特開 2022-45390 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

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022045390

(43)【公開日】2022-03-22

(54)【発明の名称】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

(51)【国際特許分類】

   H04W 4/38 20180101AFI20220314BHJP

   H04W 52/18 20090101ALI20220314BHJP

   H04W 72/04 20090101ALI20220314BHJP

【ＦＩ】

H04W4/38

H04W52/18

H04W72/04 131

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020150975

(22)【出願日】2020-09-09

(71)【出願人】

【識別番号】504133110

【氏名又は名称】国立大学法人電気通信大学

(74)【代理人】

【識別番号】100205350

【弁理士】

【氏名又は名称】狩野 芳正

(74)【代理人】

【識別番号】100117617

【弁理士】

【氏名又は名称】中尾 圭策

(72)【発明者】

【氏名】湯 素華

(72)【発明者】

【氏名】小花 貞夫

【テーマコード（参考）】

5K067

【Ｆターム（参考）】

5K067BB27

5K067DD11

5K067EE02

5K067GG03

5K067GG08

5K067HH22

(57)【要約】

【課題】複数のノードが取得したデータを単独のシンクが収集するセンサネットワークシステムにおいてデータ収集の効率と精度を向上させる。
【解決手段】センサネットワークシステムは、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複数のノードからデータを収集するシンクとを備える。シンクは、それぞれのタイムスロットにおいて、チャネルゲイン閾値を表す情報を含むビーコンを複数のノードに送信する第１の送信制御装置を備える。それぞれのノードは、ビーコンに基づいて、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、データ収集期間の中で一度だけ、通信条件を満たしたタイムスロットでデータをシンクに送信する第２の送信制御装置とを備える。通信条件は、チャネルゲインがチャネルゲイン閾値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。
【選択図】図１３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

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。

【請求項2】

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。

【請求項3】

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。

【請求項4】

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。

【請求項5】

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。

【請求項6】

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。

【請求項7】

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。

【請求項8】

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。

【請求項9】

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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

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。

【0004】

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。

【0005】

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。

【0006】

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。

【0007】

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。

【0008】

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。

【0009】

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。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0010】

【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

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

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。

【課題を解決するための手段】

【0012】

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。

【0013】

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（ｇ_ｔｈ）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_ｈ）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_ｈ）がチャネルゲイン閾値（ｇ_ｔｈ）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。

【0014】

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（ｇ_ｔｈ）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（ｇ_ｔｈ）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。

【0015】

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（ｇ_ｔｈ）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_ｈ）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_ｈ）がチャネルゲイン閾値（ｇ_ｔｈ）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。

【0016】

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（ｇ_ｔｈ）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_ｈ）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_ｈ）がチャネルゲイン閾値（ｇ_ｔｈ）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。

【0017】

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（ｇ_ｔｈ）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（ｇ_ｔｈ）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。

【0018】

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（ｇ_ｔｈ）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_ｈ）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_ｈ）がチャネルゲイン閾値（ｇ_ｔｈ）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。

【発明の効果】

【0019】

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。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】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。

【図2】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。

【図3】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。

【図4】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。

【図5】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。

【図6】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。

【図7】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。

【図8】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。

【図9】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。

【図10】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。

【図11】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。

【図12A】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。

【図12B】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。

【図13】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。

【図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の一動作例を示す図である。

【図15】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。

【図16】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。

【図17】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。

【発明を実施するための形態】

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

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。

【0024】

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。

【0025】

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ｔ_１０１から時刻ｔ_１０２にかけて、第１のノード１０１－１が第１のデータｘ_１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ｔ_１０１から時刻ｔ_１０２までの期間を、第１のタイムスロットと呼ぶ。その後、時刻ｔ_１０３から時刻ｔ_１０４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_２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_ｋをシンク１０２に向けて送信する。時刻ｔ_１０５から時刻ｔ_１０６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_Ｋ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ｔ_１０７から時刻ｔ_１０８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_１～ｘ_Ｋを区別しないとき、これらをデータｘ_ｋまたはデータｘと総称する。

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

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。

【0029】

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。

【0030】

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_１は、第１のノード１０１－１によって第１の送信電力ｂ_１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_１を表す第１のアナログ信号の電力を、ｂ_１ｘ_１と表すことができる。第１のノード１０１－１が電力ｂ_１ｘ_１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。

【0031】

電力ｂ_１ｘ_１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_１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_１ｂ_１ｘ_１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_１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_１と呼ばれる。チャネルゲインｇ_１は、正の実数として表される。

【0032】

同様に、第２のデータｘ_２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_２で生成された、電力ｂ_２ｘ_２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_２の振幅成分で減衰し、電力ｈ_２ｂ_２ｘ_２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_Ｋ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_Ｋで生成された、電力ｂ_Ｋｘ_Ｋ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_Ｋの振幅成分で減衰し、電力ｈ_Ｋｂ_Ｋｘ_Ｋ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。

【0033】

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ｔ_２０１から時刻ｔ_２０２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ｔ_２０３から時刻ｔ_２０４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。

【0034】

処理Ｐ２０２において、電力ｂ_１ｘ_１、ｂ_２ｘ_２、…、ｂ_Ｋｘ_Ｋ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_１ｂ_１ｘ_１、ｈ_２ｂ_２ｘ_２、…、ｈ_Ｋｂ_Ｋｘ_Ｋ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_１ｂ_１ｘ_１、ｈ_２ｂ_２ｘ_２、…、ｈ_Ｋｂ_Ｋｘ_Ｋ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。

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

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_１ｂ_１ｘ_１、ｈ_２ｂ_２ｘ_２、…、ｈ_Ｋｂ_Ｋｘ_Ｋの平均値を算出することができる。

【0038】

また、１からＫまでの任意の整数ｋにおいて、送信電力ｂ_ｋとチャネル係数ｈ_ｋを掛け算した受信電力係数ｈ_ｋｂ_ｋ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_１～ｘ_Ｋの平均値を算出することができる。

【0039】

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_ｋ、送信電力ｂ_ｋおよび受信電力係数ｈ_ｋｂ_ｋ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_ｋに対応させて示しており、縦軸は受信電力係数ｈ_ｋｂ_ｋ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_ｋｂ_ｋ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_ｋｂ_ｋは、シンク１０２で受信されたアナログ信号の電力ｈ_ｋｂ_ｋｘ_ｋを、データｘ_ｋを表すアナログ値で割り算した商であり、送信電力ｂ_ｋとチャネル係数ｈ_ｋを掛け算した積ｈ_ｋｂ_ｋ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_ｋの振幅成分の値、すなわちチャネルゲインｇ_ｋの値を示し、上側の白い部分の長さは送信電力ｂ_ｋ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_ｋが小さい順番に左から右に配置されている。

【0040】

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_ｋと定数αに基づいて、送信電力ｂ_ｋ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_ｋとチャネル係数ｈ_ｋを掛け算した積ｈ_ｋｂ_ｋの振幅成分を定数αに等しくすることができる。

【0041】

しかし、ノード１０１の送信電力ｂ_ｋ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_ｋ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_ｋを最大送信電力に設定しても、送信電力ｂ_ｋとチャネル係数ｈ_ｋを掛け算した積ｈ_ｋｂ_ｋの振幅成分が定数αより小さい場合が考えられる。

【0042】

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_ｋ、送信電力ｂ_ｋおよび受信電力係数ｈ_ｋｂ_ｋ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_１を取得した第１のノード１０１－１から第５のデータｘ_５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_ｋの振幅成分が低すぎるため、送信電力ｂ_ｋを最大送信電力に設定しても、送信電力ｂ_ｋとチャネル係数ｈ_ｋを掛け算した受信電力係数ｈ_ｋｂ_ｋ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_ｋｂ_ｋ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。

【0043】

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。

【0044】

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_ｋ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_ｋ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。

【0045】

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。

【0046】

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_ｋ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_ｋ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_ｋの、所定の閾値以上の値を表している。

【0047】

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。

【0048】

（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。

【0049】

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。

【0050】

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_ｋ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。

【0051】

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。

【0052】

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。

【0053】

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。

【0054】

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。

【0055】

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。

【0056】

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_ｋを検知してその振幅成分であるチャネルゲインｇ_ｋ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。

【0057】

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。

【0058】

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。

【0059】

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。

【0060】

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。

【0061】

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。

【0062】

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ｇ_ｔｈ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。

【0063】

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ｇ_ｔｈ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ｇ_ｔｈに基づいて、信号振幅の目標値αを算出する。

【0064】

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ｇ_ｔｈ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ｇ_ｔｈ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。

【0065】

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_ｋを取得する。取得されたデータｘ_ｋ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。

【0066】

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ｇ_ｔｈ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。

【0067】

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_ｋを検知してチャネルゲインｇ_ｋ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_ｋを算出し、このチャネル係数ｈ_ｋから減衰に係る振幅成分であるチャネルゲインｇ_ｋを算出することによって、チャネルゲインｇ_ｋの検知を行ってもよい。

【0068】

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_ｋが閾値ｇ_ｔｈ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。

【0069】

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。

【0070】

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_ｋが閾値ｇ_ｔｈ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_ｋが閾値ｇ_ｔｈ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_ｋが閾値ｇ_ｔｈ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。

【0071】

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_ｋがチャネルゲインの閾値ｇ_ｔｈ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。

【0072】

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。

【0073】

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_ｋに基づいて送信電力ｂ_ｋ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_ｋで割り算した商を算出して送信電力ｂ_ｋ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_ｋは、電力ｂ_ｋｘ_ｋを有するアナログ信号としてシンク２に送信される。

【0074】

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。

【0075】

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_ｋ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_ｋを受信する。

【0076】

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_ｋを受信する。この動作を、図１３を参照して説明する。

【0077】

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_１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_１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_１を表す第１のアナログ信号の電力を、ｂ_１ｘ_１と表すことができる。第１のノード１－１が電力ｂ_１ｘ_１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。

【0078】

電力ｂ_１ｘ_１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_１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_１ｂ_１ｘ_１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。

【0079】

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_ｉ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_ｉで生成された、電力ｂ_ｉｘ_ｉ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_ｉで減衰し、電力ｈ_ｉｂ_ｉｘ_ｉ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。

【0080】

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_１ｂ_１ｘ_１と電力ｈ_ｉｂ_ｉｘ_ｉ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_１として示している。

【0081】

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。

【0082】

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。

【0083】

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。

【0084】

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。

【0085】

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。

【0086】

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。

【0087】

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。

【0088】

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_１ｂ_１ｘ_１＋ｈ_ｉｂ_ｉｘ_ｉである。ここで、前述したように、送信電力ｂ_１、ｂ_ｉと、チャネル係数ｈ_１、ｈ_ｉは、ｈ_１ｂ_１の振幅成分＝ｈ_ｉｂ_ｉ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_１＋ｘ_ｉ）に等しい。

【0089】

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_１は、（ｘ_１＋ｘ_ｉ）／Ｋに等しい。

【0090】

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_２として（ｘ_ｊ＋ｘ_Ｋ）／Ｋが得られ、仮想的な積算器Ｍ３３の出力値ｒ_Ｎとして（ｘ_ｋ＋ｘ_Ｋ－１）／Ｋが得られる。

【0091】

さらに、後処理装置２２５は、これらの出力値ｒ_１、ｒ_２、…、ｒ_Ｎ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。

【0092】

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。

【0093】

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。

【0094】

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。

【0095】

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ｔ_０１から時刻ｔ_０４までの期間は１つのデータ収集期間に対応する。時刻ｔ_０１から時刻ｔ_０４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ｔ_０１から時刻ｔ_０２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ｔ_０３から時刻ｔ_０４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_１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。

【0096】

同様に、時刻ｔ_０５から時刻ｔ_０８までの期間は第２のタイムスロットである。時刻ｔ_０５から時刻ｔ_０６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ｔ_０７から時刻ｔ_０８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_２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。

【0097】

さらに同様に、時刻ｔ_０９から時刻ｔ_１２までの期間は第Ｎのタイムスロットである。時刻ｔ_０９から時刻ｔ_１０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ｔ_１１から時刻ｔ_１２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_Ｎ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。

【0098】

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。

【0099】

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_ｋ、送信電力ｂ_ｋおよび受信電力係数ｈ_ｋｂ_ｋ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_ｋに対応させて示しており、縦軸は受信電力係数ｈ_ｋｂ_ｋの振幅成分を対数で示している。

【0100】

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_ｋ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_ｋ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_ｋ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_ｋの値を表している。

【0101】

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_４に対応するチャネルゲインｇ_４が閾値ｇ_ｔｈ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。

【0102】

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。

【0103】

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。

【0104】

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。

【0105】

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。

【0106】

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_ｋが閾値ｇ_ｔｈ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_ｋが閾値ｇ_ｔｈ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。

【0107】

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。

【0108】

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。

【0109】

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。

【符号の説明】

【0110】

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

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12A】

【図12B】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】