Loading article…
モバイル無線センサーネットワーク（MWSN）[ 1 ]は、センサーノードが移動可能な無線センサーネットワーク（WSN）と簡単に定義できます。MWSNは、確立された前身とは対照的に、比較的小規模で新興の研究分野です。MWSNは、あらゆるシナリオに展開でき、急速なトポロジーの変化にも対応できるため、静的センサーネットワークよりもはるかに汎用性が高いです。ただし、環境モニタリングや監視など、多くのアプリケーションは類似しています。一般的に、ノードは、バッテリーで駆動する無線トランシーバーとマイクロコントローラ、および光、熱、湿度、温度などを検出する何らかのセンサーで構成されています。
MWSNには大きく分けてハードウェアと環境という2つの課題があります。主なハードウェア上の制約は、バッテリー電力の制限と低コスト化の要求です。電力制限があるため、ノードのエネルギー効率が重要になります。価格の制約から、よりシンプルなマイクロコントローラ用の低複雑度アルゴリズムと、単方向無線のみの使用が求められることがよくあります。主な環境要因は、共有媒体と変化するトポロジーです。共有媒体では、チャネルアクセスを何らかの方法で制御する必要があります。これは通常、キャリアセンス多重アクセス（CSMA）、周波数分割多重アクセス（FDMA）、符号分割多重アクセス（CDMA）などの媒体アクセス制御（MAC）方式を使用して行われます。ネットワークの変化するトポロジーはノードの移動性に起因し、センサーからシンクへのマルチホップパスが安定しないことを意味します。
現在、MWSN の標準規格は存在しないため、多くの場合、MANET のプロトコルが借用されています。例えば、アソシアティビティベースルーティング(AR)、アドホックオンデマンド距離ベクトルルーティング(AODV)、ダイナミックソースルーティング(DSR)、グリーディペリメーターステートレスルーティング (GPSR) などです。[ 2 ] MANET プロトコルはモバイル環境で動作できるため好まれますが、WSN プロトコルは多くの場合適していません。
トポロジーの選択はルーティングにおいて重要な役割を果たします。なぜなら、ネットワークトポロジーによってデータパケットが適切な宛先に到達するための伝送経路が決定されるからです。ここで、すべてのトポロジー（フラット/非構造化、クラスタ、ツリー、チェーン、ハイブリッドトポロジー）は、センサノードの移動性において信頼性の高いデータ伝送には適していません。単一のトポロジーの代わりに、ハイブリッドトポロジーはデータ収集において重要な役割を果たし、パフォーマンスも良好です。ハイブリッドトポロジー管理方式には、クラスタ独立データ収集ツリー（CIDT）[ 3 ]と速度エネルギー効率とリンク認識クラスタツリー（VELCT）[ 4 ]があり、どちらもモバイル無線センサネットワーク（MWSN）向けに提案されています。
これらのネットワークには固定されたトポロジーがないため、最大の課題の1つは、データを送信元から宛先にルーティングすることです。一般的に、これらのルーティングプロトコルは、WSNとモバイルアドホックネットワーク（MANET）の2つの分野から着想を得ています。WSNルーティングプロトコルは必要な機能を提供しますが、トポロジー変更の頻度が高い場合に対応できません。一方、MANETルーティングプロトコルはネットワーク内のモビリティに対応できますが、双方向通信用に設計されており、センサーネットワークでは双方向通信は必ずしも必要ではありません。[ 5 ]
MWSN 用に特別に設計されたプロトコルは、ほぼ常にマルチホップであり、既存のプロトコルの適応である場合もあります。たとえば、角度ベースの動的ソースルーティング (ADSR) [ 6 ]は、ワイヤレスメッシュネットワークプロトコルの動的ソースルーティング(DSR) を MWSN 用に適応させたものです。ADSR は位置情報を使用して、送信しようとしているノード、潜在的な転送ノード、およびシンク間の角度を計算します。これは、パケットが常にシンクに向かって転送されることを保証するために使用されます。また、 WSN 用のLow Energy Adaptive Clustering Hierarchy (LEACH) プロトコルは、MWSN 用に LEACH-M (LEACH-Mobile) [ 7 ]に適応されています。階層型プロトコルの主な問題は、モバイルノードがクラスタ間を頻繁に切り替える傾向があり、ノードが定期的に異なるクラスタヘッドと再関連付けする必要があるため、大量のオーバーヘッドが発生する可能性があることです。
もう1つの一般的なルーティング手法は、ノードに取り付けられたGPSモジュールからの位置情報を利用することです。これは、地理的にクラスタを定義し、位置情報を使用してノードが所属するクラスタを更新し続けるZone Based Routing (ZBR) [ 8 ]などのプロトコルに見られます。これに対し、Geographically Opportunistic Routing (GOR) [ 9 ]は、ネットワーク領域をグリッドに分割し、位置情報を使用して各ホップで可能な限り遠くまでデータを転送するフラットなプロトコルです。
マルチパスプロトコルはルーティングのための堅牢なメカニズムを提供するため、MWSNルーティングプロトコルの有望な方向性であるように思われる。そのようなプロトコルの1つが、クエリベースのデータセントリックブレイドマルチパス（DCBM）である。[ 10 ]
さらに、Robust Ad-hoc Sensor Routing (RASeR) [ 11 ]と Location Aware Sensor Routing (LASeR) [ 12 ]は、UAV を組み込んだ高速 MWSN アプリケーション向けに特別に設計された 2 つのプロトコルです。どちらもマルチパス ルーティングを利用し、これは「ブラインド転送」技術によって実現されます。ブラインド転送では、送信ノードがパケットを近隣ノードにブロードキャストするだけで、受信ノードはパケットを転送するか破棄するかを決定する責任を負います。パケットを転送するかどうかの決定は、ネットワーク全体の勾配メトリックを使用して行われ、送信ノードと受信ノードの値を比較して、どちらがシンクに近いかを判断します。RASeR と LASeR の主な違いは、勾配メトリックを維持する方法にあります。RASeR は、ノードが現在の勾配をブロードキャストする小さなビーコン パケットを定期的に送信します。一方、LASeRは、モバイルセンサーノードに既に存在する地理的位置情報を活用することに依存しており、これは多くのアプリケーションにおいて当てはまる可能性が高い。
メディアアクセス制御（MAC）技術には、時分割、周波数分割、符号分割の3種類があります。実装が比較的容易なため、最も一般的なMACは時分割方式であり、広く普及しているCSMA/CA MACと密接に関連しています。MWSNを念頭に置いて設計されたMACプロトコルの大部分は、既存のWSN MACを応用したもので、低消費電力とデューティサイクル方式に重点を置いています。
MWSN向けに設計されたプロトコルは、通常、解析、シミュレーション、または実験結果のいずれかを使用して検証されます。詳細な解析結果は数学的な性質を持ち、プロトコルの動作を良好に近似することができます。シミュレーションは、 OPNET、NetSim、ns2などのソフトウェアを使用して実行でき、最も一般的な検証方法です。シミュレーションは、さまざまなシナリオにおけるプロトコルの実際の動作を近似することができます。物理実験は実行コストが最も高く、他の2つの方法とは異なり、仮定を置く必要がありません。そのため、特定の条件下でプロトコルがどのように動作するかを判断する際に、最も信頼性の高い情報源となります。
センサーを移動可能にすることで、静的な無線センサーネットワーク（WSN）が使用される用途以外にも、利用できるアプリケーションの種類が広がります。センサーは、以下のような様々なプラットフォームに取り付けることができます。
アプリケーションの要件を特徴付けるために、アプリケーションは、常時監視、イベント監視、常時マッピング、またはイベントマッピングのいずれかに分類できます。[ 1 ]常時タイプのアプリケーションは時間ベースであり、そのためデータは定期的に生成されますが、イベントタイプのアプリケーションはイベント駆動型であり、データはイベントが発生したときにのみ生成されます。監視アプリケーションは一定期間にわたって常に実行されますが、マッピングアプリケーションは通常、現象の現在の状態を評価するために一度だけ展開されます。アプリケーションの例としては、心拍数、血圧などを含む健康監視があります。[ 13 ]これは、病院の患者の場合のように常時監視である場合もあれば、緊急時に自動的に救急隊に位置情報を報告するウェアラブルセンサーの場合のようにイベント駆動型である場合もあります。動物には、移動パターン、摂食習慣、またはその他の研究目的で動きを追跡するためにセンサーを取り付けることができます。[ 14 ]センサーは、監視または環境マッピングのために無人航空機（UAV）に取り付けることもできます。 [ 15 ]自律型UAVによる捜索救助の場合、UAVはエリアを捜索するために展開されますが、人が発見されたときにのみデータを送信するため、これはイベントマッピングアプリケーションとみなされます。