title ガススマートメーター用低消費電力通信プロトコルに関 ......mac...

Title ガススマートメーター用低消費電力通信プロトコルに関する研究( Dissertation_全文 )

Author(s) 藤原, 純

Citation Kyoto University (京都大学)

Issue Date 2017-09-25

URL https://doi.org/10.14989/doctor.k20742

Right

Type Thesis or Dissertation

Textversion ETD

Kyoto University

i

ガススマートメーター用低消費電力通信

プロトコルに関する研究

情報学研究科通信情報システム専攻

藤原純

i

内容梗概

近年，気候変動や人口爆発によるグローバルな課題への対策の一つとして，エネルギ

ーや資源の効率的な利用技術の開発が急務となっている．その解決策の一つとして，各

種ユーティリティの計量メーターを無線通信でネットワーク化し需給の管理や使用量

の適正化を行う Wireless Smart Utility Net Works(以下 Wi-SUN と略す)の標準規格化と普

及が世界的に進んでいる．特に導入によるユーティリティ事業者の投資対効果に優れ

る電力スマートメーターの普及が先行して進んでいるが，気候変動や人口爆発等のグ

ローバルな課題解決には今後ガスメーターの Wi-SUN 化も必須と考えられる．

ガスメーターの Wi-SUN 化に関わる標準規格化は，国内においては 2011 年に NPO 法

人テレ―メータリング推進評議会より U-Bus Air と呼ばれる，物理層，Media Access

Control(以下 MAC と略す)層，ネットワーク層（非 IP ネットワーク）が一体となったガ

ススマートメーター用無線通信プロトコルが発表され，2017 年時点で関連する技術開

発がほぼ完了している．また国際標準規格化についても 2012 年 IEEE 802.15.4g におい

て U-Bus Air の物理層仕様が採用されている．また MAC 層についても IEEE 802.15.4e

に U-Bus Air の MAC 層仕様が提案されたが，U-Bus Air の MAC 層の動作原理である受

信機主導型 MAC プロトコルをベースとした Receiver Initiated Transmission（以下 RIT と

略す）プロトコルが採用されたものの，IEEE 802.15.4 をベースにした MAC ヘッダー

（以下 MHR と略す）で仕様化されたため，現在 U-Bus Air に搭載されていない．その

ため 2017 年現在 U-Bus Air の物理層が搭載された汎用無線 IC は複数社から供給され，

低廉な調達が可能となっているが，U-Bus Air の MAC 層が搭載された無線モジュール

を製造できる製造事業者が限られ，U-Bus Air が動作する無線機の低廉な調達環境や異

なるメーカーの互換性維持環境が整備されておらず，ガススマートメーターの普及が

進んでいない．また世界的にも RIT プロトコルは，動作原理が新しいため実運用環境

における伝送特性や消費電力特性の解析手法，システム設計手法が整備されておらず，

2017 年時点で実用化の報告例がない．

著者はこのような背景から，日本におけるガススマートメーターの Wi-SUN 化によ

る普及拡大を目指し，世界的に実用化例がない RIT プロトコルの日本ガススマートメ

ーターへの適用性を検討した．具体的には日本におけるガススマートメーターの実運

用環境における要求仕様を整理し，RIT プロトコルを構成する各パラメーター値を設計

可能化するための理論解析手法および計算機シミュレーション手法を開発した．また

ii

開発した設計手法により，日本におけるガススマートメーターの実運用環境における

要求仕様を達成可能で IEEE 802.15.4e RIT に準拠した実装用 MAC プロトコルである

Feathery-RIT（以下 F-RIT と略す）プロトコルを立案し，汎用無線モジュールを使用し

て実装評価を行う事により，F-RIT プロトコルが日本におけるガススマートメーターに

好適である事を実証した．また今後の IoT サービス用エンドデバイスとしての応用可

能性についても言及した．

本論の成果により，日本のガススマートメーターの国内標準規格である U-Bus Air の

MAC 層に，国際標準規格である IEEE 802.15.4e RIT に準拠した F-RIT プロトコルを搭

載することが可能になる．そのため U-Bus Air の MAC 層が搭載された無線モジュール

を製造できる製造事業者の拡大および，U-Bus Air が動作する無線機の低廉な調達環境

や異なるメーカーの互換性維持環境整備が可能になり，日本のガススマートメーター

の普及拡大促進が期待できる．

iii

目次

第 1 章序論 ............................................................................................................................................. 1

1.1. ガススマートメーターの普及動向 .............................................................................................. 1

1.2 Wireless Smart Utility Networks（Wi-SUN） .................................................................................... 6

1.3 Wi-SUN を導入する上での課題 .................................................................................................... 10

1.4 本論文の目的 ................................................................................................................................... 11

1.5 本論文の構成 ................................................................................................................................... 11

第 2 章 IEEE 802.15.4/4e ...................................................................................................................... 13

2.1 概要 .................................................................................................................................................. 13

2.2 低消費電力プロトコル ................................................................................................................... 16

2.2.1 CSLプロトコル ........................................................................................................................ 16

2.2.2 RIT プロトコル......................................................................................................................... 17

2.3 RIT プロトコル実用化の問題点 .................................................................................................... 20

第 3 章 CSL プロトコルの伝送特性評価 ........................................................................................... 21

3.1 概要 .................................................................................................................................................. 21

3.2 伝送特性評価 ................................................................................................................................... 21

3.2.1 理論解析 .................................................................................................................................... 23

3.2.2 計算機シミュレーション評価 ................................................................................................. 29

3.3.3 評価結果と考察 ........................................................................................................................ 29

第 4 章 RIT プロトコルの伝送特性評価 ............................................................................................ 35

4.1 概要 .................................................................................................................................................. 35

4.2 伝送特性評価 ................................................................................................................................... 35

4.2.1 理論解析モデル ........................................................................................................................ 37

4.2.2 評価結果と考察 ........................................................................................................................ 45

第 5 章 Feathery-RIT(F-RIT) プロトコル ......................................................................................... 51

5.1 概要 .................................................................................................................................................. 51

5.2 伝送特性評価 ................................................................................................................................... 51

5.2.1 計算機シミュレーション評価 ................................................................................................. 55

iv

5.2.2 CSLプロトコルとの比較 ........................................................................................................ 65

5.3 消費電力特性評価 ........................................................................................................................... 71

5.3.1 定式化および特性評価 ............................................................................................................ 71

5.3.2 CSLプロトコルとの比較 ........................................................................................................ 74

第 6 章 F-RIT プロトコルの実機による特性評価............................................................................. 79

6.1 F-RIT プロトコルの実装 ................................................................................................................ 79

6.1.1 実装 F-RIT プロトコル ............................................................................................................ 79

6.1.2 実装の詳細 ................................................................................................................................ 83

6.2 伝送特性評価 ................................................................................................................................... 87

6.3 消費電力評価 ................................................................................................................................... 98

第 7 章 F-RIT プロトコルの産業応用に関する考察 ....................................................................... 104

第 8 章結論 ......................................................................................................................................... 110

謝辞 ............................................................................................................................................................. 113

参考文献 ..................................................................................................................................................... 114

関連発表文献一覧 ..................................................................................................................................... 121

v

図目次

第 1章

図 1. 1 従来のガス自動検針システム ............................................................................................... 4

図 1. 2 ガススマートメーターのネットワーク構成 ....................................................................... 4

図 1. 4 U-Bus Airの実証試験風景例 ................................................................................................. 5

図 1. 4 U-Bus Airの実証試験結果例 ................................................................................................. 5

図 1. 5 受信機主導 MAC プロトコルの研究事例と RIT プロトコルの標準化への流れ（網掛け

された MAC プロトコルが IEEE 802.15.4e に採用） ................................................................. 9

第 2章

図 2. 1 IEEE 802.15.4 のビーコン・スーパーフレーム方式の概要............................................. 15

図 2. 2 IEEE 802.15.4/4e の MAC プロトコル体系 ........................................................................ 15

図 2. 3 CSLプロトコルの概念図 ................................................................................................... 19

図 2. 4 RIT プロトコルの概念図 .................................................................................................... 19

第 3章

図 3. 1 CSLプロトコルの通信リンク確立動作詳細 .................................................................... 22

図 3. 2 干渉評価モデル ................................................................................................................... 25

図 3. 3 CSLプロトコルにおける干渉パターン ............................................................................ 26

図 3. 4 ピュアアロハの衝突モデル ................................................................................................ 27

図 3. 5 計算機シミュレーションフロー ........................................................................................ 28

図 3. 6 CSLプロトコルの通信リンク確立成功率 S（N = 20, TData = 5 ms） .............................. 31

図 3. 7 CSLプロトコルの通信リンク確立成功率 S（N = 20, TData = 20 ms） ............................ 31

図 3. 8 CSLプロトコルの通信リンク確立成功率 S（N = 20, TData

= 50 ms） ............................ 32


= 100 ms） .......................... 32


= 5 ms） ............................ 33


= 20 ms） .......................... 33


= 50 ms） .......................... 34


= 100 ms） ........................ 34

vi

第 4章

図 4. 1 RIT プロトコルの通信リンク確立動作詳細 ..................................................................... 36

図 4. 2 RIT プロトコルにおける干渉パターン ............................................................................. 38

図 4. 3 ピュアアロハの衝突モデルを応用した図 4.2 Case:1 の衝突モデル ............................ 39

図 4. 4 ポアソン分布モデルにおける RIT プロトコルの干渉パターン ..................................... 42

図 4. 5 RIT プロトコルにおける実際の干渉パターン（λLink・T ≪ 1 の場合） .................... 43

図 4. 6 RIT プロトコルにおける実際の干渉パターン（λLink・T = 1 の場合） ........................ 44

図 4. 7 RIT プロトコルの通信リンク確立成功率 S（N = 20, TData

= 5 ms） ............................... 47


= 20 ms） ............................. 47


= 50 ms） ............................. 48


= 100 ms） ........................... 48


= 5 ms） ............................. 49


= 20 ms） ........................... 49


= 50 ms） ........................... 50


= 100 ms） ......................... 50

第 5章

図 5. 1 F-RIT プロトコルの動作シーケンス ................................................................................. 53

図 5. 2 CSLベースプロトコル動作シーケンス ............................................................................ 54

図 5. 3 F-RIT プロトコルの通信リンク確立成功率 S（N = 20, TData

= 5 ms） ............................ 56


= 20 ms） .......................... 56


= 50 ms） .......................... 57


= 100 ms） ........................ 57


= 5 ms） .......................... 58


= 20 ms） ........................ 58


= 50 ms） ........................ 59


= 100 ms） ...................... 59

図 5. 11 CSLベースプロトコルの通信リンク確立成功率 S（N = 20, TData

= 5 ms） ................... 61


= 20 ms） ................. 61


= 50 ms） ................. 62


= 100 ms） ............... 62

vii


= 5 ms） ................. 63


= 20 ms） ............... 63


= 50 ms） ............... 64


= 100 ms） ............. 64

図 5. 19 F-RIT プロトコルと CSLベースプロトコルの比較（N = 20, TData

= 5 ms）.................. 67


= 20 ms） ................ 67


= 50 ms） ................ 68


= 100 ms） .............. 68


= 5 ms） ................ 69


= 20 ms） .............. 69


= 50 ms） .............. 70


= 100 ms） ............ 70

図 5. 27 消費電力評価モデル ........................................................................................................... 72

図 5. 28 F-RIT プロトコル ................................................................................................................ 72

図 5. 29 CSLベースプロトコルの通信リンク確立動作 ................................................................ 72

図 5. 30 TIDを変化させた場合のηP................................................................................................. 77

図 5. 31 λLink

を変化させた場合のηP ............................................................................................. 77

図 5. 32 PT/ P

Rを変化させた場合の η

P .......................................................................................... 78

図 5. 33 T を変化させた場合の P S,(F-RIT),，

P S,(CSL)

，P R,(F-RIT)，

P R,(CSL)

........................................... 78

第 6章

図 6. 1 IEEE 802.15.4/4e に準拠し設計された実装用 F-RTT プロトコル ................................... 81

図 6. 2 実装に使用した IEEE 802.15.4/4g 準拠の Wi-SUN 認証モジュール ............................... 84

図 6. 3 Wi-SUN 認証モジュールの内部回路ブロック図.............................................................. 85

図 6. 4 Wi-SUN 認証モジュールに内蔵される RF-IC（ML7396B） .......................................... 85

図 6. 5 ソフトウェアの構造とソフトモジュールのサイズ ......................................................... 86

図 6. 6 伝送実験評価のための測定系 ............................................................................................ 90

図 6. 7 測定系を模擬した干渉評価モデル .................................................................................... 91

図 6. 8 測定系での干渉パターン .................................................................................................... 92

図 6. 9 伝送特性評価結果 1 ............................................................................................................. 94

図 6. 10 伝送特性評価結果 2 ............................................................................................................ 95

viii

図 6. 11 伝送特性評価結果 3 ............................................................................................................ 96

図 6. 12 伝送特性評価結果 4 ............................................................................................................ 97

図 6. 13 Wi-SUN モジュールの消費電力測定系 ........................................................................... 100

図 6. 14 電力測定を行う 3 つの動作モード .................................................................................. 101

図 6. 15 Compacted RIT Data Request 送信動作の１回当たり消費電力量（横軸は無線送信電力）

..................................................................................................................................................... 102

図 6. 16 Sender動作の１回当たり消費電力量（横軸は無線送信電力） ................................... 102

図 6. 17 Receiver動作の１回当たり消費電力量（横軸は無線送信電力） ................................ 103

図 6. 18 F-RIT プロトコル搭載端末一台当たりの 10 年動作時の総消費電力（横軸は通信リンク

確立要求頻度） .......................................................................................................................... 103

第 7章

図 7. 1 RF-MCU 一体モジュールを使用した U-BUS Air 試作機 .............................................. 107

図 7. 2 RF-MCU 一体モジュールを使用した U-BUS Air 試作機の Compacted RIT Data Request

送信動作一回当たりの消費電力量の測定結果（横軸は無線送信電力） ............................ 107

図 7.3 F-RIT プロトコルを搭載したエンドデバイスによる新しい家庭用 IoTサービスイメー

ジ ................................................................................................................................................. 108

図 7.4 F-RIT プロトコルを搭載したエンドデバイスによる新しいインフラ監視用 IoT サービ

スイメージ .................................................................................................................................. 109

ix

表目次

第 2章

表 2. 1 同期/非同期 CSLおよび RIT プロトコルの特徴比較 ...................................................... 18

第 5章

表 5. 1 消費電力モデル計算パラメーター .................................................................................... 71

表 5. 2 各上位層の ID 長および ID フレーム長 ............................................................................ 75

表 5. 3 評価パラメーター ............................................................................................................... 75

第 6章

表6. 1 F-RTTプロトコルに搭載される各種フレーム詳細（それぞれのプリアンブルは15 Byte）

....................................................................................................................................................... 82

表 6. 2 Wi-SUN 認証 USB ドングル諸元 ....................................................................................... 84

表 6. 3 理論解析，計算機シミュレーションにおける評価パラメーター ................................. 93

x

略語

1. ACK Acknowledgment

2. ARIB Association of Radio Industriesa and Businesses

3. BER Bit Error Rate

4. CAP Contention Access Period

5. CFP Contention Free Period

6. cm Centimeter

7. CPU Central Processing Unit

8. CS Channel Sample

9. CSL Coordinated Sampled Listening

10. CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance

11. CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection

12. CTS Clear To Send

13. dBm Decibel milliwatt

14. DCC Data Communication Company

15. DSME Deterministic & Synchronous Multichannel Extension

16. FCS Frame Check Sequence

17. Firm Firmware

18. F-RIT Feathery Receiver Initiated Transmission

19. GFSK Gaussian Frequency-Shift Keying

20. GHz Gigahertz

21. IC Integrated Circuit

22. ID Identification

23. IEEE The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc.

24. IoT Internet of Things

25. IP Internet Protocol

26. IRDT Intermittent Receiver-driven Data Transmission

27. kbps Kilo bits per second

28. LR-WPANs Low-Rate Wireless Personal Area Networks

29. MAC Media Access Control

xi

30. mAh Miliampere hour

31. MCU Micro Control Unit

32. MHR MAC Header

33. MHz Megahertz

34. Mod. Module

35. ms Milisececonds

36. mW Miliwatt

37. NCU Network Control Unit

38. NLoS Non-Line-of-Sight

39. OS Operating System

40. PAN Personal Area Network

41. PAR Project Authorization Request

42. PC Personal Computer

43. PHY Physical Layer

44. Pre-CS Pre-Carrier sense

45. PS Pre-CS

46. PSDU Physical Service Data Unit

47. QoS Quality of Service

48. RAM Random Access Memory

49. RF Radio Frequency

50. RICER Receiver Initiated CyclEd Receiver

51. RIT Receiver Initiated Transmission

52. ROM Read Only Memory

53. RTS Request To Send

54. Rx Receive

55. s Seconds

56. SFD Start Frame Delimiter

57. SHR Synchronization Header

58. TSCH Time Slotted Channel Hopping

59. Tx Transmit

60. UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter

xii

61. USB Universal Serial Bus

62. WAN Wide Area Network

63. WD Wait Duration

64. Wi-SUN Wireless Smart Utility Networ

65. WPAN Wireless Personal Area Network

66. μs Microseconds

1

第1章序論

1.1. ガススマートメーターの普及動向

近年，気候変動や人口爆発問題等を背景に，エネルギーや資源の効率的な利用の必要

性が高まっている．その一つの有力な解決策として，通信ネットワークで各種ユーティ

リティの計量メーターをネットワーク化し，需給の効率化を図るスマートメーターが

世界各国で普及しつつある．特に電力のスマートメーターは，インフラコストダウンに

起因する投資対効果が大きく，技術的に比較的容易であるため世界各国で急速に普及

が進んでいる．電力スマートメーターの導入効果は主に以下の 5 点である[1]．

① 課金のための検針や遠隔開閉栓等の電力事業者の業務効率化．

② ピークカット等の需給バランスの調整による発送電・配電設備コスト低減．

③ 省エネを主目的としたエネルギー使用量情報の取得．

④ 市場自由化時における小売電力取引の容易化，取引形態の多様化．

⑤ 電力不正利用の防止（南欧や中央／東南アジア等の電力不正利用が多い地域）．

現在わが国でもすべての電力会社が主にマルチホップ無線[2]-[5]を利用した電力ス

マートメーターの導入計画を発表し，遅くとも 2028 年度までには導入が完了する予定

である[6]．

一方ガススマートメーターは，設備コスト低減効果が電力スマートメーターに対し

て比較的小さいこと，および安定的な電源が取得できないという技術的困難さから，普

及速度は電力スマートメーターに比して遅いものの，省 CO2 や労働生産性向上等の社

会的ニーズの高まりから今後普及の加速が予想される．下記にガススマートメーター

の普及によって得られる導入効果を示す．

⑥ 課金のための検針や遠隔開閉栓等のガス事業者の業務効率化．

⑦ ガス漏洩や異常使用検知即時化と遠隔遮断によるガスインフラ保安性向上．

⑧ 地震等広域災害時の被害把握および復旧の迅速化（主に日本の都市ガス）．

⑨ ガス警報器や火災警報器との通信連動遮断による住宅防災の高度化（主に日本）．

⑩ 省エネを主目的としたエネルギー使用量情報の取得．

⑪ ガス不正利用の防止（主に東アジア等のガス不正利用が多い地域）．

⑫ ガスボンベの残量監視（日本の LP ガス）．

ガススマートメーターと電力スマートメーターの導入効果の大きな相違点は，ガス

スマートメーターの導入効果には保安的要素という社会ニーズが高い反面，インフラ

2

コスト低減効果が乏しいことに起因する投資対効果の定量化が難しい点にある．特に

地震国である日本においては災害時の効用も大きく期待されている．また都市ガスと

LP ガスおよび日本と諸外国で導入効果に相違点が多いのもガススマートメーターの特

徴である．ガススマートメーターに関しては，米国やイタリア，英国で大規模な導入事

例が現れ始めている．米国では国土が広いため検針コストが高く，また治安の問題で検

針作業に危険が伴う場合が多いため地域のガス事業者が車載型の無線検針装置を導入

する例が多かったが，近年大手のガス事業者が無線でネットワーク化する試みを始め

ている[1]．また電気の不正利用が多かったイタリアでは世界で最も早く電力スマート

メーターの導入が開始され，設置義務化も政府により 2009 年に決定されている．また

導入形態が特徴的なのは英国で，省 CO2のため政府が主体となり，Data Communication

Company (DCC)と呼ばれる共同検針会社を設立し，電力とガスのスマートメーター用の

通信ネットワークを一体で運用している．この試みは 2015 年度より本格導入が開始さ

れ，今後 10 年以内に英国全世帯での運用が予定されている[7]．

一方日本では上記⑥－⑫すべてを目的にしたガススマートメーターの導入計画はま

だ発表されていないものの，⑥，⑦および⑩を目的としたガス自動検針システム[8]は

古くから普及している．このシステムは図 1.1 に示すように，それぞれの家庭が契約す

る電話回線に検針等のデータを重畳し，通信を行うシステムであるが，1987 年から現

在に至るまで普及を続けており 2017 年時点で都市ガスと LP 合わせて全国約 730 万件

で利用されている．しかしながらこのガス自動検針システムは，前述した安定的な電源

の確保という技術的問題のため人手検針以下のコストを実現できず，投資対効果を十

分達成できないまま現在に至ることになり，さらに近年の電話回線の多様化へのシス

テム対応とシステム老朽化のコスト増が課題として加わり，現在普及件数は横ばいと

なっている[9]．

これら近年に顕在化したシステムの老朽化等の課題と上記⑥－⑫の導入効果を達成

し，同時に十分な投資対効果を得るため，大手都市ガス会社では，2008 年度にユビキ

タスメータリングフォーラムを設立し，2009 年 4 月に次世代のガス自動検針システム

すなわちガススマートメーターの通信規格標準化と技術開発に取り組み始めることを

発表した[10]．この標準化のなかで最も解決が期待された課題は，“高通信品質でカバー

率が高く，低廉かつ長期間電池駆動可能な無線通信システムでガスメーターをネット

ワーク化すること”であり，⑥－⑫の導入効果を実現し，かつ機器の設置コスト，配線

コストやメンテナンスコスト低減を図ることで，期待される投資対効果の実現を目指

3

した[11]．そしてユビキタスメータリングフォーラムからの標準化提案を受けた NPO

法人テレメータリング推進協議会[12]にて 2011 年度に標準化されたガススマートメー

ター用の無線通信規格が U-BUS Air[13]である．図 1.2 にガススマートメーターのネッ

トワーク構成概要を示す．U-BUS Air に準拠したガススマートメーターは，2016 年度の

時点で基本的な技術開発フェーズがほぼ終わり[14]，2017 年度以降は商用化のフェーズ

に入ろうとしているが，国内独自規格であることから製造事業者が限られるため，初期

導入時の調達価格が課題となり本格的な導入計画は現時点で各ガス事業者から発表さ

れていない．技術開発の事例として図 1.3，図 1.4 に U-BUS Air の実証試験例を示す．

2017 年度時点で部分的な商用導入を行っているのは東京ガスのみであり[15]，その目的

も従来のガス自動検針システムの導入効果である⑥，⑦および⑩を期待してのもので

ある．

今後ガススマートメーターの普及を進めるためには，U-BUS Air を採用するガス事業

者と無線機製造事業者を広げるためのさらなる取り組みが必要となる．その一つが U-

BUS Air の物理層と Media Access Control Protocol（MAC プロトコル）の有力な国際標

準化団体での規格化である．U-BUS Air の物理層と MAC プロトコルが有力な国際標準

として規格化されれば，無線 IC 製造事業者はそれぞれ各社が製造する汎用 IC に標準

で U-BUS Air の仕様を容易に搭載することができる．結果ガス事業者や無線機製造事

業者は無線 IC 製造事業者に U-BUS Air 対応の特注を依頼する必要がなくなり，無線 IC

調達コストを大幅に低減できる．また無線機製造事業者は，互換性を維持する上で最も

厳密性を要する MAC プロトコルに開発投資を行う必要がなくなることで，無線モジュ

ールの調達価格が低廉化しガススマートメーター用無線機製造事業への参入が容易に

なることも期待できる．そして，複数の無線 IC 製造事業者や無線機製造事業者が，ガ

ススマートメーター市場に参入することで，ガス事業者は調達コスト低減だけでなく

異なる無線機製造事業者間での通信互換性が実現でき，長期間安定的にガススマート

メーター用無線機の供給を受けることが可能になる．インフラコストの低廉化と並び

インフラ機材の長期安定調達はインフラ事業者にとって極めて重要な要件であり，有

力な国際標準規格に日本のガススマートメーター用無線通信規格である U-BUS Air の

物理層と MAC プロトコルの両者を準拠させることが，今後のガススマートメーターの

普及の大きな鍵となる．

4

図 1. 1 従来のガス自動検針システム

図 1. 2 ガススマートメーターのネットワーク構成

5

図 1. 3 U-Bus Air の実証試験風景例

集合住宅内各戸のパイプシャフト（PS）内にガスメーターと U-Bus Air 端末が配置される．

図 1. 4 U-Bus Air の実証試験結果例

本図においてスタートと表示のある PS にゲートウェイが設置され，各 PS に配

された端末と通信する．左図各々の数字は通信テストを 1000 回試行した場合の成

功率である．右図は自動構成されたネットワークにおけるゲートウェイから各端末

までの HOP 数である．

6

1.2 Wireless Smart Utility Networks（Wi-SUN）

日本においてガススマートメーターの通信規格の標準化が行われていた 2008 年頃よ

り，米国では電力系統全体の老朽化対策の目的で，また欧州では国家間の電力需給調整

と再生可能エネルギー市場との連携を目的に，各国政府が電力事業者の需給調整だけ

でなく系統全般の安定性を管理するスマートグリッド[1]と呼ばれる概念で，メータリ

ングだけでない総合的なユーティリティ通信の標準化が行われていた．その中でメー

タリングに関して有力な通信手段として，電力，ガス，水道いずれのユーティリティに

も適応可能で設置が容易な無線通信方式が米国，欧州で期待され，標準化が進んでいた．

そこで生まれた無線通信ネットワークの概念が Wireless Smart Utility Networks（Wi-SUN）

[16]である．これまでも類似の標準規格として ZigBee[17]等センサーネットワークを実

現するために標準化された無線通信仕様は存在するが，Wi-SUN はより広域なエリアに

おいて見通外通信（Non-Line-of-Sight, NLoS）が多発する環境で，高いカバー率を必要

とするユーティリティの要求仕様に適合するため，有線または無線の広域アクセス網

と，低消費電力でアドホックかつマルチホップ通信可能な無線ネットワークを組み合

わせ，スマートメーターのデータ収集，制御を行おうというものである[16]．これは前

述したユビキタスメータリングフォーラムでガススマートメーター実現の手段として

期待された“高通信品質でカバー率が高く，低廉かつ電池駆動可能な無線通信システム

でガスメーターをネットワーク化すること”に合致した概念である．

この Wi-SUN の標準化を積極的に進めた団体が米国電気学会（The Institute of Electrical

and Electronics Engineers, Inc.：IEEE）であり，その中の Low-Rate Wireless Personal Area

Networks (LR-WPANs)の規格化を担当する IEEE802.15.4[18]の中に Wi-SUN の MAC プ

ロトコルと物理層の規格化を担当する二つのタスクグループ IEEE 802.15.4e および

IEEE 802.15.4g がそれぞれ 2007 年 12 月および 2008 年 12 月に設置された．これらのタ

スクグループでは Wi-SUN の要求仕様を各国から募集したが，日本のガス業界からは，

U-BUS Air の基となった Intermittent Receiver-driven Data Transmission (IRDT)方式 [19]-

[23]と呼ばれる通信方式の物理層仕様と MAC プロトコル仕様が，IEEE 802.15.4g に対

し 2009 年 5 月に提案された[24]．その後 IRDT 方式の MAC プロトコル仕様のみが同年

7 月 IEEE 802.15.4e に再提案された[25]．そして IEEE 802.15.4g の一部には U-BUS Air

の物理層の要求仕様が 2012年に正式に採用され，U-BUS Airの物理層が IEEE 802.15.4g-

2012 に準拠可能となった[26]．この結果 2017 年時点で複数の半導体製造事業者が汎用

IC として U-BUS Air に使用可能な無線 IC を製造販売するようになり，ガス事業者は無

7

線 IC を特注する必要がなくなり，低廉な U-BUS Air 用無線 IC の調達が可能となった．

しかしながら同時期に採択された IEEE 802.15.4e-2012[27]では，電池で長期間駆動可

能な低消費電力の MAC プロトコルの一つとして Receiver Initiated Transmission（RIT）

プロトコル[27]と呼ばれる IRDT 方式の MAC プロトコルと動作原理がほぼ同等な低消

費電力 MAC プロトコルが新しく規格化されたものの，通信シーケンスやフレーム構成

等の基本仕様は IEEE802.15.4-2011[28]の基本仕様がベースとなったため，U-BUS Air の

MACプロトコルの仕様と大きく異なることとなり 2017年時点でU-BUS AirのMACプ

ロトコルは IEEE 802.15.4e に準拠できておらず，U-BUS Air に利用可能な MAC プロト

コルが標準搭載されている無線モジュールも市場流通していない．

U-BUS Airのベースになった通信方式である IRDT方式は物理層，MACプロトコル，

ネットワークプロトコルが一体となった通信方式であるが，IEEE 802.15.4e に提案した

IRDT 方式の MAC プロトコルはアドホックでマルチホップ可能なガススマートメー

ターに適した特徴を有する MAC プロトコルである．これは Receiver-Initiated Media

Access Control Protocol(受信機主導 MAC プロトコル)[30],[31]と呼ばれる非同期 MAC プ

ロトコルの一種である．この受信機主導 MAC プロトコルは現在様々な無線通信規格の

MAC プロトコルに利用されている Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance

(CSMA/CA)や Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD)等のよう

なデータ送信する無線機がデータ送信シーケンスに入る前にキャリアセンスを行い，

キャリアの空きを確認してデータ送信シーケンスに入る MAC プロトコルと動作原理

が大きく異なる．受信機主導 MAC プロトコルでは，各無線機がデータ送信要求信号を

常時定期的に発信し，データ送信イベントが発生した無線機は受信モードに入り所望

通信相手の無線機からのデータ送信要求信号を待ち受ける．次に所望通信相手の無線

機からのデータ送信要求信号を受信した送信データ発生無線機は所望通信相手無線機

へのデータ伝送シーケンスに入るという動作原理を持つ．受信機主導 MAC プロトコル

の研究事例は CSMA/CA や CSMA/CD に対して比較的新しく 1997 年頃から研究報告が

確認できる[32]．受信機主導 MAC プロトコルの提案当初は，IEEE 802.11 におけるハン

ドシェークに採用されている CSMA/CA の電波利用効率を上げる代替手段として提案

された[32] -[34]．その後無線機を間欠動作させることにより低消費電力化させる

Receiver Initiated CyclEd Receiver（RICER）[35],[36]と呼ばれる MAC プロトコルが発表

され，間欠動作時の電波利用効率を向上可能なことが明らかになった．この特性がセン

サーネットワーク用のアドホックなネットワークプロトコルに向いているとされ，そ

8

の後アドホックなセンサーネッワーク向けの研究事例が広がっていく[30],[31]．RIT プ

ロトコルが IEEE で標準化されるまでの受信機主導 MAC プロトコルの研究事例と RIT

プロトコルの標準化までの流れを図 1.5 に例示する．U-Bus Air の原型となった IRDT 方

式は日本で 2007 年に初めて報告されたが[19]，その中の MAC プロトコル部分は前述

した RICER とほぼ同様のシーケンスを有する．IRDT 方式発表後，RI-MAC と呼ばれる

実装可能な MAC プロトコルが 2008 年に発表され[37]，その後マルチチャネル化やブ

ロードキャストへの対応，起動タイミング予測による待ち受け電力の低減など様々な

センサーネットワーク用のアドホックな受信機主導 MAC プロトコルの改良研究事例

が報告されている[38]-[51]．その中で，前述のように 2009 年に IRDT の物理層と MAC

層が IEEE802.15.4g/eに提案され[24],[25]，2011年にU-BUS Airの国内標準化が完了し，

2012 年に IRDT の物理層と RIT プロトコルが IEEE 802.15.4g/e において正式に規格化

された．特に IEEE 802.15.4e RIT プロトコルは世界で初の間欠動作で長期間電池駆動可

能な受信機主導型非同期 MAC プロトコルの国際標準規格となった．その後もこれらの

受信機主導 MAC プロトコルの改良研究は報告されているものの産業応用事例はわず

かである[30],[31],[52]-[54]．さらに 2017 年現在，国際的な無線通信の標準化団体で規格

化がなされている間欠動作で長期間電池駆動可能な受信機主導 MAC プロトコルは上

述の IEEE 802.15.4e の RIT プロトコルのみであり，RIT プロトコルの産業応用事例の報

告も未だ存在しない．

9

図 1. 5 受信機主導 MAC プロトコルの研究事例と RIT プロトコルの標準化へ

の流れ（網掛けされた MAC プロトコルが IEEE 802.15.4e に採用）

10

1.3 Wi-SUN を導入する上での課題

前節で述べたように，ガスメーターインフラに Wi-SUN を導入しガススマートメー

ターを普及拡大させるためには，U-BUS Air の MAC プロトコル仕様を有力な国際規格

である IEEE 802.15.4e の RIT プロトコルとして規格化し，これに準拠した無線機を開

発することにより無線機の初期導入コストを低減し，また互換性を実現して長期安定

調達を実現することが有力な手段である．これまで未だ実用化例のない RIT プロトコ

ルを U-Bus Air に搭載させるためには以下のような技術課題を解決する必要がある．

① 理論解析やシミュレーション等により，ガススマートメーターの運用される実環

境を想定して，RIT プロトコルを導入した場合の伝送特性や消費電力などの各種

性能を定量的に評価し，最適な MAC 通信シーケンスや動作パラメーターが設計

できる手法を確立すること．

② 確立した設計手法で，実運用可能な RIT プロトコルの詳細な通信シーケンス仕様

や動作パラメーターを決定し，実装可能なプロトコルとして，ガススマートメー

ターの実際の運用上の要求仕様を満たすことを検証すること．

③ 詳細設計された実装可能な RIT プロトコルを，IEEE 802.15.4g 準拠の汎用無線モ

ジュールに実装し，設計された性能が発揮できることを実証すること．

ここでガススマートメーターの MAC プロトコルとして実運用可能とするための主

な要求仕様を下記に示す．

④ 遠隔開閉栓やガス漏えい／異常使用検知を確実に行うためにほぼリアルタイムで

高品質な双方向通信が可能なこと．具体的には 1 ホップ当たりの伝送遅延が 5 秒

以下であること，および通信リンク確立要求一回当たりの通信リンク確立成功率

が 90%以上であることが要求される．所要伝送遅延の根拠についてであるが，従

来の電話回線によるガスの遠隔遮断の場合，アラーム受信から 1 分程度の許容が

なされており，これをマルチホップ無線にした場合，実用的には最大 5 ホップ程

度が運用上の許容値と現在考えられているため，往復 1 分以内を条件とすると 1

ホップ当たり 6 秒以下となる．さらにガスメーターのメーター遮断作動時間（数

秒程度）を考慮する必要があるため，本研究では 5 秒以内を所要値とした．また

所要通信リンク確立成功率の根拠についてであるが，従来の電話回線によるガス

メーターの遠隔遮断の場合，電話回線の呼損率を 10%としてネットワーク層での

11

再送制御の設計がなされており，システム上位互換のため同値とした．

⑤ 省エネを主目的としたエネルギー使用量情報の取得のために，干渉エリア内に最

大 100 台程度のガススマートメーターが存在した状態で，それぞれのガススマー

トメーターが広域アクセス網のゲートウェイに対し 1 回／h 以上（2.8×10-4 s-1 以

上）の通信リンク確立要求頻度で通信リンク確立が可能であること．

⑥ 防爆や発火事故防止を考慮し，5,000 mAh 程度のリチウム電池で，上記要求仕様

性能を満たしつつ，10 年以上の連続動作が可能なこと．

これら①から③の技術課題を解決できればU-BUS AirのMACプロトコルとして RIT

プロトコルを採用可能になり，U-BUS Air の MAC プロトコルを IEEE 802.15.4e に準拠

させることができる．そして，④から⑥の実運用上の要求仕様を満たす詳細プロトコル

および付随する諸パラメーターを公開することで，無線モジュールの低廉化，および異

なる無線機製造事業者間の互換性を実現することが容易となり，ガスメーターの Wi-

SUN 化によるガススマートメーターの普及拡大が期待できる．

1.4 本論文の目的

以上の背景に鑑み，本研究は，ガススマートメーターを Wi-SUN 化することにより今

後の日本におけるガススマートメーターの普及拡大を図るため，低消費電力でアドホ

ックな無線通信システムの MAC プロトコルに好適とされる間欠動作で長期間電池駆

動可能な受信機主導 MAC プロトコルとして，2017 年時点で唯一国際標準化されてい

る IEEE 802.15.4e RIT プロトコルの，日本におけるガススマートメーターの実運用環

境への適用可能性を検討し，日本のガススマートメーターの実運用環境で使用可能な

実装プロトコルを設計，提案する．また提案 MAC プロトコルの伝送性能，低消費電力

性能を定量的に評価するとともに，実装評価により，その実現性と有効性を実証する．

1.5 本論文の構成

本論文の構成について述べる．まず第 2 章で IEEE 802.15.4e を概説する．IEEE

802.15.4e ではいくつかの MAC プロトコルが規格化されているが，それぞれの特徴を

類型化し，特に長期に電池駆動可能な低消費電力 MAC プロトコルである Coordinated

Sampled Listening (CSL)プロトコルおよび RIT プロトコルについて詳述する．次に第 3

章において CSL プロトコルについて理論解析と計算機シミュレーションにより伝送特

性評価を行い，ガススマートメーターの Wi-SUN 化への好適性について考察する．第 4

12

章では，受信機主導 MAC プロトコルを動作原理とする RIT プロトコルについて理論解

析および計算機シミュレーションにより伝送特性評価を行い，ガススマートメーター

の Wi-SUN 化への好適性について考察する．

第 5 章では前章までの考察に基づき，ガススマートメーターが運用される実環境を

考慮して RIT プロトコルを改良した Feathery RIT（F-RIT）プロトコルを提案すると共

に，理論解析，計算機シミュレーションにより提案手法の伝送特性と消費電力特性につ

いて示し，CSL プロトコルとの比較検討を行うことで，提案手法の有効性を示す．第 6

章では IEEE 802.15.4g に準拠した市販の Wi-SUN モジュールに，詳細設計した F-RIT プ

ロトコルを実装し，伝送特性および消費電力を実験的に評価し，その実現性，実装性，

有効性を実証する．さらに第 7 章では本研究で提案された F-RIT プロトコルの各評価

結果から得られた知見に基づき，ガススマートメーター以外の産業への応用の可能性

について考察する．最後に第 8 章にて本論文の結論を述べる．

13

第2章 IEEE 802.15.4/4e

2.1 概要

本章では IEEE 802.15.4-2011[28]および IEEE 802.15.4e-2012[27]について概説する．

IEEE 802 標準化委員会の中で Wireless Personal Area Network (WPAN)のための，低通信

速度，低消費電力，低コストな物理層およびMACプロトコルの国際標準規格化をProject

Authorization Request (PAR)とする IEEE 802.15.4 タスクグループ[18]が立ち上げられた

のは 2000 年にさかのぼる．当時は主に ZigBee Alliance 等で規格化された物理層と MAC

プロトコルの一部をベースとして規格化がすすめられていた[55]．IEEE 802.15.4 として

初めて公開された規格集が IEEE 802.15.4-2003[56]であり，その後 IEEE 802.15.4-2006[57]，

IEEE 802.15.4-2011[28]，IEEE 802.15.4-2015[29]と三回改訂されている．

IEEE 802.15.4-2011 の MAC プロトコルでは非同期型ネットワークを構成する

CSMA/CA 方式を用いた MAC プロトコルを基本とするが， IEEE 802.15.4-2011 ではビ

ーコン・スーパーフレーム機能を利用して同期型ネットワークを構築し，センサーノー

ドを低消費電力化することが可能となった．ビーコン・スーパーフレーム機能の概要を

図 2.1 に示す．ビーコンにより同期がとれた各ノードは，任意のタイミングではなく，

定められたスロットで送受信を行う．それぞれのビーコンの間に 15 個のスロットを設

け，これらが競争アクセス区間(Contention Access Period : CAP)，および無競争区間

(Contention Free Period : CFP)と呼ばれるフレーム群からなるスーパーフレームを構成す

ることにより，低消費電力ながらも Quality of Service (QoS)を確保した通信も行えるよ

う配慮がされているのが特徴である．また 64 bit の拡張 MAC アドレスや暗号化機能が

サポートされた．

IEEE 802.15.4-2006 の公開以降，サポートするアプリケーションが多様化したため

2007 年より設置された IEEE 802.15.4e タスクグループがこれらのアプリケーションに

対応した MAC プロトコルの追加改訂を行うこととなり，IEEE 802.15.4e-2012[27]が

IEEE 802.15.4-2011 の MAC プロトコルの改訂版として 2012 年に公開された．IEEE

802.15.4e-2012 でサポートする MAC プロトコルを図 2.2 に示す．IEEE 802.15.4-2011 で

規格化されている，非同期方式の CSMA/CA 方式，および同期方式のスーパーフレーム

方式に加え，IEEE 802.15.4e-2012 では，より低消費電力かつ電波利用効率の高い同期方

式としてビーコン・スーパーフレーム方式の拡張版である Deterministic & Synchronous

Multichannel Extension (DSME)方式，および同期してチャネルホッピングを行う Time

Slotted Channel Hopping (TSCH)方式が追加された[58]-[61]．しかしながらガススマート

14

メーターのような大規模ネットワークにおいて時刻同期をネットワーク全体で行う場

合，高性能な時刻同期回路や複雑な上位プロトコルが必要となるため，アドホックでマ

ルチホップ可能な電池駆動 Wi-SUN システムの構築に困難が生じる．

そこで，IEEE 802.15.4e-2012 では，長期間の端末電池駆動を実現するために，非同期

式の低消費電力 MAC プロトコル（Low energy MAC protocol）が新たに追加された[62]．

その詳細を次節で述べる．

15

図 2. 1 IEEE 802.15.4 のビーコン・スーパーフレーム方式の概要

図 2.2 IEEE 802.15.4/4e の MAC プロトコル体系

図 2.8 IEEE 802.15.4/4e の MAC プロトコル体系

16

2.2 低消費電力プロトコル

IEEE 802.15.4e-2012 では，長期間電池駆動が可能な非同期方式の Low energy MAC

protocol として前述の CSL プロトコルと RIT プロトコルの 2 種類が新たに規格化され

た．図 2.3，図 2.4 に CSL および RIT プロトコルの概念図をそれぞれ示す．

2.2.1 CSL プロトコル

まず CSL プロトコルについて概説する．図 2.3 に示す CSL プロトコルでは，通常そ

れぞれの無線端末は Channel Sample と呼称する間欠受信動作を一定間隔（MAC CSL

Period : TCSL）で行う．ここである端末にデータ送信イベントが発生し送信動作が開始

されると，この送信モード端末 (Sender) は Wakeup Sequence と呼ばれる Wakeup Frame

の連続送信を行う．Wakeup Frame は送信先ネットワーク ID や送信先アドレスなどで構

成される 12 octets のシンプルな MAC フレームである．Wakeup Sequence は TCSL以上の

期間に渡って継続送信されるため，通信相手となる受信モード端末 (Receiver) におい

ては，Channel Sample 動作を行うことにより，この Sender からの送信要求を確実に捕

捉できる．Wakeup Sequence 終了後，Sender が Data Frame を送信しデータの伝送を完了

する．なお，各 Wakeup Frame には Wakeup Sequence の終了までの時間が格納されてい

るため，Receiver は自身の Channel Sample 動作時に Wakeup Frame を捕捉した後も，図

中に示すように Wakeup Sequence 終了まで RF を OFF にして消費電力を低減できる工

夫がなされている．またWake Up Frame 自体を間欠動作化（この間欠動作間隔をWakeup

Frame Interval と呼ぶ）し，Receiver からの返送レスポンスを早めるオプションも存在

する．このように CSL プロトコルは，従来の IEEE 802.15.4 の MAC Header ( MHR)をコ

ンパクト化，合理化し，間欠受信動作によるデータ伝送を効率的に行う手順を規定した

MAC プロトコルであり，CSL プロトコルと同様の間欠受信方式は現在広く使用されて

いる[8]．本論文では CSL プロトコルで最も基本的な Wakeup Frame Interval が 0 の場合

の CSL プロトコルを非同期 CSL と呼ぶ．

非同期 CSL において Receiver の消費電力を低減するためには MAC CSL Period TCSL

を長く設定すればよいが，一方 Wakeup Sequence 動作長が延び，さらに Sender の消費

電力が増大する．つまり非同期 CSL プロトコルでは Receiver の消費電力低減と Sender

の電波利用効率，消費電力がトレードオフの関係にある．また，通信リンク確立のため

の電波送信時間が長いため，たとえデータ長が短くても，通信リンク確立頻度の高いア

ドホックネットワークステムの設計が困難となる．また例えば日本の電波利用規格

17

ARIB STD-T108[66]では，キャリアセンス時間 128 μs 以上 5 ms 未満で 2 チャンネル同

時使用する場合，一時間当たりの許容電波送信時間率を 10％以下とする制限が設けら

れており，間欠動作間隔が 5 s の非同期 CSL では，データ長が 0 s としても一時間当た

りの通信頻度は 72 回を超えることができない．間欠動作間隔が 60 s の場合の上限通信

リンク頻度は 6 回未満となる．このように送信時間制限のある電波規格による制約下

での非同期 CSL プロトコルのシステム設計は制約が大きい．この他に CSL プロトコル

にはオプションとして，通信リンク確立成功後に後続データ送信を行う際，通信相手の

クロックドリフトマージンを考慮することでフレーム同期をある程度維持し，Wakeup

Sequenceの繰り返し送信を省略し消費電力を低減する手法（Synchronized Transmission）

も規定されているが，通信相手の恒久的な特定が難しいアドホックネットワークを電

池駆動で実現するのは容易でない．

2.2.2 RIT プロトコル

次に本論文で提案する MAC プロトコルである F-RIT のベースとなる RIT プロトコ

ルを概説する．図 2.4 に RIT プロトコルの動作概要を示す．RIT プロトコルでは CSL プ

ロトコルと異なり，通常それぞれの無線端末は RIT Data Request Frame を一定間隔 TRIT

で送信する．この間欠送信間隔 TRITを MAC RIT Period とよぶ．RIT Data Request Frame

送信後は毎回MAC RIT Data Wait Durationと呼ばれる短時間の受信動作を行う．RIT Data

Request Frame 自体は従来の IEEE 802.15.4 MHR[28]とほぼ同様のフレーム構成であり，

送信先ネットワーク ID や送信先アドレス，送信元ネットワーク ID や送信元アドレス

などを搭載できるが，その大部分は搭載が任意であり，用途や状況に応じて搭載内容を

変更することができる．

ここである端末にデータ送信イベントが発生し送信動作を行う場合，まず Sender は

受信動作に入る．そして送信先端末からの RIT Data Request Frame を受信した直後に

Sender が Data Frame を送信し，送信先端末は RIT Data Request Frame 送出直後の MAC

RIT Data Wait Duration で Sender からの信号を受信し，データの伝送を完了する．ここ

で Sender における所望通信相手の識別は RIT Data Request Frame 内の送信元ネットワー

ク ID や送信元アドレスなどによって判断する．

この RIT プロトコルの利点として，送信データ量がほとんど無い端末同士の通信リ

ンク確立要求が高頻度に発生する場合でも，Sender の受信動作回数が増えるだけであ

り，送信イベント発生の度に Wakeup Sequence を送出する CSL プロトコルに比べて，

18

Sender における電波占有時間がほとんど増加しない点が挙げられる．また Receiver の

消費電力を低減するために MAC RIT Period を伸ばしても通信リンク確立一回当たりの

電波送信時間は増大しない．つまり CSL プロトコルと違い，Receiver の消費電力低減

と Sender の電波利用効率の向上がトレードオフの関係にない．加えて RIT プロトコル

では長大な Wakeup Sequence を送出する必要がないため，Sender の消費電力低減も期待

できる．さらにアクセス遅延時間の観点からは，非同期 CSL プロトコルでは必ず MAC

CSL Period だけ連続送信しなければデータ伝送が開始されないのに対し，RIT プロトコ

ルの場合では所望通信相手からの RIT Data Request Frame が受信できた時点ですぐデー

タ伝送が可能なので，両者の間欠動作間隔を同じとした場合，すなわち TCSL = TRIT = T

とした場合，RIT プロトコルにおける平均通信リンク確立時間は非同期 CSL プロトコ

ルの半分となる．また RIT Data Request Frame に各端末の受信電界強度情報や端末の電

池残量情報等のごく短いネットワーク管理情報を搭載すれば，より実用的なネットワ

ークプロトコルの実装が可能になると考えられる.

このようにRITプロトコルは，実装が極めて容易な非同期式であるにもかかわらず，

Sender の高い電波利用効率と，Sender および Receiver 両者の低消費電力性を両立しつ

つ高頻度な通信リンク確立に対応できるため，アドホックなマルチホップ無線システ

ムに好適であると考えられる．本章で概説した非同期/同期 CSL プロトコルおよび RIT

プロトコルの特徴について表 2.1 にまとめる．

表 2.3 同期/非同期 CSL および RIT プロトコルの特徴比較

Mac Type Power Consumption Frequency Utilization

Efficiency

Compatibility with ad-

hoc Networks

Synchronous CSL sufficiency sufficiency insufficiency

Asynchronous CSL Trade-Off insufficiency

RIT sufficiency sufficiency sufficiency

19

図 2. 4 CSL プロトコルの概念図

図 2. 5 RIT プロトコルの概念図

20

2.3 RIT プロトコル実用化の問題点

第 1 章で述べた間欠動作で長期間電池駆動可能な受信機主導型 MAC プロトコルの

中で，2017 年時点で唯一国際標準として採用されている IEEE 802.15.4e RIT プロトコ

ルは，前節で述べたとおり間欠動作によるシステムの低消費電力を図る場合において

低消費電力化と電波利用効率の両立が可能であり，IEEE 802.15.4e CSL プロトコルに比

してアドホックなシステムに好適な特徴を有すると考えられる.

しかしながら，これまで RIT プロトコルの実装例や実環境での干渉環境下における

伝送性能の評価例，消費電力性能の検討事例の報告がなく，実用に資する実装設計が困

難な状態にある．そのため日本のガススマートメーターの実運用環境へ RIT プロトコ

ルを適用するには，RIT プロトコルに関して実運用環境での耐干渉性や消費電力を評価

できる解析手法を確立することにより，実装可能な詳細プロトコルを設計し，汎用無線

モジュールに実装して実運用環境での性能を実証する必要がある．

21

第3章 CSL プロトコルの伝送特性評価

3.1 概要

本章ではこれまで報告例のない RIT プロトコルの伝送性能解析手法の確立および

CSL プロトコルとの伝送特性比較のため，まず比較的動作シーケンスが簡単な CSL プ

ロトコルの干渉モデルを定義し，理論計算，計算機シミュレーションにより伝送特性を

評価する．

3.2 伝送特性評価

CSL プロトコルの伝送特性として通信端末が複数存在する場合の干渉特性，つまり

干渉端末存在環境下での通信リンク確立成功率を評価する．図 3.1 に評価に用いた CSL

プロトコルの動作詳細を示す．本図では Sender にデータ送信イベントが発生し，通信

リンク確立が成功するまでのシーケンスの詳細を示す．本評価では，より純粋なプロト

コル本来の干渉特性を観察するために CSMA/CA 等に使用されている Request To Send

(RTS) や Clear To Send (CTS)，Acknowledgment (ACK)等の制御信号を省いている．この

場合本図にも示されるように，通信リンク確立の中で電波を送信するのは Sender のみ

であり Receiver の動作は受信動作のみとなる．そして低消費電力化のため MAC CSL

Period つまり Chanel Sample の動作間隔を長くするほど Wakeup Sequence も長くなる．

これにより表 2.1 でも示した通り CSL プロトコルにおいては低消費電力化と電波利用

効率がトレードオフの関係になる．

22

図 3. 1 CSL プロトコルの通信リンク確立動作詳細

23

3.2.1 理論解析

まず図 3.1 に示した詳述した CSL プロトコルの干渉端末存在環境下におけるリンク

確立成功率の定式化を試みる．仮定する干渉環境の理論解析モデルを図 3.2 に示す．本

モデルにおいて，互いに電波が干渉する領域内に N 個の端末が存在する．これらの端

末はそれぞれ1：1の通信ペアを組む（つまりエリア内にはN/2の通信ペアが存在する）．

そしてすべての端末に通信リンク確立要求が平均頻度 λLink でランダムに発生し Sender

となるものとする．つまりアドホックなメッシュネットワークのある瞬間の動作を模

擬したものである．

ここで一組の通信ペアに着目する．この通信ペアを被干渉通信ペアとする．その他の

通信ペアはすべて与干渉通信ペアとする．このモデルにおける干渉パターンを図 3.3 に

示す．本図において被干渉通信ペアは A(i), B(i)であり与干渉ペアとなりうる通信ペア

は A(X), B(X)である．また Chanel Sample の時間長を TCS，Chanel Sample の間欠動作間

隔を T，データ送信時間長を TData，Wakeup Frame の送信時間長および Receiver ID Frame

長を TIDとする．図 3.3 において CSL プロトコルの干渉ケースは図 3.3 b)に示す通信リ

ンク動作の衝突のみである．したがって干渉期間は通信リンク確立期間と等しくなる．

このようなケースにおける被干渉通信ペアの通信リンク確立成功率を定式化する．こ

のような通信リンク確立動作の衝突の定式化は，ピュアアロハのパケット衝突の定式

化ピュアアロハ方式[63]-[65]とほぼ同等に扱うことができると考えられる．ピュアアロ

ハの衝突モデルを図 3.4 に示す．本図に示すようにデータフレーム長が τですべてのフ

レーム長が同じとすると，ある一つの被干渉データフレームに他の与干渉フレームが

衝突する区間（衝突区間）は 2τ となる．またデータフレーム発生率が平均 λでランダ

ムに発生する場合，すなわちポアソン分布になる場合，衝突区間 2τ の中で他のデータ

フレームが発生しない確率，すなわちデータフレームの伝送が成功する確率 SPure-Alohaは

式(3.1)で示される[63]-[65]．

τ 2

Aloha- Pure eS (3.1)

CSLプロトコルの場合式(3.1)におけるデータフレーム長 τを通信リンク確立期間TLink

（CSL）と考え，データフレームの発生確率 λ を干渉エリア内の全通信リンク確立要求発

生頻度 N・λLinkと考えると通信リンク確立成功率は下記式(3.2)となる．よって CSL プロ

24

トコルの通信リンク確立成功率 SCSLは式(3.2)で表すことができる．

)(2

2

CSL

DataIDLink

Link(CSL)Link

TTTN

TN

e

eS

(3.2)

本章では式(3.2)を用いた通信リンク確立成功率の特性評価に加え，計算機シミュレー

ションを導入し結果を比較することにより，解析手法の妥当性を検証する．

25

図 3. 2 干渉評価モデルアドホックなメッシュネットワークのある瞬間の動作を表

現している．

26

図 3. 3 CSL プロトコルにおける干渉パターン

27

図 3. 4 ピュアアロハの衝突モデル

28

図 3. 5 計算機シミュレーションフロー

29

3.2.2 計算機シミュレーション評価

式(3.2)に加えて，計算機シミュレーションを導入する．計算機シミュレーションの

処理フローを図 3.5 に示す．最初に 3.2.1 項で示した各パラメーター初期値を設定す

る．次に各端末の間欠送受信動作タイミングの初期値と送信データ発生タイミングを

ランダムで割り付ける．その後，それぞれの端末毎に所望通信ペアの Sender における

通信リンク確立のための時間である TLink(CSL)と干渉源端末が発生させる与干渉区間と

の衝突を 0.01 ms 精度で検出し，衝突回数をカウントすることで通信リンク確立成功

率を算出する．尚本計算機シミュレーションにおいてはいずれの結果においても試行

回数を 5000 回としている．

3.3.3 評価結果と考察

3.2.1 項で導出した理論式，および 3.2.2 項で示した計算機シミュレーションを用い

て，CSL プロトコルの通信リンク確立成功率について計算する．

計算に当たっては， TCS = 0.01 ms，TCSL = 5 s ，TID = 2.5 ms とした場合において，通

信リンク確立要求 λLinkを 10-4-10-1 s-1の範囲で，端末数 N を 20 個および 100 個の場合に

ついて，Data Frame 長を 5 ms，20 ms，50 ms，100 ms と変えた場合の計算結果を図 3.6

-3.9 および図 3.10-3.13 に示す．尚，TID = 2.5 ms とした場合格納可能な ID は最大 32

Byte であり，また適用が予想される上位層の Data Frame 長は，U-Bus Air Data Size で 74

Byte：5.92 ms，802.15.4 Physical Service Data Unit（PSDU）で 127 Byte：10.16 ms，Wi-

SUN ECHONET PSDU で 255 Byte：20.4 ms である．

まず図 3.6-3.9 に示す N = 20 の場合の計算結果では，Data Frame 長がいずれの場合で

も，理論値と計算機シミュレーション値が良く一致している．いずれの結果でも λLinkが

高くなると，通信リンク確立成功率 S は劣化する．特に本図 N = 20 の場合では，λLinkが

10-3 s-1よりも高くなるとその劣化が顕著になり，λLinkが 10-1 s-1程度でほぼ 0 になる．こ

の傾向は Data Frame 長を変えた場合でもほとんど変わらない．

一方図 3.10-3.13 に示されるように，端末数 N が 20 から 100 に増えると，通信リン

ク確立成功率 S は大幅に劣化する．Data Frame 長がいずれの場合でも，λLinkが 10-4 s-1よ

りも高くなるとその劣化が顕著になり，λLinkが 10-2 s-1程度でほぼ 0 になる．この傾向は

図3.6-3.9で示された結果と同様にData Frame長を変えた場合でもほとんど変わらない．

また図 3.10-3.13 の結果においても理論値と計算機シミュレーション値が良く一致して

いる．

30

これらの結果では，CSL プロトコルの通信リンク確立成功率解析において，ポアソン

分布を仮定した理論解析および計算機シミュレーションの結果が良く一致した．

また，本計算条件では Channel Sample の間欠動作間隔 TCSLを 5 s，Data Frame 長 TData

を最大 100 ms としているが，式(3.1)からもわかるように CSL プロトコルの通信リンク

確立成功率 S は TCSLと TIDおよび TDataの和に依存するため，Data Frame 長に対し間欠

動作間隔 TCSLが極めて長い場合，ほぼ TCSLに依存することがわかる．

また本結果で観察される CSL プロトコルの通信リンク確立成功率の劣化はすべて通

信リンク確立動作同士の衝突であるため，電波占有時間のひっ迫がその根本原因と予

想できることから，たとえ CSMA/CA 等のキャリアセンスを利用するタイプの衝突回

避法を導入しても，抜本的な成功率の改善は期待できないと考えられる．すなわち 1.3

節⑤で述べたガススマートメーターに要求される通信頻度（2.8×10-4 s-1以上）を満足す

るには，消費電力を犠牲にし，間欠動作間隔 TCSL を短くするか利用チャネル数を増や

し電波利占有率を改善する必要がある．これは 2.2 節でも述べた CSL プロトコルの一

つの弱点である，低消費電力性能と電波利用効率のトレードオフの関係をよく表した

結果とも言える．

31

図 3. 7 CSL プロトコルの通信リンク確立成功率 S（N = 20, TData = 20 ms）


10-4

10-3

10-2

10-1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0S

ucc

ess

Rat

e S

λLink

(s-1)

CSL Protocol (TData

= 5 ms)

Theoretical

Simulation

N = 20

10-4

10-3

10-2

10-1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Su

cces

s R

ate

S

λLink

(s-1)

CSL Protocol (TData

= 20 ms)

Theoretical

Simulation

N = 20

32



10-4

10-3

10-2

10-1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

CSL Protocol (TData

= 50 ms)

Theoretical

Simulation

Su

cces

s R

ate

S

λLink

(s-1)

N = 20

10-4

10-3

10-2

10-1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

CSL Protocol (TData

= 100 ms)

Theoretical

Simulation

Su

cces

s R

ate

S

λLink

(s-1)

N = 20

33



10-4

10-3

10-2

10-1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

CSL Protocol (TData

= 5 ms)

Theoretical

Simulation

Su

cces

s R

ate

S

λLink

(s-1)

N = 100

10-4

10-3

10-2

10-1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

CSL Protocol (TData

= 20 ms)

Theoretical

Simulation

Su

cces

s R

ate

S

λLink

(s-1)

N = 100

34



10-4

10-3

10-2

10-1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

CSL Protocol (TData

= 50 ms)

Theoretical

SimulationS

ucc

ess

Rat

e S

λLink

(s-1)

N = 100

10-4

10-3

10-2

10-1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

CSL Protocol (TData

= 100 ms)

Theoretical

Simulation

Su

cces

s R

ate

S

λLink

(s-1)

N = 100

35

第4章 RIT プロトコルの伝送特性評価

4.1 概要

本章では，2 章で論じた RIT プロトコルの有用性を示すため前章で行った評価と同様

に，干渉モデルを定義し，理論計算，シミュレーションにより伝送特性を評価する．


CSL プロトコルの伝送特性を評価した場合と同様に，図 4.1 に評価に用いた RIT プ

ロトコルの動作詳細を示す．図 4.1 でも CSL プロトコル評価時と同様に Sender にデー

タ送信イベントが発生し，通信リンク確立が成功するまでのシーケンスの詳細を示す．

本評価においても CSL プロトコルの評価と同様に，より純粋なプロトコル本来の干渉

特性を観察するためにCSMA/CA等に使用されているRequest To Send (RTS) やClear To

Send (CTS)，ACK 等の制御信号を省いている．本図にも示されるように，RIT プロトコ

ルの場合，送信頻度が最も多いのは各端末が MAC RIT Period：TRIT の間隔で送信する

RIT Data Request Frame であり，通信リンク確立動作中の Data Frame や Receiver ID Frame

は支配的ではない．また低消費電力化のため MAC RIT Period の動作間隔を長くしても

通信リンク確立動作に必要な電波送信は増えない．よって表 2.1 でも示した通り RIT プ

ロトコルにおいては低消費電力化と電波利用効率がトレードオフの関係にならず，よ

り長間隔な間欠動作が可能となる．もう一つの特徴として CSL プロトコルの場合通信

リンク確立動作を行う場合 Wakeup Sequence を毎回 MAC CSL Period : TCSLだけ送信し

なければならない．これに対し RIT プロトコルでは，Sender が所望通信相手の RIT Data

Request Frame を受信するとすぐに次の Receiver ID 送信動作に入れるため，間欠動作間

隔が CSL プロトコルと同じ場合，RIT Data Request Frame の待ち時間 TWait の期待値が

TRIT / 2 になり，通信リンク確立にかかる時間も平均約半分程度になる特徴がある．本

プロトコルを用いて伝送特性評価を行う．評価で検討した干渉パターンを図4.2に示す．

36

図 4. 1 RIT プロトコルの通信リンク確立動作詳細

37

4.2.1 理論解析モデル

仮定する干渉環境の干渉評価モデルは図 3.2 で示した CSL プロトコルの評価モデル

と同一であるが，RIT プロトコルでは図 4.2 のように干渉パターンが異なる．本図にお

いて被干渉通信ペアは A(i),B(i)である．RIT プロトコルでは与干渉源は２つある．まず

図 4.2 b1）衝突ケース：１に示す，与干渉端末から送信される時間長 TRDR の RIT Data

Request Frame である．この Frame がすべての端末より送信され被干渉ペアの通信リン

ク確立動作に干渉する．他の一つは同図 b2）に示す与干渉ペアの通信リンク動作の衝

突である．本図において与干渉ペアになりうる通信ペアは A(Y), B(Y)である．また Wait

Duration を Chanel Sample の時間長と同じ TCS，RIT Data Request Frame の間欠送信動作

間隔を T，データ送信時間長を TData，RIT Data Request Frameの送信時間長およびReceiver

ID Frame 長を TIDとする．このようなケースにおける，被干渉通信ペアの通信リンク確

立成功率を定式化する．このような通信リンク確立動作の衝突の定式化を，3.2.1 項で

用いたピュアアロハのパケット衝突の定式化[63]-[65]を参考に通信リンク確立成功率

を求める．

38

図 4. 2 RIT プロトコルにおける干渉パターン

39

図 4. 3 ピュアアロハの衝突モデルを応用した図 4.2 Case:1 の衝突モデル

40

まず図 4.2 の衝突ケース：2 に示す与干渉通信ペアの通信リンク確立動作による干渉

であるが，RIT プロトコルの場合でも CSL プロトコルと同様に式(3.2)が適用でき下記

式(4.1)で表すことができると考えることができる．

)(2

2

Case2:RIT

DataIDRDRLink

Link(RIT)Link

TTTN

TN

e

eS

(4.1)

次に図 4.2 の衝突ケース：1 に示される他のすべての端末が送信する時間長 TRDR の

RIT Data Request Frame による干渉であるが，ピュアアロハの衝突モデルを応用した

Case1 の衝突モデルを図 4.3 に示す．図 4.3 は異なるサイズのフレームの衝突，つまり

与干渉フレームとして発生頻度 λLink：N / T，発生間隔：T，フレーム長：TRDR の RIT Data

Request Frame と，フレーム長：TLink(RIT) の被干渉通信ペアの通信リンク確立動作との衝

突と考えれば，干渉区間は TLink(RIT) + TRDRとなり被干渉通信ペアの通信リンク確立動作

の成功率は下記式(4.2)に表すことができる．

)2(

)(λ

RIT:Case1

DataIDRDR

Link(RIT)RDRLink

TTTT

N

TT

e

eS

(4.2)

よって式(4.1)および式(4.2)から図 4.2に示される干渉モデルにおける RITプロトコル

の通信リンク確立成功率を導出すると式(4.3)が得られる．

)(2)2(

RIT:Case2RIT:Case1RIT

DataIDRDRLinkDataIDRDR TTTN

TTTT

N

ee

SSS

(4.3)

ここで注意すべきは式(3.1)，(4.1)，(4.2)はすべてポアソン仮定を前提にしている点で

ある．本前提は図 4.4 に示すように，すべての送受信動作がランダムに発生しているこ

とを意味する．これは図 4.5 に示すように通信リンク確立要求頻度 λLink が RIT Data

Request Frame の発生頻度 1 / T に比して十分小さい場合（λLink・T ≪ 1）は，ほとんど

41

の与干渉源が RIT Data Request Frame となるため，被干渉発生頻度がポアソン分布モデ

ルに近似できる．しかし図 4.5 に示すように通信リンク確立要求頻度 λLink と RIT Data

Request Frame の発生頻度 1 / T が同程度の場合（λLink・T ≒ 1），実際の通信リンク確立

動作においては通信リンク確立要求頻度 λLinkと RIT Data Request Frame は連続して生起

するので，T が RIT Data Request Frame 長に対し十分長い場合は，RIT Data Request Frame

からの与干渉はほぼ無視できるようになる．この問題を解決するために式(4.2)に対する

補正項として（1 - λLink・T ）を導入すると式(4.4)が得られる．

)1(2

Case1:RIT

LinkDataIDRDR TTTTT

N

eS

(4.4)

この補正を行うことにより通信リンク確立要求発生頻度 λLink が RIT Data Request

Frame の発生頻度と同程度に高い場合でも近似計算が可能な式(4.5)を得る．

T

TTTTTTTN

TTTNTTTT

T

N

e

ee

SSS

)1()2()(2

)(2)1()2(

Case2:RITCase1:RITRIT

LinkDataIDRDRDataIDRDRLink

DataIDRDRLinkLinkDataIDRDR

(4.5)

式(4.5)を用いて，RIT プロトコルの通信リンク確立成功率の解析を行う．

42

図 4. 4 ポアソン分布モデルにおける RIT プロトコルの干渉パターン

通信ペアの RIT Data Request 送信動作と通信リンク確立確立動作は連続で生起せ

ず互いに独立してランダムで生起し，それぞれ独立に干渉を生起する．

43

図 4. 5 RIT プロトコルにおける実際の干渉パターン（λLink

・T ≪ 1 の場合）

被干渉ペアの RIT Data Request 送信動作と通信リンク確立確立動作は連続で生起

するが，RIT Data Request による干渉が支配的なので，ポアソン分布モデルに近似性

が高くなる．

44

図 4. 6 RIT プロトコルにおける実際の干渉パターン（λLink

・T ≒1 の場合）

被干渉ペアの RIT Data Request Frame と通信リンク確立確立動作は連続で生起す

るため，RIT Data Request Frame からの与干渉はほぼ無視できるようになり，ポアソ

ン分布モデルに比べて実際の被干渉は小さくなる．

45

4.2.2 評価結果と考察

4.2.1 項で導出した理論式，および 3.2.2 項で示した計算機シミュレーションを用い

て，RIT プロトコルの通信リンク確立成功率について計算する．計算に当たっては，3

章と同様に TCS = 0.01 ms，TRIT = 5 s ，TID = TRDR = 2.5 ms とした場合において，λLinkを

10-4 - 10-1 s-1の範囲で，端末数 N を 20 個および 100 個の場合について，Data Frame 長を

5 ms，20 ms，50 ms，100 ms と変えた場合の計算結果を図 4.7-4.10 および図 4.11-4.14 に

示す．まず図 4.7-4.10 に示す N = 20 の場合の計算結果では，Data Frame 長がいずれの場

合でも，理論値と計算機シミュレーション値が良く一致している．CSL プロトコルと異

なりいずれの結果でも λLink が通信リンク確立成功率 S にほとんど影響しない．しかし

ながら Data Frame 長を変えた場合は影響が顕著である．Data Frame 長が 100 ms 程度に

なると通信リンク確立成功率が 70%を下回るようになる．

一方図 4.11-4.14 に示されるように，端末数 N が 20 から 100 に増えると，通信リンク

確立成功率 S が大幅に劣化するのは CSL プロトコルと同様である．ただ RIT プロトコ

ルの場合Nが増えても λLinkが通信リンク確立成功率 Sにほとんど影響しない．一方Data

Frame 長を変えた場合はより顕著に影響を受ける．N が 100 で Data Frame 長が 100 ms

程度になると通信リンク確立成功率が 10%程度になる．また図 4.11-4.14 の結果におい

ても理論値と計算機シミュレーション値が良く一致している．これらの結果より，RIT

プロトコルの通信リンク確立成功率解析において，ポアソン分布を仮定しつつ，通信リ

ンク動作と RIT Data Request Frame 発生の非独立性を加味した理論解析の妥当性が示さ

れたといえる．

また，RIT プロトコルの場合端末数 N を変えても通信リンク確立要求頻度 λLink に対

する通信リンク確立成功率の依存性がほとんど変わらないことが特徴的である．この

ことは式(4.5)からもわかるように λLink に独立な項，すなわち被干渉通信ペアに対する

干渉では他の端末の送信する RIT Data Request Frame からの干渉が支配的であると考え

ることができる．このため，電波占有時間のひっ迫が通信リンク確立失敗の根本原因で

はなく，電波占有率にはまだ十分空きが有ると予想できることから，たとえば

CSMA/CA や CSMA/CD 等のキャリアセンスを伴う衝突回避法が効率的に機能すると

想定される．つまり，図 4.7-4.10 および図 4.11-4.14 の結果から，RIT プロトコルは CSL

プロトコルに対して，本評価条件下で高い電波利用効率を発揮できていると考えるこ

とができる．また適切な衝突回避法が適用できれば 1.3 節⑤で述べたガススマートメ

ーターに要求される通信頻度（2.8×10-4 s-1以上）を満足できることの可能性が示された

46

と考えることができる．これらの結果から，RIT プロトコルを実用性の高いプロトコル

として設計するためには，如何に効率的に RIT Data Request Frame からの干渉を低減し，

通信リンク確立動作を優先動作させることが重要であると明らかとなった．

47

図 4. 7 RIT プロトコルの通信リンク確立成功率 S（N = 20, TData = 5 ms）


10-4 10-3 10-2 10-1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0N = 20

Su

cces

s R

ate

S

λLink

(s-1)

RIT Protocol (TData

= 5 ms)

Theoretical

Simulation

10-4

10-3

10-2

10-1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0N = 20

Su

cces

s R

ate

S

λLink

(s-1)

RIT Protocol (TData

= 20 ms)

Theoretical

Simulation

48


図 4.10 RIT プロトコルの通信リンク確立成功率 S（N = 20, TData = 100 ms）

10-4

10-3

10-2

10-1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0N = 20

Su

cces

s R

ate

S

λLink

(s-1)

RIT Protocol (TData

= 50 ms)

Theoretical

Simulation

10-4

10-3

10-2

10-1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0N = 20

Su

cces

s R

ate

S

λLink

(s-1)

RIT Protocol (TData

= 100 ms)

Theoretical

Simulation

49



10-4

10-3

10-2

10-1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0N = 100

Su

cces

s R

ate

S

λLink

(s-1)

RIT Protocol (TData

= 5 ms)

Theoretical

Simulation

10-4

10-3

10-2

10-1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0N = 100

Su

cces

s R

ate

S

λLink

(s-1)

RIT Protocol (TData

= 20 ms)

Theoretical

Simulation

50



10-4

10-3

10-2

10-1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0N = 100

Su

cces

s R

ate

S

λLink

(s-1)

RIT Protocol (TData

= 50 ms)

Theoretical

Simulation

10-4

10-3

10-2

10-1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0N = 100

Su

cces

s R

ate

S

λLink

(s-1)

RIT Protocol (TData

= 100 ms)

Theoretical

Simulation

51

第5章 Feathery-RIT(F-RIT) プロトコル

5.1 概要

3 章では CSL プロトコルの伝送特性を評価し，端末数 N や通信リンク確立要求発生

頻度が増加した場合，通信リンク確立要求動作同士の衝突が原因の通信リンク確立失

敗が増えるが，その根本原因が電波占有率のひっ迫にあることが予想されるため，

CSMA/CA 等のキャリアセンスを使用した衝突回避法では顕著な通信リンク確立成功

率の改善が期待できないことを示した．また 4 章では RIT プロトコルの伝送特性を評

価し，主な通信リンク確立失敗の原因が通信リンク確立要求動作と RIT Data Request

Frame の衝突であることが予想されるため CSMA/CA や CSMA/CD 等のキャリアセン

スを使用した衝突回避法の効率的な活用が有効という知見を得た．本章ではこれらの

結果を基に，RIT プロトコルの通信リンク確立成功率を大きく改善するプロトコルとし

て Feathery RIT プロトコル（F-RIT プロトコル）を提案し，伝送特性，消費電力特性を

CSL プロトコルと比較する．


F-RIT プロトコルの動作シーケンスを図 5.1 に示す．F-RIT プロトコルの特徴は，以

下の二点である．

① RIT Data Request Frame の Addressing fields に搭載する ID は Source ID のみと

する．よって TID = TRDRとなる．

② RIT Data Request Frame 送信前に，キャリアビジーの場合，再送を行わず，か

つチャネルの空き待ち受信動作の継続を行わないキャリアセンス（Pre-CS）を

行う．

特徴①の目的は，全電波送信時間のうち殆どを占める RIT Data Request Frame 長をで

きるだけコンパクト化することで，RIT プロトコルの高い電波利用効率という利点を最

大限活かし，RIT Data Request Frame 間欠送信動作にかかる消費電力を低減することで

ある．このコンパクト化された RIT Data Request Frame を本論文では Compacted RIT Data

Request Frame と呼ぶ．この常時間欠送信される Source ID を周囲の端末が必要に応じて

受信することで，無線ネットワークの回線状態を効率的に確認することが可能となり，

上位層におけるアドホックなネットワーク構築を容易にする．

特徴②の目的は，Data Frame の送信優先度を向上させることで，通信頻度や端末数が

増大した場合における通信リンク確立成功率を改善すること，および干渉を検知した

52

場合にチャネル空き待ち受信動作に要する消費電力を低減することである．RIT プロト

コルを用いた場合，無線ネットワーク内の干渉源は殆ど各端末が送出する RIT Data

Request Frame である．IEEE 802.15.4e では RIT Data Request Frame 送信前に Carrier Sense

Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA) を行う手順も例示されている[27]が，

常時間欠送信される RIT Data Request Frame はデータ伝送を目的として送信するもので

はなく，自分宛にデータを送信したい端末からのデータ送信を誘起させるビーコン信

号であり，通常は伝送すべきデータが搭載されていない．そのため RIT Data Request

Frame の送信前 Carrier Sense (CS) によって他電波を検知した場合は，チャネル空き待

ち受信動作および再送を行うよりも，次回の間欠送信時まで待機して RIT Data Request

Frame 送信を行う方が，無用な干渉の発生および，無用な再送動作による消費電力の増

大を防ぐことができる．結果として Data Frame の送信優先度を効率的に向上できる．

この Pre-CS は，例えば日本における ARIB STD T-108[66]のような，法的な CS の義務

付けの有無にかかわらず有用であると考えることができる．

また図 5.2 に比較対象として設計した，F-RIT プロトコルと同様に Pre-CS を搭載した

CSL ベースのプロトコルを示す．上記の F-RIT プロトコルと Pre-CS を搭載した CSL ベ

ースプロトコルの伝送特性評価として， Pre-CS を導入した場合式(3.1)や式(4.5)を用い

た理論解析が適用できないので， 3.2.1 項で示した干渉環境の理論解析モデルおよび

3.2.2 項で示した計算機シミュレーションを用いて，F-RIT プロトコルおよび CSL ベー

スプロトコルの通信リンク確立成功率について評価する．

53

図 5. 1 F-RIT プロトコルの動作シーケンス

54

図 5. 2 CSL ベースプロトコル動作シーケンス

55

5.2.1 計算機シミュレーション評価

計算機シミュレーションを行うにあたり計算条件は3章，4章と同様にTCS = 0.01 ms，

TRIT = 5 s ，TRDR ( = TID：F-RIT プロトコルの場合) = 2.5 ms とした場合において，λLinkを

10-4 - 10-1 s-1の範囲で，端末数 N を 20 個および 100 個の場合について，Data Frame 長を

5 ms，20 ms，50 ms，100 ms と変えた場合の計算を行った．RIT および F-RIT プロトコ

ルについて得られた結果を図 5.3-5.6 および図 5.7-5.10 に示す．

図 5.3-5.6 は N=20，図 5.7-5.10 は N=100 における，RIT プロトコルと F-RIT プロトコ

ルの通信リンク確立成功率を比較した結果である．ID 長は同一としてあるので，Pre-CS

の効果を観察していることになる．図中白丸が F-RIT プロトコルの結果であり黒丸が

F-RIT プロトコルの結果つまり Pre-CS の導入効果である．図 5.3-5.6 に見られるように

すべてのデータ長で通信リンク確立成功率の顕著な改善が観察される．λLinkが 10-3 s-1以

下では，図 5.3-5.6 いずれの場合でも通信リンク確立成功率が約 99％と一定値になり，

1.3 節④，⑤のガススマートメーターの要求仕様を満たしている．ここで Pre-CS を導入

しても通信リンク確立成功率が約 99％の一定値になる理由であるがこれは RIT Data

Request Frame の電波占有時間に起因すると考えられる．本シミュレーションでは TRIT

= 5 s ，TID = 2.5 ms，端末数 N を 20 としたため，RIT Data Request Frame の電波占有率

は 0.6％となり，この RIT Data Request Frame が送信されているタイミングでは通信リ

ンク確立要求の Pre-CS 動作により，通信リンク確立動作が開始されないためであると

考えられる．図 5.7-5.10 に端末数 N を 100 にした場合の結果を示す．図 5.7-5.10 に示さ

れるように λLinkが 10-2 s-1以上では Data Frame が 50 ms 以上において，通信リンク確立

成功率が大きく劣化し 90％を下回るが，λLinkが 10-3 s-1以下では図 5.7-5.10 いずれの場

合でも通信リンク確立成功率が約 95％と一定値になり，1.3 節④，⑤のガススマートメ

ーターの要求仕様を満たしている．この場合の RIT Data Request Frame の電波占有時間

を算出すると 3％となり，失敗の原因が RIT Data Request Frame の電波占有時間に起因

することが改めて確認できる．この電波占有率が F-RIT プロトコルにおいて同一干渉

エリア内に存在可能な端末数 N を決定すると考えられる．本結果から TRIT = 5 s の条件

では 1.3 節④，⑤のガススマートメーターの要求仕様を満たす最大 N 数は 200 程度と

推算することができる．

56

10-4

10-3

10-2

10-1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0N = 20

Su

cces

s R

ate

S

λLink

(s-1)

TData

= 20 ms

RIT

F-RIT

10-4

10-3

10-2

10-1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0N = 20

Su

cces

s R

ate

S

λLink

(s-1)

TData

= 5 ms

RIT

F-RIT

図 5. 3 F-RIT プロトコルの通信リンク確立成功率 S（N = 20, TData = 5 ms）


57

10-4

10-3

10-2

10-1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0N = 20

Su

cces

s R

ate

S

λLink

(s-1)

TData

= 100 ms

RIT

F-RIT

10-4

10-3

10-2

10-1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0N = 20

Su

cces

s R

ate

S

λLink

(s-1)

TData

= 50 ms

RIT

F-RIT



58

10-4

10-3

10-2

10-1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0N = 100

Su

cces

s R

ate

S

λLink

(s-1)

TData

= 20 ms

RIT

F-RIT

10-4

10-3

10-2

10-1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0N = 100

Su

cces

s R

ate

S

λLink

(s-1)

TData

= 20 ms

RIT

F-RIT



59

10-4

10-3

10-2

10-1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0N = 100

Su

cces

s R

ate

S

λLink

(s-1)

TData

= 100 ms

RIT

F-RIT

10-4

10-3

10-2

10-1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0N = 100

Su

cces

s R

ate

S

λLink

(s-1)

TData

= 50 ms

RIT

F-RIT



60

次に CSL ベースプロトコルについて得られた結果を図 5.11-5.14 および図 5.15-5.18

に示す．図 5.11-5.14 および図 5.15-5.18 に示されるように，Pre-CS の効果はある程度あ

るものの，顕著な効果はいずれの場合も見られない．Pre-CS の場合，キャリアセンスが

発生すると再送動作に入らないので，キャリアを検知した側の動作が停止する．CSL ベ

ースプロトコルの場合すべての電波送信動作が通信リンク確立要求動作なので，必ず

一方の通信リンク確立要求動作は失敗することとなる．このため，通信リンク確立成功

率が効率的に改善されない．仮に再送を行う CSMA/CA を導入したとしても，3.3.3 項

で述べたように，λLinkが高い領域では電波占有率がひっ迫されていると予想されるので

その効果は限定的であると考えられる．

61

10-4

10-3

10-2

10-1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0N = 20

Su

cces

s R

ate

S

λLink

(s-1)

TData

= 20 ms

CSL(Pre-CS:OFF)

CSL(Pre-CS:ON)

10-4

10-3

10-2

10-1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0N = 20

Su

cces

s R

ate

S

λLink

(s-1)

TData

= 5 ms

CSL(Pre-CS:OFF)

CSL(Pre-CS:ON)

図 5. 11 CSL ベースプロトコルの通信リンク確立成功率 S（N = 20, TData = 5 ms）

図 5. 12 CSLベースプロトコルの通信リンク確立成功率 S（N = 20, TData = 20 ms）

62

10-4

10-3

10-2

10-1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0N = 20

Su

cces

s R

ate

S

λLink

(s-1)

TData

= 100 ms

CSL(Pre-CS:OFF)

CSL(Pre-CS:ON)

10-4

10-3

10-2

10-1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0N = 20

Su

cces

s R

ate

S

λLink

(s-1)

TData

= 50 ms

CSL(Pre-CS:OFF)

CSL(Pre-CS:ON)

図 5.13 CSLベースプロトコルの通信リンク確立成功率 S（N = 20, TData = 50 ms）


63

10-4

10-3

10-2

10-1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0N = 100

Success

Rat

e S

λLink

(s-1)

TData

= 20 ms

CSL(Pre-CS:OFF)

CSL(Pre-CS:ON)

10-4

10-3

10-2

10-1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0N = 100

Su

cces

s R

ate

S

λLink

(s-1)

TData

= 20 ms

CSL(Pre-CS:OFF)

CSL(Pre-CS:ON)



64

10-4

10-3

10-2

10-1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0N = 100

Su

cces

s R

ate

S

λLink

(s-1)

TData

= 100 ms

CSL(Pre-CS:OFF)

CSL(Pre-CS:ON)

10-4

10-3

10-2

10-1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0N = 100

Su

cces

s R

ate

S

λLink

(s-1)

TData

= 50 ms

CSL(Pre-CS:OFF)

CSL(Pre-CS:ON)



65

5.2.2 CSL プロトコルとの比較

5.2.1項の計算機シミュレーションで得られた F-RITプロトコルと Pre-CS を導入した

CSLベースプロトコルの通信リンク確立成功率の比較を行う．図 5.19-22 および図 5.23-

5.26 にそれらの比較結果を示す．図 5.19-5.22 が端末数 N を 20 とした場合，図 5.23-5.26

が端末数 N を 100 とした場合の結果である．それぞれの端末数 N において，Data Frame

長を 5 ms，20 ms，50 ms，100 ms と変えた場合の結果が示されている．黒丸が F-RIT プ

ロトコル，黒四角が Pre-CS を導入した CSL ベースプロトコルを表す．

図 5.19-5.22 および図 5.23-5.26 いずれの場合においても F-RIT プロトコルの通信リ

ンク確立成功率が Pre-CS の導入によって大きく改善されることで，Pre-CS を導入した

CSL ベースプロトコルの通信リンク確立成功率を上回っている．この傾向は λLink およ

び N が大きくなるほどその差が大きくなることが示されている．また CSL ベースプロ

トコルの場合，Pre-CS を搭載していない場合と同様に，通信リンク確立成功率と Data

Frame 長との依存関係はみられない．

また本解析ではそれぞれのプロトコルの間欠動作間隔時間 TRIT = TCSL = T = 5 s として

いるが，2.2 節でも述べたように，T = 5 s の場合，F-RIT プロトコルでは通信リンク確

立時間が平均 2.5 s なのに対して，CSL ベースプロトコルの場合必ず 5 s になる．この

差を考慮すると．図 5.19-22 および図 5.23-5.26 にて示した F-RIT プロトコルと Pre-CS

を導入した CSL ベースプロトコルの通信リンク確立成功率の差は，平均通信リンク確

立時間を同じにした場合，さらに大きくなることが予想される．仮に F-RIT プロトコル

の通信リンク確立時間を平均 5 s とすると，間欠動作間隔 TRIT は 10 s になり RIT Data

Request Frame の電波占有時間率が半分になるため，図 5.19-22 における λLinkが 10-3 s-1

以下の領域で通信リンク確立成功率約 99％が 99.5%程度に，また図 5.23-5.26 における

λLink が 10-3 s-1 以下の領域で通信リンク確立成功率約 95％が 97.5%程度に改善されると

考えられる．

これらの結果を以下にまとめる．

① F-RIT プロトコルは，TRIT = 5 s の場合，Data Frame 長 100 ms 以下であれば 1.3 節

④，⑤のガススマートメーターの要求仕様（N：100 以下，λLink：2.8×10-4 ｓ-1以上

において通信リンク確立成功率：90％以上）を満たすことが，計算機シミュレー

ションにより明らかになった．

② F-RIT プロトコルは，TRIT = 5 s の場合，1.3 節④，⑤のガススマートメーターの要

66

求仕様に対し，λLink：2.8×10-4 s-1以上に対して 10-2 s-1，通信リンク確立成功率：90％

以上に対して約 95％，伝送遅延 5 秒以下に対して平均 2.5 s と，十分なマージン

を確保できることが明らかになった．

③ Pre-CS を搭載した CSL ベースプロトコルは，TCSL = 5 s の場合，同様の計算機シ

ミュレーションにより 1.3 節④，⑤のガススマートメーターの要求仕様を満すこ

とができないことを示した．

67

10-4

10-3

10-2

10-1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0N = 20

Su

cces

s R

ate

S

λLink

(s-1)

TData

= 20 ms

CSL(Pre-CS:ON)

F-RIT

10-4

10-3

10-2

10-1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0N = 20

Su

cces

s R

ate

S

λLink

(s-1)

TData

= 5 ms

CSL(Pre-CS:ON)

F-RIT

図 5. 19 F-RIT プロトコルと CSL ベースプロトコルの比較（N = 20, TData = 5 ms）


68

10-4

10-3

10-2

10-1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0N = 20

Su

cces

s R

ate

S

λLink

(s-1)

TData

= 100 ms

CSL(Pre-CS:ON)

F-RIT

10-4

10-3

10-2

10-1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0N = 20

Su

cces

s R

ate

S

λLink

(s-1)

TData

= 50 ms

CSL(Pre-CS:ON)

F-RIT



69

10-4

10-3

10-2

10-1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0N = 100

Su

cces

s R

ate

S

λLink

(s-1)

TData

= 20 ms

CSL(Pre-CS:ON)

F-RIT

10-4

10-3

10-2

10-1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0N = 100

Su

cces

s R

ate

S

λLink

(s-1)

TData

= 5 ms

CSL(Pre-CS:ON)

F-RIT


図 5.24 F-RIT プロトコルと CSL ベースプロトコルの比較（N = 100, TData = 20 ms）

70

10-4

10-3

10-2

10-1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0N = 100

Su

cces

s R

ate

S

λLink

(s-1)

TData

= 100 ms

CSL(Pre-CS:ON)

F-RIT

10-4

10-3

10-2

10-1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0N = 100

Su

cces

s R

ate

S

λLink

(s-1)

TData

= 100 ms

CSL(Pre-CS:ON)

F-RIT



71

5.3 消費電力特性評価

前節で F-RIT プロトコルの電波利用効率の優位性を明らかにしたが本節では，消費

電力に関して F-RITプロトコルと CSL ベースプロトコルの比較を行う．

5.3.1 定式化および特性評価

F-RITプロトコルと Pre-CS 搭載の CSL ベースプロトコルの消費電力特性を評価する

にあたり，それぞれのプロトコルの動作をモデル化し，定式化する．まず仮定するモデ

ルを図 5.27 に示す．また参考のためそれぞれの通信リンク確立動作を図 5.28，図 5.29

に再掲する．図 5.27 に示すように無線機同士の電波が互いに届く範囲（通信エリア）

内に一対の無線端末のみが存在する環境を想定する．また通信エリア外には他の無線

が存在しないものとする．また，Sender に通信リンク確立要求が発生する頻度を λLinkと

する．モデル化に際し使用する変数を表 5.1 にまとめて示す．両プロトコルにおける間

欠動作間隔（MAC RIT Period および MAC CSL Period）は同じ長さ TF-RIT = TCSL = T と設

定する．

F-RIT プロトコルと， CSL ベースプロトコルにおける Sender の消費電力をそれぞれ

PS,(F-RIT)，PS,(CSL)とする．Sender の消費電力は，間欠送受信動作に係る消費電力 PInt(F-RIT)

および PPre-CS，通信相手の間欠動作をとらえるためのリンク動作に係る Sender 側の消

費電力 PS,Link(F-RIT)および PS,Link (CSL)，そしてデータ伝送動作に係る Sender 側の消費電力

PS,Dataから構成される．このうち通信リンク確立要求動作は頻度 λLinkで発生する．P S,(F-

RIT)，PS,(CSL)は式(5.1)で表現できる．

Parameters Subjects

λLink Communication link establishment request rate

T Intermittent interval

TCS Pre-CS

TWD Wait duration time

TID（=TRDR） ID Transmission time

TData Data Transmission time

PT Transmitting power

PR Receiving power

表 5. 1 消費電力モデル計算パラメーター

72

図 5. 27 消費電力評価モデル

図 5. 28 F-RIT プロトコル

の通信リンク確立動作

図 5. 29 CSL ベースプロトコ

ルの通信リンク確立動作

73

DataS,Based)-Link(CSLS,CS-Pre(CSL)S,

DataS,RIT)-Link(FS,RIT)-Int(FCS-PreRIT)-(FS,

PPPP

PPPPP (5.1)

ここで式(5.1)の右辺はそれぞれ下記式(5.2)で示される．

TDataLinkDataS,

RIDTLinkLink(CSL)S,

CSRCS-Pre

TIDRLinkRIT)-Link(FS,

RWDRCSTIDRIT)-Int(F

)(

)2(

)(

PTP

PTPTP

TTPP

PTPTP

TPTPTPTP

(5.2)

ただし，TIDは F-RIT プロトコルの Source ID Frame および Receiver ID Frame の送信期

間に相当する．また，PTおよび PRはそれぞれ送信および受信動作に係る単位時間あた

りの電力である．

次に Receiver の消費電力 P R,(F-RIT)および P R,(CSL)を同様にモデル化すると式(5.3)とな

る．

DataR,Link(CSL)R,CS-Pre(CSL)R,

DataR,RIT)-Link(FR,RIT)-Int(FCS-PreRIT)-(FR,

PPPP

PPPPP (5.3)

ただし PR,Link(F-RIT)および P R,Link(CSL)はそれぞれリンク動作に係る Receiver 側の消費電力

であり，PR,Dataはデータ伝送動作に係る Receiver 側の消費電力であり，それぞれ式(5.4)

に表すことができる．

RDataLinkDataR,

RTIDLinkLink(CSL)R,

RIDLinkRIT)-Link(FR,

)(

PTP

PPTP

PTP

(5.4)

これら P S,(F-RIT)，P S,(CSL)，P R,(F-RIT)，P R,(CSL)を用いて F-RIT プロトコルと比較手法 CSL

ベースプロトコルそれぞれの消費電力性能を比較評価するための指標 ηP を式(5.5)に定

義する．

74

(CSL)R,(CSL)S,

RIT)-(FR,RIT)-(FS,

PPP

PP

(5.5)

式(5.5)において ηP＜１であれば F-RIT プロトコルに比べて比較手法 CSL ベースプロ

トコルの消費電力が大きく，ηP＞１であればその逆となる．この指標を用いて F-RIT

プロトコルおよび CSL ベースプロトコルの消費電力特性を比較する．

5.3.2 CSL プロトコルとの比較

前節で定義した評価指標 ηP を用いて提案法の消費電力性能を評価する．評価にあ

たっては，IEEE 802.15.4g で標準化され，U-Bus Air で採用されている伝送速度 100

kbps を前提とし，表 5.2 に示す実用上想定される各種上位層の ID 長にあわせた TIDの

うち，0.32 ms，1.68ms，2.32 ms の場合について評価する．ここで F-RIT における実

際の TIDは 1.68 ms となる．その他の評価パラメーターを表 5.3 に示す．λLinkの上限を

10-2 s-1としているためため T の計算範囲は 100 s 以下となる．なお，Pre-CS 動作期間

および Wait Duration は現行の無線機の実力値を参考に TCS = 0.128 ms，TWD = 2 ms と

した．また比較の簡単化のため F-RIT プロトコルと CSL ベースプロトコルで消費電

力に差のない TDataに関してはいずれの計算でも 0.0 ms とした．

75

図 5.30 に各 TID における間欠動作間隔 T と消費電力性能評価指標 ηP との関係を示

す．図 5.30 より TID = 1.68 ms では T が約 1 s 以上の場合において F-RIT プロトコルの

方が CSL ベースプロトコルに比べて消費電力性能が優れていることがわかる．また

TID を短く設定するほど F-RIT プロトコルの消費電力性能は向上することがわかる．

これは TID が短くなると提案方式の支配的な消費電力である間欠送信動作に要する消

費電力が低減されるためである．

図 5.31 に各 λLink における間欠動作間隔 T と消費電力性能評価指標 ηP との関係を

示す．図 5.31 より，λLink = 10-3 s-1では T が約 1 s 以上の場合において，また 2.8×10-

4 s-1（一時間に一回）すなわち 1.3 節④，⑤のガススマートメーターの要求仕様では T

が約 5 s 以上の場合において提案 F-RIT プロトコルの方が CSL ベースプロトコルに比

べて消費電力性能が優れていることがわかる．またアクセス発生頻度 λLink が高いほ

ど F-RIT プロトコルの消費電力性能は向上することがわかる．これはアクセス発生頻

度が高い領域では CSL ベースプロトコルの Wakeup Sequence による送信電力が消費

電力の中で支配的になるためである．

表 5. 2 各上位層の ID 長および ID フレーム長

ID Length(Byte) TID (in 100 kbps) Application

2 0.16 ms PANID(802.15.4)

4 0.32 ms IPV4 Address

16 1.28 ms IPV6 Address

21 1.68 ms F-RIT source ID Frame

29 2.32 ms RIT source ID Frame

表 5. 3 評価パラメーター

λLink 2.8×10-4 s-1，10-3 s-1，10-2 s-1

TID 3.12 ms，1.44 ms，0.32 ms

PT/PR 1，2，10

λLink 2.8×10-4 s-1，10-3 s-1，10-2 s-1

76

図 5.32 に各 PT/PRにおける間欠動作間隔 T と消費電力性能評価指標 ηPとの関係を示

す．すべての PT/PR について T が約 1 s 以上の場合において F-RIT プロトコルが CSL

ベースプロトコルに比べて消費電力性能が優れていることがわかる．また T が約 1 s 以

上となる領域において，PT/PRが大きくなるほど F-RIT プロトコルの消費電力性能は向

上することがわかる．これは間欠動作間隔 T が広くなる領域では，アクセス発生頻度が

高い領域と同様に CSL ベースプロトコルの Wakeup Sequence による送信電力が消費電

力の中で支配的になるためである．通常の小電力 RF-IC においては PT/PRは 2 程度が一

般的である．以上のように TID = 1.68 ms, T=5 s, λLink = 2.8×10-4 s-1, PT/PR=2.0 という 1.3

節④，⑤のガススマートメーターの要求仕様な条件で F-RIT プロトコルの消費電力は

CSL ベースプロトコルを下回ることが示された．

また ηPを構成する P S,(F-RIT)，P S,(CSL)，P R,(F-RIT)，P R,(CSL)に関してそれぞれ計算した結

果を図 5.33 に示す．本図に示されるように間欠動作間隔が長くなると，Sender の消費

電力が支配的になる．そして F-RIT プロトコルと CSL ベースプロトコルの Sender にお

ける消費電力の差がトータルでの F-RIT プロトコルの消費電力の優位性を生み出すも

のと言える．F-RIT プロトコルが CSL ベースプロトコルに比べて有利になる条件は式

(5.6)のように ηP ≤１の場合である．

1(CSL)R,(CSL)S,

RIT)-(FR,RIT)-(FS,

P

PP

PP (5.6)

R

TP

P

PD (5.7)

)2(

)2

1(

LinkP

P

2

Link

IDTD

DTT

(5.8)

よって，式(5.6)に式(5.2)および式(5.4)を代入し，さらに式(5.7)で示す送受信動作に係

る消費電力の比 DP を代入すると式(5.8)の条件式が算出できる．式(5.6)から導出された

式(5.8)式は TIDを短くすると ηPが小さくなること，また式(5.8)を満たすと ηPは１以下

になることを意味する．すなわち ID 長を短くするか，伝送速度を上げ TID を短くする

ほど F-RIT プロトコルの消費電力性能が向上することを意味する．将来，より高速通信

が可能な帯域が利用可能になれば F-RIT プロトコルの消費電力性能はさらに向上する．

77

図 5. 30 TIDを変化させた場合の ηP

図 5. 31 λLinkを変化させた場合の ηP

10-1

100

101

102

10-2

10-1

100

101

102

λLink

= 2.8 ×10-4

s-1

λLink

= 10-3 s

-1

λLink

= 10-2 s

-1

ηP

T (s)

PT/P

R = 2

TID

= 1.68 ms

10-1

100

101

102

10-2

10-1

100

101

102

PT/P

R = 2

λLink

= 2.8 × 10-4

s-1

ηP

T (s)

TID

= 0.32 ms(IPV4 Address)

TID

= 1.68 ms(F-RIT Data Req.)

TID

= 2.32 ms(RIT Data Req. )

78

図 5. 32 PT/ PRを変化させた場合の ηP

図 5. 33 T を変化させた場合の P S,(F-RIT),，P S,(CSL)，P R,(F-RIT)，

P R,(CSL)

10-1

100

101

102

10-2

10-1

100

101

102

PT/P

R = 10

PT/P

R = 2

PT/P

R = 1

ηP

T (s)

λLink

= 2.8 × 10-4 s

-1

TID

= 1.68 ms

10-1

100

101

102

10-8

10-6

10-4

10-2

100

102

λLink

= 10-2

s-1

PT/P

R = 2 (P

T = 1 W)

TID

= 1.68 ms

Co

nso

mp

tio

n P

ow

er(w

)

T(s)

PS,(F-RIT) PS,(CSL)

PR,(F-RIT) PR,(CSL)

79

第6章 F-RIT プロトコルの実機による特性評価

6.1 F-RIT プロトコルの実装

本章では，本研究でこれまで理論解析および計算機シミュレーションにより有効性

を示してきた F-RIT プロトコルについて，実装可能な詳細設計を行い，IEEE 802.15.4g

に準拠した市販の Wi-SUN アライアンス認証[67]-[69]モジュールに実装し，設計された

性能達成を実証する．

6.1.1 実装 F-RIT プロトコル

本項では，F-RIT プロトコルの実機実証実験を行うために実装用詳細プロトコル設計

を行う．図 6.1 に設計した実装用 F-RIT プロトコルの動作シーケンスを示す．なお設計

にあたっては表 6.1 に示す IEEE 802.15.4e で定義された MAC フレームを用いた．Sender

および Receiver において間欠的に送信される Compacted RIT Data Request Frame は，

IEEE 802.15.4e に準拠した MAC フレームである“RIT Data Request Frame”を用い，その

構成要素は表 6.1 (a)に示す通り，Preamble Field（長さは任意に設定可能．本論文におい

ては，通信リンク確立成功率評価実験において 15 Byte，消費電力評価実験において 4

Byte に設定した．），Start Frame Delimiter (SFD) Field（2 Byte），PHY Header (PHR) Field

（2 Byte），Frame Control Field（2 Byte），Source ID を格納する Source Address Field（8

Byte），Command ID Field（1 Byte），および Frame Check Sequence (FCS) Field（2 Byte）

とした．全体としてのフレーム長は，プリアンブル長 15 Byte の場合 2.56 ms である．

なお，Preamble Field および SFD Field は Synchronization Header (SHR) と呼ばれるフィ

ールドタイプに区分される．また，Frame Control Field や Source Address Field は MHR

と呼ばれるフィールドタイプに区分される．

また本実装プロトコルにおいては図 6.1 に示す様に，Sender は Receiver からの

Compacted RIT Data Request Frame 受信後に，この Compacted RIT Data Request Frame

受信に対する ACK として，IEEE 802.15.4e で定義された MAC フレームの一つであ

る“Multipurpose Frame”を使用して，Destination ID を Receiver に返送するプロセスを

追加した．表 1 (b)に示す通りDestination ID はMultipurpose FrameのDestination Address

Field（8 Byte）に搭載した．全体としてのフレーム長は，プリアンブル長 15 Byte の場

合 2.48 ms である．

Compacted RIT Data Request Frame に対する ACK を Receiver に送信後，本実装では電

波環境の変動が小さいことが想定されるガススマートメーター環境への導入を目指し，

80

Data Frame 送信前に Pre-CS を実施することとした．Data Frame は表 6.1 (c)に示す通り，

MHR に Frame Control Field（2 Byte），Sequence Number Field（1 Byte），Destination PAN

ID Field（2 Byte），Destination Address Filed（8 Byte），Source Address Field（8 Byte）を搭

載し，MAC Payload Field として Data Field を搭載する．全体としてのフレーム長はデー

タ長に応じて任意長とすることが可能であるが，本実装では最小の場合でも 6 Byte の

測定用データを Data Field に搭載する必要がある．本実験では IEEE 802.15.4g に規定さ

れる 100 kbps を前提に，それぞれプリアンブル長 15 Byte の場合において 3.84, 20, 50,

100 ms となるように Data Frame 長を設計した．なお，ガスや水道用スマートメーター

で利用が想定される上位層のデータ長は，100 kbps 換算で U-Bus Air[13] データペイロ

ードが 74 Byte：5.92 ms，IEEE 802.15.4 PSDU[28]が 127 Byte：10.16 ms，Wi-SUN ECHONET

PSDU[67]が 255 Byte：20.4 ms である．

最後に，Data Frame の受信を完了した Receiver は，再送制御を容易にするために，

通信リンク確立成功の通知を目的とする ACK Frame 伝送をシーケンスに追加した．

ACK Frame は表 6.1 (d)に示す通り，MHR に Frame Control Field（2 Byte），Sequence

Number Field（1 Byte），Destination PAN ID Field（2 Byte），Destination Address Field（8

Byte）を搭載した．全体としてのフレーム長は，プリアンブル長 15 Byte の場合 2.72

ms である．

81

図 6. 1 IEEE 802.15.4/4e に準拠し設計された実装用 F-RTT プロトコル

82

表 6. 1 F-RTT プロトコルに搭載される各種フレーム詳細（それぞれのプリアンブル

は 15 Byte）

83

6.1.2 実装の詳細

① ハードウェア：本実装に用いた USB インターフェースを搭載した USB ドングルタ

イプの Wi-SUN モジュールの外観と諸元を図 6.2 および表 6.2 に示す．また，図 6.3

に当該 Wi-SUN モジュールの内部回路ブロック図を示す．Wi-SUN モジュール内に

は Wi-SUN アライアンス認証[67]-[69]に対応した ROHM 社製の RF モジュール

（BP35A1）を搭載している．図 6.4 に示すこの RF モジュールは，アンテナ，フロ

ントエンドフィルタ，RF 送受信用 IC，Micro Control Unit (MCU) を一体基板とした

汎用製品である．本 RF モジュールに搭載された RF 送受信用 IC は，ARIB STD-

T108[65]および IEEE 802.15.4g[26]に準拠した 920 MHz 帯に対応している．また本

RF モジュールに搭載された MCU は ARM Cortex-M3（32 bit）を CPU とした

ROM/RAMオンチップの制御用マイクロコントローラーであり，ROMは 512 kByte，

RAM は 64 kByte である．

② ソフトウェア：本実装で RF モジュールに搭載したソフトウェアの構造と各ソフト

モジュールのサイズを図 6.5 に示す．ROM 領域に 104 kByte，RAM 領域に 64 kByte

を使用した．また本モジュールに実装したソフトウェアでは，実証試験における主

要評価項目である通信リンク確立成功率の安定評価のために Wait Duration の最小

値に制限（10 ms）を設けており，消費電力は実用化時想定値より大きい．実用化時

には消費電力性能の観点から，F-RIT プロトコルの効用を十分に発揮するには Wait

Duration を 2 ms（F-RIT プロトコルにおける Compacted RIT Data Request Frame 長程

度）以下に短縮する必要がある．通信品質を維持しつつ Wait Duration を短縮するた

めには Destination ID（Multipurpose Frame）を精度良く返送することが重要である

が，このタイミング制御には 0.1 ms 以下の精度が求められるため，MAC 層以下で

の対応が必要になる．これらは今後，各種実験的評価を目的としない，実用化時の

製品版にて最適化されるべき重要なソフトウェアスペックである．

84

表 6. 2 Wi-SUN 認証 USB ドングル諸元

Item Specifications

USB Dongle Jorjin Technologies Inc. WSR35A1-00

RF Module ROHM Co., Ltd. BP35A1

Frequency 920 MHz Band

Output Power 20 mW

Modulation GFSK

Transmission rate 100 kbps

Pre-CS level -74 dBm

Receiving sensitivity -103dBm (TYP.)

Interface USB

Receiving sensitivity -103 dBm (TYP.) (100 kbps, BER<0.1%)

Host interface UART (115,200 bps)

図 6. 2 実装に使用した IEEE 802.15.4/4g 準拠の Wi-SUN 認証モジュール

85

図 6. 3 Wi-SUN 認証モジュールの内部回路ブロック図

図 6. 4 Wi-SUN 認証モジュールに内蔵される RF-IC（ML7396B）

86

図 6. 5 ソフトウェアの構造とソフトモジュールのサイズ

87


本節では，6.1.1 項で設計した実装 F-RIT プロトコル，および 6.1.2 項で示したハード

ウェアおよびソフトウェアを用いて F-RIT プロトコルの伝送特性を評価する．伝送特

性を評価するにあたり，実験系を模擬した通信リンク確立成功率の理論解析および計

算機シミュレーションを実施し，実験評価値と比較する．

まず伝送特性評価のために通信リンク確立成功率を測定する実験系を図 6.6 に示す．

本実験では，外部からの電波干渉を遮蔽するために電波シールドボックス内で行う．図

6.6 に示すように電波シールドボックス内に，6.1 節で設計した F-RIT プロトコルを実

装した USB ドングルタイプの Wi- SUN モジュールを一つの実験セットにつき 20 台を

2 セット，計 40 台配置し，外部の PC で通信リンク確立成功率を測定する．実験セット

を 2 セット配置するのは実験時間短縮のためである．本測定系において通信リンクは

片方向で行う．つまり，Sender および Receiver の役割をそれぞれの Wi-SUN モジュー

ルに割り当て固定する．電波シールドボックス内では，ARIB STD T-108 [66]において定

義された 2 つの異なるチャネル（中心周波数 921.7 MHz および 925.7 MHz）で動作する

2 つの実験セットを使用し，同時に異なるパラメーターでの実験を並行して行う．各実

験セットは，10 台の Sender と 10 台の Receiver の Wi-SUN モジュールで構成した．

SenderとReceiverの距離は 20 cmに設定した．各実験セットにおけるすべてのWi-SUN

モジュールは，USB ケーブルと USB ハブを介して制御 PC に接続した．評価実験にお

いては，Data Frame 長を 3.84，20，50，100 ms と変えた場合の通信リンク確立要求頻度

λLinkに対する通信リンク確立成功率 S を，Pre-CS 無と有の場合について測定する．こ

こで，通信リンク確立成功率の 1 つのプロットを測定するために，通信リンク確立要求

を 1,000 回送信する．通常の Wi-SUN モジュールの同期処理に必要な Preamble 長は数

Byte 程度であるが，その最小値はモジュールメーカーやモジュールタイプごとに異な

り，さらにソフトウェアの実装方法でも差が出る場合がある．そのため同期失敗による

伝送エラーの影響を排除するために本実験では Preamble 長を 15 Byte に設定した．6.1.2

項②で述べた Wait Duration の短縮化と同様に，実用化段階では，低消費電力化の観点

から Preamble 長の短縮化は重要となる．

この測定環境を模擬した干渉モデルを図 6.7 に示す．また干渉パターンを図 6.8 に示

す．図 6.7 の干渉モデルでは本測定系の N は 20 となる．またすべてのモジュールから

Compacted RIT Data Request Frame が 5 s 間隔で送信される．ここで注意すべきは本測

定系において通信リンク確立は片方向で行うため図中の矢印も片方向となる．この点

88

は第 3 章，第 4 章，第 5 章と異なる点である．データが生起する Sender が固定される

ため，本干渉モデル上では図 3.2 で示した干渉モデルに比して，通信リンク確立要求頻

度λLinkが実質半分になる．

一方図 6.8 に示した測定系での干渉パターンは，4.2 節図 4.2 で説明した干渉パター

ンと同一である．これらの条件を考慮し，本干渉評価モデルにおける Pre-CS を導入し

ない場合の本実装 F-RIT（つまり RIT）プロトコルの理論式として式(4.5)を基に式(6.1)

を導出することができる．

T

TTTTT

TTTTN

eS

)2

1()2(

)(

RIT

LinkACKDataIDRDR

ACKDataIDRDRLink

(6.1)

本式を用いて Pre-CS OFF の場合の F-RIT プロトコルの通信リンク確立成功率を算出

する．また第 3 章，第 4 章，第 5 章と同様の計算機シミュレーション手法により Pre-CS

ON および OFF の場合の通信リンク確立成功率を算出する．

表 6.3 に本実験および理論解析，計算機シミュレーションにおける評価パラメーター

を示す．これらのパラメーターにおいて，Data Frame 長を 3.84，20，50，100 ms と変え

た場合の通信リンク確立要求頻度λLinkに対する通信リンク確立成功率 S について，理

論計算，計算機シミュレーション，実験評価を行った結果を図 6.9-6.12 に示す．

まず，Pre-CS 無の場合における理論解析結果，シミュレーション解析結果，ならび

に実験評価結果は，いずれの Data Frame 長条件においても同様の傾向を示しており，

シミュレーション解析手法ならびに実験評価手法の妥当性を示した．続いて，Pre-CS

有の場合における，シミュレーション解析結果ならびに実験評価結果もいずれの Data

Frame 長条件においても同様の傾向を示しており，Pre-CS 有の場合における実験評価

手法の妥当性を示した．実験評価によって Pre-CS を導入しない場合において，Data

Frame 長が長くなるにつれ通信リンク確立成功率 S が顕著に劣化する問題点が，Pre-

CS を導入することによりほぼ解消することができることを併せて実証した．例えばガ

ススマートメーターの使用条件として十分な条件である Data Frame が約 20 ms の場

合，N = 20，Sender での通信リンク確立要求頻度λLink＝10-3-10-2 (s-1)という環境下で

は，Pre-CS 導入によって通信リンク確立成功率をほぼ 100%に維持できることを示し

た．これは 1.3 節④，⑤で述べたガススマートメーターにおける各メーターでの通信

89

リンク確立要求頻度が，N = 100，双方向通信の条件で，1 時間に１回（2.8×10-4 s-1）

以上であること（つまり通信リンク確立要求頻度に換算すればほぼ同等）を考慮して

も，十分要求仕様を満足できる結果が得られたと言える．また市販の IEEE 802.15.4g

準拠の Wi-SUN モジュールを利用して F-RIT プロトコルを実装しても，計算機シミュ

レーション解析結果から期待される通信リンク確立成功率性能を十分に発揮できるこ

とが実証されたことから，IEEE 802.15.4g に準拠した市販 Wi-SUN モジュールであれ

ば，実用レベルでガススマートメーターシステムの Wi-SUN 化に適用可能であること

を示した.

90

図 6. 6 伝送実験評価のための測定系

91

図 6. 7 測定系を模擬した干渉評価モデル

92

図 6. 8 測定系での干渉パターン

93

表 6. 3 理論解析，計算機シミュレーションにおける評価パラメーター

Parameters

Theoretical

Calculation

Simulation

Setting

Experimental

Setting

MAC Type F-RIT F-RIT F-RIT

Pre-CS OFF ON, OFF ON, OFF

Communication link establishment

request rate λLink (s-1) 10-3-10-1 10-3-10-1

0.1, 0.05,

0.01,0.005

MAC RIT Period T (s) 5.0 5.0 5.0

Number of communication link

establishment request in one simulation

and measurement － 5000 1000

Pre-CS time TCS (ms) － 0.01 Shorter than 0.2

Number of modules N 20 20 20

Operation Center Frequency in

measurement (MHz) －－

Set A: 921.7

Set B: 925.7

Band width in measurement (kHz) －－ 200

Distance between sender and receiver in

measurement (cm) －－ 20

Source ID Frame length TID (ms) 2.5 2.5 2.56 (Typical)

Destination ID length TID (ms) 2.5 2.5 2.48 (Typical)

Data Frame length TData (ms) 4, 20, 50,100 4, 20, 50,100 3.84,20,50,100

(Typical)

Wait Duration TWD (ms) - - 100

ACK Frame length TACK (ms) 2.5 2.5 2.74 (Typical)

94

図 6. 9 伝送特性評価結果 1

10-3

10-2

10-1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

F-RIT (Experimental, Pre-CS:OFF)

F-RIT (Experimental, Pre-CS:ON)

F-RIT (Simulation, Pre-CS:OFF)

F-RIT (Simulation, Pre-CS:ON)

F-RIT (Theoretical, Pre-CS:OFF)

TData=3.84 ms

λLink

(s-1

)

Su

cces

s R

ate

S

95


10-3

10-2

10-1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0






TData=20 ms

λLink

(s-1

)

Su

cces

s R

ate

S

96


10-3

10-2

10-1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0






TData=50 ms

λLink

(s-1

)

Su

cces

s R

ate

S

97


10-3

10-2

10-1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0






TData=100 ms

λLink

(s-1

)

Su

cces

s R

ate

S

98

6.3 消費電力評価

次に F-RIT プロトコルについて，消費電力性能の観点から実験的評価を行った．消費

電力の考察を行うにあたり，Wi-SUN モジュールに内蔵された RF モジュールの消費電

力を実測した．実測に当たり，USB インターフェースを搭載した Wi-SUN モジュール

の状態では，消費電力の測定結果に実際の運用上関係無い部分の消費電力まで含まれ

るため，図 6.13 に示すように，RF モジュールを USB ドングルから取り出し，専用の

インターフェースに接続して消費電力を測定した．消費電力の実測試験では RF モジュ

ールの送信電力を 1 mW，10 mW，20 mW としてそれぞれ行った．1 mW は室内のセン

サーネットワーク，10 mW，20 mW は宅外のガス，水道スマートメーターを用途とし

て想定している．Preamble 長は実際の運用を想定して 4 Byte 固定とした．また，Data

Frame 長は 2.96 ms，20 ms，50 ms，100 ms とした．

これらのパラメーターでの RF モジュールの動作電流値を測定して，6.1.2 項②で述

べた F-RIT プロトコルに求められるスペックである，Wait Duration を 2 ms とした場合

の消費電力量の評価を行った．Pre-CS を行う期間は 0.128 ms とした．Sender 側の平均

Tx Wait Duration は 2.5 s として算出した．また本実装ソフトウェアでは，通信リンク確

立成功率測定を優先したことにより Wait Duration を 10 ms 以下に設定できないため，

実際の運用時の Wait Duration として 2 ms に設定した場合の消費電力量を推算した．消

費電力量は図 6.14 に示す 3 つの動作モードである，(1) RIT Data Request Frame 送信動

作，(2) 通信リンク確立時 Sender 側動作，(3) 通信リンク確立時 Receiver 側動作につい

てそれぞれ測定を行った．各動作一回当たりの消費電力量測定結果をそれぞれ図 6.15，

図 6.16，図 6.17 に示す．図 6.15 に示す RIT Data Request Frame 送信動作時における RF

モジュールの消費電力量は，RF モジュールに設定した送信電力に対してほぼ線形に増

加する．これは RF モジュールにおける消費電力量の大半を RIT Data Request Frame 送

信動作が占めるためである．次に図 6.16 に示す Sender 側の通信リンク確立時における

RFモジュールの消費電力量であるが，送信電力および Data Frame長に殆ど依存しない．

これは Sender 側の通信リンク確立時の消費電力量の大半を，Receiver から送信される

RIT Data Request Frame を待ち受けするための受信動作である Tx Wait Duration が占める

ためである．また，図 6.17 に示す Receiver 側の通信リンク確立時における RF モジュ

ールの消費電力量は，送信電力増大に対する若干の線形増加傾向がみられるものの，大

半は Data Frame 長に依存しており，Data Frame 長が長いほど消費電力は増大する．こ

れは消費電力の大半がデータ受信動作に費やされているためである．これらの各動作

99

モードにおける RF モジュールの消費電力実測値より，MAC RIT Period を 5 s，Data

Frame 長を 20 ms (payload:213 Byte)とし，さらに通信リンク確立頻度をそれぞれ 1 回/10

min，1 回/ 1 h，1 回/ 1 day，1 回/ 1 month とした場合の 10 年間における総消費電力量を

図 6.18 に示す．なお本総消費電力量の算出においては，マルチホップでの運用を想定

し，双方向の通信リンク確立要求頻度が同等であると仮定して，それぞれの端末が

Sender としての通信リンク確立動作と Receiver としての通信リンク確立動作を同回数

行うこととした．

通常 10 年間の電池駆動が必要なガススマートメーター用の無線端末では，1.3 節⑥

でも述べたように防爆性や短絡時の発火性を考慮して，リチウムイオン電池で約 5,000

mAh 以下の容量が用いられることが多い．上記の計算結果から，5,000 mAh 以下の条件

であれば，送信電力 10 mW で約 1 回/ 1 h，送信電力 20mW で 1 回/ 1 day 程度の通信頻

度が実現可能であり，F-RIT プロトコルの採用で，従来の検針用途だけでなく，簡易的

な Home Energy Management System (HEMS)等の用途にも応用できると考えられる．こ

れらの消費電力の実験的評価結果と考察により，F-RIT プロトコルのガス，水道スマー

トメータリング用 Wi-SUN システムにおける有効性を実機評価系においても実証し，

その実現性を示した．

100

図 6. 13 Wi-SUN モジュールの消費電力測定系

101

図 6.14 電力測定を行う 3 つの動作モード

102

図 6. 15 Compacted RIT Data Request 送信動作の１回当たり消費電力量（横軸は無

線送信電力）

図 6. 16 Sender 動作の１回当たり消費電力量（横軸は無線送信電力）

0 5 10 15 200.0

2.0x10-5

4.0x10-5

6.0x10-5

8.0x10-5

1.0x10-4

RIT

Dat

a R

eq.

Po

wer

Co

nsu

mp

tio

n (

mA

h)

Tx Power (mW)

0 5 10 15 200.0

5.0x10-3

1.0x10-2

1.5x10-2

2.0x10-2

2.5x10-2

Sen

der

Po

wer

Co

nsu

mp

tio

n (

mA

h)

Tx Power (mW)

Frame length = 2.96 ms

Frame length = 20 ms



103

図 6. 17 Receiver 動作の１回当たり消費電力量（横軸は無線送信電力）

図 6. 18 F-RIT プロトコル搭載端末一台当たりの 10 年動作時の総消費電力（横軸

は通信リンク確立要求頻度）

10-8

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

0.00

2.50x103

5.00x103

7.50x103

1.00x104

1.25x104

1.50x104

Po

wer

con

sum

pti

on

(m

Ah)

λLink

( s-1)

Radio Output Power

1mW

10mW

20mW

0 5 10 15 20

5.0x10-4

1.0x10-3

1.5x10-3

Frame length = 2.96 ms




Rec

eiver

Po

wer

Con

sum

pti

on

(m

Ah)

Tx Power (mW)

104

第7章 F-RIT プロトコルの産業応用に関する考察

本章では，これまでガススマートメーター用通信プロトコルとして検討してきた F-

RIT プロトコルについて，他の産業応用にについて考察する．

F-RIT プロトコルは本来，日本国内業界標準規格である U-BUS Air [13]の MAC プロ

トコルを基に IEEE 802.15.4e に提案，採用された MAC プロトコル RIT[27]を，主にガ

ス，水道スマートメータリング用 Wi-SUN システムに低消費電力，低干渉性で実現でき

るよう考案された MAC プロトコルである．しかし，第 5 章で述べた，端末高密度配置

環境，および高頻度干渉存在環境における F-RIT プロトコルの良好な通信リンク確立

成功率性能，および良好な低消費電力性能を勘案すると，本来の目的用途だけでなく各

種 Internet of Things (IoT) サービス用のエンドデバイス用 MAC プロトコルとしても活

用が可能であると考えられる．

これまで述べた実証実験とは別に，参考実験として，実際の U-BUS Air 無線機（図

7.1）に F-RIT プロトコルに則った RIT Data Request Frame を搭載し，2 ms の Wait Duration

を実装した場合における RIT Data Request Frame 送信動作の消費電力量を測定した結果

を図 7.2 に示す．本無線機には RF モジュールと MCU が一体化された IC が採用されて

いる．また MCU は ARM Cortex-M3（RAM : 32 kByte, ROM : 128 kByte）が用いられて

いる．図 7.2 に示した結果は，図 6.15 の結果に比して消費電力がおよそ半分程度になっ

ている．これは，本試作機の RF モジュールが MCU と一体の IC を採用しており，より

モジュールの低消費電力化が進んでいるためと考えられる．また，消費電力が低減した

もう一つの理由は F-RIT プロトコルの Compacted RIT Data Request Frame を U-BUS Air

の RNO フレーム[13]に適用することにより，RIT Data Request Frame の Addressing Fields

に搭載する情報は Source ID のみになり，送信先アドレスを送る必要性がなくなるため，

結果としてフレーム長が 2 Byte 短縮される．以上の理由により U-BUS Air の消費電力

を低減できる．また図 7.2に示した RF-MCU一体モジュールでの RIT Data Request Frame

送信電力は送信出力１mW，間欠動作間隔 5 s の場合二年間で 233.2 mAh であり市販

CR2450 等の市販ボタン電池で賄うことが可能と考えられる．RF-MCU 一体モジュール

の低消費電力化は今後より向上するトレンドであり，特に受信動作時の低消費化が進

めば F-RIT プロトコルの低消費電力性が向上する．これらの RF-IC の進化は小型電池

で数年間双方向通信可能なセンサー群をマルチホップで運用することが可能になる．

また RIT Data Request Frame には数 Byte 程度のデータを載せることが可能であり，

この RIT Data Request Frame を用いて，温度や湿度，照度，振動などのデータを小型の

105

無線センサーで大量に収取し，アラームなどもセンターや HEMS コントローラー等か

らから報知することが可能になる．また F-RIT プロトコルは，ほぼリアルタイムな双方

向通信が可能であり，RIT Data Request Frame による存在確認も可能なので，新しい家

庭用の IoT サービスに応用することも考えらえる．図 7.3 にその例を示す．図 7.1 では

従来のホームオートメーション等に加えて，スマートロックや窓震動センサー等の電

源配線が困難なデバイスの遠隔制御，また児童の帰宅検知，キーファインダー等，これ

までの近距離無線デバイスでは兼用が難しかった用途に F-RIT プロトコルを搭載した

エンドデバイスを適用したイメージを示している．このようにマルチホップを行わな

くても，受信機主導 MAC プロトコルの特性を具備する F-RIT プロトコルは，新しい家

庭内 IoT サービスの用途拡大に寄与できる可能性がある．

さらに本研究で明らかにしたようにアドホック性を有するマルチホップシステムに

好適なことから，家庭内だけでなくマンションなどのビル全体の管理や，橋梁や道路な

どのインフラ狭隘部のモニターをカバー率よく Wi-SUN 化可能であり，これまでの無

線通信技術では網羅が難しかった構造物が密集する都心部エリアに対し広域に各種

IoT サービスを低コストで展開できる可能性がある．図 7.4 にその適用例を示す．例え

ば普段点検が困難な橋梁下部やトンネル内，トンネル周辺の山留め部等に震動センサ

ー，歪センサー，傾斜計等を配すれば，面的かつ広範なインフラの異常監視に応用可能

であり，劣化進行度合いも合わせて検知可能であると考えられる．

仮に使用する周波数帯を 5GHｚ帯とすれば１ストリーム 54 Mbps の伝送速度が得ら

れ，RIT Data Request Frame 長を 1/540 にできる．5.2.1 項で述べたように F-RIT プロト

コルでは RIT Data Request Frame 長を短くすることにより同一干渉エリア内の収容端末

数を向上させることができる．上述の 5GHｚ帯を使用すれば，単純計算であるが 5.2.1

項でのべた本プロトコルの同一干渉エリア配置上限数 200 を 108000 個に向上すること

ができる．今後技術が進化し，超小型の RF モジュールと超小型センサーとを組み合わ

せることができれば，医療用のウェアラブルなバイタルモニターやエネルギーハーベ

ストセンサー，スマートカーとして自動車体に触感を持たせるなどの新しい応用も期

待できる[70],[71]．受信機主導 MAC プロトコルの動作原理の特徴の一つに，通信リン

ク確立動作に電波の連続送信を用いないことに起因する，異なる間欠動作間隔の端末

間での通信が容易な点が挙げられる．この特徴は F-RIT プロトコルが通信リンク発生

機会の定期的でないエネルギーハーベスティングセンサーとの組み合わせの親和性を

有すると考えられる．

106

本章で述べたように F-RIT プロトコルは，受信機主導 MAC プロトコルの動作原理の

を有する F-RIT プロトコルは，1)RIT Data Request Frame の多面的活用，2)低消費電力

性，3)アドホックおよびマルチホップネットワークへの親和性，4)高密度な端末配置の

容易性，5)不定期な間欠動作端末同士の通信リンク確立容易性を有するため，RF モジ

ュールの小型化及び低消費電力化の進行とともに，新しいセンサーネットワークの応

用範囲を大きく広げる可能性があると考えられる．

107

図 7. 1 RF-MCU 一体モジュールを使用した U-BUS Air 試作機

図 7. 2 RF-MCU 一体モジュールを使用した U-BUS Air 試作機の Compacted RIT

Data Request 送信動作一回当たりの消費電力量の測定結果（横軸は無線送信電力）

0 5 10 15 200.0

2.0x10-5

4.0x10-5

6.0x10-5

8.0x10-5

1.0x10-4

RIT

Dat

a R

eq.

Po

wer

Co

nsu

mp

tio

n (

mA

h)

Tx Power (mW)

108

図 7.3 F-RITプロトコルを搭載したエンドデバイスによる新しい家庭用 IoTサー

ビスイメージ

109

図 7. 4 F-RIT プロトコルを搭載したエンドデバイスによる新しいインフラ監視用

IoT サービスイメージ

110

第8章結論

本研究は，“ガススマートメーターを Wi-SUN 化することにより今後の日本における

ガススマートメーターの普及拡大を図ること”を目的として，低消費電力でアドホック

な無線通信システムのMAC プロトコルに好適とされる受信機主導MAC プロトコルと

して，2017 年時点で唯一国際標準化されている IEEE 802.15.4e RIT プロトコルの，日本

のガススマートメーターの実運用環境への適用可能性を検討した．適用可能性の検討

に必要な理論解析手法および計算機シミュレーション手法を確立し，RIT プロトコルの

伝送特性および消費電力特性を IEEE 802.15.4e CSL プロトコルと比較評価した．これら

の知見に基づいてガススマートメーターの実運用環境で使用可能な F-RIT プロトコル

を設計，提案し，耐干渉性能，低消費電力性能を計算機シミュレーションにより評価し，

日本のガススマートメーターの要求性能を満たすことを明らかにした．また市販の Wi-

SUN 認証モジュールで，計算機シミュレーションにより設計された性能が達成できる

ことを実証した．また F-RIT プロトコルの電波利用効率性や低消費電力性を生かした

産業応用について考察した．以下本研究で得られた成果の具体的ポイントを章立てに

沿って説明する．

まず第 1 章で，これまでの日本のガススマートメーターの普及動向を概説し，今後の

ガススマートメーターの普及において Wi-SUN 化することの重要性と，Wi-SUN 化する

にあたって有力な Wi-SUN の国際標準規格に準拠することの必要性を指摘した．準拠

すべき有力な国際標準規格として，2017 年時点で唯一国際標準化されている受信機主

導型 MAC プロトコルである IEEE802.15.4e RIT プロトコルの日本のガススマートメー

ターへの適用可能性を指摘し，受信機主導型 MAC プロトコルのこれまでの研究事例を

概説した．また，IEEE802.15.4/4e RIT プロトコルの日本のガススマートメーターへの導

入における技術的課題を整理し，実運用に耐えうる要求仕様を明確化した．

第 2 章では，本研究の対象である RIT プロトコルが定義されている国際標準規格

IEEE802.15.4/4e について概説した．IEEE 802.15 の中で LR-WPANs の物理層と MAC 層

の規格化を担当する IEEE802.15.4 と MAC 層を規格化する IEEE802.15.4e のこれまでの

規格化の歴史，および現在規格化されている各種 MAC プロトコルについて概説した．

特に本研究の対象となる RIT プロトコルがカテゴライズされている Low energy MAC

プロトコルについて詳述し，その中で規格化されている 2 つのプロトコル RIT と CSL

プロトコルの特徴を整理した．この整理の結果より RIT プロトコルのアドホックネッ

111

トワークに対する好適性，電波利用効率と低消費電力の両立性を示し，日本のガススマ

ートメーターへの好適性の根拠を深めた．またこれまで実用化例のない RIT プロトコ

ルの日本のガススマートメーターへの導入における問題点として，実運用環境での耐

干渉性や消費電力を評価できる解析手法の確立や，実装可能な詳細プロトコルの設計

と実装評価の重要性を指摘した．

第 3 章では本のガススマートメーター実運用環境での伝送特性性や消費電力を評価

できる解析手法の確立のため，まずシーケンスが比較的シンプルな CSL プロトコルに

ついて，干渉環境や干渉パターンを評価モデル化し，通信リンク確立成功率を算出する

理論式を定式化した．また同様に通信リンク確立成功率を算出可能な計算機シミュレ

ーターを開発し，同一の条件で通信リンク確立成功率を算出した．その結果定式化され

た理論解析値と計算機シミュレーション値が良く一致し，CSL プロトコルの実運用環

境での耐干渉性を評価できる手法を確立した．また通信リンク確立要求発生頻度やデ

ータ長，干渉エリア内端末数を変えた場合の解析を行い，CSL プロトコルでは日本のガ

ススマートメーターの耐干渉性の要求仕様を達成することが難しいことを定量的に示

した．

第 4 章では，第 3 章と同様に RIT プロトコルについて干渉環境や干渉パターンを評

価モデル化し，通信リンク確立成功率を算出する理論式を定式化した．また第 3 章で開

発した計算機シミュレーターも使用し同一の条件で通信リンク確立成功率を算出した．

その結果定式化された理論解析値と計算機シミュレーション値が良く一致し，RIT プロ

トコルの実運用環境での伝送特性を評価できる手法を確立した．また通信リンク確立

要求発生頻度やデータ長，干渉エリア内端末数を変えた場合の解析を行い，RIT プロト

コルであれば日本のガススマートメーターの耐干渉性の要求仕様を達成できる可能性

を示した．またそのための課題として，長いデータフレームによる干渉問題解決の必要

性が明らかとなった．

第 5 章では，第 4 章で明らかになった課題を解決するため，RIT プロトコルに準拠し

つつ，効率的な衝突回避法と電波利用効率向上法を導入した F-RIT プロトコルを設計，

提案し，第 3 章，第 4 章で確立した解析手法で通信リンク確立要求発生頻度やデータ

長，干渉エリア内端末数を変えた場合の解析を行い，F-RIT プロトコルによって長いデ

ータフレームによる干渉問題が解消できることを明らかにした．これにより F-RIT プ

ロトコルが日本のガススマートメーターの要求仕様を達成できることが定量的に明ら

かになった．また F-RIT プロトコルおよび CSL プロトコルの消費電力をモデル化し定

112

式化した．この定式化により F-RIT プロトコルおよび CSL プロトコルの消費電力の比

較検討が可能となった．比較の結果日本のガススマートメーターの要求仕様条件では

F-RIT プロトコルの方が消費電力の観点でも優位であることが明らかとなった．

第 6 章では 3 章から 5 章の解析の結果を踏まえ，市販の IEEE802.15.4g に準拠した

Wi-SUN 認証モジュールに実装可能な F-RIT プロトコルを詳細設計し，実際にモジュー

ルに搭載して，通信リンク確立成功率を測定した．設計においては実運用環境で通信リ

ンク確立成功率や消費電力にインパクトの大きい要因を明確化した．電波シールドボ

ックス内で行った F-RIT プロトコルの通信リンク確立成功率の実測結果と理論解析値

および計算機シミュレーション値が良く一致し，本研究で立案した耐干渉性の評価手

法の有用性が実測値により確認された．また実測によって得られた結果より，市販の

Wi-SUN 認証モジュールでも日本のガススマートメーターの耐干渉性の要求仕様を達

成できることを示した．またモジュール動作時の消費電力を測定し，10 年動作時の総

消費電力量を算出した結果，プログラムの改善だけで市販の Wi-SUN 認証モジュール

でも日本のガススマートメーターの消費電力の要求仕様を達成できることが明らかと

なった．これらのことから本研究により得られた知見で詳細設計された IEEE802.15.4e

に準拠可能な F-RIT プロトコルは，市販の Wi-SUN 認証モジュールしても日本のガス

スマートメーターの耐干渉性および消費電力の要求仕様を満たすことが，実測を持っ

て確認された．

第 7 章では RF-IC の技術進化が，さらなる F-RIT プロトコルの性能向上につながる

ことを指摘し，ガススマートメーター以外の用途に適用可能性が広がる可能性を例示

した．またより高速な帯域を使用することにより，消費電力と電波利用効率の両立とい

う F-RIT プロトコルの特徴が顕著に向上し超高密度なセンサー配置が可能になること

を指摘し，全く新たな用途が生まれる可能性について述べた．

以上に述べたように本研究の成果は，研究目的である“ガススマートメーターを Wi-

SUN 化することによる今後の日本におけるガススマートメーターの普及拡大”を実現

するための主な技術的研究課題を解決したことと言える．今後本研究成果を基に日本

におけるガススマートメーターの普及拡大を推進したい．

113

謝辞

本研究の遂行，および論文作成にあたり，終始懇切丁寧な御指導を賜りました京都大

学大学院情報学研究科通信情報システム専攻原田博司教授に心からの謝意を表します．

また論文作成にあたり，多大なる御助言と御指導を頂いた京都大学大学院情報学研究

科通信情報システム専攻水谷圭一助教に心より御礼申し上げます．

本研究を進めるにあたり多くの議論を交わし多数の有益な御助言を頂いた，東京瓦

斯株式会社の川田拓也氏，坂元賢太郎氏，土屋創太氏，京都大学大学院情報学研究科通

信情報システム専攻の奥村亮太氏に厚く御礼申し上げます．

論文のとりまとめにあたっては，東京瓦斯株式会社の田辺修氏，小林勝彦氏，松本俊

一氏から暖かい激励を頂きました．心より御礼申し上げます．

最後に，本研究の遂行および本論文をまとめるにあたり，私が集中して作業すること

ができましたのは，私の家族である，由香，学，優からの協力によるものです．改めて

心より感謝申し上げます．

114

参考文献

[1] 第１回スマートメーター制度検討会配布資料（経済産業省），“スマートメーターを

めぐる現状と課題について”，2010 年 5 月．

[2] 小林克己，岡部直，小原木敬祐，“スマートメーター通信システムの開発について”，

信学技報，RCC2016-29，pp. 16-37，2016 年 7 月．

[3] 中拂徳仁，原田論，門田和也，高橋豊，“AMI 用マルチホップ無線ネットワークに

おけるデータ収集型]通信に関する CSMA/CA と TDMA の性能比較”，信学技報，

AN2012-67，pp. 109-114，2013 年 1 月．

[4] 大塚義浩，山内尚久，大塚晃，横谷哲也，“Internet of Things を実現する無線通信技

術”，2012 年電子情報通信学会総合大会，AS-5-3，S-58，2012 年 3 月．

[5] 城倉義彦，井上俊宏，塚本幸辰，“無線メッシュネットワークによるスマートメー

タシステム”，スマートグリッド 2012-10，PP. 15-19，2012 年 10 月.

http://www.meti.go.jp/committee/materials2/downloadfiles/g100526a04j.pdf

[6] 第１２回スマートメーター制度検討会配布資料（経済産業省），“スマートメーター

の最近の動向について”，2013 年 9 月．

http://www.meti.go.jp/committee/summary/0004668/pdf/012_03_00.pdf

[7] 中村優文，“国内外におけるスマートメータの導入状況”，三菱総合研究所報告，2011

年 2 月．

https://www.nmij.jp/public/event/2010/forum2010/presentation/nakamura.pdf

[8] 日本ガス協会自動検針調査研究会，“自動検針調査研究報告書－検針用小電力無

線標準仕様－”，2001 年．

[9] 第４回スマートメーター制度検討会配布資料（経済産業省），“ＬＰガス・スマート

メーターの現状と集中監視システムにつて”，2010 年 8 月．


[10] 藤原純, 安井昌弘, 石田宏，“次世代ガスメータリングシステム－ユビキタスメ

ータリングシステム－”，2010 年電子情報通信学会ソサエティ大会，2010 年 9 月．

[11] 第４回スマートメーター制度検討会配布資料（経済産業省），“都市ガス業界のス

マートメーターに関する取組み”，2010 年 8 月．


[12] NPO 法人テレメータリング推進協議会．

http://www.teleme-r.or.jp/


115

[13] NPO 法人テレメータリング推進協議会，“U バスエア（メッシュ方式）通信仕

様書研究部会事務局（案）Ver.2.0”，2012 年 6 月．

http://www.teleme-r.or.jp/u-bus/specific/attention.html

[14] 川田拓也，“Wi-SUN 技術を活用したガススマートメーターの研究開発と将来展望”，

信学技報，SRW2016-79，pp. 65-68，2017 年 3 月．

[15] 東京ガス株式会社プレスリリース，2017 年 3 月．

http://www.tokyo-gas.co.jp/Press/20170321-01.html

[16] 原田博司，“スマートユーティリティネットワーク～概要および標準化動向

～”，信学技報，SRW2010-48，pp.57-64，2010 年 10 月．

[17] ZigBee alliance.

http://www.zigbee.org/

[18] IEEE 802.15.4 Working Group.

http://standards.ieee.org/develop/project/802.15.4.html

[19] 畠内孝明，四蔵達之，木代正巳，福山良和，“メッシュネットワークの周辺ノード

数と通信マージンに関する検討”，2007 年電子情報通信学会通信ソサエティ大会，

B-21-22，2007 年 9 月．

[20] 畠内孝明，福山良和，石井美里，四蔵達之，“メッシュネットワークのためのポー

リングによる低消費電力型アクセス方式の提案”，電気学会論文誌 C，Vol.128，No.12

pp.1761-1766，2008 年 12 月．

[21] D. Kominami, M. Sugano, M. Murata, T. Hatauchi, Y. Fukuyama, “Performance evaluation

of intermittent receiver-driven data transmission on wireless sensor networks”, 2009 6th

International Symposium on Wireless Communication Systems, pp. 141-145, Sept. 2009.

[22] D. Kominami, M. Sugano, M. Murata, T. Hatauchi, “Energy-Efficient Receiver-

DrivenWireless Mesh Sensor Networks”, MDPI Sensors 11, pp. 111-137, Dec. 2010.

[23] 小南大智 , 菅野正嗣 , 村田正幸, 畠内孝明，福山良和，四蔵達之，“受信端末

始動型間欠動作データ転送方式の性能評価”，信学技報，IN2008-155，pp. 139-144，

2009 年 2 月．

[24] “15-09-0285-00-004g-mac-and-phy-proposal-for-802-15-4g-for-smart-utility-networks”,

May 2009.

https://mentor.ieee.org/802.15/dcn/09/15-09-0285-00-004g-mac-and-phy-proposal-for-802-15-4g-

for-smart-utility-networks.ppt

http://www.zigbee.org/

https://mentor.ieee.org/802.15/dcn/09/15-09-0285-00-004g-mac-and-phy-proposal-for-802-15-4g-for-smart-utility-networks.ppt

https://mentor.ieee.org/802.15/dcn/09/15-09-0285-00-004g-mac-and-phy-proposal-for-802-15-4g-for-smart-utility-networks.ppt

116

[25] “15-09-0514-00-004e-mac-proposals-for-low-power-consumption”, July 2009.

https://mentor.ieee.org/802.15/dcn/09/15-09-0514-00-004e-mac-proposals-for-low-power-

consumption.pdf

[26] “IEEE Std 802.15.4gTM-2012,” Apr. 27, 2012.

[27] “IEEE Std 802.15.4eTM-2012,” Apr. 16, 2012.

[28] “IEEE Std 802.15.4TM-2011,” June 16, 2012.

[29] “IEEE Std 802.15.4TM-2015,” Apr. 22, 2016.

[30] X. Fafoutis, A. Di Mauro, M. D. Vithanage, N. Dragoni1,” Receiver-initiated medium

access control protocols for wireless sensor networks”, Computer Networks, Vol. 76, 15, pp.

55-74, Jan. 2015.

[31] X. Fafoutis, A. Di Mauro, M. D. Vithanage, N. Dragoni1,” Receiver-initiated medium

access control protocols for wireless sensor networks”, Dec. 2015.

http://eis.bris.ac.uk/~xf14883/files/journal/2015_comnet_risurvey.pdf

[32] F. Talucci, M. Gerla and L. Fratta, “MACA-BI (MACA By Invitation) A receiver oriented

access protocol for wireless multihop networks”, The 8th IEEE International Symposium on

Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, 1997, vol. 2, pp. 1-4, Sept. 1997.

[33] J. J. Garcia-Luna-Aceves and A. Tzamaloukas, ”Reversing the Collision-Avoidance

Handshake in Wireless Networks”, Proceedings of the 5th Annual ACM/IEEE International

Conference on Mobile Computing and Networking, pp. 120-131, Aug. 1999.

[34] J.J. Garcia-Luna-Aceves and A. Tzamaloukas, “A receiver-initiatedcollision-avoidance

protocol for multi-channel networks”, Proceedings of IEEE International Conference on

Computer Communications 2001, vol. 1, pp. 22-26, Apr. 2001.

[35] E.-Y. A. Lin, J. M. Rabaey, A.Wolisz, “Power-efficient rendez-vous schemes for dense

wireless sensor networks”, Proceedings of IEEE International Conference on

Communications, vol. 7, pp. 3769-3776, June 2004.

[36] E.-Y.A. Lin, J. M. Rabaey, S. Wiethoelter and A. Wolisz, “Receiver initiated rendezvous

schemes for sensor networks”, IEEE Global Communications Conference '05, pp. 3117-3122,

Dec. 2005.

[37] Y. Sun, O. Gurewitz, D. B. Johnson, “RI-MAC: A Receiver-Initiated Asynchronous Duty

Cycle MAC Protocol for Dynamic Traffic Loads in Wireless Sensor Networks”, Proceedings

of 6th ACM International Conference on Embedded Networked Sensor Systems, pp. 1-14,

https://mentor.ieee.org/802.15/dcn/09/15-09-0514-00-004e-mac-proposals-for-low-power-consumption.pdf

https://mentor.ieee.org/802.15/dcn/09/15-09-0514-00-004e-mac-proposals-for-low-power-consumption.pdf

http://www.sciencedirect.com/science/journal/13891286

http://eis.bris.ac.uk/~xf14883/files/journal/2015_comnet_risurvey.pdf

117

Nov. 2008.

[38] J. Rousselot, A. El-Hoiydi, J.-D. Decotignie, “WideMac: a Low Power and Routing

Friendly MAC Protocol for Ultra Wideband Sensor Networks”, Proceedings of IEEE

International Conference on Ultra-Wideband, volume 3, pp. 105-108, Sept. 2008.

[39] Y. Sun, O. Gurewitz, S. Du, L. Tang, D. B. Johnson, “ADB: An Efficient Multihop

Broadcast Protocol based on Asynchronous Duty-cycling in Wireless Sensor Networks”,

Proceedings of 7th ACM International Conference on Embedded Networked Sensor Systems,

pp. 43-56, Nov. 2009.

[40] J. Li, D. Zhang, L. Guo, “DCM: A Duty Cycle Based Multi-channel MAC Protocol for

Wireless Sensor Networks”, IET International Conference on Wireless Sensor Networks

2010, pp. 233-238, Nov. 2010.

[41] D. Yang, Y. Qiu, S. Li, Z. Li, “RW-MAC: An asynchronous receiver-initiated ultra low

power MAC protocol for Wireless Sensor Networks”, Proceedings of International

Conference on Wireless Sensor Network IET 2010, pp. 393-398, Nov. 2010.

[42] X.Wang, Q. Zhang, “Opportunistic Cooperation in Low Duty Cycle Wireless Sensor

Networks”, Proceedings of International Conference on Communications 2010, pp. 1-5, May

2010.

[43] P. Huang, C. Wang, L. Xiao, H. Chen, “RC-MAC: A Receiver-Centric Medium Access

Control Protocol for Wireless Sensor Networks”, Proceedings of 18th International

Workshop on Quality of Service IEEE 2010, pp. 1-9, June 2010.

[44] H. Lee, J. Hong, S. Yang, I. Jang, H. Yoon, “A Pseudo-Random Asynchronous Duty Cycle

MAC Protocol in Wireless Sensor Networks”, IEEE Communications Letters 14 (2010),

pp136-138, Feb. 2010.

[45] T. Wada, I.-T. Lin, I. Sasase, “Asynchronous Receiver-Initiated MAC Protocol with the

Stair-Like Sleep in Wireless Sensor Networks”, Proceedings of 22nd Annual IEEE

International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications 2011, pp.

854-858, Sept. 2011.

[46] Y. Peng, Z. Li, D. Qiao, W. Zhang, “Delay-Bounded MAC with Minimal Idle Listening

for Sensor Networks”, Proceedings of 30th Annual Joint Conference of the IEEE Computer

and Communications Society, pp. 1314-1322, Apr. 2011.

[47] Y.-T. Yong, C.-O. Chow, J. Kanesan, H. Ishii, “EE-RI-MAC: An energyefficient receiver-

118

initiated asynchronous duty cycle MAC protocol for dynamic traffic loads in wireless

sensor networks”, International Journal of Physical Sciences 6, pp. 2633-2643, June 2011.

[48] L. Tang, Y. Sun, O. Gurewitz, D. B. Johnson, “EM-MAC: A Dynamic Multichannel

Energy-Efficient MAC Protocol for Wireless Sensor Networks”, Proceedings of 12th ACM

International Symposium on Mobile Ad Hoc Networking and Computing ACM, pp. 23-34,

May 2011.

[49] L. Tang, Y. Sun, O. Gurewitz, D. B. Johnson, “PW-MAC: An Energy-Efficient

Predictive-Wakeup MAC Protocol for Wireless Sensor Networks”, Proceedings of 30th

Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Society, pp. 1305-

1313, Apr. 2011.

[50] P. Yadav, J. A. McCann,” YA-MAC: Handling Unified Unicast and Broadcast Traffic in

Multi-hop Wireless Sensor Networks”, Proceedings of 7th IEEE International Conference

and Workshops on Distributed Computing in Sensor System, pp. 1-9, June 2011.

[51] X. Fafoutis, N. Dragoni, “ODMAC: An On-Demand MAC Protocol for Energy

Harvesting - Wireless Sensor Networks”, Proceedings of 8th ACM Symposium on

Performance Evaluation of Wireless Ad-Hoc, Sensor, and Ubiquitous Networks, ACM, pp.

49-56, Nov.2011.

[52] B. Greßmann, H. Klimek, V. Turau, “Supporting intelligent passenger flows in airport

terminals”, 2011.

https://www.ti5.tuhh.de/publications/2011/WIT2011_EfficientPassengerFlows.pdf

[53] M. Sugano, “Combining sender- and receiver-driven mac protocols for a large-scale

metering system based on potential routing”, Emerging Technologies for a Smarter World

2013 10th International Conference and Expo on 2013, pp. 1-6, Oct. 2013.

[54] M. D. Vithanage, X. Fafoutis, C. B. Andersen, N. Dragoni, “Medium Access Control for

Thermal Energy Harvesting in Advanced Metering Infrastructures”, Proceedings of IEEE

Eurocon, pp. 291-299, July 2013.

[55] “15-03-0305-00-0040-zigbee-tutorial-1”, July 2002.

https://mentor.ieee.org/802.15/dcn/03/15-03-0305-00-0040-zigbee-tutorial.ppt

[56] “IEEE Std 802.15.4TM-2003,” May 12, 2003.

[57] “IEEE Std 802.15.4TM-2006,” June 7, 2006.

[58] M. R. lattella, N. Accettura, X. Vilajosana, T. Watteyne, L. A. Grieco, G. Boggia, M. Dohler,

https://www.ti5.tuhh.de/publications/2011/WIT2011_EfficientPassengerFlows.pdf

https://mentor.ieee.org/802.15/dcn/03/15-03-0305-00-0040-zigbee-tutorial.ppt

119

“Standardized Protocol Stack for the Internet of (Important) Things”, IEEE

COMMUNICATIONS SURVEYS & TUTORIALS, Vol. 15, No. 3, THIRD QUARTER, pp.

1389-1405, Dec. 2012.

[59] W. C. Jeong, J. Lee, “Performance Evaluation of IEEE 802.15.4e DSME MAC Protocol for

Wireless Sensor Networks”, 2012 The First IEEE Workshop on Enabling Technologies for

Smartphone and Internet of Things, pp. 7-12, June 2012.

[60] M. R. Palattella, N. Acceltura, L. A. Grieco, G. Boggia, M. Dohler, T. Engel, “On Optimal

Scheduling in Duty-Cycled Industrial IoT Applications Using IEEE802.15.4e TSCH”, IEEE

SENSORS JOURNAL, Vol. 13, No. 10, pp. 3655-3666, Oct. 2013.

[61] J. Iacob, A. Olivier, D. Andrzej, “Energy consumption and performance of IEEE 802.15.4e

TSCH and DSME”, IEEE SENSORS JOURNAL”, IEEE WCNC, Vol. 2016, pp. 1-7, 2016.

[62] 15-09-0211-00-004e-low-energy-subgroup-report-4, Mar. 2009.

https://mentor.ieee.org/802.15/dcn/09/15-09-0211-00-004e-low-energy-subgroup-report.pptx

[63] N. Abramson, “THE ALOHA SYSTEM-Another alternative for computer

communications”, AFIPS '70, pp. 281-285, Nov. 1970.

[64] N. Abramson, “An Approximate Analysis of Delay for Fixed and Variable Length Packets

in an Unslotted ALOHA Channel”, IEEE Transactions on Communications, Vol. 25, pp. 644

-654, July 1977.

[65] H. Harada, R. Prasad, simulation and software radio for mobile communication, Artech

House Publishers, pp.292-293, London, 2002.

[66] “ARIB STD-T108, 920MHz 帯テレメータ用，テレコントロール用およびデータ伝

送用無線設備標準規格”，2012．

[67] Wi-SUN Alliance.

https://www.wi-sun.org/index.php/en/

[68] 一般社団法人情報通信技術委員会，“JJ-300.10 ECHONET Lite 向けホームネット

ワーク通信インターフェース（IEEE802.15.4/4g/4e 920MHz 無線）”，2015 年 3 月．

[69] H. Harada, K. Mizutani, J. Fujiwara, K. Mochizuki, K. Obata, R. Okumura, "IEEE

802.15.4g based Wi-SUN Communication Systems", IEICE TRANSACTIONS on

Communications, Vol. E100-B, No. 7, pp. 1032-1043, July 2017.

[70] R. Zhang, H. Moungla, J. Yu, A. Mehaoua, “Medium Access for Concurrent Traffic in

Wireless Body Area Networks Protocol Design and Analysis”, IEEE Transactions on

120

Vehicular Technology, Vol. 66, pp. 2586-2599, Mar. 2017.

[71] S. Mohrehkesh, M. C. Weigle, S. K. Das, “DRIH-MAC A Distributed Receiver-Initiated

Harvesting-Aware MAC for Nanonetworks”, IEEE Transactions on Molecular, Biological

and Multi-Scale Communications, Vol. 1, pp. 97-110, Mar. 2015.

121

関連発表文献一覧

［学術論文雑誌］

[1] 藤原純，原田博司，川田拓也，坂元賢太郎，土屋創太，水谷圭一，“IEEE 802.15.4/4e

準拠無線スマートユーティリティネットワーク用長低消費電力 MAC プロトコル”，

電気学会論文誌 C, Vol. 136, No. 11, pp.1555-1566，2016 年 11 月．

[2] 藤原純，奥村亮太，水谷圭一，原田博司，“IEEE 802.15.4/4e 準拠無線スマートユー

ティリティネットワーク用低消費電力 MAC プロトコル F-RIT の実装・評価”，電

気学会論文誌 C, Vol. 137, No. 11 掲載予定＜２０１７年７月１９日掲載決定通知受

領＞．

[3] H. Harada, K. Mizutani, J. Fujiwara, K. Mochizuki, K. Obata, R. Okumura, "IEEE

802.15.4g based Wi-SUN Communication Systems", IEICE TRANSACTIONS on

Communications, Vol. E100-B, No. 7, pp. 1032-1043, July 2017.

［国際会議論文］（査読有り）

[1] J. Fujiwara, R. Okumura, K. Mizutani, H. Harada, S. Tsuchiya and T. Kawata, “Ultra-low

power MAC protocol complied with RIT in IEEE 802.15.4e for wireless smart utility

networks”, Annual IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio

Communications '16, pp. 1-6, Sept. 2016．

[2] R. Okumura, J. Fujiwara, K. Mizutani, H. Harada, “Experimental Evaluation and Analysis

of F-RIT Low Power MAC Protocol Complied with IEEE 802.15.4e”, IEEE Wireless

Communications and Networking Conference, pp. 1-6, Mar. 2017.

［国内口頭発表］

[1] 藤原純, 原田博司, 水谷圭一, 川田拓也, 坂元賢太郎, 土屋創太，“IEEE 802.15.4/4e

準拠無線スマートユーティリティネットワーク用超低消費電力 MAC プロトコルの

基礎検討”，信学技報， SRW2015-51，pp. 19-24，2015 年 10 月．

[2] 藤原純, 原田博司, 水谷圭一, 川田拓也, 坂元賢太郎, 土屋創太，“IEEE802.15.4/4e

準拠超低消費電力 M AC プロトコル F‐RIT におけるキャリアセンスの有効性”，

信学技報，SRW2015-58，pp. 13-18，2015 年 12 月．

[3] 奥村亮太, 藤原純, 水谷圭一, 原田博司，“ 無線スマートユーティリティネットワ

ーク向け低消費電力 MAC プロトコル F-RIT の実装および実験的評価～干渉環境

122

下における双方向通信特性～”，信学技報，SRW2016-57，pp. 31-36，2016 年 10 月．

[4] 奥村亮太, 藤原純, 水谷圭一, 原田博司，“無線スマートユーティリティネットワー

ク向け低消費電力 MAC プロトコル F‐RIT の実装および実験的評価―高頻度通

信環境における通信特性改善―”，信学技報，SRW2016-57，pp. 31-36，2016 年 12 月．

[5] 奥村亮太, 藤原純, 水谷圭一, 原田博司，“無線スマートユーティリティネットワー

ク向け低消費電力 MAC プロトコル F‐RIT の多対 1 通信特性”，信学技報，

SRW2016-68，pp. 29-34，2017 年 3 月．

[6] 藤原純, 安井昌弘, 石田宏，“次世代ガスメータリングシステム－ユビキタスメ

ータリングシステム－”，2010 年電子情報通信学会ソサエティ大会，2010 年 9 月．

title ガススマートメーター用低消費電力通信プロトコルに関 ......mac...

Documents