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基地局電源制御に基づく 省電力無線 LAN システムに関する研究

基地局電源制御に基づく 省電力無線 LAN システムに関する研究. 九州大学 大学院　システム情報科学府 情報工学専攻　修士 2 年 中村遼. 発表内容. 背景 無線 LAN の普及 無線 LAN AP （ Access Point ）停止の困難さ 研究目的 無線 LAN ユーザに合わせて基地局の起動 / 停止を行うシステム 提案システムの説明 システムの評価 実環境での動作検証 シミュレーションでの省電力性検証 まとめと今後の課題. 背景. インターネット，イントラネットの普及 企業や工場，大学等では無線 LAN が多く利用

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基地局電源制御に基づく 省電力無線 LAN システムに関する研究

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Presentation Transcript

  1. 基地局電源制御に基づく省電力無線LANシステムに関する研究基地局電源制御に基づく省電力無線LANシステムに関する研究 九州大学 大学院　システム情報科学府 情報工学専攻　修士2年 中村遼

  2. 発表内容 • 背景 • 無線LANの普及 • 無線LANAP（AccessPoint）停止の困難さ • 研究目的 • 無線LANユーザに合わせて基地局の起動/停止を行うシステム • 提案システムの説明 • システムの評価 • 実環境での動作検証 • シミュレーションでの省電力性検証 • まとめと今後の課題 修士研究発表 ： 中村 遼

  3. 背景 • インターネット，イントラネットの普及 • 企業や工場，大学等では無線LANが多く利用 • IEEE802.11準拠した公衆無線LANサービスの増加 • 近年では，携帯ゲーム機も802.11に対応 • 無線LAN利用のために，AP (Access Point)が必要 • 無線LANの広域利用や通信帯域確保のために複数設置 ⇒ 一つのエリアで複数のAPを検知 • APは無線端末の接続要求に応えるために常時起動 修士研究発表 ： 中村 遼

  4. 背景 –問題点- • 無線LAN利用の少ない時間帯(夜間や休日)に電力浪費 • AP1台の消費電力：5～15W • 関連研究[1]では，APにPSM(Power Saving Mode)を応用 • PSM：端末が通信を行わない間，無線部（アンテナ）をSleep状態に • APのSleep≒接続端末全体の低スループット化 • 端末の要求フレームが受信不可能になる為 • 省電力化の影響が無線部のみ • APの無線部の消費電力：高々2W程度 [1] F. Zhang, T.D. Todd, D. Zhao, and V. Kezys, “Power Saving Access Points for IEEE802.11 Wireless Network Infrastructure,” IEEE Transactions on Mobile Computing,Vol. 5, No. 2, pp. 144-156, 2006. 根本的な問題解決にはならない 修士研究発表 ： 中村 遼

  5. 研究目的 • 無線LAN利用状況に合わせて，自動でAPの電源を制御するシステムの提案 • 初期値として，全てのAPは停止 • 接続端末の位置に最適なAPのみを起動→端末に接続 • 電波の届かない位置にあるAPを起動しても通信不可能 • APと端末には，特別なソフトウェアを組み込まない • このシステムを構築し，省電力性を検証する．また，これを基に省電力について考察する． 修士研究発表 ： 中村 遼

  6. 研究課題 • ＜課題＞ AP停止状態で，いつ，どこに端末が出現したか検知 • いつ：端末のプローブ要求送信時＝＞　要求フレーム受信応答機能 • どこ：端末の二次元座標＝＞　受信信号強度を用いた端末位置推定技術 • 近年ではセンサーネットワークの分野においても注目[2][3] • 2つの機器 BQ(Base Quacker)とC3サーバ(Collection, Calculation and Control server) を提案 [2] H. Ochi, S. Tagashira, and S. Fujita, “A Localization Scheme for Sensor Networks Based on Wireless Communication with Anchor Groups,”IEICE Trans InfSyst (Inst Electron InfCommun Eng), Vol. E89-D, No. 5, pp.1614-162, 2006. [3] M. Sugano, T. Kawazoe, Y. Ohta, and M. Murata, “Indoor Localization System Using RSSI Measurement of WirelessSensor Network Based on ZigBee Standard,” The IASTED International Conference on Wireless Sensor Networks(WSN 2006)}, Banff (Canada), 2006. 修士研究発表 ： 中村 遼

  7. BQ (Base Quacker) • 三点測量における観測点としての基地局 • BQの仕様 • ビーコン送信，プローブ応答，認証応答 • アソシエーション応答は返さない • 全区間で最低3台のBQがフレームを受信　=>BQのチャネルは同一 • 端末の要求フレームから受信信号強度を測定 • BQ端末間距離を受信信号強度から計算 =>C3サーバで行う • C3サーバにフレーム及び受信信号強度を転送 BQ3 BQ1 端末 端末の座標(X,Y)が求まる 必要 BQ2 修士研究発表 ： 中村 遼

  8. C3サーバ (Collection, Calculation and Control server) • APとBQの制御サーバ • C3の仕様 ① (Collection) BQから受信信号強度の収集および記録 ② (Calculation)　端末の位置座標を計算 • 受信信号強度→BQ端末間距離 変換，三点測量 • 事前に変換式の定数CとNを記録 ③ (Control) 端末に最適なAPの起動および未使用APの停止 • 認証サーバのアクセスログを参照 送信側端末 受信側BQ 受信信号強度P[dBm] 受信信号強度とアンテナ間距離の関係 d [m] （C,N：定数） 修士研究発表 ： 中村 遼

  9. 提案システムの全体図 端末の 位置は?? BQ2 C3 AP BQ3 BQ1 P1[dBm] P3[dBm] P2[dBm] 1.接続開始（APは全て停止している） 2.プローブ要求/認証要求/アソシエーション要求 3.BQで受信信号強度を測定 4.フレーム及び受信信号強度を送信 5.受信信号強度-距離変換，三点測量 6.端末に最適なAPを起動 7.起動したAPからビーコン送信 8.接続完了 9.通信終了 この提案システムを，AP電源制御システムと呼ぶことにする 10.APの停止 修士研究発表 ： 中村 遼

  10. システムの評価 • 実環境における動作検証 • 端末位置推定精度の測定 • 端末位置推定誤差のシステムへの影響 • 端末AP間接続確認実験 • シミュレーションを用いた消費電力量計算 • シミュレーション条件 • 時間帯ごとに出現する無線LANユーザ数の設定 • シミュレーション環境の構築 • １週間の消費電力量[kWh/week]および平均消費電力[W]を計算 • 一般的な無線LAN接続システムと比較 修士研究発表 ： 中村 遼

  11. 機器の実装 修士研究発表 ： 中村 遼

  12. 端末位置推定精度の測定 • 延べ60地点における位置推定 • 場所：筑紫女学園大学 礼拝堂 • フレーム送信時間：30sec • BQ-C3サーバ間通信：UDP • C3サーバでは，収集した受信信号強度の最大値と平均値でそれぞれ計算 • 変換式のNとCは事前に最小二乗法により計算 • 端末の実際の位置と推定位置の誤差[m]を計算 修士研究発表 ： 中村 遼

  13. 動作検証結果 • 端末の位置推定誤差(累積分布確率) • 端末AP間においては，接続を確認することができた 微弱電波を無視 一般に，APは15～20m 間隔で設置する事が多く，また，屋内でも2.4GHz帯では信号は30ｍ以上遠方まで届くため，位置推定は問題ない 修士研究発表 ： 中村 遼

  14. 省電力性検証シミュレーション • 現実の講義室内AP（kitenet:カイトネット）のユーザプロファイル作成 • 場所：システム情報第５，　　　　第７，大講義室 • 日時：2009年6月第1-4週 • 方法：10分毎に第1～4週の平均ユーザ数を計算した上で，右記の時間帯の最大値を記録 • 平日の20:00～6:00および土日のユーザ数は0であった 例：大講義室でのAP利用者数の変化（火曜日） ※kitenetのアクセスログは研究目的の使用であり， 使用後はパソコンから完全に削除しております． 修士研究発表 ： 中村 遼 APのユーザプロファイル

  15. シミュレーション環境 16m 16m 2m • 右図の講義室に時間ごとにユーザを発生 • 講義室A:第5講義室×2 • 講義室B:第7講義室×2 • 講義室C:大講義室の×2 BQ3 AP7 AP1 講義室A 講義室C 4m 4m 10m AP2 2m 教卓 2m 教卓 BQ1 AP6 2m 通路 22m 教卓 2m 2m 11m AP3 10m • 起動したAPの個数を記録して，その時間帯のAP/BQの消費電力を計算 • APの消費電力：10W(起動時)/ 0W(停止時) • BQの消費電力：10W ユーザ：黄色の領域に出現 4m 2m 4m 講義室B AP5 AP4 BQ2 34m 修士研究発表 ： 中村 遼

  16. シミュレーション結果 消費電力を約38%削減することができた AP電源制御システムの消費電力の変化 修士研究発表 ： 中村 遼

  17. まとめ • 本研究では，AP電源制御システムを使うことによる省電力性をシミュレーションにより示すことができた • 実験では，問題無く動作した • APの電力供給にPoE (Power over Ethernet)を利用⇒ ユーザのいない時間帯にAPを完全に停止させることが可能 • 一般的な接続システムより消費電力が大きくなることがある • AP電源制御システムでは，BQの消費電力が余計にかかる • AP起動数が多い時間帯にBQを停止 ⇒ 3%程度の電力削減『AP/BQ電源制御システム』 修士研究発表 ： 中村 遼

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