古くて新しい無線技術の応用分野 無線制御と無線の高信頼性化

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1 古くて新しい無線技術の応用分野 無線制御と無線の高信頼性化
古くて新しい無線技術の応用分野 　　無線制御と無線の高信頼性化 since 2001 名古屋大学 エコトピア科学研究所　情報・通信科学研究部門 （大学院 工学研究科 電子情報システム専攻 兼担） 片山 正昭

2 無線制御は必要なのか？

3 ロボットや産業機器の無線制御 産業機器のインテリジェント無線制御 ライン組換えコスト・時間の大幅削減 機器配置の配線による制約からの開放
自律移動する産業機器の制御 無人搬送台車 ロボット 高速クレーン センサ等の追加の容易さ　 固定電話　→　携帯電話 有線ＬＡＮ　→　無線ＬＡＮ 　　　有線制御　→　無線制御？！ 現場では大きな期待

4 無線制御 古くて新しい分野 高度交通システム 物流・RFID 家庭内コジェネ・給湯制御 家庭内セキュリティ(施錠集中管理等)
無線制御　古くて新しい分野 無線技術の適用範囲の拡大・開拓 高度交通システム　 物流・RFID 家庭内コジェネ・給湯制御 家庭内セキュリティ(施錠集中管理等)

5 スマートグリッド 第１世代：高品質の電源供給 第２世代：電力需要側管理
米国では，中小電力会社が多数存在． 相互接続が複雑 設備の老朽化が深刻．更新が困難 第２世代：電力需要側管理 風力，太陽光等の発電変動を大規模需要家が吸収（制御：発電→受電）　 第３世代：供給・消費双方の協調 分散電源：配電網における[逆潮流]制御 分散蓄電：余剰電力の蓄電制御 仮想発電所 第４世代：電力網と通信網の融合による新サービス 消費者の電力消費に含まれる情報を活用したサービス スマートメータ (世界：7600万/2009年 -> 2.1億/2014年　米国：5% -> 55%/2015年） 米国：リアルタイムで消費者に情報提供義務

6 Smart Community, Smart City
スマートグリッドを越えて 第１世代：高品質の電源供給 第２世代：電力需要側管理 第３世代：供給・消費双方の協調 第４世代：電力網と通信網の融合による新サービス Smart Community, Smart City

7 大学・社会における 二酸化炭素排出削減のための 電力および環境情報収集・提示技術 Electric Energy EcoTopia

8 環境問題への情報通信技術の応用 Electric Energy EcoTopia
★心理を考慮した 　　情報提示 消費 照明 エアコン ヒータ --- 環境補助 ＦＡＮ ドライミスト 蓄積装置 温水蓄熱 氷蓄冷熱 PHV EV エネルギー消費 電力・ガス EcoTopia行動 環境 温度，湿度，人数，日照 　・総量削減 　・ピーク削減 　・Green Energyに 　　応じた消費 電力システム状況 ・発電量[風力，太陽] 　・電気料金＝時価! ★高信頼性自動制御 ★センシング（広範囲・（準）リアルタイム）

9 EE-EcoTopia社会実験 期待される成果
学術的成果 各学問領域での成果 人文理工融合---新たな学問分野の創出 産業的成果 広域センシング技術 行動促進型情報提示技術 供給側からのデマンド制御技術 短周期デマンド制御技術 大規模地区総合省エネ手法の確立 大学経営・運営面 省エネルギーによる経費節減 ＣＯ２削減に対する政策的要求への回答 社会貢献 地域の省エネ・ＣＯ２削減への適用

10 研究課題 多地点多路回路電力消費情報収集方式 多地点多項目環境情報収集方式 EcoTopia行動を促す情報提示方式
電力システムの負荷を軽減するデマンド自動制御 快適性とは？（季節によっても異なる） 短周期の電気機器自動制御 自然エネルギ発電 発電システム 発電量変動特性のモデル etc.

11 スマートグリッド通信 基本技術 特徴 情報収集：センサーネットワーク 機器制御：遠隔制御通信 規模 セキュリティ 信頼性・頑強性
従来のセンサネットワークの想定より大 セキュリティ 扱う情報は高度にプライベート トラヒック量そのものにも情報 信頼性・頑強性 意図的攻撃も想定が必要

12 広域の多数の機器の制御は 持続可能な社会実現の鍵
無線制御は必要なのか？ 広域の多数の機器の制御は 　持続可能な社会実現の鍵

13 もちろん環境以外の分野でも． 黒電話 → 携帯電話 と同様のインパクト
無線制御は必要なのか？ 無線制御を使うのは不安．．．?! 無線制御の信頼性が重要！ 無線制御のための通信の信頼性とは？ 信頼性確保のための方策は？ もちろん環境以外の分野でも． 黒電話 → 携帯電話　 と同様のインパクト

14 制御のための無線技術

15 無線は切れる 無線は誤る Reliable Robust Radio Wireless Wire for Wireless Factory
誤解？　理解？ 無線は切れる 無線は誤る Reliable Robust Radio Wireless Wire for Wireless Factory

16 無線通信品質の向上方法 送信された電力を無駄無く受信する． 誤りを検出・訂正する技術を利用する． 電波環境の知識に基づく受信を行う
電波環境の知識に基づく送信を行う． 妨害や雑音は受信せず信号だけ受信する． Diversity incl. FEC/ARQ 軽く紹介

17 ダイバシチ 送信側 送受信同時 受信ダイバシチ MIMO 電波伝搬の物理的性質により複数の伝搬経路が存在． 各伝搬経路の信号を分離合成
マルチパスチャネル 各伝搬経路の信号を分離合成 送信側 送信側で，意識的に複数の成分として送信 時間ダイバシチ （ARQ，FEC） 周波数ダイバシチ（多周波数送信，OFDMでのFEC) 空間ダイバシチ （送信アンテナ ダイバシチ） 送受信同時 MIMO

18 空間ダイバシチの活用 Cooperative Diversity Repeater Cloud Multi-ANT TX --- RX
空間ダイバシチの活用　 Cooperative Diversity Repeater Cloud Multi-ANT TX --- RX TX --- MIMO ---- RX

19 無線通信品質の向上方法 送信された電力を無駄無く受信する． 誤りを検出・訂正する技術を利用する． 電波環境の知識に基づく受信を行う
電波環境の知識に基づく送信を行う． 妨害や雑音は受信せず信号だけ受信する． Adaptive Antenna Cognitive Radio 軽く紹介

20 無線通信品質の向上方法 送信された電力を無駄無く受信する． 誤りを検出・訂正する技術を利用する． 電波環境の知識に基づく受信を行う
電波環境の知識に基づく送信を行う． 妨害や雑音は受信せず信号だけ受信する． ?? 軽く紹介

21 雑音を避けて信号だけ受信 空間的な雑音除去 信号の性質による分離 熱雑音には無効 人工雑音には有効である可能性
所望波と妨害波の到来方向の違いを利用 信号の性質による分離 所望波と妨害波の相関の低さを利用 所望波と妨害波の既知の相互相関特性を利用 妨害波を先に受信し受信信号より減算 熱雑音には無効 人工雑音には有効である可能性 軽く紹介

22 無線制御の品質向上 無線通信の高信頼性化 そもそも高信頼な無線回線とは？ Reliable Robust Radio
Wireless Wire そもそも高信頼な無線回線とは？

23 What is Reliable Robust Radio ?

24 無線システムの通信品質尺度例 (cited from IEEE Trans. COM 2002 Mar.)
Out of Band Power mean SNR Bit Error Rate (mean) Symbol Error Prob. (mean) Mean Square Error (freq. estimate) Mean Number of Training Bit Capacity in bits Throughput　 Average Transmission Delay Handoff Prob. Packet Dropping Prob. 変動する特性を 平均値で評価している

25 無線システムの通信品質尺度 無線屋が普通に使うのは？　 平均データ誤り率 平均データ速度（スループット）

26 平均は同じでも．．． p.d.f Quality 2m average p.d.f Quality m

27 品質の階層構造と評価尺度 品質指標の階層構造 例えば、BER＝ f ( Eb/No ) 下位階層の品質で 上位階層の品質を規定するには
ある品質指標が別の品質指標の関数 例えば、BER＝ f ( Eb/No ) 下位階層の品質で 上位階層の品質を規定するには 平均は不適切 BERの平均値 ≠ f ( Eb/Noの平均値 ) 制御は通信の上位階層 音声・ファイル転送とは性格が違う 失敗の被害が大きい[工場，交通，医療…] 数学モデル化可能なアプリケーションである(by 原先生）

28 AverageとOutage 送信ダイバシチ ★ Averageの改善とOutageの改善は等価ではない．
平均ＢＥＲ：送信アンテナ数(M)増加で常に改善 BER-Outage:　低SNRでは送信アンテナ数増加で特性劣化 ★ Averageの改善とOutageの改善は等価ではない．

29 Latency of Wireless LAN
Wireless LAN: g (64bytes/packet) Propagation: 10 meters LOS Transmission: 100packets, 1ms after ACK Location: University Building (10 x 20 m2) The data is provided by Prof.

30 Robust Reliable Radio

31 High Speed より Just in Time
従来の無線通信 高速化・大容量化　 最高性能・平均特性の向上を志向 伝送品質 無線制御 少量の制御情報を 所定時間内に伝送 通信の失敗の減少を志向 時間

32 アプリケーション（制御）までの考慮が必要
無線制御の品質向上 無線通信の高信頼性化 Reliable Robust Radio Wireless Wire そもそも高信頼な無線回線とは？ アプリケーション（制御）までの考慮が必要

33 What is Reliable Robust Radio Control?

34 制御システムのモデル化 制御システムの応答 による誤差： e M (t )=v (t ) - s (t ) ある時刻で運転停止
運転停止（停止までに時定数） 制御システムの応答 による誤差： 　　e M (t )=v (t ) - s (t )

35 無線制御システムのモデル化 無線通信の誤差： e C(t ) = r (t ) - s (t ) システム全体の誤差：
　　e S(t ) = u (t ) - s (t )

36 決定系：ｓ（ｔ）が与えられればｖ（ｔ）は決まる 確率系：s（ｔ）があたえられてもｒ（ｔ）, u(t)は不定（ランダム過程）
無線制御システム:確率系の連接 決定系：ｓ（ｔ）が与えられればｖ（ｔ）は決まる 確率系：s（ｔ）があたえられてもｒ（ｔ）, u(t)は不定（ランダム過程） 無線制御では，入力が定まっても出力不定 　　　→「絶対・確実」は不可能．信頼できない．

37 確率的現象 まっとうな製品では 無線通信の世界では 無線制御でも不可避 確率的現象＝不具合，零にすべきもの
製造の歩留まり 製造後の故障 無線通信の世界では 確率的現象＝不可避なもの（飯の種） フェージングによる信号消失 雑音によるビット誤り パケット衝突 同期は取れている？？？ 無線制御でも不可避 確率的な評価尺度が必要

38 無線制御システムの性能評価 システム 品質指標 [ε(t)=u(t)-v(t) の統計量] 制御対象 f（・） 制御信号 s(t)
無線制御システムの性能評価　　　 システム 制御対象　 f（・） 制御信号　 s(t) 通信路　　　Prob(r(t)| s(t)) 品質指標　[ε(t)=u(t)-v(t) の統計量] MSE E[ε2(t)] worst case max|ε(t)| outage prob Prob(Θ<|ε(t)| ) delay deterministic stochastic

39 通信からみた制御 [by 原晋介先生@大阪市大]
制御システムは 数学で記述できる インテリジェンスが低い 　　→　無線通信部と統合最適化可能 制御アプリケーション 従来のアプリケーション （携帯電話等）

40 アプリケーション（制御）までの考慮が必要 同時ということ．同期ということ
無線制御の品質向上 無線通信の高信頼性化 Reliable Robust Radio Wireless Wire そもそも高信頼な無線回線とは？ アプリケーション（制御）までの考慮が必要 同時ということ．同期ということ

41 協調動作する複数機器の無線制御 個々の制御品質だけでなく，相互の動作の同期が必要 応用例 □ロボット同士の物の受け渡し □組立作業
□楽器演奏ロボット ※トヨタ自動車より 無線を用いて複数機器を制御する場合… 個々の制御品質だけでなく，相互の動作の同期が必要 WBS 2010年6月

42 無線制御の面白さ 無線制御の重要性は増大 無線制御は制御にとってもおもしろい分野 無線制御は無線にとって新しい応用分野
制御の動作が確率過程に（安定の保障は不可能） 無線制御は無線にとって新しい応用分野 従来の無線の品質尺度では不十分 従来の制御の品質尺度では不十分---確率的尺度が必要 部分の品質応用層まで含めた最適化が可能・必要 同期動作など時刻の概念が必要

43 Wireless Control is a hot topic
Research Trend Wireless Control is a hot topic

44 財団法人名古屋産業科学研究所 超高信頼性無線通信研究会
財団法人名古屋産業科学研究所　 超高信頼性無線通信研究会 設立: 1999年 財団法人名古屋産業科学研究所 (目的) 本研究会は、産業機器制御等のように、通信の信頼性・頑強性が重要な用途分野での無線通信を想定し、工場内の様な劣悪な無線環境において、従来のシステムでは実現出来な い高い信頼性を持つ無線通信の実現のための技術の確立を目指す。 (研究活動内容) 本研究会は、前条の目的達成のため以下の活動を行う。(1) 超高信頼性無線通信システムに係わる技術情報交換と調査 (2) 超高信頼性無線通信システムに係わる技術の研究 (3) 超高信頼性無線通信システムに係わる各機関との交流と普及啓蒙活動 (4) その他、本研究会の目的達成のための必要な活動第4条 (研究活動) 本研究会は、前条の活動を遂行するために、研究連絡会を開催する。研究連絡会の開催は原則1回/月程度とし、6回/年以上とする。 平成22年度活動実績 研究会１3回---通常研究会9回，特別講演会3回，特別講義１回 第１回特別講演会（平成22年度第3回（通算第73回） 講師： 豊橋技術科学大学 大平 孝 先生 題目： 電波ゆらぎを用いた秘密鍵生成共有 第２回特別講演会（平成22年度第13回（通算第83回） 講師：名古屋工業大学 白石 善明 先生 題目：暗号プロトコルの基礎とセキュアなグループ通信 第３回特別講演会（平成22年度第13回（通算第83回） 講師： 豊橋技術科学大学 市川 周一 先生 題目： 専用回路技術の展開　～ＦＰＧＡと制御応用～ 特別講演会には会員以外の方も参加できます． 興味をお持ちの皆様は是非，名古屋産業科学研究所までご連絡ください．

45 「計測，制御，無線，ネットワーク」 のキーワードを全て含む文献の数※
無線計測・制御ネットワーク 「計測，制御，無線，ネットワーク」 のキーワードを全て含む文献の数※ 計測・制御 20世紀初頭～ 1950年代～ 1980年代～ 1970年代～ 数年前から急激に注目の 集まっている分野 20世紀初頭～ 1960年代～ 無線 ネットワーク ※ 2007年11月10日 IEEE Exploreにて「sensing, control, wireless, network」の4つのキーワード全てを含む文献を調査した結果

46 無線計測・制御ネットワークの関連研究 計測・制御 無線ネットワークを考慮した計測・制御
　M. Tabbara, et.al, “Stability of wireless …,” 　IEEE Trans. on 　Automatic Control, 　vol. 52, no.9, pp , 2007　など 無線計測・制御のためのネットワークプロトコル 　R. Moraes, et al., “VTP-CSMA: a virtual token …,” IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 3, no.3, pp , 2007　など　 Networks 特集増加傾向・これからが旬 通信 ■ "Special Issue on Industrial Communication Systems," Proc. IEEE, June 2005. ■ "Special Issue on Technology of Networked Control Systems," Proc. IEEE Jan ■ "Special Section on Wireless Technologies in Factory and Industrial Automation---Part I/II," IEEE Trans. Industrial Information, May/Aug

47 電子情報通信学会 高信頼性無線制御通信研究会
電子情報通信学会　 高信頼性無線制御通信研究会 設立: 2010年 高いインテリジェンスを持った人間を対象とする従来の情報通信から、あまり高いインテリジェンスを持たないシステム(機械、デバイス、プラン トなど)間やシステム内における制御情報の高信頼な通信を対象とし、その基礎理論と応用とを制御と通信の境界・融合領域に属する研究として推進することを 目的とする。 活動実績 2011年度第1回高信頼制御通信研究会 日時：2011年6月17日（金） 場所：機械振興会館 2010年第3回高信頼制御通信研究会 日時：2011年1月11日（火） 場所：大阪市立大学文化交流センターホール 2010年第2回高信頼制御通信研究会 日時：2010年11月1日（月） 2010年第1回高信頼制御通信研究会 日時：2010年7月28日（水） 10:30〜

48 関連発表 超高信頼性無線通信システムのための時間・周波数-物理空間多次元符号化方式 移動体通信「産学官交流シンポジウム」 1999年6月
超高信頼性無線通信システムのための時間・周波数-物理空間多次元符号化方式 　移動体通信「産学官交流シンポジウム」 1999年6月 無線システムの高信頼性化を目指して,”　IT 産業機器制御のための超高信頼性無線技術,　 　信学技報, IT , ISEC , WBS , pp.51-55, 2006. 無線制御の高信頼化のための電波伝搬特性の測定, ”RCS 高信頼無線制御実現のための複数送受信アンテナと複数中継器を用いた空間ダイバシチ手法,” 信学論(B), Vol.J91-B,No.5, pp , 2008. 無線制御システムに通信品質が与える影響に関する一検討 　信学論(A), vol.J89-A, no.12, pp , 2007. 制御のための無線通信の信頼性に関する考察 　第４回無線分散ネットワークに関するワークショップ, June 27, 2008. 無線制御された回転型倒立振子における伝送誤りの影響評価　WBS ． 制御のための無線通信の信頼性に関する考察 　　　信学技報, vol.WBS , 2008年10月 パネル：無線ネットワークにおける信頼性とは　信学会総大, BP-6-2, 2009年3月 協調動作する複数機器のための無線通信路誤りを考慮した無線制御方式 　信学会総大 2010年3月 無線制御における通信路特性と制御品質 　第54回システム制御情報学会研究発表講演会　2010年5月 複数機器が協調動作するための電力重畳型情報伝送方式の特性評価　WBS2010年6月 協調動作のための無線制御方式における伝送誤りの影響と特性改善手法 　WBS 2010年6月

49 関連発表 特別講演： 頼れる無線制御システム実現の鍵 信学技報 RRRC2010-7 2010年7月
複数機器が協調動作するための電力重畳型情報伝送方式における伝送路の影響 信学会 基礎・境界ソサイエティ大会,A-5-15　2010年9月 複数機器の協調動作を目的とする電力重畳型情報伝送方式における伝送路の周波数選択性が受信特性に与える影響 信学技報　RRRC 　2010年11月 協調動作する複数機器の無線制御における制御信号の相互利用による特性改善手法 信学技報　RRRC , pp 年11月 無線制御された回転型倒立振子におけるフィードバック伝送量削減の制御品質への影響 信学会 総合大会, ABS-1-11　2011年3月 A Wireless Cooperative Motion Control System with Mutual Use of Control Signals ICIT & SSST: ICIT-SSST 年3月 Power Supply Overlaid Communication and Common Clock Delivery for Cooperative Motion Control IEEE ISPLC　2011年4月 無線フィードバック制御システムにおける伝送量削減の影響 信学技報 RRRC 年6月 Influence of cyclostationary noise on the behavior of a powerline-controlled rotary inverted pendulum 信学技報 RRRC 年6月