1

自律分散協調システム論無線技術と自律分散協調

平成 19 年 6 月 21 日慶應義塾大学

政策・メディア研究科三次　仁 (mitsugi@sfc.wide.ad.jp)

2

ポイント

• 無線通信では– 多元接続（マルチプルアクセス）– アドホックネットワーキングにおいて分散協調制御が有効である。

• 分散協調制御における性能評価、安定性評価が重要である。– ALOHA 方式スループット– CSMA/CA による周波数利用効率

3

無線通信の応用分類衛星通信

http://www.jaxa.jp/press/2007/05/20070509_sac_kiku8.pdf

非接触ＩＣカード / パッシブ無線タグ

http://buffalo.jp/products/catalog/network/whr-hp-g54_ek/

無線ＬＡＮ

要求通信速度 / 帯域

通信距離

リモコン

10Mbps

アクティブタグ

1Mbps100kbps10kbps 100Mbps 1Gbps

1cm

10cm

1m

10m

100m

1km

10m

100km

http://www.ntt-at.co.jp/product/nire/index.html

http://www.nttdocomo.co.jp/product/foma/

携帯電話

ミリ波レーダ

無線中継

高速 PAN

4

無線ネットワークトポロジの分類

STA STA

AP

インフラストラクチャモード

IEEE 802.11

STA STA

STA

アドホックモード メッシュネットワーク

MPP

MP MP

MAP

STA STA

AP: Access pointSTA: StationMPP: Mesh portalMP: Mesh pointMAP: Mesh Access Point

5

無線ネットワークトポロジの分類

スター・トポロジ

IEEE 802.15. ４

ピアツーピア・トポロジ クラスタツリーネットワーク

ＦＦＤ： Full Function DeviceRFD: Reduced Function DevicePAN: Personal Area Network

FFD

RFD

FFD

Pan coordinator

6

無線ネットワークを構成するために必要な機能

１．変復調：デジタル信号を電磁波に重畳する、電磁波からデジタル信号を取り出すこと

２．多重化： 1 つの通信路に複数の情報を同時に伝送すること（ AP や FFD など複数のチャネルを有するデバイス）

３．多元接続： 1 つの通信路に複数の通信チャネルを確保し、通信チャネルでの混信を回避すること

４．経路制御：所定のあて先に情報を届けること

7

変調方式 (Modulation)

• 振幅変調ＡＳＫ (Amplitude Shift Keying)

• 位相変調ＰＳＫ（ Phase Shift Keying)

• 周波数変調 FSK (Frequency shift keying)

8

多重化 (Multiplexing)• 時分割多重 (TDM: Time Division Multiplexing)

– 周波数利用効率が高い– 端末側が最大通信速度に対応する必要がある

• 周波数分割多重 (FDM: Frequency Division Multiplexing)– 端末は自らが必要とする帯域分処理できればよい– チャネル間の漏れこみが起こり易い

• 符号分割多重 (CDM: Code Division Multiplexing)– 遅延波のエネルギー合成ができる– 符号数、多重度に限界がある

• 空間分割多重（ＳＤＭ： Space Division Multiplexing)– 周波数の再利用が可能– 指向性アンテナが必要

9

変調・多重化の実際デジタル信号処理可能

Ｃｈ１ 波形成型フィルタ

0. 0

0. 2

0. 4

0. 6

0. 8

1. 0

1. 2

414 914 1414 1914 2414 2914

0

2

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

0 1 0 1 1 1 0 0 1

変調

Ｃｈ２ 波形成型フィルタ 変調

デジタル信号処理可能

10

多元接続• TDMA （時分割多元接続）

– 複数アクセスを時間的に分割

• FDMA （周波数分割多元接続）– 複数アクセスを周波数的に分割

• CDMA （符号分割多元接続）– 複数アクセスを符号で分割

端末に固定的なスロットが定められていない状態で動的にチャネル割り当てを行うDemand Assignment⇔Pre-assignment

収容できる端末数を大幅に増大することができる

11

多重化 / 多元接続 / 複信

多重化

多元接続

複信：双方向通信の実現方式たとえばCDM/CDMA/FDD: W-CDMATDM/TDMA/TDD: IEEE801.11

12

無線ネットワークにおけるアクセス制御

STA STA

AP

一つの物理チャネルにアクセスする送信要求を制御すること

無線固有の問題

・通信帯域幅が限定されているので他の無線システムと周波数共用することが多い。

・端末が電池駆動していることもあるので、消費電力を極力抑圧することが望ましい。

・通信距離や、基地局 / 端末の種類によって電力が大幅に異なる。

13

アクセス制御方式

• ランダムアクセス方式– パケット生起が統計モデルであることを前提

とした分散協調制御

• ノンコンテンション方式– 制御局が集中的にアクセスを制御して、輻輳

を避ける

14

多元接続方式とアクセス制御• 多元接続：無線チャネルの接続方式の違

い

• アクセス制御：同一無線チャネル内での複数アクセスの制御

個別無線（物理）チャネル

共通無線（無線）チャネル

W-CDMA の場合、コードと周波数で決まる

ランダムアクセス

データ量が少ないトラヒック

送信データが大量にある場合

15

ランダムアクセス方式• Pure ALOHA

– 勝手なタイミングでパケット送信を開始する– 簡単だがスループットが低い

• Slotted ALOHA– 送信時間スロットを区切った ALOHA 方式– 比較的簡単でスループット改善

• CSMA(Carrier sensing Multiple Access)– 送信する前に、チャネルの利用状況を確認する– すべての無線機からの送信を受信できることが

前提

16

Pure ALOHA 方式ＳＴＡ 1

ＳＴＡ 2

ＳＴＡ 3

パケット衝突

送信成功

時間

• 送信頻度を減らす＝衝突は少ないが情報が少ない⇔送信頻度を増やす＝衝突が増えるが情報量は多い

• 性能を最適化する分散協調制御が必要• 性能評価のためには送信頻度と衝突確立のモデルが

必要＝ポアソン分布

17

二項分布とポアソン分布

• 二項分布

ある時間で n 台のうち k台の端末が同時に送信する確率

ある時間に 1台の端末が送信する確率

総端末数

n 台の端末あたりの送信率 μ=npのほうが測定しやすい（総端末数がわからなくともいい）端末数 nが多いと近似して確率を μを用いて表す＝ポアソン分布

18

ポアソン分布

0.00001

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

0 2 4 6 8 10

x (送信タイミングが重なる台数）

確率

二項分布ポアソン分布

256 p=1/ 128台の端末がの確率で送信する場合

衝突数 n台あたりの送信確率

0.000001

0.00001

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

0 2 4 6 8 10

x (送信タイミングが重なる台数）

確率

二項分布ポアソン分布

64 p=1/ 128台の端末がの確率で送信する場合

ポアソン分布は測定が容易で近似精度がよいため、よく用いられている

19

Pure ALOHA 方式のスループット計算

送信パケット

パケット損失となる他パケット

１

送信開始時間

２

送信タイミング 2 つ連続で他パケットが送出されない条件

送信確率は μ なのでスループットは

20

Slotted ALOHA 方式のスループット計算

送信タイミング 2 つ連続で他パケットが送出されない条件

送信確率は μ なのでスループットは

送信パケット

パケット損失となる他パケット : 同一スロットのみ

１

送信開始時間

21

スループット比較

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

送信頻度

スル

ープ

ット

Pure ALOHASlotted ALOHA

分散送信制御であってもトラヒック量に基づく協調の有無によって性能が異なるSlotted ALOHA でも 40％程度の周波数利用効率である。

22

最適値の物理的意味

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

送信確率

確率

衝突パケットなし送信成功

P(0)= パケット無

P(1)= 送信成功

P(2以上 )=衝突

スロット数とパケット数が同一（送信確率１）とするとパケット損とパケット無しの割合が最適化されてスループットが最大となる

23

ALOHA 応用例無線タグのマルチリード

無線タグアンテナ

ゲートを通過している時間内に荷物の自動読み取りをする無線タグ（パッシブタイプ）に特徴的な課題・読み取り可能な領域が限定されているのでできるだけ早く読みたい・無線タグ同士はお互いの信号を聞き取ることができない・読み取りが終わったタグは休止するので、トラヒックが減じていく

24

無線タグ読み取りにおける ALOHA 方式

Reader

Frame1 Frame2

RN16

RN16

QueryAdjustACK

Tag1

Tag2

Tag3

EPC

RN16

ACK

EPC

ACK

EPCRN16

Query

Slot 1 Slot 2

Collision

Slot 3 Slot 4 Slot 1 Slot 2

RN16

QueryRep QueryRep QueryRep QueryRep QueryRepSelect

1 フレームですべてのタグを読み取るのではなく、複数フレームで読み取りを実現

25

現実の読み取り時間に影響を与える要因

• キャプチャ効果：パケットが衝突しても信号強度に十分な差分があれば、パケット損失を回避することができる

• 空きスロットと衝突スロットの検知時間の差分：衝突スロットの方が早く検知できる

理論的にはアクセス数（タグ数）とフレーム長を同一とすればよいが実際には詰めたほうが早く読みとりを行うことができる

26

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

4 5 6 7 8

Q

ms

Complete CapturingComplete CollisionExperimental

無線タグの読み取り時間実測32個のタグ

フレーム数 = 2^Q

読み

取り

時間

フレーム数をタグよりも少し小さくすると読み取り時間が短縮できる

27

乱数の生成• ランダムアクセスでは、生成する乱数の相関に性能が影響される。

• 乱数生成の代表的な手法– Congruential generators

xo = 1, a = 37, b = 1, k= 6 とすると

{1, 38, 63, 28, 13, 34, 43 ・・・・｝どのくらいランダムか定量化する方法＝自己相関 (Auto-Correlation)

時間 τ 離れた位置での自己相関 平均 τ 時間離れて同じ事象が起こるのであれば、自己相関は大きくなる

28

Congruential generator の自己相関

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200時間間隔

正規

化自

己相

関

64 64

64

128

6bit mod 7bit mod

乱数発生といっても現実的には有限の周期を有する周期は割り算のビット数に依存する

29

乱数の生成LFSR(Linear Feed Back Shift Register)

• Congruential generator の課題– ハードウェア処理の面から掛け算は避けたい– modulo の割り算母数を効率的に大きくしたい

• LFSR– n ビットの数値を特定のビット列（生成多項式）で割り算した

ときの余りで乱数を表す– フィードバックとシフトで繰り返す（ XOR とシフトレジスタ

で対応可能） 111010101001

余り相当 10011ビット毎の XOR で求めることができる

b0 b1 b2 b3 b4

XOR 生成多項式 =x5+x3+1

30

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200時間間隔

正規

化自

己相

関

64

63

LFSR の自己相関6bit congruential generator

6bit LFSR

簡単なハードウェアで長周期の乱数を作れるため LFSR は PN 符号生成法として一般的

31

フレームアロハにおける乱数生成ビット数の影響

256 タグの読み取りを 128 スロットのフレームアロハで行う場合のスロット選択に用いる乱数生成ビット数による残留タグ数

0

50

100

150

200

250

300

5 6 7 8 9 10乱数生成ビット数

残留

タグ

数

32

CSMA/CACarrier Sensing Multiple Access/Collision Avoidance

ＳＴＡ 1

ＳＴＡ 2

ＳＴＡ 3

時間

Busy

Busy Busy

Busy Busy

Busy

使用するチャネルの使用状態を受信し、一定のレベル以下であれば送信を開始する

要求条件・すべてのＳＴＡの送信を実質的に受信することができること。・ Busy から回復した後の複数ＳＴＡ送信の衝突を回避できること。・優先して送信する端末（チャネル）を設けることができること。

33

CSMA/CA

キャリアセンス一定待ち時間ランダムバックオフ データ送信

トラヒックに優先度をつける制御信号や免許局を優先

Busy 回復後の同クラスのトラヒック衝突を回避無線システム毎に優先度を変える

システムに応じて定義

34

CSMA/CA の実際 IEEE 802.11( 無線 LAN)

• 11a: • 一定待ち時間　 16μs, 25μs, 34μs• ランダム待ち時間　 15～ 1023 ( スロット） , 1 スロット 9μs （衝突した場

合には待ち時間が延びる）• 11b:

• 一定待ち時間　 10μs, 30μs, 50μs• ランダム待ち時間　 31-1023( スロット） , 1 スロット 20μs （衝突した場合

には待ち時間が延びる）

送信ＳＴＡ 1

ＳＴＡ 2

ＳＴＡ 3

時間

Busy

Busy

IFS バックオフ IFS

Busy

IFS(Inter Frame Space) ：一定待ち時間、バックオフ : ランダム待ち時間

バックオフ

35

CSMA/CA の実際 IEEE 802.15.4(Zigbee の物理 /MAC層 )

16 スロットCAS Inactive

Beacon CAS: Contention access period

16 スロットCAS Inactive 16 スロット

CAS InactiveBeacon modeSlotted CSMA

他キャリア発見ランダムバックオフ 他キャリア無し送信

Non-BeacomCSMA

他キャリア発見ランダムバックオフ 他キャリア無し送信

36

CSMA/CA の実際 UHF 帯無線タグシステム (日本・欧州の電波法

令）連続送信可能時間TX_ON

送信停止時間TX_OFF

デューティ制御

キャリアセンス時間LSTN

バックオフ時間BCK

最低限のキャリアセンス時間 キャリアセンス時間経過後の送信衝突を避けるための時間LSTN経過後に一定の長さのスロットをランダムに選択

送信制御

日本の電波法令出力 (EIRP) 4W の場合：キャリアセンスレベル -74dBm, キャリアセンス時間 5msec, TX_ON 4秒、 TX_OFF 50msec出力 (EIRP) 20mW の場合：キャリアセンスレベル -64dBm, キャリアセンス時間 10msec, TX_ON 1秒、 TX_OFF 100msec

37

CSMA/CA による重み付き分散協調制御の例高出力 RFID リーダと低出力 RFID リーダの周波数

共用1 2 3

4 5 6

7 8 9

1 2 3

4 5 6

7 8 9

x

y

5m

10

Reader1-9 は高出力型Reader10 は低出力型全部でチャネルは 13 ．高出力は ch1 – ch9 まで、低出力は ch4-ch13 が使える

高出力型チャネル

低出力型チャネル

低出力型 (Reader10) は高出力型と競合する場合には、低出力型専用帯域を利用。分散制御によって周波数の有効利用が実現している。

チャネル使用シミュレーション

38

CSMA/CA による周波数利用効率

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

Reader

Tota

l Tra

nsm

issi

on T

ime

(mse

c)

Non-AFA

AFA

f2

f8

f2 f5

f0

f7

f2

1 2 3 4 5

11 12 13 14 15

21 22 23 24 25

31 32 33 34 35

41 42 43 44 45

f6 f4

f1

f5 f3

f8 f7 f1

ランダムな方向を指向している 25台の RFIDリーダが CSMA/CA で分散協調制御している

ＡＦＡ： Automatic Frequency Allocation (開きチャネルを探す）Non-AFA: 各ＲＦＩＤリーダは固定チャネル

分散協調制御によって公平なリソース割り当てができる自動チャネル割り当てによって大幅に周波数利用効率を改善できる

39

CSMA/CA による優先トラヒックの実現シミュレーションモデル

13 14

23 24

33 34

43 44

x

y

x

y

リーダ／ライタのボアサイトは水平面（xy面）内でランダムに与える

1 2 3 4 5

11 12 13 14 15

21 22 23 24 25

31 32 33 34 35

41 42 43 44 45

x

y

1 2 3 4 5

11 12 13 14 15

21 22 23 24 25

31 32 33 34 35

41 42 43 44 45

x

y

非優先リーダがリーダ 23 の近接に配置される優先リーダも非優先リーダもチャネル 1-9 を利用する

80m20m

非優先リーダ出力 13dBmキャリアセンスレベル -64dBmキャリアセンス時間　 10msec

優先リーダ出力 36dBmキャリアセンスレベル -74dBmキャリアセンス時間　 5msec

40

CSMA/CA による優先トラヒック検討結果

キャリアセンス時間に差分をつけることで、自律分散制御によって優先トラヒックを実現することが可能

非優先リーダ

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

リーダ番号

総送

信時

間

41

3 基本チャネルを用いる非優先リーダが 14ch まで使う場合

→3 基本チャネルを用いる非優先トラヒックは自動周波数選択により競合する優先トラヒックのない 11 チャネルへ分散協調制御によって移動する

優先トラヒックのチャネル

非優先トラヒックのチャネル

低出力型リーダ

42

RFID リーダを高密度に配置する際の問題＝電波干渉

(1)

(2)

被干渉電子タグシステム

反射波

変調信号／ＣＷ

変調信号 / CW

被干渉リーダ

干渉リーダ

干渉電子タグシステム

（１）タグからの反射波電力が小さいため他リーダおよび別無線システムから保護する必要があるCSMA/CA で保護可能

（２）リーダ受信の問題が解決しても、タグ受信干渉が問題になる可能性がある。タグの受信帯域が広いためである。

タグ

43

タグ受信部の必要ＣＩＲ

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000Frequency separation Hz)（ｋ

C/I (

dB

)

Tag A sample 1Tag A sample 2Tag A sample 3Tag B sample 1Tag B sample 2Tag B sample 3

近接リーダが近接チャネルを使う場合には必要 CIR が大きくなる近接リーダはできるだけ離れたチャネルを使うことが望ましい

離隔距離５倍

離隔距離 3 倍

44

タグ受信ビートの要因

検波ダイオード

補間フィルタ LPF

アンテナ

・検波ダイオードの非線形性のためビートが発生・ LPF は最大伝送速度に対応できる帯域幅を有する・ LPF 帯域幅内に生じるビートは取り除くことが難しい

45

実際のビート成分

-1.0

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0 100 200 300 400 500Time (usec)

Dem

odul

ator

out

put(

V)

C/ I = 9dBC/ I = 18dB

近接したチャネルだとタグ復調時にビートが生じてしまう

46

空きチャネル検索アルゴリズム• 即時法：空いているチャネルをすぐ使う

• 最小電力法：すべてのチャネルを検査し、雑音最小なチャネルを使う

• 重み付き法：近傍チャネルの干渉状況を考慮してチャネルを評価し、評価がもっとも高いチャネルを使う

３つのアルゴリズムの有効性を数値シミュレーションで評価

47

重み付き法

Channel

１ 2 3 4 5

Carrier sense level

Weight function

48

計算モデル

5m

x

y 1 2 3

4 5 6

7 8 9

EIRP 36dBm のリーダライタ９台が５チャネルをキャリアセンス -74dBm で共有

評価法・ボアサイトを１００回ランダムに変更して、チャネル選択アルゴリズムによる１５秒間の総送信時間を比較

・選択チャネル間隔の比較（できるだけ離調したチャネルを選択しているほうが性能がよい）

49

送信時間の比較

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

0 20 40 60 80 100Trial

Sum

med

Tra

nsm

issi

on T

ime(

mse

c)

Minimum Power Weighted

Immediate

即時法を用いると、周波数利用効率が最小電力法と重み付き法に比して 3/4 程度に劣化する

50

タグ受信 CIR が劣化する条件CIR が悪くなった条件（重み付き法）

時間 (msec) 最低 CIR(dB)

被干渉リーダ

干渉リーダ

チャネル間隔

518 4.62 4 7 3

1021 3.14 5 6 2

1526 3.78 4 7 2

2296 3.13 5 6 2

2820 3.78 4 7 4

5m

x

y 1 2 3

4 5 6

7 8 9

リーダが正対している場合よりも平行配置している際に注意が必要

51

リーダ５，６の選択チャネル間隔比較

重み付き法によりチャネル間隔を自律的に拡大することができる

即時法 重み付き法

最小電力法

52

まとめ• 無線通信では

– 多元接続（マルチプルアクセス）– アドホックネットワーキングにおいて分散協調制御が有効である。

• 分散協調制御における性能評価、安定性評価が重要である。– ALOHA 方式スループット– CSMA/CA による周波数利用効率

53

参考文献• 松江、守倉、佐藤、渡辺、”高速ワイヤレスアクセス技術”、電子

情報通信学会、第 6 章アクセス方式• 立川、“ W-CDMA 移動通信方式” , 丸善、第 3 章無線システム• “Part15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical

Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs)”, IEEE Std.802.15.4.2006

• 斉藤、立川、“移動通信ハンドブック”、オーム社、第 5 章　アクセス方式と制御方式

• Gutierrez, Callaway, Barrett, “Low-Rate Wireless Personal Area Networks”, IEEE Press, Section 7 Network functionality

• 三次、”重みつきチャネル選択による RFID 間の分散的干渉回避” , 電子情報通信学会 2006 年ソサイアティ大会、 (2006). S43-S44.

• 丸林、中川、河野、”スペクトル拡散通信とその応用” , 電子情報学会、第 3 章拡散符号 , (1998)

• Hamming, “Numerical Methods for Scientists and Engineers”, Dover, (1974), Section 8 Random number