ツリー型無線センサネットワークにおけるバッファ占有率を考慮したアクティブ期間制御方式
千葉大学大学院 融合理工学府○冨田 康平 小室 信喜

Chiba University

研究の背景◼無線センサネットワーク
環境モニタリング
温度センサなど

ホームオートメーション

制御用センサなど

デバイスはバッテリ駆動

振動検知センサなど

様々なデータ種別が混在

省電力化、QoSが課題
Chiba University

産業における制御

データレートトポロジ

ヘテロジニアスIEEE802.15.4◼ SuperFrame構造✓ このサイクルをDuty-Cycleとよぶ✓ スーパーフレーム全体に対するアクティブ期間の比によってセンサネットワークの通信特性が変化

Chiba University

𝑆𝐷 2𝑆𝑂
𝐷𝐶 == 𝐵𝑂
𝐵𝐼 2

IEEE802.15.4◼ SuperFrame構造✓ このサイクルをDuty-Cycleとよぶ
𝑆𝑂2✓ ホモジニアスセンサネットワーク向け✓ アクティブ期間とスリープ期間の比
𝐷𝐶 = 𝐵𝑂
2によってセンサネットワークの通信特性が変化✓ ヘテロジニアスセンサネットワークでの制御が困難
Chiba University

従来研究◼ ネットワークライフタイムやヘテロジニアスセンサネットワークの研究✓TMP(Tele-Medicine Protocol)方式[1]✓エンドツーエンド遅延を一定値以下に保証[1] M. S. Akbar, H. Yu, S. Cang, "TMP: Tele-Medicine Protocol for Slotted 802.15.4 With Duty-Cycle Optimizationin Wireless Body Area Sensor Networks,"IEEE SENSORS JOURNAL, vol. 17, No. 6, pp. 1925-1936, Mar. 2017
Chiba University

従来研究◼ ネットワークライフタイムやヘテロジニアスセンサネットワークの研究✓TMP(Tele-Medicine Protocol)方式[1]✓エンドツーエンド遅延を一定値以下に保証◼ 課題✓ 高データレートノードの配信率が低下
𝑆𝑂
2✓ ツリー型センサネットワークへの適用が困難
𝐷𝐶 =2𝐵𝑂[1] M. S. Akbar, H. Yu, S. Cang, "TMP: Tele-Medicine Protocol for Slotted 802.15.4 With Duty-Cycle Optimizationin Wireless Body Area Sensor Networks,"IEEE SENSORS JOURNAL, vol. 17, No. 6, pp. 1925-1936, Mar. 2017
Chiba University

本研究の目的◼配信率を考慮したアクティブ期間制御方式を提案✓ ヘテロジニアスセンサネットワークにおける高データレートノードのバッファ内のパケット数を見積り、Duty-Cycleを制御✓ パケットロスを低減
バッフ
ァ
内のパ
ケ
ット
数

バッフ
ァ
内のパ
ケ
ット
数
アクティブ期間

Chiba University

スリープ期間アクティブ期間 スリープ期間

アクティブ期間 スリープ期間

アクティブ期間

スリープ期間本研究の目的✓ 従来方式ではサブネットワークごとにDCを制御しない✓ 特性が異なるネットワークで十分な性能を発揮できない✓ 提案方式ではルータノードごとにDCを決定✓ 遅延✓ 配信率
✓ エネルギー消費などの通信特性を向上

Chiba University

提案方式◼本研究ではルータノードのバッファ占有率ρが1未満となるよう制御𝜌=λ（１つのスーパーフレームで発生するパケット数）λ(この期間に発生するパケット数)𝜇（１つのアクティブ期間に処理するパケット数）

Active
𝐷𝑎𝑡𝑎𝑅𝑎𝑡𝑒
× 𝑎𝐵𝑎𝑠𝑒𝑆𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑟𝑎𝑚𝑒𝐷𝑢𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 2𝐵𝑂= 8 × 𝑃𝑘𝑡𝑠𝑖𝑧𝑒
× 𝑆𝑂
𝑛2✓配下ノードのデータレート 低✓パケットは処理しきれる
Chiba University

Sleep

𝜇(この期間に処理するパケット数)

提案方式✓配下ノードのデータレート 高✓処理が追い付かずパケットが蓄積✓ パケットロスへとつながる

◼提案方式

μ

λ
InqueueDequeue✓キューからパケットがあふれない
ようにDCを制御
Queue

Chiba University

シミュレーション
スター型トポロジ

1

ツリー型トポロジ

8

node0

2

7
6

3

4
PANCoordinator
Chiba University

5

RouterEnddeviceシミュレーション (スター型トポロジ)◼シミュレーションネットワーク
444bps500bps

12Kbps

8

node0

2

7
6

3570bps4667bpsChiba University

5800bps

1.3Kbps

1Kbps

PANCoordinator
Enddevice

配信率の評価
従来方式[1]の各ノードの配信率

DataRate(bps) 444 500 570 667 800 1K 1.3K 2K

提案方式の各ノードの配信率

444 500 570 667 800 1K 1.3K 2K

DataRate
Low

DataRate
HighLow

High[1] M. S. Akbar, H. Yu, S. Cang, "TMP: Tele-Medicine Protocol for Slotted 802.15.4 With Duty-Cycle Optimizationin Wireless Body Area Sensor Networks,"IEEE SENSORS JOURNAL, vol. 17, No. 6, pp. 1925-1936, Mar. 2017
Chiba University配信率の評価
従来方式[1]の各ノードの配信率

DataRate(bps) 444 500 570 667 800 1K 1.3K 2K

提案方式の各ノードの配信率

444 500 570 667 800 1K 1.3K 2K

DataRate
Low

DataRate
HighLow✓提案方式では高配信率を実現
Chiba UniversityHighシミュレーション(ツリー型トポロジ)◼シミュレーションネットワーク
network 1

network 2

3

7

node1

4

node0

node2

8
PANCoordinator

956

Chiba University

10

RouterEnddevice

配信率の評価(従来方式)
バッファ内のパケット図(高負荷)各ノードの配信率

DataRate
Low✓パケットが処理しきれていない
Chiba University

High

バッファに一方的にパケットが蓄積し配信率が低下

配信率の評価(提案方式)
バッファ内のパケット図(提案手法)

各ノードの配信率

DataRate
Low✓パケットを処理しきれるように適切にDCを制御
Chiba University

High

バッファにパケットが蓄積しないため高配信率を実現

消費電力の評価
各シナリオのエネルギー消費30%

Scenario 2
DC:0.5

DC:0.5 DC:0.125

DC:0.5

Low

Mid

Low

MidConv

Prop

Scenario 3
DC:0.5

Mid✓シナリオ2ではアイドルリスニングを削減することで消費電力減
Chiba University

DC:0.5 DC:0.5

DC:1.0High

High

Conv

MidProp遅延の評価各シナリオごとの平均遅延の比較✓シナリオ3-convではパケットロスやパケット再送回数が増加✓ 1つのパケットを送信するために要する時間が増加し遅延が増大

Scenario 3
DC:0.5Mid

DC:0.5 DC:0.5

DC:1.0High

HighConv
Chiba University

MidPropまとめ◼ ツリー型センサネットワークにおける待ち行列モデルを用いたDC制御✓ 結果よりツリー型センサネットワークにおいて提案手法の有効性を示した◼ 今後の課題✓ ツリー型センサネットワークの配下ノード数やホップ数を増加✓ DC制御だけでなくスケジューリングも行う

Chiba University