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卒業論文発表




屋内空間におけるZigBeeの受信信号強度への
     群集動態が及ぼす影響
   Estimation of ZigBee’s RSSI effected by
   Human Crowd Behavior in Indoor Space


             複雑系工学講座
            調和系工学研究室
            4年 新井 雅也
背景




                    影響



          ZigBeeの    群集動態による
群集動態     受信信号強度      受信信号強度
           の計測        への影響


       安全安心・空間見守り
ZigBeeの概要
                       群集が存在しない屋内空間
                       における受信信号強度

ZigBee
・IEEE802.15.4に準拠した仕様
・2.4GHz周波数帯
・小コスト・小消費電力
・群集により受信信号強度が影響
                       群集が存在する屋内空間
                       における受信信号強度
群集動態と受信信号強度の変化
仮説:群集の動態が異なることにより,受信信号強度に変化が生じる

 特徴量
               ・ 人体への吸収・反射に違い
               ・ 電磁波経路を遮る割合
  密度           ・ 安定した経路パスが存在する割合
   速さ          ・ 群集が動くことによる空間の環境が変化
  乱雑さ

          マルチパスフェージングの影響



              ZigBeeの       群集動態による
 群集動態        受信信号強度         受信信号強度
               の計測           への影響
特徴量の範囲
密度
単位占有面積を       M  1 /  m / 人
                         2
                                  0.5  M  0.9

              公共的な空間における人の量の限界

 単位面積当たりの人数の限界           2.0 人 / m2 
速さ
建物内の位置・経路などに慣れている心身
健康な人が,災害時に移動する速さ  1.2 [m/s]…         人が多く介在する空間においては
                                     早歩きに近いぐらいの速さ
乱雑さ
  乱雑さの指標                     速度ベクトルの分布
     速さを一定としたとき   速度ベクトルの向きの分布が一様         乱雑さ 大
                  速度ベクトルの向きの分布に偏り         乱雑さ 小
受信信号強度の計測に向けた分割
密度            0.08   0.15         0.31   0.62       1.23     2.0

              1      2            4      8              16   3.6 [m]×3.6 [m]当たりの人数

速さ        0                 0.7          1.1 1.2




乱雑さ            Y                                    Y


               O                                    O        X
                     X




      0                           小             大
計測に向けた群集動態のパターン
                      1               2               4                8              16
                 密度: 1           密度: 2           密度: 4           密度: 8           密度: 16
速さ : 0
                 速さ: 0           速さ: 0           速さ: 0           速さ: 0           速さ: 0
                                                                                                 密度
乱雑さ : 0
                 乱雑さ: 0          乱雑さ: 0          乱雑さ: 0          乱雑さ: 0          乱雑さ: 0
                 密度: 1           密度: 2           密度: 4           密度: 8           密度: 16
速さ : 0.7 [m/s]   速さ: 0.7 [m/s]   速さ: 0.7 [m/s]   速さ: 0.7 [m/s]   速さ: 0.7 [m/s]   速さ: 0.7 [m/s]
乱雑さ : 小          乱雑さ: 小          乱雑さ: 小          乱雑さ: 小          乱雑さ: 小          乱雑さ: 小
                 密度: 1           密度: 2           密度: 4           密度: 8           密度: 16
速さ : 0.7 [m/s]   速さ: 0.7 [m/s]   速さ: 0.7 [m/s]   速さ: 0.7 [m/s]   速さ: 0.7 [m/s]   速さ: 0.7 [m/s]
乱雑さ : 大
                 乱雑さ: 大          乱雑さ: 大          乱雑さ: 大          乱雑さ: 大          乱雑さ: 大
                 密度: 1           密度: 2           密度: 4           密度: 8           密度: 16
速さ : 1.1 [m/s]   速さ: 1.1 [m/s]   速さ: 1.1 [m/s]   速さ: 1.1 [m/s]   速さ: 1.1 [m/s]   速さ: 1.1 [m/s]
乱雑さ : 小
                 乱雑さ: 小          乱雑さ: 小          乱雑さ: 小          乱雑さ: 小          乱雑さ: 小
                 密度: 1           密度: 2           密度: 4           密度: 8           密度: 16
速さ : 1.1 [m/s]   速さ: 1.1 [m/s]   速さ: 1.1 [m/s]   速さ: 1.1 [m/s]   速さ: 1.1 [m/s]   速さ: 1.1 [m/s]
乱雑さ : 大          乱雑さ: 大          乱雑さ: 大          乱雑さ: 大          乱雑さ: 大          乱雑さ: 大


速さ,乱雑さ                                                                           全25パターン
計測・分析プロセス
         マルチパスフェージングの影響




           ZigBeeの        群集動態による
群集動態      受信信号強度          受信信号強度
            の計測            への影響


  密度
  速さ
  乱雑さ
実験環境
 情報科学研究科棟 9階 ラウンジ




今回は高さ1[m]の位置で
計測される受信信号強度
のみについて解析
実験における群集動態の作り方
密度             実験領域内(3.6m×3.6m)人数: 1, 2, 4, 8, 16人



乱雑さ            実験領域内の歩き方
     小                 大




  紺ライン                 緑ライン

速さ: 0, 0.7, 1.1[m/s]       一歩(60cm)のタイミングをメトロノームで指定

・通信時間間隔: 50 [msec]
・1つのパターンに対する計測時間: 180 [sec]
トラッキングビジョンによる
           速さと乱雑さの測定
                          ビデオファイルから,各協力者
協力者の服装                    の動きをトラッキング


赤
帽




白        指定した
衣        速度・乱雑さ




                  検証・補正      計測された
                             速さ・乱雑さ
計測により得られた時系列データ           密度
          1   2   4   8   16

トラッキング
ビジョンによる
測定速さ




0.7→0.5




1.1→0.8



速さ,乱雑さ
計測・分析プロセス

           ZigBeeの     群集動態による
群集動態      受信信号強度       受信信号強度
            の計測         への影響


  密度
  速さ          受信信号強度
  乱雑さ
分析手法
計測により得られた
受信信号強度の時系列データ
                      統計的解析手法   ・平均値
                                ・分散値
                                ・中央値

                      周波数解析手法   ・離散フーリエ解析




                 1


                0.5


                 0



                         レーダチャートにより表現
平均値・分散値・中央値
                中央値   平均値

計測により得られた
受信信号強度の時系列データ




                                  ave
                 分散値         1
                                        var
                            0.5


                             0                med
離散フーリエ解析
計測により得られた       離散フーリエ解析
受信信号強度の時系列データ

                                    ave
                               1
                         f5               var
                              0.5


                    f4         0                med



                         f3               f1

                                    f2
25パターンの分析結果
                       ave : 平均値
                       var : 分散値
                        med : 中央値
                       f1~f5 : フーリエスペクトルを300の周波数ごとに平均値化した値
                                                                                                                                                                       密度
                             1                                  2                                4                               8                               16
                             ave                                                                                                 ave
         O               1                                 1
                                                                ave
                                                                                            1
                                                                                                 ave
                                                                                                                             1                               1
                                                                                                                                                                 ave
                  f5                var            f5                  var            f5               var            f5               var            f5               var
乱雑さ 小                  0.5                               0.5                               0.5                             0.5                             0.5

             f4          0                med f4           0                 med f4         0                med f4          0               med f4          0               med


                  f3                f1             f3                  f1             f3               f1             f3               f1             f3               f1

                              f2                                f2                                                                f2                              f2
                                                                                                  f2
                             ave                               ave                               ave                             ave                             ave
                        1                                 1                                 1                               1                               1
                  f5               var             f5                  var            f5               var            f5               var            f5               var
                       0.5                               0.5                               0.5                             0.5                             0.5
             f4         0               med f4            0                  med f4         0                med f4         0                med f4         0               med
乱雑さ 大
                  f3               f1              f3                  f1             f3               f1             f3               f1             f3               f1
                             f2                                 f2                                                                                               f2
                                                                                                  f2                             f2
                             ave                                 ave                             ave                             ave
                         1                                 1                                1                                1                                   ave
                                                                                                                                                             1
                  f5                var             f5                  var           f5               var            f5               var            f5               var
                       0.5                                0.5                              0.5                             0.5                             0.5
             f4          0                med f4           0                  medf4         0                medf4           0               medf4           0               med

        速さ        f3                f1              f3                  f1            f3               f1                                             f3               f1
                                                                                                                      f3               f1
                              f2                                 f2                              f2                              f2                               f2
25パターンの分析結果
                       ave : 平均値
                       var : 分散値
                        med : 中央値
                       f1~f5 : フーリエスペクトルを300の周波数ごとに平均値化した値
                                                                                                                                                                      密度
                             1                                  2                               4                               8                               16
                             ave                                                                                                ave
         O               1                                 1
                                                                ave
                                                                                           1
                                                                                                ave
                                                                                                                            1                               1
                                                                                                                                                                ave
                  f5               var             f5                 var            f5               var            f5               var            f5               var
乱雑さ 小                  0.5                               0.5                              0.5                             0.5                             0.5

             f4          0               med f4            0                med f4         0                med f4          0               med f4          0               med

                                           分散値が増加す
                                                                                                                                                     f3               f1
                  f3               f1        f3る傾向 f1                                f3               f1             f3               f1
                              f2                                f2                                                               f2                              f2
                                                                                                 f2
                             ave                               ave                              ave                             ave                             ave
                        1                                 1                           平均値が減少す
                                                                                         1                                 1                               1
                  f5               var             f5                 var            f5       var                    f5               var            f5               var
                       0.5                               0.5                           0.5 る傾向                            0.5                             0.5
             f4         0            med f4               0                 med f4         0               med f4          0                med f4         0                med
乱雑さ 大
                  f3
                               フーリエスペクトル
                                 f1    f3                             f1             f3               f1             f3               f1             f3               f1
                               の分布が変化する
                             f2           f2                                                                                                                    f2
                             ave    傾向     ave
                                                                                                 f2
                                                                                                ave
                                                                                                                                f2
                                                                                                                                ave
                         1                                 1                               1                                1                                   ave
                                                                                                                                                            1
                  f5                var             f5                 var           f5               var            f5               var            f5                var
                       0.5                                0.5                             0.5                             0.5                             0.5
             f4          0                med f4           0                 medf4         0                medf4           0               medf4           0               med

        速さ        f3                f1              f3                 f1            f3               f1                                             f3                f1
                                                                                                                     f3               f1
                              f2                                f2                              f2                              f2                               f2
まとめ

              ZigBeeの       群集動態による
  群集動態       受信信号強度         受信信号強度
               の計測           への影響


     密度
     速さ          受信信号強度          分析
     乱雑さ




                          密度、速さ、乱雑の違いによる
群集動態の特徴量     計測方法の提案      影響の傾向がみられた

  受信信号強度の変化から群集動態の推定を行える可能性がある

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  • 1. 卒業論文発表 屋内空間におけるZigBeeの受信信号強度への 群集動態が及ぼす影響 Estimation of ZigBee’s RSSI effected by Human Crowd Behavior in Indoor Space 複雑系工学講座 調和系工学研究室 4年 新井 雅也
  • 2. 背景 影響 ZigBeeの 群集動態による 群集動態 受信信号強度 受信信号強度 の計測 への影響 安全安心・空間見守り
  • 3. ZigBeeの概要 群集が存在しない屋内空間 における受信信号強度 ZigBee ・IEEE802.15.4に準拠した仕様 ・2.4GHz周波数帯 ・小コスト・小消費電力 ・群集により受信信号強度が影響 群集が存在する屋内空間 における受信信号強度
  • 4. 群集動態と受信信号強度の変化 仮説:群集の動態が異なることにより,受信信号強度に変化が生じる 特徴量 ・ 人体への吸収・反射に違い ・ 電磁波経路を遮る割合 密度 ・ 安定した経路パスが存在する割合 速さ ・ 群集が動くことによる空間の環境が変化 乱雑さ マルチパスフェージングの影響 ZigBeeの 群集動態による 群集動態 受信信号強度 受信信号強度 の計測 への影響
  • 5. 特徴量の範囲 密度 単位占有面積を M  1 /  m / 人 2 0.5  M  0.9 公共的な空間における人の量の限界 単位面積当たりの人数の限界 2.0 人 / m2  速さ 建物内の位置・経路などに慣れている心身 健康な人が,災害時に移動する速さ 1.2 [m/s]… 人が多く介在する空間においては 早歩きに近いぐらいの速さ 乱雑さ 乱雑さの指標 速度ベクトルの分布 速さを一定としたとき 速度ベクトルの向きの分布が一様 乱雑さ 大 速度ベクトルの向きの分布に偏り 乱雑さ 小
  • 6. 受信信号強度の計測に向けた分割 密度 0.08 0.15 0.31 0.62 1.23 2.0 1 2 4 8 16 3.6 [m]×3.6 [m]当たりの人数 速さ 0 0.7 1.1 1.2 乱雑さ Y Y O O X X 0 小 大
  • 7. 計測に向けた群集動態のパターン 1 2 4 8 16 密度: 1 密度: 2 密度: 4 密度: 8 密度: 16 速さ : 0 速さ: 0 速さ: 0 速さ: 0 速さ: 0 速さ: 0 密度 乱雑さ : 0 乱雑さ: 0 乱雑さ: 0 乱雑さ: 0 乱雑さ: 0 乱雑さ: 0 密度: 1 密度: 2 密度: 4 密度: 8 密度: 16 速さ : 0.7 [m/s] 速さ: 0.7 [m/s] 速さ: 0.7 [m/s] 速さ: 0.7 [m/s] 速さ: 0.7 [m/s] 速さ: 0.7 [m/s] 乱雑さ : 小 乱雑さ: 小 乱雑さ: 小 乱雑さ: 小 乱雑さ: 小 乱雑さ: 小 密度: 1 密度: 2 密度: 4 密度: 8 密度: 16 速さ : 0.7 [m/s] 速さ: 0.7 [m/s] 速さ: 0.7 [m/s] 速さ: 0.7 [m/s] 速さ: 0.7 [m/s] 速さ: 0.7 [m/s] 乱雑さ : 大 乱雑さ: 大 乱雑さ: 大 乱雑さ: 大 乱雑さ: 大 乱雑さ: 大 密度: 1 密度: 2 密度: 4 密度: 8 密度: 16 速さ : 1.1 [m/s] 速さ: 1.1 [m/s] 速さ: 1.1 [m/s] 速さ: 1.1 [m/s] 速さ: 1.1 [m/s] 速さ: 1.1 [m/s] 乱雑さ : 小 乱雑さ: 小 乱雑さ: 小 乱雑さ: 小 乱雑さ: 小 乱雑さ: 小 密度: 1 密度: 2 密度: 4 密度: 8 密度: 16 速さ : 1.1 [m/s] 速さ: 1.1 [m/s] 速さ: 1.1 [m/s] 速さ: 1.1 [m/s] 速さ: 1.1 [m/s] 速さ: 1.1 [m/s] 乱雑さ : 大 乱雑さ: 大 乱雑さ: 大 乱雑さ: 大 乱雑さ: 大 乱雑さ: 大 速さ,乱雑さ 全25パターン
  • 8. 計測・分析プロセス マルチパスフェージングの影響 ZigBeeの 群集動態による 群集動態 受信信号強度 受信信号強度 の計測 への影響 密度 速さ 乱雑さ
  • 9. 実験環境 情報科学研究科棟 9階 ラウンジ 今回は高さ1[m]の位置で 計測される受信信号強度 のみについて解析
  • 10. 実験における群集動態の作り方 密度 実験領域内(3.6m×3.6m)人数: 1, 2, 4, 8, 16人 乱雑さ 実験領域内の歩き方 小 大 紺ライン 緑ライン 速さ: 0, 0.7, 1.1[m/s] 一歩(60cm)のタイミングをメトロノームで指定 ・通信時間間隔: 50 [msec] ・1つのパターンに対する計測時間: 180 [sec]
  • 11. トラッキングビジョンによる 速さと乱雑さの測定 ビデオファイルから,各協力者 協力者の服装 の動きをトラッキング 赤 帽 白 指定した 衣 速度・乱雑さ 検証・補正 計測された 速さ・乱雑さ
  • 12. 計測により得られた時系列データ 密度 1 2 4 8 16 トラッキング ビジョンによる 測定速さ 0.7→0.5 1.1→0.8 速さ,乱雑さ
  • 13. 計測・分析プロセス ZigBeeの 群集動態による 群集動態 受信信号強度 受信信号強度 の計測 への影響 密度 速さ 受信信号強度 乱雑さ
  • 14. 分析手法 計測により得られた 受信信号強度の時系列データ 統計的解析手法 ・平均値 ・分散値 ・中央値 周波数解析手法 ・離散フーリエ解析 1 0.5 0 レーダチャートにより表現
  • 15. 平均値・分散値・中央値 中央値 平均値 計測により得られた 受信信号強度の時系列データ ave 分散値 1 var 0.5 0 med
  • 16. 離散フーリエ解析 計測により得られた 離散フーリエ解析 受信信号強度の時系列データ ave 1 f5 var 0.5 f4 0 med f3 f1 f2
  • 17. 25パターンの分析結果 ave : 平均値 var : 分散値 med : 中央値 f1~f5 : フーリエスペクトルを300の周波数ごとに平均値化した値 密度 1 2 4 8 16 ave ave O 1 1 ave 1 ave 1 1 ave f5 var f5 var f5 var f5 var f5 var 乱雑さ 小 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 f4 0 med f4 0 med f4 0 med f4 0 med f4 0 med f3 f1 f3 f1 f3 f1 f3 f1 f3 f1 f2 f2 f2 f2 f2 ave ave ave ave ave 1 1 1 1 1 f5 var f5 var f5 var f5 var f5 var 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 f4 0 med f4 0 med f4 0 med f4 0 med f4 0 med 乱雑さ 大 f3 f1 f3 f1 f3 f1 f3 f1 f3 f1 f2 f2 f2 f2 f2 ave ave ave ave 1 1 1 1 ave 1 f5 var f5 var f5 var f5 var f5 var 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 f4 0 med f4 0 medf4 0 medf4 0 medf4 0 med 速さ f3 f1 f3 f1 f3 f1 f3 f1 f3 f1 f2 f2 f2 f2 f2
  • 18. 25パターンの分析結果 ave : 平均値 var : 分散値 med : 中央値 f1~f5 : フーリエスペクトルを300の周波数ごとに平均値化した値 密度 1 2 4 8 16 ave ave O 1 1 ave 1 ave 1 1 ave f5 var f5 var f5 var f5 var f5 var 乱雑さ 小 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 f4 0 med f4 0 med f4 0 med f4 0 med f4 0 med 分散値が増加す f3 f1 f3 f1 f3る傾向 f1 f3 f1 f3 f1 f2 f2 f2 f2 f2 ave ave ave ave ave 1 1 平均値が減少す 1 1 1 f5 var f5 var f5 var f5 var f5 var 0.5 0.5 0.5 る傾向 0.5 0.5 f4 0 med f4 0 med f4 0 med f4 0 med f4 0 med 乱雑さ 大 f3 フーリエスペクトル f1 f3 f1 f3 f1 f3 f1 f3 f1 の分布が変化する f2 f2 f2 ave 傾向 ave f2 ave f2 ave 1 1 1 1 ave 1 f5 var f5 var f5 var f5 var f5 var 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 f4 0 med f4 0 medf4 0 medf4 0 medf4 0 med 速さ f3 f1 f3 f1 f3 f1 f3 f1 f3 f1 f2 f2 f2 f2 f2
  • 19. まとめ ZigBeeの 群集動態による 群集動態 受信信号強度 受信信号強度 の計測 への影響 密度 速さ 受信信号強度 分析 乱雑さ 密度、速さ、乱雑の違いによる 群集動態の特徴量 計測方法の提案 影響の傾向がみられた 受信信号強度の変化から群集動態の推定を行える可能性がある