NAL【SCOPE研究発表会】
中⼩規模コミュニティ向けインフラ構築のための無線アドホックネットワーク実⽤化基盤技術の研究開発（平成22〜23年度）
2012年7⽉13⽇（株）ネットワーク応⽤技術研究所（学）関⻄⼤学（国）九州⼯業⼤学（財）九州ヒューマンメディア創造センター

本日の発表内容

NAL 背景、⽬的、課題

アドホックネットワーク研究開発の必要性

 送信制御機構を有するＴＣＰプロキシ技術の研究開発

適応型レート制御、強制フロー制御
 実機実験結果に基づくシミュレーション評価による課題抽出 ＭＡＣフレーム送信優先度制御技術の研究開発

Prioritized Transmission Scheme (PTS) Autonomous Dynamic Transmission Scheduling (ADTS) 北九州ユビキタスモールにおける実証実験

⾼性能無線アドホックネットワーク基盤ソフトウェアの開発
 アドホックネットワークを⽤いたアプリケーション実験
 まとめ

対外成果、⼈材育成寄与、等
SCOPE研究発表会 (平成23年度終了課題)

2All rights reserved, Copyright © NETWORK APPLICATION ENGINEERING LABORATORIES LTD 2012

研究開発体制

NAL

研究開発実施期間

平成２２年度～平成２３年度 （平成２２年８月～平成２４年３月の約１年半）
研究代表者

高木 宏，
（株）ネットワーク応用技術研究所 代表取締役社長

研究分担者
山本 幹，


池永 全志，
（国）九州工業大学 大学院工学研究院 教授

佐藤 時子，
（学）関西大学 システム理工学部 教授（財）九州ﾋｭｰﾏﾝﾒﾃﾞｨｱ創造ｾﾝﾀｰ 地域ICTﾌﾟﾛｼﾞｪｸﾄ推進部 地域ICTﾌﾟﾛｼﾞｪｸﾄ推進課長

永田 晃，


（株）ネットワーク応用技術研究所 先端ネットワーク研究部 主任研究員

SCOPE研究発表会 (平成23年度終了課題)

3

All rights reserved, Copyright © NETWORK APPLICATION ENGINEERING LABORATORIES LTD 2012

委託研究開発の目的

NAL

中⼩規模コミュニティが安価に無線ネットワーク接続インフラを構築・運営する⼿法として、アドホックネットワーク技術を⽤いて無線ＬＡＮの通信エリアを⾯的に拡張する⼿法に着⽬する。アドホックネットワークにおいて実⽤的な転送性能を達成するために必要な基盤技術を研究開発し、実証実験による検証を通して、実⽤性の⾼いネットワークインフラ構築技術の確⽴を⽬指す。

SCOPE研究発表会 (平成23年度終了課題)

4

All rights reserved, Copyright © NETWORK APPLICATION ENGINEERING LABORATORIES LTD 2012

研究開発背景および課題
NAL

アドホックネットワークに着⽬した理由

中⼩規模の地域コミュニティにより構築・運⽤される公衆無線LANの増加


安価な導⼊・運⽤コスト（＝多額のコストをかけられない）、広い適⽤性無線LANの通信エリアの問題

無線LANは、その技術の特性上、対象エリアを隅々までカバーすることは難しい カバーエリア拡張の⼯夫は⾊々あるが、基地局の追加以外に⼿段がないのが現状
 しかし、商⽤展開されているものでなければ網増強にはコスト⾯のハードルあり

適応的・動的にエリアをカバーする補完的技術の導⼊が不可⽋⇒ アドホックネットワーク技術の活⽤課題設定


アドホックネットワークが実⽤化されるために解決されるべき課題として転送性能、ルーチング、セキュリティ等々、様々な問題がある。
本研究開発課題では転送性能の改善を図るために必要な技術を開発することを⽬的とした。
SCOPE研究発表会 (平成23年度終了課題)

5

All rights reserved, Copyright © NETWORK APPLICATION ENGINEERING LABORATORIES LTD 2012

研究開発実施内容
関西大学






アドホックネットワークにおけるMACフレーム送信性能改善技術の研究開発
北九州ユビキタスモールにおける実証実験

ネットワーク応用技術研究所


アドホックネットワークにおけるTCPトラヒックの性能改善技術の研究開発
北九州ユビキタスモールにおける実証実験

九州工業大学

NAL

高性能無線アドホックネットワーク基盤ソフトウェアのプロトタイプ実装
北九州ユビキタスモールにおける実証実験

九州ヒューマンメディア創造センター


北九州ユビキタスモールの運用観点からの要件抽出および実験の調整
北九州ユビキタスモールにおける実証実験
SCOPE研究発表会 (平成23年度終了課題)

6

All rights reserved, Copyright © NETWORK APPLICATION ENGINEERING LABORATORIES LTD 2012

NAL

送信制御機構を有するＴＣＰプロキシ技術

SCOPE研究発表会 (平成23年度終了課題)

7

送信制御機構を有するＴＣＰプロキシ技術

NAL

TCPの送信レートを敢えて⼀定以上に抑制する機構を盛り込んだTCPプロキシ技術の適⽤により、アドホックネットワークにおける隣接ホストの無線チャネル連続キャプチャ問題による性能低下を回避し、よりスムーズなTCP通信が実現可能。
TCPコネクション

送信レート調整が難しく、頻繁なタイムアウトを誘発

TCPプロキシ技術
コネクションを短く分割
強制フロー制御

適応型レート制御

提案方式
適度なレート抑制

アドホック特性を考慮した送信制御
SCOPE研究発表会 (平成23年度終了課題)

8

All rights reserved, Copyright © NETWORK APPLICATION ENGINEERING LABORATORIES LTD 2012

適応型レート制御，強制フロー制御

NAL
P: TCPプロキシホスト
S: 送信元ホスト
D: 宛先ホスト 適応型レート制御
プロキシホストでのレート制御
プロキシホストにおけるバースト送信の抑制
理論値 S n  0.875  S n 1  0.125  Rn

 強制フロー制御
広告ウィンドウサイズを小さな値に設定
後段サブセッションにおけるバースト送信の抑制

前段、後段サブセッションの無線チャネルキャプチャを抑制することでス
ループット向上(性能改善) SCOPE研究発表会 (平成23年度終了課題)

9All rights reserved, Copyright © NETWORK APPLICATION ENGINEERING LABORATORIES LTD 2012

強制フロー制御の上限ウィンドウサイズ検証

NAL

強制フロー制御で前段セッションのウィンドウサイズを抑制する際の適切なウィンドウサイズを調べるため、公平性とスループットの両立の観点でTCPウィンドウサイズ特性をシミュレーション評価。適切なウィンドウサイズとして2を得た。

SCOPE研究発表会 (平成23年度終了課題)

10

All rights reserved, Copyright © NETWORK APPLICATION ENGINEERING LABORATORIES LTD 2012

基本性能検証（シミュレーション）

SCOPE研究発表会 (平成23年度終了課題)

NAL

11All rights reserved, Copyright © NETWORK APPLICATION ENGINEERING LABORATORIES LTD 2012

北九州ユビキタスモールにおける実機実験

NAL

実環境における課題抽出のため、初年度に北九州ユビキタスモールにて簡単な実機実験を実施。魚町商店街のアーケード内にて、試験実装したプロトタイ
プを導入したノートＰＣでアドホックネットワークを構成してスループット測定実験を行った。
 その結果、シミュレーションでは有効な性能を示していた提案方式が、実環境ではその効果を満足に発揮できない状況があることが判明した。


想定以上にバーストロスが多発、適応型レート制御により過度に送出制限が働き、期待した性能が得られない

⇒ シミュレーション評価により得られた課題を詳細に解析
SCOPE研究発表会 (平成23年度終了課題)

12

All rights reserved, Copyright © NETWORK APPLICATION ENGINEERING LABORATORIES LTD 2012

NAL

ＭＡＣフレーム送信優先度制御技術

SCOPE研究発表会 (平成23年度終了課題) 13

提案方式1
Prioritized Transmission Scheme (PTS)NAL

 各ノードの送信優先度の設定によるフレーム送信制御
 ノード毎にフレーム送信の優先度を設定

 転送処理により優先度を変更
 フレーム送信成功に伴い優先度の低下
 近隣ノードが転送に成功すると優先度は上昇
ノードは常に近隣ノードの挙動を監視

 PTS having 2 classes (PTSC2)
ORDINARY, LOWEST PTS having 3 classes (PTSC3)
ORDINARY, LOWER, LOWEST

 Inter Frame Space 時間を変更することで優先度を定義
1
高中

低SCOPE研究発表会 (平成23年度終了課題)

中14

All rights reserved, Copyright © NETWORK APPLICATION ENGINEERING LABORATORIES LTD 2012

PTS with Class 3 の例

NAL

 初期状態 全ノードが高優先クラス

 優先度上昇のためのフレーム検出数： 1 回経過1(初期)

1通通通通通

Node1

Node2

Node3

Node4

Node51

経過2最低通通通通

Node1

Node2

Node3

Node4

Node51

経過3低最低通通通

Node1

Node2

Node3

Node4

Node51

経過4通低最低SCOPE研究発表会 (平成23年度終了課題)

通通15

All rights reserved, Copyright © NETWORK APPLICATION ENGINEERING LABORATORIES LTD 2012

提案方式（PTS） シミュレーション結果

NALThroughput [Mb/s]

6e+06
5.5e+06
5e+06
4.5e+06
4e+06
NormalPTSC2
PTSC3

3.5e+06
3e+06
2345678
CBR bit rate [Mb/s]

910

結果2： 5 ホップにおけるスループット(拡大) チャネル利用率が100 ％に到達 干渉が発生するため性能が低下
 PTSC2, PTSC3 共にNormalと比べて低下の割合が減少
SCOPE研究発表会 (平成23年度終了課題)

16

All rights reserved, Copyright © NETWORK APPLICATION ENGINEERING LABORATORIES LTD 2012

提案方式2Autonomous Dynamic Transmission Scheduling (ADTS)

NAL

 各ノードの送信優先度の設定によるフレーム送信制御
 周辺ノードの挙動の監視
 周辺のフレームのアドレスペアを計測
 アドレスペア (送信元 Mac アドレス + 宛先 Mac アドレス)

 計測したアドレスペアを用い送信優先度を決定
 送信優先度に従い送信タイミングを調整

SCOPE研究発表会 (平成23年度終了課題)

17

All rights reserved, Copyright © NETWORK APPLICATION ENGINEERING LABORATORIES LTD 2012

提案手法（ADS）フレーム送信例

NAL

 3 ノードの場合におけるフレーム送信例 全ノードにおいて初期アドレスペア計測数 C = 2 とする
NORMAL

W=2LOW

LOW

W=0

W=1・・・

Node1
LOW

W=1

NORMAL

W=2LOW

LOW

W=1

W=0

C=0

NORMALt

W=0・・・

Node2LOW

W=0LOW

W=1t

NORMAL

W=2・・・

Node3tW : 他ノードのフレーム送信数
SCOPE研究発表会 (平成23年度終了課題)

18

All rights reserved, Copyright © NETWORK APPLICATION ENGINEERING LABORATORIES LTD 2012

提案手法（ADS） シミュレーション結果

NAL

 最大スループットに達した後も最大値を維持
 ADTS はIEEE 802.11a と比べ約 20 ‐28% 改善
 PTS2, PTS3 に比べ約 10 % 改善

シミュレーションモデル

スループット特性（3ホップ）

スループット特性（5ホップ）

SCOPE研究発表会 (平成23年度終了課題)

スループット特性（7ホップ）

19

All rights reserved, Copyright © NETWORK APPLICATION ENGINEERING LABORATORIES LTD 2012

NAL

北九州ユビキタスモールにおける実証実験

SCOPE研究発表会 (平成23年度終了課題) 20

高性能無線ｱﾄﾞﾎｯｸﾈｯﾄﾜｰｸ基盤ｿﾌﾄｳｪｱの開発

NAL

実環境での検証およびアプリケーション実証実験のため、開発した送信制御機構を有するTCPプロキシ技術をプロトタイプ実装した。
OS: Linux ubuntu 10.10 (kernel 2.6.35)
MSS: 512 bytes
Wi-Fi: 802.11g
Routing: Static

プロトタイプシステム外観（使用機器： Panasonic Lets note CF-S）
強制フロー制御
User Land

強制フロー制御

TCP Proxy

kernelPOSTROUTING

透過型プロキシ機構

適応型レート制御

DNAT

User LandkernelSNATTCP ProxyAging
受信間隔計測フロー管理テーブル

PREROUTING

User Land

TCP Proxy

送信間隔調整送信タイマーkernel

POSTROUTING

PREROUTINGSCOPE研究発表会 (平成23年度終了課題)

OUTPUT21

All rights reserved, Copyright © NETWORK APPLICATION ENGINEERING LABORATORIES LTD 2012

北九州ユビキタスモール実証実験概要
日時




平成23年12月5日(月）～7日（水）北九州ユビキタスモール内（魚町商店街アーケード）１）写真転送２）ストリーミング再生３）WEBページ閲覧

アドホックネットワーク構成


開発した無線アドホックネットワーク技術を用いて、公共無線ＬＡＮの電波の届かない場所まで一時的に通信エリアを拡張拡張された無線ＬＡＮを通じて実際に複数のアプリケーションを利用して、その実用性を検証

検証アプリケーション

北九州市小倉北区魚町二、三丁目付近

目的




北九州ユビキタスモール
公衆無線LAN展開エリア(商店街ｱｰｹｰﾄﾞ)

場所


NAL

最長距離６ホップ、最大１２台規模

機材


ノートPC：10台、iPad：2台、バッテリ：多数
SCOPE研究発表会 (平成23年度終了課題)

22

All rights reserved, Copyright © NETWORK APPLICATION ENGINEERING LABORATORIES LTD 2012

検証アプリケーション(1/2)

NAL

送信ホストにＷｅｂカメラを接続し、カメラで静⽌画を撮影するとＴＣＰアプ
リケーションであるｓｃｐを⽤いて⾃動的にその画像ファイルを受信ホストに転送するツールを⽤意しておき、撮影した写真をアドホックネットワークを介して転送 送信ホストまたは受信ホストのいずれか⼀⽅を北九州ユビキタスモールの公衆無線ＬＡＮの電波が届かない地下通りに配置し、公衆無線ＬＡＮを利⽤して写真転送を⾏うことが不可能な状況にて実施
写真転送実験[地下エリア] (公衆無線LAN圏外)
scp/tcp

4 hops (5 PCs)

受信画像を表示

USB接続WEBカメラで撮影

Proxy
adhoc

adhoc

6 hops (7 PCs)

adhoc

adhoc

adhoc

Proxy
adhoc

受信画像を表示

adhoc

adhoc

adhoc
scp/tcp

adhoc
ファイル転送SCOPE研究発表会 (平成23年度終了課題)

USB接続WEBカメラで撮影

23

All rights reserved, Copyright © NETWORK APPLICATION ENGINEERING LABORATORIES LTD 2012

検証アプリケーション(2/2)

NAL

商店街の地下通りエリア、ストリーミング再⽣実験で⽤いた商店街に⾯した店舗の奥のようなエリアの他、商店街アーケードから少し離れた位置で北九州ユビキタスモールの公衆無線ＬＡＮのカバーエ
リアから外れたエリアにて実施



構築したアドホックネットワークを経由し、公衆無線ＬＡＮのインターネット接続を利⽤（Ｗｅｂページ閲覧）

SCOPE研究発表会 (平成23年度終了課題)

24

All rights reserved, Copyright © NETWORK APPLICATION ENGINEERING LABORATORIES LTD 2012

写真転送アプリケーション実験

NAL

地下花屋

6ホップ構成4ホップ構成転送

地下花屋
WEBカメラで写真撮影

WEBカメラで写真撮影

写真受信
転送

写真受信

SCOPE研究発表会 (平成23年度終了課題)

25

All rights reserved, Copyright © NETWORK APPLICATION ENGINEERING LABORATORIES LTD 2012

ストリーミング再生/Web閲覧アプリケーション実験
UomachiWLAN
展開エリア(商店街ｱｰｹｰﾄﾞ)

UomachiWLANを経由してインターネットアクセス(webページ参照)

NAL

アドホックネットワークにより拡大した通信エリア
地下

ストリーミング再生

つじり店舗内SCOPE研究発表会 (平成23年度終了課題)

26

All rights reserved, Copyright © NETWORK APPLICATION ENGINEERING LABORATORIES LTD 2012

アプリケーション実験結果
写真転送


地下通りにて撮影した画像をアドホックネットワーク内を６ホップ中継させて転送するシナリオ、および、アドホックネットワーク内を４ホップ中継させてこの地下通りに位置するホストに画像転送するシナリオのいずれも、正常に動作させることができ、公衆無線ＬＡＮサービスに頼らずとも静⽌画を４ホップまたは６ホップの⻑距離転送することが可能であることを確認した。

ストリーミング再⽣NAL

店舗奥の位置において、ＰＣおよびｉＰａｄを操作してアドホックネットワーク内を２ホップ中継させてストリーミングサーバにhttp接続し、ストリーミングコンテンツの再⽣が正常に⾏えることを確認した。

Web閲覧


ＰＣおよびｉＰａｄによるhttpアクセスを、アドホックネットワーク内を最⼤３ホップ中継させて北九州ユビキタスモールの公衆無線ＬＡＮのインターネット接続にまで到達させ、Ｗｅｂ閲覧が正常に⾏えることを確認した。

SCOPE研究発表会 (平成23年度終了課題)

27

All rights reserved, Copyright © NETWORK APPLICATION ENGINEERING LABORATORIES LTD 2012

主要な対外成果 （本委託研究に基づくもの）


論文発表 ２件


NAL

Masato Matsumoto, and Miki Yamamoto, ``Performance Evaluation of Flow Fairness in Proxybased TCP for Ad Hoc Networks," Proceedings of 2011 IEEE Pacific Rim Conference onCommunications, Computers and Signal Processing (IEEE PacRim), pp.780-785, August 23-26,
2011, Victoria, B.C., Canada
Daiki Nobayashi, Takeshi Ikenaga, Yutaka Fukuda, "A Simple Priority Control Mechanism for
Performance Improvement of Mobile Ad-hoc Networks," The 36th IEEE Conference on Local
Computer Networks (LCN) 2011, pp. 167-170, October 4-7, 2011, Bonn, Germany (2011 年10 月)

研究発表 ４件

松本誠人、山本 幹“無線マルチホップネットワークにおけるプロキシ型TCP の公平性評価”電子情報通信学会ネットワークシステム研究会、NS2010-121（岡山）（2010 年12 月16 日）
野林大起、池永全志、福田豊、“アドホックネットワークにおける周辺ノードの振る舞いを考慮した送信優先度制御方式の検討”、電子情報通信学会 インターネットアーキテクチャ研究会、IA2010-94（高知）（2011 年3 月1 日）
阪口 幸生、藤原 俊輔、永田 晃、山本 幹、”無線マルチホップネットワークにおけるエンドエンドTCP 間の公平性に関する研究“、電子情報通信学会関西支部第17 回学生会研究発表講演会、
B2-1（滋賀県草津市）（2012 年3 月9 日）
野林大起、光根隆文、福田 豊、池永全志、永田 晃、”アドホックネットワークにおける周辺ノードの通信状況に基づく動的送信スケジューリング方式の検討”、電子情報通信学会インターネットアー
キテクチャ研究会、IA2011-85（北海道札幌市）（2012 年3 月15 日）

SCOPE研究発表会 (平成23年度終了課題)

28

All rights reserved, Copyright © NETWORK APPLICATION ENGINEERING LABORATORIES LTD 2012

主要な対外成果 （本委託研究に基づくもの）


特許 １件


池永全志、野林大起、髙木宏、永田晃、「ノード及びプログラム」（共同出願）、特願
2012-48770号、日本、2012 年3 月6 日

展示会出展 １件
NAL

ネットワーク応用技術研究所、関西大学、九州工業大学、九州ヒューマンメディア創造センター、“中小規模コミュニティ向けインフラ構築のための無線アドホックネットワーク実用化基盤技術の研究開発”、九州・国際テクノフェア２０１１（福岡県北九州市）（2011年11 月9 日～11 日）

報道発表 １件
九州ヒューマンメディア創造センター、ネットワーク応用技術研究所、関西大学、九州工業大学、"魚町商店街の無線LAN エリアを拡張する実証実験を実施"、市政・経済記者クラブ（北九州市），平成23 年12 月1 日．

SCOPE研究発表会 (平成23年度終了課題)

29

All rights reserved, Copyright © NETWORK APPLICATION ENGINEERING LABORATORIES LTD 2012

人材育成寄与

NAL・関係した学生：学部生
修士課程
博士課程

7
12
1名（卒業生名（修了生名（学位取得者・関係した技術者、研究者など：

11名

SCOPE研究発表会 (平成23年度終了課題)

781名）名）名）※2年間の延べ人数

30

All rights reserved, Copyright © NETWORK APPLICATION ENGINEERING LABORATORIES LTD 2012

まとめ

送信制御機構を有するＴＣＰプロキシ技術


アドホックネットワークにおけるTCPトラヒック転送性能改善のため、適応型レート制御および強制フロー制御の２つの送信制御機構を有する改良型TCPプロキシ方式を開発した。プ
ロトタイプによる実機実験を通じて得られたデータおよび課題に基づき様々なシミュレーション評価を行い、実用化に向けた今後の研究開発における検討課題を得た。

ＭＡＣフレーム送信優先度制御技術
NAL

通信を中継するノードが単一のチャネルを共有するアドホックネットワークでは各ノードが通信を中継する際にチャネルの干渉が発生しネットワーク全体の通信性能が低下することに着目し、各ノードが近隣ノードの挙動を監視し、その結果に基づき送信優先度を決定する送信優先度制御方式（Prioritized Transmission Scheme (PTS))を開発した。さらにPTSの改良方式として、各ノードのフレーム送信を自律分散方式で制御する際に、優先度の変更を決定する指標を周辺の環境に適応して動的に変化させることによってノード間の干渉を抑制するAutonomous Dynamic Transmission Scheduling (ADTS) 方式を開発した。

北九州ユビキタスモールにおける実証実験

北九州ユビキタスモールにて提供される公共無線LAN の電波が直接届かない場所（地下、店舗の奥、商店街のアーケードから離れた場所等）でも、アドホックネットワークによってエリア拡張されることで、各アプリケーションが利用可能となることを確認し、アドホックネットワークの実用性を検証できた。
SCOPE研究発表会 (平成23年度終了課題)

31

All rights reserved, Copyright © NETWORK APPLICATION ENGINEERING LABORATORIES LTD 2012