In recent years, advances in wireless networking, micro-electro-mechanical system （MEMS） technology, embedded microprocessors, and micro-fabrication have enabled a new generation of massive-scale sensor networks suitable for a range of commercial and military applications. While these applications require high performance from the network, they suffer from resource constraints that do not appear in more traditional wired computing environments. The known resource constraints of sensor networks include memory storage, computational power, communication bandwidth, and energy supply. In particular, memory is scanty and most of them must be kept for sensed data, refraining the sensor nodes from maintaining a large routing table. Next only low-speed CPU can be assembled into tiny-sized sensors, prohibiting the sensor nodes from executing complicated calculations such as public-key algorithm. In addition, wireless spectrum is scarce, often limiting the bandwidth available to applications and making the packets dropped; the nodes are battery-operated, limiting available energy and making the nodes die eventually. Not only discharge of energy, the sensor nodes are also fragile and may be damaged by the harsh environment or by an enemy, reducing the number of available or alive nodes and limiting network connectivity. Moreover, the funneling effect, that is the many-to-one multi-hop traffic pattern, is likely to occur in sensor networks, making more packets dropped around a sink node even under light or moderate traffic loads.

My thesis is that this harsh environment with severe resource constraints requires a novel protocol designed for specific communication patterns and unique characteristics of sensor networks, rather than the conventional protocols developed for mobile ad hoc networks, to obtain the best possible performance. This dissertation supports this claim using detailed analysis, simulations, and experiments. The first study develops SCD （Scalable data Collection and Dissemination）, a protocol for collecting and disseminating data in wireless sensor networks that uses proactive route discovery and reactive route maintenance together with extended security mechanisms to achieve practical implementation and good performance in terms of data delivery ratio, latency, path length （the number of hops）, and the number of transmissions. In order to ensure that the nodes can be easily deployed in remote, hostile, difficult, or dangerous areas, network configurations composed of path discovery and maintenance are autonomously done by each node without direct human intervention. One amongst the salient features of SCD is to initiate path discovery from a destination, instead of flooding control packets from all sources which incurs a numerous number of packets. This greatly decreases the amount of control traffics comparing to the previous approaches. Consequently, the proposed scheme improves packet delivery ratio and latency by an order of magnitude compared to the other protocols, especially when traffic load is high and the funneling effect occurs. Node and network lifetimes are also extended due to a fewer number of transmissions. Each node in SCD needs to maintain only trivial piece of routing information, thereby more memory spaces are available for keeping sensed data which is a main task of sensor nodes. As a unique feature, each sensor in SCD can find the nearest likely sink by itself, while other protocols need to know address of the nearest sink in advance.

The second study develops WISER （Wireless Interactive SEnsing Robot）, a routing protocol for mobile sensor networks that discerns controlled mobility as a mean of data transfer, in addition to wireless transmission, to make data delivery possible in partially connected networks. WISER aims to minimize delay and energy consumption based on policy of each application by introducing an explicit collaboration of mobile robots and treating continuous data as a session instead of single packet. Since there is a tradeoff between delay and energy dissipation, WISER is divided into two main approaches. The first approach aims to minimize delay by including wireless link quality and path length when determining a path. This approach is further subdivided into three protocols （i.e., WISER/n, WISER/p, and WISER/c） depending on available location information because it may be difficult to have such information in some environments. Based on available location information, each node can change routing algorithm spontaneously and can calculate bounded delay in order to provide QoS guarantee required by some applications. The second approach, WISER/e, is designed to be an energy-efficient protocol by adopting transmitting power and remaining energy in path calculation. Friction of the surface is involved in path determination of both approaches when nodes must move to deliver data. In order to prevent conflicting movement controlled by other nodes, a locking protocol is proposed to reserve nodes physically. These approaches achieve good performance in terms of packet delivery ratio, latency, and energy dissipation claimed by the results from both experiments and simulations. The results demonstrate that WISER makes data delivery feasible in partially connected networks, and collaboration of robots increases performance of the network comparing to reclusive movement. These two protocols, SCD and WISER, show that a sensor network needs tailor-made protocol that considers its unique characteristics to achieve high performance in various scenarios and applications.

本論文は「A Study on Data Collection and Mobility Control for Wireless Sensor Networks（無線センサネットワークにおけるデータ収集およびモビリティ制御の研究）」と題し、センサノード群が互いに無線で接続されることによって、環境情報を取得するための無線センサネットワークにおけるデータ収集のためのプロトコル及び、無線センサネットワークにおいていくつかの端末が自律的に移動することを可能とした場合のモビリティ制御手法について検討を行ったものであり、全八章から構成されている。

第一章は「Introduction（序論）」であり、本論文において主題となる無線センサネットワークと、類似の自律分散型ネットワークであるアドホックネットワークを対比させながら、無線センサネットワーク特有の要求条件を明らかにしている。また、この要求条件を満たすデータ収集手法としてのSCD（Scalable data Collection and Dissemination）プロトコル及び、WISER（Wireless Interactive Sensing Robot）プロトコルの研究の経緯について述べている。

第二章は「Background（背景）」と題し、既存無線センサネットワークのハードウエア、ソフトウエアプラットフォーム、MAC、ルーティングプロトコル、トランスポートプロトコル、時刻同期、セキュリティ対策の調査を行うと共に、将来の応用分野について論じている。

第三章は「The SCD Protocol（SCDプロトコル）」と題し、無線センサネットワークにおいてデータを収集及び配信するためのプロトコルであるSDCの提案を行っている。SCDは、センサネットワークにおける通信の形態が、展開されたセンサからセンシングデータをシンクノードへ向けてデータのコンキャスト・エニィキャストする形態の通信、及びその逆にシンクノードから各センサへのマルチキャストの通信となることを勘案した、低遅延・小ホップ数の通信を実現するものである。SCDにおいては、ルートツリーの構築は目的ノードのみがプロアクティブに行う一方、ルートの維持はリアクティブに行い周期的なルート維持を行わないことによるトラヒックの低減と低消費電力化を図っている。

第四章は「Analysis and Simulation of SCD（SCDの解析とシミュレーション）」と題し、シミュレーションにより、SCDと既存の代表的なプロアクティブ型ルーティングプロトコルであるOLSR、リアクティブ型ルーティングプロトコルであるAODV、そのマルチキャストへの拡張形であるMAODV等との性能比較を行っている。その結果として、SCDのパケット到達確率は、高負荷時においても既存プロトコルよりも性能劣化が少なく、遅延・平均ホップ数も抑制されるよりロバストなプロトコルであることを明らかにしている。

第五章は「The SSCD Protocol: A Security Extension for SCD（SCDにセキュリティ機能を付加したSSCDプロトコル）」と題し、第三章で提案したSCDに耐セキュリティ機能を付加したSecure SCDプロトコルの提案を行っている。SSCDにおいては、各ノードで格納すべき鍵は3種類であり格納コスト、及びプロトコルのオーバーヘッドは相対的に小さいこと、にも関わらずエニィキャストとマルチキャストというセンサネットワー特有の通信形態の両方に対してセキュアな通信を提供出来ることを明らかにしている。

第六章は「The WISER Protocol（WISERプロトコル）」と題し、固定ノードの他に、自律的に移動可能なセンサノードが存在するモバイルセンサネットワークにおいて、効率的にモバイルノードを移動させるプトロコルであるWISERの提案を行っている。WISERには、他ノードの位置情報について、隣接ノードの位置のみを知っている場合に用いるWISER/n、自己の属するクラスタ内のノードの位置を知っている場合に用いるWISER/p、全てのノードの位置を知っている場合に用いるWISER/cの3種類があるが、それぞれの基本原理を示すと共に、これらを用いて、遅延最小化や消費電力最小化と言ったメトリックの最小化を実現するためのメカニズムの解明を行っている。

第七章は「Analysis and Evaluation of WISER（WISERの解析とシミュレーション）」と題し、WISERの性能評価をシミュレーションにより解明している。また実際のロボットを用いた実証実験によって、WISERの有効性を検証している。

第八章は「Conclusion（結論）」であり、論文の成果と今後の展開をまとめている。

以上これを要するに、本論文は、センサノード群が互いに無線で接続されることによって環境情報を取得するための無線センサネットワークにおける効率的なデータ収集のためのプロトコルの提案及び、無線センサネットワークにおいていくつかの端末が自律的に移動することを可能とした場合のモビリティ制御手法を解明したものであって、電子情報学に貢献するところが少なくない。　よって本論文は博士（情報理工学）の学位請求論文として合格と認められる。