2020 Fiscal Year Research-status Report
ドローンを用いた大規模災害時臨時無線ネットワークにおける情報伝送の低遅延化
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19K04392
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
岡田 啓 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 准教授 (50324463)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 大規模災害 / 臨時無線ネットワーク / ドローン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
大規模災害時には，安否情報や被災状況の把握などのために通信手段の確保が重要となる．しかし，通信インフラの破壊，通信施設の機能停止，通信需要増大によるネットワークの混雑などにより通信障害が発生することが想定される．そこで本研究では臨時通信システムとして，ドローンを用いて臨時無線ネットワークを構築することを目指す．本システムでは上空にネットワークを構築することで，ドローン間やドローンと地上ユーザ端末間の見通しを確保し，無線通信路の安定化を図ることができる．しかし，大規模災害時には十分な台数のドローンを確保できず，そのことが遅延時間の増加につながるなど，いくつかの課題がある．
2020年度では，(ii)バッテリ切れによるドローンの離脱を考慮しつつ，ドローンの位置分布推定を用いた飛行パターンを提案した．提案した飛行パターンを計算機シミュレーションにより評価することで，ドローンの台数が少ない場合において低遅延を達成することを示した．
また，(iii)ドローンが飛行することによる機体の傾きが通信路に与える影響をモデル化した．ドローンは飛行時にその移動方向に傾いてしまうので，アンテナの指向性及び偏波面のずれの影響を考慮すると受信電力が減少する．その結果，通信可能な距離も変化する．そこで，ドローン飛行時の速度と傾きの関係及び傾きを考慮することによる受信電力の減少をモデル化した．そして，計算機シミュレーションによりドローンの移動速度及び台数に対する情報伝送遅延特性について評価した．この結果，傾きを考慮することによる遅延時間の増加を確認した．また速度が速いほど傾きも大きくなるため，傾きを考慮しなかった場合と比べたときの遅延時間の増加が大きくなることが分かった．さらに，最も低遅延となるドローンの速度はドローンの台数に依存するということが分かった．
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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
申請書において，2020年度は(ii)バッテリ切れによるドローンの離脱を考慮した飛行パターンの考案を行うこと，および(iii)ドローンが飛行することによる機体の傾きが通信路に与える影響をモデル化することを予定していた．
これに対し研究実績の概要で述べたように，(ii)バッテリ切れによるドローンの離脱を考慮した飛行パターンとして，ドローンの位置分布推定を用いた飛行パターンを提案した．この提案手法はドローンの台数が少ない場合において，低遅延化を図ることができたものの，逆にドローンの台数が多い場合は遅延時間が増加した．本研究は災害時を想定しておりできるだけ少ない台数でネットワークを構築したいため，提案手法に有用性があると考える．
また，(iii)ドローンが飛行することによる機体の傾きが通信路に与える影響を考慮するために，ドローン移動時の速度と傾きの関係について運動方程式を用いてモデル化した．この速度と傾きの関係を用いて移動時の傾きを考慮したドローン間の受信電力をモデル化した．そして，このモデルを用いて移動時の傾きが与える影響を，ドローンの移動速度と台数をパラメータとしてシミュレーションにより評価した．この結果，最も低遅延となるドローンの速度はドローンの台数に依存するということが分かった．
このように，当初目的を達成することができ，おおむね順調に進展していると言える．
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| Strategy for Future Research Activity |
2020年度では，(ii)バッテリ切れによるドローンの離脱を考慮しつつ，特にドローンの台数が少ない場合において低遅延を達成するような飛行パターンの考案を行った．この提案手法はドローンの台数が少ない場合において，低遅延化を図ることができたものの，逆にドローンの台数が多い場合は遅延時間が増加した．
そこで2021年度では，ドローンの台数に依らず低遅延化を図ることができる飛行パターンについて検討する．2019年度に検討した反発飛行では，各ドローンはRandom Waypoint（RWP）に従って移動するが，他のドローンがお互いの通信範囲内に入った場合，位置情報を交換してドローン同士が反発する方向に目的地を決め直す．ドローンが密集する時間のあるRWPに対して，反発飛行を導入することでドローンの分布をより均一にすることで遅延を改善した．しかし，反発飛行では目的地を決める際に反発相手のドローン1台の位置情報を使い，複数のドローンの位置情報を同時に考慮しない．対象となる領域でドローンの密度が大きいほどドローンは多くの他のドローンの位置情報を知る機会が増え，それら複数の位置情報を考慮した移動をすることで遅延をより小さくできると考えられる．
そこで，複数のドローンとの情報交換を通して複数の位置情報を同時に利用することを考える．マルチエージェントシステムにおける配置を扱う被覆制御に注目し，ボロノイ分割を利用した新たな飛行パターンを提案する．提案飛行パターンでは被覆制御をそのまま適用するのみでなく，これを拡張して通信範囲外となったドローンの位置を通信時の目的地から予測してボロノイ領域を計算する．さらに，ドローンの予測位置に対して重みを設定することで重み付きボロノイ領域を用いる．予測位置の重みの減衰方法を検討し，シミュレーションにより重みの設定とドローンの分布，遅延特性の関係を考察する．
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| Causes of Carryover |
（理由）新型コロナウイルス感染拡大防止のため，多数の会議がオンライン開催となった．このため，当初，予算に計上してあった国内旅費，外国旅費について予定通りに執行することができなかった．
（使用計画）今年度，予算に計上してあった国内旅費，外国旅費について，次年度はより積極的に会議に参加するとともに，研究成果の発表を行うことで，これらに要する旅費や会議参加費，論文掲載料に充てる．
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Research Products
(5 results)
