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講義日程予定

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講義日程予定. 第 1 回 「ガイダンス」 第 2 回 「ユビキタスシティ検討ワーキング中間とりまとめ」 第 3 回 「次世代ネットワーク技術:情報家電」 第 4 回 「次世代ネットワーク技術:ホームネットワーク」 第 5 回 「次世代ネットワーク技術:インターネット技術」 第 6 回 「次世代ネットワーク技術:次世代インターネット技術」 第 7 回 「次世代ネットワーク技術: P2P/ アドホックネットワーク」 第 8 回 「センシング技術:センサネットワーク」 第 9 回 「センシング技術: RFID と測位技術」

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Presentation Transcript
slide1
講義日程予定
  • 第 1 回 「ガイダンス」
  • 第 2 回 「ユビキタスシティ検討ワーキング中間とりまとめ」
  • 第 3 回 「次世代ネットワーク技術:情報家電」
  • 第 4 回 「次世代ネットワーク技術:ホームネットワーク」
  • 第 5 回 「次世代ネットワーク技術:インターネット技術」
  • 第 6 回 「次世代ネットワーク技術:次世代インターネット技術」
  • 第 7 回 「次世代ネットワーク技術: P2P/アドホックネットワーク」
  • 第 8 回 「センシング技術:センサネットワーク」
  • 第 9 回 「センシング技術:RFIDと測位技術」
  • 第10回 「富士通のユビキタス事業紹介」
  • 第11回 「サービスアーキテクチャ:基盤ソフトウェア技術」
  • 第12回 「サービスアーキテクチャ:XML技術」
  • 第13回 「内田洋行のユビキタス事業紹介」
  • 第14回 「サービスアーキテクチャ:プライバシとセキュリティ」
  • 第15回 「期末定期試験」
2006 2 8

2006年度前期情報システム構成論2第8回 「センサーネットワーク技術」

西尾 信彦

nishio@cs.ritsumei.ac.jp

立命館大学 情報理工学部

slide3
センサネット研究の背景 (1)
  • 情報処理機能と通信機能をあわせもつ移動携帯端末の一般化
    • 携帯電話、情報家電、インタネットカー、センサネットワーク
    • 単独利用されていたものを協調的利用へ
  • 新しいアプリケーションの可能性と必要性
    • 広告、パーソナルナビゲーション、広域情報収集、コンテキストアウェアアプリケーション、etc.
    • 災害対策、環境調査、etc.
h w s w
センサノード H/W-S/W プラットフォーム

ノード内処理

近隣のノードと無線通信

イベント検知

音、震動、イメージ温度、湿度、人感知, etc. I/F

無線通信I/F

sensors

radio

CPU

限定的なバッテリ供給

battery

エネルギー効率が ハード/ソフト デザインの基準

slide5
センサネット研究の背景 (2)
  • モバイルアドホックネットワーク(MANET)の研究
    • ルーティング(DSR, CMU)、フラディッング制限、動的クラスタリング
  • センサネットワークの研究
    • シフト方式による省電力(span, MIT)、データセントリック、属性名前付け、in-network処理(Directed Diffusion, UCLA)
  • 移動体通信端末を用いたアプリケーション
    • アクティブポスタ(IBM)、交通量調査(ICAR)
slide6

センサネットワークの構成

Wired

Infrastructure

Wireless

Sensor Network

Sensor coverage range

Rs

Rw

Wireless communication range

Sink node

Sensor node

Interest

slide7
センサネットワークの特徴
  • データ転送はデータ指向、特定なノードにコネクションを張らない
    • どのノードと通信するかはイベントが起きるまで不明
    • イベント後もどのノードに起きているかは不明
  • 物理世界を観察する/操る
  • センサインプットによってネットワークが行っている処理は動的に変化する
  • アプリケーションごとにソフト/ハード環境が変化
  • センサノード移動に対応
  • 電池駆動のための省エネルギー機構
slide8

センサネット技術関連研究動向

属性ベースルーティング

省電力指向ネットワーク構成管理

ノード位置測位技術

slide9
属性ベースルーティング
  • MANET環境+データセントリック
    • インフラなしの無線ネットワーク環境
    • センサネットワークを構築
    • 属性ベースのデータをフラディングで問い合わせ
    • 「興味のある」データをもつセンサノードが返答する
ex directed diffusion@isi
Ex. Directed Diffusion@ISI
  • SinkノードからのInterestのフラディング
  • マッチしたセンサノードがリプライパケットを転送
  • 届いたリプライに対するSinkノードからのリクエストの継続(refresh)
  • 中継ノードがリクエストとリプライの行き来からルートを「補強しつつ」構成する(reinforcement)
  • ロバストなデータ配送を実現
slide11
省電力指向ネットワーク構成管理
  • 電池駆動の無線ネットワークノードによるMANETを構成
  • 電池消費を低減し,その消費のノードによる偏りを低減する
  • 802.11のPower Save Modeでスリープとポーリングにより周期的に通信する.
    • 消費電力比較
      • 送信 1400mW
      • 受信 1000mW
      • アイドル 830mW
      • スリープ 130mW
    • Base-station modeからAd-hoc modeへ
ex span@mit
Ex. Span@MIT
  • MANET環境では,PSMは全部のノードでは利用できない
    • PSMではないノードがいてパケットを中継しなければならない
  • PSMにならないノードを,
    • ある規則で確率的に決め,
    • それを時間的に交代させて,
    • できるだけ多くのノードをPSMに移行させて,
    • 全ノードの電池消費を平滑化する
slide13
Spanの自律的構成機構
  • 任意のノード間のルートのホップ数が増えないように,
  • HELLOパケットのみによるローカル情報の交換のみで自律的に動作
  • 自分がcoordinatorになる条件「自分の近傍のノード内に通信できないペアがある」で,電池残量,近傍ノード数に応じた遅延を入れて立候補する
our approach hot spot clustering
Our Approach: Hot-spot Clustering
  • 興味のあるイベントが発生している地域をhot-spotと呼ぶ
    • Hot-spot近傍で移動クラスタを動的に構成する
    • そのイベントを直接センスするノードがcluster-center
    • Cluster-centerの隣接ノードがcluster-frontier
  • Cluster-center:
    • Interestリクエストに対するIn-Network処理
  • Cluster-frontier:
    • PSMに移行しない
    • Cluster-centerに移行するのに備える
software hopping for unintentional movement support
Software “Hopping” for unintentional movement support

Software-layer

Mobile node-layer

Field-layer

hot spot cluster
Hot-spot Cluster
  • 自律的に構成される移動クラスタ
  • 興味のある事象の移動や,センサノード自身の移動により移動性をもつ
  • リプライパケット(Event sample)の返信をcluster-center間でIn-Network処理する
slide17

クラスタプロトコルの仕組み

Rs

Rw

Cluster-center mode

Cluster-frontier mode

Idle mode

Interest

slide18

クラスタプロトコルの状態遷移

Entering interest sensing range

CLUSTER-CENTER MODE

Receiving

initial flooding

Leaving interest

sensing range

Beacon time-out

IDLE MODE

CLUSTER-FRONTIER MODE

Receiving HELLO beacon

Transition caused by signal

Transition caused by movement

Transition caused by timeout

slide19
省電力指向ネットワーク構成
  • Spanのcoordinator-networkをベースにする
  • CoordinatorでもPSMに移行する
    • フラディングパケットの送受信ではPSMのまま
  • Non-coordinatorでもPSMに移行しない
    • ホットスポットクラスタを構成した場合は,PSMに移行しない
simulation study
Simulation Study
  • NS-2を用いたシミュレーション環境を構築
    • 802.11b + Span (modified) + DD (modified) + Hot-spot clustering
in cluster processing
In-cluster processing
  • クラスタ内でIn-network processingのデータ集約処理を行なう機構
  • クラスタ内でデータの集約や稼動させるセンサノードの選定を行なう

センサノードのバッテリー資源の節約や冗長パケット送出の低減を目的とする

slide23
従来のセンサネットワークにおけるデータフロー図従来のセンサネットワークにおけるデータフロー図

イベント

センサノード

中継ノード

Sinkノード

データフロー

in cluster processing1
In-cluster processingを適応したセンサネットワークのデータフロー図

イベント

センサノード

クラスタ内 Sinkノード

中継ノード

Sinkノード

データフロー

同一クラスタ

slide25
クラスタ内Sinkノード
  • 同クラスタ内でデータ集約を行なうノードである
  • クラスタ内Sinkノードは同クラスタ内に一つ以上存在している必要がある
  • Sinkノードにパケットを送出するのは、クラスタ内Sinkノードのみである
  • クラスタ内Sinkの役割は状況に応じて、同クラスタ内のセンサノード間で遷移する
slide26
センサノードの状態遷移図

クラスタ内Sinkの役割を果たした

バッテリー残量が少なくなった

センシング可能

範囲を外れた

センシング

不可能ノード

クラスタ内Sink

センシング可能ノード

センシング可能

範囲に入った

クラスタ内Sinkノードに

選出された

Sinkノードへ

データ転送を行なう

センシングを行なう

処理負荷が高い

バッテリー消費が大きい

処理負荷が低い

バッテリー消費が小さい

slide27
センサネット技術性能評価環境
  • 実機によるプロトコル/アプリケーションの実装/評価
    • これまではネットワークシミュレータを利用
    • 実機による評価はどうしても外せない
  • 実際にはかなり実現が困難
    • 全ノードが移動性をもつこと
    • ノードの数,動き回る範囲
    • 電波障害,干渉の制約
  • 実機を用いて容易に評価できる環境の構築
    • 複合現実アプローチ: N-1 Network Simulation
    • 空間的/時間的スケーラブルワークベンチ: Multi-Hop on Table-Top
n 1 network simulation a mixed reality approach for wireless ad hoc network performance evaluation

N-1 Network Simulation: A Mixed-Reality Approach for Wireless Ad-hoc Network Performance Evaluation

Nobuhiko Nishio nishio@cs.ritsumei.ac.jp

Eiji Takimoto takimoto@sol.cs.ritsumei.ac.jp

Gaute Lambertsen gaute@jotu.cs.ritsumei.ac.jp

Japan Science and Technology Agency

PRESTO 21: Precursory Research for Embryonic Science and Technology

Ritsumeikan University, Dept. of Computer Science

1-1-1 Noji-Higashi, Kusatsu-shi, Shiga 525-8577, Japan

Tel. +81-77-566-1111 (Ext. 7466), Fax. +81-77-561-2669

n 1 network simulation
N-1 Network Simulation

Virtual packet

Virtual packet into real world

Correspondent host

Virtual packet from real world

Simulated world

Real world

Real packet from simulated world

Real packet into simulated world

Real mobile host

Simulator host

slide30

N-1 Network Simulation:

Representation of a real node in a virtual world

SIMULATED OBJECTS

REPRESENTATION OF REAL NODE

n 1 implemented over ns 2 platform
N-1 implemented over ns-2 platform
  • Network simulator 2 (ns-2) emulation functionality
    • Real-time scheduler
    • Packets retrieved by Tap object
    • Packets transmitted by Network agent
  • Wireless network extensions
    • Examination of packet arrival
    • Support for node mobility
      • Input of node mobility
      • Reflection of node mobility in the simulation
    • Reflection of radio signal strength
slide32

Simulator host, IP: 10.10.10.100, MAC: PCMAC…

Simulator node 1

Simulator node 2

ID1

IP: 10.10.10.1

ID2

IP: 10.10.10.2

Create header

(ether, ID, ICMP)

Virtual reflection

Retrieve and analyze packets for

ID1 and ID2

PCMAC: SimIP

ID:ID(MAC)

---------------

:ID(MAC)

ARP response

Ping

Ad-hoc

wireless interface

Reply

ARP request

Actual node

IP: 10.10.10.10

MAC: …

Zaurus

current work
Current work
  • Static -> Mobile virtual nodes
    • Simulation nodes move
    • Reflection of variations in signal strength inside the simulator
  • Mobility support for the real node
    • Simulated mobility through the user interface
      • Additional wireless signal interfaces
      • Virtual mobility reflected by changes in received signal strength

Simulator platform

Wireless

interfaces

Variation in distance/signal

strength over wireless link

Real node

multi hop on table top a spatially temporally scalable workbench for ad hoc sensor network systems

Multi-Hop on Table-Top:A Spatially/Temporally Scalable Workbench for Ad-hoc/Sensor Network Systems

Gaute Lambertsen, Yu Enokibori, Kazuhiro Takeda,

Kiyoto Tani, Koji Shuto and Nobuhiko Nishio

{gaute, vori, tiku, kiyo, shuma,nishio}@ubi.is.ritsumei.ac.jp

Japan Science and Technology Agency

PRESTO 21: Precursory Research for Embryonic Science and Technology

Ritsumeikan University, Dept. of Computer Science

1-1-1 Noji-Higashi, Kusatsu-shi, Shiga 525-8577, Japan

Tel. +81-77-566-1111 (Ext. 7466), Fax. +81-77-561-2669

slide36
スケーラブルな実機評価環境の実現
  • 空間的スケーラビリティの確保

物理的に通信可能な範囲にいたとしても、あたかも通信不可能な範囲に存在するかのような擬似的空間を作り上げる

  • 時間的スケーラビリティの確保

  各ノードにおける隣接ノードの遷移状況の変化などを手がかりに、時間的なプロトコル制御パラメータを適切に設定する

slide37
強制的に通信を不可能にした空間的スケールダウン強制的に通信を不可能にした空間的スケールダウン
slide38

LINK_HYSTERESIS_GAP=11

累積分布(%)

LINK_LIMIT=-49

15cm

30cm

45cm

60cm

75cm

90cm

105cm

120cm

135cm

150cm

165cm

180cm

195cm

210cm

225cm

240cm

255cm

270cm

信号強度

(dB)

have you ever seen a real multi hop network working
Have you ever seen a realmulti-hop network working?

Now, you can see it on our table-top.

See you at our booth!!!

slide42
センサネットワーク支援機構
  • イベントエミュレータ

ユーザが欲するデータもしくはイベントデータを散布する機能

  • センサエミュレータ

イベントエミュレータから散布されたイベントデータを選択的にセンスする機能

  以下の支援機構は評価対象となるアプリケーションに依存するため、独自に用意する必要がある

  • Sink

イベント付近のノードのセンサエミュレータがセンスしたデータを最終的に受け取るノード

  • Query dispatcher

センスすべきイベントの条件を記述したqueryをfloodingにより配信する機能

  • Clustering protocol

クラスタを形成し、センシングを効率化したり、作業の省電化などをサポートするプロトコル

slide43

Query Flood

Sink Node

Sample Data

CN: Idle

Transmission Range

5

Query Dispatcher

1

CN: Frontier

CN: Center

Cluster Node: Idle

CN: Center

4

CN: Frontier

2

3

Query flooded to network

1

Cluster Centers gather data

2

Event

In-Clustering processing

3

Sample data transmitted to sink

4

Sample data processed at sink

5

slide44
机上プロトタイプ
  • 無線移動端末
    • PDA × 2
    • WiFi Ad-Hoc Mode
  • 無線固定端末
    • ノートPC × 5
    • 有線LANで相互に接続
    • WiFi Ad-Hoc Mode
  • Multi-Hop on Table-Topを全ノードに適用
    • 無線通信範囲を数十cmに制限し,スケールダウン
personal navigation
Personal Navigation
  • PDAはノートPCに自分の現在位置と目的地を伝える
  • ノートPCがPDAの目的地がどの方角かを計算し,PDAに通知する
  • PDAの画面に目的地の方角(矢印)がリアルタイム表示される

中継地点

目的地

初期位置

smart advertising
Smart Advertising
  • PDAの移動履歴に応じて,同じ場所でも異なる広告がノートPCから配信される
  • コンテキストに基づく効果の高い広告を配信する

異なる情報が配信される

security system on street
Security System on street
  • 学童からのSOSを受信した近隣家庭の住民が現場に駆けつける地域セキュリティモデルに基づく
  • PDAが発したSOSが少なくとも1台のノートPCに届いていれば,設定半径内の全ノートPCが確実にSOSを受け取ることができる
    • 有線LANを経由してノートPC間でのSOSを受け渡し

写真内の3台のノートPCが設定半径内 = SOSを受信中

※設定半径はPDAから変更可能

slide49

携帯電話ネットワーク

  • one-hop無線
  • 1基地局のカバーエリアは10Km四方
  • 無線バンド幅は数10kbpsから数100kbps
  • サービスは携帯端末のみ(基地局はアンテナ)
  • ホットスポット
  • one-hop無線もしくは有線
  • 1基地局のカバーエリアは数10m四方
  • カバーエリアの隙間により移動ユーザには不向き
  • 無線バンド幅は数Mbpsから数10Mbps
  • ネットワークコネクティビティのみ提供
  • アドホックネットワーク
  • multi-hop無線
  • 端末のある限りカバー
  • N-hopするとバンド幅は数Mbps/Nに
  • インフラ不要
  • 接続の信頼性が低い
  • ハイブリッドネットワーク技術による利点
  • Multi-hop無線もしくは有線
  • 1基地局のカバーエリアは数10m四方,Multi-hop無線でエリア拡大し移動ユーザに対応
  • N-hopすると無線バンド幅は数Mbps/Nに,しかしアドホックよりも短かいホップで基地局に到達
  • 携帯端末以外に基地局と連携したサービス提供
  • 基地局がランドマークとなり位置情報機能を実現,近接事象のコンテキスト適応サービスに向く
slide50

市街地ネットワーク概要

中継

移動

無線サブネット

光ファイバー

インターネット接続

無線LAN

インターネット

無線サブネット

インターネット経由で

別の無線サブネットへ接続

slide51
西大津地域防犯システム
  • 産学民で地域防犯システム立ち上げ
    • 京都,毎日,日経,電波,日刊工業ほか各紙 2004/11/09
    • オプテックス,立命,OWCPの連携
  • 内部に「人間」の埋め込まれたシステム構築を目指す
slide55
近年の子供を狙った犯罪の多発。

その原因のひとつに地域内のコミュニケーションの希薄化がある

地域全体の防犯に対する意識を高めたい。

地域内コミュニケーションの活性化に努めたい。

住みやすい、安全な街づくりを。

システム導入背景

ITの力を最大限利用し、地域で犯罪を防ぐシステムの実現

slide57
地域防犯システムの概要
  • 子供,親,OWCP(自警団)にそれぞれに
    • デバイス,ソフトウエアを与えサービスを提供する
    • 子供が小学校に入ったら基地局を立てよう
  • 段階的なサービス構成
    • サービスのレベル,子供の持つデバイスのレベル,価格
    • 選択肢をいくつか用意し、ユーザーに選ばせる。
  • 将来的にはIPv6を子供の携帯機器に付与
    • セキュアなEnd-to-end通信,効率的な近接通信
  • 子供の緊急時
    • 周辺の家に危険信号を発信し
    • 犯罪の起こった現場の近隣住民に現場に駆けつけてもらうことで犯罪の発生を防止する。(不安信号も考慮中)
    • 地域コミュニティー参加の機会を提供
slide58
将来的なサービス展開
  • 犯罪がおこった時に近くにいる子供を安全な場所に誘導する機能
  • 普段子供に持ち歩かせることができるようなエンターテイメント要素を持ち合わせたサービスの提供
  • 子供のイタズラ,誤動作をなくすようなシステム,デバイスの設計
  • 縦方向(マンション内)での位置特定,防犯を可能に
  • 独居老人のためのサービス,システムの設計
  • 監視カメラを用いた防犯サービスの品質向上
slide61
第1回実証実験 -検証内容-
  • 子供の位置情報の認識
  • 危険信号の近隣住民への伝播の確認(近接通信)
  • 危険信号の西尾研位置情報サーバへの伝播の確認(E2E通信)
    • 無線LAN基地局モードでのローミング
    • (WOWnetでカバー可能範囲外に出た場合の動作確認)
slide62
第2回 実証実験ネットワーク

Open VPN

データセンタ

インフラネットワーク

アドホックネトワーク

<改良点>

・Linuxによる基地局構築

・子供端末同士での直接通信が可能

・ マルチホップ通信が可能

・ トラフィック増加範囲を制限できる

<課題>

アドホックネットワークとインフラネットワークを両方話せる

IP層でのルーティングプロトコルの設計構築

slide63
第2回 実証実験 -検証内容-
  • 第1回と同じく
    • 子供の位置情報の認識
    • 子供→基地局間の近接通信
    • 子供→基地局→データセンタのE2E通信
  • 第2回では
    • アドホックネットワークを使った近接通信とE2E通信の確立
      • 子供→子供 間の近接通信
      • 子供→ 子供→基地局のマルチホップ通信
slide64
第3回 実証実験 -検証内容-
  • 第2回で行なったマルチホップネットワーク
    • PCからPDAに移行
      • Linux Zaurus + 無線LANカード

第4回 実証実験 -検証内容-

  • 近隣の基地局間連携機構(Hawk Eye)の検証
    • 緊急信号を受信した基地局が,近隣の基地局にインフラネットワークを用い再度事態を通知する
      • 緊急信号に含まれる位置情報から「近隣基地局」をリストアップ
      • 無線がたまたま届かない,届いても人がいない基地局を補強するのが目的
slide66
西大津地域防犯:これから...
  • ITの力を最大限利用し,地域で犯罪を防ぐシステムの実現を目指す
  • ハイブリッドネットワークの構築
    • アドホック+インフラ
    • IPv6 or VPN(IPv4)
  • GPSに頼らない位置情報取得技術研究開発
  • 今年度末までの到達点は

-様々な信号の送受信の実際の流れを実装

-位置検出方法,伝播方法の検証

-PDAで実装

  • 今後を見込んで
    • IPv6ベースの携帯端末によるヒトへのタギングの実現を目指す
slide67
大阪府街中防犯プロジェクトu-シティ構想
  • フェーズ1:ユビキタスKOBAN
  • 大阪府企画室,立命,富士電機による
  • 「街中見守りロボット」
    • 街中の自動販売機ネットワークによるサービスと
    • 携帯無線端末によるサービスの複合的協調
  • 様々なサービスコンテンツのプラットフォームに
    • 街中防犯,店舗案内,歩行者支援,観光,防災
    • いまいるこの場所の情報をいまそれを必要とする人に
slide68

u-シティ構想に関する報道

2005/2/12 日経新聞

2005/2/19 読売新聞