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基地局電源制御に基づく省電力無線 LAN システムに関する研究
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
発表内容 背景
無線 LAN の普及 無線 LAN AP ( Access Point )停止の困難さ
研究目的 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
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
2 修士研究発表 : 中村 遼
背景 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
3 修士研究発表 : 中村 遼
背景 –問題点 - 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
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根本的な問題解決にはならない
[1] F. Zhang, T.D. Todd, D. Zhao, and V. Kezys, “Power Saving Access Points for IEEE802.11 Wireless Network Infrastructure,” IEEE Transactions on Mobile Computing, Vol. 5, No. 2, pp. 144-156, 2006.
修士研究発表 : 中村 遼
研究目的 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 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.
5 修士研究発表 : 中村 遼
研究課題 <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 つの機器 BQ(Base Quacker) と C3 サーバ(Collection, Calculation and Control server) を提案
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[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.
修士研究発表 : 中村 遼
BQ (Base Quacker) 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 のチャネルは同一
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 7
端末BQ1
BQ2
必要
BQ3
端末の座標 (X,Y) が求まる
修士研究発表 : 中村 遼
C3 サーバ (Collection, Calculation and Control server)
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
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
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送信側端末
受信側BQ
d [m]
受信信号強度P[dBm]
( C,N :定数)
受信信号強度とアンテナ間距離の関係
修士研究発表 : 中村 遼
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提案システムの全体図
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
7. 起動した AP からビーコン送信6. 端末に最適な AP を起動
8. 接続完了9. 通信終了10.AP の停止
BQ1
BQ2
BQ3
C3
端末の位置は ??
P1[dBm]
P2[dBm]
P3[dBm]
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
AP
修士研究発表 : 中村 遼
システムの評価 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
10 修士研究発表 : 中村 遼
機器の実装
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端末位置推定精度の測定 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
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 修士研究発表 : 中村 遼
動作検証結果 端末の位置推定誤差 (累積分布確率 )
端末 AP 間においては,接続を確認することができた13
推定誤差
10m以
内15m以
内最大値 93% 100%
平均値 82% 88%
平均値 (-75dBm以上 )
92% 98%
平均値 (-70dBm以上 )
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
修士研究発表 : 中村 遼
省電力性検証シミュレーション 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 方法: 10 分毎に第 1~ 4週の平均
ユーザ数を計算した上で,右記の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
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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
0 0:00-6:00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00.5 6:00-8:40 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 2 5 0
18:40-10:10
1 0 0 0 0 2 1 0 0 010
1 7 8 0
1.510:10-10:30
1 1 0 2 0 0 1 0 0 011
2 7 8 0
210:30-12:00
1 1 0 1 0 0 1 0 1 114
1 7 9 0
2.512:00-13:00
0 0 0 0 0 3 1 0 0 0 5 1 1 1 1
313:00-14:30
3 1 0 2 3 5 2 0 0 4 813
0 1 5
3.514:30-14:50
1 1 1 2 2 1 1 1 1 312
13
3 1 6
414:50-16:20
1 2 2 2 2 1 1 4 0 410
13
7 2 6
4.516:20-16:40
0 2 0 2 1 1 2 1 0 3 5 3 1 0 5
516:40-18:10
0 2 0 1 0 1 3 1 0 0 1 2 1 0 0
5.518:10-20:00
0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0
620:00-24:00
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
例:大講義室での AP 利用者数の変化(火曜日)
AP のユーザプロファイル
※ 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.
修士研究発表 : 中村 遼
シミュレーション環境
15
10m
10m
2m
16m 16m2m
教卓
教卓
教卓
通路
講義室 A
講義室 B
講義室 C
2m
2m
2m
34m
22m
4m4m
4m4m
2m
2m
11m
BQ1
BQ2
BQ3AP1
AP2
AP3
AP4 AP5
AP6
AP7 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
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
AP の消費電力: 10W( 起動時 ) / 0W( 停止時 )
BQ の消費電力: 10W
ユーザ:黄色の領域に出現
修士研究発表 : 中村 遼
シミュレーション結果
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シミュレーション環境1
1週間の消費電力量
[kWh/week]
平均消費電力[W]
一般接続システム 11.76 70
Location 接続システム
7.33 43.6
AP 電源制御システムの消費電力の変化
消費電力を約 38%削減することができた
修士研究発表 : 中村 遼
まとめ 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』
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