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

2 修士研究発表 ： 中村 遼

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

3 修士研究発表 ： 中村 遼

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

4

根本的な問題解決にはならない

[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.

修士研究発表 ： 中村 遼

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．

5 修士研究発表 ： 中村 遼

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

6

[2] H. Ochi, S. Tagashira, and S. Fujita, “A Localization Scheme for Sensor Networks Based on Wireless Communication with Anchor Groups,” IEICE Trans Inf Syst (Inst Electron Inf Commun 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

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 7

端末BQ1

BQ2

必要

BQ3

端末の座標 (X,Y) が求まる

修士研究発表 ： 中村 遼

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

8

送信側端末

受信側BQ

d [m]

受信信号強度P[dBm]

（ C,N ：定数）

受信信号強度とアンテナ間距離の関係

修士研究発表 ： 中村 遼

9

提案システムの全体図

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

7. 起動した AP からビーコン送信6. 端末に最適な AP を起動

8. 接続完了9. 通信終了10.AP の停止

BQ1

BQ2

BQ3

C3

端末の位置は ??

P1[dBm]

P2[dBm]

P3[dBm]

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

AP

修士研究発表 ： 中村 遼

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

10 修士研究発表 ： 中村 遼

機器の実装

11 修士研究発表 ： 中村 遼

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

12 修士研究発表 ： 中村 遼

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13

　 推定誤差

　10m以

内15m以

内最大値 93% 100%

平均値 82% 88%

平均値 (-75dBm以上 )

92% 98%

平均値 (-70dBm以上 )

93% 98%

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

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

14

ユーザ数 第 5講義室 第 7講義室 大講義室時限 時間帯 月 火 水 木 金 月 火 水 木 金 月 火 水 木 金

0 0:00-6:00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00.5 6:00-8:40 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 2 5 0

18:40-10:10

1 0 0 0 0 2 1 0 0 010

1 7 8 0

1.510:10-10:30

1 1 0 2 0 0 1 0 0 011

2 7 8 0

210:30-12:00

1 1 0 1 0 0 1 0 1 114

1 7 9 0

2.512:00-13:00

0 0 0 0 0 3 1 0 0 0 5 1 1 1 1

313:00-14:30

3 1 0 2 3 5 2 0 0 4 813

0 1 5

3.514:30-14:50

1 1 1 2 2 1 1 1 1 312

13

3 1 6

414:50-16:20

1 2 2 2 2 1 1 4 0 410

13

7 2 6

4.516:20-16:40

0 2 0 2 1 1 2 1 0 3 5 3 1 0 5

516:40-18:10

0 2 0 1 0 1 3 1 0 0 1 2 1 0 0

5.518:10-20:00

0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0

620:00-24:00

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

例：大講義室での AP 利用者数の変化（火曜日）

AP のユーザプロファイル

※ 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

シミュレーション環境

15

10m

10m

2m

16m 16m2m

教卓

教卓

教卓

通路

講義室 A

講義室 B

講義室 C

2m

2m

2m

34m

22m

4m4m

4m4m

2m

2m

11m

BQ1

BQ2

BQ3AP1

AP2

AP3

AP4 AP5

AP6

AP7 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

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

修士研究発表 ： 中村 遼

シミュレーション結果

16

シミュレーション環境１

1週間の消費電力量

[kWh/week]

平均消費電力[W]

一般接続システム 11.76 70

Location 接続システム

7.33 43.6

AP 電源制御システムの消費電力の変化

消費電力を約 38%削減することができた

修士研究発表 ： 中村 遼

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』

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