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2018 年度 実施状況報告書

成功優先ランダムアクセスプロトコルに関する研究

研究課題

研究課題/領域番号 18K04140
研究機関京都工芸繊維大学

研究代表者

梅原 大祐  京都工芸繊維大学, 情報工学・人間科学系, 教授 (50314258)

研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2021-03-31
キーワード成功優先ランダムアクセス / スロットアロハ / IEEE 802.11 DCF / 非持続型CSMA / バックオフアルゴリズム / 伝送効率向上 / エネルギー効率向上 / スケーラビリティ向上
研究実績の概要

送信成功した無線端末のみが優先される成功優先のコンセプトをランダムアクセスプロトコルであるスロットアロハ,IEEE 802.11 DCF,非持続型CSMA (NP-CSMA)に適用した.
成功優先スロットアロハにおいては,付加的な物理層技術を導入することなくスロットアロハの限界値である 1/e=0.368 を大幅に越えるスループット(伝送効率)が得られることを理論解析及び計算機シミュレーションにより明らかにした.また,スループットを最大化するコンテンションウィンドウ値が解析モデルより導出可能であることを示した.さらに,無線LAN端末の送信モード,受信モード,スリープモードの測定消費電流値をもとに,平均消費電流値を導出した結果,成功優先確率が高いときに,従来のスロットアロハより低い消費電流値が達成されることを理論解析及び計算機シミュレーションにより明らかにしている.
2進指数バックオフアルゴリズムを採用する無線LANのIEEE 802.11 DCFにおいては,成功優先のコンセプトを導入することで,スループットが向上し,フレーム廃棄率が低減することを理論解析と計算機シミュレーションにより明らかにした.さらに,従来の無線LAN端末との混在環境下においても従来の無線LAN端末と比較してスループットの低減やフレーム廃棄率の増加が生じないことを解析モデル及び計算機シミュレーションにより明らかにしている.
無線チャネルがビジーと判定されるときにコンテンションウィンドウを倍増させる2進指数バックオフアルゴリズムを採用したNP-CSMAにおいては,成功優先のコンセプトを導入することで,伝送効率とエネルギー効率の双方が向上するという理論解析結果と計算機シミュレーション結果が得られた.また,提案する2進指数バックオフアルゴリズムによりスケーラビリティの向上が確認された.

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

当初の予定通り,スロットアロハ,IEEE 802.11 DCF,非持続型CSMA (NP-CSMA)の三種のランダムアクセスプロトコルに対して,成功優先のコンセプトを導入したバックオフアルゴリズムを提案し,それらのアルゴリズムに対して性能解析モデルを導出した.我々が狙いとする大規模ワイヤレスネットワークに対して,性能解析モデルによる性能解析結果と計算機シミュレーション結果は伝送効率とエネルギー効率を含む性能指標において精度良く一致することを示すことができた.特に,NP-CSMAにおいては,フレーム衝突をベースとした2進指数バックオフアルゴリズムではなくフレーム衝突を含むチャネルビジー検出をベースとした2進指数バックオフアルゴリズムを採用することにより,トラヒック変動が生じるワイヤレスネットワークにおいても自律分散的に適切なコンテンションウィンドウ値に収束するという新たな知見が得られた.屋内同期信号としてGPS再放射システムを実験室に導入して,現在,これらのランダムアクセスプロトコルを実装するための準備を進めている.

今後の研究の推進方策

理論面では,特に成功優先ビジー倍増バックオフアルゴリズムを適用したNP-CSMAにおいて見られた,アクティブなノード数が少ない領域における理論解析結果と計算機シミュレーション結果の不一致に関する考察を進めていく.現時点では,異なるコンテンションウィンドウ値におけるチャネルビジー検出確率を一定としている仮定が不一致の要因として考察しているが確証が得られていない.シミュレーション面に関しては上位層であるTCP層を含めた性能評価を進めていく.実装面においては,ソフトウェア無線デバイスであるUSRPに対して各種のランダムアクセスプロトコルの実装を進めていく.

  • 研究成果

    (15件)

すべて 2019 2018 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 2件、 査読あり 4件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (6件) (うち招待講演 1件) 備考 (4件)

  • [国際共同研究] University of New South Wales(オーストラリア)

    • 国名
      オーストラリア
    • 外国機関名
      University of New South Wales
  • [雑誌論文] Controller Area Network and Its Reduced Wiring Technology2019

    • 著者名/発表者名
      Daisuke Umehara, Takeyuki Shishido
    • 雑誌名

      IEICE Transactions on Communications

      巻: E102-B ページ: 印刷中

    • DOI

      10.1587/transcom.2018ANI0004

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Success Prioritized Slotted ALOHA with Sleep Function2018

    • 著者名/発表者名
      Daisuke Umehara, Takuma Yamamoto, Jinhong Yuan
    • 雑誌名

      Proceedings of the 12th International Conference on Signal Processing and Communication Systems

      巻: - ページ: -

    • DOI

      10.1109/ICSPCS.2018.8631709

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Ringing Mitigation Schemes for Controller Area Network2018

    • 著者名/発表者名
      Daisuke Umehara, Takeyuki Shishido
    • 雑誌名

      Proceedings of the 2018 IEEE Vehicular Networking Conference

      巻: - ページ: -

    • DOI

      10.1109/VNC.2018.8628443

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Success Prioritized Distributed Coordination Function with Contention-Free Threshold2018

    • 著者名/発表者名
      Daisuke Umehara, Jinhong Yuan
    • 雑誌名

      Proceedings of the 2018 IEEE International Conference on Communications

      巻: - ページ: -

    • DOI

      10.1109/ICC.2018.8422700

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Throughput Maximization for Success Prioritized Non-persistent CSMA2019

    • 著者名/発表者名
      Daisuke Umehara
    • 学会等名
      2019年 電子情報通信学会 総合大会
  • [学会発表] Success Prioritized Busy Doubled Backoff Algorithm for Non-persistent CSMA2019

    • 著者名/発表者名
      Daisuke Umehara
    • 学会等名
      電子情報通信学会 通信方式研究会
  • [学会発表] Success Prioritized Non-persistent CSMA with Sleep Funtion2018

    • 著者名/発表者名
      Daisuke Umehara
    • 学会等名
      電子情報通信学会 通信方式研究会
  • [学会発表] Ringing Mitigation Schemes for Controller Area Network2018

    • 著者名/発表者名
      Daisuke Umehara
    • 学会等名
      電子情報通信学会 通信方式研究会
  • [学会発表] Controller Area Network and Its Reduced Wiring Technology2018

    • 著者名/発表者名
      Daisuke Umehara
    • 学会等名
      電子情報通信学会 通信方式研究会
    • 招待講演
  • [学会発表] PAM-RoHRによる端末共同干渉キャンセラにおける送受信アンテナ数の影響評価2018

    • 著者名/発表者名
      田中 祐大
    • 学会等名
      電子情報通信学会 通信方式研究会
  • [備考] 国内及び査読無し発表

    • URL

      http://www.ice.is.kit.ac.jp/~umehara/papers/domestic-j.html

  • [備考] ジャーナル論文

    • URL

      http://www.ice.is.kit.ac.jp/~umehara/papers/journal-j.html

  • [備考] Refereed international conference papers

    • URL

      http://www.ice.is.kit.ac.jp/~umehara/papers/international.html

  • [備考] 梅原 大祐

    • URL

      https://www.hyokadb.jim.kit.ac.jp/profile/ja.288262d3ce364ba04b16438a6e9b61a8.html

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公開日: 2019-12-27  

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