Wireless Sensor Networks for Spacecraft Damon PARSY, CEO of BEANAIR

BeanAir社について 1 無線センサネットワークの 設計と製造 組込計測 技術的な 構造物の管理 プロセス産業 環境 RETINKING SENSING TECHNOLOGY

Beanair社について 2 2008年会社設立 Beanair 製品の設計と製造はフランス Astechのメンバー 　　(航空/宇宙市場分野のフランス企業の集まり) システムインテグレータパートナー: アメリカ,ヨーロッパ,オーストラリア,ブラジル,南アフリカ,ロシア RETHINKING SENSING TECHNOLOGY

Beanair社 無線センサネットワーク(WSN) RETHINKING SENSING TECHNOLOGY

宇宙での計測に求められるもの 宇宙飛行中や地上での試験時における宇宙船の動作状況を モニタリング、制御する 　モニタリング、制御する 短い範囲(10〜30m) & 低いデータ数の無線センサネットワーク 数百単位の計測箇所が存在するため,大量な計測システムやセンサ ケーブルが必要となる。また,プロジェクトにかかる時間や費用も莫大 2種の異なる計測モードが存在: 静的な計測 (温度, 湿度) 動的な計測 (音, 振動) 早い応答時間 データ損失のない圧縮と伝送 時間同期と堅牢な無線センサネットワーク RETHINKING SENSING TECHNOLOGY

無線センサネットワークの挑戦と利益 利益: 非常に簡単な分散配置と拡張性 ハードウェア & 配線の減少 新たなアプリケーションの構築 (HUMS - Health and usage monitoring system, 移動体) 挑戦: 干渉するもの (マルチパスフェージング, 無線のジャミング…) や妨害するもの 素早い応答と時間の同期 電源供給と低電力消費 RETHINKING SENSING TECHNOLOGY

無線センサネットワークの構築 OSI モデル アプリケーション層 どの無線プロトコル? トランスポート層 ネットワーク層 データリンク層 物理層 RETHINKING SENSING TECHNOLOGY

Ultra Narrow Band (UNB) IEEE 802.15.4 (Zigbee, WirelessHART, ISA100A…) 市場に存在する既存の無線ネットワーク レンジ Ultra Narrow Band (UNB) 1000m IEEE 802.15.4 (Zigbee, WirelessHART, ISA100A…) 100m IEEE 802.11/WIFI 10m IEEE 802.15.1 Bluetooth 1m NFC/RFID UWB /WirelessUSB データレート (bps) 1K 10K 100K 1M 10M RETHINKING SENSING TECHNOLOGY

なぜIEEE 802.15.4 MAC レイヤー ? 軽量なMAC層 (Wifiの４メガバイトの代わりにフラッシュメモリの10 から20キロバイト) 素早い応答と低いデータレート(250kbps),低消費電力 BluetoothやWifiに比べ,より良い範囲の無線が利用できます しかし, IEEE 802.15.4に基づき既存の標準無線の無線プロトコルは どうでしょう ? ZigBee無線プロトコルは、エネルギーメーターと スマートグリッド市場向けにより適しているが 応答時間は保証されません WirelessHARTとISA100Aは、プロセス産業の市場で使用されていま す。：しかし,導入が容易ではなく動的測定に互換性がありません 宇宙船にメッシュネットワークは不要! RETHINKING SENSING TECHNOLOGY

IEEE 802.15.4 タスクグループ IEEE 802.15.4 amendment 主な機能 アプリケーション IEEE 802.15.4-E (2012) CSMA-CA チャンネルアクセス データレート: 250 kbps 無線チャンネル: 2.4GHz帯に16CH プロセス産業 IEEE 802.15.4-A (2007) より高い範囲の精度( 1メートル精度) PHY はIR-UWB ( Impulse Radio Ultra wide Band) と CSS (Chirp Spread Spectrum)に基づいています データレート: 最大6.8 Mbps 無線チャンネル: 2.4 GHz (CSS), 3GHz to 8GHz (IR-UWB) Real Time location systems (RTLS) IEEE 802.15.4-G (2012) データレート: 250 /40 /20 kbps 無線チャンネル: 2.4 GHz帯 ISMバンドの16チャンネル, 915 MHz帯の10チャンネル, 868MHz帯の1チャンネル スマートグリッドネットワーク（エンドポイント数百万を持つ大規模なネットワーク） RETHINKING SENSING TECHNOLOGY

IEEE 802.15.4 タスクグループ IEEE 802.15.4G: 波長 ~12インチ (周波数868 MHz から 915 MHz帯), 　　多くの宇宙船内の空洞部と同じくらいの大きさ 868 MHz帯において1つの周波数が利用可能 : 周波数ホッピングに互換性 が無い 900-915 MHz帯は ヨーロッパではライセンスフリーではない 　　868MHz帯はアメリカではライセンスフリーではない IEEE 802.15.4E: 2.4GHZ帯は世界中においてライセンスフリー Wifi と Bluetoothの共存 波長 ~5インチ IEEE 802.15.4A: 波長 ~1.4から 5インチ 範囲の双方向に基づく時刻同期 レイク受信機は、マルチパスフェージングの影響に対抗 市場にはいくつかのICのプロバイダが存在 RETHINKING SENSING TECHNOLOGY

MAC 層: 媒体アクセス制御 Access CSMA-CA (Carrier-sense multiple access with collision avoidance) GTS (Guaranteed Time slots) or TDMA (Time Division multiple access) 機能 チャンネルアクセスは不定期に実施 集中的で不定期なトラフィックフロー 周期的なトラフィックフロー アドバンテージ ネットワーク管理が容易 アドホックネットワークアーキチャに最適 よりよいQuality of Service (QOS) 決定的なネットワーク動作を提供 周波数ホッピングなどの干渉回避技術をサポート 欠点 QOS (quality of service) が保証されていない 決定性にかける クリスタルの温度ドリフトを考慮すべき 複雑である RETHINKING SENSING TECHNOLOGY

WSN トポロジー : スター型 WC: wireless coordinator 無線コーディネータ 　　　無線コーディネータ WS: wireless sensor 　　　無線センサ WS RETHINKING SENSING TECHNOLOGY

ミドルウェア層: 6LowPANの利点 OSI モデル オープンスタンダード (IETFにて定義) 軽量なソフトウェアスタック 低消費電力の無線エリアネットワークを通じてIPv6通信 低いオーバーヘッド 複数のネットワークトポロジオプション (メッシュ, ツリー,スター) TEDSセンサとの互換性 (IEEE 1451.5 specifications) マルチキャストルーティング (IEEE 802.15.4上でのMAC レイヤー層では利用不可) TCP/IP プロトコル層 6LoWPANプロトコル層 HTTP RTP Application アプリケーション トランスポート ネットワーク データリンク 物理 TCP UDP ICMP UDP ICMP IP IPV6 with LoWPAN Ethernet MAC IEEE802.15.4 MAC Ethernet PHY IEEE802.15.4 PHY RETHINKING SENSING TECHNOLOGY

マルチキャストルーティング リクエスト WS ACK+ 応答 WC ACK+ 応答 リクエスト WS リクエスト ACK+応答 WS RETHINKING SENSING TECHNOLOGY

宇宙市場における無線センサの“標準”を構築 Recipe of our « Grand Chef » Gusteau: IEEE 802.15.4-A/E Mac レイヤー層 CSMA/CA や GTSの 技術的なアクセス スター型NWアーキテクチャ 6LowPAN RETHINKING SENSING TECHNOLOGY

Beanairは、宇宙船の新世代専用の革新的な 無線センサネットワークに取り組んでいます(Ariane VI) 宇宙市場へむけた無線センサネットワーク　1 Beanairは、宇宙船の新世代専用の革新的な 無線センサネットワークに取り組んでいます(Ariane VI) RETHINKING SENSING TECHNOLOGY

宇宙市場へむけた無線センサネットワーク 2 テレメトリサブシステム ゲートウェイ 無線センサ IEEE 802.15.4A に基づくWSN 宇宙市場へむけた無線センサネットワーク 2 テレメトリサブシステム ゲートウェイ IEEE 802.15.4A に基づくWSN 無線センサ 無線 コーディネータ IEEE 1588V2 プロトコル 無線センサ 無線センサ 無線センサ RETHINKING SENSING TECHNOLOGY

宇宙市場へむけた無線センサネットワーク ３ 主な機能: IEEE802.15.4A – 非常にワイドな帯域 完全時間同期された無線センサネットワーク (1µs以下) 高いデータ転送: 100 Kbits/s から6.8Mbits/s 3.5GHz から 6.5GHzの6つの無線バンドをサポート 以下との互換性: TEDS センサー: IEEE1451.2 & IEEE 1451.5 (6LowPAN) 低消費電力IEPE センサー (Piezo) 自立型電源供給 データ損失の無い圧縮と伝送 イーサネット上のIEEE1588V2 (HWの正確な時間同期) RETHINKING SENSING TECHNOLOGY

是非、サンシステムサプライに問い合わせください <本社> 東京都杉並区井草3-32-2 <営業技術本部> 東京都中央区新川1-25-2 TEL 03-3397-5241 FAX 03-3399-2245 Mobile +81-90-9810-7128 E-mail ssobata@sunss.co.jp URL www.sunss.co.jp ブースNo.S-02 RETHINKING SENSING TECHNOLOGY https://www.facebook.com/BeanAir @beanair ご清聴ありがとうございます Beanair WSN

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