環境発電を用いた通信システムのための高効率MACプロトコルの実環境特性に関する研究

近年、高範囲の環境情報を効率的に長期間観測する技術として，無線センサネットワーク（WSNs: Wireless Sensor Networks）への注目が高まっている．さらに各センサ端末にエナジーハーベスティング（EH: Energy Harvesting）電源を具備することで，半永久的に情報を取得可能なWSNsの実現が期待されている．しかし，EH電源のみを用いたWSNsでは，各端末は一次電池ではなく，自然界から回収される電力のみによって動作するため，各端末の動作電源は微弱かつ確率的に変動する性質をもつ．そのため各端末の消費電力がEH電源からの回収電力を上回った場合は，各端末が電池切れを引き起こし，ネットワークが動作不能となることが懸念される．よって，各端末の電池切れに対してロバスト性をもち，通信の必要が生じた時のみ通信を行うことで，省電力性を達成する方式が必要となる．　媒体アクセス制御（MAC: Medium Access Control）層における研究では，端末間の時間同期を行うことなく，日和見的に通信を行う受信機駆動型MACが検討されている．特に，Intermittent-receiver driven data transmission（IRDT）は，高い省電力性と通信品質を達成する通信方式として知られている．IRDTは，各端末の供給電力が確率的に変動することを考慮していない．そのため，EH電源を用いたWSNsにおいては，回収電力が小さい端末が動作不能に陥る可能性があり，通信品質の劣化を引き起こす．そこでIRDTに対して，EH電源からの回収電力の多寡と通信可能端末数の情報を用いて，適応的に各端末が間欠間隔を制御することで消費電力制御を可能にしたEnergy-Neutral Receiver-Initiated MAC（ENRI-MAC）が提案されており，IRDTに比べ，高い通信品質を達成可能であることが示されている．しかし，ENRI-MACの特性評価は，各端末の回収電力を3つのクラスタに分類することで回収電力の多寡を考慮した疑似的なモデルで性能評価を行ったものであり，実環境に則して空間的・時間的に回収電力が変化するモデルにおいて，同様に高い通信品質を達成するかについては議論の余地がある．　そこで本研究では，ENRI-MACの間欠間隔の動的制御機能が通信品質を改善し得るかを評価するため，実環境の回収電力モデルに即した特性評価を行う．回収電力は環境的要因により変動し，同一の実験環境で評価することが困難であるため，今回は実環境に多数の照度センサを配置することで，日中の照度を実測し，この値を回収電力の実測値として用いた計算機シミュレーションを行う．数値評価を通じて，実環境では，間欠間隔の伸延を行うことで自端末の消費電力を低減する機能が，他端末の消費電力を著しく増加させてしまい，ネットワーク内に電池切れを連鎖的に引き起こし，通信品質を劣化させる可能性があることを明らかにする．　この問題を解決するために，本稿ではENRI-MACにおいて提案される間欠間隔設計を見直すことで，回収電力をENRI-MACよりも効率的に利用可能な間欠間隔を制御可能改良された改良ENRI-MACを提案する．さらに，先に述べた実環境に即した回収電力モデルにおいて，提案する改良ENRI-MACの間欠間隔設計が高い通信品質を達成可能であることを示す．電気通信大学201

エナジーハーベスティング電源のための適応的受信機駆動型MACプロトコルに関する研究

　近年，周辺環境のエネルギーを回収して利用するエナジーハーベスティング (EH: Energy Harvesting)技術を無線センサネットワークに組み込んだエナジーハーベスティング無線センサネットワーク(EHWSN: Energy Harvesting Wireless Sensor Network)への注目が高まっている．EHWSN では，センサ端末が周辺のエネルギーを利用して環境情報の収集，伝送を行うため，バッテリーレスのネットワークが構築可能となる．しかし，EHによる回収電力は確率的であるため，消費電力を回収電力が上回り，端末が瞬時的に動作不能となる可能性がある．また，EHWSN は様々なアプリケーションへの利用が想定され，それらの要求に応じてカバレッジエリアやセンシング密度を変更する必要性がある．　この要求を満たす媒体アクセス制御 (MAC: Medium Access Control)プロトコルとして，IRDT (Intermittent Receiver-driven Data Transmission)が提案されている．IRDTは，端末が間欠間隔ごとに起動し通信する非同期型プロトコルであり，その性能は間欠間隔によって変動することが知られている． IRDT に対して様々な間欠間隔制御手法が提案されているが，これらをEHWSNへ適用した場合に端末の瞬時の電池切れが発生し，ネットワークの通信信頼性が劣化する可能性がある．これに対し，端末の瞬時の電池切れを抑圧するために，エネルギー均衡性(EN: EnergyNeutrality)と呼ばれる，EHによる回収電力と消費電力の均衡状態を満たすデューティサイクル制御アルゴリズムが提案されている．このアルゴリズムにより，スループットの最大化が可能となるが，端末の中央制御が必要となってしまい，端末の消費電力の増加を招く．　本研究では，IRDT に分散間欠間隔制御手法を加えたENRI-MAC (Energy-Neutral Receiver-Initiated MAC)を提案する．ENRI-MAC では，各端末が自律的に理論解析に基づいた間欠間隔制御を行うため，中央制御を行うことなく，ENを満足させることが可能となる．電池切れの抑圧により，ENRI-MAC が従来手法と比較してより高い通信信頼性を達成することを計算機シミュレーションを介して示す．さらに，提案手法を汎用ボードLazriteSub-GHzへ実装し，提案手法が実環境においてもより優れた通信信頼性を達成することを示す．電気通信大学201