センサネットワークの技術動向[ネットワーク技術の流れの中で]

東京電機大学工学部情報メディア学科

ユビキタスネットワーキング研究室戸辺 義人

yoshito@unl.im.dendai.ac.jp

http://www.unl.im.dendai.ac.jp/

2004年3月25日

アウトライン

• ネットワーク技術の中での位置づけ–無線アドホックネットワーク–境界領域

• 現状のノード• ネットワーク上の技術課題

センサノード

センサノード

センサノード センサ

ノード

センサノード センサ

ノード

センサノード

前提

マルチホップ転送

ネットワーク技術の中での位置づけ

• マルチホップ転送• 観測を目的としたネットワーク

– 転送されるデータがネットワークの構成に影響を与える特殊なネットワーク

従来のネットワーク

独立 センサネットワーク

依存性

ネットワークから見た流れ

マルチキャスト

無線マルチホップ転送

データセントリック

センサネットワーク

Kris Pister

DeborahEstrin

DavidCuller(UCB)

Data Dissemination

MANET

Data Dissemination

B

A

S EF

H

J

D

C

G

IK

Z

Y

M

N

L

データセントリック

従来のネットワーク・個々のノードがIDで識別される・IDによるルーティング

膨大数ノードのID管理・難しい・意味がない

データ(例：属性、値のペア)を利用したルーティング

包含する技術分野ネットワーク

データベース

デジタル信号処理

センサ

MANETとの違い

• 観測者の存在–非対称性–データ中心–物理位置考慮

• 「動き」を必ずしもネットワークの設計に反映させなくてよい

現状のノード

• 研究プラットフォーム志向– (UC Berkeley -> Crossbow社) Mote– 東大 U-Cube

• 産業用志向– Dust, Inc.– アーズ社 Ni3

Mote 世代

Small microcontroller

- 8 kb code, 512 B data

Simple, low-power radio

- 10 kb

EEPROM storage (32 KB)

Simple sensors

WeC 99“Smart Rock” Mica 02

NEST open exp. platform

128 KB code, 4 KB data

50 KB radio

512 KB Flash

comm accelerators

Dot 01

Demonstrate scale

Rene 00

Designed for experimentation

-sensor boards

-power boards

TinyOS

Networking

Services

David Culler, UCB

Stargate (Linux)

実装

• Voltage NesCコードconfiguration Energy {

provides {interface ADC as VoltageADC; }

}implementation {

components Voltage, EnergyM, IntToRfm, Main, TimerC;//EnergyMain.StdControl -> EnergyM;EnergyM.Timer ->TimerC.Timer[unique("Timer")];VoltageADC = Voltage;EnergyM.ADC -> Voltage.ADC;EnergyM.IntOutput -> IntToRfm;

//sendMain.StdControl -> IntToRfm.StdControl;

}

コンフィグレーションファイル (Energy.nc)

TinyOS

• Mote 用の基本ソフトウェア• ソフトウェア流通コミュニティ形成中

– TinyDB– TinySec– TOSSIM

• TINYOS TECHNOLOGY EXCHANGE2/26/04 UC Berkeley

Intel Mote

Robomote

Dust, Inc. Blue Mote

Blue Mote Hardware• Chipcon cc1000 radio

– RX Power: 9.6-14 mA (-102 -> -105 dBm)– TX Power: 12-25 mA, (-5 to 4 dBm) range

~50m indoors– Bit rate up to 76,800 kbps

• TI MSP430 Processor– ~1mA @ 4MHz

• Operating Voltage 2.1-3.3 V• Sleep mode = 3 µA• Same damn 51 pin connector• $50-$100

LSI化

アーズ社 Ni3

Ni2

Ni3

Ni1

Ni1 33×33㎜ 315MHz 片方向通信

Ni2 38×67㎜ 303MHz 双方向通信

Ni3 24×26.5㎜ 303MHz/2.4GHz双方向通信

特定非営利活動法人(NPO)ウェアラブル環境情報ネット推進機構

ネットワーク上の技術課題応用

センシング/無線デバイス

システム設計最適配置キャリブレーション位置特定(localization)

ルーティング

電源管理

セキュリティ トランスポート

ハードウェア

データ管理データベース

データセントリック

集約

トランスポート

• センサデータの配送には、必ずしも、エンド-エンドの信頼性は必要ない。

• 制御・管理データ配送に、エンド-エンドの信頼性は必要とされる。– センサノードで実行されるソフトウェアのアップデート

• パケットロス率が高い環境では、リンク毎に再送する方が効率が高い。– F. Stann and J. Heidemeann, RMST: Reliable Data

Transport in Sensor Networks, SNPA'03.

Localization• Roboticsの分野で使用されていた単語で，ロボットの位置を特定することを指す．

• センサネットワークでは，センサノードの位置を特定することセンサによって取得されたセンサデータがどこで得ら

れたものか特定できる

• GPS（Global Positioning System）で全部解決するのでは？– 費用– バッテリ消費– 大きさ– 地球上でのみ使用可能

Localizationの基本的な位置特定方法

• センシングフィールド内に位置情報が既知なノード（e.g. GPSを備えたノード）をランドマークとして配置する。

• ランドマークを基準に、三角測量あるいは多角測量を利用して、距離や方向から位置特定を行う。

方向から距離を算出する手法

• AoA （Angle of Arrival）– BS（Base Station）からの聞こえる無線電波の方向から位置を特定する手法。

–指向性アンテナかアンテナアレイが必要となる．

BS (Position Known)

θ3

θ2θ1

Sensor Node (Position Unknown)

電波強度から距離を算出する手法

• RSSI（Received Signal Strength Indicator）–距離による電波強度の減衰を利用する手法。ランドマークから発せられるビーコンをどれくらいの電波強度で拾えるか測定し、その値をもとに距離を算出する。

– この手法は主としてRFの電波強度を利用する

時間から距離を算出する手法

• ToA （Time of Arrival）– 電波を発してからどれだけ時間がかかって届いたかを測定して距離を算出する

• Distance = time * c– RF, Acoustic, IR, 超音波などを用いる

• TDoA （Time Difference of Arrival）– ToAを応用したもので、複数のポイントで電波を受信し、その時間差から位置を特定する

– 電波が送信された時刻を知らなくても計算可能– RF, Acoustic, IR, 超音波などを用いる

RSSIとToAにおける位置特定法

x1

x2

x3

d1

d3

d2 BS (Position Known)

Sensor Node (Position Unknown)

• 各ランドマークからの距離情報をもとに円の交点を求める

マルチホップ無線網におけるLocalization

• 位置情報が未知なセンサノードがランドマークからマルチホップで通信可能な場合.– ランドマークはビーコン（自身の位置情報を含む）をネットワーク全体に宣伝する。

– 各センサノード間の距離を測距技術を利用して測定する。– これらの情報から各センサノードは自身の位置を算出する。

• 測距技術（Ranging Technologies）とは– RSSI, Laser Ranging, Wide Band Acoustic, Ultrasonic,

UWB, RF-Time-of-Flightなどがある。

Known Location（Landmark）Unknown Location

トラフィックの偏り

シンク

データ圧縮

On the Interdependence of Routing and DataCompression in Multi-Hop Sensor Networks- ホップを渡るたびに、データ圧縮を行う。- ルーティングとデータ圧縮をと同時に実行。

実運用上の課題

• 周波数– 2.4 GHz 難

• MAC層