モノのインターネット実現に向けた無線通信プロトコルの研究

Study on Wireless Communication Protocol for Internet of Things

2018-09-25

2018-09-25

現在、我が国では少子高齢化に伴う人口の低下が懸念されている。今後、少ない労働力でこれまで以上の生産性を発揮するために、ICT技術の活用が一段と進むことが予想される。ICT技術の中で、特に活用が期待されている技術としてはセンサ機器の無線通信技術を中心としたIoT技術がある。今後、こういったIoT技術を使って物理空間から収集した大量のデータをサイバー空間でAI処理し、物理空間へフィードバックすることで社会課題を解決する「データ主導社会」が来るとされている。現在のIoT技術を使ったシステムでは、データ処理に人間が介在することを前提としていたため、扱えるデータの量には制限があった。しかし、データ主導社会では人が介在しないので今までに比べて多量のデータを処理できるようになる。よって、データ主導社会では長期間にわたり多くのデータを収集すればするほどシステムとして良い判断ができる可能性が高まる。また、データ処理後のフィードバックも、人が介在している場合は数秒以下のオーダーでの制御は事実上不可能であった。しかし、データ駆動社会ではフィードバックループ内に人が介在しないので、マイクロ秒オーダーの制御をするシステムを構築できる。しかし、現在、産業界で使われているIoT技術では、長期間の連続モニタリングやミリ秒オーダーの制御システムを作ることは難しい　1990年後半以降、論文レベルでは様々なIoT技術が考案されてきているので、技術的にはデータ主導社会を実現するシステムの構築は可能である。しかし、現実的に産業界に受け入れられるためには、今まで考案されてきたIoT技術に「標準準拠」「ハードウェアの調達容易性」「低保守・運用コスト」といった観点からの検討を新たに付け加える必要がある。 そこで、本研究ではデータ主導社会を実現するためのIoT無線通信方式である「NES-MAC：長期間連続動作して多量のデータを収集するための省電力MACプロトコル」および「NES-SOURCE：遅延の少ないデータ通信が可能な軽量リアルタイムネットワークプロトコル」を設計、実装し、評価した。設計に際しては前述の3つの観点を特に考慮に入れて検討した。NES-MACに関しては、まず，IoT技術として有望とされている標準省電力方式であるRITとCSLを消費電力および通信リンク確立成功率の観点から比較した．その結果，CSLの同期通信ができれば，インフラ監視で要求される低消費電力性能を満たせることが明らかになった．しかしCSLには水晶クロック素子（CXO）の性能ばらつきのためにCSL同期通信が維持できないという課題があった．そこで，我々はCSLに対してCXOのばらつきを補正して長期間の同期維持を可能にする機能を追加したMACプロトコルであるNES-MACを開発し，この課題を解決した． NES-MACは通常のCSLと通信する際にも省電力効果が高いので，省電力性能をそのままにネットワークを容易かつ経済的に拡張できる．さらに，我々はNES-MACを採用したセンサノードが2800mAh(CR123A型バッテリ2本程度)で10年以上の長期間駆動ができることを実機評価により明らかにした．制御無線で使われるリアルタイムネットワークプロトコルは、遅延保証が必要である。無線通信の場合、遅延の原因はパケットロスに起因する。パケットロスはパケット衝突および通信路の環境変化によって起こる。現状の制御無線プロトコルを使用する場合の課題として、アクセス方式として扱いづらいTDMA方式を採用している点がある。TDMA方式では、原理的にパケット衝突によるパケットロスが発生しない。一方、CSMA/CA方式は扱いやすい反面、原理的にパケット衝突が発生するので遅延保証が難しいと考えられてきた。我々はまず、一般的な制御無線の利用条件および要求仕様を明らかにした。その結果、一般的な制御無線の利用条件下にて、アクセス方式としてCSMA/CAを利用した場合のコリジョン発生率は、制御無線の要求仕様に比べて小さいことが明らかになった。この事により、通信路の環境変化によるパケットロスを回避する方法があれば、CSMA/CAを利用した場合にでも制御無線の要求仕様を満たす事ができることがわかった。そこで我々は1HOP通信時のネットワークレイヤACKを省略すること，およびフレームサイズを基にしたバックオフ期間の最適化により高速に通信経路を切り替える機能を持つ，CSMA/CAベースの固定経路通信プロトコルであるNES-SOURCEを開発した．NES-SOURCEは正規ルートが1HOP，再送用ルートが2HOPという環境で，最大遅延時間を60msec以下、PERを0．05%程度にすることにできた．NES-SOURCEの実装規模は約2700行と従来のプロトコルスタックに比べて半分以下の規模であり，機能追加やメンテナンスも容易である．又，人の移動などにより通信路へ障害物が立ち入るような環境下で，NES-SOURCEの経路変更機能が有効に機能することでPERや通信遅延が改善することを実証実験で確認した．さらに，通信路に遮蔽物が侵入する確率およびコリジョン発生によるPERとNES-SOURCEのPERの関係を明らかにした．NES-MACおよびNES-SOUCEはデータ主導社会で使われるIoT技術として必要な技術的特性に加え、標準準拠」「ハードウェアの調達容易性」「低保守・運用コスト」といった、データ主導社会実現のために産業界へ受け入れられるための必須条件も満たしている。今後、NES-MACおよびNES-SOURCEはデータ主導社会実現のために様々な局面で利用されると考えている。

博士（工学）

京都工芸繊維大学

14303甲第893号

http://hdl.handle.net/10212/2494

jpn

ETD

7

Thesis or Dissertation

Thesis