1. センサネットワークにおける 集団通信に関する基礎研究
北海道大学 工学部 情報エレクトロニクス系 情報工学コース 調和系工学研究室
学部4年 福井知子

2. 背景
ユビキタス社会
無線センサネットワークの需要の増加
無線センサネットワークの応用例
空調・照明制御
セキュリティ
環境モニタリング
今後屋内空間（ショッピングモール，駅，空港など） に無線センサネットワークが普及

3. ZigBeeの特徴
低コスト・低消費電力・低速通信
ネットワーク内に最大65,535ノード接続可能
アドホックでマルチホップな通信が可能
スリープモードからの立ち上げ時間が短い
ネットワークトポロジはスター型・メッシュ型・ クラスタツリー型
ZigBee
Bluetooth
標準仕様
IEEE
802.15.4
IEEE
802.15.1
通信速度
20 - 250kbps
1Mbps
通信距離
75m
10m - 100m
消費電力
60mW
120mW
駆動時間
数ヶ月～数年
数週間
ノード数
65,535
7
Bluetoothとの比較
総務省ユビキタスセンサーネットワーク技術に関する調 査研究会（平成16年7月） 「ユビキタスセンサーネット ワークの実現に向けて最終報告」参考資料4より抜粋
コーディネータ ルータ エンドデバイス
ZigBeeは無線センサネットワークに 適している

4. 目的
集団通信の問題点
パケットロス率の増加
ネットワークへの接続時間の増加
伝送速度の低下
通信の遅延時間の増加
ZigBeeネットワークにおける集団通信の特性の検証
集団通信における安定したネットワークの構築

5. 状況1：ネットワークへの接続
多数のユーザ
移動
1.接続要求
2.応答
ZigBeeネットワーク
接続に要する時間は？
接続したいルータにトラフィック が集中している可能性
天井

6. 状況2：特定のルータへのトラフィック集中
？
？
？
ZigBeeネットワーク
1つのルータにトラフィック が集中する可能性
どれくらいの割合で パケットがロスする？
天井

7. 実験に用いた機器
Ember社製 ZigBee準拠システムオンチップ（SoC）IC “EM250”
16-bit RISCマイクロプロセッサ搭載
FLASHメモリ（128ｋB）とRAM（5kB）内蔵
ルータ
ハブ
ISA
ISA
Breakout board
network
LAN
WAN

8. アーキテクチャ
EmberZNet
アプリケーション層
アプリケーション・
サポート副層
ネットワーク層
メディア・アクセス層
物理層
ユーザ開発
ZigBee仕様
IEEE 802.15.4
EM250
ZigBeeチップ
PC
転送
（フラッシュメモリ 書き込み）
プログラム
プログラム
EZSP
EZSP
プログラム
PC
シリアル通信
API利用
EZSP：
EmberZNet Serial Protocol

9. ZigBeeの通信
下位層のヘッダ
82バイト（可変）
133バイト
データペイロード
アプリケーション層から見たパケット
ルータ
エンドデバイス
multicast
ルータのアドレス登録
unicast
エンドデバイスのアドレス登録
unicast
通信成立
パケットの構成
ネットワーク接続手順

10. 手順
ルータはあらかじめ複数のエンドデバイスと通信
エンドデバイス起動時 time=0
通信成立時の時刻を計測
設定
マルチキャスト間隔 ： 10[s]
パケットサイズ ： 133[byte] （最長） →送信速度133×8×40=42.56[kbps]
ルータと通信するエンドデバイス数 ： 0 - 7台
計測回数 ： 各台数30回
実験1
トラフィック量と接続に要する時間の関係を調べる
エンドデバイス 起動
ルータ multicast
エンドデバイス unicast
ルータ unicast
エンドデバイス 成立
計測

11. 実験結果
通信成立までの時間[s]
成 立 回 数
：通信成立までの平均時間
・トラフィック量の増加に伴い通信成立までの平均時間が増加した
エンドデバイス0台
4.28[s]
4.03[s]
6.22[s]
7.03[s]
5.86[s]
7.67[s]
7.12[s]
12.14[s]
エンドデバイス1台
エンドデバイス2台
エンドデバイス3台
エンドデバイス4台
エンドデバイス5台
エンドデバイス6台
エンドデバイス7台

12. 実験2
 手順
 エンドデバイスからルータへunicast
 エンドデバイス側で送信パケット数，
ルータ側で受信パケット数をカウント
 設定
 unicast間隔 ： 1/40[s]
 パケットサイズ ： 133[byte] （最長） →送信速度133×8×40=42.56[kbps]
 同時に通信するエンドデバイス数 ： 2 - 7台
 1回の試行時間 ： 3分間
 計測回数 ： 各台数5回
トラフィック量とパケットロス率の関係を調べる
send
receive
loss
N
N
r  1
パケットロス率

13. 実験結果
・トラフィック量の増加に伴いパケットロス率も増加した
・エンドデバイス数が3台以上になるとパケットロス率にばらつきが出た
・エンドデバイス数が6，7台になると受信可能バイト数が減少した
3分間の総受信バイト数
平均パケットロス率と 標準偏差

14. まとめ
ルータと通信しているエンドデバイスが6台までは 平均10秒以内で通信成立
ルータの通信量は同時通信3～5台で最大
今後の課題
エンドデバイス数に対するルータ数の検討
ホップ数と遅延時間との関係の検証