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 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．さらに，反応閾値モデルの特性解析を行い，メッセージ欠損に対する耐性が高いことを明らかにした．

[関連発表論文]

1.1.2 無線ネットワークにおける効率的な情報共有機構

多目的型無線センサーネットワークにおいて，アプリケーション毎に独立してノード間の情報のやりとりを行うと，アプリケーション数の増加に伴って，メッセージの送受信による帯域および電力の消費や，状況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し，さらに，効率的な全ノード間情報共有の仕組みを検討している．まず，代表的な情報共有の機構をシミュレーションによって比較評価した結果，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．これを踏まえ，リング型情報伝播手法を基本とし，情報共有時間の短縮と，共有率の向上を目指し，領域分割による複数リングの構成，リング間でのトークン衝突を回避するためのスケジューリング手法，およびトークン消失から回復するためのトークン再生手法を提案した．シミュレーション評価により，これらの手法の組み合わせによって短時間で100%の全ノード間情報共有が達成できることを示した．

[関連発表論文]

1.1.3 自己組織型ネットワーク制御の収束性・適応性・安定性向上に関する検討

ネットワークのさらなる大規模化，複雑化によって顕在化する様々な問題に対応できる新たなネットワークシステムを構築するため，生物などにみられる自己組織化の仕組みを応用する手法が注目を集めている．自己組織型のシステムでは，局所的な情報を利用した簡単なルールに基づいて動作する構成要素が相互作用することによって，全体として望ましい機能や挙動が創発する．自己組織型のネットワーク制御技術は，拡張性，頑健性，適応性があることが示されているが，一方で，環境条件によっては局所界に陥る，収束性が低下する場合があることから，近年，制御された自己組織化の研究が行われるようになってきた．

そこで，本研究では，アリの採餌行動に着想を得た経路制御手法AntNetを題材に，大域情報を用いることなく探索領域を狭めることで，経路全体の収束時間を短縮する手法を提案した．シミュレーション評価により，探索範囲を制限することで自己組織化が促進され，収束性が向上するとともに，より短い経路が得られることを示した．

[関連発表論文]

1.1.4 無線センサーネットワークにおける情報収集プロトコルのロバスト性とレジリエンスの向上に関する研究

無線センサーネットワークにおいては，リンクの切断やノードの故障が頻繁な問題となるため，このような状況に対するロバスト性やレジリエンスが重要な性質として注目を集めている．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，レジリエンスの評価は行われていない．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とレジリエンス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，本研究で定義したロバスト性はネットワークの情報に関する依存性が低いほど高く，レジリエンスに関してはネットワークの情報を取得する頻度が高いほど高くなることを示した．

[関連発表論文]

1.1.5 無線センサーネットワークにおけるポテンシャルルーティングを用いた下り方向通信の実現

無線センサーネットワークにおいては，多数のセンサー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，センサー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ー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．本研究では，上り方向の通信を実現するポテンシャルルーティングを基にして，シンクノードからセンサー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する．提案方式では，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仮想座標として用いることによって個々のセンサーノードの位置を識別し，任意のノードへの到達を実現することを目指した．計算機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 99.5% 以上であること，さらに，提案手法がノード故障に対してロバストであることを示した．

[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ポテンシャル場を用いたモバイルシンク移動制御手法の実装と提案

情報収集を行う無線センサーネットワークにおいて，多くの場合，センサーノードの観測データを収集し，その観測データを利用者へ直接届けることが可能な，シンクノードの配置が前提とされる．しかしながら，人の立ち入ることが困難な環境においては，シンクノードの配置が困難な状況も考えられ，このようなシンクノードが存在しない場合には，それぞれのセンサーノードがセンシングしたデータを利用者に届けるために，遠距離通信を行うことによって利用者に直接データを届ける必要がある．このとき，センサーノードの消費電力が増大し，無線センサーネットワークの長期運用は困難となってしまう．本研究ではモバイルシンクの移動制御を用いてこの問題を解決する．建物の監視などの別の目的で巡回行動を行う巡回型ロボットを，データを所持するセンサーノードに誘導する移動制御手法を提案し，実機を用いた実験により評価を行う．実験により，ポテンシャル場を用いた巡回型ロボットの移動制御によって，制御を行わない場合では到達できなかったセンサーノードへ，6 分程度で到達することを示した．

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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化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，自己組織化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化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，ネットワーク全体の望ましい動作を管理することができない問題がある．そこで我々は管理型自己組織化制御に基づくポテンシャルルーティングを提案する．管理型自己組織化制御では，自己組織的に動作するノードの一部を集中制御などの方法で管理することで，自己組織化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ネットワークを対象と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，シンクノードの負荷を均一化できることを示す．さらに，センサー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ーノードの消費電力を抑制し，ネットワーク寿命を約 4 倍延長できることを示した．

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1.1.8 制御時間スケールに着目した管理型自己組織化制御に基づくネットワークの設計手法

大規模複雑化が進む通信ネットワークのために，管理型自己組織化を原理としたネットワーク制御の研究がなされている．しかしながら，様々な応用に関する研究は進んでいるものの，この管理機能の具体的な設計手法については未検討の課題である．本研究では，制御時間スケールに着目して，管理型自己組織化制御に基づくネットワークを設計する方法について提案および評価を行った．アーキテクチャの階層ごとに適応すべき環境変動の周期が異なることを示し，それぞれについての設計指針を示した．計算機によるシミュレーションから，提案した設計指針に従い制御周期を決定することで環境変動に適応的な性能が得られることを示した．

[関連発表論文]

1.1.9 カエルの発声行動に着想を得た自己組織的なセンサー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．

[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 環境変動に対する生物の適応機構を応用した頑健で適応的な経路制御手法

情報ネットワークの大規模化，複雑化に伴い，短期的なトラヒック変動から長期的で面的な障害など多様で予測不可能な摂動が頻繁に生じることが予想される．例えば，モバイルアドホックネットワークにおいては，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，まず，モバイルアドホックネットワークを対象に，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，高ノード密度，高移動性，過負荷，故障頻発の厳しい環境において，AODVやAntHocNetより，より低いオーバヘッドで，高いパケット配送率を得ることができ，高い耐故障性があることを示した．次に，有線網においても頑健で適応的な経路制御を実現するため，オンデマンド型経路制御手法であるMARASのプロアクティブ型経路制御への適用について検討した．プロアクティブ型経路制御では，通信の有無によらず定常的に他の全てのノードに対する経路情報を維持，更新しなければならないため，経路品質を取得するための制御オーバヘッドが問題となる．そこで，他のノードが実施した経路品質計測の結果を活用することにより，制御メッセージの送出を抑制する手法を提案し，削減前と比較して制御オーバヘッドを40%程度に抑えられること，また，OSPFと比較して1/8程度の制御オーバヘッドで同等品質の経路を維持できることを示した．

[関連発表論文]

1.2.2 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．

[関連発表論文]

1.2.3 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 (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る．IRDT方式では，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．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 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．そのため，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，利用することにより，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を求める手法を示した．

[関連発表論文]

1.2.5 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．

[関連発表論文]
  • Damdinsuren Chuluunsuren, Daichi Kominami, Masashi Sugano, Masayuki Murata, and Takaaki Hatauchi, “Load balancing techniques for extending smart metering system lifetime,” in Proceedings of 2012 IEEE Region 10 Conference (TENCON 2012), pp. 1-6, November 2012.

1.2.6 無線マルチホップネットワークにおける省電力手法がネットワーク性能に与える影響に関する研究

無線LAN規格であるIEEE 802.11は複数のデータレートを持ち，それぞれについて，符号化方法，消費電力，通信可能距離なども異なる．また，IEEE 802.11に存在する複数の規格は異なる特性を持つ．さらに，同じ規格であっても，ハードウェア構成が異なると，消費電力や通信可能距離は大きく異なる．そのため，IEEE 802.11無線LANにおける消費電力に関する議論を行う際には，実ハードウェアの仕様を考慮する必要がある．一方，無線技術の一般的な特性として，送信電力，通信可能距離及び，ビットエラー率などは複雑に関連している．すなわち，IEEE 802.11無線LANを用いた無線マルチホップネットワークにおいては，消費電力を決定する要素が多く存在し，かつ，それらの要素が複雑な関係を持つ．そのため，消費電力を抑えたデータ転送を行うためには，これらの要素の関係を明らかにし，データ伝送時の消費電力を解析的に評価する必要がある．

そこで本研究においては，IEEE 802.11無線LAN技術に基づく無線マルチホップネットワークにおけるデータ伝送を対象とし，その消費電力量解析を行った．具体的には，IEEE 802.11で用いられるMACプロトコルであるCSMA/CAの詳細な挙動に基づき，他ノードからの干渉による挙動の変化を考慮し，1ホップのデータ伝送における消費電力量を導出した．その後，送受信端末間でマルチホップによってデータを伝送した際の総電力量を明らかにした．さらに，実在するIEEE 802.11無線LANのネットワークインターフェースデバイスの消費電力データを利用し，解析結果を用いた消費電力量の評価を行った．評価の結果，ネットワークにおけるフレーム損失率が等しい場合には，より高いデータレートを使うことで，より小さい消費電力量が得られるが，低いデータレートを使うほうが消費電力量を抑えることが出来る場合があることを明らかにした．

[関連発表論文]
  • 通阪航, 長谷川剛, 村田正幸, “IEEE 802.11 マルチホップネットワークを用いた干渉を考慮したデータ伝送時の消費電力量解析,” 電子情報通信学会技術研究報告(NS2012-168)（発表予定）, vol. 112, pp. 19-24, March 2013.
  • Wataru Toorisaka, “Power consumption analysis of data transmission over IEEE 802.11 multi-hop networks,” Master’s thesis, Graduate School of Information Science and Technology, Osaka University, February 2013.