近年，あらゆる機器や装置が通信デバイスを装備し，それらがネットワークで有機的に結合されるユビキタス計算環境が現実のものになりつつある．特に，無線通信デバイスによる接続は，その利便性の高さから，ユビキタス計算環境の核となるデバイスとして，様々な分野からの研究開発が進められている．対面している利用者の端末間での通信においても，近距離無線通信は今後，より盛んに利用されるようになると考える．たとえば，営業担当者が企業を訪問した際に電子的な資料を無線通信で手渡したり，喫茶店で友人同士がデジカメの画像をやり取りしたりする状況である．このような状況において，現時点ではUSBメモリなどの物理媒体や，電子メールなどのバックボーンとなるインターネット通信を利用したファイル交換が盛んであるが，端末間での無線通信機能を利用した直接のファイル交換が行われることは比較的少ない．この要因として近距離無線通信における通信相手の指定，特定の煩わしさが挙げられる．通信相手を指定するためには，ネットワーク上における通信相手の識別子（IPやMACアドレス）を知り，

それを端末に直接入力するか，もしくはブロードキャスト通信等を利用して近くにある端末の識別子一覧を取得し，その中から指定するという煩雑な手順が必要である．本研究では端末の配置情報（すなわち端末との相対的な位置情報）を用いてこれを解決する．端末の画面上に周辺端末の位置関係を表示することで，利用者は位置情報から通信対象を容易に特定することができる．本研究では，ユーザの視界内に存在する端末間で，一時的にネットワークを形成し，即座に情報交

(10)

換を実現するLSAC（Line of Sight Ad-hoc Communication）を構築し，LSACを支援する技術について提案，評価を行なう．無線通信機能をより直感的かつ信頼して利用できるようにすることで，利用者同士が対面している状況を活用した近距離無線通信が今後より活用されていくことが推測される．

本研究の目的は，LSAC環境における通信相手の特定を支援することである．

この目的を達成するために，本研究では名前解決ミドルウェアを提案する．このミドルウェアは，従来の名前を用いることに加えて，周辺端末との相対位置を補助的に提示し，LSAC環境における通信相手の特定を効果的に支援するものである．

提案ミドルウェアは，次の特徴を有する．(1) 提案ミドルウェアの機能を，アプリケーションが柔軟に利用できるように，シンプルなAPI(Application Program Interface)を提供する．(2)LSAC環境では専用サーバをあらかじめ配置することができない．従って，提案ミドルウェアはこのような専用サーバが存在しない環境でも動作が可能である．また，PDA程度の処理能力でも動作が可能である．(3)キャリブレーションを必要とせずに，周囲の端末の相対位置を取得可能であるWiPS

（Wireless LAN indoor Positioning System）をベースにした測位手法を採用している．提案ミドルウェアのプロトタイプシステムを構築し，応用プログラムの作成と基礎的な評価を行った．評価の結果から，PDA程度の処理能力で十分に提案ミドルウェアを稼働できることを確認した．さらに位置推定において移動した端末の位置のみを計算しなおすことで，負荷の軽減を実現した．その結果，移動端末の割合が50%前後の場合に最大となる50%程度の精度低下が見られた．また，

移動端末の割合に比例した計算負荷を軽減できることを提示した．これらのことから，提案した負荷軽減手法では位置推定精度をある程度犠牲にはするが，計算負荷の軽減を可能とすることを示した．また，LSAC環境における安全な通信のための暗号化について，公開鍵の認証の必要性について述べた．しかしながら，

本研究で対象としている環境においては，認証局が存在するネットワークに接続していない場合も想定するため，公開鍵基盤を利用した公開鍵認証を利用できる

(11)

とは限らない．この問題点を解決するために，利用者同士が近距離で対面していることを利用し，相互に公開鍵の認証を行なうことのできる手法として，「表形式確認方式」を提案した．この方式は，認証局を用いずに相互に端末を認証し，互いに認証した端末間で暗号化を行ったファイル共有を実現し，主に中間者攻撃と誤った端末への送信を防ぐ効果を持つ．端末の相互認証には公開鍵暗号を用いるが，互いに対面する利用者間の信頼関係をよりどころとして，利用者が互いの端末の公開鍵を確認しあうことで，相互認証を実現する．認証手順の中に人間の確認作業を含める man-in-the-loop アプローチによって，利用者自身が認証の有無を明らかに認識することができる．評価実験の結果，提案方式は従来方式よりも確認に要する時間が短いことがわかった．位置情報を利用する既存のアプリケーションに機能を追加する形で，提案方式の実装を行った結果，英単語表を用いてサマリの一致性を確認することにより，公開鍵の認証を行い，暗号化通信を開始ができることが確認できた．これらの評価により，提案ミドルウェアの実現可能性と有用性を示した．

(12)

第

1

_章はじめに

本章では，本研究の背景と目的，および本論文の章構成について述べる．

1.1 背景

近年，通信機器，とりわけ携帯端末やモバイル通信環境の発展により，あらゆる機器や装置が通信デバイスを装備し，それらがネットワークで有機的に結合されるユビキタスコンピューティング環境が現実のものになりつつある．それに伴い，ユーザは日常の多くのわずらわしさから解放されてきた．例えば，携帯電話の普及する以前，1980年代ごろには人々は待ち合わせをするのに正確な日時と正確な場所をあらかじめ打ち合わせておく必要があった．携帯電話の普及した現代ではおおまかな場所を決めておいて，あとは待ち合わせの時間にどこにいるか連絡を取りあうだけでよい．また，知らない場所へ行く際にも，以前は地図を読み解き自身で進むべき方向を決めるか，道を知っている人を見つけて道順を聞くというわずらわしさがあった．現在ではモバイル端末でのナビゲーションシステムも普及しており，ユーザの現在位置は端末が自動的に取得を行ない，ユーザは目的地を指定するだけで端末が道順を教えてくれる．ユビキタスコンピューティング社会のさらなる発展に向けて，無線通信デバイスが，その利便性の高さから中核をなすデバイスとして，様々な分野からの研究開発が進められている．

(13)

ユビキタスは「偏在する」と訳され，米ゼロックスパロアルト研究所の故Mark Weiserが，

1991年に提唱したコンセプトである^[1]．Weiser のコンセプトはユーザから認識されないほどにコンピュータが環境に溶け込んでしまうことあったが，多くの場合「いつでも・どこでも」コンピュータを利用できる環境を指してユビキタスという言葉が使われることが多い^[2]

「いつでも・どこでも」コンピュータの利用が可能な環境では，コンピュータの利用形態がこれまでとは大きく変化する．すなわち，これまではコンピュータが設置されている場所は主にオフィスや家庭の机上であり，そこで利用することだけを想定してサービスやアプリケーションを作成すればよかったのに対して，コンピュータを利用している場所や環境の多様性が増加し，サーピスやアプリケーションで配慮すべき事項が増加する．つまりより良い使いやすいアプリケーションを作成するためには，利用者の状況に応じてサービス内容やサービス提供方法を適応的に変化させる仕組みを導入していかねばならない．利用者の状況はコンテキストあるいはプレゼンスと呼ばれ，具体的な例として，利用者が所持している端末の機能や，周囲の利用できる機器，ネットワーク回線の大域幅といった機器に関する状況をはじめ，利用者の前後のスケジュールや，体調，心理状態，周囲のうるささなどといった様々な要素が考えられる．それらの状況をアプリケーションが適切に読み取ることで，その状況に適したサービスをユーザに提供することが可能となる．また，携帯電話がそうであったように，当初は利用者のほとんどがビジネスマンであるという状況から，時代の変化に伴って小学生からお年寄りまでがサービスの対象となるユーザとなることが想定され，その意味でも利用者へのサービスの適応が必要となる．

コンテキストの中でも特に重要であると考えているのが位置情報である．例えばある人が会議室にいるとわかれば，その人は現在会議中であることが推測できる．また，旅行でなれない土地を移動する場合では，ユーザの現在位置を把握することで，その位置情報に応じた周辺施設の情報や，目的地までの経路をユーザに示すなどすることができる．このように，

ユーザの位置情報が重要であるばかりでなく，ユーザから見た周辺施設，周辺機器の位置情報も重要であると考える．

様々なサービスに応じて，利用される位置情報の精度，表現形式も様々である．例えば，

(14)

GPS（Global Positioning System）が提供する緯度，経度，高度で示される地理座標や，東京都，板橋区といった行政が定めた住所区分，さらには204号室などといった建物内の構造に関する区分，また，ユーザの目の前20cmといった相対的な位置も考えられる．

位置を測定し，ユーザやさまざまなサービスから利用可能とする技術が数多く研究・開発されているが，広く普及している技術はGPS（Global Positioning System）などごく限られたものしかない．GPSは地図等のGIS（地理情報システム）と組み合わせることで，航空，

船舶，陸運をはじめ，消費者向けではカーナビゲーション，携帯電話での個人のナビゲーションなど多彩に利用されている．GPSも実際には単独で用いられることは比較的少なく，多くの場合はジャイロや加速度計，コンパス，道路情報などと組み合わせて用いることで，安定した動作や制度の維持を行なっている．

GPSは人工衛星を用いた位置測定技術であるため，屋内では利用することが出来ない．屋内での利用を想定した測位システムが数多く研究されている．多くは専用設備を必要するなど設置・運用コストが高い傾向にあり，位置測定システムそのものの普及を目指しているというよりは，位置情報を利用した新たなアプリケーションを研究・開発するためのプラットフォームとして構築されているものが多い．そのため，本研究が対象とする環境よりも限られた場所でしか利用可能でない測位システムであると考える．

近距離無線通信機能は今後，対面している利用者の端末間での通信に盛んに利用されるようになると考える．たとえば，営業担当者が企業を訪問した際に電子的な資料を無線通信で手渡したり，喫茶店で友人同士がデジカメの画像をやり取りしたりする状況である．このような状況において，現時点ではUSBメモリなどの物理媒体や，電子メールなどのバックボーンとなるインターネット通信を利用したファイル交換が盛んであるが，無線通信機能を利用したファイル交換が行われることは比較的少ない．無線通信機能をより直感的かつ信頼して利用できるようにすることで，その一部は利用者同士が対面している状況を活用した近距離無線通信に置き換わっていくことが推測される．

無線通信に対する信頼の低さのひとつとして，盗聴などの攻撃に対する安全性への不安があげられる．事実，安易に構成された無線ネットワークは盗聴が比較的容易であり，共有す

(15)

るファイルなどが不用意に漏洩する危険性を伴う．また誤った相手への送信などの事故による漏洩も心配の一因である．現在でも一定の知識と労力を伴えば安全なネットワークを構築することができるが，情報工学や計算機科学の専門家であってさえ，労力を払うより，より確実で慣れ親しんだ物理媒体やインターネット通信を好む傾向にあり，非専門家はその多くが利用しない状況にある．

本論文で想定するLSAC（Line of Sight Ad-hoc Communication）とは，利用者の携帯端末と目前の第三者の端末とで構成される無線ネットワーク上での通信である．第三者の端末としては，目の前にいる人物の端末や，インターネットキオスクなどに設置されたプリンタなどの公共機器を想定している．PANとは異なり，ネットワーク内の端末の一部は，利用者自身の所有ではなく，利用者の周囲の見える範囲にある端末である．複数人で構成する点を除いてPANに近い近距離端末間の通信を想定している．この無線ネットワークは，無線LANでいえばアドホックモードでのpeer-to-peer通信で構成されるネットワークであり，

アクセスポイント等のインフラやインターネット接続性は必ずしも必要とせず，その代わり通信相手の端末（もしくは端末利用者）が見える範囲にいることを前提とするネットワークである．無線ネットワークの構成に依存するものではないが，盛んに研究されているマルチホップの無線アドホックネットワークよりむしろ，シングルホップの無線ネットワークを想定している．

1.2 _目的

本研究では，無線通信デバイスのなかでもBluetoothや無線LAN のアドホックモードなどのインフラを必要としない近距離無線デバイスに着目している．また，このような近距離無線通信デバイスを用いて，ユーザの視界内に存在する端末と，一時的にネットワークを形成し，即座に情報交換を実現するLSAC（Line of Sight Ad-hoc Communication）を構築し，LSACを支援するネットワーク技術について研究している．

従来のネットワーク技術では，LSAC環境が考慮されておらず，非常に煩わしい手順や複

(16)

エアコンエアコンエアコンエアコン扇風機扇風機扇風機

扇風機

照明照明照明照明

通信端末通信端末通信端末

（（（（ユーザ通信端末ユーザユーザユーザＡ）Ａ）Ａ）Ａ）

自分自分自分自分のののの通信端末通信端末通信端末通信端末

図 1.1: 近隣端末との通信環境例

便性を左右する重要な要素技術であるために，従来のネットワーク上の仕組みをそのまま流用することは適当でない．LSACは，見えている端末との通信を実現することが目的である．

すなわち，見えることが通信のトリガーとなるために，その端末の物理的な配置をユーザの目で確認できることがLSACの前提となっている．このことから，端末の配置情報（すなわち端末との相対的な位置情報）が通信相手の特定を，より直感的に補助する重要な鍵となると考えられる．図1.1に近隣端末との通信環境例を示す．ユビキタスコンピューティング環境では，いつでも・どこでも様々な機器と通信可能なことが想定される．このような環境下で通信対象を選択する場合，従来の方式では，通信対象のネットワーク上でのIDを自分の通信端末に直接入力するか，赤外線やNFC（Near field communication）^[3]でIDをやりとりするか，または通信可能端末の一覧から自分の通信したい相手のネットワーク上でのIDを探す必要がある（図1.2）．これに対して，本研究が目指しているのは図1.3に示す位置情報を利用した通信対象の選択である．すなわち，通信対象がその位置情報とともに端末上に表示されることで，実際に目に見えている対象を端末上で直感的に選択することが出来る．他に

(17)

図 1.2: 名前のリストを使った通信対象の選択イメージ

も，会議や講義，講演会などにおいて，参加者の位置が把握できれば，質問者の端末に直接参考資料や自分の連絡先を伝えるのに役立つほか，お祭りや展示会などのイベント，普段の買い物や観光において，一緒に行動する家族や友人の位置をを把握できれば，はぐれることを心配せずに自由に行動することが出来る．

本研究の目的は，LSAC環境における通信相手の特定を支援することである．この目的を達成するために，本研究では名前解決ミドルウェアを提案する．このミドルウェアは，従来の名前を用いることに加えて，周辺端末との相対位置を補助的に提示し，LSAC環境における通信相手の特定を効果的に支援するものである．提案ミドルウェアは，次の特徴を有する．

(1) 提案ミドルウェアの機能を，アプリケーションが柔軟に利用できるように，シンプルな

(18)

自分自分自分自分

エアコンエアコンエアコン

照明エアコン

照明照明照明

扇風機扇風機扇風機扇風機

ユーザユーザユーザユーザＡＡＡＡ

チャットファイル送信自分自分自分自分

エアコンエアコンエアコン

照明エアコン

照明照明照明

扇風機扇風機扇風機扇風機

ユーザユーザユーザユーザＡＡＡＡ

チャットファイル送信

図 1.3: 位置情報を使った通信対象の選択イメージ

API(Application Program Interface)を提供する．(2)LSAC環境では専用サーバをあらかじめ配置することができない．従って，提案ミドルウェアはこのような専用サーバが存在しない環境でも動作が可能である．また，PDA程度の処理能力でも動作が可能である．(3) キャリブレーションを必要とせずに，周囲の端末の相対位置を取得可能であるWiPS（Wireless LAN indoor Positioning System）^[4]をベースにした測位手法を採用している．また，提案ミドルウェアのプロトタイプシステムを構築し，応用プログラムの作成と基礎的な評価を行った．評価の結果から，PDA程度の処理能力で十分に提案ミドルウェアを稼働できることを示した．

また，本研究で想定するローカルな近距離無線通信の課題として，端末の認証問題が挙げ

(19)

られる^[5]．ローカルな近距離無線通信では，必ずしも信用の置ける認証局を利用できるとは限らない^[6]．この解決策として，LSACネットワーク上で端末を相互に認証する手法の提案と開発について述べる．本手法は認証局を用いずに相互に端末を認証し，互いに認証した端末間で暗号化を行ったファイル共有を実現し，主に中間者攻撃と誤った端末への送信を防ぐ効果を持つ．端末の相互認証には公開鍵暗号を用いるが，互いに対面する利用者間の信頼関係をよりどころとして，利用者が互いの端末の公開鍵を確認しあうことで，相互認証を実現する．認証手順の中に人間の確認作業を含めるman-in-the-loopアプローチによって，利用者自身が認証の有無を明らかに認識することができるため，誤った端末への送信が防がれる．

1.3 構成

本論文の構成は以下の通りである．第2章では，本研究の鍵となる位置推定に用いられる基本的な位置測定方式について述べ，これまで行われてきた通信端末の位置を同定する研究，

開発について紹介する．また，基本的な認証方式についても述べる．第3章では本研究の想定環境であるLSACについて述べ，第4章で提案ミドルウェアの設計と各構成要素の詳細について述べる．第5章では，認証局を用いずに相互に端末を認証する手法について提案する．

第6章で位置計算処理にかかる時間のシミュレーション結果や無線LANを利用した応用例を示し，提案ミドルウェアの実現性，有用性について評価するほか，提案した認証手法についての実装と，実験的な評価について記述する．また提案手法の各種攻撃に対する耐性について考察する．最後に第7章で本研究をまとめる．

(20)

第

2

_章関連研究

本章では，2.1節において，直接入力する以外の方法で，通信相手を同定する関連技術について述べる．また，本研究で鍵となる位置推定に関して，2.2節にて，位置推定に用いられる基本的な位置測定方式について説明し，2.3節にて，位置情報を用いて通信端末を同定する関連技術について紹介する．2.4節で認証方式について関連研究を示す．

2.1 通信識別子交換技術

ユーザが端末に直接入力する以外の方法で通信識別子の取得，交換を行なう関連技術について述べる．ここでは通信識別子としてIPやMACアドレスの他，メールアドレスや，Skype やインスタントメッセンジャーなどのアプリケーションのアカウント名やID等，メッセージやファイルの送信先を指定できるものを広義に含むものとする．

古典的な手段として，通信ケーブルやUSBメモリなどの物理的な媒体を経由しての通信識別子の受け渡しが挙げられる．これには端末とは別にケーブルやUSBメモリを持ち歩く必要がある他，通信を行なうにあたって機器への接続が必要であり，その煩雑さから通信識別子の交換には一般的には用いられない．

本来の通信とは別の近距離無線通信手段を利用して識別子の交換を行なう手法が存在する．

赤外線通信や，NFC（Near field communication）である．どちらも専用のデバイスを必要と

(21)

し，互いの端末（の受光部）を接近させる必要がある．また，基本的に一対一の片方向通信を想定しており，複数の利用者間で互いに情報を交換することには不向きである．

端末に搭載されたカメラを利用して画像情報から通信識別子を読み取る方法もある．これには，画像から文字列を読み取る光学文字認識（OCR: optical character recognition）はその不確かさからあまり用いられず，デンソーウェーブのQRコード^[7]に代表される二次元バーコードが用いられるのが一般的である．カメラは最近の日本の携帯電話には一般的に搭載されており，その利用範囲は広い．しかし，読み取るためにはカメラの距離や角度を調整する必要があり，また赤外線やNFC同様，複数の利用者間で互いに情報を交換するには煩雑さが伴う．画像認識を用いたAR（augmented reality）技術により，カメラの画像情報を元に読み取った特徴情報から対象端末の識別を自動的に行なうことも考えられるが，その識別精度は限られており，メールアドレスやアカウント名のように数十バイトの情報に相当する量の端末を識別するには，二次元バーコードと同等の複雑さの画像的特長を正確に判別する必要があり，現状の技術では難しい．

スマートフォンアプリとして普及しているBump^[8]は互いの端末をぶつけることで振動した時間，GPSから取得した位置情報等を元に端末のマッチングを行ない，情報を交換する仕組みである．Bumpはバックボーンのネットワークに接続されていることを前提としているため，LSAC環境では用いることができない．また，近くにある別の端末とマッチングしてしまうセキュリティ上の問題もある．

ネットワークに接続されている端末の一覧を取得し，その中から通信対象を選択する方式も存在する．具体的なサービスとしては，WindowsのマイネットワークやLINEのふるふる検索機能^[9]が挙げられる．これらの手法では，端末の表示名もしくは識別子の取得は自動的に行なわれるため利便性が高い．しかし，通信相手のネットワーク上での名前を知り，それを端末の一覧から探し出すという手間が必要となる．

(22)

ｒ１

位置推定対象

基準１基準２

ｒ２

図 2.1: 距離による位置推定

2.2 位置測定方式

近年，無線端末の位置測定に関する研究が盛んに行われている．位置を推定するのに用いられる技術は大きく以下に分類できる．すなわち，1）三辺測量，2）三角測量，3）距離と角度を組み合わせた位置測定，4）近傍判定，5）機械学習によるものである．

三辺測量，三角測量，距離と角度を組み合わせた位置測定手法は古くから地図作成のための測量技術として用いられてきた手法である．地図作成における測量では，測量対象の位置の時間的変化はほとんど考慮されない代わりに位置の測定に精確さが求められる．また，これらの手法における位置測定の精度は，距離や角度の測定の精度に大きく依存する．一方，

本研究で対象とする無線通信環境では，端末位置の測定に測量ほどの精度は求められない代わりに，端末の位置は移動により頻繁に変化するため，即時性が求められる．

三辺測量は基準となる2点と，位置を求めたい第3点との距離を測定することで第3点の位置を決定する（図2.1）．基準となる2点から第3点までの距離を用いて基準となる2点をそれぞれ中心とする円を描き，その交点として第3点の位置を求める．無線端末の位置推定

(23)

θ２ θ１

位置推定対象

基準１基準２

図 2.2: 角度による位置推定

θ１

基準１

位置推定対象ｒ１

図 2.3: 距離と角度を組み合わせた位置推定

(24)

の場合，基準点と端末との距離を測定する方式として受信信号強度（RSS; Received Signal Strength）を用いる方式と，電波の到達時間の差（TDOA; Time Differecnce of Arrival）を用いる方式がある．無線システムに関する標準化や勧告を行っているITU-R P.525-2^[10]において勧告されている自由空間での電波の伝搬損失モデルは式(2.1)で与えられる．

L_bf = 20 log(4πd

λ ) (2.1)

ただし，式内の記号はそれぞれ以下を表す．

L_bf : 自由空間における伝搬損失(dB) d : 送信機と受信機間の距離

λ : 波長

また，式(2.1)内の波長λを周波数に置き換えると式(2.2)のようになる．

L_bf = 32.4 + 20 logf+ 20 logd (2.2) ただし，式内の記号はそれぞれ以下を表す．

f : 周波数(MHz) d : 距離(km)

ITU-R P.1238-1^[11]で勧告されている屋内での伝搬損失モデルは式(2.3)で与えられる．

L_total = 20 log₁₀(f) +Nlog₁₀(d) +L_f(n)−28 (2.3) ただし，式内の記号はそれぞれ以下を表す．

N : 距離による減衰率 f : 周波数(MHz)

d : 送信機と受信機間の距離(m) Lf : 壁による減衰関数(dB)

(25)

n : 送信機と受信機の間にある壁の枚数

受信信号強度による距離測定は実際の生活環境においては，反射やマルチパスの影響を受けやすくTDOAによる距離測定よりも精度が低い．このため，2.3節で述べる受信信号強度を用いた位置推定技術の多くは事前の較正作業（キャリブレーション）を必要とする．一方，

TDOAを用いた距離測定は精度が高いものの，精確な時間の同期をとるための専用の設備が必要であり，コストがかかる．

三角測量は基準となる2点と，位置を求めたい第3点との角度を計測することで第3点の位置を決定する（図2.2）．基準となる2点と第3点との角度を用いて基準となる2点からそれぞれ半直線を引き，その交点として第3点の位置を求める．無線端末における角度の計測としては，アンテナの指向性を利用したものが挙げられる．

距離と角度を組み合わせた位置測定手法では，基準となる点と，位置を求めたい点との距離と角度を計測することで対象の点の位置を決定する（図2.3）．距離を用いて基準となる点を中心とする円を描き，また角度を用いて基準点からの半直線を引き，その交点として位置測定対象の位置を決定する．

近傍判定は，測位対象がある特定の場所の近くに存在するか否かを判定する方式である．

例えば，基準点に赤外線機器や無線LANのアクセスポイントを設置し，測位対象となる端末との通信が可能であるか否かをもってその近接性の判定とする．この方式では通信可能エリアが他の基準点と一部重なる基準点を複数設置することで，測位対象が存在しているエリアをより詳細に限定することが可能である．この方式は測位対象の存在するおおまかなエリアを特定する手法であり，測位対象の精確な位置を特定することには不向きである．しかしながら，端末の詳細な位置情報は必要とせず，そのおおまかなエリアが特定できればよいという需要も数多く存在する．例を挙げると，いくつかの機器をユーザが近くにいるときにだけ電源を入れるようにしたい，今現在お店の近くにいる人にだけ広告を打ちたいなどの需要である．このようなサービスにおいては近傍判定は有用であると言える．

機械学習に基づく位置測定方式は，基準点と測位対象との精確な位置や角度の測定が困難な場合に用いられる手法である．無線LANの受信信号強度を用いる位置推定がこれに該当

(26)

する．この方式では，あらかじめ様々な位置で複数のアクセスポイントとの受信信号強度を測定する較正作業を行い，学習データとして記録しておく．実際の位置測定を行なう際には，

測位対象端末と複数のアクセスポイントとの受信信号強度情報を学習データと照合し，類似度の高い位置を推定位置とする．この方式は反射やマルチパスなどの環境要因による測定誤差の影響を受けにくい．

2.3 位置情報による端末同定手法

GPS（Global Positioning System）^[12]は，航空機や船舶の位置特定やカーナビゲーション等で使用されている測位システムであり，既存の端末測位システムの中では最も一般生活への普及が進んでいる．この測位システムは地球上を周回する24基のGPS用人工衛星のうちの4つを使用して，地上にある端末の測位を行なう．それぞれの人工衛星は一定周期で測位のための電波を送信しており，その電波には自身の位置の3次元座標情報と電波を送信した時刻を乗せている．測位端末はその電波を受信し，衛星の位置座標と電波が送信されてから受信されるまでの時間から求めた距離から3辺測量により端末の位置を特定する．(図2.4参照) GPSでは，測位端末単独での測位で約10mの測位誤差が生じる．またDifferential GPSなど，座標のわかっている基準点を利用した手法や，高速スタティック測位のように複数のアンテナを使用した測位手法があり，さらに精度を高めることは可能である．測位範囲は，衛星からの電波が受信できる範囲であり，理論上は地球上のあらゆる場所で測位が可能である．

しかし，山や壁等の障害物により衛星からの電波が遮蔽されてしまうため，ビルの多い街中など，上空への見通しが悪い場所では測位ができない場合がある．また屋内での測位は，天井があるため不可能である．

GPS以外の測位システムでは，センサーネットワークを利用したものが提案されている．

文献[13]では，アドホックセンサーネットワークを利用した測位手法を提案している．端末の存在を感知したセンサーと，基準点となるセンサー間で通信するのに必要なホップ数を数え，

そのホップ数を距離に換算し，三辺測量により端末の位置を推定している．またActiveBat^[14]

やDOLPHIN^[15]は超音波を利用した測位手法である．その他では赤外線センサーを使った端

(27)

GPS receiver

S1：^{( X}1, Y₁, Z₁, t₁)

S2：^{( X}2, Y₂, Z₂, t₂) S3：^{( X}3, Y₃, Z₃, t₃)

S4：^{( X}4, Y₄, Z₄, t₄)

Dist( S1, R1 ) = ⊿t₁x c

R1

Dist( S1, S2 )

= ||S

2–S

1||

S_i：GPS用人工衛星 R_i：GPS信号受信端末

⊿ti: 電波の滞空時間 c：光速

Dist( S2, R1 ) = ⊿t₂x c

図 2.4: GPS衛星による3辺測量

末位置特定システム^[16]が実装されている．

センサーネットワーク，赤外線，超音波を利用する測位システムでは，理想的な環境であれば数m〜数cmの誤差で測位が可能であるが，測位専用の機器が必要であったり，センサーを大量に設置したりしなければならないなど，導入の際のコストがかかる．また赤外線は壁や障害物などを透過せず，超音波も反射が起こるため，基準点と測位端末との間に見通しがなければならないなどの特徴があり，測位環境の影響が大きい．

そのほか，携帯電話の普及やサービスの多様化，無線LAN機器の普及などから，携帯電話網やIEEE 802.11に準拠した無線LAN，BlueToothなど，本来は無線通信サービスのために使用しているインフラを利用した測位手法が盛んに検討，商用化されている．

無線LANを利用した測位システムでは，市販のアクセスポイントやそのほかのIEEE 802.11 準拠のフレームを送信することのできるデバイスを基準点として用い，ラップトップコンピュータやPDA等の無線LANクライアント機能を搭載した機器を測位端末として，それらの位置を特定することを目的としている．基本的には，位置が既知である基準点と測位端末間で電

(28)

波の送受信を行い，その際の電波強度情報や電波の到達時刻差，電波を受信できた基準点の情報などから，測位端末の位置を2次元，3次元の座標情報や，場所名で位置を提示する．

無線LANを利用した端末測位手法や精度向上手法に関して，これまでに数多くの試みがなされている．その中で測位手法に関しては，無線LANの通信電波の受信電波強度を利用した端末測位が多く検討されている．

WLAN client

AP1

AP3 AP２

AP4 R1

RSSI₁ = -30

RSSI₃ = -50 RSSI₂ = -40

RSSI₄ = -45

受信電波強度データベース

位置推定結果受信電波強度情報

{ ( 座標)，，，，( 電波強度) }

{ ( X_i,Y_i, Z_i ), ( RSSI_i ) }

図 2.5: 電波強度データベースによる測位

受信電波強度を利用した位置の推定手法に関して，RADAR^[17]では，受信電波強度データベースと測位端末が測定した受信電波強度情報とを比較して，位置の推定を行っている(図 2.5参照)．この手法では，あらかじめ測位範囲内の各地点で，電波を観測できる基準点とその強度を記録したデータベースを作成しておく．そして測位を行なう際は，基準点からの電波の強度を測定し，その結果と受信電波強度データベースの受信電波強度データを比較することで端末の位置を推定する手法である．

さらに，電波の自由伝播モデルや，経験的に得られた関数を使用し受信電波強度情報を距

(29)

WLAN client

AP1：( X₁, Y₁, Z₁)

AP3：( X₃, Y₃, Z₃) AP２：( X₂, Y₂, Z₂)

AP4：( X₄, Y₄, Z₄)

RSSI₁ = -30

Dist( AP1, R1) = 11.6 (m)

RSSI_i:受信電波強度( Receive Signal Strength Information ) Ri：無線LAN端末

APi:基準点（アクセスポイント）

距離とRSSIの変換式（例）：d_{( rssi )}= ( 0.125 / 4π)・10^{( 31.0 –}^rssi^{) / 20.0}(m) RSSI₂ = -40

Dist( AP1, R1) = 35.2 (m) Dist( AP1, AP 2 )

= ||AP2–AP1||

R1

図 2.6: 電波の伝播モデルを利用した3辺測量による測位

離に換算し，3辺測量により端末位置を特定する手法が存在する(図2.6参照)．CMU-TMI^[18]

では，経験的に得られた関数を使って受信電波強度を距離に換算し，3辺測量にて測位を行っている．その際，電波強度が強い上位3つの基準点を選択することで，障害物による減衰やマルチパスの影響を受けた電波強度情報を排除し，高信頼の測位を行っている．WiPS^[4]では，測位端末と基準点との間の電波強度だけではなく，測位端末間でも相互に電波強度を測定し測位に利用するという方式で，特徴として測位対象が密集しているほど測位精度が向上する点と，基準点の密度が疎であっても測位精度の低下が少ない点が挙げられる．

センサーネットワーク上のセンサーまたはそれらが持つ情報をGoogleMap，GoogleEarth，

Virtual Earthなどのマップ上に配置し，センサーネットワークのためのグラフィカルなユーザ

インタフェースを実現する研究が行われている^{[19, 20]}．Geo-Coding^[21]では，このようなユーザインタフェースを介してセンサーネットワーク上の各センサーとの双方向の情報交換を可能にし，ネットワークの運用コストおよび管理コストを削減している．しかしながら，事前

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に組織化されたネットワークが前提となっており（すなわち，各センサーの位置を手動で設定する必要がある），加えてサーバ計算機が必要であることから，本研究とは異なる環境を対象としている．

端末の位置が既知でないような環境で，自律的に端末の位置を測定するシステムも存在する．位置情報を測位するシステムでは，端末にIDを割り当てた受信機を装備し，その受信機の位置を測定することで，IDと位置情報から端末を同定することができる．このようなシステムとしては，主に超音波を用いたもの，無線を用いたもの，およびそれらを複合して利用するもの^[22]に分類できる．超音波を使ったシステムとして，Active Bat^[23]やDOLPHIN^[24]

が挙げられる．これらのシステムは，特定の環境下において端末の位置を正確に測定することに主眼を置いている．特定の環境とは，あらかじめネットワークに接続された超音波受信機を天井に複数配置した環境である．これらを利用して，IDを持つ超音波発信機を備えた端末の位置を測定する．測位精度は3cm〜20cm と高精度であるが，専用の設備の導入にコストがかかる．

一方無線を用いたシステムとして，RADAR^[25]とBradio^[26] などが挙げられる．RADAR は，無線LANの受信信号強度情報を用いた測位システムであり，端末の存在するエリア（部屋）を特定することを目的としている．複数の無線基地局およびデータベースを利用して測位対象となる無線端末の位置を推定する．このシステムでは，あらかじめ測位範囲内の各エリアで基地局の受信信号強度を測定しておき，データベースを作成しておく．実際に無線端末の位置を測定する際には，対象端末と基地局間の受信信号強度を観測し，データベースの情報と照らし合わせて，端末の存在するエリアを推定する．あらかじめデータベースを作成する必要があることから，その場で構成されるネットワーク上での利用には適さない．

また，アドホックネットワークにおいて端末位置を測位する研究がなされている．文献 [27, 28]では，SOM（Self-Organizing Maps）と呼ばれる手法をアドホックネットワークに適用し，端末が協調して位置を求める手法を提案している．固定アクセスポイントを仮定している点，およびマルチホップを考慮している点で，本研究とは異なる環境を対象としている．また，ANMP^[29]は，アドホックネットワークの管理プロトコルとして，IPネットワーク上で幅