2017 Fiscal Year Annual Research Report
Massive MIMOを用いた3次元ドローンメッシュネットワーク制御の研究
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17H01738
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| Research Institution | Nippon Institute of Technology |
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Principal Investigator |
平栗 健史 日本工業大学, 工学部, 教授 (90582817)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中尾 彰宏 東京大学, 大学院情報学環・学際情報学府, 教授 (60401238)
西森 健太郎 新潟大学, 自然科学系, 准教授 (90500611)
金子 めぐみ 国立情報学研究所, アーキテクチャ科学研究系, 准教授 (10595739)
木村 共孝 東京理科大学, 工学部電気工学科, 助教 (20756382)
松田 崇弘 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (50314381)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | ドローン / 編隊飛行 / メッシュネットワーク / 干渉 / スループット / Massive MIMO / ビームフォーミング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，小型自律無人航空機（ドローン）を用いて，空中に立体的な無線メッシュネットワークを構築する技術の確立を目的とする．本研究の特徴は，ドローンの編隊飛行に加え，Massive MIMO（Multiple Input Multiple Output）のような多角度への動的な複数指向性ビーム形成を制御し，空中に3次元のメッシュネットワークをフレキシブルに構築する．この技術により，災害時の広範囲探索や建造物の短時間3D映像スキャニング，多視点切り替えのリアルタイム映像配信などが実現できる．
H29年度の研究実績としては，指向性ビーム形成方法の検討として，ドローンの編隊飛行に適したビームの形成角度と伝送速度の関係を理論計算および実験にて評価した．ビーム形成の条件は，干渉波としてアンテナ間の回り込み干渉，中継先へのオーバーリーチ干渉，アンテナバックローブの干渉などを含めて干渉量を評価し，2ホップ中継で最大の伝送速度が得られるビーム角度を確認した．評価結果より，各ビームは90°の角度を持たせることが望ましいことが確認でき，これを編隊飛行の構成に適用することとした．
これらの研究成果として関連するものは多数あるが，主に，（１）電子情報通信学会・コミュニケーション研究会・特別招待講演（H29年8月），（２）同学会・宇宙・航行エレクトロニクス研究会・一般講演（H29年8月），（３）同学会・コミュニケーション研究会・一般講演（H30年3月），（４）同学会・総合大会・一般講演（H30年3月），（５）日本学術会議・無線通信システム信号処理小委員会 (URSI-C）招待講演（H30年3月）の招待講演2件を含む，計5件の研究発表がある．また，（株）キャンパスクリエイト（電気通信大学TLO）主催の「人工知能・IoT・ビッグデータ分野における産学連携マッチングフェア」にて研究成果の静態展示を行っている．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
現在までの研究進捗状況は概ね計画通りに進んでいる．H30年度に予定している飛行実験に備えて，ドローン機種の選定は，現在進めていおるところであるが，基本的なドローン編隊飛行の構成（形状）や，放射角度の選定は理論計算及び屋内実験にて終えており，今後，詳細な通信に関する実験を行う準備は十分に整っている．また，分担研究者とも密に連絡を取り，2～3か月に1回，進捗報告会を開催しているため，プロジェクトの全体的な進捗も問題なく進められている．
すなわち，論文化するための詳細な計算結果や実験結果は，今後，データの蓄積をする必要があるが，残り2年の研究期間で進める研究課題のためのベースとなるデータ取得は終えており，研究の方向性についても，確立できたと考える．また，学会発表や展示会などの対外的なアピールも研究成果として残すことができた．
ただし，通信に関する課題の進捗は，上述の通り順調であるが，編隊飛行のための飛行制御方法については，調査・検討の結果，当初の想定よりも難しいことが判明し，今後，関連する専門分野の研究者にアドバイスを求めることや，H30年度の予算の中で，当該部分の予算を盛り込むなど，研究計画を少し修正する予定である．
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| Strategy for Future Research Activity |
研究課題に対する今後の研究推進方策は，H29年度までに取得したデータと研究の方向性確立を元に，H30年度は研究を進めていく予定である．
H30年度の課題の一つである，中継ドローンに対する３次元マルチビーム追従技術確立は，マルチビームの数を増加させることは，課題①におけるルーティングの自由度が向上するとともにリンク数を増大させる観点より有効である．完全に直交するためのビームの条件はアンテナサイズで一般に決定されるため，ドローンに実装できるアンテナ開口が与えられると，ビーム数が決定される．より多くのビームを作るためには，ビーム放射角度とビームが照射させる範囲（ビーム幅）を見積もる必要がある．ビーム放射角度は，H29年度の研究成果で確立したが，ビーム幅に関しては，今後，ドローンの変動（移動）に応じて設計する予定である．さらに，3次元的に最適なビームを生成する必要がある．そこで，ドローン数とメッシュネットワークのトポロジに対して，放射角度とビーム幅に関する最適値を導出するとともに,ビームの形成制御方法を信号処理と物理的なアンテナ構成によって実現する．
また，もう一つの課題である動的で不安定な無線経路のネットワーク仮想化による多重ルーティング技術の確立については，ネットワークの構成，すなわち編隊飛行の構成が確立後に，研究分担者と共同で検討を進めていく予定である．その方策として，Massive MIMOによるメッシュ構築と仮想多重ルーティングの組み合わせにより，衝突や干渉による効率低下の防止とロバスト性の向上を同時に実現する手法を新たに提案する．
これらの研究成果は学会発表および，査読付き論文化を早急に進めることを予定しており，既に，電子情報通信学会・会誌の小特集「ドローンがもたらす新しい世界」の執筆依頼を受けており，執筆後は，H30年12月号に掲載される予定である．
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| Remarks |
株式会社キャンパスクリエイト（電気通信大学TLO）主催の「人工知能・IoT・ビッグデータ分野における産学連携マッチングフェア」の展示会に出展．内容は，ドローンの編隊飛行によって空中に3次元ネットワークを構築する研究についてポスターおよび静態展示を実施．Webページには，謝辞として，「本研究の一部は．JSPS科研費JP17H01738の助成を受けたものである」を記載．
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[Presentation] 最適CWを用いたCollision Avoidance制御方式の実装2018
Author(s)
遠藤 匠, 平栗 健史, 森野 善明, 進藤 卓也, 設樂 勇, 松田 崇弘, 西森 健太郎, 吉野 秀明, 満井 勉, 長谷川 幹雄
Organizer
信学技報, vol. 117, no. 410
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