センサネットワークにおける

集団通信に関する基礎研究

北海道大学 工学部 情報エレクトロニクス系

情報工学コース 調和系工学研究室

学部4年 福井知子

背景

� ユビキタス社会

無線センサネットワークの需要の増加

� 無線センサネットワークの応用例

� 空調・照明制御� 空調・照明制御

� セキュリティ

� 環境モニタリング

� 今後屋内空間（ショッピングモール，駅，空港など）

に無線センサネットワークが普及

ZigBeeの特徴

� 低コスト・低消費電力・低速通信

� ネットワーク内に最大65,535ノード接続可能� アドホックでマルチホップな通信が可能

� スリープモードからの立ち上げ時間が短い

� ネットワークトポロジはスター型・メッシュ型・

クラスタツリー型

BluetoothZigBee Bluetooth

標準仕様 IEEE802.15.4

IEEE802.15.1

通信速度 20 - 250kbps 1Mbps通信距離 75m 10m - 100m消費電力 60mW 120mW駆動時間 数ヶ月～数年 数週間

ノード数 65,535 7

Bluetoothとの比較

総務省ユビキタスセンサーネットワーク技術に関する調

査研究会（平成16年7月） 「ユビキタスセンサーネットワークの実現に向けて最終報告」参考資料4より抜粋

コーディネータ

ルータ

エンドデバイス

ZigBeeは無線センサネットワークに適している

目的

� 集団通信の問題点

� パケットロス率の増加

� ネットワークへの接続時間の増加

集団通信における安定したネットワークの構築

� ネットワークへの接続時間の増加

� 伝送速度の低下

� 通信の遅延時間の増加

ZigBeeネットワークにおける集団通信の特性の検証

状況1：ネットワークへの接続

ZigBeeネットワーク

天井

多数のユーザ

移動

1.接続要求2.応答

接続に要する時間は？

接続したいルータにトラフィック

が集中している可能性

状況2：特定のルータへのトラフィック集中

？

？

？

ZigBeeネットワーク

天井

？

？

？

1つのルータにトラフィックが集中する可能性

どれくらいの割合で

パケットがロスする？

実験に用いた機器

� Ember社製 ZigBee準拠システムオンチップ（SoC）IC “EM250”� 16-bit RISCマイクロプロセッサ搭載� FLASHメモリ（128ｋB）とRAM（5kB）内蔵

ルータnetwork

WAN

ハブ

ISA ISA

Breakout boardLAN

アーキテクチャ

アプリケーション層

アプリケーション・

サポート副層

ユーザ開発

ZigBeeチップPC

転送

（フラッシュメモリ

プログラムプログラムプログラムEZSPEZSP

プログラム

PC

シリアル通信

EmberZNetサポート副層

ネットワーク層

メディア・アクセス層

物理層

ZigBee仕様

IEEE 802.15.4

EM250

（フラッシュメモリ

書き込み）

シリアル通信

API利用

EZSP：EmberZNet Serial Protocol

ZigBeeの通信

ルータ エンドデバイス

multicastルータのアドレス登録

unicastエンドデバイスのアドレス登録

� ネットワーク接続手順

下位層のヘッダ

82バイト（可変）133バイト

データペイロード

アプリケーション層から見たパケット

エンドデバイスのアドレス登録

unicast通信成立

� パケットの構成

� 手順

� ルータはあらかじめ複数のエンドデバイスと通信

� エンドデバイス起動時 time=0� 通信成立時の時刻を計測

実験1トラフィック量と接続に要する時間の関係を調べる

ルータ

multicastルータ

unicast

� 設定

� マルチキャスト間隔 ： 10[s]� パケットサイズ ： 133[byte] （最長） →送信速度133×8×40=42.56[kbps]� ルータと通信するエンドデバイス数 ： 0 - 7台� 計測回数 ： 各台数30回

エンドデバイス

起動

エンドデバイス

unicastエンドデバイス

成立

計測

実験結果

：通信成立までの平均時間

エンドデバイス0台4.28[s]

4.03[s]

5.86[s]

7.67[s]エンドデバイス1台

エンドデバイス4台

エンドデバイス5台

通信成立までの時間[s]

成立回数

・トラフィック量の増加に伴い通信成立までの平均時間が増加した

6.22[s]

7.03[s]

7.12[s]

12.14[s]

エンドデバイス2台

エンドデバイス3台

エンドデバイス6台

エンドデバイス7台

実験2

� 手順

� エンドデバイスからルータへunicast� エンドデバイス側で送信パケット数，

ルータ側で受信パケット数をカウント

トラフィック量とパケットロス率の関係を調べる

receiveloss

NNr −= 1　

パケットロス率

� 設定

� unicast間隔 ： 1/40[s]� パケットサイズ ： 133[byte] （最長） →送信速度133×8×40=42.56[kbps]� 同時に通信するエンドデバイス数 ： 2 - 7台� 1回の試行時間 ： 3分間� 計測回数 ： 各台数5回

sendN

実験結果

3分間分間分間分間のののの総受信総受信総受信総受信バイトバイトバイトバイト数数数数

平均平均平均平均パケットロスパケットロスパケットロスパケットロス率率率率とととと

・トラフィック量の増加に伴いパケットロス率も増加した

・エンドデバイス数が3台以上になるとパケットロス率にばらつきが出た・エンドデバイス数が6，7台になると受信可能バイト数が減少した

平均平均平均平均パケットロスパケットロスパケットロスパケットロス率率率率とととと

標準偏差標準偏差標準偏差標準偏差

まとめ

� ルータと通信しているエンドデバイスが6台までは平均10秒以内で通信成立� ルータの通信量は同時通信3～5台で最大

今後の課題

� エンドデバイス数に対するルータ数の検討

� ホップ数と遅延時間との関係の検証