研究背景

　本研究課題では，申請者らが培った指向性無線電波通信の技術を土台に，高い通信端末密度の超多端末モバイル環境においても，時間，空間，周波数の無線資源に加えてエネルギーを効率的に使用して通信可能な無線アクセス制御技術，マルチホップ経路制御，フロー制御技術，情報配信技術を開発する．より具体的には，無線通信を，適応指向性通信，複数周波数帯併用，全二重通信，ネットワーク符号化，指向性単位スリープ等で高度化する技術とともに，画像・光無線によって状況を把握して無線通信を支援する画像・光・電波連携方式により高度化する技術を開発する．また，この技術を検証するための基礎テストベッドを構築し実証実験を行う．本研究では，電波と電波以外の無線通信メディアの併用による時間空間周波数資源の極限利用を10年程度先の最終目標とする．

↑ Page Top

研究内容

1. (1) 全二重通信，複数周波数帯域併用等による無線電波通信の高度化
2. (2) 画像・可視光信号を用いた通信条件の把握を用いた制御（画像・光・電波連携プロトコル（ORCP: Opt-Radio Convergence Protocols）の設計と理論・シミュレーション評価
3. (3) 応用面の検討

↑ Page Top

研究メンバー（所属、職は、2012年開始当時）

渡辺　尚

静岡大学　創造科学技術大学院　教授

小花　貞夫

電気通信大学　情報理工学研究科　教授

萬代　雅希

上智大学　理工学部　准教授

石原　進

静岡大学　創造科学技術大学院　准教授

四方　博之

関西大学　システム理工学部　准教授

↑ Page Top

研究の一部の紹介

1. (1) 近年、ディジタル信号処理などの進展により、各種の新たな物理層技術が開発されている。指向性通信、重畳符号化、逐次干渉除去、無線全二重通信などが挙げられる。（図１）

   

2. (2) 指向性制御実験装置UNAGI/ESPAR1
   　電波の指向性を動的に制御できるスマートアンテナを利用したアドホックネットワーク実験装置を構築した。図２に示すのは、ATR大平孝氏（現　豊橋技科大教授）を中心とするグループが開発したESPARアンテナを利用したものである。ESPARアンテナは、キャパシタンス制御のため電荷の移動が少なくスマートアンテナの中でも比較的応答性が高いアンテナである。

   

3. (3) 無線全二重通信を有効利用するメディアアクセス制御
   　物理層では、図３、図４に示すように自分で出した信号を受信信号から削除する。また、図５には、アンテナキャンセルを用いた場合のキャンセル量の測定を行った結果を示す。この簡単な装置では、約12dBのキャンセルが達成できている。実際には、100dB以上のキャンセル量が必要であり、2013年Stanford大学が110dBを達成しているのが現時点での最高値となっている。
   　しかし、全二重通信を物理層で実現できても、うまく交通整理をしないと効率が上がらない。本研究では、送信と受信をうまく組み合わせる全二重メディアアクセス制御や、全端末が全二重通信できる場合だけでなく一部の端末が半二重通信しかできない場合でも対応できる混在型メディアアクセス制御などを研究している（図６）。
   　また，無線LAN環境におけるメディアアクセス制御プロトコルとして，全二重無線通信が適用される機会を向上させるために，アクセスポイント（AP）におけるコンテンションウィンドウ（CW）を動的に制御する手法を提案した．提案プロトコルでは，APの送信キューにしきい値を設け，待機フレーム数に応じて，大小二つのCWを適応的に用いる．待機フレーム数がしきい値よりも多い場合，小さなCWが適用することでAPの優先度を向上させる．
   　さらに，MIMO全二重通信を無線LAN環境で用いるためのメディアアクセス制御プロトコルを提案した．提案MACプロトコルは，MIMO全二重通信の適用機会を増やすために1対多通信および多対1通信を許容することで無線LAN環境でのスループット性能の向上を目指すものである（図７）．

   

   

   

   

   

4. (4) 逐次干渉除去と重畳符号化を有効利用するメディアアクセス制御
   　通常、同時に受信した複数の信号は衝突となり、両方とも受信できない。これに対し、衝突した信号からそれぞれを取り出す技術の一つが、ここで言う逐次干渉除去である。これを用いると複数端末からの信号を同時に受信できる。図８に示すように、同時に複数の信号を重畳符号化によって送信する。遠方端末と近傍端末に対して、別々の情報を同時に送信する。近傍端末では、逐次干渉除去を用いている。これをさらに電力制御、データ量制御を加えて高度化したものが図９に示すTSPC-MACである。
   　さらに，無線マルチホップネットワークのスループットを向上するために、物理層ネットワークコーディングや重畳符号化方式の研究に取り組んだ。物理層ネットワークコーディングは、ネットワーク符号化と干渉除去を融合しスループットを向上する技術として注目を集めている．本研究では物理層ネットワークコーディングを、より大規模なネットワークに適用し干渉信号を考慮した場合の特性について、確率論的幾何学を用いた理論解析評価を行った（図１０）。また、重畳符号化方式については、USRP2の実験プラットフォームを用いた実装に取り組み、実用的な特性評価を行った。

   

   

   

5. (5) 電波に加えて光信号を活用する無線通信の効率化のためのプロトコル
   　電波だけでなく光信号を活用して無線通信の効率化を実現するプロトコルを設計した。具体的にはカメラ映像から得た可視光情報を用いて個々の端末の位置を識別することで、位置検出のために通信に使用する電波通信帯域を消費することなく、端末位置を利用した電波通信の効率化（スマートアンテナのビーム方向、基地局の選択，キャリアセンス閾値の適応的選択）を実現する手法、ならびにその要素技術を設計した。
   　まず，可視光点滅信号に基づく移動端末の位置検出手法を開発した．このシステムでは、カメラ映像の各フレームを二次元に分割し、ブロック毎に計算した代表値の変化の周波数に基づいて、端末のもつ光源点滅パターンを検出する。
   　次に，高密度APが存在する無線LANにおける動的送信元アクセスポイントの変更とフレーム送信スケジューリングについて検討した．単一チャネル上で空間利用効率を向上させるために、端末と通信を行うAPを宛先毎に動的に変更し、下り方向のフレームをスケジュールする手法を設計し，ネットワークが飽和した環境でスループットを約20%向上できることを確認した（図１１）。
   　さらに，端末位置に応じてAPが用いるキャリアセンス閾値を変更することで、無線LANのスループットを向上する手法を開発し、特に端末位置がAPに近い場合に既存手法に対し、80%以上のスループット向上が得られることを確認した（図１２）。

   

   

6. (6) 電力伝送センサネットワークにおけるデータ中継手法
   　無線電力伝送を用いたセンタネットワークのための、スループット向上協調中継方式の研究に取り組んだ。電力伝送を行うシンクに対する距離により、各ノードの獲得電力量に大きな差が生じる点に着目し、余剰エネルギーを有するノードを中継ノードとして活用することで、シンクから離れたノードの通信特性を改善し、電力伝送コストを抑制する方式の検討を行った。本検討により、電力伝送とデータ通信の間に存在する相互作用を明らかにすることを目指している（図１３）。

   

7. (7) ITS(高度道路交通システム)応用に関する検討
   　狭域交通情報共有のための車車間通信における車両位置情報に基づく中継転送方式を提案した．提案方式では，700MHz帯車車間通信により共有される位置情報から送信車両との距離の明確な順序付けを行い，遠い車両を待ち時間の少ないSlotに割当てることにより，メディアアクセス制御層のコンテンション機構に基づいて効率的に中継車両を選択する．シミュレーション評価により提案方式が既存方式と比べて，交通情報の拡散率を33%向上させ，また遅延時間を55%低減できることを確認した（図１４）．
   　また，歩車間通信における歩行者端末のコンテクストに基づく送信優先度制御方式を提案した．歩行者事故低減のための歩車間通信において, 危険度の高い人が優先的に通信を行えるようにするコンテクストに基づく送信優先度制御方式を提案した．具体的には, 1) 歩行者事故の多い交差点と単路での事故モデルの定義，2)その上でコンテクストを使った歩行者の危険度の判定方法, ならびに3) 通信の送信優先度制御方式を提案した（図１５）．

   

   

↑ Page Top

主な発表論文等

↑ Page Top