1. 環境情報ネットワークアーキテクチャに関する研究

1.1 センサーネットワークアーキテクチャに関する研究

アンビエント情報社会では，環境や人に付随するさまざまなセンサなどの情報機器が，人やモノ，環境の状態や要求を認識，把握し，その場に応じた適切なサービスが提供される．アンビエント情報社会の実現のためには，異なる制御ポリシーやアーキテクチャのもとで動作するさまざまなネットワークが，状況に応じて自律的に結合，融合することによって情報交換や統一的な動作を行い，また，不要の際には分離して元の動作状態に戻らなければならない．

本研究では，動作周期をネットワークの動作・制御ポリシーと見なし，動作周期の異なる無線センサーネットワークが動的に再構成される仕組みを，パルス結合振動子モデルを用いて実現している．パルス結合振動子モデルでは，異なる動作周期の振動子群であっても，振動子がそれぞれ刺激を与えあう結合関係にあれば，引き込み現象により，いずれ全ての振動子が同じタイミング，周期で同時に発火する完全同期状態に達する．提案手法では，それぞれのネットワークの境界ノード間でのメッセージ交換による相互刺激を可能にするとともに，刺激の強さを境界からの距離によって変更することにより，動作周期の異なる無線センサーネットワーク間の段階的同期による協調にする．境界ノード間のメッセージ交換を停止すれば，それぞれのネットワークは元の動作周期で動作するようになり，ネットワークが分離される．シミュレーション評価により，ネットワークの境界を挟むノード間での通信遅延を削減できることを確認した． また，無線センサーネットワーク上に構築された情報収集のためのオーバレイネットワークが遅延を最小化するように論理トポロジーを変更すると同時に，下位の無線センサーネットワークがオーバレイネットワークにおける情報収集の遅延を最小化するように動作周期を変更する階層的かつ適応的なネットワーク構成について，アトラクタ重畳モデルによる相互作用・協調の機構を提案した．数値解析により，論理網と物理網の協調的な適応制御により，センサ情報の収集遅延が最小化されることを確認するとともに，安定的な制御のためには，上位の論理網の適応制御周期が物理網の適応制御周期と同じかそれよりも長く設定する必要があることを明らかにした．

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1.1.2 反応拡散モデルにもとづく自己組織型クラスタリング

無線センサーネットワークでは，無線チャネルの競合回避や送信電力抑制の観点から，近隣のセンサ端末でグループ（クラスタ）を構成し，クラスタ内の代表端末（クラスタヘッド）にセンサ情報を集約した後，クラスタヘッド間通信によって基地局にセンサ情報を収集する，クラスタ型の通信が有効である．センサーネットワークの長寿命化と低遅延な情報収集のためには，適切なクラスタを自己組織的に構成する必要がある．

本研究では，反応拡散モデルを用いることによって，最適に近いクラスタを自己組織的に構成することのできる手法を提案している．まず，基地局の位置やセンサ端末の通信距離，情報集約の有無などの条件の異なるさまざまなシナリオのもとで，ツリー型トポロジー，スター型トポロジーを含むさまざまなトポロジーを，収集遅延および総消費電力に関して網羅的に比較評価した．その結果，多くのシナリオにおいて，クラスタ内・クラスタ間でマルチホップ通信をするトポロジーが最も性能がよく，かつ，基地局に近いほどクラスタヘッド密度が高いものがよいことを明らかにした．次に，この最適トポロジーを反応拡散モデルによって自己組織的に構成するため，センサ端末間で因子濃度情報を交換し，基地局からの位置によって波長の異なる斑紋パターンを形成する機構を提案した．本機構では，さらに，クラスタメンバからクラスタヘッドへの情報転送は，特別な経路制御を必要とせず，活性因子濃度勾配にしたがって送信先を選択することで達成される．シミュレーション評価により，最適トポロジーに類似したクラスタが構成され，最適トポロジーに対しては消費電力×遅延が最大30%増加するものの，その他のトポロジーと比較すると最大93%削減できることを示した．

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1.1.3 自己組織的な無線センサネットワーク制御技術

無線センサーネットワークは，センサ端末数の多さ，センサ端末の追加，除去，移動や通信品質変動によるトポロジー変化，デバイスの脆弱性などに対処するため，拡張性，適応性，耐故障性を有することが求められ，また，無線通信容量の制限や電池容量の制約のため集中管理は困難である．したがって，無線センサーネットワークのためには，周囲の観測や近隣端末との情報交換から得られる局所情報にもとづいてセンサ端末自身が判断し，動作することによって，ネットワーク全体として所望の機能を達成する，自己組織的な制御技術が必要不可欠である．

本研究では，さまざまなアプリケーションを対象に，自己組織的なセンサーネットワーク制御技術を提案している．観測領域の多数のセンサが得たセンシング情報のうち極値（最高気温など）を定期的に収集するアプリケーションを対象とした手法では，基地局から最大ホップ数のセンサ端末が情報収集を開始し，それぞれのセンサ端末は受信したセンサ情報と自身のセンサ情報を比較することによって中継の要不要を判断する．シミュレーション評価の結果，提案手法により，送信回数を最大20％程度抑制することができ，さらに20％のセンサ端末に障害が生じても適切な情報収集が行えることを示した．また，アトラクタ重畳の考えにもとづき，センサーネットワークのクラスタリングと経路制御をそれぞれアトラクタ選択モデルによって適用的に行う手法についても提案し，ノード間の残余電力の分散が小さいときにはランダムにクラスタヘッドやゲートウェイノードを選択し，分散が大きくなるとより残余電力の多いノードを選択することを数値解析により確認した．

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1.1.4 自動検針ネットワークのための自律分散型制御プロトコル（沖電気工業株式会社との共同研究）

検針コストの削減やメータの高機能化による付加価値サービスの実現のため，電気・ガス・水道などのメータに無線通信機能を付加し，無線センサーネットワークによって検針情報や付加価値情報を収集，通信する自動検針システムの実用化が進んでいる．自動検針のための無線センサーネットワークにおいては，使用料金の算出や稼働状態の管理などのため情報収集に高い信頼性が求められ，また，スマートメータのようなアプリケーションでは逐次的な電気使用量の把握のため低遅延な情報伝達が要求される．

そこで本研究では，自動検針ネットワークにおいて，低遅延かつ高収集率な情報収集を達成するための通信プロトコルを提案している．集合住宅を対象とした提案においては，定められた遅延制約を保証しつつセンサーネットワークの長寿命化を図るスリープ制御を行っている．提案手法では，遅延制約時間は複数のタイムスロットに分割され，センサは定められた分布関数に基づいて自律分散的にスロットを選択し，割り当てられたスロットで受信動作を行う．ゲートウェイから遠いセンサほど早いスロットを割り当て，それぞれのセンサが自身よりゲートウェイに近く，より遅い受信スロットのセンサに情報を送信することによって，必ず全ての情報が遅延制約内にゲートウェイに到達する．シミュレーション評価により，適切な関数を用いることにより，遅延制約内の情報伝達を達成できるとともに，ノードごとのチャネル競合を抑制できることを示した．一方，住宅街を対象とした提案においては，パルス結合振動子モデルにもとづく同期型センサ情報収集機構を拡張することにより，高信頼性通信を達成している．ホップ間のメッセージ送信成功率を高めるためにはホップごとの送信時間が長くなり，収集遅延が増大することから，提案手法では，ホップごとの送信時間を抑制することで遅延を抑え，結果として低下する収集率を情報収集タイミングごとに複数回の情報収集を行うことによって補償する．シミュレーション評価の結果，1000台のセンサにおける情報収集率0.9999を約80秒で達成できることを示した．

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1.1.5 確実かつ迅速な緊急情報伝達機構（沖電気工業株式会社との共同研究）

センサーネットワークの構築に際し，空調制御の温度・湿度センサなどとあわせて振動センサ，火災センサなどを導入すれば，侵入検知や火災検知など防犯，防災に役立てることができる．しかしながら，無線リンクは不安定で信頼性が低く，また，温度，湿度など通常運用の情報との衝突も発生するため，緊急情報伝達においてパケット損や衝突回避のための遅延が発生する．また，省電力のためにスリープ制御を行っている場合には，次ホップ端末のスリープ解除を待つための遅延が発生する．そのため，侵入や火事などの緊急情報を確実に，また，迅速に伝達するための制御技術が必要である．

本研究では，通常時は定期的なセンサ情報収集を行っているセンサーネットワークにおいて，緊急情報を確実かつ迅速に伝達するための制御手法を提案している．提案手法では，緊急情報の伝達経路上のセンサ端末のスリープ制御を停止するとともに，経路周辺のセンサ端末による非緊急情報の発信を抑制するACM（Assured Corridor Mechanism），ホップごとの緊急情報の再送スケジューリング機構，緊急情報発信ノード周辺での輻輳を軽減するためのレート制御手法，および，ボトルネック端末における輻輳を解消するためのバックプレッシャにもとづくレート制御手法を組み合わせることにより，緊急情報の確実かつ迅速な伝達を実現している．シミュレーション評価により，500ノードからなるネットワークにおいて緊急情報の99.9%の配送率と70ミリ秒以下の遅延を達成できることを示した．また，46台のセンサ端末を用いた実機実験で実環境における有効性を確認した．

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1.1.6 誤差に耐性のあるカバレッジ制御手法

無線センサーネットワークでは，ある一定数以上のセンサ端末により観測対象を常に観測し続けると同時に，冗長なセンサ端末を適宜スリープさせることで，ネットワークの長寿命化をはかるためのカバレッジ制御が必要である．既存手法の多くは，幾何学的なアルゴリズムを用いることで，個々のセンサ端末が自身の観測エリア内の観測状態を推定し，その結果によってスリープ状態とアクティブ状態を選択する．そのため，周囲のセンサ端末と位置や観測領域などに関する情報をやりとりしなければならず，また，センサ端末の位置や観測領域に誤差があると性能が低下する．

そこで本研究では，生物システムの環境適応メカニズムの非線形数理モデルであるアトラクタ選択モデルを用いることにより，詳細な位置情報や隣接センサ端末に関する情報を必要とせず，観測領域の観測状態に関する情報のみにもとづいて，それぞれのセンサ端末が適切にアクティブ状態，またはスリープ状態を選択する手法を提案している．シミュレーションによりランダム手法と比較して9%〜43%少ないセンサ端末で同等のカバレッジを達成でき，また誤差のある環境下で既存手法と比較してセンサ端末あたりの観測率が向上するとともにオーバヘッドを約半分に抑えられることを示した．

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1.1.7 高密度センサーネットワークにおけるデータ相関を考慮したクラスタリング手法

アンビエント情報環境では，環境内に多数の無線センサ端末が配置され，イベントを検知，通知することにより，ヒトにとって快適な環境と情報を提供する．しかしながら，無線チャネルは共有メディアであり，また，通信帯域の制限があるため，多数のセンサ端末が同時にイベントを検知し，メッセージを送信すると輻輳により情報が全く伝達されなくなる可能性がある．

そこで本研究では，同じイベントを検知したセンサ端末のセンサ情報に相関があることに着目し，相関の高いセンサ情報を持つセンサ端末をクラスタ化するとともに，クラスタ間で情報収集，集約，転送のタイミングを調整することによって，高密度センサーネットワークにおけるイベント検知・通知を可能とする制御機構を提案する．これまでの研究においては，集約によって生じる誤差への耐性が異なるセンサ情報がある場合には，クラスタヘッドにおいて，誤差耐性が大きいセンサ情報を優先的に集約することによって伝送が必要となる情報量を削減できる一方で，集約による誤差は類似度の高いセンサ情報を優先的に集約する方が小さくなることを示した．

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1.1.8 センサネットワークにおける自己組織型制御方式のロバスト性に関する研究

本研究では，集中制御とのセンサーネットワーク上での比較を通して，自己組織型制御の優れたロバスト性を定量的に評価する．シミュレーションを通して，集中制御は理想的な環境下では遅延などの経路制御のメトリックにおいて優れた予測可能性を持つものの，自己組織型制御は伝送誤りやノード故障，リンクの切断などの様々な摂動に対して，データ収集機能を保持できることを示した．さらに我々はその評価結果を用いて，両制御手法のロバスト性の違いがネットワークの状態を把握するためにどれだけノードからの情報に依存しているかどうかによるものであることを示した．集中制御における制御局は信頼性の低いノードから集められるネットワークの状態に関する情報に依存しており，特にその情報が誤っていた場合に，集中制御に脆弱性をもたらす．逆に，自己組織型制御におけるノードはそれほど強く他のノードからの情報に依存しておらず，結果として誤った情報の影響も局所化されることが明らかとなった．

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1.1.9 センサネットワークの時刻同期手法のロバスト性に関する研究

センサーネットワークにおいては，効率のよい情報収集や省電力化のためにセンサノード間の時刻同期は重要である．多数のセンサが広範囲に配置される大規模なセンサーネットワークにおいては，ネットワーク全体に基準信号を送信することは困難であるため，自律分散型の時刻同期方式が有効であると考えられる．パルス結合振動子モデルは，蛍の発光や心臓のペースメーカ細胞など，生物界における個体間の局所的な相互作用により全体を同期させる仕組みをモデル化した，自律分散型の時刻同期方式である．本研究では，このような自律分散型の時刻同期手法の特性や適用範囲を明らかにすることを目指している．

そこで本研究では，基準ノードからの時刻のずれをマルチホップで伝達することで，ネットワーク全体の時刻同期を得るマルチホップRBS方式との性能比較を行なった．これら二つの方式に関して，MAC層における遅延の揺らぎやパケット損失の影響を考慮し，時刻同期に要する時間や時刻同期の精度などをシミュレーションによって導出した．その結果，パルス結合振動子による時刻同期は無線通信品質によらない安定度の高い時刻同期を広範囲の観測領域にわたって実現することができ，マルチホップRBSは接続性の高い環境において短時間で正確な時刻同期が実現できることを明らかにした．

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1.1.10 カエルの発声行動に着想を得た自己組織的なセンサネットワークの制御方式

アマガエルは，他の個体の鳴くリズムに合わせて周期的かつ交互に鳴くことによって，自分の存在を目立たせる発生行動をとることが知られている．また，周辺に多くの個体の存在を確認した個体は鳴くことを止め，体力を温存するサテライトという行動をとる．本研究では，これらの行動に着想を得て，パルス結合振動子モデルによる逆相同期，およびスリープ制御を導入することによって，確実なデータ送信と電力消費の削減を目的とした自己組織型スケジューリング手法を提案する．提案手法は，データ送信のスケジュールを調整することにより送信失敗を回避し，スリープスケジューリングによりネットワークを長寿命化させることを示した．

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1.2 アドホックネットワークアーキテクチャに関する研究

1.2.1 マルチチャネルマルチインタフェイスアドホックネットワークにおけるQoSを考慮した経路制御（株式会社日立製作所との共同研究）

安全，安心な社会生活を実現する基盤技術の一つとして近年注目を集めている無線アドホックネットワークは，ルータ，スイッチ，ケーブルといった固定設備を必要としないことから，ビル内や街路をはじめ，歴史的建造物や災害発生地域などへの設置も容易であり，VoIP（Voice over IP）や遠隔監視などに用いられる．これらのアプリケーションでは，通信のリアルタイム性が重要となるため，通信容量の限られる無線ネットワークでアプリケーションの要求する通信品質を提供するためのQoS（Quality of Service）制御手法が必要となる．

そこで本研究では，無線ネットワークの通信資源の利用状態を考慮した新しい経路制御手法を提案している．提案手法では，それぞれ異なる無線チャネルを割り当て可能な複数のネットワークインタフェースを持つノードからなる無線アドホックネットワークを対象とし，OLSRv2の制御メッセージにチャネル使用状況に関する情報を付加することで，トポロジーおよび帯域情報をネットワーク全体のノードに効率的に伝播する．送信側ノードでは，送信要求発生時にアプリケーションの要求するQoSを満足する論理経路を決定し，パケットをカプセル化することで論理経路に従ったパケット転送を物理ネットワーク上で行なう．シミュレーションにより，提案システムでは，3チャネルをリアルタイム通信用に割り当てた100ノードを格子状に配置したネットワークにおいて，95 %のエンド間パケット到着率と10 msec程度のエンド間遅延を実現できることを確認した．さらに，論理経路制御により，リアルタイム通信のトラヒックがネットワーク全体に分散されたことを確認した．また，実機を用いて提案手法の有効性を確認した．

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1.2.2 モバイルアドホックネットワークにおける頑健で適応的な経路制御手法

モバイルアドホックネットワークは固定のインフラを必要としないなど有線網に優れる一方で，無線通信の低信頼性やトポロジー変化などの影響を受けやすいため，経路制御はトポロジー変化やパケット輻輳に対する耐性を有することが求められる．様々な経路制御手法が提案されてきたが，特に故障や移動のある不安定 な環境では制御オーバヘッドが高いという問題がある．

そこで本研究では，頑健性と適応性に優れる生物システムに着想を得た経路制御手法MARASを提案している．MARASでは，生物が環境の栄養状態に応じて自身が生成する栄養を適応的に選択する仕組みを数理モデル化したアトラクタ選択モデルを応用し，栄養の生成を次ホップノードの選択に対応づけることにより，適応性を獲得している．また，従来手法のように確定的な経路構築を行うのではなく，経路にゆらぎを導入することにより，障害発生時にもパケットは自律的に新たな経路をたどって受信側ノードに到達することができる．シミュレーションにより，AODVと比較して，ノード障害の発生する環境において約4倍，ノード移動のある環境において約7倍のパケット到達率を， 4分の1程度の低いオーバヘッドで達成できることを示した．

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1.2.3 通信環境変動に適応的な無線通信資源割当手法（株式会社日立製作所との共同研究）

無線アクセス技術の普及により，様々な無線通信メディアが利用可能になりつつある．無線通信資源を有効に活用するためには，スマートフォンなどのユーザの持つ情報デバイスや，車載システムなどのそれぞれのノードが，ノード上で動作するアプリケーションに対して適切な無線通信メディアを割り当てるとともに，ノード間で協調的に資源を利用するための手法が必要である．

本研究では，複数のノード，およびノード上で動作する複数のアプリケーションが無線通信メディアを競合する環境において，通信状態やアプリケーションの通信品質要求に応じて，ノードが適応的に適切な無線通信メディアをアプリケーションに割り当てる手法を提案する．提案手法では，適応的制御の数理モデルであるアトラクタ重畳モデルを用いることにより，適応性，安定性を有する資源割当制御を実現する．数値解析により，通信環境の変化に適応的に資源割当が行えることを示した．

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1.2.4 受信端末駆動型アドホックネットワークにおける省電力化に関する研究（富士電機システムズ社との共同研究）

本研究では，IRDT方式における間欠周期を動的に変化させることで，消費電力を抑制することを目指した．シミュレーションによって送信端末始動型の方式であるLPL (Low Power Lis-tening)方式との比較を行った結果，データ発生頻度の低い環境において高いパケット収集率を実現する条件の下では，本方式の消費電力がLPL 方式の25%まで削減可能であることが示された．さらに，IRDT 方式における制御パケットの衝突を防ぐために，衝突確率を最小化する間欠周期の解析的な導出及びデータアグリゲーションを導入した．その結果，間欠周期を固定的に割り当てる場合と比較して，99%以上のパケット収集率を得られ，最大90%以上の消費電力削減が可能となった．

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1.2.5 受信端末駆動型アドホックネットワークにおける残余電力情報を利用した長寿命化（富士電機システムズ社との共同研究）

IRDT方式によってネットワーク全体の平均消費電力は抑制できるが，ノード間の消費電力の差異は依然として存在するため，消費電力が最も大きなノードの残余電力が枯渇することによってネットワークの寿命が決定される．したがって，残余電力の平均化を実現することができれば，ネットワーク寿命をさらに延ばすことが期待できる．本研究では，受信側ノードが周期的に送信するIDパケットに自己の残余電力情報を付加することによって，近隣のノードの残余電力の状況を取得することにより，残余電力の平均化を実現する制御方式を提案する．シミュレーションによる評価の結果，パケット収集率や遅延などのネットワーク性能を維持したまま，ネットワーク寿命を約44%伸ばせることが明らかとなった．

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1.2.6 受信端末駆動型プロトコルのソフトステートとの類似性に着目したロバスト性の評価（富士電機システムズ社との共同研究）

本研究では，受信端末駆動型プロトコルにおける定期的なノードIDの送信とソフトステートと呼ばれる状態管理手法の類似性に着目した．ソフトステートとはノードの状態を管理するための手法の一つであり，定期的なメッセージ送信を用いてノードの状態を維持する．ソフトステートによる状態管理は一般的にロバストであるとされており，ソフトステートの導入によってロバストなネットワークの構築が期待される．本研究では，ネットワーク中の各ノードが所持する経路テーブルについてソフトステートを用いて管理することを提案した．この際，IRDTにおけるノードIDの定期送信を，通信の開始に加えて経路テーブルの更新に利用する．シミュレーションによる評価から，IRDTにソフトステートを用いることによる無線の変動やノードの故障に対するロバスト性が21%向上できることを示した．更に送信端末駆動通信プロトコルを用いたシステムとの比較を行うことで，受信端末駆動型通信プロトコルがソフトステートと親和性が高くロバストであることを示した．

[関連発表論文]