwon and Y. Chae, “Traffic Adaptive IEEE 802.15.4 for Wireless Sensor Networks”, Proceedings of The 2006 IFIP International Conference on Embedded and Ubiquitous Computing, pp. 864-873, August 2006.
[11] M. Arzamendia, K. Mori, K. Naito and H. Kobayashi, “Traffic Adaptive MAC Mechanism for IEEE802.15.4 Cluster Based Wireless Sensor Networks with Various Non-uniformities”, IEICE Transactions on Communication, Vol. E93-B, No.11, pp. 3035-3047, November 2010.
[12] K. Kubo, K. Mori, K. Naito, and H. Kobayashi,“Enhanced 2-Level Traffic Adaptive Active Period Control for IEEE802.15.4 Cluster-Based Wireless Sensor Networks”, IEICE Transactions Communication, Vol. E94-B, No. 9, pp. 2521-2531, September 2011.
[13] IEEE 802.11e, Wireless LAN MAC and PHY Specifications: MAC Quality of Service (QoS) Enhancements, August 2005.
[14] IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications, June 2007.
[15] W. R. Heinzelman, A. P. Chandrakasan and H. Balakrishnan, “An Application-Specific Protocol Architecture for Wireless Microsensor Networks,” IEEE Transactions on Wireless Communications, Vol.1, No.4, pp. 660-670, October 2002.
[16] J. Kabara and M. Calle,”MAC Protocols Used by Wireless Sensor Networks and a General Method of Performance Evaluation”, International Journal of Distributed Sensor Networks, Vol. 2012, Article ID 834784, June 2012.
謝辞
本研究を遂行するに当たり，多忙な時間を割いてご指導を賜った森香津夫教授，小林 英雄教授，愛知工業大学情報学科学部の内藤克浩准教授に深く感謝し御礼申し上げます．
また研究室の設備などでご協力下さいました山本好弘技術員，黒田陽一朗技術員に深く 感謝し御礼申し上げます．また，様々な助言を下さいました通信工学研究室および計算 機研究室の皆様に深く感謝いたします。そして，貴重な時間を割いてご査読して頂いた 計算機工学研究室の北英彦准教授に深く感謝致します．