5G SA 環境での IoT システムのための通信性能の調査
伊藤 千紗 (指導教員：小口 正人)

1 はじめに

2.2

SINETStream

IoT (Internet of Things) 機器から収集された様々なセンサ

SINETStream[2][3] とは, 国立情報学研究所で開発されたデータをクラウドで収集，解析し，活用することが期待さ広域ネットワークを介してデータを欠損なく確実に収集・解析れている．しかし，モバイル環境にある IoT データの収集するための機能を提供しているソフトウェアパッケージであでは，自動運転車や倉庫内自走ロボットなどの各種サービる. SINETStream は, IoT 通信に適した Publisher/Subscriber

スで要求される通信スループットや通信遅延を維持するこ型の通信モデルを採用している. MQTT[4] 準拠のブローカとが必要である. これらの通信スループットや通信遅延のや Apache Kafka[5] のような標準的なメッセージブローカ

性能要求を満たすには, 現在のモバイル通信技術である LTEに対応した共通 API を提供しており, 具体的には, (1) セン

では難しく, 性能向上が課題となる. 高性能なモバイル通信

サ等から収集されるデータをクラウド や大学などに設置さ技術として，5G の活用が期待されているが, 新しい通信でれたサーバへ書き込む (2) サーバに収集されたデータを解あるため IoT への実用化は十分にされておらず, IoT に利用

析プログラムに 読み込むといった機能を提供している. まするための性能特性については明らかではない.

た, 通信やデータの暗号化, センサ等のデバイスの認証を行

本研究では，5G SA (Stand Alone) 環境での IoT データ通う機能も含んでいるため, 安全な広域データ収集を実現でき信性能を調査する．5G SA とは，4G 用のコア装置を流用する. 本研究では SINETStream を用いた MQTT および Kafka

る NSA (Non Stand Alone) に対して，5G 専用のコア装置との通信の性能調査を行う.

基地局装置を使用するものである [1]. 国立情報学研究所内に設置された 5G SA 環境で，IoT 用通信ライブラリを提供

2.3

する SINETStream を用いて基本性能を調査する．

perftool

perftool[6] とは SINETSream を介してデータの送受信を行い, そのメトリクス情報を出力するプログラムである. ク2 関連技術

ライアント端末で Publisher と Subscriber のプログラムを実行し, サーバで起動しているブローカにメッセージを送信

2.1 5G SA

し, ブローカで収集されたメッセージをクライアント端末の5G とは, 第 5 世代移動通信システムの略で LTE(4G) をさ Subscriber で取得するまでの時間を測定する. メトリクス情らに進化させた通信規格である. 最高伝送速度は 10Gbps と 報の例としては, 1 秒あたりに受信したメッセージ数, 1 秒あ言われており, LTE(4G) の帯域幅よりもさらに広い帯域幅でたりに受信したメッセージ量, 1 秒あたりのエラー数である

ある. 5G のメリットは高速大容量で, これによって大容量のエラーレートがある.

データを迅速に収集・転送が可能になる. また, 超低遅延であることから遠隔でのリアルタイム制御の可能性が広がる

3 実験

うえに, 多数同時接続が可能なためセンサ数を格段に増やすこともでき, 今後 IoT 機器との接続など社会発展の基盤とし

3.1 実験概要ても大きく期待されている. 現在商用で利用されている 5G

NSA は, 4G 用のコア装置である EPC (Evolved Packet Core)

NTT docomo の 5G SA 環境と LTE 環境でそれぞれスルーを流用し, 4G 基地局と連動し 4G と 5G の電波を併せて使用プットを測定する. Raspberry Pi 4 Model B を Wi-Fi STA-している. そのため 4G に一度接続した後に 5G 接続となり,TION SH-52B のモバイルルータに USB 接続して測定を行4G と 5G の両方の電波を利用しないと 5G 通信できない仕う. 測定には perftool を使用し, メトリクス情報のひとつで組みとなっていた. これに対して 5G SA とは, 5G 専用のコある reader msg bytes rate に着目する. ブローカは Kafka とア装置を導入して 5G 専用の基地局装置を使用するもので

MQTT ブローカの Mosquitto[7] を用いる. また, データ暗号ある. 4G 接続をせずにはじめから 5G 接続となるため, 5G化はしないものと AES アルゴリズムで暗号化したものの 2通信開始までの時間が短くなるだけでなく, 5G の電波のみ通り, データサイズは 1024byte, 10240byte, 102400byte の 3を利用して 5G 通信ができるようになるため, 広帯域な周波通りで比較する.

5G SA の性能について予備実験を行った. 実験環境を表数帯を組み合わせた通信も可能となる.

1 に示す. モバイルルータと端末を USB で接続し, Google1表 1: 予備実験環境

OSCPU
Main Memory
OSCPU
Main Memory

Raspberry Pi
Raspbian GNU / Linux 11
ARMv7 Processor rev 3 (v7l)
4GBmacOS
macOS Big Sur バージョン 11.1
1.6 GHz デュアルコア Intel Core i5
8 GB 2133 MHz LPDDR3(a) Kafka ブローカ

図 1: 暗号化比較

表 2: 速度テスト結果(Mbps)
Raspberry Pi
macOSLTE(4G)
Download Upload
22.4
8.54
16.9
2.71

(b) MQTT ブローカ

5G SA
Download Upload
208
56.0
436.4
51.9のインターネット速度テストで測定を行う. 3 回の測定結(a) Kafka ブローカ

果の平均値を表 2 に示す. Raspberry Pi と macOS のどちら(b) MQTT ブローカ

図 2: データサイズ比較の端末においても LTE と比べて 5G SA の方が性能が良く,Upload 性能に比べて Download 性能の方が良いことが確認できた. また, 端末性能の差により 5G SA の Download 性能定し, 性能特性を調査していきたいと考えている. また, クが顕著に異なることも確認できた.

ライアントを増やしてマルチスレッドで実験を行っていく.

3.2 実験結果

謝辞

5G SA と LTE 環境でデータ暗号化の有無で比較した結5G SA 環境の利用では，NTT コミュニケーションズ様果を図 1 に示す. 横軸は output count で計測回数を表し, 縦にご協力いただきました．また，本研究は JSPS 科研費

軸は reader msg count rate で受信メッセージレートを表し

JP19H04089 の助成を受けたものです.ている. 実験では, 100 メッセージの送受信における平均通本研究成果はデータ活用社会創成プラットフォーム mdx

信スループットを 10 回計測している. 暗号化無しが赤色でを利用して得られたものです．

plain, 有りが緑色で aes, サイズは 1024byte の結果を表している. また, 実線が 5G SA, 破線が LTE である. 左側が Kafka

参考文献

ブローカを経由したもの, 右側が MQTT ブローカを経由したものである. 5G SA と LTE で比較すると, どちらも 5G SA[1] docomo. 5G. https://www.docomo.ne.jp/area/5g/.の方が性能が良いことが確認できる. 暗号化の有無での比較では, どちらのブローカを経由した場合も暗号化による性[2] SINETStream. https://sinetstream.net/.

能の差は見られないことが確認できた.

[3] Atsuko Takafusa, Jingtao Sun, Ikki Fujiwara, Hiroshi

データサイズで比較したものを図 2 に示す. 縦軸横軸はYoshida, Kento Aida, and Calton Pu. SINETStream: En-

図 1 と同様で暗号化なしの結果を示す. 赤色が 1024byte, 緑

abling Research IoT Applications with Portability, Security

色が 10240byte, 青色が 102400byte で実線が 5G SA, 破線がand Performance Requirements. In Proc. COMPSAC 2021,
pp. 482–492, 2021.

LTE である. どのデータサイズにおいても 5G SA の方が性能が良く, データサイズが大きくなるほど性能の差が大きいことが読み取れる.

[4] MQTT (Message Queue Telemetry Transport). https://mqtt.org/.

4 まとめと今後の課題[5] Apache Kafka. https://kafka.apache.org/.

IoT 用通信ライブラリ SINETStream を用いて 5G SA 環境 [6] perftool. https://github.com/nii-gakunin-cloud/sinetstream/tree/main/python/sample/perftool.のスループットの測定を行い, 従来の LTE と比べて高い通信スループットを示すことを確認した. また, データ暗号化[7] Mosquitto. https://mosquitto.org/.

による性能の差はあまりないこと, データサイズが大きくなるほど 5G SA と LTE の性能の差は大きくなることも確認できた. 今後の課題は, 圧縮や TLS など様々なパラメータで測2