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 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、高いカバレッジを維持しつつ、ネットワークの寿命を比較対象と比べて最大6倍程度延長できることを示した。

[関連発表論文]

1.1.3 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、また、各種パラメータを2倍程度誤って設定しても大きな影響を受けないことを確認した。

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1.1.4 アトラクター摂動を利用したエンド間遅延制御

システムに内在するゆらぎと制御の関係に関して、生物システムを対象にアトラクター摂動という概念が提唱されている。アトラクター摂動モデルでは、ゆらぎのあるシステムへの外力を微少量だけ変化させたときのシステムの観測値の変化量が、外力の変化量と観測値の分散の積に比例することが示されている。すなわち、アトラクター摂動モデルにもとづくと、観測値をある量だけ変化させるために必要な制御の変化量を観測値の分散から推定することができる。本研究では、このアトラクター摂動の概念を応用することにより、エンド間遅延をある一定値に保つことのできる送信レート制御手法を提案している。インターネットは、複数の利用者がネットワークの帯域を共有するベストエフォート型のネットワークであるため、一定のレートでパケットを送出したとしてもネットワークに内在する様々なゆらぎの影響を受け、エンド間の遅延は一定にはならない。

提案手法では、送信側端末においてエンド間遅延とその分散から送信レートを決定することにより、ネットワークの負荷変動に対して所望のエンド間遅延を達成、維持することができる。シミュレーション評価により、ボトルネックリンクを模したダンベル型トポロジーにおいて、バックグラウンドトラヒックの増減に対し、事前に定められた所望のエンド間遅延を達成、維持しつつ、改良前の手法よりも高い送信レートを保てることを示した。

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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。

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1.1.6 センサーネットワークにおける受信端末始動型プロトコルのロバスト性の評価

リンクやノードの故障が問題となるセンサーネットワークにおいて、ロバスト性が重要な性質として注目を集めている。これらの問題が生じた場合には、通信経路が変わることで通信負荷の集中やコネクティビティ、リーチャビリティの損失が発生し、システムの性能が低下してしまう。しかしながら、センサーネットワークに関する既存の多くの研究では、定量的なロバスト性の評価は行われておらず、また、何がロバスト性をもたらすのかが議論されていない。そこで本研究では、無線センサーネットワークにおけるロバスト性を定義および評価し、その改善を行う。計算機シミュレーションにより、受信側始動タイプのMACプロトコルが送信側始動タイプのMACプロトコルよりもロバストであること、単純な迂回路を用いるルーティングアルゴリズムが、最小ホップルーティングの3倍以上ロバストであることを示した。

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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

センサーネットワークの課題の1つに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き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。そこで我々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する。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例えば集中制御のような方法で管理することで、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す。さらに、センサノードの中継負荷を分散することで最も負荷の高いセンサノードの消費電力を抑制し、ネットワーク寿命を138%延長できることを示す。

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1.1.8 ポテンシャルルーティングに基づく無線センサーネットワークにおける下り方向通信の実現

センサーネットワークにおいては、多数のセンサノードがセンシングしたデータをシンクノードに届けるための、センサノードからシンクノードに対しての上り方向の通信を実現する手法は数多く存在する。一方で、シンクノードから特定の位置に存在するセンサノードに対してクエリや特別な命令を送るという下り方向の通信に対する要求があるが、センサーネットワークのための多くのルーティング手法は、下り方向の通信に適用することができない。そこで本研究では、ポテンシャルルーティングを用いて、シンクノードからセンサノードへの下り方向のルーティングを実現する手法を提案し、その有効性を計算機シミュレーションによって評価する。提案する方式では、マルチシンク無線センサーネットワークを対象として、それぞれのシンクノードごとにポテンシャル場を構築し、複数のポテンシャル値の組み合わせを用いることによって各センサノードを識別し、任意のノードへの到達を実現することを目指した。シミュレーションにより、パケット損失率が0.1 以下の条件下で、データの到達率が90%以上であることを示した。

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1.1.9 スマートメータリングシステムにおける長寿命化のための負荷分散手法

マンションのような集合住宅にスマートメータリングシステムを導入した場合には, 一般的にノードの配置密度が高いため、隣接ノードが非常に多いネットワークトポロジーを形成する. このような状況においてシンクノードからのホップ数のみに基づいたルーティングを行なうと、ホップ数が同じノードであっても、位置によって負荷や伝送能力が大きく異なり、ネットワーク寿命の短縮や性能劣化の要因となる。そこで本研究では、トポロジーに基づいたルーティングと間欠周期の制御により上記の問題を解決する手法を提案する. シミュレーション評価の結果、既存手法に対しネットワーク寿命を約53%延長し、平均遅延時間を約21%削減できることが明らかになった。

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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 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、提案手法のオーバヘッドが低いことを示した。

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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。

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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、ここのノードが最適化問題にもとづく資源割り当てを行う場合よりも高い満足度を得られることを示した。

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1.2.4 受信端末始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

受信端末始動型の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した。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い、ネットワーク寿命に最も大きな影響を与えるパラメータ設定値の求める手法を示した。

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