高接続無線マルチホップネットワークのための球形移動無線ノード

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(1)Vol.2012-DPS-151 No.16 Vol.2012-MBL-62 No.16 2012/5/21. 情報処理学会研究報告

(2) . 高接続無線マルチホップネットワークのための球形移動無線ノード木ノ内隆幸. . 桧垣博章. . 概要：疎に分布する自律移動無線ノード間の通信を実現するためにはデータメッセージの無線マルチホップ配送を担う中継専用移動無線ノードを導入することが有効な手法のひとつであるこれらが無線マルチホップネットワークの接続性を維持するためには隣接無線ノードの移動方向を検出し適切な方向へ迅速に移動することが求められる本論文ではこれを実現するためにつの指向性アンテナを塔載した球形移動無線ノードを提案しその試作機を作成する指向性アンテナのそれぞれによる受信電波強度の変化によって隣接無線ノードの移動方向を推定し適切な方向へと追従移動するこのとき最小回転半径をとすることで隣接無線ノードとの間の無線リンクの切断を回避もしくは削減する試作機の性能を簡単な実験によって評価し適用可能性と改善点を検討するキーワード：無線マルチホップネットワーク移動無線ノード指向性アンテナ.

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(28) . $ % $ % & '. トワークでは各無線ノードがアプリケーションの要求に. はじめに. 応じてあるいはそれとは無関係に移動する一方各無. 移動無線ノード群から構成される無線マルチホップネッ. 線ノードがアプリケーションを実行するために必要となるデータを相互に交換するためには無線ノード間の接続性. 東京電機大学大学院未来科学研究科ロボット・メカトロニクス学専攻 . .

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(34) . を高く維持することが求められる例えば被災地救済支援工事現場建設現場支援地雷除去支援などを行なう移動ロボット群においては各移動ロボットがセンサデータに基づいてアプリケーションプログラムを実行し動作.

(35) Vol.2012-DPS-151 No.16 Vol.2012-MBL-62 No.16 2012/5/21. 情報処理学会研究報告

(36) . および自律移動するとともにセンサデータの交換動作. 維持する手法を提案しているさらに論文

(37) では. 状況データの交換移動動作支援要求などを移動ロボット. と同様に引力斥力モデルを用いて無線マルチホップ配送. 間で相互に交換することが求められる。移動無線ノード間. 経路の接続性を維持するとともに隣接無線ノード間距離. の高接続性を低コストで実現する手法として無線マルチ. を目標値に近づけるように位置を定めることでデータメッ. ホップ通信を適用するものがありセンサネットワーク等. セージの配送性能を高めることを目指している論文 . . への適用が検討されているここでは各移動無線ノー. ではすべての移動無線センサノードが観測目的を持つこ. ドが中継ノードとして機能することでエンドエンドの接続. とが可能であるすなわちアプリケーションの実行が可能. . を実現するこのとき無線マルチホップ配送経路を構築. であることを前提として観測センサノード中継無線セ. するためには適切な位置に中継無線ノードが存在するこ. ンサノードのいずれにも成り得るあるいは同時に両方. とが必要でありまた無線ノードが移動する場合におい. の役割を担う移動無線センサノード位置を獲得する観. てもその接続を維持することが必要であるすなわち各. 測観測データの質と提供する通信データメッ. 移動無線ノードはアプリケーションからの移動要求と移. セージ配送の質とのトレードオフによって決定する手法. 動無線ネットワークの高接続性要求とを両立させる位置へ. を提案している論文 . では観測対象周辺に散布され. 迅速に移動することが求められる本論文では低密度分. たサブセンサネットワークとシンクノードとを相互接続す. 布する自律移動無線ロボット群からなるシステムにおける. るために余剰移動センサノードを活用する手法を提案して. 移動要求と高接続性要求を満足するために専ら無線マル. いる散布による無線センサノード設置では観測対象位. チホップ配送経路の中継無線ノードとして機能する移動無. 置を観測範囲に含まない余剰無線センサノードが発生する. 線ノードを導入することを提案するこのような中継専用. そこでこの余剰無線センサノードを散布によって観測対. ノードの少数導入により効果を得るためには中継位置を. 象周辺に構成されたサブセンサネットワークとデータメッ. 的確に判断し迅速に移動することが求められるそこで. セージの送信先無線シンクノードとの間の無線マルチホッ. 本論文ではこれを実現する球形移動無線ノードを提案し. プ配送経路構築のための中継無線ノードとなるように移動. 試作評価評価を行なう. させる. 関連研究. さらに移動無線ノード分布が疎となる場合には . . 技術を活用しデータメッセー. 無線マルチホップ通信の実現技術としてデータメッセー. ジの隣接無線ノードへの転送とデータメッセージを保持し. ジのルーティングプロトコルの研究は重要であり無線ア. ての移動とを組み合わせることによって送信先無線ノード. ドホックネットワークを対象とした多数のアドホックルー. までデータメッセージを到達させる論文では観測. ティングプロトコルが研究されてきているここでは. データを保持する移動無線センサノードがシンクノード方. 送信元無線ノードから送信先無線ノードまでの無線マルチ. 向へと移動し互いに隣接する移動途中の無線センサノー. ホップ配送経路が高い確率で存在し検出した経路の接続. ド間でデータメッセージを転送することで無線シンクノー. がデータメッセージ群配送を終えるまで高い確率で維持さ. ドと隣接するまで移動する無線センサノードを削減する手. れるあるいは経路修正や経路再探索によって高い確率. 法が提案されているここでは可能であれば無線シンク. で経路を最構築できる程度に無線ノードが高密度に分布し. ノードまで無線マルチホップ通信によってデータメッセー. ていることを前提としているセンサネットワーク研究に. ジを配送することによって、無線センサノードの移動も. おいても観測対象領域全体を稼働中のすべての無線セン. 削減する工夫がなされている. サノードの観測可能領域で被覆し各無線センサノードの. は少ない移動無線ノード数で高い接続性が得られる一方. . 技術を活用する手法. 取得したセンサデータをシンクノードへ無線マルチホップ. データメッセージの配送遅延が延長する各無線ノードが. 配送可能な無線センサノード配置方法や無線移動センサ. 移動によるデータメッセージ配送に加わることによってア. ノードの移動方法あるいは省電力を実現するためのス. プリケーション実行が一時停止するといった問題がある. リープウェイクアップスケジュールの決定方法などを含. 中継専用無線ノードによる高接続無線マル. むセンサネットワークのトポロジ制御手法が検討されてい. チホップネットワーク. るより低密度に分布する移動無線ノードからなる無線マル. 前章で述べたようにこれまでに疎に分布する移動無. チホップネットワークの相互接続性を維持する手法として. 線ノードの相互接続性を高めることを少数の中継移動無線. 隣接無線ノード間距離に基づいて各無線ノード位置を定め. ノードで実現する様々な手法が提案されている本論文で. るものが提案されているここでは引力斥力モデ. は. ルに基づいて無線センサノード位置を動的に変更すること. の移動により無線マルチホップ配送を構築維持する手法. によって、無線マルチホップネットワークの接続性を高く. . .

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(40) . . 高密度に無線ノードを配置する手法. . 無線ノード. 無線ノードの移動により配送する手法のうち .


(42) . の実現を検討する特にアプリケーションを実行する. アプリケーションを実行する無線ノードの移動に対して. 自律移動無線ノード例えばセンサアクチュエータプ. 無線ネットワークの接続性を維持するためには中継専用. ロセッサを備えた移動ロボットからなるシステムを対象と. 移動無線ノードに以下の機能が備えられていることが求め. しこれらの間のデータメッセージ配送を支援する中継専. られる. . 用移動無線ノードを導入することによって無線マルチホッ. 隣接無線ノードの移動方向と移動距離の検知. プ配送経路を構築維持することを目的とする図 . 接続維持のための移動方向と移動距離の決定決定した移動の実現データメッセージの中継転送隣接無線ノードの移動方向と移動距離を取得する方法として. !" . 等の位置に基づくアドホックルーティング. プロトコルで用いられる. !. による自身の位置情報の取. 得と # メッセージへのピギーバックによる位置情報の広告を用いる方法があるこの方法では定期的に受信される隣接移動無線ノードの位置情報に基づいてこの無線図. 中継専用移動無線ノードによる高接続無線ネットワーク. ノードの移動方向を定めることができるただし論文で指摘されているように. この目的を達成するためには. . !. によって取得される位置情. 無線マルチホップ配送. 報には誤差が含まれるためにこの情報に基づいて定めた. 無線マルチホップ配送経路の維持という. 移動方向が必ずしも適切なものではない場合があるという. つの問題を解決する必要があるアプリケーションを実. 問題があるこれに対して隣接無線ノード間で定期的に. 行する移動無線ノード間の無線マルチホップ配送経路の構. ビーコンメッセージを交換しその受信電波強度の変化に. 築には通信要求の発生に応じて配送経路を構築する手法. よって隣接移動無線ノードとの距離の変化を推定する方法. とあらかじめ配送経路を構築しておく手法とが考えられる. が考えられる. 前者ではデータメッセージ配送要求がない時間には配送. る手法は多くの論文に記述がある % 一般のシステム運用. 経路を維持する必要がないというメリットがあるが配送. 環境では受信電波強度は距離に対して一定ではないため. 経路の構築 . . 要求発生時には. . 送信先移動無線ノードの位置の取得. "$. によって無線ノード間距離を推定す. ディスクモデルのような論理モデルをそのまま適用す. . 配送経路構築に必要な中継専用移動無線ノードの決定. ることは困難である & ただし短時間の観測時間におい. . 経路の構築という手順を実現する必要があるしかし. ては同一方向における受信電波強度が距離の増加に対し. . との実現には無線ノードの位置情報を常時管理す. て単調減少する性質は概ね成り立つことから電波強度の. るかブロードキャストによる通信要求広告が必要となる. 変化によって距離の変化を推定することが可能であるま. が前者の通信オーバヘッドは大きく後者の実現にはネッ. た移動方向は設置方向の異なる複数の指向性アンテナを. トワーク全体での接続性の維持が求められる. 中継専用移動無線ノードに備えることによって推定可能で. 移動無線ネットワークシステムの運用では何らかの同. あると考えられる. 期時刻が存在しすべての移動無線ノードが初期位置等の. 受信電波強度の変化によって隣接無線ノードの移動を検. 所定の位置に移動することが考えられる例えば充電等の. 知したならばネットワーク接続性を維持可能な方向へと. 目的で初期位置へ移動するなどが考えられるそこでこ. 中継専用無線ノードが移動する必要があるここで一般的. の時点で中継専用移動無線ノードがアプリケーションを実. な車輪を備えた移動ノード図においては図に示す. 行する移動無線ノード間を接続する初期位置へ移動するこ. ように移動方向に対して車輪の初期方向が異なる場合に. とで相互接続された無線ネットワークを構築するそし. は迂回移動をしなければならないこの迂回移動によっ. てその後の移動に対して相互接続を維持するように中継. て移動時間が延長するばかりでなく迂回そのものによっ. 専用移動無線ノードを配置することとする. て隣接無線ノードの無線信号到達範囲を逸脱しこの無線ノードとの無線通信リンクの接続を維持できなくなることが考えられるこの無線リンク切断問題は左右の車輪を逆方向に回転させることによって移動ノード位置を固定したまま方向のみを変更することで縮小することが可能であるが方向変換時間による遅延は避けることができないそこで本論文では図 & に示す球形移動無線ノードを中継専用移動無線ノードに適用することを提案する. 図. . . 初期位置における相互接続の確立と移動に対する接続維持.

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(45) . 前章で述べた高接続無線マルチホップネットワークを実 .


(47) . には水平に近い状態となる. 試作前章で提案した球形移動無線ノードを試作する駆動部は制御用マイコンボードモータドライバモータ駆動輪通信モジュール指向性アンテナから構成され各パー図. . ツを円盤状の板材に固定したこのときモータに取り付四輪移動ノード. ける駆動輪の向きが

(48) 度間隔となるように固定したまた搭載する指向性アンテナの向きが

(49) 度間隔とするためにノード上面から見て正三角形となるように配置した駆動デバイスの板材に対するモータ配置と指向性アンテナの上面図をそれぞれ図 . 図. . . に示す. 四輪移動ノードによる迂回移動. 120. 図. 図. . . モータ配置. 球形移動無線ノード. 現するためには隣接ノードの移動を検出し移動方向を決定し迅速に移動するノードが必要である. !. による位. 置取得を前提としない屋内システムや比較的狭領域を対象としたシステムでは隣接ノードの移動を受信電波強度の変化によって検知するのが一般的であるこのとき隣接ノードの相対的な移動方向を得るためにはノードに指向性アンテナを備えることが求められるまた任意の方向への迅速な移動を実現するために冗長な移動を回避することが求められるそこで本論文では指向性アンテナを備えた球形移動無線ノードを提案する図 & 球形容器には .

(50). 図. . 指向性アンテナ上面図. 度ずらして. つのモータが配置された駆動部が格納されているこれ. らのモータが進行方向に対して適切な回転数で回転し球形容器内面に接する駆動輪を回転させることでノードを移. 図上部の個の円には駆動部のバランスを取るための補助輪を取り付けるものとする制御用に搭載された. '()*. のマイコンの機能によっ. 動させる球形容器は点で地平面に接していることから. て隣接ノードと交換するメッセージの処理隣接ノードの. 最小回転半径

(51) での方向転換が可能であるまた無線通信. 移動推定使用するアンテナの選択自身の移動決定とモー. には正三角形状に配置されたつの同一の指向性アンテナ. タドライバへの指示を行なう通信モジュールには双葉電. を用いることによって隣接ノードの方向を

(52) 度を単位. 子工業製 +,

(53) 指向性アンテナには +''

(54) を用いる. として取得する後述するように無線ノードの移動時に. 通信モジュールと '()* はシリアル通信で接続され送. は駆動部が球形容器内で振動する問題があるもののモー. 受信メッセージと受信電波強度の情報が交換されるマイ. タの重量が大きいためにこの指向性アンテナ群は基本的. コンは通信モジュールからメッセージの受信後通信モ. .

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(59) . ジュールに受信したメッセージの電波強度を要求することで電波強度を得ることが可能になるその後保持していた前回通信時の電波強度と比較を行なうことでモータの制. B. 御信号を決定し電波強度の保持を行なうモータには. -.'!'. C. 製 / モータを用いマイコ. R A. ンから東芝製モータドライバ ' ! を介してモータに対する入力電圧を定めることで各モータの回転数を制御するモータに取り付けられた駆動輪は

(60) 度異なる方向に. 図. 推進力を発生させることから各モータの推進方向のベクトル和により駆動部の移動方向と移動速度が制御される. -60. [dBm]. 評価. 受信電波強度測定. A B C. また駆動輪と球形容器内面が接することによって回転が球形容器へと伝達されノードが移動する. . -70. -80. 前章で作成した試作機を中継移動無線ノードとして適用するためには受信電波強度から推定される送信無線ノードの移動方向の正確さと適切な移動の実現性を備えなけれ. -90. 0. ばならない本章では簡易な評価実験結果を報告するまず隣接無線ノードが送信した無線信号の受信電波強. 図. る図 % に示すように試作機を中心として半径 Ê0 の円周. -60. [dBm]. 性アンテナにおける受信電波強度を測定した評価実験結 2

(61) 0. 270. 360. においては送信無線ノード. !. 受信電波強度測定結果. A B C. に沿って移動する無線ノードが送信する無線信号の各指向. Ê. 180 [deg]. 度から推定される送信無線ノード方向の正確さを評価す. 果を図 1. に示す. 90. -70. 方向の指向性アンテナにおける受信電波強度が最も高く受信電波強度が番目. -80. 番目の指向性アンテナの受信電. 波強度をも用いると概ね方向が推定できることが分かる. Ê. 2

(62) 0. においても. Ê. 2

(63) 0. の場合には及ばないものの. -90. 0. 送信無線ノード方向の指向性アンテナにおける受信電波強. Ê. 2

(64) &0. 180. 270. 360. [deg]. 度が最も高く低精度ではあるものの方向推定は可能であると考えられる. 90. 図. においては送信無線ノード方. 向と受信電波強度の関係が不明瞭となり方向推定はほぼ. -30. 受信電波強度測定結果. " !. A B C. 不可能であると言えるただし隣接無線ノードが十分近く -40 [dBm]. にある場合には移動によって無線リンクが切断されることはないこのため隣接無線ノード方向が推定できなくて. -50. も問題はない方向推定が必要であるのは中継専用移動無線ノードを移動させなければ無線リンクが切断しネッ. -60. トワークの接続性が低下する場合であることからノード間距離が長い場合には方向が推定可能であるという本実験. -70. 結果は提案手法の適用可能性を示すものであると考えられる. 図. 0. 90. 受信電波強度測定結果. 次に駆動部の重量によって指向性アンテナはほぼ水平状態を保つもののノードの移動が駆動部の傾きによって. . 実現されることからこの傾きにともなう無線通信および. &Æ . 隣接ノードの位置推定の性能低下が懸念されるそこで. 影響評価は今後の課題である. ノードの直線移動時の駆動部の傾きを試作実機で測定評価. まとめと今後の課題. したここでは停止状態のノードを直線移動し再度停止するまでの駆動部の傾きの変化を測定した測定結果を図. .

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(67) . 180 [deg]. 270. 360. #$!. に示す直線移動開始後に大きく振動した後は安定して 3

(68). Æ の範囲で振動するこれによる通信品質への. 本論文では自律移動する移動無線ノード間の接続性を .

(69) Vol.2012-DPS-151 No.16 Vol.2012-MBL-62 No.16 2012/5/21. 情報処理学会研究報告. 30. 報処理学会第. ]. 20. 234. [.

(70) . 10. 0. 0. 回全国大会論文集. * . .. B010. 砂川桧垣移動中継ノード群による高接続センサネットワーク構築手法 , 情処研報 8 $ 3- * 0 .. /1// 23-4. -10 . -20 -30. -. 0. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. [s] . . 図. 移動による試作機の傾き測定結果. 荻野佐藤移動ノードを含むワイヤレスセンサネットワークにおける通信経路の維持方式の提案 , 情報処理学会第 / 回マルチメディア通信と分散処理ワークショップ論文集 .. 39-139B 23B4 平井桧垣局所的情報に基づいた移動センサノードの自律的位置変更手法 , 信学技報 8 $ * 3B0 .. B1BB 234. 維持するために中継専用移動無線ノードを導入する手法. 3. について検討したこのようなノードの導入によって無線ネットワークの接続性を維持するためには自律移動無線ノードの位置変化に追従して適切かつ迅速に移動することが必要であるそこで複数の指向性アンテナを備えこれ. . 南本藤井山口東野移動無線端末の位置情報と通信情報を用いた災害現場地図の自動生成 , 情報処理学会論文誌 8 $ ? * 3 .. 3/013B 234 村瀬西尾徳田引力・斥力モデルに基づいたセンサノードの動的再配置手法 , 情処研報 8 $ 3 * 0 .. 1B 234. らの電波強度の変化によって隣接無線ノードの移動方向を推定しこれらとの間の無線リンクを切断することなく迅速に移動するために球形ノードとすることによって最小回転半径

(71) の移動を実現することを提案し試作機を作成したシミュレーション実験の結果隣接無線ノードの方向推定が必要な程度に離れている場合には方向が概ね推定可能であること走行時にはある範囲の振動が発生するため無線信号到達への影響を評価する必要があることが明らかとなった今後はマルチホップ配送機構を試作機に実装しデータメッセージ配送性能を評価する特に隣接無線ノードの移動に対する追従性能ネットワーク接続性能移動による配送性能の変化等の評価実験を行なう参考文献 . .

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(81) +. 56. & ' * . + , & )( $ %. 234 -. 石川古田人道的観点からの対人地雷探知システム技術開発における日本の取り組み , 計測と制御 8 $ 9? * /. B. . .. 9-?19B 23/4. 澤村水野峰野電子トリアージシステムにおけるモバイルノードを用いた位置推定に関する研究 , 情.

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