Transcript 発表（グループC）
1 ネットワークアーキテクチャ特論 ＜802.11ah センサネットワーク概説＞ グループ C 尾家・塚本研究室 中野 川原研究室 高見 尾知・黒崎研究室 杉山 はじめに 調査論文 『A survey on IEEE 802.11ah: An enabling networking technology for smart cities』 文献の流れ 1. 2. 3. 4. 5. Introduction Use cases PHY layer overview MAC enhancements Conclusion 2 1. Introduction 近年のコンピュータ，ネットワークの進歩 sensors, robots, controllers, etc.の自動化が望まれる ネットワークへ接続するデバイス(Internet of Things (IoT))の数は増 加 2020年までに500億に達すると予想 莫大なIoTデバイスをネットワークに接続するには 無線での接続 3 1. Introduction 無線でのIoTの接続 各無線規格 低電力な規格 RFID Bluetooth ZigBee WiMAX or other LTE or other IEEE 802.11 (WiFi) 低電力だが， デバイスの数，スループット，送信範囲 などが限られる 消費電力が大きく，適切でない 屋内の近距離において高いスループットが得られるよう設計 IoTには向かない IoTに適した新たな規格が必要 4 1. Introduction IEEE 802.11 (WiFi) 最も広く普及している無線LAN規格 たくさんのデバイスで使用されている 屋内の近距離において高いスループットが得られるよう設計 IoTには向かない WiFiの規格の適用範囲を IoT向けに拡大 Task Group (TGah) によるIEEE 802.11ah の標準化 2013 10月 ： draft standard IEEE 802.11ah-D1.0 5 2. Use cases IEEE 802.11ah 使用周波数帯域 sub 1 GHz(S1G)バンド(TVホワイトスペースを除く) (1GHz以下の周波数帯域) S1Gバンド 欠点：広い帯域を使用できない 利点：伝送範囲が広い 11nと11ac ： 20 MHz以上 11ah ： 16MHｚ以下 変調および符号化方式(MCS)で対応 2.4，5 GHzバンドに比べ，屋外でより良い伝搬特性を有している IoTに向いている周波数帯域 6 2. Use cases IEEE 802.11ah ユースケース Smart sensors and meters Backhaul aggregation センサーネットワーク 産業で用いられているIEEE802.15.4gとのバックホール接続 Extended range hotspot and cellular offloading モバイルトラフィック分散のための利用 7 2.1. Smart sensors and meters Smart sensors and meters ： センサーネットワークでの使用 スマートメーター（ガス、水道、電力消費） スマートグリッド 環境と農業のモニタリング（温度、湿度、風速、水位、汚染、動物の状態、森林 火災検知など） 工業プロセスの自動化（石油洗練、鉄や鋼、薬剤） 屋内医療/第適応度のシステム（血圧、心拍数、重量） 高齢者介護システム（落下検出、ピルビンモニタ） APは数百，数千のデバイス，センサーに定期的にショートパケットを 送信する必要がある ユースケース特有の問題が生じる 8 2.1. Smart sensors and meters APは数百，数千のデバイス，センサーに定期的にショートパケットを 送信する必要がある ユースケースによる問題点 莫大な数のステーションにより，コリジョンが起きた場合チャネルの結果を得る ため競合がおきる 長い送信距離により，フレーム間の間隔が大きくなる ショートパケットは，ヘッダによってオーバーヘッドを大きくしてしまう 必要な総スループットは熟考されたユースケースでも1Mbpsを超えていない センサは，多くの場合バッテリー駆動のため，エネルギー消費量を抑える必要 性がある 11ahはこれらの問題点を考慮する必要がある 9 2.2. Backhaul aggregation Backhaul aggregation IEEE802.15.4デバイスとリモートサーバー間のバックホール接続を提供 IEEE802.15.4g 産業界で広く使用されている主にスマートメーター用無線規格 長時間バッテリーで動作可能 伝送範囲と利用可能なデータレートが非常に低い 画像，動画の伝送には向かない Backhaul aggregationの利用により 自律カメラ，監視カメラからの画像，映 像をIEEE802.15.4gデバイスで利用可能 10 2.3. Extended range hotspot and cellular offloading Extended range hotspot and cellular offloading モバイルトラフィック分散のための利用 携帯端末によるモバイルトラフィック近年爆発的に増加 無線LANの利用により分散 11n，11ac 伝送距離が短いため屋外での使用が難しい 11ah 屋外での使用が可能 複数端末での合計データレートが最大で20 Mbpsを達成 可能なモードを少なくとも1つ提供 11 2.4. Not adopted use cases IEEE 802.11ah IEEE 802.11とは大幅に異なるユースケース センサーネットワークのユースケース IEEE 802.11のネットワークでは新機能 IEEE 802.11 ： 電力が制限された膨大な数のSTAがショートパケットを送信す るようには設計されていない MAC，PHY層を大幅にIEEE 802.11から変更 12 3. PHY layer overview IEEE802.11ah PHY層 11acより継承，S1G帯域のために変更 チャネル帯域 変調方式 OFDM 変調，符号化 1,2,4,8,16MHz (1,2MHzはマンダトリー) MCS0~MCS9，新規のMCS10 空間多重 MIMO，DL MU-MIMOを使用可能 13 3.1. Channelization チャネル帯域 一つのパケットを送信するために使用する周波数帯域 11ac 11ah 20，40，80，80+80，160MHｚ(20，40，80MHzはマンダトリー) 1,2,4,8,16MHz (1,2MHzはマンダトリー) S1Gを用いる11ahの問題 S1GのISM国によって異なっている 米国，欧州，日本，中国，韓国，シンガポールでのチャネルはすでに決定 例:アメリカのchannelization opportunities 14 3.2. PHY properties OFDM伝送 データを直行したサブキャリアに乗せて伝送する方式 11ahのPHY層 ： 11acのPHY層のクロック周波数を1/10にダウンクロック 11acの20，40，80，160MHzチャネルを11ahの2，4，8，16MHｚチャネルに対応させる 1シンボルあたりの時間 ： 10倍 データレートは低い 11ahのサブキャリアの数は対応する11acの場合と同じ ただし，1MHzチャネルのためのサブキャリアの数は24（52/2未満） ガードサブキャリア数を削減することができないため http://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%9B%B4%E4%BA%A4%E5%91%A8%E6%B 3%A2%E6%95%B0%E5%88%86%E5%89%B2%E5%A4%9A%E9%87%8D% E6%96%B9%E5%BC%8F 15 3.2. PHY properties MCS 変調方式，符号化率の組み合わせ 11acより10のMCSを継承している(MCS0, . . ., MCS9) 新規のMCS10を定義 1 MHzチャネルの送信範囲を拡張するため 屋外シナリオ，200 mWの送信電力，1 MHzチャネル，MCS10 送信範囲は1キロを超える 11ac MCSとデータレート 11ah MCSとデータレート http://en.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.11ac 16 3.2. PHY properties OFDM symbol duration 通常は40μs 20%はシンボル間干渉を防止するための，ガードインターバル（GI）という冗長部分 ½の長さのショートガードインターバルを許可 データレートを10/9に改善 空間ストリーム MIMO伝送に用いるアンテナの数 11acの最大8ストリームに対し，最大4ストリーム 一般的にN空間ストリームを使用することでデータレートをN倍向上可能 17 4. MAC enhancements TGahにとって、最も困難な課題 膨大な数の電力制限されたSTAが ショートパケットを送信すること 電力効率を向上させるためには以下の問題がある （１） ショートパケットの伝送によるオーバーヘッド （２） 11ah PHYの長い時間特性 両者の問題は、「フレームヘッダ」「フレーム間のスペース」「制御および 管理フレーム、あるいは、チャネルアクセス手順の浪費」といった点にある 18 4.1. Breaking formal limitation of IEEE 802.11 IEEE802.11では、明示的にネットワーク内のSTA数に制限はない 実際には、APは関連した2007以上のSTAを持つことができない 管理フレーム内に、アソシエーションID（AID）がある 長さは、14ビット長だが、1～2007以外の値（0および2008～16383）は別の用途 として予約されている トラヒック表示マップ（TIM）は2008ビットの制限があった APがフレームでバッファリングしているステーションの集合をビットマップで示す TGahは ・AIDの制限を 1～2007 ⇒ 0～8191 まで範囲を拡張 ・TIMのビットマップの最大長を 2008 ⇒ 8192ビットに増加 19 4.2. Frame shortening 11ah PHYは、高いデータレートを提供する しかし、センサネットワークでのショートパケットの伝送では，オーバー ヘッドが大きく，全体のスループットが非常に低くなる TGahが考案したこの問題の解決点 フレームヘッダ ACKなどの制御フレーム 定期的に送信するビーコン 20 4.2.1. Short headers Legacy MAC header (top) and short MAC header (bottom). 従来の11規格のインフラストラクチャネットワーク 3アドレスを含むMACヘッダの長さは（ FCS を含め）約30バイト ⇒ 100バイトのペイロード（メッセージ）のために、MACヘッダのオーバヘッドは、 30％を超える 新しい（ショート）MACヘッダ Duration/ID、QoSおよびHTフィールドは、ヘッダから除外 21 4.2.2. NDP MAC frames ACK,CTSなどの制御フレームを短縮したい 例えば、100バイトのパケットが、2 MHzのチャネルの帯域幅で最低のデータレート で送信された場合、ACKの持続時間は、データフレームの持続時間のおよそ30% の長さを占める TGahはNull Data Packet (NDP) MACフレーム という新規のフレームフォーマットを開発 22 4.2.3. Short beacons 過度なオーバーヘッドのもう一つの原因は、ビーコンである ビーコンは定期的にAPによって送信される ビーコンの内容は、APが動作しているモードに依存する 例として、11ｇ/ nのネットワークでは、その長さが100バイトを超える フルビーコンとショートビーコンの2種類を用意し、用途によって使い分 ける ショートビーコンには以下のものは含まれない 宛先アドレス BSSID シーケンス制御 ショートビーコンは以下のものは短縮される タイムスタンプ ： 8バイト → 4バイト SSID ： 32バイト → 4バイト 23 4.2.4. Grouping of stations and bitmap compression 膨大な数のSTAを簡素化するため、11ahでは下図のように 4レベル構造のグループにまとめる 同様の特性を持つSTAのグループ化 近くに位置するグループのチャネルアクセスを制限 隠れた多数のSTAからの送信が重なることを防ぐ（隠れ端末問題の回避） 競合を減らす AID hierarchy 24 4.3. Channel access オーバーヘッドを減少するためのチャネルアクセスの方式 ここでのオーバーヘッドに含まれているもの バックオフスロット時間 フレーム間スペース ACK 衝突を回避するための時間間隔 25 4.3.1. Virtual carrier sense 双方向フレーム交換時の衝突を回避するために 物理キャリアセンスに加えて、NAVという仮想キャリアセンスメカニズムを使用 NAVとは、ACKの待ち時間にチャネルにアクセスするために（受信機を除く）全 ての隣接STAの通信を禁止する その後..． Response Indication Deferral (RID)と呼ばれる別の仮想のCSメカニズムを開発 RIDとは（NAVとの比較） NAVは、（FCSを含み）フレーム全体を正常に受信する必要がある ⇒ RIDは、PHYヘッダのみの受信で良い NAVは、予想伝送時間に関する正確な情報を取得する必要がある ⇒ RIDは、受信したフレームのPHYヘッダ内の2ビットの応答指示フィールドに 格納された応答のタイプに基づいて時間間隔を決定 26 4.3.2. Restricted access window Restricted access window （RAW） 数千ものSTAが存在するネットワークにおいて衝突確率を減少させるために開発 1. STAをグループに分割 2. 各スロットにグループを割り当てる 3. 該当するグループ内のSTAは ランダムアクセスでパケットを送信 アルゴリズムは依然として 未解決の問題である RAW vs. DCF normalized throughput obtained with simulation (sim) and analytical model (ana) 27 4.3.3. Fast association and authentication APを設置した場合、もしくは停電復旧時に多数のSTAが同時にAPとの接 続を試みる この認証手続きは、数フレームで構成されている ⇒ 約6000ものSTAが同時に認証しようとしても、 ほとんどの認証要求は、衝突してしまい受信されない TGahは競合を制限する2つの認証制御メカニズムの開発を行った 集中型認証制御メカニズム APが初期化されると、STAは0～1022の乱数値を生成 ビーコンを受信したSTAは、認証制御閾値より小さい場合にのみ、APとの関連付けを試行 する ⇒ 『 APが生成した値＜STAがランダム生成した値』 ⇒ このときAPとの認証が行われる 分散型認証制御メカニズム 切り捨てバイナリ指数バックオフに基づく 28 4.3.3. Fast association and authentication Authentication & association process for various number of stations: (a) legacy, (b) centralized authentication mechanism 課題点 両メカニズムの効率はまだ比較されていない 既に認証済みのSTAのトラヒックと認証要求の衝突を回避する方法は未解決 の問題である 29 4.3.4. Group sectorization 隠れ端末問題の解決策として TGahによって開発されたセクタ化メカニズム 位置に基づいてチャネルにアクセスするSTAの数を制限する グループのセクタ化について 空間・時分割多重の併用 B A 1. APは、いくつかの空間セクタに空間を分割 する 2. STAはAPから自分の属するセクタのIDを 取得する 3. APは、セクタ間隔に時間を分割する 4. APはビーコンをビーム送信し、アクセス権 をSTA群に通知する セクタに属していないSTAは、 チャネルにアクセスすることは禁止 セクタ間隔は重複可 この場合、複数のセクタをアクティブにすることができる 30 4.3.5. Overlapping BSS 11ahデバイスの送信範囲は1キロ オーバーラッピングBSS（OBSS）の共存を改善する必要がある （手法） 1. APはomni-beamを送信する（Frame1） 2. 受け取ったSTAはACKを返す 3. ACKを受け取ったAPはACKの送信方向 にsectorizedbeamを送信（Frame2）し、 通信を行う 31 4.4.1 Brief overview of the power management IEEE 802.11電力管理の二つの状態 能動状態： フレームの送受信が可能 休止状態： 無線モジュールを停止，送受信不可 PS(Power Save)モード：二つの状態を交互に繰り返す 802.11の電力管理機能 最大18時間のアイドル時間 WNMスリープモード Automatic Power Save Delivery (APSD) Power Save MultiPoll (PSMP) Direct Multicast Service (DMS) ahのユースケースでは不十分 32 4.4.2 Insufficient duration of doze state duration 最大アイドル時間の問題 802.11では最大18時間程度が限界 ユースケースではそれ以上の時間が必要 最大アイドル時間を拡張 解決策 最大アイドル時間のフィールドの一部をスケーリング定数として利用 最大時間を数倍～数百倍にできる APがSTAのアイドル時間を個別に管理 STAが自由に最大アイドル時間を要求できる 33 4.4.4 TIM segmentation ビーコンによる問題 ビーコンをきっかけとして複数のSTAが同時にAPにデータ要求 STAが競合し，電力を消費 TIM 分割 TIMを分割し，衝突を回避 データがなければ，ページ有効期限までの間スリープする 35 4.4.5 Target Wake Time (TWT) 稀にしかデータを送信しないSTAへの対応方法 ビーコンの受信を行わないことで電力消費を抑える TWT ビーコンとは関係ない時間間隔でSTAが復帰 TWT STAは基本的に休止状態でいることが可能 設定にはAPとSTAとの間で復帰間隔の交渉が必要 電力消費を大幅に抑えられる 36 4.4.6 TWT Synchronization APとSTA間での送信タイミングの問題 通信を全く行わないとタイマがずれる可能性がある 送信時にSTAがチャネルの監視のために復帰すると電力を消費 TWT同期 TWT間隔の初めに，STAが同期フレーム(NDP CTS)を送信し，APと同期 37 4.4.7 NDP paging NDP ページング 何かアクションがあるときにAPがSTAに通知する バッファリングされたフレームがあるとき ビーコンに重要な変化があるとき 同期のためにも定期的に送信 大幅な電力の削減が可能 通常時とNDPページング時の電力比較 38 4.4.8 Subchannel selective transmission 802.11ahネットワークでは最大16MHzのチャネルで動作 高い電力を消費 すべてのSTAは広いチャネル幅を必要としない １つのチャネルをサブチャネル化して利用 Subchannel Selective Transmission (SST) APはSST情報をビーコン上で送信する SST情報に利用できるサブチャネルを含める APはサブチャネルを並列的に利用できるように定期的に調査し通知 39 4.4.9 Flexible multicast 802.11のマルチキャスト 膨大な数には対応できない グループが大きいとき，APはTIMビットマップに多くのビットを設定する必要が ある ブロードキャストを用いることもできるが，関係ないSTAにとって電力の無駄 Multicast AID (MID) マルチキャストグループに属するSTAにAPが新たに割り当てるID 複数のMIDを割り当てることも可能 他のSTAが復帰しないように制御する 40 4.5 Relays リレー(ノード) Root APとSTA間でフレーム転送を中継 通信距離の延長や障害物への対応 STAの電力消費を抑える 低消費電力で高いデータレートを実現できる STAの復帰状態時間を削減できる リレーの構成 リレーSTA リレーAP リレー利用時のトポロジ 41 4.5.1 Forwarding リレーAPの転送テーブル 従来の学習方法：Backward Leaning リレーAPに接続後，STAはARPによってIPアドレス解決を行う リレーは自身がSTAに接続されていることをルートAPに告知 STA間で通信するとき，ルートAPにその存在が告知されない 新しい機構 リレーAPに新しいSTAが参加したとき，リレーが到達可能なSTAのリストをルートAP に通知 Reachable Address Updateフレームによってリストの差分を送信しオーバヘッドを削減 42 4.5.2 Relay discovery procedure リレーの検出 非AP STAはProbe Requestフレームによってリレーの検出を行う リレーがフレームを受信すると，リンク要求に応じたProbe Responseフレームを 返信する 複数のResponseフレームを受信した場合は，STAは適当なリレーを選択する 43 4.5.3 TXOP sharing リレーによってオーバヘッドは増加する 1つのチャネルが使われるため 衝突確率が増加する TXOP共有 チャネル内で送信機会を共有できるような機構を提供する 搬送波検知 TXOP共有なし SIFS間隔後すぐに データ送信 TXOP共有あり（明示的ACK） 44 4.5.3 TXOP sharing 暗黙的ACK リレーがSTAにACKを送信しないようにする 成否の判断はリレーが送信したフレームを検知することによって行う 送信元STAはタイムアウトによって送信の不可を知る 暗黙的ACKの条件 ルートAPはSTAのPAID（AIDのハッシュ）を知っている必要がある リレーがSTAのAIDを通知する STAはルートAPのBSSID(PAIDの計算をするのに用いる)を知っておく必要が ある ビーコンやProbe Responseフレームを通して通知 ACKを送信しない 送信成功の検知 TXOP共有あり（暗黙的ACK） 45 4.5.4 Flow control リレーのオーバフロー ホップ箇所によってチャネル条件が異なる リレー上でバッファリングされるが，キューがオーバフローする可能性がある リレーへの転送を停止する機能が必要 リレー動作フレームによるフロー制御 Relay Flow Suspend ユニキャストまたはブロードキャストで休止間隔フィールドに示された時間フレームの 転送を停止するように要求 Relay Flow Resume 上記の期間が過ぎていなくても，送信を再開するように通知 46 5 Conclusion IEEE 802.11ah のドラフト標準となる主な機構の概説 説明した機構は単なる枠組みである 動機と未解決の問題 様々なシナリオを実現できるような機構について 決定的な方法ではないため，今後も多くの研究が必要 未解決の問題に関するモデル化と機構の説明 11ahの研究開発の発展に向けた活動の一つ 低コストで信頼性のある機器の実現を目指して 802.11ahの研究開発を促進し標準化を進める 47 48 ネットワークアーキテクチャ特論 ＜802.11ah センサネットワーク概説＞ グループ C 尾家・塚本研究室 中野 川原研究室 高見 尾知・黒崎研究室 杉山