講義日程予定 第 1 回 「ガイダンス」 第 2 回 「ユビキタスシティ検討ワーキング中間とりまとめ」 第 3 回 「次世代ネットワーク技術：情報家電」 第 4 回 「次世代ネットワーク技術：ホームネットワーク」 第 5 回 「次世代ネットワーク技術：インターネット技術」 第 6 回 「次世代ネットワーク技術：次世代インターネット技術」 第 7 回 「次世代ネットワーク技術： P2P/アドホックネットワーク」 第 8 回 「センシング技術：センサネットワーク」 第 9 回 「センシング技術：RFIDと測位技術」 第10回 「富士通のユビキタス事業紹介」 第11回 「サービスアーキテクチャ：基盤ソフトウェア技術」 第12回 「サービスアーキテクチャ：XML技術」 第13回 「内田洋行のユビキタス事業紹介」 第14回 「サービスアーキテクチャ：プライバシとセキュリティ」 第15回 「期末定期試験」

2006年度前期 情報システム構成論2 第8回 「センサーネットワーク技術」 西尾 信彦 nishio@cs.ritsumei.ac.jp 立命館大学 情報理工学部

センサネット研究の背景 （１） 情報処理機能と通信機能をあわせもつ移動携帯端末の一般化 新しいアプリケーションの可能性と必要性 センサネット研究の背景　（１） 情報処理機能と通信機能をあわせもつ移動携帯端末の一般化 携帯電話、情報家電、インタネットカー、センサネットワーク 単独利用されていたものを協調的利用へ 新しいアプリケーションの可能性と必要性 広告、パーソナルナビゲーション、広域情報収集、コンテキストアウェアアプリケーション、etc. 災害対策、環境調査、etc.

センサノード H/W-S/W プラットフォーム ノード内処理 近隣のノードと無線通信 イベント検知 音、震動、イメージ温度、湿度、人感知, etc. I/F 無線通信I/F sensors CPU radio battery 限定的なバッテリ供給 エネルギー効率が ハード/ソフト デザインの基準

センサネット研究の背景 （２） モバイルアドホックネットワーク(MANET)の研究 センサネットワークの研究 センサネット研究の背景　（２） モバイルアドホックネットワーク(MANET)の研究 ルーティング(DSR, CMU)、フラディッング制限、動的クラスタリング センサネットワークの研究 シフト方式による省電力(span, MIT)、データセントリック、属性名前付け、in-network処理(Directed Diffusion, UCLA) 移動体通信端末を用いたアプリケーション アクティブポスタ(IBM)、交通量調査(ICAR)

センサネットワークの構成 Rs Rw Sensor coverage range Wireless communication range Wired Infrastructure Wireless Sensor Network Sensor coverage range Rs Rw Wireless communication range Sink node Sensor node Interest

センサネットワークの特徴 データ転送はデータ指向、特定なノードにコネクション を張らない 物理世界を観察する／操る どのノードと通信するかはイベントが起きるまで不明 イベント後もどのノードに起きているかは不明 物理世界を観察する／操る センサインプットによってネットワークが行っている処理 は動的に変化する アプリケーションごとにソフト/ハード環境が変化 センサノード移動に対応 電池駆動のための省エネルギー機構

属性ベースルーティング 省電力指向ネットワーク構成管理 ノード位置測位技術 センサネット技術関連研究動向 属性ベースルーティング 省電力指向ネットワーク構成管理 ノード位置測位技術

属性ベースルーティング MANET環境＋データセントリック インフラなしの無線ネットワーク環境 センサネットワークを構築 属性ベースのデータをフラディングで問い合わせ 「興味のある」データをもつセンサノードが返答する

Ex. Directed Diffusion@ISI SinkノードからのInterestのフラディング マッチしたセンサノードがリプライパケットを転送 届いたリプライに対するSinkノードからのリクエストの継続(refresh) 中継ノードがリクエストとリプライの行き来からルートを「補強しつつ」構成する(reinforcement) ロバストなデータ配送を実現

省電力指向ネットワーク構成管理 電池駆動の無線ネットワークノードによるMANETを構成 電池消費を低減し，その消費のノードによる偏りを低減する 802.11のPower Save Modeでスリープとポーリングにより周期的に通信する． 消費電力比較 送信　1400mW 受信　1000mW アイドル　830mW スリープ　130mW Base-station modeからAd-hoc modeへ

Ex. Span@MIT MANET環境では，PSMは全部のノードでは利用できない PSMにならないノードを， ある規則で確率的に決め， それを時間的に交代させて， できるだけ多くのノードをPSMに移行させて， 全ノードの電池消費を平滑化する

Spanの自律的構成機構 任意のノード間のルートのホップ数が増えないように， HELLOパケットのみによるローカル情報の交換のみで自律的に動作 自分がcoordinatorになる条件「自分の近傍のノード内に通信できないペアがある」で，電池残量，近傍ノード数に応じた遅延を入れて立候補する

Our Approach: Hot-spot Clustering そのイベントを直接センスするノードがcluster-center Cluster-centerの隣接ノードがcluster-frontier Cluster-center: Interestリクエストに対するIn-Network処理 Cluster-frontier: PSMに移行しない Cluster-centerに移行するのに備える

Software “Hopping” for unintentional movement support Software-layer Mobile node-layer Field-layer

Hot-spot Cluster 自律的に構成される移動クラスタ 興味のある事象の移動や，センサノード自身の移動により移動性をもつ リプライパケット(Event sample)の返信をcluster-center間でIn-Network処理する

クラスタプロトコルの仕組み Rs Rw Cluster-center mode Cluster-frontier mode Idle mode Interest

CLUSTER-FRONTIER MODE クラスタプロトコルの状態遷移 Entering interest sensing range CLUSTER-CENTER MODE Receiving initial flooding Leaving interest sensing range Beacon time-out CLUSTER-FRONTIER MODE IDLE MODE Receiving HELLO beacon Transition caused by signal Transition caused by movement Transition caused by timeout

省電力指向ネットワーク構成 Spanのcoordinator-networkをベースにする CoordinatorでもPSMに移行する Non-coordinatorでもPSMに移行しない ホットスポットクラスタを構成した場合は，PSMに移行しない

Simulation Study NS-2を用いたシミュレーション環境を構築 802.11b + Span (modified) + DD (modified) + Hot-spot clustering

In-cluster processing クラスタ内でIn-network processingのデータ集約処理を行なう機構 クラスタ内でデータの集約や稼動させるセンサノードの選定を行なう センサノードのバッテリー資源の節約や冗長パケット送出の低減を目的とする

従来のセンサネットワークにおけるデータフロー図 イベント センサノード 中継ノード Sinkノード データフロー

In-cluster processingを適応したセンサネットワークのデータフロー図 イベント センサノード クラスタ内 Sinkノード 中継ノード Sinkノード データフロー 同一クラスタ

クラスタ内Sinkノード 同クラスタ内でデータ集約を行なうノードである Sinkノードにパケットを送出するのは、クラスタ内Sinkノードのみである クラスタ内Sinkの役割は状況に応じて、同クラスタ内のセンサノード間で遷移する

センサノードの状態遷移図 クラスタ内Sink センシング センシング可能ノード 不可能ノード センシング可能 範囲を外れた センシング可能 バッテリー残量が少なくなった センシング可能 範囲を外れた センシング 不可能ノード クラスタ内Sink センシング可能ノード センシング可能 範囲に入った クラスタ内Sinkノードに 選出された Sinkノードへ データ転送を行なう センシングを行なう 処理負荷が高い ↓ バッテリー消費が大きい 処理負荷が低い ↓ バッテリー消費が小さい

センサネット技術性能評価環境 実機によるプロトコル/アプリケーションの実装/評価 実際にはかなり実現が困難 これまではネットワークシミュレータを利用 実機による評価はどうしても外せない 実際にはかなり実現が困難 全ノードが移動性をもつこと ノードの数，動き回る範囲 電波障害，干渉の制約 実機を用いて容易に評価できる環境の構築 複合現実アプローチ： N-1 Network Simulation 空間的/時間的スケーラブルワークベンチ： Multi-Hop on Table-Top

N-1 Network Simulation: A Mixed-Reality Approach for Wireless Ad-hoc Network Performance Evaluation Nobuhiko Nishio nishio@cs.ritsumei.ac.jp Eiji Takimoto takimoto@sol.cs.ritsumei.ac.jp Gaute Lambertsen gaute@jotu.cs.ritsumei.ac.jp Japan Science and Technology Agency PRESTO 21: Precursory Research for Embryonic Science and Technology Ritsumeikan University, Dept. of Computer Science 1-1-1 Noji-Higashi, Kusatsu-shi, Shiga 525-8577, Japan Tel. +81-77-566-1111 (Ext. 7466), Fax. +81-77-561-2669

N-1 Network Simulation Simulated world Real world Real mobile host Virtual packet Virtual packet into real world Correspondent host Virtual packet from real world Simulated world Real world Real packet from simulated world Real packet into simulated world Real mobile host Simulator host

N-1 Network Simulation: Representation of a real node in a virtual world SIMULATED OBJECTS REPRESENTATION OF REAL NODE

N-1 implemented over ns-2 platform Network simulator 2 (ns-2) emulation functionality Real-time scheduler Packets retrieved by Tap object Packets transmitted by Network agent Wireless network extensions Examination of packet arrival Support for node mobility Input of node mobility Reflection of node mobility in the simulation Reflection of radio signal strength

Simulator host, IP: 10.10.10.100, MAC: PCMAC… Simulator node 1 Simulator node 2 ID1 IP: 10.10.10.1 ID2 IP: 10.10.10.2 Create header (ether, ID, ICMP) Virtual reflection Retrieve and analyze packets for ID1 and ID2 PCMAC: SimIP ID:ID(MAC) --------------- :ID(MAC) ARP response Ping Ad-hoc wireless interface Reply ARP request Actual node IP: 10.10.10.10 MAC: … Zaurus

Demo@SanDiego.MobiCom2003

Current work Static -> Mobile virtual nodes Simulation nodes move Reflection of variations in signal strength inside the simulator Mobility support for the real node Simulated mobility through the user interface Additional wireless signal interfaces Virtual mobility reflected by changes in received signal strength Simulator platform Wireless interfaces Variation in distance/signal strength over wireless link Real node

Multi-Hop on Table-Top: A Spatially/Temporally Scalable Workbench for Ad-hoc/Sensor Network Systems Gaute Lambertsen, Yu Enokibori, Kazuhiro Takeda, Kiyoto Tani, Koji Shuto and Nobuhiko Nishio {gaute, vori, tiku, kiyo, shuma,nishio}@ubi.is.ritsumei.ac.jp Japan Science and Technology Agency PRESTO 21: Precursory Research for Embryonic Science and Technology Ritsumeikan University, Dept. of Computer Science 1-1-1 Noji-Higashi, Kusatsu-shi, Shiga 525-8577, Japan Tel. +81-77-566-1111 (Ext. 7466), Fax. +81-77-561-2669

スケーラブルな実機評価環境の実現 空間的スケーラビリティの確保 　物理的に通信可能な範囲にいたとしても、あたかも通信不可能な範囲に存在するかのような擬似的空間を作り上げる 時間的スケーラビリティの確保 　 各ノードにおける隣接ノードの遷移状況の変化などを手がかりに、時間的なプロトコル制御パラメータを適切に設定する

強制的に通信を不可能にした 空間的スケールダウン

累積分布(%) 信号強度 (dB) LINK_HYSTERESIS_GAP=11 LINK_LIMIT=-49 １５ｃｍ ３０ｃｍ ４５ｃｍ ６０ｃｍ ７５ｃｍ ９０ｃｍ １０５ｃｍ １２０ｃｍ １３５ｃｍ １５０ｃｍ １６５ｃｍ １８０ｃｍ １９５ｃｍ ２１０ｃｍ ２２５ｃｍ ２４０ｃｍ ２５５ｃｍ ２７０ｃｍ 信号強度 (dB)

Have you ever seen a real multi-hop network working? Now, you can see it on our table-top. See you at our booth!!!

Which for which? シミュレーション N-1 MH-on-TT 実機 人間の手間 scalability ○ × リアルさ (ロジック) △ ◎ (数値性能)

センサネットワーク支援機構 イベントエミュレータ センサエミュレータ Sink Query dispatcher 　ユーザが欲するデータもしくはイベントデータを散布する機能 センサエミュレータ 　イベントエミュレータから散布されたイベントデータを選択的にセンスする機能 　　以下の支援機構は評価対象となるアプリケーションに依存するため、 独自に用意する必要がある Sink 　イベント付近のノードのセンサエミュレータがセンスしたデータを最終的に受け取るノード Query dispatcher 　センスすべきイベントの条件を記述したqueryをfloodingにより配信する機能 Clustering protocol 　クラスタを形成し、センシングを効率化したり、作業の省電化などをサポートするプロトコル

Sink Node CN: Idle 5 Query Dispatcher 1 CN: Frontier CN: Center Query Flood Sink Node Sample Data Transmission Range CN: Idle 5 Query Dispatcher 1 CN: Frontier CN: Center Cluster Node: Idle CN: Center 4 CN: Frontier 2 3 1 Query flooded to network 2 Cluster Centers gather data 3 In-Clustering processing Event 4 Sample data transmitted to sink 5 Sample data processed at sink

机上プロトタイプ Multi-Hop on Table-Topを全ノードに適用 無線移動端末 無線固定端末 PDA × 2 WiFi Ad-Hoc Mode 無線固定端末 ノートPC × 5 有線LANで相互に接続 Multi-Hop on Table-Topを全ノードに適用 無線通信範囲を数十cmに制限し，スケールダウン

Personal Navigation PDAはノートPCに自分の現在位置と目的地を伝える ノートPCがPDAの目的地がどの方角かを計算し，PDAに通知する PDAの画面に目的地の方角（矢印）がリアルタイム表示される 中継地点 目的地 初期位置

Smart Advertising PDAの移動履歴に応じて，同じ場所でも異なる広告がノートPCから配信される コンテキストに基づく効果の高い広告を配信する 異なる情報が配信される

Security System on street 学童からのSOSを受信した近隣家庭の住民が現場に駆けつける地域セキュリティモデルに基づく PDAが発したSOSが少なくとも1台のノートPCに届いていれば，設定半径内の全ノートPCが確実にSOSを受け取ることができる 有線LANを経由してノートPC間でのSOSを受け渡し 写真内の3台のノートPCが設定半径内 ＝ SOSを受信中 ※設定半径はPDAから変更可能

西尾研でのフィールドワーク

1基地局のカバーエリアは数10m四方，Multi-hop無線でエリア拡大し移動ユーザに対応 携帯電話ネットワーク one-hop無線 1基地局のカバーエリアは10Km四方 無線バンド幅は数10kbpsから数100kbps サービスは携帯端末のみ(基地局はアンテナ) ホットスポット one-hop無線もしくは有線 1基地局のカバーエリアは数10m四方 カバーエリアの隙間により移動ユーザには不向き 無線バンド幅は数Mbpsから数10Mbps ネットワークコネクティビティのみ提供 アドホックネットワーク multi-hop無線 端末のある限りカバー N-hopするとバンド幅は数Mbps/Nに インフラ不要 接続の信頼性が低い ハイブリッドネットワーク技術による利点 Multi-hop無線もしくは有線 1基地局のカバーエリアは数10m四方，Multi-hop無線でエリア拡大し移動ユーザに対応 N-hopすると無線バンド幅は数Mbps/Nに，しかしアドホックよりも短かいホップで基地局に到達 携帯端末以外に基地局と連携したサービス提供 基地局がランドマークとなり位置情報機能を実現，近接事象のコンテキスト適応サービスに向く

市街地ネットワーク概要 インターネット ① ② 中継 移動 無線サブネット 光ファイバー インターネット接続 無線LAN ④ 無線サブネット ③ インターネット経由で 別の無線サブネットへ接続

西大津地域防犯システム 産学民で地域防犯システム立ち上げ 内部に「人間」の埋め込まれたシステム構築を目指す 京都，毎日，日経，電波，日刊工業ほか各紙 2004/11/09 オプテックス，立命，OWCPの連携 内部に「人間」の埋め込まれたシステム構築を目指す

WOWnet: 西大津地域防犯 ロードマップ

ＩＴの力を最大限利用し、地域で犯罪を防ぐシステムの実現 システム導入背景 近年の子供を狙った犯罪の多発。 その原因のひとつに地域内のコミュニケーションの希薄化がある 地域全体の防犯に対する意識を高めたい。 地域内コミュニケーションの活性化に努めたい。 住みやすい、安全な街づくりを。 ＩＴの力を最大限利用し、地域で犯罪を防ぐシステムの実現

システム概要

地域防犯システムの概要 子供，親，ＯＷＣＰ(自警団)にそれぞれに 段階的なサービス構成 将来的にはIPv6を子供の携帯機器に付与 デバイス，ソフトウエアを与えサービスを提供する 子供が小学校に入ったら基地局を立てよう 段階的なサービス構成 サービスのレベル，子供の持つデバイスのレベル，価格 選択肢をいくつか用意し、ユーザーに選ばせる。 将来的にはIPv6を子供の携帯機器に付与 セキュアなEnd-to-end通信，効率的な近接通信 子供の緊急時 周辺の家に危険信号を発信し 犯罪の起こった現場の近隣住民に現場に駆けつけてもらうことで犯罪の発生を防止する。（不安信号も考慮中） 地域コミュニティー参加の機会を提供

将来的なサービス展開 犯罪がおこった時に近くにいる子供を安全な場所に誘導する機能 普段子供に持ち歩かせることができるようなエンターテイメント要素を持ち合わせたサービスの提供 子供のイタズラ，誤動作をなくすようなシステム，デバイスの設計 縦方向（マンション内）での位置特定，防犯を可能に 独居老人のためのサービス，システムの設計 監視カメラを用いた防犯サービスの品質向上

第1回 西大津地域防犯実証実験

第1回 実証実験ネットワーク

第1回実証実験 -検証内容- 子供の位置情報の認識 危険信号の近隣住民への伝播の確認（近接通信） 第1回実証実験 -検証内容- 子供の位置情報の認識 危険信号の近隣住民への伝播の確認（近接通信） 危険信号の西尾研位置情報サーバへの伝播の確認（E2E通信） 無線LAN基地局モードでのローミング （WOWnetでカバー可能範囲外に出た場合の動作確認）

第２回 実証実験ネットワーク ＜改良点＞ ＜課題＞ ・Linuxによる基地局構築 ・子供端末同士での直接通信が可能 Open VPN データセンタ アドホックネトワーク インフラネットワーク ＜改良点＞ ・Linuxによる基地局構築 ・子供端末同士での直接通信が可能 ・ マルチホップ通信が可能 ・ トラフィック増加範囲を制限できる ＜課題＞ アドホックネットワークとインフラネットワークを両方話せる ＩＰ層でのルーティングプロトコルの設計構築

第２回 実証実験 -検証内容- 第1回と同じく 第2回では 子供の位置情報の認識 子供→基地局間の近接通信 子供→基地局→データセンタのE2E通信 第2回では アドホックネットワークを使った近接通信とＥ２Ｅ通信の確立 子供→子供　間の近接通信 子供→ 子供→基地局のマルチホップ通信

第３回 実証実験 -検証内容- 第４回 実証実験 -検証内容- 第2回で行なったマルチホップネットワーク PCからPDAに移行 Linux Zaurus + 無線LANカード 第４回 実証実験 -検証内容- 近隣の基地局間連携機構(Hawk Eye)の検証 緊急信号を受信した基地局が，近隣の基地局にインフラネットワークを用い再度事態を通知する 緊急信号に含まれる位置情報から「近隣基地局」をリストアップ 無線がたまたま届かない，届いても人がいない基地局を補強するのが目的

Hawk Eyeの実装

西大津地域防犯：これから．．． ＩＴの力を最大限利用し，地域で犯罪を防ぐシステムの実現を目指す ハイブリッドネットワークの構築 アドホック+インフラ IPv6 or VPN(IPv4) GPSに頼らない位置情報取得技術研究開発 今年度末までの到達点は -様々な信号の送受信の実際の流れを実装 -位置検出方法，伝播方法の検証 -ＰＤＡで実装 今後を見込んで IPv6ベースの携帯端末によるヒトへのタギングの実現を目指す

大阪府街中防犯プロジェクト u-シティ構想 フェーズ1：ユビキタスKOBAN 大阪府企画室，立命，富士電機による 「街中見守りロボット」 街中の自動販売機ネットワークによるサービスと 携帯無線端末によるサービスの複合的協調 様々なサービスコンテンツのプラットフォームに 街中防犯，店舗案内，歩行者支援，観光，防災 いまいるこの場所の情報をいまそれを必要とする人に

u-シティ構想に関する報道 2005/2/12 日経新聞 2005/2/19 読売新聞