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早稲田大学大学院情報生産システム研究科
博士論文審査結果報告書
論 文 題 目
R e s e a r c h o n O p t i m i z a t i o n o f Wi r e l e s s S e n s o r N e t w o r k a n d i t s A p p l i c a t i o n f o r P o s i t i o n i n g S y s t e m s
申 請 者 HUANG, Bo
情報生産システム工学専攻 モバイルシステム LSI 研究
２ ０ ０ ９ 年 ２ 月
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Bluetooth は ユ ビ キ タ ス 無 線 通 信 を 支 え る 、 ポ ピ ュ ラ ー な 技 術 と し て 、 世 界 中 で 20 億 台 以 上 の デ バ イ ス が 設 置 さ れ る ま で に 普 及 し た 。Bluetooth は 免 許 不 要 の 2.4 GHz ISM(産 業 、 科 学 、 医 学)帯 の 電 波 周 波 数 を 利 用 し 、100メ ー ト ル 以 内 の ロ ー カ ル 無 線 サ ー ビ ス を 提 供 で き 、 現 在 の デ ー タ 伝 送 速 度 は 3Mbps で あ る が 、 次 世 代 で は 、 480Mbps ま で 高 速 化 が 図 ら れ る 見 込 み で あ る 。Bluetooth デ バ イ ス は 、 信 号 伝 送 の 開 始 時 に あ た り 、 ネ ッ ト ワ ー ク を 構 築 し な け れ ば な ら な い 。Bluetooth 規 格 に よ り 、 基 本 的 な ネ ッ ト ワ ー ク 単 位 で あ る piconet は 、 最 大 8 つ の デ バ イ ス し か 含 む こ と が で き な い 。 従 っ て 、 そ れ 以 上 の デ バ イ ス 数 か ら 構 成 さ れ る 無 線 通 信 で は 、 複 数 の piconet が 集 ま っ て scatternet と 言 う ネ ッ ト ワ ー ク を 構 築 す る 必 要 が 生 じ る 。 ｓcatternet で の 通 信 は 原 則 と し て 、 通 信 経 路 に な っ た 複 数 の デ バ イ ス に 跨 る ホ ッ プ （ 転 送 ） に よ り 行 わ れ る 。 経 路 に ホ ッ プ 数 が 増 す に つ れ て 遅 延 は 蓄 積 す る 。 更 に 、 経 路 探 し に も 時 間 が か か っ て 遅 延 を 増 加 さ せ る こ と に な る 。 こ の よ う な 要 因 か ら な る 遅 延 時 間 を 出 来 る 限 り 削 減 す る ネ ッ ト ワ ー ク 構 築 ア ル ゴ リ ズ ム は 、 極 め て 重 要 な 研 究 課 題 で あ る 。
無 線 セ ン サ ー ネ ッ ト ワ ー ク ・ ア ル ゴ リ ズ ム は 、 ロ ー カ ル 無 線 デ バ イ ス （ 例 え ば 、 Bluetooth、Zig-Bee, UWB デ バ イ ス 等 ） か ら 構 築 さ れ た ネ ッ ト ワ ー ク を 組 織 、 管 理 す る 。 す な わ ち 、 ネ ッ ト ワ ー ク の 構 築 方 法 及 び 、 デ バ イ ス の 動 作 規 則 を 規 定 す る 。 無 線 セ ン サ ー ネ ッ ト ワ ー ク に は 、 伝 送 の 高 効 率 性 に 加 え 、 低 消 費 電 力 と 高 安 定 性 と い う 両 立 し 難 い 性 能 向 上 が 要 求 さ れ る 。 低 消 費 電 力 は ネ ッ ト ワ ー ク の 長 時 間 動 作 を 可 能 に し 、 高 安 定 性 は 動 作 時 間 帯 で の 高 い 信 頼 性 を 保 証 す る も の で あ る 。 し か し な が ら 、 従 来 の 研 究 は こ の 2 つ の 要 求 を 同 時 に 満 足 す る こ と が で き て い な い 。 本 研 究 で は 、 こ れ ら 相 反 す る 性 能 要 求 を バ ラ ン ス さ せ て 組 織 、 管 理 で き る 無 線 セ ン サ ー ネ ッ ト ワ ー ク ・ ア ル ゴ リ ズ ム を 研 究 課 題 と し て 論 じ て い る 。
室 内 位 置 特 定 シ ス テ ム は 本 質 的 に 無 線 セ ン サ ー ネ ッ ト ワ ー ク の ノ ー ド と し て 捉 え る こ と が で き 、 室 外 で の 運 用 を 前 提 と し て い る GPS(全 地 球 測 位 シ ス テ ム)と 補 完 し う る も の で あ る 。 室 内 は 多 く の 障 害 物 が あ る 環 境 で あ り 、 障 害 物 に 隠 さ れ た 物 体 検 出 の 方 式 研 究 は 重 要 な 課 題 と 言 え る 。 従 来 の 研 究 に お い て は 、 数 多 く の セ ン サ ー を 配 置 す る こ と で 、 出 来 る 限 り 障 害 物 の 影 響 に 起 因 す る 非 検 出 エ リ ア を 解 消 す る 方 法 が 取 ら れ た が 、 こ の よ う な 解 決 方 法 は シ ス テ ム の コ ス ト と 複 雑 さ を 増 加 す る 事 と な る 。 本 研 究 で は 、 超 音 波 を 被 検 出 メ デ ィ ア と し て 、 無 線 信 号 同 期 技 術 と 超 音 波 信 号 変 復 調 技 術 を 組 み 合 わ せ る こ と で 、 セ ン サ ー を 追 加 し な く て も 障 害 物 に 隠 さ れ た 物 体 を 検 出 で き る 新 規 な 提 案 を 研 究 課 題 と し て 取 り 上 げ て い る 。 以 下, 各 章 ご と に そ の 概 略 を 述 べ 、 評 価 を 加 え る こ と と す る 。
第 1章 「Introduction」 で は 本 研 究 の 位 置 付 け と 目 的 を 明 確 化 し 、Bluetooth、 無 線 セ ン サ ー ネ ッ ト ワ ー ク 、 室 内 位 置 特 定 シ ス テ ム を 含 む ３ つ の 研 究 領 域 に お け る 課 題 に つ い て 論 じ 、 本 論 文 の 意 義 を 明 ら か に し て い る 。
第 2章 「Solidring: A Novel Bluetooth Scatternet Structure」 で は 新 規 なscatternet（ 分 散 ネ ッ ト ワ ー ク ） 構 造 す な わ ち 、Solidring 構 造 と そ のrouting（ 通 信 経
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路 探 査 ） ア ル ゴ リ ズ ム を 課 題 と し て 取 り 上 げ て い る 。 従 来 の 研 究 に お い て 提 案 さ れ て い る tree構 造 お よ びring構 造 に お い て は 、 経 路 に ホ ッ プ 数 が 増 す に つ れ て 通 信 経 路 長 は 長 く な り 、 そ の 結 果 、 通 信 時 間 遅 延 の 増 大 を 招 く と い う 弊 害 を 指 摘 し て い る 。 更 に 、 こ れ ら の tree 構 造 と ring 構 造 は 規 則 的 に 生 成 さ れ な い の で 、 通 信 経 路 探 査 も 効 率 的 で な く 、 さ ら な る 時 間 遅 延 を 生 じ る こ と も 指 摘 し て い る 。 こ れ ら の 要 素 は 、 分 散 配 置 さ れ たBluetooth デ バ イ ス 群 全 体 の 通 信 性 能 を 十 分 に 引 き 出 せ な い こ と を 示 唆 し て い る 。 こ れ に 対 し 、 Solidring は 3D（ 三 次 元 ） 構 造 で 、 規 則 的 に 構 成 さ れ る の で 、 デ バ イ ス 間 の ホ ッ プ 数 を 削 減 で き 、 通 信 経 路 長 が 短 縮 で き る こ と を 示 し 、 各 デ バ イ ス の 位 置 は 的 確 に 予 知 さ れ る の で 、 通 信 経 路 探 査 ア ル ゴ リ ズ ム を 規 則 的 に 簡 素 化 で き 、 ト ー タ ル の 通 信 時 間 遅 延 が 削 減 さ れ る こ と を 示 し て い る 。Solidring 構 造 と tree 構 造 お よ び ring 構 造 を 比 較 し た 結 果 、 Solidring 構 造 の 平 均 通 信 経 路 長 は tree 構 造 、ring 構 造 の そ れ ら に 対 し 50%-90%と な り 、Solidrin 構 造 の 通 信 経 路 時 間 遅 延 はtree、ring構 造 の そ れ ら の 50%に 改 善 さ れ る こ と を 実 証 し て い る 。 よ っ て 、 本 章 で は 、 分 散 配 置 さ れ た Bluetooth デ バ イ ス 群 に お い て よ り 効 果 的 な ネ ッ ト ワ ー ク 構 築 ア ル ゴ リ ズ ム と な るSolidring構 造 を 提 案 し そ の 効 果 を 実 証 し た 点 で 新 規 性 が あ る と 判 断 さ れ る 。
第 3 章 「 An Energy-efficient Data Dissemination Scheme for Wireless Sensor Network」 で は 新 規 な セ ン サ ー ネ ッ ト ワ ー ク 制 御 ア ル ゴ リ ズ ム で あ る LESCS（low-energy static clustering scheme） が 課 題 で あ る 。 従 来 、static clustering を 基 に 構 成 さ れ た セ ン サ ー ネ ッ ト ワ ー ク で は 、 生 成 後 、 そ の 構 成 が 変 化 し な い の で 、 安 定 性 は 高 い が 、 セ ン サ ー ネ ッ ト ワ ー ク 系 全 体 の 寿 命 は 短 い 。 そ の 反 面 、dynamic clustering を 基 に 構 成 さ れ た 、 セ ン サ ー ネ ッ ト ワ ー ク で は 、 頻 繁 に そ の 構 造 を 変 化 さ せ 、 各 デ バ イ ス の 消 費 電 力 を 平 滑 化 す る た め 、 セ ン サ ー ネ ッ ト ワ ー ク 系 全 体 の 寿 命 は 長 く な る が 、 安 定 性 は 低 く な る 。 本 研 究 で は 、 前 述 の static clustering とdynamic clustering の 長 所 を 融 合 し 、LESCS と い う 新 し い セ ン サ ー ネ ッ ト ワ ー ク 制 御 ア ル ゴ リ ズ ム を 提 案 し て い る 。 具 体 的 に は 、 各 セ ン サ ー ネ ッ ト ワ ー ク 群 （cluster） の 中 で 、 一 つ の セ ン サ ー は 固 定 的 に cluster head と し て の 役 割 が 割 り 当 て ら れ 、 も う 一 つ の セ ン サ ー は cluster 内 の 全 て の セ ン サ ー か ら の デ ー タ 伝 送 を 取 り 纏 め る gateway と し て の 役 割 が 割 り 当 て ら れ 、 こ の gateway は 、dynamic（ 動 的 ） に cluster head に よ っ て 、 そ の 役 割 を 頻 繁 に 一 つ の あ る セ ン サ ー か ら 他 の セ ン サ ー に 再 配 置 さ れ る こ と で 、 各 セ ン サ ー が バ ラ ン ス 良 く 電 力 消 費 す る よ う に 制 御 を 受 け る こ と が で き る 点 を 明 ら か に し て い る 。LESCS に よ る セ ン サ ー ネ ッ ト ワ ー ク 制 御 と 従 来 の dynamic clustering に よ る セ ン サ ー ネ ッ ト ワ ー ク 制 御 を 比 較 し た 結 果 、 前 者 に お け る 各 セ ン サ ー デ バ イ ス の 平 均 動 作 寿 命 （ 動 作 時 間 ） は 、 後 者 の 1.5 倍 ま で 伸 長 さ れ る こ と を 検 証 し 、 さ ら に 最 初 に 電 力 が な く な る デ バ イ ス が 出 現 す る ま で の 時 間 （ セ ン サ ー ネ ッ ト ワ ー ク 系 全 体 の 安 定 性 ） に 関 し 、 前 者 の 制 御 で は 、 後 者 の 制 御 に 比 べ て １ ． ５ 倍 か ら ２ ． ０ 倍 に 改 善 さ れ る こ と が 検 証 で き て い る 。 よ っ て 、 本 章 で は 、 本 来 相 反 す る 要 素 で あ る
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セ ン サ ー ネ ッ ト ワ ー ク 系 全 体 の 長 寿 命 化 と 安 定 性 を バ ラ ン ス さ せ る セ ン サ ー ネ ッ ト ワ ー ク 制 御 ア ル ゴ リ ズ ム を 提 案 し 、 そ の 効 果 を 実 証 し た 点 で 新 規 性 が あ る と 判 断 さ れ る 。
第 4 章 「Research on wireless application: a new solution for concealed object detection in indoor positioning system」 で は 、 室 内 位 置 特 定 シ ス テ ム に お い て 、 障 害 物 に 隠 れ た 物 体 を 検 出 で き る ユ ニ ー ク な 方 式 を 研 究 課 題 と し て 論 じ て い る 。 本 研 究 で は 、 従 来 障 害 波 と し て 認 識 さ れ て き た 反 射 超 音 波 を 位 置 検 出 の 補 助 手 段 と し て 使 う 点 に 特 徴 が あ る 。 本 シ ス テ ム は 、3 つ の 超 音 波 送 信 機 か ら 、 認 識 さ れ る 標 的 と な る 1 つ の 超 音 波 受 信 機 に 向 け て 、 測 位 用 超 音 波 を 送 信 開 始 す る タ イ ミ ン グ を 順 次 、 無 線 制 御 す る コ ン ト ロ ー ラ ー と サ ー バ ー に よ っ て 実 験 環 境 が 構 築 さ れ て い る 。 受 信 信 号 が 直 接 波 の 場 合 、 従 来 例 に 従 い 、 超 音 波 送 信 機 か ら 超 音 波 受 信 機 に 至 る 超 音 波 の 伝 播 時 間 を 測 定 す る こ と で 距 離 を 計 算 で き 、 標 的 と な る 超 音 波 受 信 機 が 障 害 物 に 隠 れ 反 射 超 音 波 の み を 受 信 で き る 場 合 に は 、 幾 何 学 手 法 で 簡 便 に 距 離 を 探 索 で き る こ と を 具 体 的 に 示 し て い る 。 さ ら に 、 外 乱 ノ イ ズ に 影 響 さ れ や す い 反 射 超 音 波 の 認 識 感 度 を 向 上 す る た め 、 超 音 波 BPSK（ 二 値 位 相 変 調 ） 方 式 を 採 用 す る こ と で 、 床 面 の 超 音 波 反 射 率 が 0.8、 4m×4m×3m の 実 験 空 間 に お い て 、 位 置 特 定 誤 差 が 1cm 以 下 を 達 成 し て い る 。 以 上 の よ う に 、 本 章 で は 、 反 射 超 音 波 に 注 目 す る こ と で 、 新 た な セ ン サ ー （ 超 音 波 送 信 機 ） を 追 加 し な く て も 障 害 物 に 遮 蔽 さ れ た 標 的 （ 超 音 波 受 信 機 ） を 検 出 す る 新 規 な 方 式 を 開 発 し 、 実 験 的 に そ の 効 果 を 実 証 し た 点 で 評 価 で き る 。
第 5 章 「 結 論 」 で は 、 本 研 究 で 得 ら れ た 成 果 を 総 括 し 、 今 後 の 技 術 的 な 研 究 課 題 に つ い て 論 じ て い る 。
以 上 を 要 約 す る と 、 本 研 究 は 、 無 線 セ ン サ ー ネ ッ ト ワ ー ク の 最 適 化 と そ れ ら の 位 置 特 定 シ ス テ ム へ の 応 用 研 究 と し て 、 よ り 高 効 率 な 伝 送 経 路 を 実 現 で き る 無 線 セ ン サ ー
（Bluetooth） ノ ー ド の 最 適 配 置 構 造 、 無 線 セ ン サ ー ネ ッ ト ワ ー ク 系 全 体 の 寿 命 を 安 定 化 し 伸 長 で き る 最 適 制 御 ア ル ゴ リ ズ ム お よ び 隠 れ た 物 体 も 検 出 で き る 室 内 位 置 特 定 シ ス テ ム の 新 規 な 構 成 法 な ど を 提 案 し 、 そ れ ら の 有 効 性 を 実 証 し て い る 。 こ れ ら の 成 果 は 、 分 散 配 置 さ れ た 無 線 セ ン サ ー を ベ ー ス に し た 次 世 代 ポ ジ シ ョ ニ ン グ シ ス テ ム の 構 築 に 大 き く 貢 献 す る も の と 考 え ら れ 、 学 術 的 に も そ の 新 規 性 お よ び 独 創 性 が 高 い と 判 断 す る こ と が で き る 。 よ っ て 、 本 論 文 は 博 士 （ 工 学 ） の 学 位 論 文 と し て 価 値 あ る も の と 認 め る 。
2 0 0 9 年 １ 月 2 8 日 審 査 員
主 査 早 稲 田 大 学 教 授 工 学 博 士 （ 名 古 屋 大 学 ） 馬 場 孝 明 早 稲 田 大 学 教 授 工 学 博 士 （ 大 阪 大 学 ） 吉 原 務 早 稲 田 大 学 教 授 工 学 博 士 （ 早 稲 田 大 学 ） 石 野 福 弥 早 稲 田 大 学 教 授 博 士(工 学 ） （ 大 阪 大 学 ） 小 柳 恵 一
