発表(グループC)

Report
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

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