倉田奨励金研究報告書 第 51 集｜2019 年度（第 51 回）助成
自然科学・工学研究部門：1 年助成■受領№1401

安全安心な自律飛行ドローンシステムを構築するための車両間無線通信性能の発展に関する研究
代表研究者

平井健士

大阪大学大学院情報科学研究科

助教

Performance Evaluations and Improvements of Vehicle-to-Everything
Communications for Safe Autonomous Drone Network Systems
Principal Researcher

Takeshi Hirai,
Graduate School of Information Science and Technology, Osaka University, Assistant professor

本研究では，安全安心な自律飛行ドローンシステムを構築するための車両間無線通信(V2X:vehicle-to-everything)の性能を高めるために，非直交多元接続 (NOMA: non-orthogonal multipleaccess)を用いたパケット中継手法を提案した．本手法では，各ドローンは，自身のパケットをブロードキャストするのと同時に，他のドローンが以前に送信したパケットを中継する．これにより，追加の周波数帯域を消費せずに，パケットを再ブロードキャストすることが可能になり，V2X 通信の品質向上が狙える．評価の結果，提案手法は従来の V2X の通信品質を 50%程度向上することが可能であることが明らかになった．
In this study, we propose a cooperative superposed transmission using the non-orthogonal multiple access(NOMA) for vehicle-to-everything (V2X) for safe autonomous drone network systems. In the proposed
method, each drone broadcasts own packet and rebroadcasts a packet transmitted by another drone at aspectrum resource based on the superposition coding technique using NOMA. The proposed method
enables each drone to improve its packet reception ratio without additional spectrum resources. The
simulation results highlighted that the proposed method outperformed the existing V2X by 50%.

1．研究背景自律飛行するドローンを安全に飛行させるため

近年，ドローンを用いることにより，交通・輸に，自律飛行するドローン (以下，ノード) 同士送といった様々な分野での人手不足解消が期待さが 車 両 間 の 自 律 分 散 的 な 無 線 通 信 技 術 (V2X:れている．人手不足解消のためには，現在のマニvehicle-to-everything) を使って，衝突事故を回避

ュアル操縦に代わって，自律飛行するドローンがする機能が不可欠である．高精度な衝突事故回避必要となる．自律飛行するドローンの登場によっを実現するためには，それぞれのノードが他のノて，ドローンによる無人貨物輸送などの先進的なードのリアルタイムかつ正確な位置情報を認識すシステムが実現され，これらのドローンシステムる必要がある．そのために，各ノードは，自身のが，Society5.0 が目指す交通・輸送インフラの鍵位置情報をパケットに詰め込み，それを 100 ミリとなることが予想される．

秒ごとに V2X を用いて同報し，周囲のノードがそ倉田奨励金研究報告書 第 51 集｜2019 年度（第 51 回）助成
自然科学・工学研究部門：1 年助成のパケットを高確率で受信できなければならない．

込める．しかし，中継したノードは，電力を中継

しかしながら，たくさんのドローンが飛び交うに配分した分だけ，自身が同報したパケットの受ようになると，V2X の周波数帯域が混雑してしま信率を低下させてしまうというデメリットもある．

い (輻輳)，お互いの通信が電波干渉となるため，特に，中継は，中継したノードの周囲のノードへパケットエラーが頻発し，結果的に，各ノードはのパケット受信率を高める効果が期待できるだけ周囲のノードの位置情報を取得できなくなってくであるため，中継されたパケットを受信できず，る．つまり，衝突事故を高精度に回避できないと最初の同報パケットのみを受信できるノードのパいう問題が発生する．これを輻輳問題と呼ぶ．限ケット受信率を著しく下げてはいけない．

りある周波数資源の中で，ドローンの安全な自律飛行を実現するためには，無線区間の輻輳問題を3．アプローチと提案手法解決する必要がある．輻輳下でのパケット受信率

NOMA を用いた中継手法において，上記の条件に関しても本研究を通して評価した [1][2][3][4]．

を踏まえると，自身で同報するパケットの受信率の低下を最低限に抑えつつ，その制約の下で中継2．研究目的の効果を高めるアプローチが適切であると考えた．

そこで，本研究では，たくさんのノードが存在このアプローチを実現するために，各ノード k がし，無線区間が輻輳している状況でのパケット受

以下の 2 つを自律分散的に考えて中継する新たな信率を高めるために，各ノードが協調してパケッ中継手法を提案した[5]．

トを中継する仕組みを検討する．この手法を確立(1)重畳電力比 (全体の送信電力に対する中継の送することで，各ノードは，あるパケットを 2 度受

信電力): 中継をしない場合と同等のパケット受信する機会が得られる．例えば，ノード A は，ノ信率となるほど十分小さい電力比に設定する．

ード B が自身で同報したパケットをエラーしてし(2)中継するパケット: (1)の重畳電力比の下で，あまった場合でも，他のノード C がそのパケットをるパケットを受信したときに，そのパケットの中継して再同報し，その中継されたパケットをノ送信元ノードが希望する範囲 (例えば，進行方ード A が受信できれば，ノード B のパケットの受向にある距離進んだ位置等)に対して，送信元ノ信率が高まる．

k が中継ードが同報したときの受信電力よりも，ただし，輻輳環境において，単にパケットを中したときの受信電力が高いと推察されるほど，k継するだけでは，追加の周波数帯域を必要とし，がそのパケットを中継する確率を高める．

輻輳を助⻑することになってしまうため，複数のまた，本研究では，この中継手法の提案と並行パケットの同時受信を可能にする非直交多元接続

して，パケット受信率が低いノードほど，(2)の確(NOMA: non-orthogonal multiple access) を用い率が高くなる傾向にあることに着目し，そのようることを考える．NOMA を用いることで，各ノーなノードがどのような位置に存在するのかを明ら

ドは，「他のノードのパケットの中継」と「自身のかにするために，ドローン間通信におけるパケッパケット」を電力軸で重畳し (= 送信電力の一部

ト受信率のための確率幾何を用いた解析も進め，8を中継に配分する)，同時に送信することが可能に月に開催される電子情報通信学会情報ネットワー

なる．本手法のメリットは，自身のパケットの送ク研究会にて発表する予定である．

信に用いる周波数帯域を使って，他のノードのパケットも中継できるため，追加の周波数帯域を消費せずに，中継によるパケット受信率の向上が見

4．評価
本研究では，ランダムに分布する端末配置を用

倉田奨励金研究報告書 第 51 集｜2019 年度（第 51 回）助成
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いて，提案した中継手法のパケット受信率と輻輳本研究を通して，NOMA を用いた中継手法を提の特性を明らかにした．図 1 は，重畳電力比に対案し，その特性を明らかにすることで，ドローンするパケット受信率を示している．評価の結果，間通信の発展に貢献することができた．今後は，提案手法において，重畳電力比を 1/50 以下に抑えさらにドローン間通信を高品質にするために，確ておけば，自身の同報したパケットが周囲に十分率幾何による解析の結果を提案した中継手法に応届くことが明らかになった．また，図 2 は，ノー用する方法を検討していくといった研究テーマをド数に対するパケット受信率を示しており，輻輳予定している．

に対する耐性を評価している．従来の V2X では，輻輳を起こさないようにするための最大ノード数5．発表（研究成果の発表）

は 280 台までだったのに対し，重畳電力比を 1/50

[1] Takeshi Hirai and Predrag Spasojevic, “Link-に設定した提案手法を使うことで，420 台までのlevel Performance Evaluations of Sparse Code

ノードが存在しても輻輳が生じないことが明らか

Multiple Access for PC5-based Cellular-V2Xになり，輻輳問題を 50%程度緩和できることが明with Heterogeneous Channel Estimation Errors,”

らかになった．ただし，重畳電力比を 1/5 のよう

2021 93rd IEEE Vehicular Technology Conference

な不適切な設定にすると，自身の同報したパケッ(IEEE VTC2021-Spring), online, Apr. 2021.

トが周囲に届かず，パケット受信率が従来の V2Xと比べて大きく低下してしまうことが明らかにな[2] 平井健士, 村瀬勉, “衝突警告システムにおけるイった．

ンフラレスセルラ車車間通信のためのチャネル推定エ
ラーを考慮した NOMA の性能評価,” 信学技報, vol.
120, no. 414, IN2020-78, pp. 144-149, 2021 年 3 月.
[3] Takeshi Hirai and Tutomu Murase, “PerformanceEvaluation of NOMA for Sidelink Cellular-V2X
Mode 4 in Driver Assistance System with Crash
Warning,” IEEE Access, vol. 8, pp. 168321–168332, Sep. 2020.

図 1. 重畳電力比に対するパケット受信率(研究成果の発表[5]より)[4] Takeshi Hirai and Tutomu Murase, “Performance
Evaluations of PC5-based Cellular-V2X Mode 4for Feasibility Analysis of Driver Assistance
Systems with Crash Warning,” MDPI Sensors, vol.
20, no. 10, pp. 2950–2966, May 2020.
[5] Takeshi Hirai and Tutomu Murase, “NOMA-aided
Probabilistic

Cooperative

TransmissionforPC5-based Cellular V2X Mode 4 for Crash
図 2. ノード数に対するパケット受信率(研究成果の発表[5]より)Warning,” IEEE Access, vol. 9, pp. 62602-62615,
Apr. 2021.