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次世代無線通信網での高速データ通信手法と適応能力をもつネットワーク構築手法の開発

研究課題

研究課題/領域番号 21K04544
研究種目

基盤研究(C)

配分区分基金
応募区分一般
審査区分 小区分25010:社会システム工学関連
研究機関筑波大学

研究代表者

張 勇兵  筑波大学, システム情報系, 教授 (80242353)

研究分担者 亀田 壽夫  筑波大学, システム情報系(名誉教授), 名誉教授 (10011660)
研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2024年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2023年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2022年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2021年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
キーワード通信資源の割当 / ルーティング / 光通信技術 / 数理計画手法 / 性能評価 / 通信資源割当 / SDN / 移動通信技術 / 通信ネットワーク / NFV / 無線通信ネットワーク / データ分析
研究開始時の研究の概要

次世代無線通信ネットワークにおいて、Software defined mobile networking(SDMN)技術とNetwork Function Virtualization(NFV)技術をクラウド技術と組み合せることにより、高速なデータ処理および異なる通信需要に適応できるネットワーク構築が求められている。本研究は、ユーザの視点に立ち、端末の処理能力や通信ネットワークの通信帯域幅などの制限を考慮し、実システムに近い条件下で端末アプリケーションの平均応答時間を最小化する手法を追究し、また、通信トラヒックを分析することにより、異なる需要に適応できるネットワークデザインの手法を追究する。

研究実績の概要

次世代無線通信ネットワークは低い通信遅延と高速なデータ通信のほか、ユーザの高い移動性並びにさまざまなパターンの通信要求に対処するため、光通信ネットワークを基盤とする上、Software defined mobile networking(SDMN)とNetwork Function Virtualization(NFV)との仮想化技術を組み合わせ、より柔軟なネットワークを構築することが期待されている。そのため、数多くの基地局をネットワーク内に配置し、従来の基地局に配置されたユーザ管理機能を中央制御センターのクラウド上に集約し、ユーザの移動性と需要に応じて再構築するようにしている。本年度における研究では、まず、無線通信ネットワークにおいて、異なる種類の通信需要に適した超高速光基盤ネットワークおよび基盤ネットワークと末端ユーザとを接続するアクセスネットワークの効率的な構築に関する計画問題を追究した。不確定なユーザ位置や通信QoS要求を異なるシナリオとして考え、ネットワーク構築コストおよびユーザの管理コストの合計を最小化とする最適化問題として形式化し、その問題を分解して解くBenders 分解法を適用した。さらに、ユーザ通信要求の異なるシナリオを整理し、その特性によりクラスタ化することにより、考慮すべくシナリオ数を大きく減らし、Benders 分解手法より解を求める時間を大きく減らすことができることを示した。本年での研究ではまた、今後さらなる通信需要の増加を考慮し、近年に注目されている超高速光空間チャンネルネットワーク(SCN)において、通信需要が時事刻々と変化する動的な場合、その需要に合わせて空間チャンネルおよび従来のスペクトル資源を柔軟に割り当てるヒューリステック手法を新たに提案し、その効率性・有効性を示した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

これまでの本研究では、SDNおよびNFV技術をベースに構築されるネットワーク環境において、ユーザからの様々なデータ処理要求およびユーザのQoS要求に対して効率的に通信コアネットワークおよびアクセスネットワークの設計問題を数理最適化問題として定式化し、ユーザの通信要求をシナリオとしてクラスタリングすることにより、従来のBenders分解法より速い解決方案を新たに提案し、その有効性および効率性を明らかにした。現在は、これらの手法を無線通信ネットワークにおけるデータキャッシュのアクセス問題に拡張し、ユーザのデータアクセス要求の不確実性を考慮した場合、その問題を解決する手法を試みている。また、超高速光通信ネットワークにおいて、不確実なネットワーク装置故障がある場合のルーティング決定およびスペクトル割当問題に本研究で考案された分解法を適用し、従来手法より素早くよい解を求める方法を考案し、研究を進めている

今後の研究の推進方策

これまでに得られた成果を活かし、今後の研究でネットワークの構築問題およびデータアクセス問題を分解手法で解くことを進める予定である。ここで、たとえば、光通信ネットワークにおけるルーティング決定とスペクトル資源の割当は別々の問題に分解し、段階的に解くことを試みる。また、ネットワーク内にデータ項目の配置とユーザからのアクセス要求とを分解し、不確実性が伴うユーザ位置とデータアクセス要求を考慮し、二段階の確率最適化問題に帰着し、その最適解または近似解を求めることにする。また、通信品質の高いネットワークの構築問題を考え、通信装置(ノード)、通信線(リンク)、そして、ノードとリンクからなるグループによる故障に対応できるネットワーク保全問題を確率的な最適化問題として考え、その最適解を求めることにする。ここで、もし、問題の厳密解が得られない場合、その問題の制御整数変数を実数に緩和し、その問題の近似解を求めることにする。

報告書

(3件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 2021 実施状況報告書
  • 研究成果

    (15件)

すべて 2024 2023 2022 2021 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (7件) (うち国際共著 7件、 査読あり 7件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 4件)

  • [国際共同研究] 烽火通信科学技術株式会社(中国)

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [国際共同研究] Shanghai Jiaotong University(中国)

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [雑誌論文] An accelerated benders decomposition approach for virtual base station formation in stochastic cloud-RANs2024

    • 著者名/発表者名
      Y. Wu, K. Zhang, and Y. Zhang
    • 雑誌名

      Computer Networks

      巻: 243 ページ: 110328-110328

    • DOI

      10.1016/j.comnet.2024.110328

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Robust Design Against Network Failures of Shared Backup Path Protected SDM-EONs2023

    • 著者名/発表者名
      Zheng Weichang、Yang Mingcong、Zhang Chenxiao、Zheng Yu、Zhang Yongbing
    • 雑誌名

      OSA/IEEE Journal of Lightwave Technology

      巻: 41 号: 10 ページ: 1-16

    • DOI

      10.1109/jlt.2023.3239743

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] JIRA: Joint Incentive Design and Resource Allocation for Edge-based Real-time Video Streaming Systems2022

    • 著者名/発表者名
      Yuan Shijing、Li Jie、Chen Hongyang、Han Zhu、Wu Chentao、Zhang Yongbing
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Wireless Communications

      巻: 22 号: 5 ページ: 1-1

    • DOI

      10.1109/twc.2022.3215140

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Evaluation of Optical Transport Unit Line-card Integration in Spatially and Spectrally Flexible Optical Networks in terms of Device Cost and Network Performance2022

    • 著者名/発表者名
      Zheng Weichang, Yang Mingcong, Zhang Chenxiao, Zheng Yu, and Zhang Yongbing
    • 雑誌名

      OSA/IEEE Journal of Lightwave Technology

      巻: 40 ページ: 6319-6330

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Application-aware QoS routing in SDNs using machine learning techniques2022

    • 著者名/発表者名
      W. Zheng, M. Yang, C. Zhang, Y. Zheng, Y. Wu, Y. Zhang, and J. Li
    • 雑誌名

      Springer Peer-to-Peer Networking and Applications

      巻: 15 号: 1 ページ: 529-548

    • DOI

      10.1007/s12083-021-01262-8

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Reliability-aware VNF placement using a probability-based approach2021

    • 著者名/発表者名
      Y. Wu, W. Zheng, Y. Zhang, J. Li
    • 雑誌名

      IEEE Transactioins on Network and Service Management

      巻: 18 号: 3 ページ: 2478-2491

    • DOI

      10.1109/tnsm.2021.3093199

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Analysis of Wavelength Deployment Schemes in Terms of ONUs Cost and Upstream Transmission Performance in NG-EPONs2021

    • 著者名/発表者名
      C. Zhang, M. Yang, W. Zheng, Y. Zheng, and Y. Zhang
    • 雑誌名

      OSA/IEEE J. Optical Communications and Networking

      巻: 13 号: 9 ページ: 214-223

    • DOI

      10.1364/jocn.425722

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Toward Increasing User Capacity through Application of Loopback-enabled Architecture and an Adaptive Caching Strategy in Mobile Cellular Networks2023

    • 著者名/発表者名
      C. Jin and Y. Zhang
    • 学会等名
      Proc. Asia Communications and Photonics Conference (ACP 2023)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Dynamic routing, spatial channel and spectrum assignment (RSCSA) in spatial channel networks (SCNs)2023

    • 著者名/発表者名
      Y. Zheng, W. Zheng, and Y. Zhang
    • 学会等名
      Proc. Asia Communications and Photonics Conference (ACP 2023)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Cost-effective joint establishment of fronthaul and virtual base stations in a stochastic C-RAN2023

    • 著者名/発表者名
      Y. Wu and Y. Zhang
    • 学会等名
      Proc. 3rd Int. Workshop Big Data and Machine Learning for Networking (BDMLN2023) with 32nd Int Conf. Computer Communications and Networks (ICCCN2023)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Time-Aware Machine Learning-based Traffic QoS Classification2022

    • 著者名/発表者名
      W. Zheng, Z. Guo, and Y. Zhang
    • 学会等名
      情報処理学会インターネットアーキテクチャ研究会(IA)第56回研究会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] Routing and Spectrum Assignment in MCF-SDM Networks2022

    • 著者名/発表者名
      Y. Zheng and Y. Zhang
    • 学会等名
      情報処理学会インターネットアーキテクチャ研究会(IA)第56回研究会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] Blockchain based Public Auditing Outsourcing for Cloud Storage2021

    • 著者名/発表者名
      Y. Lin, J. Li, S. Kimura, Y. Zhang, Y. Ji, and Y. Yang
    • 学会等名
      Proc. IEEE Int. Conf. Parallel and Distributed Systems (ICPADS)
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会

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公開日: 2021-04-28   更新日: 2024-12-25  

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