[論文レビュー] A Revolutionary Rural Agricultural Participatory Sensing Approach Using Delay Tolerant Networks

Prateek Gupta, Bhushan Jagyasi+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 9, 2016

Opportunistic and Delay-Tolerant Networks参考文献 8被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、移動型リレーノードとD2D通信を活用したDTNベースの参加型センシングフレームワークを提案し、ネットワーク接続が不安定または完全にないインド農村地域において、信頼性が高く低遅延な農業助言サービスを実現することを目的としている。移動型リレーノードを活用して、農家の照会と専門家による応答をストレージ・フォワーディングすることで、途切れの生じる接続状況下でもエンドツーエンド通信を確保する。実験室でのテストとアッサムおよびウェスト・バングラールの茶園地域での計画的導入により検証済み。

ABSTRACT

To provide sustainable digital agro-advisory services to farmers, seamless flow of information from the farmers to the experts/expert systems, and vice versa is required. The query generated by the farmers, which may contain multimedia data regarding disease or pest attack in the crops is required to be transmitted to the experts for analysis. Further, after analyzing the query, an alert or advice from the expert system is required to be communicated back to the farmers within some tolerable delay. However, in a country like India, network connectivity is extremely poor in several agricultural regions which makes the end-to-end connectivity between the farmers and the expert system intermittent. Therefore, providing agro-advisory services to farmers in a reasonable time becomes a challenge. In this paper, we propose a Delay Tolerant Network (DTN) based relay application model which enables agro-advisory services to farmers located in \emph{No-network} or \emph{Poor-network} zones. In the proposed model, end-to-end communication has been enabled with the help of Device to Device (D2D) communication and by introducing mobile relay nodes which can carry the queries (responses), from (to) the poor or no network zones to (from) the zones where communication is possible. Implementation of this model has been presented for the tea farmers of West Bengal and Assam, which can be extended for various other applications in future.

研究の動機と目的

• インド農村部の農業地域、特に小規模・中規模農家の間で、ネットワーク接続が不安定または完全にない状況における課題に対処すること。
• 途切れの生じる接続状況下でも、農家と専門家システムとの間でエンドツーエンド通信を可能にすること。
• 限られたデジタルインフラを有する農村農業コミュニティに特化した実用的でスケーラブルかつ安全な参加型センシングフレームワークの設計および実装。
• モバイルリレーやSMSフォールバックを組み合わせたハイブリッド通信モデルにより、専門家による応答やアラートを農家にタイムリーに配信すること。

提案手法

• システムは、途切れの生じる接続に対応するため、遅延耐性ネットワーク（DTN）アーキテクチャを採用しており、メッセージをリレーノードにストアし、フォワーディングの機会が現れるまで待機する。
• モバイルリレーノードは、WiFi Direct や Bluetooth を用いたデバイス・ツー・デバイス（D2D）通信により、物理的に遠隔の農家ノードに移動して照会を収集する。
• 農家ノードは、位置情報が付加された照問（マルチメディアを含む）をリレーノードに送信し、接続可能になるとその情報を中央サーバーにフォワードする。
• サーバーは照問を処理し、応答やアラートをリレーノードに送信し、リレーノードはD2D通信またはSMSを介して農家に配信する。
• リレーノードが指定された時間枠内に配信に失敗した場合の信頼性を確保するため、農家ノードにタイムアウトと再送メカニズムを実装。
• 農家およびリレーノード用に、現地言語対応と統合SMSゲートウェイを備えたAndroidベースのアプリケーションスタックを開発。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 セルラー回線が完全にない、または途切れの生じる状況下で、農村部の農家と専門家システムとの間でエンドツーエンド通信をどのように実現できるか？
• RQ2 遅延耐性のある農村農業ネットワークにおいて、モバイルリレーノードが信頼性の高いデータフォワーディングを果たす役割は何か？
• RQ3 既存のモバイル技術を活用して、インfra構築が不十分な農村環境で参加型センシングを実用的かつスケーラブルに実現するにはどうすればよいか？
• RQ4 ネットワーク遅延や切断が生じる状況下でも、専門家による応答のタイムリーな配信を保証するメカニズムは何か？
• RQ5 移動ノードと信頼できない中間ノードを含むリレーベースの通信モデルにおいて、セキュリティとプライバシーをどのように確保できるか？

主な発見

• 提案されたDTN-RuralSenseフレームワークは、ネットワーク接続が不安定または完全にない農村部において、農家と専門家システムとの間でエンドツーエンド通信を成功裏に実現した。
• 実験室でのテストにより、エンドツーエンドのデータ通信（照問送信、SMS経由の応答配信、再送メカニズム）の実現可能性が確認された。
• WiFi Directとセルラーインターフェースの両方で同時にデータ送信が可能であり、信頼性とスループットが向上した。
• スケーラビリティテストにより、1つのリレーノードが実用的な数の農家ノードをサポートできることを示し、実世界での展開が可能であることを裏付けた。
• SMSゲートウェイの統合により、データ接続が利用不可の状況下でも、ACK、アラート、応答の信頼性ある配信が可能になった。
• Androidベースのアプリケーションフレームワークは正常に実装・テストされ、現地言語対応により、技術に不慣れな農村住民の使いやすさが向上した。