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スマートアンテナを有効利用する無線ネットワーキングの現状と将来

静岡大学 創造科学技術大学院渡辺 尚

２００９年１０月 ８日電子情報通信学会 ＡＰ研究会

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アウトライン• 背景

– ユビキタス，情報爆発・洪水

• スマートアンテナを有効利用するアドホックネットワーク

– 位置情報，指向性隠れ端末・デフネス対策、指向性ブロードキャスト

– 実機による実装実験• UNAGI/ESPAR，USRP2による実験

• 将来展望

3

ユビキタス，情報爆発・洪水• 通信する人・物が増える，移動する• 通信する相手が増える

– 構成要素の増加• 人，物，環境• M2M （５００億台とも言われている）

– 構成要素間の組み合わせ• 人対人，物対人，混在（一人対二物 etc.）

– 構成要素内のグループ化• 一人対二人，一人対二物，百物対環境

• 通信する内容が増える– 電話、データ、静止画、動画、高精細化

• 通信要求が増える– 従来は考えられなかった通信機会、どうでもいいのに通信する、（固

定料金制）

人

物 環境

無線通信はますます重要となる通信範囲を小さく ー＞干渉低減，マルチホップ

4

スマートアンテナを有効利用するマルチホップネット

• スマートアンテナ：電子的に指向性を制御可能– アダプティブアレイ– スイッチドビームアンテナ– セクタアンテナ– ATR ESPAR（Electronically Steerable Passive Array Radiator）

Vivato（米国）、Motia（米国）

– 空間利用効率の向上と通信距離の延長の効果を期待可能

空間利用効率の向上による効果

通信距離の延長による効果無指向性アンテナ

5

指向性プロトコルに関する課題

• 位置情報の取得 SWAMP

• デフネス問題 RI-DMAC, DMAC/DA, Alternative Cast

• 指向性隠れ端末問題 BRTS, 直交ルーティング

• 指向性さらされ端末問題 Lora

• 現実の電波伝搬を考慮した方式– アンテナマイナローブ SWAMP-RDR, DMAC-PCDR

– フェージング

– キャリアセンス可能領域とデータ受信可能領域の差

– ブロードキャスト 複数ローブレート制御方式

代理端末協調方式

6

SWAMP

• IEEE 802.11 DCFベース

• NHDI（Next Hop Direction Information）による位

置情報取得問題の解決

• 2つのアクセスモード

– OC-mode (Omni-directional Communication area access)

• 送受信ノード間での位置情報交換

• 近隣ノードへの位置情報配布（SOFの追加）

• 空間利用効率の向上（omni-NAV）

– EC-mode (Extended Communication area access)• 通信距離の拡張により2ホップを1ホップで実現

Smart antennas based Wider-range Access MAC Protocol

１）位置情報取得への対処

7

Acquisition of NHDI (B)

AN MAC: SWAMPSmart antennas based Wider-range Access MAC Protocol

RTS(OB) RTS(OB)

CTS(OB) CTS(OB)

SOF(OB) SOF(OB)

DATA(DL)

ACK(DL)

d

Omni-NAV

Omni-NAV

Acquisition of NHDI (C)

B CA D

＊NHDI：Next Hop Direction Information＊SOF: Start of Frame

RTS (DH)

CTS (DM)

DATA (DM)

ACK (DM)d

B CA D

OC-mode (Omni-directional transmission range Communication mode)

EC-mode (Extended transmission range Communication mode)

OB

DL

OB

DL DHDMA’s NHDI Table

ID X

NHDI

LxTTL30

C LC 70

8

スループット特性

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 5 10 15 20 25 30 35 40λ (packets/s)

Agg

rega

te T

hrou

ghpu

t (M

bps)

SWAMP (OC+EC)SWAMP (OC)IEEE 802.11

9

指向性ＭＡＣの通信失敗原因

0102030405060708090

100

0.1 0.5 1 1.5 2 2.5 3 4 5 6 7 8

Sending Rate (Mbps)

Failu

re F

acto

r (%

)

Deafness RTS collisionCTS collision DNAV blockingDirectional hidden-terminal problem

Failure factors of DMAC in multi-hop networks

Deafness問題

10

RTS DATA

指向性隠れ端末問題• 指向性と無指向性のアンテナ利得の違いに

よって発生する問題 [Choudhury et al. MobiCom ’02]

– 指向性の利得 ＞ 無指向性の利得

– 受信電力 ∝ 送信電力＊送信利得＊受信利得

A B C

指向性隠れ端末

２）指向性隠れ端末問題への対処

11

• MAC指向性隠れ端末になる可能性のある端末に通信を気づかせる

– High Gain CTS– Backward RTS– Relayed CTS

• ルーティング– 直交ルーティング

3方式の提案

指向性隠れ端末問題への対処

12

指向性隠れ端末問題MACでの対処(1)

• Backward RTS (BRTS) による方式– 送信端末は通信開始前に180°後方にBRTSを送信

⇒指向性隠れ端末はNAVを設定

– 問題点：

・ BRTSフレーム追加によるオーバーヘッド

・ 送信端末は宛先端末と通信ができなくても

BRTSによって他の端末の通信を延期

X D②NAV

①BackwardRTS

S

指向性隠れ端末

③RTS

13

指向性隠れ端末問題MACでの対処(2)

• High gain CTS (HCTS) による方式– 宛先端末がCTSを高利得なビームで送信 (HCTS)

⇒指向性隠れ端末はNAVを設定

– 問題点：アンテナ利得を大きくする必要 (Omni×8)

SX D③NAV ②High gain CTS

指向性隠れ端末①RTS

14

指向性隠れ端末問題MACでの対処(3)

• Relayed CTS (RCTS) による方式– 送信端末は宛先端末からのCTSを受信後

180°後方にRCTSを送信

⇒指向性隠れ端末はNAVを設定

– 問題点：RCTSフレーム追加によるオーバーヘッド

X D④NAV

③RCTS S

指向性隠れ端末

①RTS

②CTS

15

MACでの対処：性能評価(1)

HCTS, BRTSによる性能の向上

⇒すべての指向性隠れ端末を抑制

• HCTS, BRTS性能評価(1)：直進モデル

24

9

14

19

0

200

400

600

800

1000

0 400 800 1200

Sending Rate (Kbps)

Agg

rega

te T

hro

ugh

put

(Kbps)

SWAMP<EC>

EC(HCTS)

EC(BRTS)

16

• ルーティングレベルでのアプローチ– 自身のルートの直進性をなくす（考慮するルート：1本）

– 近隣ルートとの平行性をなくす （考慮するルート：複数本）

まずは一本のルートの直進性をなくす

S

S

D

D

ORP (直交ルーティング)

S

S

D

DS D

S D

S’ D’

指向性隠れ端末問題ルーチングでの対処(1)

17

0

200

400

600

800

1000

0 400 800 1200

Sending Rate (Kbps)

Agg

rega

te T

hro

ugh

put

(Kbp

s)

MMAC

SWAMP<EC>

DMAC(900m)

DMAC(250m)

SWAMP<OC>

802.11

経由端末• IEEE 802.11 DCF• SWAMP(OC-mode) • SWAMP(EC-mode) • DMAC• MMAC

24

9

14

19

1. IEEE 802.11 DCFに対する性能・ホップ数の削減による性能の向上 (①MMAC, ②SWAMP<EC>)・送信範囲の限定 による性能の向上(③DMAC(250m))

2. DMAC(250m,900m)の比較・過度に高利得なビームは性能を落とす(④DMAC(900m))

a b c d e

： (a-b-c-d-e)： (a-b-c-d-e)： (a - c - e)： (a-b-c-d-e)： (a - d-e)

ORP性能評価（1）：直進モデル

①

②

③

④

18

経由端末• IEEE 802.11 DCF• SWAMP(OC-mode) • SWAMP(EC-mode) • DMAC• MMAC

： (a-b-c-d-e)： (a-b-c-d-e)： (a - c - e)： (a-b-c-d-e)： (a - d-e)

ORP性能評価（2）：交差モデル

高利得なビームを用いるSWAMP<EC>， DMAC(900m)は直進モデルに比べ高い性能

直進モデル 交差モデルSWAMP<EC> 500Kbps ⇒ 800Kbps①DMAC(900m) 100Kbps ⇒ 350Kbps②

0

200

400

600

800

1000

0 400 800 1200

Sending Rate (Kbps)

Agg

rega

te T

hro

ugh

put

(Kbp

s)

MMAC

SWAMP<EC>

DMAC(900m)

DMAC(250m)

SWAMP<OC>

802.11

24

9

14

19

ab c d

e①

②

19

• 通信したい相手がビジーであることを知らないために発生する問題

• SはA-B間の通信に気づかず、Aに対してRTS (Request To Send) 送信

バックオフの増加（チャネルの無駄）

パケットの廃棄（リンクエラー）

遅延の増加

３）Deafness問題への対処

DATA

ACK

...

RTS2RTS1

RTS3

RTS7

Packet Drop

...

S

A B

DATA

ACK

Deafness問題

20

問題の本質と一解決策• 指向性隠れ端末・deafness問題への対処

– 両方の問題は通信中の端末は他の端末の通信状況がわからないことが原因

20

通信中の端末の代理端末を立てる

あと3分待って！じゃあ3分後にしよう！

両方同時に対処する指向性MACプロトコルを提案

Aさん

Bさん

Cさん

21

代理端末による協調方式（指向性隠れ端末問題への対処）

YX MZ

1. XとYはRTS/CTS交換2. XはRESフレームを送信し代理端末としてMを選択3. MはXの方向にBCTSフレームを送信4. BCTSを受信したZは、XとYの通信が終わるまで待機

赤：送信ビーム 青：受信ビームZ X M YRTS

CTS

RES

BCTSDATA

ACK

RTS

代理端末が隠れ端末の送信を待機させることで，隠れ端末問題を回避

22

代理端末による協調方式（Deafness問題への対処）

YX

赤：送信ビーム 青：受信ビーム1. XとYはRTS/CTS交換2. XはRESフレームを送信しMを代理端末として選択3. MはXとY以外の方向に巡回受信4. ZがXに向かって通信を開始5. MはXの代わりにZからのRTSを受信6. MはZにRCRフレームを送信し、XとYの通信終了時間までZに待機

Z X M YRTS

CTS

RES

DATA

ACK

RTS

RCR

M

Z

代理端末がdeaf端末の送信を検出し，送信を抑えることで，deafness問題を回避

23

代理端末の選択方法

• 代理端末の選択方法1. RTS・CTS受信範囲内にあるノードから選択

2. RES受信範囲内にある依頼元端末に一番近い距離に

あるノードから選択• 代理端末候補の位置情報は事前にHelloパケットで交換

• 周囲に代理端末になるノードがいなかった場合– そのままDMACと同じ処理を行う

24

性能評価(1/2)• シミュレーションパラメータ

指向性送信距離 500m

ビーム幅 30°無線通信速度 11Mbps

パケットサイズ 1024byte比較対象MACプロトコル DMAC

シミュレーション計測時間

300s

25

性能評価(2/2)• Deafness問題発生時シミュレーション

3

24

1 45°

500m500m

シミュレーショントポロジ

2-3間のレート大⇒deafness問題が発生⇒RTS再送回数の増加

提案方式はRTS再送回数軽減

26

Alternative Cast • マルチルートは本来信頼性を高めるために使用

• データを交互に送信しDeafness対策

• ルート分割の容易な指向性アンテナで有効

S D

A C

E

B

F G

packet1

packet2

packet1packet2packet3packet3

r1 r1:S→A→B→C→D

r2 r2:S→E→F→G→D

p1

p2

p3

time

27

ACシミュレーション評価1

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2

Sending Rate (Mbps)

Dea

fnes

s C

onut

Alternative CastConventional

Deafness発生数

Deafness発生数が2Mbpsのときで約1/5

28

ACシミュレーション評価2

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

Sending Rate per Session (Mbps)

Agg

rega

te T

hrou

ghpu

t (M

bps

Alternative(dir)Comventinal(dir)Comventinal(omni)

低負荷では既存方式が高スループット高付加では提案方式が高スループット

29

複数ローブレート制御ブロードキャスト(MRB/ML)29

• 既存のブロードキャスト手法– 無指向性アンテナ

• 固定の低送信レート– IEEE 802.11b/gは2Mb/s

• マルチレート環境

– 最低レートに合わせる

– 指向性アンテナ• セクタアンテナによる巡回送信（sweeping）

⇒ オーバーヘッド大

12

3

4

5

n12

3

4

5

n

指向性アンテナの利点を十分活用していない

ユニキャスト送信時S⇔D1は24Mb/sS⇔D2は11Mb/sS⇔D3は5.5Mb/s

最低の5.5 Mb/sで

ブロードキャスト

４）ブロードキャスト・マルチキャスト

30

複数ローブ・レート制御ブロードキャストMRB/ML

30

• Multi-Rate Broadcast with Multiple Lobes• 指向性アンテナを利用した複数ローブによる送信レート制御

ブロードキャスト– 各ノードに対して高ゲインが得られるようビーム形成

⇒ 高い送信レートを選択可能

ユニキャスト送信時S⇔D1は24MbpsS⇔D2は11MbpsS⇔D3は5.5Mbps

24 Mb/sでブロードキャスト!

31

• ESPARアンテナ指向性計算プログラムを利用

• 豊橋技科大学 大平研究室の協力

• 30度の間隔で

1方向指向性→１パターン

2方向指向性→11パターン

3方向指向性→55パターン

4方向指向性→165パターン

5方向指向性→約400パターン

約700パターンの中から選択

MRB/ML

32

MRB/ML

• 指向性ブロードキャスト手順– 近隣ノードの位置を事前に交換（Hello等）

– 位置から自ノードからの距離、角度計算

– 可能な最低送信レートを決定

– 複数ローブ形成によるブロードキャスト⇒ 同じような方向のノード群をグループ化

（０，１５０）

Ｓ

33

選択送信レート

• 選択される送信レートの割合を評価

– 送信ノードの位置は一箇所に固定

– 複数の受信ノードをランダム配置

– 位置から適用ローブ、送信レート算出

– あて先端末数2，3のときの評価

– 試行回数1万回

– ＩＥＥＥ802.11ｇ

端末数3個のとき →

33

Ｓ

Ｓ

34

0%

20%

40%

60%

80%

100%

OMNI DIRECTIONAL

1Mbps 2Mbps 5.5Mbps １１Mbps 18Mbps24Mbps 36Mbps 48Mbps 54Mbps err

周辺ノード数：3

平均 4.8 Mb/s 平均 9.9 Mb/s

提案手法は無指向性アンテナ利用時と比較して高送信レートブロードキャストを実現

提案手法は提案手法は無指向性アンテナ利用時と比較して高送信レートブロードキャスト高送信レートブロードキャストを実現を実現

0%

20%

40%

60%

80%

100%

OMNI DIRECTIONAL

1Mbps 2Mbps 5.5Mbps １１Mbps18Mbps 24Mbps 36Mbps 48Mbps54Mbps err

レー

ト選

択割

合

平均 11.7 Mb/s 平均 17.3 Mb/s

レー

ト選

択割

合

周辺ノード数：2

MRB/ML基礎評価

35

Flooding評価（1/3）

• Floodingによるブロードキャ

スト成功率比較

• ブロードキャスト成功率

– 全端末が受信できる確率

• 無指向性と指向性

• 3×3格子配置

• パケットサイズ１０２４bytes• 近隣情報は取得済み

• 単純Flooding – 未受信パケットは再ブロー

ドキャスト

１ ２ ３

近隣端末情報

無指向性で通信可能範囲

ノード１→２、４、５

ノード５→全端末

４ ５ ６

７ ８ ９

36

Flooding評価（2/3）

0%

20%

40%

60%

80%

100%

OMNI DIRECTIONAL

2Mbps 5.5Mbps 11Mbps

• 5方向指向性→右上

• 3方向指向性→右下

• 選択送信レート

37

Flooding評価（3/3）

broadcast succuess ratio

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1 2 4 8 16 32 64λ（packets/sec）

succ

esss

rat

io

DirectionalOmni

提案手法は無指向性アンテナ利用時と比較して高いブロードキャスト成功率を実現

提案手法は提案手法は無指向性アンテナ利用時と比較して高いブロードキャスト成功率を高いブロードキャスト成功率を実現実現

高送信レート → 速いデータ送信 → 衝突回数の減少

→ブロードキャスト成功率の向上

38

ESPAR antenna

GPS, GYRO

RF module

Ubiquitous Networking system with Adaptively Gain-controlledantennas for performance Improvement MOBICOM2007にてデモ3位

実装実験Ａ UNAGI/ESPAR

39

ESPARアンテナ(ATR)

LNA

#1

#0 #2 #3

#4#5 #6

adaptation

… …

LO mixer

output

control

A/D reference

feedback

reactors

12cm

40

テストベッドの構成ZigBeeチップ

Chipcon社 CC2420•仕様帯域 : 2.4GHz帯•通信速度 : 250kb/s•通信距離 : 10-75m•送信電力制御 : 32段階

USB

ライタ

GPS

GYRO

USBAVR8bitマイコン

ATMRL社 ATmega128L• レジスタ32個、134命令、最大8MHz• 128kByteのプログラム用フラッシュメモリ• 4kByteの内蔵SRAM…変数などを割り当て• 64kByteの外部メモリ空間…送受信バッファに利用• USARTシリアル通信機能…RS232c、ZigBee • C言語によるプログラミング環境

→ ライタによる内蔵プログラム更新

外部メモリ

無線モジュール部

位置・方位測定部

41

Encapsulation of MAC frame(MAC in MAC)

ZigBee(IEEE802.15.4)MAC layer

DATA Frame

Target MAC Frame

FrameControl

SequenceNum. Address Payload FCS

SequenceNum.

FrameType Payload TrailerAddress

IP datagram

42

Experimental Results

X

43

21

0

50

100

150

200

250

0 10 20 30 40 50 60

X (m) (

Thro

ugh

put(k

bps)

IEEE 802.11

SWAMP

指向性の効果によりスループットが向上

43

USRP2GNU Radioを動作させるPC

アレイ型パッチアンテナ

アンテナ制御装置

• 特定実験試験局– 5.11GHz– ４台の送信機

– 静岡大学情報通信研究グループ

• Shizuoka Univ. Communications Research Gp. (SUCOM)

• USRPのwiki– 東京大学森川研究室 猿渡

助教

– http://www.mlab.t.u-tokyo.ac.jp/~saru/usrp

USRP2/GNU Radioによる実装実験

2009/10/21 東北大学にてチュートリアルを開催 信学会AN研・SR研主催

44

GNU RadioとUSRP• GNU Radio

– 高級言語で無線の物理層を記述可能

– 他のソフトウェア無線はFPGAメイン

– PythonとC++• USRP（Universal Software Radio Peripheral）

– 無線のフロントエンド

– USBタイプ（USRP）とギガビットイーサタイプ（USRP2)– オプションのドータボードで周波数帯を選択

• デモ– http://www.youtube.com/user/watalab

• http://www.youtube.com/watch?v=O40JwxvCbUo• http://www.youtube.com/watch?v=jMnJzHCgaNg

45

静岡大学情報通信研究グループ

• 静岡大学 渡辺 尚（代表）、水野 忠則、桑原 義彦、杉浦 彰彦、大内 浩司、石原 進、和田 忠浩、萬代 雅希、峰野 博史、石橋 功至、木谷 友哉、羽多野 裕之、山川 俊貴、椋本 介士、高柳 正勝

• ATR 小花 貞夫、四方 博之

• 三菱電機 渡辺 正浩

• 通菱テクニカシステム 木崎 一廣

• 東京大学 森川 博之、猿渡 俊介

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まとめにかえて

• スマートアンテナを有効利用するには– 位置情報

– 隠れ端末問題，デフネス問題への対処

– 有効に利用するアプリケーション• ブロードキャスト，マルチキャスト

• 今後の方向性– 今までの研究：時間，空間効率を理論的に追求が多い

– 実用化を目指した研究• レイヤを超えたコラボレーション

– 物理層＋MAC＋ルーティング＋トランスポート＋アプリケーション

• ユビキタス社会への貢献をより強く意識した無線システム

• GNU Radio等による実装実験

47

アプリケーションと将来展望

• 総務省H20年度情報通信白書（活力あるユビキタス社会）– 地域格差

– 情報通信産業の成長と国際競争力強化

– 新たな国民生活• 通信構成要素の変化

• 消費動向の変化

– エコロジー

– 少子高齢化

• 消費動向の変化

– 個人化

– ロングテール• ジップの法則が不成立

– 旧来型メディアの衰退とCGM• 合業

– 作る人＝使う人

– ピラミッド構造の崩壊

• 著作権の放棄？

• ローデータの徹底的な収集

– google street view