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センサネットワークにおける協調型データ蓄積方式 に関する研究

センサネットワークにおける協調型データ蓄積方式 に関する研究. 情報学研究科 2 年　 7083-0040 渡辺研究室　 高田 悠 修士最終発表 2010 年 2 月 22 日. 0 目次. 背景・目的 提案方式 CB CB の評価 提案方式の拡張 ECB ECB の評価 考察 まとめと今後の課題. 1 背景・目的 （ 1/2 ）. センサネットワーク 多数の小型センサノードでイベント観測 ノードはセンシングしたデータをシンクへ送信 ノードのリソースの制約 処理能力 , 通信機能 , バッファサイズ センサノードの省電力化は重要

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センサネットワークにおける協調型データ蓄積方式 に関する研究

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  1. センサネットワークにおける協調型データ蓄積方式に関する研究センサネットワークにおける協調型データ蓄積方式に関する研究 情報学研究科2年　7083-0040 渡辺研究室　高田 悠 修士最終発表 2010年2月22日

  2. 0 目次 • 背景・目的 • 提案方式 CB • CBの評価 • 提案方式の拡張 ECB • ECBの評価 • 考察 • まとめと今後の課題

  3. 1 背景・目的 （1/2） • センサネットワーク • 多数の小型センサノードでイベント観測 • ノードはセンシングしたデータをシンクへ送信 • ノードのリソースの制約 • 処理能力, 通信機能, バッファサイズ • センサノードの省電力化は重要 • 画像、音声などの情報を用いた高度な観測 • 小型で安価なCMOSセンサ、カメラ、マイクロフォンなどの開発 ノード シンク カメラ（レンズ径1mm） 数百万画素

  4. 目的：遅延耐性がある大容量データを扱え, 　　　　かつ消費電力の少ないセンサネットワークの構築 1 背景・目的 （2/2） • データの特徴 • 従来 • 気温, 湿度, 光などの数値データ　→ データ量が小さい • 本研究で対象とする高度センサネットワーク • データ量が多い • イベントの発生時にバースト的に発生 • 遅延に対する制約は緩い • 適用事例 • 動物の生態観測, 海上治安維持, 犯罪捜査, 深海水産資源開発など • 従来のマルチホップ型はデータの中継による消費電力が大きい 例）動物の生態観測 広範囲, イベント発生頻度は低い 観察車両を移動シンクとして利用

  5. 本研究では, 複数のノードでデータを蓄積する • Cooperative Buffering (CB)を提案 • 複数の近隣ノードと協調してデータをバッファ • ノードのハードウェア的制約はそのままに　 シンクの到着まで大容量データを蓄積→ ノードの省電力化と大容量データ蓄積を実現 2 提案方式 CB (1/4) • ノードは, 発生データを自身のバッファに蓄積し, シンクの到着を待つ • ノード単体のバッファではシンクの到着前にデータがあふれる • 関連研究（移動シンクを利用するセンサーネットワーク） • Data Mules[R. Shah, S. Roy, S. Jain, and W. Brunette., IEEE Workshop on Sensor Network Protocols and Applications (SNPA), 2003] • DFT-MSN’s[Y. Wang, H. Wu, F. Lin, and N. Tzeng., IEEE JOURNAL ON SELECTED AREAS IN COMMUNICATION, Vol 26, No.5, pp.809-819, June 2008]

  6. シンクの移動パターン • ランダムに移動 • 全ノードを巡回訪問 • ノードからの依頼で移動 2 提案方式 CB (2/4) Cooperative Buffering (CB) の概要 • 発生データを近隣のノードと協調して蓄積 • 送信すべきデータが残っている・・・ • マルチホップでさらに1ホップ先のノードへ • CBで蓄積したデータをシンクが回収 大容量データ発生ノード （ソースノード） D4 source node D3 D1 D2 D5 D3 D4 D0 vacant node D1 D2 D5 sink generated data

  7. 2 提案方式 CB (3/4) <バッファの使用> • データ蓄積用 (buffer) とデータ転送用 (relay) の2つに分割 • 転送用は2ホップ以上離れた協調ノードへのデータ送信に利用 ＜近隣ノードテーブル (Neighbor Table)＞ • Node_ID • HC （Hop Count） 　　　－　自分の先で0でないRBLをもつノードがいる最低HC • RBL (Remaining Buffer Level) 　　　－　自身からHC先のノードのRBLの合計値 buffer relay stored RBL (Remaining Buffer Level) 最も近距離（ホップ数が少ない場所）にあり, かつRBLが最大のノードへ蓄積

  8. 120 1 0 2 提案方式 CB (4/4) <具体的な動作例> CB開始 → データ送信 → テーブル更新 n7, 50 n8, 60 n6, 40 Node 1, 2, 3の合計 Node S’s Neighbor Table Node 3’s Neighbor Table n5, 20 n1, 30 n2, 40 ns , 20 → 0 n3, 50 n4, 20 蓄積用領域: 100

  9. 2 提案方式 CB (4/4) <具体的な動作例> CB開始 → データ送信 → テーブル更新 n7, 50 n8, 60 n6, 40 Node S’s Neighbor Table Node 3’s Neighbor Table n5, 20 n1, 30 n2, 40 ns , 0 n3, 50 n4, 20 最大RBL0になるまで送信 蓄積用領域: 100

  10. 2 20 2 20 70 1 2 提案方式 CB (4/4) <具体的な動作例> CB開始 → データ送信 → テーブル更新 n7, 50 n8, 60 n6, 40 Node S’s Neighbor Table Node 3’s Neighbor Table n5, 20 n1, 30 n2, 40 ns , 20 n3, 0 n4, 20 互いにテーブル情報交換 蓄積用領域: 100

  11. 評価指標：ノードの消費電力 全ノードの送受信消費電力 シミュレーションパラメータ 評価モデル 10×10の格子配置, ノード間隔：10m 通信距離：16m （8近傍と通信可能） ノードのバッファサイズ MICAzと同じ512kBを仮定 マルチホップ (MH)と比較したCBの優位性 MH： ソースから K ホップでシンクへ送信 CB：CBで蓄積したデータをシンクが1ホップで回収 node source node sink • データ発生間隔：1 sec（CBR） • MACプロトコル：CSMA/CA 2way • 通信速度電力消費 MICAz Moteに搭載されているCC2420（Zigbeeチップ）を基準 3 CBの評価 （1/3） （Zigbee 802.15.4を参考） (K = 1, 2, ..., 5)

  12. 3 CBの評価 （2/3） ＜マルチホップと比較したCBの優位性の評価＞ Improvement = EnergyMulti – EnergyCB 蓄積用buffer 256kB K = 5 K = 4 K ≧ 3 K = 3 K = 2 K = 1 • K = 1では Improvement が負の値をとる • Kが少ないときはマルチホップによるデータ中継が少ないため • K ≧ 3では Improvement が正の値をとる • マルチホップにおけるデータ中継の消費電力がCBを上回るため

  13. 3 CBの評価 （3/3） ＜バッファサイズ変化させたときのCBの消費電力量の評価＞ buffer= 128kB buffer = 256kB • 蓄積用バッファサイズが大きい程低総消費電力 • ノード単体でバッファできるデータ量が大きいため • 発生データ量が大きいほど消費電力の増加も大きい • 協調ノードへデータを送信する際のホップ数が増加するため

  14. 4 提案方式の拡張 ECB（1/3） • 課題 耐遅延でも遅延は短いことが求められる • 許容される伝送遅延の超過 データ回収時間を考慮したCBの検討が必要 • シンクの移動特性に適応した蓄積方式 Extended Cooperative Buffering (ECB) • CB：近傍ノード型（Concentric Type） • ECB1:ランデヴーポイント型（Rendezvous-point Type） • ECB2:経路沿線型（Along-route Type）

  15. 4 提案方式の拡張 ECB（2/3） ECB1:ランデヴーポイント型（Rendezvous-point Type） • rendezvous point直近のノードを中心とし, 通常のCB同様近傍ノードへ蓄積 • 付近まではマルチホップでデータを送信 rendezvous pointシンクが定期的に訪れる場所

  16. 4 提案方式の拡張 ECB（3/3） ECB2:経路沿線型（Along-route Type） • シンクの移動経路沿いのノードに蓄積 • ソースから最小ホップで届く経路付近のノードまでのデータ伝送には通常のマルチホップ sink’s route

  17. 5 性能評価 （1/2） node source node rendezvous-point sink sink’s route • 評価トポロジ ＜データ回収時間の評価＞ ECB2：経路沿線型 ECB1：ランデヴーポイント型 CB：近傍ノード型 ノード間隔：10 mシンクの速度：20 km/h※通信遅延は無視 CBに比べECB1, ECB2の回収時間が短い

  18. 5 性能評価 （2/2） ＜蓄積方式ごとの消費電力量の評価＞ ECB1: Rendezvous-point 蓄積用buffer 256kB • CBに比べてECB1, ECB2の消費電力が大きい • ソースからのマルチホップの分の消費電力が加算されるため • ECB2と比べてECB1の消費電力が大きい • ランデヴーポイントは１箇所しかなく, ホップ数が増えやすいため ECB2: Along-route CB: Concentric

  19. 6 考察 • 定性評価 • 回収時間および消費電力を考慮したセンサネットワーク構築 • アプリケーションやシンクの移動特性に応じた蓄積方式の選択が必要 CB1） Concentric Type, ECB1） Rendezvous-point Type, ECB2） Along-route Type 経路の構成, 長さにより変化　　ソースの位置により変化

  20. 7 まとめと今後の課題 • まとめ • 耐遅延データを扱う協調型データ蓄積方式Cooperative Bufferingを提案, 評価 • シンクまで一定以上の距離がある場合はCBが優位 • バッファサイズが大きい程全体の消費電力は少ない • シンクのデータ回収時間を考慮したCB (ECB)の提案 • データ回収時間, 消費電力の評価 • ECBはデータ回収時間の削減が可能, 一方で消費電力は高い アプリケーションやシンクの移動特性に応じた蓄積方式の選択が重要 • 今後の課題 • 実アプリケーションを想定した回収時間の詳細な評価 • 研究業績 (1) 高田悠，萬代雅希，木谷友哉，渡辺尚：[奨励講演] 移動シンクを用いた協調型データ蓄積方式，電子情報通信学会，ネットワークシステム研究会（NS）, Vol.109, No.228, NS2009-99, pp.127-132 (2009). (2) Takada, Y., Bandai, M., Kitani, T., Watanabe, T.: Cooperative Data Buffering with Mobile Sinks for Wireless Multimedia Sensor Network, Journal of Information Processing Society (JIP), Vol.18 (2010 年3 月掲載予定). 他，研究会3件，総合大会1件発表

  21. ご清聴ありがとうございました

  22. 補足資料

  23. センサネットワークの応用事例 • 防犯・災害予測 － 災害自動監視・警報 • 防犯・セキュリティ － 不正侵入・盗難防止 • 食・農業 － 温室管理, 天候・土壌モニタリング • 環境保全 － 産業廃棄マップ • 医療福祉 － 在宅健康管理チェック・在宅検診 • 交通 － 交通制御, 事故回避 • 構造物管理 － 老朽化監視（橋やビルなど） • 情報家電 － 家電遠隔操作 もともとは戦場にいる敵の監視からスタート

  24. 緊急を要するセンサネットワーク • 災害時の人命救助 • 倒壊した建物へ上空からセンサーばらまき • 生体反応があることを通知 • 在宅医療（発作, 心肺停止などの検知） • 症状, 危険状態を病院へ • 緊急車両の要請 • 犯罪者追跡 • 逃走車両のナンバー, 犯人の顔写真などで犯人特定 • 位置情報, 逃走した方角を関係者に通知 必要最低限な情報を素早く通知することが必要

  25. 緊急を要しないセンサネットワーク 中～長期的な観測への応用分野 • 環境観測 • 大気中の濃度（二酸化炭素, 有害物質等） • 農業観測 • 散布した農薬の濃度 • 葉の健康管理（カメラで葉の状態を定期的に撮影）田中 公祐, 佐藤 祐樹, 諏訪 敬祐, “ワイヤレスセンサネットワークにおける画像伝送技術に関する研究,” 武蔵工業大学 環境情報学部 情報メディアセンタージャーナル 第8号, April 2007 • 動物の生態観測 • 野鳥の生態観測 • 希少動物の撮影

  26. データ量の違い • MTS400（MICAz用センサ基板）のセンサデータ2軸加速度・気圧・光・湿度・温度 • 26 bytes • VGAサイズのフルカラー画像(640×480×24 bit) • 921, 600 bytes 921600 / 26 = 35446.1538 センサデータのおよそ35000倍

  27. 容量について • BSデジタルのフルHDを記録した場合, 単純計算で１分0.5~1G • HD放送で最も記録容量を必要とするのは、BSデジタルなどで採用されている「フルHD」放送だ。具体的には、「解像度：1920×1080」「動画フォーマット：MPEG-2」「音声フォーマット：AAC」「転送レート：最高24Mbps」となっており、2時間録画するために要する容量は約21.6GBとなる。つまり、フルHD放送の番組をそのまま録画する場合、「Blu-ray Disc」ならば片面1層ディスク（25GB）1枚で可能だが、「HD DVD」だと片面2層ディスク（30GB）でないと対応できない。 • 価格.comマガジン特集030-1 フルハイビジョンを満喫できる！次世代レコーダー&大型フラットテレビ • http://kakaku.com/magazine/030/p01.html

  28. なぜツリーか • RBL重複カウントの防止 n8, 60 Node S’s Neighbor Table n6, 0 n5, 0 n1, 0 n2, 0 ns , 0 n3, 0 n4, 0 n9, 70

  29. ツリー作成 <ソースノードを根とするツリーの作成> • 閉路をなくし, RBLの重複カウントを防止 1．ソースノードがネットワーク全体にHC (Hop Count) packetを送信, HC packetを受信したノードはインクリメントして転送 ※HC：ソースノードからのHC 2．各ノードは重複した親ノードのリンクを互いに削除 3．リンクを削除したノード同士は以後データの送受信はしない n7 n8 , 3 , 3 n6 , 2 n5 , 2 n1 , 1 n2 ns , 1 , 0 n3 , 1 n4 , 2

  30. 経路沿線型のイメージ 道路, 山道の中央, もしくは両サイドにあるノードをイメージ

  31. sink’s route n1’s communication range mobile sink mobile sink sink’s route n2’s communication range data flow シンクの移動方式 • ランダム：アルゴリズム自体は楽、データ回収にばらつきがでる • ノード依頼：依頼が単一なら確実、オーバーヘッド追加 • 固定経路：シンクの手間が省ける、ホップ数増加の可能性あり（下図） • 全ノード訪問：確実なデータ回収、 • ノード依頼

  32. 移動シンクとなりうる移動体 (1/2) • 移動における制約が比較的ゆるい移動体（ある程度自由に移動可） • 人 • バイク, 自転車 • 動物（牧牛, 野鳥など） • 移動における制約が厳しい移動体（移動経路がある程度決まりやすい） • バス, 電車, タクシーなどの自動車 • 船 • 飛行機 • 衛星 • その他ロボットなど • 遠隔操作もしくは自動操縦可能な機械 MULE: storage + transreceiver ① ② ③

  33. 移動シンクとなりうる移動体 (2/2) ※移動のしやすさ → 小回りが利くか 移動パターン, 速度様々 → 移動シンクごとに合わせたCBの方法　　　　　　　　　　　　　　　　　　　同心円, 直線, データセンター…

  34. 問題 離れたノードへの送信が必要となり, 省電力性が低下 マルチソースCB (1/2) • 複数のノードが近距離でソースノードとなるときの動作 • S1でCB後, S2でCBをおこなうときの例 s1 , s2,n1 ,n2 ,n3のRBLは0 n5 n2 n6 s2 s1 n3 ソースノード n1 データを持つノード n4 空のノード

  35. 事前に複数の蓄積用領域を確保 　→ 複数データの受け入れが可能 s2 マルチソースCB (2/2) • 解決方法 • バッファの分割 → 蓄積用バッファをm分割 蓄積用バッファ分割数m = 2 の例 蓄積用（ソース2） 蓄積用（ソース1） s1 n5 n2 転送用 s2 s1 n3 ノード単体の蓄積量が減るため必要となる協調ノード数が増加 n1 n4 適切な分割数mの設定が必要

  36. マルチソースCB • N分割以外の検討案 • データ上書き • 記録時刻　新しいデータを優先して保存 • 重要度　取得したデータの価値が高い方を保存ex) 一番対象物がはっきり写った写真 • 削除 • 必要な容量分だけデータを削除 • 一定の時間が経ったら自動で一部のデータを削除 • データ圧縮 ・データの上書きや削除は結果としてデータ損失を招く ・いずれの方法もアプリケーションやハードウェアに依存

  37. バッファ分割の有無 消費電力は同等~若干上だが, シンクのデータ回収のしやすさにはつながるか Source1 → Source2の順にCB 蓄積用256kBソースノードで2560kB（ノード10個分）発生したときの例 Source 1 Source 1 Source 2 Source 2 分割無し 分割有り

  38. 5.2 性能評価 (3/3) ２つのソースノードで同じ大きさのデータが発生 • 蓄積用バッファを2分割した方が消費電力が大きい • 必要となる協調ノード数が倍となり, 遠くのノードと協調する必要がある →単純なバッファ分割はネットワーク全体の消費電力の増大につながる ソース１ ソース2

  39. Total Battery Cost ()の算出(1/3) • 　　　の定義: 発生データを※シンクに届けるまでの総消費電力（ソースノードから最大hホップまでのノードと協調） • ①～③の和で, 送受信消費電力は送信するデータ数に比例 • ①近隣ノードへの送信消費電力 • ②シンクへの送信消費電力（訪れたシンクに対して1hopで送信） • ③ノードの受信消費電力（近隣ノードのoverhearing含む）また, ホップ数が近いノードから順にバッファしていくものとする • TBCで使用するパラメータ • RX: 受信消費電流 • TX: 送信消費電流 • h: ソースノードからのホップ数 • C: ノードのバッファサイズ（バッファ1でデータ1つを蓄積可能） • D: 発生データ数 • N: 近隣ノード数 ※シンクの移動コストは含んでいない

  40. ①近隣ノードへの送信消費電力 • ②シンクへの送信消費電力 • ③ノードの受信消費電力（overhearing含む） Total Battery Cost ()の算出(2/3)

  41. Total Battery Cost ()の算出(3/3) ・・・

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