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

1.1.1 アンビエント情報ネットワークにおける動的なネットワーク構成手法

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ーなどの情報機器が，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するとともに電力消費を抑えられることを示した．

[関連発表論文]

1.1.2 カメラセンサーネットワークにおける反応拡散モデルにもとづく符号化レート制御

遠隔監視・観測を目的とするカメラセンサーネットワークにおいては，通信容量の制限のため，対象物の位置に応じて符号化レートを調整することが求められる．多数の無線センサー端末からなるセンサーネットワークにおいては，集中制御は現実的でなく，センサー端末の自律的動作によってネットワーク全体を制御するのが望ましい．さらに，制御機構はセンサー端末の分布，密度の違いや通信環境の変化に対する適応性，および障害や故障に対する頑健性を有していることが求められる．

そこで，本研究では，反応拡散モデルを用いることにより，カメラセンサによる自律分散的な符号化レート制御方式を提案している．提案機構では，近隣ノードとのやりとりをとおして得られる局所的な情報にもとづいて反応拡散方程式を計算することによって，対象物の位置や移動速度に応じた符号化レートの分布パターンが形成される．シミュレーションおよび実証実験により，ノードの自律的な制御によって対象物を捉えているカメラと対象物の移動方向に位置するカメラの符号化レートが高く設定されるとともに，局所的な総データ量が通信容量を超えない符号化レート制御が実現されることを示している．

[関連発表論文]

1.1.3 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ー端末により観測対象を常に観測し続けると同時に，冗長なセンサー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，個々のセンサー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，周囲のセンサー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，センサー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ー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ー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，それぞれのセンサー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%少ないセンサー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ー端末あたりの観測率が向上するとともにオーバーヘッドを約半分に抑えられることを示した．

[関連発表論文]

1.1.4 無線センサ・アクチュエータネットワークにおける動的なサービス構成のための適応的かつ効果的な端末選出機構

アンビエント情報環境においては，環境内に配置された多数のセンサーやアクチュエータなどのデバイスによって，その時，その場，その人に応じた情報サービスや環境制御が実施される．想定される多様な全てのサービスに対して，あらかじめ個別にデバイスを配置，設定し，ネットワークを構成するのは困難かつ冗長であるため，その場にあるデバイスを活用して柔軟にサービスを実現するための仕組みが求められる．さらに，動的なサービス構成にあたっては，同一地点の観測など同じ機能を要求する複数のサービスに対しては単一のデバイスが情報を提供するといった，サービス間のデバイス共有が行われるのが望ましい．

そこで本研究では，随時発生するサービス要求に応じたネットワークを動的に構成するために，具備するデバイスや稼働状況を考慮して，その場で利用可能な端末の中からサービス要求を満たす適切なものが選出される機構を提案する．提案手法では，社会性昆虫における分業の仕組みの数理モデルである，反応閾値モデルを用いることにより，端末自身が自律分散的にサービスへデバイス提供を判断する．シミュレーション評価により，複数のサービス間で端末が共有される，効率的な端末の選出が行えることを確認した．

[関連発表論文]

1.1.5 無線ネットワークにおける効率的な情報共有機構

無線センサーネットワークでは，アプリケーションの必要とする情報をアプリケーションごとにノード間でやりとりするため，アプリケーション数が増加すると，アプリケーションごとに独立したメッセージの送受信による帯域および電力の消費や，アプリケーションの要求の変化に対してメッセージをやりとりするノードを追加・削除するオーバーヘッドが問題となる．そのような環境においては，アプリケーションの区別なく，全てのノードの情報を効率的にノード間でやりとりすることで，同時動作する複数のアプリケーションの動的に変化する様々な要求に対応できると考えられる．

そこで，本研究では，ノード数やノード密度を変化させて，情報伝播開始からの情報の受信率，メッセージの送信量と送信回数，衝突回数の変化の様子を検証することにより，全ノード間の全ノードの情報共有における情報伝播手法の特性や適用範囲を明らかにする．シミュレーションによる評価の結果，ノードの数によらず低密度な環境においてはゴシッピング型の情報伝播手法を用いることにより，少ない送信メッセージで高受信率な全ノード間情報共有が可能になり，また，高密度にノードが配置された環境においてはリング型，クラスタ型の情報伝播手法が効果的であることが明らかとなった．

[関連発表論文]

1.1.6 無線センサーネットワークにおける階層型自己組織制御

無線センサーネットワークは，センサー端末数の多さ，センサー端末の追加，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ー端末自身が判断し，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，アトラクター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ー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．

[関連発表論文]

1.1.7 大規模無線センサーネットワークにおける管理型自己組織制御に基づくポテンシャルルーティング

無線センサーネットワークの課題としてスケーラビリティの向上があり，これまでに局所情報に基づいて自己の動作を決定する自己組織制御を用いた手法が研究されてきた．しかしながら完全な自己組織制御に基づき動作するネットワークでは，ネットワークの規模が非常に大きくなったときにネットワーク全体が望ましく動作していることを保証できない問題がある．そこで本研究では，管理型自己組織制御に基づくポテンシャルルーティングを提案した．管理型自己組織制御では，自己組織的に動作するノードの一部を集中的に管理することで，自己組織制御によって生ずる意図しない方向へのシステムの動作の遷移を防ぐ．マルチシンクを想定したシミュレーション評価により，シンクノードの分布に偏りがある場合も負荷を均一化できることを示した．さらに，センサノードの中継負荷を分散することで，ネットワーク寿命を63.7 %延長できることを示した．

[関連発表論文]

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 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ー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ー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，25%のノードが停止する環境では，提案手法はAODVより高いパケット配送率とより低いオーバーヘッドを得ることができ，より高い耐故障性があることを示した．また，ノードが移動する環境では，AODVの同様な性能が得られることが分かった．さらに，生物に基づく経路制御プロトコルAntHocNetと比較し，提案手法のオーバーヘッドが低いことを示した．

[関連発表論文]

1.2.2 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．

[関連発表論文]

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ー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．

[関連発表論文]

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

IRDT (Intermittent Receiver-driven Data Transmission) 方式は，低頻度でパケットが発生するアドホックネットワークにおいて長期間の運用を目指して設計されたプロトコルであり，各ノードが非同期間欠的に自身のID を周囲に送信し，送信側ノードがそれを受信することで通信を開始する．その結果，データを保持する送信側ノードは複数の受信ノードを待ち受けることができ，消費電力の抑制や通信信頼性の向上が期待できる．しかしながら，消費電力の偏りによって稼働時間が短くなったり，制御パケットの衝突によって性能劣化するなどの課題がある．また，経路情報テーブルに基づいたルーティングを行なうために，ネットワークの規模が制約されてしまう．そこで本研究では，IRDT方式を対象として，残余電力に応じた間欠周期の制御による長寿命化手法，および制御パケットの連続衝突を回避し性能を向上するための手法を検討した．また，IRDTとソフトステート管理手法の類似性に着目し，そのロバスト性の評価を行なった．さらに， スケーラビリティに優れたルーティング手法として，管理型自己組織制御に基づくポテンシャルルーティングを提案し，これをIRDTに適用することで負荷分散や稼働時間の延長を実現した．

1.2.4.1 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

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．さらに，制御パラメータの最適値を解析的に導出する方法についても検討を行なう．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75%伸ばせることが明らかとなった．

[関連発表論文]
1.2.4.2 受信端末駆動型アドホックネットワークにおける制御パケットの衝突回避による性能向上

IRDT方式では，隠れ端末の関係にある複数のノードが送信データを保持している場合には制御パケットの衝突が発生し，この衝突が連続的に繰り返されることが性能を劣化させる要因となっている．そこで本研究では，IRDT方式における制御パケットの連続衝突を回避し性能を向上させるための手法として，バックオフ・確率的な再送・ポーリングの3種類を適用し，シミュレーションによる比較評価を行った．その結果，既存のIRDT方式ではパケット収集率が40%程度しか得られなかった条件下でも，90%まで向上できることを示した．また，IRDTの特徴である隣接ノード情報を拡張することでそれぞれの方式を改良し，さらにパケット収集率を向上できることを明らかにした．

[関連発表論文]
1.2.4.2 受信端末駆動型アドホックネットワークにおける制御パケットの衝突回避による性能向上

IRDT方式では，隠れ端末の関係にある複数のノードが送信データを保持している場合には制御パケットの衝突が発生し，この衝突が連続的に繰り返されることが性能を劣化させる要因となっている．そこで本研究では，IRDT方式における制御パケットの連続衝突を回避し性能を向上させるための手法として，バックオフ・確率的な再送・ポーリングの3種類を適用し，シミュレーションによる比較評価を行った．その結果，既存のIRDT方式ではパケット収集率が40%程度しか得られなかった条件下でも，90%まで向上できることを示した．また，IRDTの特徴である隣接ノード情報を拡張することでそれぞれの方式を改良し，さらにパケット収集率を向上できることを明らかにした．

[関連発表論文]
1.2.4.3 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

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]
1.2.4.4 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

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．

[関連発表論文]