シンプルで効率的なアルゴリズムが衛星IoTを現実に近づける

背景

モノのインターネット (IoT) の継続的な発展は、ここ数年にわたって現実のものとなってきました。マシン（ノード）間の相互通信は、スマート農業、スマートホーム、車両のインターネットなど、私たちの生活に大きな影響を与えると期待されているいくつかのアプリケーションへの道を開きます。

モノのインターネットの重要な要素の 1 つは、マシン間のワイヤレス通信、つまりマシン間 (M2M) 通信です。 4G や WiFi ネットワークなどのモバイル ネットワークとは異なり、M2M 通信のかなりの部分では、伝送速度が非常に低く、データ パケットが非常に小さく、デバイスの数が膨大であるという特徴があります。これらの特性は、通信ネットワークの調整の観点からは大きな課題をもたらします。

革新

衛星 IoT は、衛星を介して実装される高度なランダム アクセス スキームと、最近の研究で提案された高効率で複雑性の低いアルゴリズムのおかげで、実装がますます容易になっています。この研究は、国際衛星通信・ネットワークジャーナルに掲載され、著者には、情報通信技術部（DTIC）とドイツ航空宇宙センター（DLR）の研究者であるジュゼッペ・コッコ氏と、欧州宇宙機関の研究者らが含まれている。

テクノロジー

同じ衛星に接続されるセンサーの数は非常に多くなることがあります。

水分が一定の閾値を下回った場合にのみ情報を送信する衛星に接続された水分センサーを備えた作物を想像してみましょう。センサーは長時間にわたって情報を送信しないことがあり、送信することにした場合でも、データの量は非常に少なくなります (数ビットのみ)。この場合、衛星ネットワークとの接続を確立するために必要な制御データの量が、センサーによって送信される有用なデータ (ペイロード) の量を超える可能性があります。

各センサーは時々少量のデータを伝送しますが、全体的なデータ通信量は非常に大きくなります。 M2M トラフィックにおける制御情報はリソースの大きな浪費ですが、干渉を回避するために必要です。

単一のセンサーだけを扱う場合には、これは問題ではないと思われるかもしれません。しかし、衛星ネットワークの場合、単一の衛星に接続されるセンサーの数は非常に多くなることがあります。各センサーは時々少量のデータのみを送信しますが、全体的なトラフィックは大きくなります。さらに、M2M通信における制御情報を削除または削減すると、異なるセンサーからの信号が相互に干渉し、送信された情報が失われる原因となります。また、トラフィックが集中すると、ネットワークがクラ​​ッシュする可能性もあります。

この文脈では、M2M トラフィック制御情報は、干渉を回避するためにリソースを無駄にする重要なものですが、必要なものです。これには、より広い帯域幅、より大きくて高価な衛星、またはより多くの衛星が必要となり、M2M 通信コストの増加と IoT 開発への悪影響につながります。

2019年5月24日に60基のスターリンク衛星が打ち上げられた

この問題を解決するために、近年、制御情報を大幅に制限し、ネットワークのパフォーマンスに影響を与えない、複数のランダムアクセスを備えた新しい高度なシステムが開発されています。これらのシステムは非常に直感に反した方法で動作します。つまり、干渉を回避しようとするのではなく、他のノードが同時に送信しているかどうかを知らずに、各ノードが同じメッセージの複数のコピーを送信することで干渉を増加させます。

「受信機は、この干渉を利用して受信した情報を整理し、そこから有用な情報を抽出するという仕組みです」とココ氏は説明する。「これらのシステムがどのように機能するかを理解するには、アーティチョークの食べ方を考えてみてください。葉をむしるたびに、おいしい部分を食べますが、その下の葉も緩んでいるので、毎回少なくとも1枚の新しい葉をむしることができます。」

価値

彼らが開発した高効率で複雑さの少ないアルゴリズムは、衛星 IoT の通信システムを強化することができます。

国際科学雑誌に掲載されたいくつかの論文では、各メッセージの複数のコピーの送信に基づくランダム マルチアクセスが非常に有望であることが実証されています。しかし、これらの研究では単純化（方程式やシミュレーションによるより単純な処理が必要）が採用されており、これらのシステムのパフォーマンスを実際の環境で評価することができなかったと研究の著者らは説明している。

「私たちの貢献は、こうした単純化にとどまりません」とココ氏は結論づけています。「私たちは、IoT ノードとして機能する多くの低コストの電子デバイスの欠陥など、実際のシステムに存在するさまざまなコンポーネントがシステム全体に与える影響を研究し、それらに対してシステムを強化するのに役立つアルゴリズムを開発しました。そのため、衛星経由の IoT がますます効率的になり、誰もが利用できるようになるために、高効率と低複雑性の両方を実現するアルゴリズムの開発に特に力を入れました。」