2014 Fiscal Year Annual Research Report
人体頭部・眼球の情報獲得行動による超高速人体装着型アンテナ系通信資源統合管理機構
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26289122
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| Research Institution | Ritsumeikan University |
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Principal Investigator |
前田 忠彦 立命館大学, 情報理工学部, 教授 (40351324)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
野口 拓 立命館大学, 情報理工学部, 准教授 (00388133)
陳 強 東北大学, 工学研究科, 教授 (30261580)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | ウエアラブル / ミリ波 / 眼鏡型デバイス / キャパシターハット / 情報取得行動 / アドホックネットワーク / 経路設定 / モーメント法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
眼鏡へのアンテナ実装に関わりブロードサイド型およびエンドファイヤ型のアンテナの研究を行った．ブロードサイド型では眼鏡フレーム上部へ実装するために給電回路の小型化を狙った直列給電方式に着目し，反射器を誘電体内に内装させスルーホールを用いた折り返し放射器を採用することで電力分配比と整合条件設定に自由度の高いアンテナ構成法を提案した．また眼鏡型デバイスのテンプル部に内装するエンドファイヤ型アンテナのビームチルト制御方式の研究を進め，E面内でのビームチルト技術を開発した．さらに無線基地局側アンテナのサービスエリア形状不均一への適応性を高める手法として誘電体延長部追加構成による基地局用アンテナについて基本検討を行いビームチルト角とサービスエリア形状の同時制御可能性について検討を行った．
ウエアラブルデバイス用アンテナの電磁界数値解析を実現するため，モーメント法による誘電体近傍アンテナの電磁界数値解析高速化研究を行い，特性展開関数の高次モードを用いることで，誘電体によるアンテナ入力インピーダンスへの影響を高速で高精度に計算する手法を開発した．また，人体埋め込み型アンテナの放射効率を周波数領域で計算し，人体による電波吸収やアンテナの導体損失を考慮した伝搬損失の周波数特性を明らかにした．
狭指向性アンテナを用いてアドホックネットワークを構成するため，端末位置とユーザの姿勢情報を考慮した経路制御プロトコルを提案した．提案方式の有効性をシミュレーションにより検証し，既存方式との比較で通信成功率悪化を回避し冗長トラヒックを２０％削減可能なことを明らかにした．さらに，提案方式の実性能検証のため，車両アドホックネットワーク，スマートフォンネットワークおよび宅内ネットワークでの実機実験を行い経路設定に対する提案方式の有効性を確認した．
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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
眼鏡型デバイスに注目し、眼鏡フレーム部およびテンプル部に実装するアンテナの基本方式選定を完了した．特に、寸法制限のある眼鏡上の限定されたアンテナ装着部位に適したアンテナ構造を複数提案した．また，今後の指向性制御の基本となるビームチルト制御方式を提案し，基礎的実験による動作確認を完了することで初年度の目標を達成した．また、人体頭部のリアル形状人体等価ファントムの構成要素として複数の人体組織のファントムを提案した．さらにファントム試作効率を高めるための組成自動設計ソフトウエアの開発を行い，次年度の眼球組織への電波吸収制御の実験的評価に向けたファントム試作効率を改善する技術開発に着手した．
ウエアラブルデバイス用アンテナの電磁界数値シミュレーションを行うための高速で高精度の電磁界数値解析法を確立した．また，人体の電気的特性を考慮したウエアラブルデバイス用アンテナ電磁界シミュレーションにより，アンテナ放射特性に対する人体の影響を定量的に評価する成果を達成した．これらの結果は，今後のウエアラブルデバイス用アンテナの研究開発に重要な基礎データと設計指針を与える成果である．
眼鏡型デバイスに装着された狭指向性アンテナを用いてアドホックネットワークを構成するネットワーク技術の確立という点で新たな経路制御プロトコルを提案し，初年度の研究目的を達成した．当初の計画と差異が生じている部分として，当初は指向性アンテナ向けネットワーク構成技術としてメディアアクセス制御と経路制御双方を対象としていたが，指向性アンテナを用いたブロードキャストでは，従来のメディアアクセス制御で問題視されていたdeafness問題の原因となるRTS/CTS制御を省略可能であることが判明し，メディアアクセス制御の検討を取りやめたが，研究目的との不整合は生じず，研究自体は順調に進展していると判断される．
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| Strategy for Future Research Activity |
直列給電方式に関しては従来の片側給電を発展させた中央給電左右分岐型を検討し，スルーホール型折返し放射器の構造パラメータをアンテナユニット毎に設定することでインピーダンス変換と電力分配比を同時に実現するアレーアンテナ構成法について構造の最適化を進める．また，人体の３次元構造を指向性形成に利用するため，人体内部の分極電流の振幅と位相を制御する可能性について基礎的検討を実施する．また、眼鏡型デバイスは人体頭部，特に眼球近傍に近接して配置されるため、人体に対する電磁波の照射レベルの評価と低減に関わる研究を行う。
生体の情報獲得行動に基づいたアンテナの指向性制御を行うために，簡易的なミリ波帯アンテナ指向性の制御法を検討する予定である．昨年度の研究成果を用いて，電磁界の数値シミュレーションにより，指向性可変なウエアラブルデバイス用アンテナの設計と性能評価を行う．また，設計したアンテナを人体ファントムに搭載し，アンテナの指向性と放射効率を測定するため，ファントム及び実験法を検討する．
H２６年度の成果により，高利得・狭指向性アンテナによって構成したアドホックネットワーク上で実用可能な経路制御プロトコルの開発が完了した．今後は，ユニキャストベースの本方式をマルチキャスト通信へと拡張する．狭指向性アンテナを用いてマルチキャスト通信を行う条件下では安定的にユーザ間接続性を維持することが困難である．そこで，不安定なユーザ間接続環境下でマルチキャスト通信を実現するため，開発済みの経路制御プロトコルを遅延耐性ネットワーク（Delay Tolerant Networking: DTN）に適用し，蓄積型マルチキャスト転送を行うことで，ユーザ間の動画情報配信・収集を実現する方式を提案する．また，スマートフォン・タブレットなどの実機を用いて提案方式の各応用における性能評価も行う予定である．
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| Causes of Carryover |
当初，実験試験局の無線設備 周波数変換部の試作を予定していたが，試作のための仕様について実際に採用するアンテナ指向性制御方式に依存する項目があることと，当面の測定は研究室保有の周波数変換装置で代用できるため26年度の試作を見送った。一方，人体近傍の電磁界解析の計算規模が大規模となりそのための計算機環境整備が必要であるため次に述べる使用計画とする．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
アンテナビーム制御・通信リソース制御並列処理システムを構築するための計算・処理機材を導入する．またこの処理を実行するためのソフトウエア・コンパイラーを複数導入する．また、眼球組織への電磁波吸収制御の実験的研究のためには人体生体組織等価のファントムを試作する必要がある．このための高周波帯域に対応できる電気定数評価関連測定機材の追加が必要であり，これに予算を充当する予定．
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