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

無線技術の進歩に伴い，小型で安価なセンサノードで構成される大規模なセンサーネットワークが実用化され，その適用範囲が広がりつつある．無線通信環境は，有線と比較してパケット損失率が高く品質も不安定である．また，センサノードの移動や故障に伴うネットワーク構成の変化も頻繁に起こると考えられる．このようなセンサーネットワークにおいて，すべてのセンサノードから情報を収集し，また制御情報を配信するような集中型の制御は適していない．また，集中型の制御には，多数のセンサノードに起因するスケーラビリティの問題もある．そこで，本研究では，センサーネットワークにおける自律分散型の制御方法に関して，その性能を明らかにすることを主なテーマとしている．

1.1.1 パルス結合振動子モデルにもとづくセンサーネットワーク通信機構

センサーネットワークにおける情報収集・拡散においては，メッセージ送受信のタイミングをセンサ端末間で調整することにより，センサ情報集約による消費電力削減，長期間のスリープによる長寿命化を図ることができる．一方，多数のセンサ端末が無作為に配置され，さらにセンサ端末の追加，除去，移動が発生することから，センサーネットワークの制御手法は自律分散型で自己組織的であることが求められる．

そこで，本研究においては，センサ端末による自律的なタイミング調整により，センサーネットワーク全体として適切な周期，タイミングでセンサ情報がやりとりされるよう，蛍やコオロギなどに見られる相互干渉による同期メカニズムをモデル化した，パルス結合振動子モデルを応用している．パルス結合振動子モデルでは，パラメータや位相応答曲線（PRC: Phase Response Curve）の設定によって全振動子の完全同期や，振動子がある位相差を保って発火する進行波を実現することができる．本研究では，任意の初期状態からアプリケーションの望む通信パターンを生成する機構を提案している．シミュレーションにより，提案手法を用いることで単数・複数のセンサ端末を中心とした，情報拡散・情報収集の通信パターンを自律的に生成できることを示した．また，市販のセンサー端末を用いた実験によって，16台のセンサー端末からなるセンサーネットワークにおいておよそ95 %の収集率を達成できることを確認した．

[関連発表論文]

1.1.2 確実かつ迅速な緊急情報伝達機構（沖電気社との共同研究）

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．

[関連発表論文]

1.1.3 適応的で頑健なセンサーネットワーク通信機構（大阪大学大学院情報科学研究科今瀬研究室との共同研究）

アリは，巣と餌の間に最短経路を構築することが知られている．アリは，餌を発見するとフェロモンを残しながら巣に戻る．新たに巣から出たアリはフェロモンを辿ることによって餌に到達し，同様に，フェロモンを残しながら巣に戻る．フェロモンは揮発性があるため，短い経路にはより多くのフェロモンが蓄積されることになり，多くのアリを惹きつけるため，ほとんどのアリが最短経路を通るようになる．一方，他の長い経路もフェロモンによってアリを惹きつけることにより維持され，最短経路が失われた際にはそれら代替経路のうち最短のものが新たに利用，強化されることとなる．

本研究テーマではこのようなアリの採餌行動に着想を得ることにより，センサーネットワークのための適応的で耐故障性，拡張性を有する通信機構を提案している．多数のセンサノードからなる無線センサーネットワークについては，自然環境観測，職住環境制御，農業生産支援など様々なアプリケーションが考えられており，その通信の形態は，アプリケーションや状況によって様々に変化する．そのため，アプリケーション要求に応じた様々な通信を実現可能な適応性のある通信機構が必要とされている．そこで，本研究テーマでは，アリの採餌行動に着想を得た，通信形態（一対一，一対多，多対一，多対多）に対する適応性，障害に対する頑健性，ネットワーク規模に対する拡張性を有するランデブ型の通信機構を提案している．シミュレーション評価により，さまざまな通信形態に対して，障害の発生する環境において，従来手法よりも低い負荷で同程度の配送率を達成できることを示した．

[関連発表論文]

1.1.4 カメラセンサ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（松下電器産業株式会社との共同研究）

遠隔監視・観測を目的とするカメラセンサ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，本研究テーマでは，反応拡散モデルにもとづくことにより，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]

1.1.5 センサー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．

[関連発表論文]

1.1.6 センサー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．

[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 スケーラブルでロバストなアドホックネットワーク経路制御手法（大阪大学大学院情報科学研究科今瀬研究室との共同研究）

アリは，巣と餌の間に最短経路を構築することが知られている．アリは，餌を発見するとフェロモンを残しながら巣に戻る．新たに巣から出たアリはフェロモンを辿ることによって餌に到達し，同様に，フェロモンを残しながら巣に戻る．フェロモンは揮発性があるため，短い経路にはより多くのフェロモンが蓄積されることになり，多くのアリを惹きつけるため，ほとんどのアリが最短経路を通るようになる．一方，他の長い経路もフェロモンによってアリを惹きつけることにより維持され，最短経路が失われた際にはそれら代替経路のうち最短のものが新たに利用，強化されることとなる．

本研究テーマではこのようなアリの採餌行動に着想を得ることにより，適応的で耐故障性を有するマルチパス経路制御手法を提案している．経路構築においてアリ（制御パケット）は辿った経路のフェロモンを若干量更新するだけであるため，アリの誤りや消失の経路に与える影響は小さい．その一方で，安定した高品質な経路が構築されるためには相当量のアリを送信する必要があり，特にノード数が多い場合にはシグナリングオーバヘッドが問題になる．そこで，アリを送出する際のTTLを多段階化することによってオーバーヘッドを抑えるとともに，効率のよいアリの移動制御手法を提案している．また，ノードの通信能力の差異などによって発生する単方向リンクを積極的に経路に取り入れることにより，より短く，より多い経路を構築する経路制御手法についても検討し，AODVと比較して約1/4の遅延で経路を構築し，約1.3倍のパケット配送率を達成できることを示した．

[関連発表論文]

1.2.2 カメラセンサネットワークにおける画像データの転送手法

静止画・動画は撮影対象に関する多くの情報をもたらすことから，カメラを利用したセンサーネットワークは監視・観測アプリケーションを実現する主要な手段である．しかしながら，センサーネットワークは電池残量や無線通信容量の制限があり，また，通信の衝突，雑音による情報欠落が頻繁に発生することから，データ量の多い画像情報を効率的に，かつ画像品質を保ちつつ転送する転送手法が必要となる．

本研究においては，FEC（Forward Error Correction）によって情報欠落に対する耐性を高めつつ，送受信端末間に確立された複数の通信経路を効果的に組み合わせることにより，電力効率がよい高品質な画像データ転送を実現する手法を提案している．提案手法では，それぞれの経路におけるパケット棄却率と消費電力に関する情報にもとづき，信頼性と電力効率に関する最適化問題を解くことにより，アプリケーションの要求する画像品質を保ちつつ消費電力を最小化する，経路ごとの転送パケット数を決定する．さらに，受信側端末からのACK受信によって冗長なパケット送出を抑制することにより，電力消費を抑える．シミュレーション評価により，FECだけを用いた手法と同程度の信頼性を44%少ない電力消費で実現可能なことを示した．

[関連発表論文]
  • Youssef Charfi, Naoki Wakamiya and Masayuki Murata, “Trade-off between reliability and energy cost for content-rich data transmission in wireless sensor networks,” in Proceedings of Third IEEE/CreateNet International Workshop on Broadband Advanced Sensor Networks (BaseNets 2006), (San Jose), October 2006.
  • Youssef Charfi, Naoki Wakamiya and Masayuki Murata, “Adaptive and reliable multi-path transmission in wireless sensor networks using forward error correction and feedback,” to be presented at IEEE Wireless Communications & Networking Conference (WCNC 2007), (Hong Kong), March 2007.

    • 1.2.3 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．

    そこで本研究テーマでは，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ー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]

    1.2.4 低消費電力アドホック・メッシュネットワークに関する研究（富士電機アドバンストテクノロジーとの共同研究）

    アドホック・メッシュネットワークは，複数経路をもつため通信信頼性の高いトポロジーと考えられているが，一般に消費電力が大きく，それを抑制することが重要な課題である．消費電力の削減を目的とした通信方式として，各ノードを間欠的に動作させる方式が有効である．本研究で対象とするアドホック・メッシュネットワークは，複数の受信側ノードが間欠的に自身のIDを送信し，送信側ノードがそれを受信することで通信を開始する方式(IIDR: Intermittent ID transmission of Receivers)を採用している．本方式は消費電力の抑制を目指して開発されたものであるが，その基本性能特性は現在十分明らかではなく，実装されたパラメータ値も実験的に決められたものである．そこで本研究では，シミュレーションにより，システムの動作を決定するパラメータ値が，パケット収集率やパケット平均伝播遅延，電力消費などの基本性能に与える影響を明らかにし，性能を向上するパラメータの設定方法の指針を示す．

    まず，パケット発生率の上昇により，センタ隣接ノードで横向き転送回数の増加や，それに伴うパケットの最大中継回数超過が，パケット収集率の減少，パケット平均伝播遅延時間の増加，消費電力の増大につながることを明らかにした．次に得られた基本性能特性をもとにして，センタノードの間欠周期の設定により，センタ隣接ノードで横向き転送を減少させ電力消費を70%削減できることを示した．さらにノードごとの負荷によって間欠周期を個別に設定することでパケット転送の負荷の分散を行い，負荷が分散されたノード全体で消費電力が10%削減できることを示した．

    [関連発表論文]