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講義日程予定

講義日程予定. 第 1 回 「ガイダンス」 第 2 回 「ユビキタスシティ検討ワーキング中間とりまとめ」 第 3 回 「次世代ネットワーク技術：情報家電」 第 4 回 「次世代ネットワーク技術：ホームネットワーク」 第 5 回 「次世代ネットワーク技術：インターネット技術」 第 6 回 「次世代ネットワーク技術：次世代インターネット技術」 第 7 回 「次世代ネットワーク技術： P2P/ アドホックネットワーク」 第 8 回 「センシング技術：センサネットワーク」 第 9 回 「センシング技術： RFID と測位技術」

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Presentation Transcript

  1. 講義日程予定 • 第 1 回 「ガイダンス」 • 第 2 回 「ユビキタスシティ検討ワーキング中間とりまとめ」 • 第 3 回 「次世代ネットワーク技術：情報家電」 • 第 4 回 「次世代ネットワーク技術：ホームネットワーク」 • 第 5 回 「次世代ネットワーク技術：インターネット技術」 • 第 6 回 「次世代ネットワーク技術：次世代インターネット技術」 • 第 7 回 「次世代ネットワーク技術： P2P/アドホックネットワーク」 • 第 8 回 「センシング技術：センサネットワーク」 • 第 9 回 「センシング技術：RFIDと測位技術」 • 第10回 「富士通のユビキタス事業紹介」 • 第11回 「サービスアーキテクチャ：基盤ソフトウェア技術」 • 第12回 「サービスアーキテクチャ：XML技術」 • 第13回 「内田洋行のユビキタス事業紹介」 • 第14回 「サービスアーキテクチャ：プライバシとセキュリティ」 • 第15回 「期末定期試験」

  2. 2006年度前期情報システム構成論2第8回 「センサーネットワーク技術」 西尾 信彦 nishio@cs.ritsumei.ac.jp 立命館大学 情報理工学部

  3. センサネット研究の背景　（１） • 情報処理機能と通信機能をあわせもつ移動携帯端末の一般化 • 携帯電話、情報家電、インタネットカー、センサネットワーク • 単独利用されていたものを協調的利用へ • 新しいアプリケーションの可能性と必要性 • 広告、パーソナルナビゲーション、広域情報収集、コンテキストアウェアアプリケーション、etc. • 災害対策、環境調査、etc.

  4. センサノード H/W-S/W プラットフォーム ノード内処理 近隣のノードと無線通信 イベント検知 音、震動、イメージ温度、湿度、人感知, etc. I/F 無線通信I/F sensors radio CPU 限定的なバッテリ供給 battery エネルギー効率が ハード/ソフト デザインの基準

  5. センサネット研究の背景　（２） • モバイルアドホックネットワーク(MANET)の研究 • ルーティング(DSR, CMU)、フラディッング制限、動的クラスタリング • センサネットワークの研究 • シフト方式による省電力(span, MIT)、データセントリック、属性名前付け、in-network処理(Directed Diffusion, UCLA) • 移動体通信端末を用いたアプリケーション • アクティブポスタ(IBM)、交通量調査(ICAR)

  6. センサネットワークの構成 Wired Infrastructure Wireless Sensor Network Sensor coverage range Rs Rw Wireless communication range Sink node Sensor node Interest

  7. センサネットワークの特徴 • データ転送はデータ指向、特定なノードにコネクションを張らない • どのノードと通信するかはイベントが起きるまで不明 • イベント後もどのノードに起きているかは不明 • 物理世界を観察する／操る • センサインプットによってネットワークが行っている処理は動的に変化する • アプリケーションごとにソフト/ハード環境が変化 • センサノード移動に対応 • 電池駆動のための省エネルギー機構

  8. センサネット技術関連研究動向 属性ベースルーティング 省電力指向ネットワーク構成管理 ノード位置測位技術

  9. 属性ベースルーティング • MANET環境＋データセントリック • インフラなしの無線ネットワーク環境 • センサネットワークを構築 • 属性ベースのデータをフラディングで問い合わせ • 「興味のある」データをもつセンサノードが返答する

  10. Ex. Directed Diffusion@ISI • SinkノードからのInterestのフラディング • マッチしたセンサノードがリプライパケットを転送 • 届いたリプライに対するSinkノードからのリクエストの継続(refresh) • 中継ノードがリクエストとリプライの行き来からルートを「補強しつつ」構成する(reinforcement) • ロバストなデータ配送を実現

  11. 省電力指向ネットワーク構成管理 • 電池駆動の無線ネットワークノードによるMANETを構成 • 電池消費を低減し，その消費のノードによる偏りを低減する • 802.11のPower Save Modeでスリープとポーリングにより周期的に通信する． • 消費電力比較 • 送信　1400mW • 受信　1000mW • アイドル　830mW • スリープ　130mW • Base-station modeからAd-hoc modeへ

  12. Ex. Span@MIT • MANET環境では，PSMは全部のノードでは利用できない • PSMではないノードがいてパケットを中継しなければならない • PSMにならないノードを， • ある規則で確率的に決め， • それを時間的に交代させて， • できるだけ多くのノードをPSMに移行させて， • 全ノードの電池消費を平滑化する

  13. Spanの自律的構成機構 • 任意のノード間のルートのホップ数が増えないように， • HELLOパケットのみによるローカル情報の交換のみで自律的に動作 • 自分がcoordinatorになる条件「自分の近傍のノード内に通信できないペアがある」で，電池残量，近傍ノード数に応じた遅延を入れて立候補する

  14. Our Approach: Hot-spot Clustering • 興味のあるイベントが発生している地域をhot-spotと呼ぶ • Hot-spot近傍で移動クラスタを動的に構成する • そのイベントを直接センスするノードがcluster-center • Cluster-centerの隣接ノードがcluster-frontier • Cluster-center: • Interestリクエストに対するIn-Network処理 • Cluster-frontier: • PSMに移行しない • Cluster-centerに移行するのに備える

  15. Software “Hopping” for unintentional movement support Software-layer Mobile node-layer Field-layer

  16. Hot-spot Cluster • 自律的に構成される移動クラスタ • 興味のある事象の移動や，センサノード自身の移動により移動性をもつ • リプライパケット(Event sample)の返信をcluster-center間でIn-Network処理する

  17. クラスタプロトコルの仕組み Rs Rw Cluster-center mode Cluster-frontier mode Idle mode Interest

  18. クラスタプロトコルの状態遷移 Entering interest sensing range CLUSTER-CENTER MODE Receiving initial flooding Leaving interest sensing range Beacon time-out IDLE MODE CLUSTER-FRONTIER MODE Receiving HELLO beacon Transition caused by signal Transition caused by movement Transition caused by timeout

  19. 省電力指向ネットワーク構成 • Spanのcoordinator-networkをベースにする • CoordinatorでもPSMに移行する • フラディングパケットの送受信ではPSMのまま • Non-coordinatorでもPSMに移行しない • ホットスポットクラスタを構成した場合は，PSMに移行しない

  20. Simulation Study • NS-2を用いたシミュレーション環境を構築 • 802.11b + Span (modified) + DD (modified) + Hot-spot clustering

  21. In-cluster processing • クラスタ内でIn-network processingのデータ集約処理を行なう機構 • クラスタ内でデータの集約や稼動させるセンサノードの選定を行なう センサノードのバッテリー資源の節約や冗長パケット送出の低減を目的とする

  22. 従来のセンサネットワークにおけるデータフロー図従来のセンサネットワークにおけるデータフロー図 イベント センサノード 中継ノード Sinkノード データフロー

  23. In-cluster processingを適応したセンサネットワークのデータフロー図 イベント センサノード クラスタ内 Sinkノード 中継ノード Sinkノード データフロー 同一クラスタ

  24. クラスタ内Sinkノード • 同クラスタ内でデータ集約を行なうノードである • クラスタ内Sinkノードは同クラスタ内に一つ以上存在している必要がある • Sinkノードにパケットを送出するのは、クラスタ内Sinkノードのみである • クラスタ内Sinkの役割は状況に応じて、同クラスタ内のセンサノード間で遷移する

  25. センサノードの状態遷移図 クラスタ内Sinkの役割を果たした バッテリー残量が少なくなった センシング可能 範囲を外れた センシング 不可能ノード クラスタ内Sink センシング可能ノード センシング可能 範囲に入った クラスタ内Sinkノードに 選出された Sinkノードへ データ転送を行なう センシングを行なう 処理負荷が高い ↓ バッテリー消費が大きい 処理負荷が低い ↓ バッテリー消費が小さい

  26. センサネット技術性能評価環境 • 実機によるプロトコル/アプリケーションの実装/評価 • これまではネットワークシミュレータを利用 • 実機による評価はどうしても外せない • 実際にはかなり実現が困難 • 全ノードが移動性をもつこと • ノードの数，動き回る範囲 • 電波障害，干渉の制約 • 実機を用いて容易に評価できる環境の構築 • 複合現実アプローチ： N-1 Network Simulation • 空間的/時間的スケーラブルワークベンチ： Multi-Hop on Table-Top

  27. N-1 Network Simulation: A Mixed-Reality Approach for Wireless Ad-hoc Network Performance Evaluation Nobuhiko Nishio nishio@cs.ritsumei.ac.jp Eiji Takimoto takimoto@sol.cs.ritsumei.ac.jp Gaute Lambertsen gaute@jotu.cs.ritsumei.ac.jp Japan Science and Technology Agency PRESTO 21: Precursory Research for Embryonic Science and Technology Ritsumeikan University, Dept. of Computer Science 1-1-1 Noji-Higashi, Kusatsu-shi, Shiga 525-8577, Japan Tel. +81-77-566-1111 (Ext. 7466), Fax. +81-77-561-2669

  28. N-1 Network Simulation Virtual packet Virtual packet into real world Correspondent host Virtual packet from real world Simulated world Real world Real packet from simulated world Real packet into simulated world Real mobile host Simulator host

  29. N-1 Network Simulation: Representation of a real node in a virtual world SIMULATED OBJECTS REPRESENTATION OF REAL NODE

  30. N-1 implemented over ns-2 platform • Network simulator 2 (ns-2) emulation functionality • Real-time scheduler • Packets retrieved by Tap object • Packets transmitted by Network agent • Wireless network extensions • Examination of packet arrival • Support for node mobility • Input of node mobility • Reflection of node mobility in the simulation • Reflection of radio signal strength

  31. Simulator host, IP: 10.10.10.100, MAC: PCMAC… Simulator node 1 Simulator node 2 ID1 IP: 10.10.10.1 ID2 IP: 10.10.10.2 Create header (ether, ID, ICMP) Virtual reflection Retrieve and analyze packets for ID1 and ID2 PCMAC: SimIP ID:ID(MAC) --------------- :ID(MAC) ARP response Ping Ad-hoc wireless interface Reply ARP request Actual node IP: 10.10.10.10 MAC: … Zaurus

  32. Demo@SanDiego.MobiCom2003

  33. Current work • Static -> Mobile virtual nodes • Simulation nodes move • Reflection of variations in signal strength inside the simulator • Mobility support for the real node • Simulated mobility through the user interface • Additional wireless signal interfaces • Virtual mobility reflected by changes in received signal strength Simulator platform Wireless interfaces Variation in distance/signal strength over wireless link Real node

  34. Multi-Hop on Table-Top:A Spatially/Temporally Scalable Workbench for Ad-hoc/Sensor Network Systems Gaute Lambertsen, Yu Enokibori, Kazuhiro Takeda, Kiyoto Tani, Koji Shuto and Nobuhiko Nishio {gaute, vori, tiku, kiyo, shuma,nishio}@ubi.is.ritsumei.ac.jp Japan Science and Technology Agency PRESTO 21: Precursory Research for Embryonic Science and Technology Ritsumeikan University, Dept. of Computer Science 1-1-1 Noji-Higashi, Kusatsu-shi, Shiga 525-8577, Japan Tel. +81-77-566-1111 (Ext. 7466), Fax. +81-77-561-2669

  35. スケーラブルな実機評価環境の実現 • 空間的スケーラビリティの確保 物理的に通信可能な範囲にいたとしても、あたかも通信不可能な範囲に存在するかのような擬似的空間を作り上げる • 時間的スケーラビリティの確保 　 各ノードにおける隣接ノードの遷移状況の変化などを手がかりに、時間的なプロトコル制御パラメータを適切に設定する

  36. 強制的に通信を不可能にした空間的スケールダウン強制的に通信を不可能にした空間的スケールダウン

  37. LINK_HYSTERESIS_GAP=11 累積分布(%) LINK_LIMIT=-49 １５ｃｍ ３０ｃｍ ４５ｃｍ ６０ｃｍ ７５ｃｍ ９０ｃｍ １０５ｃｍ １２０ｃｍ １３５ｃｍ １５０ｃｍ １６５ｃｍ １８０ｃｍ １９５ｃｍ ２１０ｃｍ ２２５ｃｍ ２４０ｃｍ ２５５ｃｍ ２７０ｃｍ 信号強度 (dB)

  38. Have you ever seen a realmulti-hop network working? Now, you can see it on our table-top. See you at our booth!!!

  39. Which for which?

  40. センサネットワーク支援機構 • イベントエミュレータ ユーザが欲するデータもしくはイベントデータを散布する機能 • センサエミュレータ イベントエミュレータから散布されたイベントデータを選択的にセンスする機能 　　以下の支援機構は評価対象となるアプリケーションに依存するため、独自に用意する必要がある • Sink イベント付近のノードのセンサエミュレータがセンスしたデータを最終的に受け取るノード • Query dispatcher センスすべきイベントの条件を記述したqueryをfloodingにより配信する機能 • Clustering protocol クラスタを形成し、センシングを効率化したり、作業の省電化などをサポートするプロトコル

  41. Query Flood Sink Node Sample Data CN: Idle Transmission Range 5 Query Dispatcher 1 CN: Frontier CN: Center Cluster Node: Idle CN: Center 4 CN: Frontier 2 3 Query flooded to network 1 Cluster Centers gather data 2 Event In-Clustering processing 3 Sample data transmitted to sink 4 Sample data processed at sink 5

  42. 机上プロトタイプ • 無線移動端末 • PDA × 2 • WiFi Ad-Hoc Mode • 無線固定端末 • ノートPC × 5 • 有線LANで相互に接続 • WiFi Ad-Hoc Mode • Multi-Hop on Table-Topを全ノードに適用 • 無線通信範囲を数十cmに制限し，スケールダウン

  43. Personal Navigation • PDAはノートPCに自分の現在位置と目的地を伝える • ノートPCがPDAの目的地がどの方角かを計算し，PDAに通知する • PDAの画面に目的地の方角（矢印）がリアルタイム表示される 中継地点 目的地 初期位置

  44. Smart Advertising • PDAの移動履歴に応じて，同じ場所でも異なる広告がノートPCから配信される • コンテキストに基づく効果の高い広告を配信する 異なる情報が配信される

  45. Security System on street • 学童からのSOSを受信した近隣家庭の住民が現場に駆けつける地域セキュリティモデルに基づく • PDAが発したSOSが少なくとも1台のノートPCに届いていれば，設定半径内の全ノートPCが確実にSOSを受け取ることができる • 有線LANを経由してノートPC間でのSOSを受け渡し 写真内の3台のノートPCが設定半径内 ＝ SOSを受信中 ※設定半径はPDAから変更可能

  46. 西尾研でのフィールドワーク

  47. 携帯電話ネットワーク • one-hop無線 • 1基地局のカバーエリアは10Km四方 • 無線バンド幅は数10kbpsから数100kbps • サービスは携帯端末のみ(基地局はアンテナ) • ホットスポット • one-hop無線もしくは有線 • 1基地局のカバーエリアは数10m四方 • カバーエリアの隙間により移動ユーザには不向き • 無線バンド幅は数Mbpsから数10Mbps • ネットワークコネクティビティのみ提供 • アドホックネットワーク • multi-hop無線 • 端末のある限りカバー • N-hopするとバンド幅は数Mbps/Nに • インフラ不要 • 接続の信頼性が低い • ハイブリッドネットワーク技術による利点 • Multi-hop無線もしくは有線 • 1基地局のカバーエリアは数10m四方，Multi-hop無線でエリア拡大し移動ユーザに対応 • N-hopすると無線バンド幅は数Mbps/Nに，しかしアドホックよりも短かいホップで基地局に到達 • 携帯端末以外に基地局と連携したサービス提供 • 基地局がランドマークとなり位置情報機能を実現，近接事象のコンテキスト適応サービスに向く

  48. 市街地ネットワーク概要 ① ② 中継 移動 無線サブネット 光ファイバー インターネット接続 無線LAN インターネット ④ 無線サブネット ③ インターネット経由で 別の無線サブネットへ接続

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