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1 T I TY KYO UN I VE RS O ND JAPAN 97 FO KYOTO U 戦略的情報通信研究開発セミナー ED 1 M2Mネットワーク 2016/12/21 京都大学大学院 情報学研究科 通信情報システム専攻 守倉 正博 1

2 1. M2Mネットワークへの期待 2. 無線 LANと無線 PANの共存 - 無線 PANを用いたヘルスケア 3. バッテリーレス無線センサーネットワークの提案 4. まとめ 2

3 M2M ネットワークへの期待 人間の聴覚 視覚を基本とした通信を超越する機械間の通信ネットワークを構築することにより 安心安全でヒトと環境にやさしい持続可能な社会を目指す 対象とする課題 環境 / エネルギー課題 医療 / 介護対策 災害対策 食料課題 防犯 / 事故対策 各アプリケーションに最適化したネットワークで解決 ネットワーク構成 ヘテロジニアスな自律分散 / 自己組織化ネットワーク 超低消費電力なネットワーク アプリケーション例 インダストリー 4.0 スマートグリッド 自動運転システム 自然災害予防システム ネットワークロボット 現実 仮想空間での新たなアプリケーションを生み出すネットワークの研究 3

4 2. 無線 LAN と無線 PAN の共存 - 無線 PAN を用いたヘルスケア - 4

5 無線 PAN を用いたヘルスケア M2M ネットワーク実現に向けた無線 PAN の普及 用途 : ヘルスケア,HEMS など 規格 :IEEE (ZigBee), Bluetooth Low Energy など 動作周波数帯 :920 MHz, 2.4 GHz 今回は 2.4 GHz 帯の使用を想定 老人ホーム 老人ホームやオフィスにおいて, 生体センサを用いた健康状態モニタリングシステムの運用を想定する 親機 同一場所で既存の無線 LAN(WLAN) が運用されることが考えられる 心電計や血圧計などのセンサ 5

6 無線 LAN セル内に多数の無線 PAN が存在するモデル 課題 1 課題 2 一人一人がを形成し,PAN-C( 親機 ) を1 台ずつ含む無線 LANと無線 PAN 間複数 が存在する 多数のでの問題 が密集したり,場合の問題がWLANから離脱する WLAN : WLAN : AP 離脱 センサ PAN-C ビーコンモードで動作 AP : Access Point (WLAN 親機 ) PAN-C : PAN Coordinator( 親機 ) 6

7 課題 1: 無線 LAN と無線 PAN との共存の問題 (1/2) 無線 LAN と無線 PAN はいずれも 2.4 GHz 帯を使用問題点 1 無線 LAN の干渉を受けない無線 PAN チャネルが不足する 無線 LAN が 4 チャネル以上使用している場合, 両ネットワークのチャネルが重なる 7

8 課題 1: 無線 LAN と無線 PAN との共存の問題 (2/2) 無線 PAN のビーコンはキャリアセンスなしで送信される問題点 2 無線 PAN ビーコンと無線 LAN データフレームが衝突する WLAN AP DATA ACK DIFS Backoff DATA WLAN STA 1 DATA ACK BUSY WLAN STA 2 親機 BUSY チャネルが空くまで待機する ビーコン スーパーフレーム ( 子機との通信期間 ) DATA 衝突 チャネルが使用中でも送信する 8 12

9 無線 LAN セル内に多数の無線 PAN が存在するモデル 課題 2 一人一人がを形成し,PAN-C( 親機 ) を1 台ずつ含む複数 が存在する 多数のが密集したり,場合の問題がWLANから離脱する WLAN : WLAN : AP 離脱 センサ PAN-C ビーコンモードで動作 AP : Access Point (WLAN 親機 ) PAN-C : PAN Coordinator( 親機 ) 9

10 課題 2: 複数 が存在する場合の問題点 複数 が独立にチャネル獲得 ビーコン 1 RTS 2 スーパーフレーム ( 通信期間 ) ビーコン RTS スーパーフレーム ( 通信期間 ) WLAN RTS NAV( 通信停止期間 ) RTS NAV( 通信停止期間 ) システムが複数存在する場合,WLAN に多くの通信停止期間が割り当てられる 問題 2 複数 との共存時に WLAN のスループットが低下する 10

11 HYSAC(Hybrid station-aided coexistence) 同一周波数で動作する無線 LAN と複数無線 PAN との共存方式 両無線機器の統合端末 H-STA(Hybrid station) を利用 親機 H- STA ビーコンの時刻情報 WLAN STA WLAN : WLAN : AP センサ H-STA センサを着けた各個人がを形成する 11 15

12 HYSAC 方式の概要 H-STA 1 H-STA k 代表局 HYSAC 方式による 通信期間の無線チャネル獲得 BUSY RTS フレーム発生 BUSY RTS CTS ビーコン 通信期間 互いに直交するチャネルを使用最大 4 つまで AP and STAs BUSY RTS CTS NAV( 通信停止期間 ) 12

13 HYSAC 方式のチャネル獲得方式には 2 つの提案法を含む 1. 代表局 ( 第一にチャネル獲得を行う H-STA) によるチャネル獲得方式 ( 単独 によるチャネル獲得 ) 2. 複数 共存時の高信頼共存方式 ( 複数 との協調 ) 1. 代表局による 通信期間のチャネル獲得 2. 複数 共存時の高信頼共存方式 H-STA 1 BUSY RTS ビーコン 通信期間 H-STA k 代表局 RTSフレーム発 生 BUSY RTS CTS AP and STAs BUSY RTS CTS NAV( 通信停 止期間 ) 13

14 従来方式よりも高い確率で の通信期間を獲得することができる 1. H-STA は ビーコン送信に先立ち,WLAN の制御信号 RTS(Request for send) フレームを AP に送信 2. RTS フレームが衝突した場合は RTS フレームを再送 3. AP から CTS(Clear to send) フレームが返送されると,WLAN の通信停止が完了 親機 RTS フレーム発生 保護手順試行期間 ビーコン H-STA WLAN STA RTS Backoff DIFS RTS 通信期間 WLAN AP 衝突 CTS STAs DATA 通信停止期間 14

15 WLAN IEEE g IEEE STA 数 n 10 台 Data rate MAC ペイロード 長 印加トラヒック量 スロットタイム CWmin システム数 1 ビーコン周期 スーパーフレーム 長 ( 通信期間 ) 24 Mbit/s 下り 1500 B 上り 300 B 飽和モード 9 μs STA : 15 AP : 3 H- STA : ms ms 1 AP H-STA WLAN AP WLAN 上り, 下り方向の総トラヒック量の比率 [2] 5 : 1 STA 1 STA n STA 1 STA n [2] C. Na, et al., Measured Traffic Statistics and Throughput of IEEE b Public WLAN Hotspots with Three Different Applications, IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 5, no. 11, Nov

16 1.E+00 1.E E E- 03 保護失敗率 ( 単一 との共存 ) 10 0 Conventional scheme 約 32% 保護失敗率 ビーコン送信までにチャネル獲得が間に合わない確率 Proposed scheme ms 保護 手順試 行期間 (ms) H-STA RTS フレーム送信の試行期間を十分 (8 ms) 用意すれば, 保護失敗率を 1% 以下にできる. RTS CTS 保護手順試行期間 RTSフレーム送信準備 通信期間 ビーコン 20

17 通信期間のチャネル獲得方式 ( 再掲 ) HYSAC 方式のチャネル獲得方式には 2 つの提案法を含む 1. H-STAによるチャネル獲得方式 ( 単独 によるチャネル獲得 ) 2. 複数 共存時の高信頼共存方式 ( 複数 との協調 ) 1. 代表局による 通信期間のチャネル獲得 2. 複数 共存時の高信頼共存方式 H-STA 1 BUSY RTS ビーコン 通信期間 H-STA k 代表局 RTSフレーム発 生 BUSY RTS CTS AP and STAs BUSY RTS CTS NAV( 通信停 止期間 ) 17

18 複数 共存時の問題点 ヘルスケア分野での使用では以下の問題が考えられる 1. WLAN 内に多数の( センサを着けた人 ) が集まる RTSフレーム同士が衝突 RTS フレーム送信を 1 台 ( 代表局 ) だけが行うとすると 2. センサを着けた人の移動に伴い,がWLANから離脱する 代表局が離脱すると,WLANから干渉を受ける 衝突 WLAN RTS フレーム AP RTS フレーム 離脱 衝突 WLAN ビーコン AP DATA フレーム 1. RTS フレーム同 士の衝突 2. の離脱により, チャネル獲得が 行われない 18 22

19 1) 平常時 RTS フレーム生成 保護手順試行期間 ビーコン 通信期間 代表局 BUSY DIFS RTS 準代表局 1 BUSY NAV 準代表局 2 BUSY NAV 準代表局 k BUSY NAV AP and STAs BUSY CTS NAV 19

20 3. バッテリーレス無線センサーネット ワークの提案 20

21 無線機のバッテリレス動作 無線機器数の著しい増加背景 )M2M,IoT, ビッグデータなどの普及 無線機のバッテリレス動作 電源ケーブルや電池などの管理コストを削減 本研究ではマイクロ波送電に着目 21

22 標準化では省電力化が中心であるが, いづれエネルギー供給についても重要となる. 病院内では 2.4 GHz 帯機器が多く利用されている 22 22

23 マイクロ波送電 送電装置 マイクロ波電力 レクテナ 無線機 マイクロ波送電の長所 vs エネルギーハーベスティング 供給電力が大きく変動しない 能動的な給電が可能 vs 他の無線送電方式 送電距離が長い 23

24 無線通信規格 IEEE ah 本研究では, マイクロ波送電により給電する対象を IEEE ah 準拠の端末と想定 IEEE ah の特徴 センサネットワークへの利用を目的 900 MHz 帯を使用 1 km の最大通信距離 6000 台の最大収容端末数 150 kbit/s 以上の伝送レート IEEE ah は現在策定段階であるため, 仕様の類似する IEEE g 準拠の機器へのマイクロ波を用いた給電について検討 24

25 無線で電 力を供給する技術 25 30

26 マイクロ波送電と無線通信の共存 マイクロ波送電は電波資源を利用するため, 特に給電が通信を妨害し得ることについて検討が必要 想定される解法 Ø 通信帯域と給電帯域とを分ける Ø キャリアセンス機能 に任せる 帯域の使用状況を調べ, 使用を検出した際には送信を延期する機能 先行研究 [1] にて,IEEE g 準拠の端末に 2.4 GHz 帯のマイクロ波を放射する調査を実施され, 以降に示す 3 つの問題点が確認されている [1] N. Imoto, et al., Experimental investigation of co-channel and adjacent channel operations of microwave power and IEEE g data transmissions, IEICE Trans. Commun., vol.e97-b, no.9, pp , Sept

27 問題点 1: 周波数分割運用時の妨害 給電 通信 増幅器の非線形性 [2] 送信を延期 受信できない 送電装置 マイクロ波電力 レクテナ 無線端末 [2] M. Valkama, et al., "Advanced digital signal processing techniques for compensation of nonlinear distortion in wideband multicarrier radio receivers, IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol.54, no.6, pp , June

28 問題点 2: ビーコン非受信による接続解除 アクセスポイント ネットワーク接続解除 ビーコン信号 ビーコン信号受信できない 送電装置 マイクロ波電力 レクテナ 無線端末 28

29 橙の期間に給電マイクロ波を放射 放射中に伝送レートが低下する原因時折キャリアセンス機能が帯域利用を検出し損ねる ü 放射にさらされている中, データ送信 ü 放射のせいで, 最低でも ACK が受信できない ü レート制御機構が伝送レートを下げる 29

30 解決法 無線 LAN 端末をマイクロ波で給電する際の各問題点を解決することを目的に, 以下の 2 つの提案法についてそれぞれ検討 ü 給電 通信の時分割運用法目的 ) 通信が給電に妨害されないようにする ü 適応レート制御法目的 ) 給電中の伝送レート低下によるスループット減少を低減させる 30

31 Ø 給電マイクロ波の周波数を通信帯域の中心周波数と同じに設定 隣接でも通信が妨害されることに加え, 最悪の状況での各提案法の実現性を検討するため Ø 単一端末への給電マイクロ波の放射 端末数に関係なく発生する問題の解決を行うため 31

32 提案する時分割運用法 センサ端末の通信タイミング情報を共有 送電装置 センサ端末 推定 ビーコン受信 放射 ガードタイム ビーコン受信 ガードタイム 放射 放射 ビーコン受信 32

33 時分割運用法の実験構成 キャパシタのエネルギーを使ってセンサ端末を駆動 諸元 送電アンテナ利得 16.4 dbi レクテナのアンテナ利得 7.7 dbi キャパシタ容量 10 F, キャパシタ耐圧 2.7 V ビーコン間隔 s 33

34 実験風景 センサ端末 送電アンテナ 1.90 m 無線 LAN モジュール レクテナ 34

35 提案法の動作 センサ端末 橙の期間に給電マイクロ波を放射 35

36 センサ端末残エネルギーの推移 22.9 mw はキャパシタを耐圧まで充電したときのエネルギー緑線の時刻にセンサ端末がデータを送信橙の期間に給電マイクロ波を放射 36

37 有効範囲解析 ( 結果のみ ) 900 MHz 帯で給電 通信の双方を運用することを想定 通信間隔 1 分毎の場合, 最大約 30 m の送電可能距離 利用例 Ø 高温な場所や有毒物質が蔓延している場所など, 立ち入り困難な場所に配置されるセンサ Ø 人間に取り付けるセンサ ( 体温計, 心拍計など ) 37

38 従来の適応レート制御法の問題点 過去に取得した通信品質情報を用いてレートを決定 過去の 過去の のときに取得した通信品質情報 のときに取得した通信品質情報 各状態で取得した通信品質情報が混在 決定する伝送レートの精度が低下 38

39 125 ms 毎に, 次の期間に使用する伝送レートを決定 フレームロス率が 14% に近づくように 前回のフレームロス率と偏差の移動平均を使って u タイムアウトしたデータ送信をフレームロスとする橙の期間に給電マイクロ波を放射 39

40 提案する適応レート制御法 の ( レクテナ ) の出力を利用 過去の 過去の と判定したときに取得した通信品質情報 と判定したときに取得した通信品質情報 を用いてレートを決定 を用いてレートを決定 40

41 適応レート制御法の実験構成 デバイスドライバ修正により提案法を実装 諸元 送電アンテナ利得 16.4 dbi レクテナのアンテナ利得 7.7 dbi 使用可能レート (6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbit/s) 印加トラフィック 54 Mbit/s( 飽和トラフィック ) 給電マイクロ波放射期間 1.4 s, 非放射期間 5 s 41

42 実験風景 データ送信端末 送電アンテナ 2.96 m レクテナ 無線 LAN アダプタ Linux マシン 42

43 提案法によるスループットの向上 PID- based proposed scheme with rectenna PID ü 橙の期間に給電マイクロ波を放射 43

44 1. ヘルスケア分野での健康状態モニタリングシステムを想 定した場合の,WLAN と複数 の共存方式を提案した 2. 無線 LAN 端末のバッテリレス動作を目的としたマイクロ波 送電の利用について提案 44