AP/BQ電源制御システム

Report
九州大学 大学院 システム情報科学府
情報工学専攻 修士2年 中村遼
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背景
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研究目的
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
無線LANユーザに合わせて基地局の起動/停止を行うシステム
提案システムの説明
システムの評価
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
無線LANの普及
無線LAN AP(Access Point)停止の困難さ
実環境での動作検証
シミュレーションでの省電力性検証
まとめと今後の課題
修士研究発表 : 中村 遼
2

インターネット,イントラネットの普及


企業や工場,大学等では無線LANが多く利用
IEEE802.11準拠した公衆無線LANサービスの増加


近年では,携帯ゲーム機も802.11に対応
無線LAN利用のために,AP (Access Point)が必要

無線LANの広域利用や通信帯域確保のために複数設置
⇒ 一つのエリアで複数のAPを検知

APは無線端末の接続要求に応えるために常時起動
修士研究発表 : 中村 遼
3

無線LAN利用の少ない時間帯(夜間や休日)に電力浪費


AP1台の消費電力:5~15W
関連研究[1]では,APにPSM(Power Saving Mode)を応用


PSM:端末が通信を行わない間,無線部(アンテナ)をSleep状態
に
APのSleep≒接続端末全体の低スループット化


端末の要求フレームが受信不可能になる為
省電力化の影響が無線部のみ
APの無線部の消費電力:高々2W程度
 T.D. Todd, D. Zhao, and V. Kezys, “Power Saving Access Points for IEEE802.11 Wireless
[1] F. Zhang,
Network Infrastructure,” IEEE Transactions on Mobile Computing, Vol. 5, No. 2, pp. 144-156, 2006.
根本的な問題解決にはならない
修士研究発表 : 中村 遼
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
無線LAN利用状況に合わせて,自動でAPの電源を制御す
るシステムの提案
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
初期値として,全てのAPは停止
接続端末の位置に最適なAPのみを起動→端末に接続



電波の届かない位置にあるAPを起動しても通信不可能
APと端末には,特別なソフトウェアを組み込まない
このシステムを構築し,省電力性を検証する.
また,これを基に省電力について考察する.
修士研究発表 : 中村 遼
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
<課題> AP停止状態で,いつ,どこに端末が出現したか検知


いつ:端末のプローブ要求送信時
=> 要求フレーム受信応答機能
どこ:端末の二次元座標
=> 受信信号強度を用いた端末位置推定技術

近年ではセンサーネットワークの分野においても注目[2][3]
[2] H. Ochi, S. Tagashira, and S. Fujita, “A Localization Scheme for Sensor Networks Based on Wireless
Communication with Anchor Groups,” IEICE Trans Inf Syst (Inst Electron Inf Commun Eng), Vol. E89-D, No.
5, pp.1614-162, 2006.
[3] M. Sugano, T. Kawazoe, Y. Ohta, and M. Murata, “Indoor Localization System Using RSSI Measurement
of WirelessSensor Network Based on ZigBee Standard,” The IASTED International Conference on Wireless
Sensor Networks(WSN 2006)}, Banff (Canada), 2006.

2つの機器 BQ(Base Quacker)とC3サーバ(Collection,
Calculation and Control server) を提案
修士研究発表 : 中村 遼
6


三点測量における観測点としての基地局
BQの仕様

ビーコン送信,プローブ応答,認証応答

アソシエーション応答は返さない
全区間で最低3台のBQがフレームを受信 => BQのチャネルは同
BQ3
BQ1
一

端末
BQ2
必要

端末の座標(X,Y)が求まる
端末の要求フレームから受信信号強度を測定


BQ端末間距離を受信信号強度から計算 => C3サーバで行う
C3サーバにフレーム及び受信信号強度を転送
修士研究発表 : 中村 遼
7


APとBQの制御サーバ
C3の仕様
① (Collection) BQから受信信号強度の収集および記録
② (Calculation) 端末の位置座標を計算

受信信号強度→BQ端末間距離 変換,三点測量
送信側
端末
受信側
BQ
受信信号強度とアンテナ間距離の関係
受信信号強度
P[dBm]
(C,N:定数)
d [m]

事前に変換式の定数CとNを記録
③ (Control) 端末に最適なAPの起動および未使用APの停止

認証サーバのアクセスログを参照
修士研究発表 : 中村 遼
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BQ2
端末の
位置は??
P2[dBm]
C3
AP
BQ3
P1[dBm]
P3[dBm]
BQ1
この提案システムを,AP電源制
御システムと呼ぶことにする
1.接続開始(APは全て停止している)
2.プローブ要求/認証要求/
アソシエーション要求
3.BQで受信信号強度を測定
4.フレーム及び受信信号強度を送信
5.受信信号強度-距離変換,三点測量
6.端末に最適なAPを起動
7.起動したAPからビーコン送信
8.接続完了
9.通信終了
10.APの停止
修士研究発表 : 中村 遼
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
実環境における動作検証

端末位置推定精度の測定



端末位置推定誤差のシステムへの影響
端末AP間接続確認実験
シミュレーションを用いた消費電力量計算

シミュレーション条件



時間帯ごとに出現する無線LANユーザ数の設定
シミュレーション環境の構築
1週間の消費電力量[kWh/week]および平均消費電力[W]を計
算

一般的な無線LAN接続システムと比較
修士研究発表 : 中村 遼
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修士研究発表 : 中村 遼
11

延べ60地点における位置推定
場所:筑紫女学園大学 礼拝堂
フレーム送信時間:30sec

BQ-C3サーバ間通信:UDP



C3サーバでは,収集した受信信
号強度の最大値と平均値でそれ
ぞれ計算


修士研究発表 : 中村 遼
変換式のNとCは事前に最小二
乗法により計算
端末の実際の位置と推定位置の
誤差[m]を計算
12

端末の位置推定誤差 (累積分布確率)
最大値
平均値
平均値
(-75dBm以上)
平均値
(-70dBm以上)
推定誤差
10m以内 15m以内
93%
100%
82%
88%
92%
98%
93%
98%
微弱電波
を無視
一般に,APは15~20m 間隔で設置する事が多
く,また,屋内でも2.4GHz帯では信号は30m以
上遠方まで届くため,位置推定は問題ない

端末AP間においては,接続を確認することができた
修士研究発表 : 中村 遼
13

現実の講義室内AP
(kitenet:カイトネット)の
ユーザプロファイル作成



場所:システム情報第5,
第7,大講義室
日時:2009年6月第1-4週
例:大講義室でのAP利用者数の変化(火曜日)
方法:10分毎に第1~4週の平均 ユーザ数
第5講義室
第7講義室
大講義室
時限
時間帯 月 火 水 木 金 月 火 水 木 金 月 火 水 木 金
ユーザ数を計算した上で,右記の 0 0:00-6:00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0.5 6:00-8:40
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 2 5 0
時間帯の最大値を記録

平日の20:00~6:00および土日
のユーザ数は0であった
※ kitenetのアクセスログは研究目的の使用であり,
使用後はパソコンから完全に削除しております.
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
6
8:40-10:10
10:10-10:30
10:30-12:00
12:00-13:00
13:00-14:30
14:30-14:50
14:50-16:20
16:20-16:40
16:40-18:10
18:10-20:00
20:00-24:00
修士研究発表 : 中村 遼
1
1
1
0
3
1
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0
0
0
0
0
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2
2
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0
0
APのユーザプロファイル
0
0
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4
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0
0
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11
14
5
8
12
10
5
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0
1
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13
13
3
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7
7
7
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0
14
8
8
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0
0
0
0
0
1
5
6
6
5
0
0
0
16m

AP1
右図の講義室に時間ごとに
ユーザを発生



講義室A:第5講義室×2
講義室B:第7講義室×2
講義室C:大講義室の×2
2m
講義室A
10m
BQ3
AP2
2m
BQ1
2m
教卓
2m
10m
教卓
2m
2m
AP3
11
m
4m
2m 4m
AP4 BQ2
34m
起動したAPの個数を記録して,
その時間帯のAP/BQの消費電力を計算

AP6
通路
講義室B

講義室C
4m
4m
教卓

16m
AP7
AP5
ユーザ:黄色の領域に出現
APの消費電力:10W(起動時) / 0W(停止時)
BQの消費電力:10W
修士研究発表 : 中村 遼
15
22m
消費電力を約38%削減
することができた
AP電源制御システムの消費電力の変化
シミュレーション環境1
一般接続システム
Location接続システム
1週間の
消費電力量
[kWh/week]
11.76
7.33
平均消費電力[W]
70
43.6
修士研究発表 : 中村 遼
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
本研究では,AP電源制御システムを使うことによる省電力性
をシミュレーションにより示すことができた



実験では,問題無く動作した
APの電力供給にPoE (Power over Ethernet)を利用
⇒ ユーザのいない時間帯にAPを完全に停止させることが可
能
一般的な接続システムより消費電力が大きくなることがある


AP電源制御システムでは,BQの消費電力が余計にかかる
AP起動数が多い時間帯にBQを停止 ⇒ 3%程度の電力削減
『AP/BQ電源制御システム』
修士研究発表 : 中村 遼
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