成果報告書詳細
管理番号20150000000021
タイトル平成24年度-平成25年度成果報告書 IT融合による新社会システムの開発・実証プロジェクト (データ処理基盤分野)高信頼・低消費電力型スケーラブルM2Mデータ制御基盤の技術開発
公開日2015/5/29
報告書年度2012 - 2013
委託先名株式会社日立製作所 国立大学法人東京大学
プロジェクト番号P12009
部署名電子・材料・ナノテクノロジー部
和文要約(1)低電力データ制御向けメッシュネットの開発
(1A)高信頼・高効率な通信を実現するための上位プロトコルの開発
(a)同時送信型フラッディング技術を基礎として、高信頼・高効率な収集方式を開発し、既存方式と比較して、1/10程度の消費電力効率を達成した。
(b)開発した通信機構を利用して250台のセンサノードを大学キャンパス内に設置し、5分に1回程度の通信において、単三電池2本で1年から2年程度持続する見込みを得た。ネットワーク規模および省電力の観点から、十分な性能を実現できることを確認した。
(c)開発した通信機構を利用して、橋梁モニタリングおよび農場モニタリングに適用し、消費電力、スループットなどの観点から、十分な性能を実現できることを確認した。要求の異なる2つのアプリケーションを同一技術で高効率に実現できることから、従来の無線センサネットワークで必須であった、アプリケーションごとの作り込み作業が不要となり、実装容易化が可能であることを示した。
(1B)無線周波数920MHz帯における有効性検証
(a)ソフトウェア無線機(GnuRadio,USRP)を用いて,複数波同時送信を模擬し,同時送信型フラッディングの適用可能性を検証した。920MHzのIEEE 802.15.4gと2.4GHzのIEEE 802.15.4とを比較し,920MHz帯の場合には,周波数オフセットが,パケットロス率に与える影響が大きいことを明らかにした。
(b)920MHzのIEEE 802.15.4gを利用する場合には,変調指数を大きく取ることによって,この影響を低減できることを明らかにした。変調指数を1.5程度にすることで,±10kHz程度のキャリアオフセット耐性を実現可能なことを明らかにした。
(2)低電力データ収集向けスター型ネットの開発
 送信機に市販のRFチップベースとし、DSSS(直接拡散)方式を採用し、対ノイズ、対妨害波のBER特性に優れた低消費電力データ収集向けスターネットを開発した。受信機のアーキテクチャをシミュレーションおよびソフトウェア無線(GnuRadio)にて評価し、逆拡散後にFSK復調する構成を開発した。試作した送信機は、フィールド環境・使用状況において、計測周期が10分周期の条件下で、ボタン電池1個で、3年以上電池が持つことを示した。
(3)通信電力最適化データ制御・収集アーキテクチャ
(3A)通信電力を最適化するデータ制御・収集アーキテクチャの検討
 観測・送信と休眠を繰り返す間欠動作センサノードにおいて,比較較的緩やかに測定値が変化する農業用の温度センサ等のセンサデータに対して線形近似圧縮とゴロム符号化を適用することにより,高々0.3℃の誤差で送信データ量を10%以下まで削減し,送信回数を削減することによりセンサノードの消費電力量を従来比50%以下に削減できる見通しを得た。
(3B)センシングデータの制御アルゴリズムの検討
 線形近似送信方式を採用したセンサノードのデータを中継するルータノードの受信頻度は従来の10%以下となる。そのため,ルータノードの受信タイミングをセンサノードの送信確率に合わせて制約することにより,ルータノードの受信待機時間を削減する輻輳制御方式を開発した。輻輳なしの条件では,ルータノードの消費電力を従来比20%に削減できる見通しを得た。また,1分観測に対し平均遅延8.6分を許容することにより,センサノード5台が接続されたルータノードの消費電力を従来比7.6%まで削減できる見通しを得た。
英文要約1. Development of the low power wireless mesh network architecture for M2M data platforms
(1A) Development of upper layer protocols for reliable, efficient wireless communication
(a)We have developed a reliable, efficient collection protocol, and shown that the protocol can reduce power consumption by about 90%.
(b)To verify the effectiveness of the protocol, we have deployed 250 sensor nodes in our campus. Through this experiment, we showed that two AA batteries last from one year to two years even with this scale network.
(c)We have applied the developed protocol to two applications, which are structural health monitoring and agriculture monitoring. Although these two applications have completely different requirements, the protocol can support these applications efficiently. By using the protocol, the application developer can focus on applications itself without developing communication protocols.
(1B) Evaluation of constructive interference at 920MHz RF frequency
(a)We have evaluated concurrent transmission on IEEE 802.15.4g by using a standard software defined radio (GnuRadio and USRP). We have clarified that carrier frequency offset affects packet loss ratio of concurrent transmission.
(b)We have clarified that packet loss ratio dramatically decreases when we use large modulation index. When we set modulation index to 1.5, the protocol achieves 20 kHz carrier offset tolerance of about ±10 kHz.
2. Development of the low power wireless star network architecture for M2M data platforms
We have developed design of wireless star network architecture using the DSSS technology. We achieved low cost transceiver by using the RF-IC. We achieved the wireless receiver for reducing interference by using the architecture of the FSK demodulation after despreading. We have evaluated a wireless transmission by using a software simulation and a software radio (GnuRadio). We showed that a prototype transmitter using a button battery is continuously operating for more than three years under the conditions of 10-minute measurement intervals.
3. Development of the architecture to optimize power consumption of the data processing and the wireless communication
(3A) Study on the architecture to optimize power consumption of the data processing and the wireless communication
We have designed data processing and wireless communication protocol using piecewise linear approximation and Golomb coding. For agricultural use cases, observed data such as temperature or humidity sensor change relatively slow. Thus we achieved data compression rate and packet counts less than 10% and energy consumption of sensor node less than 50% under error rate 0.3 ℃.
(3B) Study on the algorithm to optimize power consumption of the sensor network system
"Piecewise linear approximation" reduces receiving frequency of the router node under 10%. Thus, we designed a congestion control to reduce the listening time of the router nodes. Under the conditions of no congestion, we can reduce power consumption of the router node to 20% compared to the conventional power consumption of the router nodes. Further, by allowing a 8.6 minute average delay per 1 minute observations, we can reduce power consumption of the router node to 7.6%.
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