[論文レビュー] 868 MHz Wireless Sensor Network - A Study

Pushpam Aji John, Rudolf Agren+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2016

Energy Efficient Wireless Sensor Networks参考文献 5被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、都市部の大学環境において、XBeeラジオを用いた868 MHz無線センサーネットワークを評価し、2.4 GHz帯と比較して優れた通信範囲と低い干渉を示した。ネットワークは視認可能な状態（LOS）で300mの信頼性あるカバレッジを達成し、パケット損失は最小限に抑えられ、気象要因やフェージングによる信号劣化が生じるものの、大規模な屋外展開に適していることが示された。

ABSTRACT

Today 2.4 GHz based wireless sensor networks are increasing at a tremendous pace, and are seen in widespread applications. Product innovation and support by many vendors in 2.4 GHz makes it a preferred choice, but the networks are prone to issues like interference, and range issues. On the other hand, the less popular 868 MHz in the ISM band has not seen significant usage. In this paper we explore the use of 868 MHz channel to implement a wireless sensor network, and study the efficacy of this channel

研究の動機と目的

• 実際の都市環境における長距離無線センサーネットワークに868 MHz ISM帯を用いる可能性を評価すること。
• 混雑している2.4 GHz帯と比較して、868 MHzの性能（干渉、通信範囲、パケット損失）を評価すること。
• 展開済みのWSNにおける電波伝搬、RSSI強度、環境的要因の影響を評価すること。
• 雨、湿度、霧などの気象条件およびマルチパスフェージングが、パケット損失に与える影響を調査すること。

提案手法

• ATMega328Pマイコンを搭載したArduinoベースのSeediuno Stalkerボードに、XBeeモジュールを用いたカスタム868 MHz WSNを展開した。
• センサーノードに温度、湿度、酸素、微粒子状態センサーを装備し、3分ごとに100バイトのペイロードを送信した。
• pcDuinoベースのベースステーション（LubuntuとPythonを搭載）を用い、パケットをキャプチャ、タイムスタンプを付けてIoTクラウドプラットフォームに転送した。
• 全ラジオをアクティブに保ち、ドーティー・サイクリングを適用しない1週間の実験を実施し、送信出力を300mW（24dBm）に設定した。
• 1時間あたりの欠落パケット数としてパケット誤り率（PER）を測定した（1時間に20パケットが期待される）。
• 気象データを現地の気象局から取得し、距離と環境状態を変化させた3ノードにおけるRSSIおよびパケット損失を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 868 MHz無線センサーネットワークは、障害物や気象変動が生じる屋外都市環境でも、信頼性のある長距離通信を実現できるか？
• RQ2 雨、湿度、霧などの気象要因は、868 MHz WSNにおけるパケット損失と信号強度に2.4 GHz帯と比較してどのように影響を与えるか？
• RQ3 マルチパスフェージングおよび視認不可状態（非LOS）が、868 MHz WSN展開の性能にどの程度劣化をもたらすか？
• RQ4 気温、露点、気圧などの大気条件と、868 MHzでの無線リンクの信頼性との間に有意な相関関係が認められるか？

主な発見

• 868 MHz WSNは、視認可能な状態（LOS）で300メートルまで信頼性のあるカバレッジを達成し、平均RSSIが40％以上で、この範囲内ではパケット損失は観測されなかった。
• 別々の建物内に設置された1つのノードのみが顕著なパケット損失を示し、これにより中間の空洞（エアポケット）が原因で環境的遮断が主な要因であることが示唆された。
• 高湿度、雨、霧といった悪天候時におけるパケット損失が観測され、これは電波伝搬路における吸収および散乱損失によるものと考えられる。
• 信号劣化は大気吸収（L_abs）および散乱（L_scat）の両方によるものであり、合計波の損失は L_tot = L_abs + L_scat としてモデル化された。
• 本研究では、気象要因やフェージングが、テスト期間中に安定した屋内気候要因よりもはるかに大きな影響を及ぼすことが判明した。
• 4G/LTE UEデバイスによる干渉は既知の問題であるが、実験中は同様の干渉は観測されず、868 MHzが特定の状況下でより良好な共存性を示す可能性があることが示唆された。