センサネットワークにおける

集団通信に関する基礎研究

北海道大学 工学部 情報エレクトロニクス系 情報工学コース 調和系工学研究室

学部4年 福井知子

背景

ユビキタス社会

無線センサネットワークの需要の増加

無線センサネットワークの応用例

空調・照明制御

セキュリティ

環境モニタリング

今後屋内空間（ショッピングモール，駅，空港など）に無線センサネットワークが普及

ZigBeeの特徴 低コスト・低消費電力・低速通信

ネットワーク内に最大65,535ノード接続可能

アドホックでマルチホップな通信が可能

スリープモードからの立ち上げ時間が短い

ネットワークトポロジはスター型・メッシュ型・ クラスタツリー型

ZigBee Bluetooth

標準仕様 IEEE

802.15.4

IEEE

802.15.1

通信速度 20 - 250kbps 1Mbps

通信距離 75m 10m - 100m

消費電力 60mW 120mW

駆動時間 数ヶ月～数年 数週間

ノード数 65,535 7

Bluetoothとの比較

総務省ユビキタスセンサーネットワーク技術に関する調査研究会（平成16年7月） 「ユビキタスセンサーネットワークの実現に向けて最終報告」参考資料4より抜粋

コーディネータ ルータ エンドデバイス

ZigBeeは無線センサネットワークに 適している

目的

集団通信の問題点

パケットロス率の増加

ネットワークへの接続時間の増加

伝送速度の低下

通信の遅延時間の増加

ZigBeeネットワークにおける集団通信の特性の検証

集団通信における安定したネットワークの構築

状況1：ネットワークへの接続

多数のユーザ

移動

1.接続要求

2.応答

ZigBeeネットワーク

接続に要する時間は？

接続したいルータにトラフィックが集中している可能性

天井

状況2：特定のルータへのトラフィック集中

？ ？ ？

ZigBeeネットワーク

1つのルータにトラフィックが集中する可能性

どれくらいの割合で パケットがロスする？

天井

実験に用いた機器

Ember社製 ZigBee準拠システムオンチップ（SoC）IC “EM250”

16-bit RISCマイクロプロセッサ搭載

FLASHメモリ（128ｋB）とRAM（5kB）内蔵

ルータ

ハブ

ISA ISA

Breakout board

network

LAN

WAN

アーキテクチャ

EmberZNet

アプリケーション層

アプリケーション・

サポート副層

ネットワーク層

メディア・アクセス層

物理層

ユーザ開発

ZigBee仕様

IEEE

802.15.4

EM250

ZigBeeチップ

PC

転送

（フラッシュメモリ 書き込み）

プログラム プログラム プログラム EZSP EZSP

プログラム

PC

シリアル通信

API利用

EZSP：

EmberZNet Serial Protocol

ZigBeeの通信

下位層のヘッダ

82バイト（可変） 133バイト

データペイロード

アプリケーション層から見たパケット

ルータ エンドデバイス

multicast ルータのアドレス登録

unicast

エンドデバイスのアドレス登録

unicast

通信成立

パケットの構成

ネットワーク接続手順

手順 ルータはあらかじめ複数のエンドデバイスと通信

エンドデバイス起動時 time=0

通信成立時の時刻を計測

設定 マルチキャスト間隔 ： 10[s]

パケットサイズ ： 133[byte] （最長） →送信速度133×8×40=42.56[kbps]

ルータと通信するエンドデバイス数 ： 0 - 7台

計測回数 ： 各台数30回

実験1

トラフィック量と接続に要する時間の関係を調べる

エンドデバイス起動

ルータmulticast

エンドデバイスunicast

ルータunicast

エンドデバイス成立

計測

実験結果

通信成立までの時間[s]

成立回数

：通信成立までの平均時間

・トラフィック量の増加に伴い通信成立までの平均時間が増加した

エンドデバイス0台

4.28[s]

4.03[s]

6.22[s]

7.03[s]

5.86[s]

7.67[s]

7.12[s]

12.14[s]

エンドデバイス1台

エンドデバイス2台

エンドデバイス3台

エンドデバイス4台

エンドデバイス5台

エンドデバイス6台

エンドデバイス7台

実験2

手順 エンドデバイスからルータへunicast

エンドデバイス側で送信パケット数，

ルータ側で受信パケット数をカウント

設定 unicast間隔 ： 1/40[s]

パケットサイズ ： 133[byte] （最長） →送信速度133×8×40=42.56[kbps]

同時に通信するエンドデバイス数 ： 2 - 7台

1回の試行時間 ： 3分間

計測回数 ： 各台数5回

トラフィック量とパケットロス率の関係を調べる

send

receive

loss

N

Nr 1　

パケットロス率

実験結果

・トラフィック量の増加に伴いパケットロス率も増加した

・エンドデバイス数が3台以上になるとパケットロス率にばらつきが出た

・エンドデバイス数が6，7台になると受信可能バイト数が減少した

3分間の総受信バイト数

平均パケットロス率と 標準偏差

まとめ

ルータと通信しているエンドデバイスが6台までは平均10秒以内で通信成立

ルータの通信量は同時通信3～5台で最大

今後の課題

エンドデバイス数に対するルータ数の検討

ホップ数と遅延時間との関係の検証