1. IoT (Internet of Things)/M2M (Machine-to-Machine) 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. 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
ネットワークの大規模化、複雑化に伴い顕在化した問題を解決するため、生物の仕組みに着想を得た自己組織化の原理が注目を集めている。しかし、自己組織化の原理を応用した自己組織型システムは、システム全体の最適性が保証されない、機能創発に長い時間を要するという問題を有しており、ひいては環境変動への適応速度の遅さにつながっている。自己組織型システム本来の局所性を維持しつつ、変化し続けるネットワーク環境へと適応していくために、我々は管理型自己組織化制御に着目している。管理型自己組織化制御は、システムの外部に管理ノードを導入し、システム外部から観測および制御入力を与えることにより所望の状態へとシステムを誘導する制御技術である。本研究では、集中型の管理により実現する最適フィードバックメカニズムを、自己組織的な経路制御手法であるポテンシャルルーティングに組み込むことで、図に示すように、自己組織型制御の収束性を向上する手法を提案した。さらに、管理ノードによる情報収集コスト、計算コストを抑制するために、管理ノードの分散化も実現した。管理ノードの分散化に関しては、生物の集団的行動モデル（collective dynamics）に関する知見を元に、適切な個数や配置箇所を示した。
[関連発表論文]
- Naomi Kuze, Daichi Kominami, Kenji Kashima, Tomoaki Hashimoto, and Masayuki Murata, “Controlling large-scale self-organized networks with lightweight cost for fast adaptation to changing environments,” ACM Transactions on Autonomous and Adaptive Systems, vol. 11, June 2016.
- Saeko Shigaki, “Conquering information uncertainty by biological collective decision making for self-organized networks,” Master's thesis, Graduate School of Information Science and Technology, Osaka University, February 2017.
- Saeko Shigaki, Naomi Kuze, Daichi Kominami, Kenji Kashima, and Masayuki Murata, “Self-organized multi-agent control method inspired by collective decision making,” Technical Report of IEICE (NS2016-145), vol. 116, March 2017.
1.1.2. 脳ネットワークの構造に着想を得たロバスト性を有するネットワーク構成手法
将来における無線センサーネットワークは、単に情報を収集するだけではなく、Internet of Thingsに統合された情報基盤としてその重要性を増していくと考えられている。多様な通信要求に適切に応じるために、ネットワークの構造自体をどのように設計するべきかという観点から遅延時間や通信帯域、耐故障性といったネットワーク性能を向上することも重要な課題となる。そこで我々は、人間の脳ネットワークの構造に着目した。脳ネットワークは高い通信効率とロバスト性を有することが期待され、その特徴を有するネットワークトポロジーを構築する手法を提案する事により、これらの課題の解決を目指す。このようなトポロジー構築方法の応用先として、センサーネットワークにおいて有効となるトポロジー特性評価および仮想ネットワーク構築に取り組んだ。注目すべき点として、脳ネットワークが有する階層的なモジュール構造とスモールワールド性、特徴的な次数相関があり、これらの構造的特徴を導入したトポロジー構築方法の有効性をシミュレーション評価およびパーコレーション解析により示した。また、脳ネットワークの接続構造を生成するモデル、脳ネットワーク内のモジュール間の依存モデルを応用することで、高い通信効率、低い接続コスト、ロバストな接続構造を生成するモデルを提案した。
[関連発表論文]
- Shinya Toyonaga, Daichi Kominami, and Masayuki Murata, “Percolation analysis for constructing a robust modular topology based on a binary-dynamics model,” to appear in International Journal of Distributed Sensor Networks, May 2016.
- Shinya Toyonaga, Daichi Kominami, and Masayuki Murata, “Virtual wireless sensor networks: Adaptive brain-inspired configuration for Internet of Things applications,” Sensors, vol. 16, p. 1323, August 2016.
- Masaya Murakami, Daichi Kominami, Kenji Leibnitz, Tetsuya Shimokawa, and Masayuki Murata, “Constructing a virtual IoT network using a cerebral cortical connectivity model,” Technical Report of IEICE (CCS2016-18), vol. 116, pp. 9-14, August 2016.
- Masaya Murakami, Shu Ishikura, Daichi Kominami, Tetsuya Shimokawa, and Masayuki Murata, “Robustness and efficiency in inter-connected networks with changing the network assortativity,” to appear in Applied Network Science, September 2016.
- Shinya Toyonaga, Robust and Adaptive Network Architecture for Internet of Things. PhD thesis, Graduate School of Information Science and Technology, Osaka University, January 2017.
- Masaya Murakami, Kenji Leibnitz, Daichi Kominami, Tetsuya Shimokawa, and Masayuki Murata, “Constructing virtual IoT network topologies with a brain-inspired connectivity model,” in Proceedings of the 11th International Conference on Ubiquitous Information Management and Communication (ACM IMCOM), pp. 1-7, January 2017.
- Masaya Murakami, “Analysis and strategies for improving robustness and efficiency of interconnected networks,” Master's thesis, Graduate School of Information Science and Technology, Osaka University, February 2017.
- Masaya Murakami, Daichi Kominami, Kenji Leibnitz, and Masayuki Murata, “Analysis and strategies for improving robustness and efficiency in interconnected networks,” Technical Report of IEICE (IN2016-166), vol. 116, March 2017.
1.1.3. センサーネットワークを用いた屋外環境下における音源位置推定手法
様々な生物の振る舞いを解析することで得られた数理モデルを情報通信分野に用いることで、環境適応力を有する通信制御手法へとつながることが期待されている。生物の振る舞いを知るためには生物の生態調査が必須であるが、中にはその発見が非常に困難な種もいる。本研究はニホンアマガエルの合唱行動に着目しており、①発生個体の位置推定、②発生情報を元にした合唱モデルの構築、③センサーネットワークへの応用、の三点を行っている。位置推定については、カエルの鳴き声を用いることで位置の推定を行う。信号到着角を用いた位置推定システムの実装を行い、その性能を評価した。単一音源の位置推定シミュレーションによって、9m四方の領域内で、実装したシステムの位置推定誤差が50 cm 以下であることを示した。また、カエルの合唱モデルに関して、従来短い周期では逆相同期を行うことが知られていたが、より長い周期に着目すると、群れ全体が合唱する状態と、鳴かずにいる状態が交互に現れる。この長期的ダイナミクスのモデルを構築し、センサーネットワークへの応用可能性を示した。
[関連発表論文]
- Yasuharu Hirano, Daichi Kominami, Ikkyu Aihara, and Masayuki Murata, “Real time localization methods for calling frogs using a wireless sensor network,” in Proceedings of the 3rd Annual Meeting of Bioacoustics, Poster Session, December 2016.
- Yasuharu Hirano, “Collecting and analyzing chorus of Japanese tree frogs and its application to energy-efficient control of wireless sensor networks,” Master's thesis, Graduate School of Information Science and Technology, Osaka University, February 2017.
- Ikkyu Aihara, Daichi Kominami, Yasuharu Hirano, and Masayuki Murata, “Autonomous distributed control methods for wireless sensor networks based on nonlinear dynamics of frog choruses,” Technical Report of IEICE (IN2016-155), vol. 116, March 2017.
1.2. 次世代移動体通信ネットワークに関する研究
1.2.1. M2M通信収容のためのモバイルコアネットワークアーキテクチャの確立
携帯電話加入者数の増加や高機能なスマートフォン等の普及により、3G やLTE などのモバイルネットワークにおいて、ユーザプレーンとコントロールプレーンの双方において発生する輻輳への対応が課題となっている。特にコントロールプレーンの輻輳については、新たな需要拡大を伴う通信形態であるMachine-to-Machine (M2M) 通信による影響が大きいと指摘されている。M2M通信は、通信するデータ量そのものは多くはないが、端末数が膨大になるとされており、その通信特性は大きく異なる。そのため、M2M 通信を行う端末(以下ではM2M 端末と呼ぶ) を従来の携帯電話端末と同じ方式でモバイルネットワークに接続すると、特にコントロールプレーンの輻輳が悪化すると考えられる。スマートフォンのようなユーザ端末のトラヒックはユーザの端末操作に応じて発生し、遅延時間に対する要求条件も厳しいため、輻輳解消のための制御は不向きである。一方、M2M 端末が発生させる通信は一般的に機械に組み込まれることが多く、端末数が非常に多く、間欠的であり、遅延時間に対する制約はユーザ端末に比べると緩い。このような特性を持ったトラヒックに関して、制御の効果を生み出しやすいことが期待される。
そこで本研究では、モバイルコアネットワークの負荷を軽減するための通信集約手法を提案し、その性能評価を行った。また、端末側のシステムインテグレータで集約を行う場合やネットワークにおいて集約を行う場合等の集約箇所の違いや、集約の度合が性能に与える影響を数学的に解析し、集約によって軽減されるモバイルネットワークの処理負荷や、M2M 通信に新たに発生する遅延時間の特性を評価した。評価の結果、モバイルコアネットワークの仮想化を行い、資源利用効率を高めることで、端末収容効率が32.8%向上し、通信集約手法を適用することでさらに201.4%の向上が可能であることを明らかにした。
さらに、モバイルコアネットワークの実装であるOpen Air Interface (OAI)に基づいて実験ネットワークを構築し、ノードに負荷をかけた際のベアラ確率時間の評価を行った。その結果、ノードが高負荷である状態では、小さいが無視できない確率で、シグナリングメッセージの処理時間が10倍から100倍に増大することがわかった。
[関連発表論文]
- 長谷川剛, 村田正幸, “ノード仮想化とプレーン分離を適用した広域モバイルコアネットワークの性能評価,” 電子情報通信学会技術研究報告(NS2016-10), vol. 116, pp. 47-52, April 2016.
- 阿部修也, 長谷川剛, 村田正幸, “C/U 分離を適用したモバイルコアネットワークにおける通信集約方式の性能評価,” 電子情報通信学会技術研究報告(NS2016-122), vol. 116, pp. 25–30, December 2016.
- 上野真生, “仮想化モバイルコアネットワークの機能配置のためのシグナリングプロトコル処理遅延の実験的評価,” 大阪大学基礎工学部情報科学科特別研究報告, February 2017.
1.2.2. 仮想化技術に基づくモバイルアクセスネットワークの消費電力削減効果(沖電気との共同研究)
近年、第5世代携帯電話網の実現に向けて、モバイルネットワークを構成するRadio Access Network (RAN)やフロントホールネットワーク、バックホールネットワークの再考が進んでいる。そのような新たなネットワークにおいては、資源利用効率を高めるために、計算機資源やネットワーク資源の仮想化技術が前提となっている。特に、Software Defined Network (SDN)技術は、ネットワークの柔軟な制御を可能とする重要な技術として考えられている。モバイルネットワークに対して仮想化技術を適用することで、トラヒック需要の変動に応じた柔軟な計算機資源の制御やネットワーク制御が可能となる。また、ネットワークの省電力化に対しても有効であると考えられている。しかし、特にモバイルネットワークにおいては、仮想化技術の適用によるそれらの効果の定量的な評価はほとんど行われていない。
そこで本研究では、モバイルアクセスネットワークに着目し、仮想化技術に基づいた集中制御の有効性を明らかにすることを目的とした。そのために、まず、評価対象である、仮想化技術を前提としたアクセスネットワークのモデル化を行う。次に、そのモデルをモバイルアクセスネットワークへ適用し、数値評価を行う。性能評価は、端末を含めたネットワーク全体の消費電力、端末の通信時に発生する遅延時間やスループットの観点で行う。評価の結果、消費電力が低く抑えられる一方で遅延時間やスループットが悪化する場合があるということがわかった。
[関連発表論文]
- 山崎里奈, “仮想化技術に基づくモバイルアクセスネットワークの消費電力の削減効果に関する解析的性能評価,” 大阪大学基礎工学部情報科学科特別研究報告, February 2017.
1.2.3. 第5世代移動通信システムの移動管理制御の安定性向上策（NECシステムプラットフォーム研究所との共同研究）
第5世代移動通信システムの実現に向けて様々な研究がなされている。本研究では、我々が以前取り組んだ自律分散型の移動管理エンティティ（MME）に残っていた問題点を解決した。具体的には、局所的な情報に基づく自律分散型のシステムでは、システム全体の思惑から外れた行動をとるエンティティが存在する可能性がある。そのことが、以前提案したシステムでは、解の不安定さにつながっていた。自律分散的に存在するシステムに対して、その全体像を把握することはせず、システムから定期的にサンプリングした性能のみに基づいた、システムへの制御入力が、この不安定さの解決に有効であることを示した。
[関連発表論文]
- Daichi Kominami, Takanori Iwai, Hideyuki Shimonishi, and Masayuki Murata, “A control method for autonomous mobility management systems toward 5G mobile networks,” to be presented at IEEE International Conference on Communications, Workshop (ICC2017-WS03), May 2017.
1.3. IoTネットワークにおける相互依存関係に関する研究
1.3.1. 電力供給ネットワークと情報ネットワークの相互依存関係
インターネットや企業情報ネットワークなどの情報通信ネットワークは、一般的に基幹部分には冗長化構成を採用しており、情報ネットワーク自身の障害に対しては一定レベルの可用性を有している。一方、電力供給ネットワーク（以下、電力ネットワークと記す）に対しては、電力を供給され制御を行うといった機能的な依存関係や、同一の地理的な場所に設置されるといった空間的な依存関係を有する。例えば、地震の際に、広域情報ネットワークにおいて情報機器の電源が失われたり、情報ネットワークと電力ネットワーク双方の機器やケーブルが収容されている建物や管路が損壊したりするといった事例が報告されているが、従来の情報ネットワークの可用性に関する検討は、このような依存性を十分には考慮していない。
そこで本研究では、情報通信ネットワークの電力供給ネットワークへの依存性に着目し、電力供給ネットワークの障害時における情報通信ネットワークの脆弱性の評価を行った。まず、障害時における電源停止範囲の観点から電力供給ネットワークのトポロジーをモデル化し、システム全域での通信帯域を指標とした情報通信ネットワークの脆弱度を提案した。次いで、四つの建物からなる構内設備情報をもとに情報通信ネットワークの脆弱度を評価した。その結果、データセンーに集約される通信の場合、全トラヒックが遮断される確率が0.01 程度であるが、データセンター内のサーバやスイッチにUPS を適用することで改善が図れ、各部屋に分散される通信の場合、同確率が0.003 程度であるが、100 台以上のUPS を割り当てても改善効果が小幅に止まることを明らかにした。
[関連発表論文]
- 小川祐紀雄, 長谷川剛, 村田正幸, “電力供給ネットワークへの依存性を考慮した構内情報通信ネットワークの脆弱性に関する一検討,” 電子情報通信学会情報ネットワーク研究会(NS2016-104), vol. 116, pp. 43-48, March 2017.