Proposal of Connectivity Support Methods with Autonomous Flight

2015/10/19
Proposal of Connectivity Support
Methods with Autonomous Flight
Wireless Nodes for Never Die Network
2015 18th International Conference on Network-Based
Information Systems
修士1年 2312015022
田中紀史
2015/10/19
後期英語論文ゼミ
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Abstract
• 大災害の発生
• ネットワークデバイスやサーバの破損
• 通信ネットワークの切断
• 災害情報は重要
• NDNは強固な接続性と回復性を持つ
• 自動飛行するドローンと組み合わせる
• ドローンにワイヤレスデバイスを乗せる
• 災害情報システム(DIS)のためDTNルーティングをサ
ポート
• 提案するメソッドの評価とFuture Work
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Introduction
• 大災害の発生
• ネットワークデバイスやサーバの破損
• 通信ネットワークの切断
• 発災直後の災害情報は重要
• 電源が被害を受けると無線LANは機能しない
• 東日本大震災では多くの通信ネットワークが壊れ
た[1]
• 環境の変化に影響を受けないNDNを紹介[2]
• コグニティブワイヤレスネットワーク（CWN）と衛星
システムを組み合わせたNDNを紹介[3]
Introduction
• NDNによるDTNによって強化されたネットワーク[4]
•
•
•
•
•
Autonomous Flight Wireless Nodes（AFW）
無線デバイスとカメラで構成
自動飛行でワイヤレスノードを発見
DTNによる災害情報の伝達
無線充電基地への自動帰還
• 本論文ではAFWのプロトタイプと屋外実験とその
結果を示す
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Never Die Network
• 有線接続は災害で影響を受けやすい
• NDNはクオリティが低くてもデータ通信を維持する
• CWNと衛星システムを組み合わせたNDN[3]
• DISは固定基地局・MANET・バルーン無線ネットワーク
をベースネットワークとして構築
• CWNは複数の無線ネットワークを装備
• 通信環境が変化しても接続を維持できるように相互に
切り替えられる
Never Die Network
• 提案されたNDNは拡張AHP法と最大最小AHP値を使った
AODVによって無線リンクとルートが決まる
• まずユーザポリシーやネットワークパラメータの観察
• ビデオ・VoIPなどを設定
• AHP法のために決定
• スループットやレイテンシなどはAHPの計算に用いる
• 次に適切なリンクの決定
• AHPの結果によって適当なリンクを選択
• 適当なリンクがない場合はAODVによって選択
• 最終的に選択されたリンクや経路を適用
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The Enhanced DTN with the NDN
• 本論文の改善したDTNメソッドの3の機能
• ユーザポリシーによるデータトリアージ
• 人口推定とForward Error Correction（FEC）
• AOIによるノード優先度
• 今までのDTNの幾つかの問題
• デリバリレートやレイテンシ
• 改善されたDTN
• ユーザポリシーやネットワークコンディションを使う
• 地震状況下で効率的なデータデリバリ・低レイテンシ
Figure 5. The Proposed Network Configuration
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Figure 6. Message Order in Cache by Data Triage
The Enhanced DTN with the NDN
• FEC符号としてリードソロモン（RS）符号を使用
• 動的FEC操作でJolly Sobor modelを使用
• 野生動物のための人口推定モデル
• Ni+1は推定人口
• Mi+1は(i+1)時における合計捕獲数
• miは(i)時におけるマークされた数
• 送信ノードは遭遇ノード数をカウント
• 推定人口によってFECパケットの数を制御
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The Enhanced DTN with the NDN
• ノード選択の優先順位付け
• AOI (Area of Interests)が考慮されている
• 式5.2は重み付け関数
• Smaxはノードセルの確率
• D(tn)は特定の時間内に属する無線局の位置の確率
• 別の領域に属するノードはより高い優先順位
Figure 7. Area of Interest for the Enhanced DTN
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Autonomous Flight Wireless Nodes
• [10]でAFWについて提案されている
• M2M（マシンtoマシン）の技術発展
• 幾つかのdroneは無線IPネットワーク・GPS・カメラで構成
• AFWはネットワークシステム回復性をサポート
• NDNが無い避難所でもAFWにより使用可能
• AFWは以下により構成
• Drone（UAV）
• IEEE802.11b/g/n等のIP無線ネットワーク
• GPSユニット・バッテリーセンサ・カメラ
Autonomous Flight Wireless Nodes
• AFWは4つの機能を提供
• 通信が切断された所への自動飛行
• 災害後切断されたネットワークのGPSポイントへ向かう
• 通信可能な無線ノードを探して飛行
• データ転送中のホバリング
• 自動飛行中に無線信号をチェック
• 伝達可能無線ノードから無線信号を検出した場合、GPSポイ
ントが記憶され伝送中はそこでホバリング
• 転送完了後は自動飛行モードへ戻る
• 充電ステーションへの帰還
• バッテリーが切れそうな場合はプリインストールされたワイヤ
レス充電ポイントへ帰還する
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Figure 8. The Proposed Functions of AFW
Figure 9. The Proposed Network Configuration
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The Prototype System and the Experiments
• プロトタイプシステム
• AR.Drone2.0とRaspberry Piで構成
• コントロールにMAVLink・python-ardrone・hsmm-PI
The Prototype System and the Experiments
• 自動飛行中は常に他ノードの電波をチェック
• 電波を検出するとシークモードに移行
• シークモードではWiFiの中心を探す
• AFW基地から一定範囲内の孤立場所の場合
• AFWは基地間のデータ接続を回復させる
• AODVプロトコルでブリッジモードになる
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The Prototype System and the Experiments
• AFW基地が無い場合
•
•
•
•
計算されたGPSポイントに移動
WiFi-directで接続
DBとデータマージ
マージ終了後自動飛行モードへ戻る
• AFWのバッテリーは管理される
• バッテリー残量が低下したら充電基地へ移動
Figure 12. The Data Flow Diagram of The Prototype System
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The Prototype System and the Experiments
• フィールド実験
• 埼玉研究所のラグビーグラウンド
• AFWはプリインストールされたGPSポイントへ移動
• 速度は1m/s
• 飛行中は無線ノイズがある[10]
• ホバリング中はRTTが安定しない
• ノードの揺れ・モーターのノイズが原因と考えられる
Figure 13. The Field Experiments of the moving AFW
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Conclusion and Future Study
• 超大型災害の発生はネットワークの破損の可能性を持つ
• 発災直後の安否/避難所情報を伝送することは避難者に
とって重要
• DISの堅牢性のため、NDNは可能なアプローチの一つ
• 本稿では自動飛行ドローンと改善されたDTNを使用するこ
とで追加のデータ配送をサポートする
• 提案システムではNDNが整備されていない孤立した地域と
通信することをAFWがサポートしている
Conclusion and Future Study
• 提案メソッド
• ドローンは改善したDTNとMANETをサポート
• データトリアージ・動的FEC・AOIによるノード優先度
• 提案手法の実装が示された
• フィールド実験を行い結果を示した
• 飛行時に無線接続は悪化
• データ伝送をサポートする機能を検討する必要
• プロトタイプシステムを使った複数のフィールド実
験を行っていく
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REFERENCES
•
[1] Y. Shibata, N. Uchida, N. Shiratori. "Analysis of and Proposal for a Disaster Information Network from
Experience of the Great East Japan Earthquake", IEEE Communication Magazine, pp.44-50 .Mar. 2014.
•
[2] N. Shiratori, N. Uchida, Y. Shibata, S. Izumi. "Never Die Network towards Disaster-resistant Information
Communication Systems", ASEAN Engineering journal, Part D Volume 1 Number2, pp6-22, Mar. 2013
•
[3] N. Uchida, K. Takahata, Y. Shibata, N. Shiratori. "Never Die Network Based on Cognitive Wireless Network
and Satellite System for Large Scale Disaster”, Journal of Wireless Mobile Networks, Ubiquitous Computing,
and Dependable Applications (JoWUA), Volume 3, Number 3, pp. 74-93, Sep. 2012.
•
[4] N. Uchida, K. Takahata, Y. Shibata."User Policy Based Link and Route Selection Methods for Never Die
Network", Sixth International Conference on Broadband and Wireless Computing, Communication and
Applications (BWCCA2011), pp.175-182, Oct. 2011.
•
[5] G. Sato, N.Uchida, Y. Shibata.􀀃 "Resilient Disaster Network based on Software Defined Cognitive Wireless
Network Technology", Mobile Information Systems, Volume 2015 Article ID 308194, pp1- 11. March. 2015
•
[6] K. Fall, A. Hooke, L. Torgerson, V. Cerf, B. Durst, K. Scott, “Delay- Tolerant Networking: An Approach to
Interplanetary Internet”, Communications Magazine, IEEE, Vol. 41, Issue 6, pp. 128 - 136, June 2003.
•
[7] N. Uchida, N. Kawamura, G. Sato, Y. Shibata. "Delay Tolerant Networking with Data Triage Method based on
Emergent User Policies for Disaster Information Networks", Mobile Information Systems, Volume 10, No.4,
pp347-359, Oct. 2014.
REFERENCES
• [8] T. Matsura, "Population Estimation Method for Animals", Annual report of researches in
science education, Kyoto University of Education, Vol.8, pp. 1-17,1978.
• [9] N. Uchida, N. Kawamura, K. Takahata, Y. Shibata. "Proposal of Dynamic FEC Controls with
Population Estimation Methods for Delay Tolerant Networks," The 6th International Workshop
on Disaster and Emergency Information Network Systems (IWDENS2014), pp633- 638, May.
2014.
• [10] N. Uchida, N. Kawamura, T. Ishida, Y. Shibata. "Proposal of Autonomous Flight Wireless
Nodes with Delay Tolerant Networks for Disaster Use," The 8th International Conference on
Innovative Mobile and Internet Services in Ubiquitous Computing (IMIS2014), pp.146-151, July.
2014.
• [11] AR Drone 2.0, http://ardrone2.parrot.com/, last accessed in Mar. 2014.
• [12] FAQs Raspberry Pi, http://www.raspberrypi.org/help/faqs/, last accessed in June. 2014
• [13] hsmm-pi, https://github.com/urlgrey/hsmm-pi, last accessed in May. 2015
• [14] MAVLink Generator (C/C++, Pyhon), http://qgroundcontrol.org/mavlink/generator, last
accessed in June. 2014
• [15] ARDrone API - introducing python-ardrone,
https://projects.ardrone.org/boards/1/topics/show/2952, last accessed in Mar. 2014.
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