塩田 茂雄

近年,WiFiホットスポットを介して,ネットワークを使用するデータトラフィックが急速に増加している.テザリングは,中継端末を介して宛先端末にデータを配信する効果的な方法であり,これにより端末利用者の利便性が向上している.本論文では,テザリングネットワークにおける理論解析を行う.各端末の衝突確率とフレーム保持確率を解析的に表現することにより,ネットワークスループットを得ることができる.解析とシミュレーション結果の定量的な一致を示すことにより,解析式の妥当性を示す.

2地点(もしくは多地点)間でパケットを送信し,パケットが通過した経路の状態をパケットの観測結果から計測するアクティブ計測は,パケット到着時点での状態が任意時点での状態に等しいことを前提とした手法であるが,パケット到着時点の状態と任意時点の状態は一般に異なる.本研究では,リンク使用率の計測に焦点を当て,アクティブ計測された使用率と真の使用率との関係を待ち行列理論を用いて考察する.その結果,パケットの到着間隔が指数関数よりも変動性が大きい(小さい)と,使用率を実際よりも高く(低く)見積ることを導く.

センサ間距離の推定値と測定値の差の二乗和を目的関数とする最適化問題を解いてセンサの位置を決定する位置推定法(相互多辺測量法)について考察する.特に,以前我々が提案した2段階相互多辺測量法の推定精度を, (1)(C-shapeと呼ばれる)空間的に偏った配置でセンサが置かれており, (2)受信信号強度(Received Signal Strength Indicator: RSSI)によりセンサ間の距離を測定することを想定した条件において評価し,多次元尺度構成法による位置推定法と比較する.その結果,上述の条件においても2段階相互多辺測量法の方が多次元尺度構成法よりも推定精度の点で優れていることを明らかにする.

各センサが近隣のセンサまでの距離測定値と近隣のセンサの位置推定値を利用して三辺測量等を行って自らの位置を推定するとともに,推定結果の更新・精度向上のために各センサが位置推定結果を相互に再利用する「協調位置推定」が注目されている.本稿では,協調位置推定の代表的な手法である相互多辺測量法と多次元尺度構成法に着目し,アンカー(位置が既知のセンサ等)を利用しない相対位置推定の場合について,これら二つの手法の位置推定精度をシミュレーションにより定量的に評価する.その結果,相互多辺測量法の方が推定精度の点で格段に優れていることを明らかにする.

近年,従来の携帯電話よりも多機能で高性能なスマートフォンが普及してきている.本稿では,端末をスマートフォンでテザリングしてWi-Fiスポットへ接続する際に発生する輻輳を制御する方式を提案する.提案方式では,スマートフォンが端末に対して,一定の確率に基づいて受信確認応答を行わないMACフレーム受信機会制御(ROC)を適用する.その時の,1台のスマートフォンに接続する端末数に応じた最適なROCの受信拒否確率を解析的に求める.シミュレーションと解析との比較により,提案方式がスマートフォンでの輻輳を制御しエンド・ツー・エンドのスループットが向上することを示す.

センサの位置推定(特に協調位置推定)は,多くの場合,最適化問題に定式化でき,最適化問題を解いて位置推定値を求めることができる.協調位置推定を最適化問題に定式化する際の目的関数には,通常,非凸な非線形関数が用いられるので,降下法などにより数値的に解を求める必要があるが,大域的最適解への収束性は必ずしも保障されない.本稿では,センサの協調位置推定を最適化問題に定式化し,降下法により数値的に推定値を求めた場合の推定精度について考察する.その結果,一部のセンサ間の距離が不明な場合,初期推定値の選択が最終的な推定値の精度に大きく影響することなどを明らかにする.さらに,良好な位置推定値を求めるための初期推定値の選択法を提案し,その有効性をシミュレーションで確認する.

無線LANの普及に伴い無線通信を行う端末が複数のAP(Access Point)の通信範囲に入ることが一般的になっている.無線端末は,無線通信を行うために1つのAPを選択し接続する必要があり,現在その選択方法はベンダー依存である.最も普及しているAP選択方式として,RSSIに基づくものがあるが,しかし,この接続方式はネットワーク全体の性能を低下させうる.AP選択において,マルチレート環境における低伝送レート端末が高伝送レート端末の性能を劣化させる問題やQoS制御を考慮する必要がある.従って,より多くの情報を基に接続先APを決定することが必要となる.本稿では,Videoフローの通信品質を保証するためにAPが端末の接続先を制御する方式を提案する.提案方式は,マルチレート環境でAPを選択する端末に対して,APが端末を制御することによりVideoフローの品質が保証可能なAPへ端末の接続先を導き,さらに優先制御を適用することによりVideoフローの通信品質を保証する.シミュレーション評価により,提案方式の有効性を示す.

IEEE 802.11e EDCA (Enhanced Distributed Channel Access)では,フレームに4つの優先度を設けることで,通信品質を要求されるデータを優先的に送信する QOS (Quality of Service)制御を実現している.しかし,EDCAで構成されるネットワーク内にDCF (Distributed Coordination Function)で動作する端末が混在すると,EDCAのQoS制御機能の低下する問題がある.本稿では,DCFで動作する端末に対してAP (Access Point)の機能変更のみで導入が可能なQoS制御方式 ROC (Receiving-Opportunity Control in MAC Frame)を用いることで,EDCAのQoS制御機能低下を防止する方式を提案する.さらに,任意の混在環境において,フロー数,パケット長,データレート等のパラメータを基に解析的に適切なROC制御を行う方法を示し,EDCAだけでは満たすことのできないQoS要求にも対応できる方式を提案する.シミュレーションにより提案方式の有効性を示す.

監視領域に多数配置されたバイナリセンサ(対象物の存在の有無のみを検知・通知するセンサ)の位置を同定し,位置同定されたセンサの反応から監視領域を通過する対象物の形状を推定する手法を提案する.具体的には,GPS等の測位機能を持つ物体(移動型ランドマーク)を監視領域内の様々な経路に沿って動かし,各バイナリセンサの反応から各センサの位置を同定する手法を示す.ついで,監視領域内の各バイナリセンサの位置が既知であることを前提として,監視領域を通過する対象物の形状を,対象物を検知した任意の2つのセンサ間の距離の情報に基づいて,自動判別する手法を提案する.本稿ではこれら提案手法の性能を理論的に考察するとともに,シミュレーションにより提案手法の性能を検証する.

IEEE 802.11e EDCA (Enhanced Distributed Channel Access)では,フレームに4つの優先度を設けることで,通信品質を要求されるデータを優先的に送信する QOS (Quality of Service)制御を実現している.しかし,EDCAで構成されるネットワーク内にDCF (Distributed Coordination Function)で動作する端末が混在すると,EDCAのQoS制御機能の低下する問題がある.本稿では,DCFで動作する端末に対してAP (Access Point)の機能変更のみで導入が可能なQoS制御方式 ROC (Receiving-Opportunity Control in MAC Frame)を用いることで,EDCAのQoS制御機能低下を防止する方式を提案する.さらに,任意の混在環境において,フロー数,パケット長,データレート等のパラメータを基に解析的に適切なROC制御を行う方法を示し,EDCAだけでは満たすことのできないQoS要求にも対応できる方式を提案する.シミュレーションにより提案方式の有効性を示す.

無線LANを利用した通信が広く普及し,無線端末は複数のアクセスポイント(AP)の通信範囲に入ることが一般的になっている,無線端末は複数のAPの中から無線通信を行うために1つを選択し接続する.この時,どのようにAPを選択するかが重要になっている.これまでに無線端末が自身のスループットを最大化する選択方式が提案されているが,マルチレート環境ではその他のAPに接続した場合と比べ,全端末の合計スループットが最大でない場合がある.以前著者らは ACKフレームを返信しない受信機会制御を用いた選択方式を提案した.しかしこの方式では無線端末の新規参入のみ取り扱っていたため,切断や移動が発生すると全端末の合計スループットが最大でない場合が発生する.そこで本論文では,以前提案した方式を切断や移動に対応した方式を提案する.この合計スループットを最大にする提案方式と,新規参入端末の得られるスループットを最大にする選択方式をシミュレーションにより評価することで提案方式の有効性を示した.

無線LANによる通信がより身近になり,それに伴い通信量が急速に増加することが考えられる.また,災害時などに通信インフラを用いずに通信が可能な無線マルチホップネットワークの重要性が高まっている.よって,シングルホップネットワークだけでなくマルチホップネットワークにおいても,どの通信を優先し,どの通信を抑制するかといった優先制御が必要と考えられる.本稿では,マルチホップ環境において,優先フローのスループットを確保するQoS制御方式を提案する.提案方式ではMAC層において,フレームを中継するAPが非優先フローの通信量をトークンを用いて制御することで,優先フローの要求スループットを確保する.シミュレーションにより,提案方式の有効性を示す.

本研究では隣接する2つのノードの次数相関(2次の次数相関)だけでなく,より高次の次数相関を考慮できるネットワークモデルを提案し,そのネットワークモデルを用いてマルコフ性の概念を提唱する.マルコフ性は所与の2次の次数相関を再現するグラフの中で最も確からしい(標準的な)グラフを抽出するための基準となるものであり,マルコフ的なグラフのトポロジカルな性質は2次の次数相関から全て定まる.本研究ではマルコフネットワークの性質を解析するとともに,現実に存在するネットワークであるインタネットトポロジのマルコフ性について定量的な分析を試みる.更に,所与の2次の次数相関を持つマルコフネットワークを生成する手法を提案し,その精度を確認する.

IEEE802.11e EDCA (Enhanced Distributed Channel Access)の解析手法は成熟したテーマであり,多数の既存研究があるが,「スロット」ごとの端末状態(フレーム送信確率)に着目するスロットべースの解析モデルを用いるものが大半である.しかし,スロットべース解析モデルには,様々なAIFS値を持つ端末が混在するケースを扱いにくいという問題がある.Tinnirelloら[1]は,スロットべースの解析モデルに代わり,フレーム送信サイクルの概念を導入した新たなEDCA用解析モデルを提案した.本稿では,Tinnirelloらの解析手法を非飽和状態の端末が存在するケースを扱えるように拡張する.さらに,シミュレーションにより解析手法の精度を検証する.

Department of Architecture and Urban Science, Graduate School of Engineering, Chiba University

非構造型P2Pに簡易な経路制御機能を付与し,近傍に存在するファイルの情報を各ノードに持たせることで,ファイル検索効率を向上させる手法について提案する.提案手法では,自分からnホップ以内に位置するノードの集合を「カバーエリア」と呼ぶ.各ノードはカバーエリア内の経路制御機能およびファイルインデックス(ファイルリスト)を所持する.所望のファイルがファイルリスト内にあれば,所有者に要求メッセージをユニキャストし,ファイルリストに見つからなければ,ファイル検索メッセージをカバーエリアにブロードキャストする.ファイル検索メッセージを受信したノードは同様の処理を行う.本稿では,提案手法の性能(ファイル検索に用いるメッセージ数,ノード加入・離脱に対するロバストネス,処理のオーバヘッド)をコンピュータシミュレーションにより評価する.

複数の無線LANの利用が可能な環境において,新規参入端末が自身のスループットを最大化するアクセスポイント(AP)を選択した場合,その他のAPに接続した場合と比べ,全端末の合計スループットが最大でない場合がある.この問題を解決するために,確率的にACKフレームを返信しない受信機会制御を用いたAP選択方式を提案する.本方式では,新規参入端末及び各APによるスループット測定時に,全端末の合計スループットが最大でない選択結果となる場合,APが新規参入端末または自身の全既接続端末に受信機会制御を適用する.新規参入端末の測定スループット値は,前者に適用した場合は減少し,後者に適用した場合は増加する.その結果,新規参入端末は,前者の場合他のAPへ,後者の場合当該APへ,すなわちいずれの場合も全端末の合計スループットが最大になる接続へと導びかれる.この合計スループットを最大にする提案方式と,新規参入端末の得られるスループットを最大にするAP選択方式をシミュレーションにより評価し,比較することで提案方式の有効性を示した.

IEEE802.11DCFべースの無線LANを共有するTCPフロー間には様々な不公平性が生じることが知られている.本稿では,無線LANを共有するTCPフロー間の不公平性を解消するバッファマネジメント方式を提案する.提案手法は以前我々が提案した「ACKプッシュアウト」の改良版に相当し,アクセスポイントの無線LAN側の送信バッファを利用中のフロー数に応じて,プッシュアウトされるパケットを選択する方式である.コンピュータシミュレーションにより提案手法が既存手法より高い公平性を実現することを示す.

無線LANを利用した(VoIP等の)双方向リアルタイムアプリケーションの性能劣化は,無線LANアクセスポイント(Access Point: AP)でのバッファーオーバフローによるパケットロスが原因となることが多く,このバッファーオーバフローは,IEEE802.11MAC層が輻輳し,APからのフレーム読み出し速度が落ちることにより発生する.このため,無線LANを利用した通信の性能評価には,APのバッファーオーバフローとIEEE802.11MAC層の混雑度の両方を考慮できるモデルが必要である.本稿では,連続衝突によるフレーム損失を考慮して802.11MAC層解析モデルの精度を向上しながら,IP層の挙動を待ち行列モデルで評価する性能評価モデルを提案し,その解析法を示す.さらに,シミュレーションにより検証する.

リンクの両端のノードの次数のペアを次数対といい,ネットワークを構成する各リンクの次数対を並べたものを次数対列という.本稿では与えられた次数対列を再現する単純グラフの存在性に関する幾つかの定理を証明するとともに,次数対列がグラフ的であるか(次数対列を再現する単純グラフが存在するか)を判定するアルゴリズムを示す.さらに,次数対列がグラフ的である場合に,次数対列を再現する単純グラフを1つ構成するアルゴリズムを示す.

非構造型P2Pにホップ制限付き木構造を導入することによりランダムウオークべース検索を効率的に実施する手法を提案する.各ピアはそれぞれ定められたホップ数以内(カバーエリア内)のピアについて,それらが保持するファイルリスト及びそれらピアへの経路表を保持する.ファイル検索の際は,ファイルリスト内に所望のファイルが見つかればファイルを所持するピアへファイル要求メッセージをユニキャストする.ファイルリスト内に所望のファイルがなければ,ファイル検索メッセージを(1つもしくは複数)生成し,カバーエリアの境界に存在するいずれかのピアをランダムに選んでユニキャストする.検索メッセージを受け取ったピアはファイルリスト内の探索及びメッセージのランダム転送を繰り返す.本稿では,提案手法が単純なランダムウォークべース検索に比べて大幅にファイルヒット率を向上させ,またファイル検索時間を短縮させることを示す.

無線LANにおいて,現在利用される通信規格であるIEEE 802.11 DCFでは特定のフローに優先して通信を行わせることができず,QoS制御が困難である.また,近くにノイズ源がある,アクセスポイントからの距離が離れている等の理由により,各データフローのリンク品質が異なる場合,通信機会が均等に得られず,フロー間で不公平性が生じてしまう.本稿では,アクセスポイントのみの変更で実装が可能なQoS制御技術の1つであるMACフレーム受信機会制御(ROC)を用いて,優先フローの要求スループットを確保した上で,非優先フロー間の公平性を保つ方式を提案する.シミュレーション評価により,提案方式が有効であることを示す.

IEEE 802.11e EDCAでは,最大4つの優先度でフレームを区別し,優先的に送信することによりQoS制御を実現する.しかし,EDCA端末とDCF端末が混在した場合,EDCAによるQoS制御機能の低下と,EDCA非優先端末とDCF端末の間に生じる不公平性,という問題がある.本稿では,EDCA端末とDCF端末が混在する環境において,EDCA優先端末の要求QoSを保証し,非優先端末間の不公平性を解消する方式を提案する本方式では,受信機会制御方式Receiving-Opportunity Control in MAC Frame (ROC)をDCF端末とEDCA非優先端末に適用し,ROCの受信拒否率を適切に設定する.シミュレーション評価により提案手法の有効性を示す.

無線マルチホップネットワークでは,非優先トラフィックが過度に流入することによって輻輳を引き起こし,ネットワークリソースを大幅に消費する.さらに,優先フローのQoS (Quality of Service)保証の達成が困難になる.本稿では,以前筆者らが提案したQoS制御方式であるROC (Receiving Opportunity Control in MAC Frame)をエッジAPで用いることで,非優先フローの流量を動的に制御し,優先フローのQoSを保証する方式を提案する.提案方式では,フィードバック情報を利用してネットワーク容量を推定した上で,トラフィックに応じたROCの受信拒否確率を,スループット解析モデルを用いて動的に決定する.計算機シミュレーションにより,提案方式の有効性を示す.