2015 Fiscal Year Annual Research Report
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15H04008
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| Research Institution | Nara Institute of Science and Technology |
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Principal Investigator |
笠原 正治 奈良先端科学技術大学院大学, 情報科学研究科, 教授 (20263139)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 協調メカニズム / コグニティブ無線 / 部分観測マルコフ決定過程 / ゲーム理論 / データ構造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，莫大な数の無線端末が存在する環境下において，周波数資源の利用状況を時間的にも空間的にも高精度に把握し，かつ無線端末母集団サイズの変動や故障機器が存在してもロバストに機能する自律分散型協調制御メカニズムを確立することを目的としている．
当該年度では研究の予備検討として，通信ネットワークにおけるエンド・エンド間パス候補選択に向けたZDDの応用法，ならびにBDDを応用したネットワーク信頼性評価法を中心に研究を展開した．具体的には，ネットワーク内の始点・終点ノードを結ぶ経路から与えられた条件を満足する経路を選定する問題に対してZDDやBDDといったデータ構造を応用したアルゴリズムを開発し，実ネットワークのトポロジーに対して計算機実験を行い，提案アルゴリズムの有効性を確認した．
また，自律分散型協調メカニズムの観点から，災害時の避難誘導方式についても研究を行った．具体的には，モバイル端末の移動軌跡から通行不能箇所を自動的に判別して他ユーザと情報共有することで避難完了時間を短縮する方策を提案し，計算機シミュレーションにより，被災程度の影響や情報共有効果が提案方式の性能に与える効果について確認した．
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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
現在までの進捗状況は以下の通りである．
通信ネットワークにおけるエンド・エンド間パス候補選択に向けたZDDの応用法：オーバレイネットワークでは，所望の要件をみたすエンド・エンド間パスを物理ネットワーク上に設定し，仮想的なネットワークを構築する．この際，始点・終点の2ノード間のパス候補の中で，遅延やロス等の品質を満足するパスを迅速に選定する必要がある．ここではゼロサプレス型2分決定グラフ (ZDD) と呼ばれるデータ構造を用いたフロンティア法に基づくパス列挙アルゴリズムについて検討を行い，ある程度の大きさの実ネットワークに対して動作することを計算機実験により確認した．
フロンティア法を応用したネットワーク信頼性評価法の確立：従来のネットワーク信頼性評価問題では，ネットワークの各リンクに静的な故障確率が設定されている場合に，指定された2頂点間が通信可能である確率を求めるものであった．ここではリンクだけでなく，ノードにも故障確率が設定されている場合のネットワーク信頼性評価について，二分決定グラフ (BDD) を用いた厳密計算手法について検討を行った．具体的には，ネットワークグラフをハイパーグラフに変換することで直接BDDを構築するアルゴリズムを提案し，またリンクとノードの効率の良い処理順について理論的な計算量評価を行った．計算機実験により，処理順序を考慮した改良アルゴリズムの計算時間とメモリ使用量が大幅に削減されることを確認した．
端末の移動軌跡情報を用いた避難誘導方式：モバイル端末を用いた避難誘導方式として，避難者の移動軌跡から通行不能箇所を自動的に推定し，通行不能箇所をすれ違い通信や通信インフラを介して避難者間で共有する方式について検討を行った．シミュレーション評価により，提案方式の基本特性や被災程度の影響，情報共有効果について評価を行い，提案手法の有効性を定量的に確認した．
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| Strategy for Future Research Activity |
部分観測マルコフ決定過程 (POMDP) は状態や行動に対して不確実性を取り入れた逐次的意思決定過程モデルであり，意思決定者は観測に応じた行動選択，状態遷移，報酬の受け取りを繰り返すことで，各状態において将来得られる報酬の和が最大となるような方策の獲得を行う．コグニティブ無線の端末協調制御問題にPOMDPを応用する際，最適方策導出にかかる計算量を考慮した観測対象・行動集合・報酬・コストの定式化，無線端末にとって利得性の高い行動を決定する自律的行動決定アルゴリズム，計算量低減に向けた状態表現の工夫と最適解を導出するアルゴリズムの高速化，の三点が重要な課題となる．平成28年度では無線端末協調問題のPOMDPへの定式化について検討を継続するとともに，状態探索空間のデータ構造を工夫した高速最適化アルゴリズムの検討を行う．具体的な検討項目は以下の通りである．
1. POMDPによる無線端末協調問題の定式化
無線端末が自律分散的に協調グループを形成するための最適な逐次的方策を導出するPOMDPについて，状態・行動・コスト構造の観点から多角的に検討する．
2. 状態探索空間のデータ構造を工夫した高速最適化アルゴリズムの検討
POMDPで定式化した動的最適計画問題に対する厳密解法は，考慮している状態の数や行動の種類が多くなると，最適方策を導出するための計算量が爆発的になることが知られている．ここでは準最適解を導出するPBVIアルゴリズムに対し，状態空間をコンパクトに表現可能なZDDやBDD等のデータ構造を応用し，周波数の使用状況や隣接端末の有無等の状態，協調グループへの参加・離脱や周波数帯域の獲得・解放等の行動を表現するZDDの応用法の検討と準最適解導出のための計算アルゴリズムについて研究を展開する．
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