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ユビキタスセンサーネットワークの技術動向と将来展望

平成１６年３月２５日

日本電気株式会社

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センサ－ネットワークは、多彩なソリューションを産出す、多様な要素技術の塊であるので、均質の技術動向ではない。

本資料では、センサ－ネットワークの現在の技術動向を簡単に整理した上で、将来ターゲットを明確化して、いくつかの重要と考えているレイヤの技術について、将来実現されるであろう技術を含めて、技術の方向性を明確化する。

目次

１．センサ－ネットワークの現在の技術動向２．重要技術の紹介（０）センサｰネットワークのターゲット（１）アドホック・マルチホップネットワーク技術（２）省電力技術（３）ソリューション創出基盤技術３．まとめ

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１．センサ－ネットワークの現在の技術動向

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センサーネットの多彩なソリューション

大量のデータ

屋内画像ｾﾝｼﾝｸﾞ

低速環境ﾃﾞｰﾀｾﾝｼﾝｸﾞ（河川、森林、大気、農業）

屋外画像ｾﾝｼﾝｸﾞ

迷子・老人対策

車（衝突防止、空気圧） 検針

体内物流

位置情報

防犯・防災

ﾋﾞﾙ・工場管理

共通なことは・低電力化・自律無設定化・日常化・（高速化）

広いところで使用する

小さいところで使用する

電源が必要

電池や自然ｴﾈﾙｷﾞｰで長期間動作

インターネットを使用する

光ネットワークを使用する

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センサ－ネットワークを実現する多様な技術要素

センサ技術

バックエンド技術・IT利活用サーバ・ｺﾝﾃｷｽﾄ管理技術・ﾊﾞｯｸｴﾝﾄﾞｲﾝﾃﾘｼﾞｪﾝｽ（顔認識など）

自然ｴﾈﾙｷﾞｰからの電力抽出技術

人による設定が不要な自律・自己組織化技術

デバイス技術（１chipﾕﾋﾞｷﾀｽﾃﾞﾊﾞｲｽ）

無線方式・回路・ｱﾄﾞﾎｯｸ・ﾏﾙﾁﾎｯﾌﾟ方式・省電力無線技術

コンテキスト処理技術（画像処理,ｾｷｭﾘﾃｨ,XML,ﾃﾞｰﾀﾏｲﾆﾝｸﾞ）（ｾﾝｻｰとｺﾝﾃｷｽﾄで価値を産み出す技術）

センサ共通インタフェース技術

電波混信対応技術

ｺﾝﾃｷｽﾄﾙｰﾁﾝｸﾞ網

センサノード技術千差万別プラットフォーム

IT利活用ｿﾘｭｰｼｮﾝ

新ソリューション創出のための技術トライアルなど

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国内の状況・微弱無線＋アドホック通信で研究試作ベースシステム・特定小電力無線を１ホップで使った実用的なシステム・無線ＬＡＮベースのアドホックネットワークシステム・ＩＰｖ６センサネットワークのビル管理などへの応用・学会でのアドホック通信方式などについての研究ペーパーなどがある。

海外の状況・世界的には、UCﾊﾞｰｸﾚｰ（Smart Dust）が、省電力センサネット技術の先頭を走ってきた・IEEEでは、センサネット的な無線方式も検討されている・Ember, Millennial Net, Crossbowなどの小さい会社がある・世界的にもセンサネットは最近、話題となってきた段階である

国内・海外の現在の動向

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センサネットワークに関連する現在の標準化動向

PAN(Personal Area Network)の規格を審議中。UWB技術を用いた、近距離での１００Mｂｐｓ以上の無線伝送が検討されている。１ﾋﾟｺネットあたり２５６台を収容。４ピコネットが可能。親（Parent)と多数のChild(子）との通信を想定。～５ｍ程度を想定。2004年中に標準化される可能性あり。

IEEE802.15.TG3a

～１０ｍ。～720Kbps。PCや携帯の無線接続向け。ｱﾌﾟﾘｹｰｼｮﾝからの起動で時間がかかる。2.4GHz帯。

IEEE802.15.1Bluetooth

ＳＴＩＭ（Smart Transducer Interface Module）をインターネットに接続するために、ＮＣＡＰ（Network Capable Processor)に接続するためのインタフェース規定。ＳＴＩＭの電子データシート（ＴＥＤＳ：Transducer Electronic Data Sheet）の形式が定められている。STIMは最大２５５個のセンサｰやアクチュエータを接続する。

IEEE1451ｲﾝﾀﾌｪｰｽとﾃﾞｰﾀ形式

アドホック

プロトコル

IETFでｱﾄﾞﾎｯｸﾈｯﾄﾜｰｸの方式が検討され、４方式がRFC標準になろうとしている。携帯電話間、車々間通信のような移動する物の間のアドホックな通信だけでなく、移動頻度が少ないセンサネットワーク向きの方式も存在する。

MANET（Mobile Ad hoc

NETwork）

次世代無線ＬＡＮ。１１ｇの１００Ｍｂｐｓ級の技術。２００６年標準化目標。複数ｱﾝﾃﾅで並列伝送を行うMIMO（Multiple Input Multiple Output）技術とOFDMの組み合わせ技術が検討されている。

IEEE802.11ｎ

～１００ｍ。250ｋｂｐｓ。３年近いﾊﾞｯﾃﾘｰ寿命も可能な低電力仕様（RFD:ReducedFunction Device)。電池動作向け。センサーネットなど低頻度通信向け。2.4Gbps帯はｸﾞﾛｰﾊﾞﾙに使用可能。ｾｷｭﾘﾃｨ機能なども整備。

IEEE802.15.4Zigbee

特定小電力無線。テレメータ・テレコントロール用。日本では429MHｚ帯。～数百ｍ。１０ｍW無線出力。～１０ｋｂｐｓ。低速センサネット用。距離は十分だが、通信速度が遅い。

内容

ARIB-STD-T67

標準名

無線

分野

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２．重要技術の紹介

（０）センサネットワークの到達点

（１）アドホック・マルチホップネットワーク技術

（２）省電力技術

（３）ソリューション創出基盤技術

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（０）センサーネットワークの到達点

・ユビキタス社会において、ＩＴ利活用のための道具となり、小さくて、状況を人に教え、人間の可能性を高め、かつ、安心・安全の社会を創るもの

・長期的には、「人」の数よりも多くなるが、人手をかけずに管理される自立型のネット。（必然的に、無線、低電力）

大型コンピュータ通信システム

ＰＣ 携帯 ＲＦＩＤソリューションセンサネットワークソリューション

産業規模

時代

半導体の進歩⇒ダウンサイジング

貴重品 人の数の商品 物の数（より日常的なものへ）

大型システム 企業システム コンシューマ

ネットワークロボット

底流：

前提とする仮説

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状況を理解してｾﾝｻｰやｱｸﾁｭｴｰﾀが動作し、人間の能力を引き出すﾈｯﾄﾜｰｸﾛﾎﾞｯﾄとしての極めて高い価値を発揮

ﾃﾞｰﾀﾏｲﾆﾝｸﾞ技術の適用

多様なｾﾝｻｰのｸﾞﾙｰﾌﾟ化やｺﾝﾃｷｽﾄを簡単、安全に流通する仕掛けの導入

小容量データを低速転送コンテキスト処理

100Mbps級（高速）で短時間で通信して低電力を実現

短伝送距離・高密度配置対応へ

０．１ｍＷ／ノード

２．４GHｚ、５GHｚ帯を用いたMｂｐｓ級の高速化０．３ｍＷ／ノード

特定小電力無線（低速）

パケットベース間欠受信待ちによる低電力

比較的長距離伝送

３ｍW／ノード

無線通信技術

ソフト無線技術などにより一層高度化

特定ノードを選択的にWake-Upさせる技術が普及干渉対策の無線方式への導入

ＣＳＭＡ方式

複数ｃｈ

電波混信対策

アンテナと一体化したActiveデバイスへ

無線回路がＩＰコア化し、１チップデバイスが出現

個別部品による無線モジュール

デバイス技術

ウェアラブルコンピュータが外界からエネルギーを抽出して動作

日の当たらないところでも電源線のないネットワークが出回り始める

太陽電池が実用化

他は、基礎研究レベル

自然ｴﾈﾙｷﾞｰからの電力抽出

全ての設定が不要な自己組織化型ネットワーク

１０年後の技術レベル

代替ルート、プラグ＆プレイが自由な自律ネットワーク

３年後の技術レベル

アドホックプロトコルによるノード毎のルーテング設定が不要なネットワーク

今日技術レベル

人による設定が不要な自律網管理技術

ターゲットから見たセンサネットワーク技術の発展シナリオ

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（１）アドホック・マルチホップネットワーク技術

センサー/通信機

基地局

センサー/通信機

センサー/通信機

センサー/通信機

センサー/通信機

センサー/通信機

データ収集

アドホック制御情報

データ収集装置・アドホック・マルチホップ網のﾃﾞｰﾀ転送経路構築指示・データ収集、緊急指示、緊急ｱﾗｰﾑ

<1 km

<1 km

ｱﾄﾞﾎｯｸ・ﾏﾙﾁﾎｯﾌﾟ通信の特徴

・個々の端末は近隣の中継機までﾃﾞｰﾀを送ればよく、トータルの通信電力を小さくできる（距離の２～４乗で電波は減衰）・無設定でデータ転送経路を構築するために、高度なﾈｯﾄﾜｰｸ技術が必要・課題：省電力なﾏﾙﾁﾎｯﾌﾟ通信技術

⇒間欠受信待ち技術など

数十 km数十 km

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アドホック・マルチホップ通信の自律分散性

データ収集ゲートウェイ

低電力自律分散ノード

Smart Dust等の自律分散方式。低電力ノードが、完全な自律分散モードで通信するので、１種類のノードで、設置するだけで動作する。人間が配置を管理しない課題各ノードはいつ隣からパケットが来ても受けられる必要あり。このための省電力な無線方式が課題

アドホック・マルチホップ方式

Full function deviceReduced function device

IEEE802.15.4等では、Reduced function deviceは低消費電力であるがﾏﾙﾁﾎｯﾌﾟはできないので、ノードが２種類になり置局設計が必要 人間が配置を管理出来る近未来のセンサネットでは有効

IEEE802.15.4方式

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・ルーチングテーブルを設定しなくても、隣接ノードを見つけて、自動的にデータ収集経路が出来上がる

センサネットワークにおけるアドホックネットワークへの要求条件

・故障や設置環境の電波伝搬状態の変化があっても、ロバスト性を発揮して、迂回してデータ収集を行う

・初期の低速センサネットワークでは、出来るだけ電力を使わずに、データ収集経路を作り上げる（簡易なツリー状の経路構築）高速のセンサネットワークでは、ルータ以上に移動性も考慮して、経路テーブルを書き換えることが必要

・緊急リアルタイム通信を可能とする場合、無線パニックを避ける

・設置後、無設定で簡単に使える。動かしても使える。

さらに、（２）の省電力技術を組み合わせたｱﾄﾞﾎｯｸ・ﾏﾙﾁﾎｯﾌﾟ通信の研究開発の余地は大きい

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（２）省電力技術-通信ｼｽﾃﾑにおける省電力化の考え方と手法-

取組むべき要素技術取組むべき要素技術

システム・方式による省電力ソフトウェアによる省電力電源・実装による省電力ＬＳＩ・ＦＰＧＡ回路設計による省電力デバイス選択による省電力

etc.

省電力化のための基本的考え省電力化のための基本的考え

・トップダウンであらゆる技術を適用

・トラヒックがない時間は処理を停止またはその時間を利用し処理速度を制御

・使っていないCHは処理を停止 etc.

入力トラヒック NW製品装置 出力トラヒック

処理

その結果の一例

300W

50W

負荷 100％0%

①ﾋﾟｰｸ時電力を下げる

②処理がなければ電力を消費しない

常時接続でもトラヒックには隙間があるので省電力化可能

・通信する時だけ電力を消費する装置を実現・その結果、トラヒック応じて電力が変化する装置となるはず

消費電力

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（２）省電力技術 －低頻度ﾏﾙﾁﾎｯﾌﾟ通信への省電力技術適用－

・前ページの考え方を、低頻度通信を基本とするセンサネットワークに適用すると、通常の送受信時の電力と比較して、１／１０～１／１０００の低電力化が可能である。

・低電力な待ち受け回路は、携帯電話などで使用しているタイプの技術を展開できる。

・様々な工夫により、将来的にＣＰＵ電力よりも無線部分の電力が課題となるが、平均消費電力が０．１ｍＷ級で、電池で数年間動作させる回路も実現可能と想定される。

・消費電力は、無線の伝送速度との関係は薄いため、将来、高速のセンサーネットワークを省電力化することは可能である。（但し、無線が高速なほど伝送距離は短くなる）

・このような考察から、今後、高速化しつつも低電力なアドホック・マルチホップ無線方式の開発が重要であると考えている。

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（３）ソリューション創出基盤技術～安全、安心、便利を与えるユビキタス社会構築を目指して～

ﾕﾋﾞｷﾀｽセンサﾕﾋﾞｷﾀｽセンサ

アプリケーション

ﾘﾓｰﾄ監視 遠隔検針 資産管理 物流管理

低電力通信

コンテキスト最適処理／流通技術コンテキスト最適処理／流通技術

コンテキスト矛盾回避／信憑性評価技術コンテキスト矛盾回避／信憑性評価技術

センサグループ化，センサ間協調技術センサグループ化，センサ間協調技術

ユビキタス・センサ・ネットワーク＜ソリューション＞•環境監視/工事現場監視/ガス検針など有線インフラ設営が困難な環境におけるリモート監視ソリューション•RFIDでは識別困難な小型商品を大量に扱う商品物流管理／資産管理ソリューション•警察，消防，病院，駅など公共施設を緻密に監視する防犯／防災／/救急ソリューション•ホームセキュリティやビル管理サービスソリューション•家電や自動車をユビキタス・センサ・ネットワークに接続．市民が享受できるユビキタス・コンピューティング市場

＜目的＞街全体の安全、安心、便利を支える、センサ・ネットワーク構築技術の開発１．人と人／人と物を正確に結びつけるユビキタスサービスの普及： 交通管理，物流管理，投薬管理など，人々に安全，安心，便利を与えるユビキタス・サービスの普及を促し，ユビキタス・ネットワークの社会インフラ化を加速する。２．人々の不安を無くすＩＴ社会の実現： 携帯機器や街中のユビキタス機器，及びこれらを所持／管理する人々により，街全体が見守られているという安心感を与え，犯罪のない社会構築を支援する．

＜課題と研究内容＞（１）人と人を結ぶため，人／物／場所のコンテキストの最適処理／流通技術（２）コンテキストの矛盾回避，信憑性評価技術，コンテキスト表現の標準化（３）センサグループ化，センサ間協調，情報同期，高速マッチング技術

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３．まとめ

・ﾕﾋﾞｷﾀｽｾﾝｻｰﾈｯﾄﾜｰｸについて、主にﾈｯﾄﾜｰｸ関係の技術動向について整理しました。・電力抽出～無線～ｱﾄﾞﾎｯｸ～ｺﾝﾃｷｽﾄ処理～自己組織化技術まで多様な技術が、今世界中で検討されています。

・私たちが一歩抜きん出るための技術として、省電力なｱﾄﾞﾎｯｸ・ﾏﾙﾁﾎｯﾌﾟ無線技術と、多彩なｿﾘｭｰｼｮﾝを創出するための技術について紹介させていただきました。