無線に関するの私の研究について

ネットワークシステム学研究室助教 Duong Quang Thang (ズオン クアン タン)

こんにちは,ネットワークシステム学研究室助教のタンです.博士学生時代は無線アクセス技術について研究しました.当時は主に、携帯電話,スマートフォン等の無線端末から基地局まで,より早く,より高い確率で情報を正しく伝送できるように工夫しました.ネットワークシステム学研究室に入ってからワイヤレス給電技術に関する研究にシフトしました.無線アクセス技術とワイヤレス給電技術は,物理的なメカニズムをはじめ様々なところで違いがあります.具体的には,無線アクセスは電波の放射(遠方界)を利用して情報を伝送するに対して,ワイヤレス給電は電磁誘導の原理(近傍界)に基づいてエネルギーを送ります.ところが、今までの私の研究の範囲では両分野で果たすべきミッションは同じです。それはいかにエネルギーを効率よく送るかということです.このミッションはワイヤレス給電では分かりやすいが、無線アクセスでは少し想像しにくいかもしれません.抽象的にいうと無線というのは,送信機が情報を送る時にエネルギーを出して受信機側に物理的な異変を起こします.受信機がその異変を検知することで,送信機によって送られた情報を推定します.このように考えるときに,無線通信において,送信機のエネルギーを効率よく伝送できることは,情報をより多く,またはより高い確率で伝送できることにつながることはわかるかと思います.すなわち,私のミッションは一言で言えば「以下に無線でエネルギーを効率よく飛ばすか」ということになります.研究成果としては何か優れる物を出すよりかは新しい考え方,方法論の提案です.具体的には以下となります.

まずは無線通信に関する研究です.近年,無線通信においても有線通信と同じように広い周波数広帯を伝送に用いること(広帯域無線伝送)になりました.現在,携帯電話,スマートフォンのみならず様々な種類の無線機器が存在します.1つ1つの無線通信システムは1つの周波数帯域に割り当てられ,この周波数帯域内で情報のやり取りをしなければなりません.そのため,割り当てられた周波数帯域を有効に使用することは非常に重要なミッションです.広域無線伝送においては,周波数効率を最大化するには使用可能な周波数帯域を全部伝送に用いなければならないという狭帯域無線伝送の時代から由来した考え方があります.しかしながら,広帯域無線伝送にシフトした時はその考え方は必ずしも得策ではないことを主張します.広帯域伝送の場合,周波数帯域内で信号電力が低く落ち込む部分帯域もあれば,信号電力があまり落ち込まない部分帯域も存在します.そのため,限られた信号電力を周波数帯域全体に分散させるより,信号電力が落ち込まない部分帯域に集中させた方がいいはずです.この考え方を基に,帯域使用率制御,すなわち使用可能な帯域幅に対する使用する帯域幅の比という新しい概念を導入し,この比率を制御することで周波数効率を大幅に拡大することができました.

具体的には,まず,自律分散管理型周波数共用技術において帯域使用率制御を適用しました.自律分散管理型周波数共用技術とは図1に示すように,複数の無線リンクが同一周波数帯域で同時に伝送する場合,各リンクが集中管理を受けず自律的に自分が使用すべき部分帯域を決定するメカニズムです.このようなメカニズムを実現する1つの方法として,各リンクが自分の信号電力が落ち込まない部分帯域を必要な量だけ獲得する周波数共用技術を提案しました.当然ながらこのように各リンクが利己的な周波数獲得方法を施すと,使用帯域の一部にリンク間干渉は発生するが,使用帯域率を適切に小さく設定することで干渉レベルを誤り訂正技術の許容範囲内に収めることができます.そこで,ネットワーク内で存在するリンクスの数に応じた帯域使用率制御方法を提案しました.上述した利己的周波数獲得方式を実現するために,各リンクでは通信路利得を推定しなければならないが,各リンクが観測できるのは共用周波数帯域のピンポイントな部分帯域しかありません.そこで,この拘束条件を満たしたNon-uniform Sampling理論に基づく通進路利得推定方法も併せて提案しました.

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図1 自律分散管理型周波数共用における帯域使用率制御方式の概念図

次に,非再生中継伝送において帯域使用率制御方式を提案しました.無線中継伝送は,図2に示すように,送信機と受信機の間に位置する中継機を活用して伝送を多段で行うことで,1段当たりの伝送距離を縮小させる技術です.無線中継伝送には様々な種類があるが,中継機において信号を受信した後,再生せず転送する非再生中継伝送は,簡易な構造で様々なケースに柔軟に適用可能です.非再生中継伝送では,図2に示すように,信号電力が落ち込む部分帯域は各段の伝送で独立に発生するため,エンド・ツー・エンドで信号電力が落ち込む部分帯域は多く発生し,結果的に受信電力全体の低下が懸念されます.そこで,信号を各段で一貫して電力が落ち込まない部分帯域に集中させるように,帯域使用率を1より小さくかつ適切な値に設定する方法を提案しました.

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図2 非再生中継伝送における帯域使用率制御方式の概念図

無線通信分野で広く知られているダイバーシチ技術(多様化技術)を,平行二線路を利用したワイヤレス給電技術の安定化にも適用しました.一般のワイヤレス給電技術は電磁誘導に基づき,送電コイルと受電コイルとの間の磁界結合,あるいは電界結合のみを利用するものが主流です.磁界結合を利用する場合は送電コイルの周囲に存在する磁界から電力を収穫するが,電界結合の場合は電界から電力を受ける.しかしながら,図3(a)に示すような,平行な2本の導線から構成される長い送電コイルを利用する場合,コイルの長さ方向に沿って磁界強度と電界強度はダイナミックに変動する.従来方式のように電界結合,あるいは磁界結合のみを用いると,受電電力は位置によって変動することになります.そこで,磁界が弱い場合では電界が強くて電界が弱い場合では磁界が強いことに着目し,磁界または電界から受電する電界磁界ハイブリッド結合方式を提案しました.

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図3 電界磁界ハイブリッド結合による平行二線路式ワイヤレス給電の安定化技術

これまで行った広帯域無線伝送における帯域使用率制御に関する研究では,スペクトル効率は周波数帯域をいくらの割合で使用するかによって支配されることが分かりました.すなわち,スペクトル効率という目的関数を支配する要素は帯域使用率であり,それだけに絞って制御するとインパクトは大きいという知見が得られました.この知見を「スモールセルを想定したミリ波帯大規模MIMOセルラー・ネットワーク」の構築に生かす予定です.目指すネットワーク形態と現行移動体通信システムとの違いを図4と図5で示ます.図4には,3.5GHz以下幅200MHzの帯域を用い,10素子程度のアンテナを装備した基地局が半径数100mから数kmのマクロセルをカーバし,ユーザ端末に100MHz程度の無線回線を提供する従来のシステムです.これに対して,今後目指すシステムでは,図5に示すように30GHz以上幅6GHzの帯域を用い,100素子程度の超多素子のアンテナを装備した(大規模MIMO)基地局が半径数10mから200mのスモールセルをカーバし,同時に多数ユーザ端末に1GHz以上の無線回線を提供しています.上述システムの構築には克服しなければならない課題は多数あるが,これまでの研究内容に近い分野である,周波数リソース管理技術,通信路推定技術,信号処理技術等に焦点を絞って研究を進めていきます.

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図4 現行移動体通信システムの概略    図5 目指す次世代移動体通信システムの概略

これまで無線通信分野の研究で得られた知識を,今後,ワイヤレス給電技術の研究に適用したいと考えます.具体的な課題としては,寄生素子付きアンテナを用いたMagMIMO 給電技術の簡易化です.MagMIMOは,多数の送電コイルを用いて各コイルに流れる電流の周波数を制御することで受電機が存在する場所に磁界を集中させる技術です.このシステムでは,1つの送電コイルにつき1つの電源措置と制御措置が必要であるため,ハードウェアが複雑になります.そこで,無線通信において,アンテナの簡易化のために,寄生素子付きアンテナは有効です.寄生素子付きアンテナは,能動素子と周囲寄生素子との電磁界結合を適切に制御することで,少数の能動素子で本来と同等のビームフォーミング利得が期待できます.したがって,MagMIMOのハードウェア簡易化を目的とし,寄生素子付きアンテナを用いたビームフォーミング方式について検討したいと思います.

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モバイルコンピューティング研究室に変わりました!

ソフトウェア基礎学研究室(教授:伊藤 実)は,2015年4月にモバイルコンピューティング研究室(モバ研)へ変わりました! モバ研では主に,実社会に存在する問題を抽象的に捉えて数学的にモデル化し,計算機で効率よく解くためのアルゴリズムを考案しています.今回はモバ研で行っている研究のいくつかをテーマに分けて紹介します.

高度交通システム

交通渋滞は以前から大きな社会問題であり,二酸化炭素排出などの環境への悪影響や社会活動の滞りなどによって, 社会に悪影響を及ぼしています.当研究室では高度交通システム(Intelligent Transport Systems; ITS)を利用し,交通の効率化や快適化,渋滞の軽減のための研究を行っています.

Keywords: 高度交通システム(ITS), 信号制御, 車々間通信, ナビゲーション, ロードプライシング

GreenSwirl: Combining Traffic Signal Control and Route Guidance for Reducing Traffic Congestion

渋滞を引き起こす原因の一つとして非合理的な交通信号サイクルがあり,信号制御の技術として,GreenWaveが中国の複数の都市で実験されています.しかし,GreenWaveには対向車線と横断道路の妨害,入口と出口の渋滞などを引き起こしてしまう問題があります.そこで研究[1]では,GreenWaveの問題を解決する信号制御方式GreenSwirlと経路案内方式GreenDriveを提案しています.提案手法の性能を評価するために交通流シミュレータSUMOを用いてシミュレーションを行い,ニューヨーク市マンハッタン島の道路網で車両の走行時間短縮効果を計測した結果,従来の手法と比べて提案手法は平均10~70%程度,平均走行時間が短縮できることを確認しました.

[1] Jiaxing Xu, Weihua Sun, Naoki Shibata and Minoru Ito : “GreenSwirl: Combining Traffic Signal Control and Route Guidance for Reducing Traffic Congestion,” in Proc. of IEEE Vehicular Networking Conference 2014 (IEEE VNC 2014), pp. 179-186, 2014-12-15.

モバイル環境を想定したシステムやサービス

Keywords: 無線ネットワーク, 移動体通信, モバイルアドホックネットワーク(MANET), センサネットワーク, 遅延耐性ネットワーク(DTN), データオフロード, 位置推定, 災害復旧, IoT

地下街におけるスマートフォンの光を用いた避難誘導方式

地下街が停電し,避難が必要である状況では,地下街が停電すると,壁や床等が見えない状況下におかれます.そのような状況下では唯一の目印である避難誘導灯を用いて避難することになります.しかし先行研究によると避難誘導灯を利用する避難者は2割程度であり,避難誘導灯は避難誘導の役割を十分に果たしているとは言えません.研究[2]では,避難者の携えるスマートフォンの発する光(バックライトとフラッシュライト,総じてスマホライトと呼ぶ)を用いた避難誘導方式を提案しています.提案手法を用いない3D動画,提案手法を用いた3D動画を著者らの所属する学生3名に視聴させ,5つの評価項目に対して5段階評価で評価するアンケートを実施し,提案手法ありは提案手法なしに比べ,高評価の割合が高いことを確認しました.

[2] 冨永 拓也, 柴田 直樹, 孫 為華, 伊藤 実 : 地下街におけるスマートフォンの光を用いた避難誘導方式の提案, DICOMO2014シンポジウム論文集, pp. 266-277, 2014.7.9.

A Proposal of an Endorsement Based Mobile Payment System for A Disaster Area

A payment system in a disaster area is essential for people to buy necessities such as groceries, clothing, and medical supplies. However, existing payment systems require the needed communication infrastructures (like wired networks and cellular networks) to enable transactions, so that these systems cannot be relied on in disaster areas, where these communication infrastructures may be destroyed. In [3], we propose a mobile payment system, adopting infrastructureless mobile adhoc networks (MANETs), which allow users to shop in disaster areas while providing secure transactions. Specifically, we propose an endorsement-based scheme to guarantee each transaction and a scheme to provide monitoring based on location information, and thus achieve transaction validity and reliability. Our mobile payment system can also prevent collusion between two parties and reset and recover attacks by any user. Security is ensured by using location-based mutual monitoring by nearby users, avoiding thereby double spending in the system.

[3] Babatunde Ojetunde, Naoki Shibata, Juntao Gao, and Minoru Ito : An Endorsement Based Mobile Payment System for A Disaster Area, in Proc. of The 29th IEEE International Conference on Advanced Information Networking and Applications (AINA-2015), pp. 482-489, Mar. 2015.

並列計算・分散コンピューティング

Keywords: 分散処理, GPGPU, クラウド, タスクスケジューリング, P2P, 負荷分散, 映像処理, 可視化, 3Dバーチャル空間, ストリームデータ処理

ライブ放送のための映像処理システムにおける負荷分散方式の設計と実装

著者らは,ライブ放送のための分散型映像処理システムを研究開発しています.本システムでは,映像処理サーバが映像撮影端末から依頼された映像処理を行います.多数の映像撮影端末が映像処理サーバに映像処理を依頼すると通信負荷や処理負荷が大きくなって映像処理に時間がかかり,ライブ放送を円滑に行えません.そこで研究[4]では,映像処理を依頼する映像処理サーバを選択して映像処理サーバにかかる負荷を分散させる方式を提案,実装しています.提案方式では,複数の映像処理サーバがある場合に,映像処理内容や負荷に応じて処理を依頼する映像処理サーバを,P2P型モバイルエージェントシステムを用いて選択します.複数の映像処理サーバと映像撮影端末を用いて実験し,映像処理を完了するまでの時間への影響を確認しました.

[4] 川上 朋也, 石 芳正, 義久 智樹, 寺西 裕一 : ライブ放送のための映像処理システムにおける負荷分散方式の設計と実装, 第8回データ工学と情報マネジメントに関するフォーラム (DEIM2016) 論文集, 2016年3月.

最後に……

モバ研の詳細やそのほかの研究内容については,研究室のWebサイトをご覧ください.見学や質問も随時受け付けていますので,お気軽にお問い合わせください!

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計算機で言語の謎を明らかにする

こんにちは、自然言語処理研究室助教の能地です。

自然言語処理というのは、コンピュータの上で言語を扱う研究全般を指します。分かりやすい研究分野だと、ある言語の文章を別の言語の文章に変換する機械翻訳などが該当します。私はこの分野の研究を始めて5年ぐらいですが、今日は私がこれまで取り組んできた、自然言語処理の中でも少し変わった切り口の研究を紹介してその面白さを伝えられたらなと思っています。 Continue reading

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Dakar – Nara Rally

On a Monday a triple of decades ago, I came into this world weighting a little more than what a normal baby would weight. Paradoxically, I grew up in Dakar the capital of Senegal as a very thin boy, so thin that people would call me in Wolof “kilo bopp libaramou yaram” which literary means of 1kg of head and ½ kg of body. To that thinness, I added a layer of timidity which I do not know if it was the result of some genes I inherited from my parents or just a byproduct that comes with being thin.

Fast forward… After I graduated from high school, I enrolled in the Physics and Chemistry department of the Faculty of Science and Techniques of the University Cheikh Anta Diop of Dakar. I remember my old brother being extremely puzzled by my choice as I was always burning his eardrums about my natural business acumen and how I would grow up and become a great businessman. It was clear in his mind that I was going to study business and management. But in my head I was like I have a plan that, besides me, nobody else can understand. The reality is that I might just have succumbed to pride as I was like I wouldn’t work so hard in high school to attend university with people who have not spent as much blood, sweat and tears in science as I did.

I went to the Physics and Chemistry department where I obtained a bachelor degree in Physics. There is a saying at the university Cheikh Anta Diop as: “the rule is to fail the exam; the exception is to pass at your first try.” In a department as the Physics and Chemistry, that saying was closer to reality than in any other departments. But I had no intentions to waste my time in the university and as a result, those years have arguably been my most difficult years in terms of wanting to succeed and the amount of work I put into my studies. I did not regret it because I graduated with high marks which have opened new opportunities for me.

After my bachelor in physics, I had heard of a new master program that fascinated me. The master was about cryptography and information security and was unique at that time in Senegal in particular and in west Africa in general. Fortunately, they were offering a scholarship to which I postulated and successfully secured it. It was fun for me to study new things and after a year in the program, I was enjoying all the new things I was studying but I was also missing the challenges that I was having studying physics. Those days where I would spend hours trying to understanding an equation and the gratification that comes after figuring it out. During the second year of the master program, one of my classmates told me about the MEXT scholarship and recommended me to apply. I was not very excited to do so as the processes of selection of most scholarships in my country are not very transparent, not to say that they are very opaque. But this one was different as the personnel of the embassy of japan in Senegal was taking care of the selection. Still, I wasn’t very convinced but as I had an appointment near the office where they were receiving the applications therefore I decided to give it a try.

I asked my friend to meet there and to my surprise, after so much effort in convincing me, he couldn’t come due to some other matters he had to take care of. So I went to the office with an incomplete application folder and applied. A couple of days later, I received a phone call from the then head of the culture department at the Japanese embassy in Dakar. He urged me to complete my application by sending the files that were missing. I saw the phone call as a huge boost of my confidence and decided to be more diligent into that application process. So I completed my application and did all the tests that were required. After that, I just had to wait to hear back from them whether I was retained or rejected.

Growing up, I never really fantasized about going to Japan. Things I knew about the country were stereotypical things I learned from movies and urban legends. But Japan has always been mysterious, I always wondered how a country that has gone through so much pain is part of the top 3 most developed countries in the world. I saw Senegal as a younger brother of Japan as we are similarly devoid of any natural resources and count on the ingenuity of the denizens to develop the country. Tough I never dreamed of going to japan, I knew very well the level of advancement of the country of the rising sun and understood that this was a good opportunity for me to learn from the best in order to later help my country level up with the best countries in the world.

Nearly 4 to 5 months after I concluded the scholarship application process, I received an email from a member of the International Division, informing that professor Suguru Yamaguchi has accepted me in his laboratory, Internet Engineering, located in Nara Institute of Science and Technology (NAIST). I could not express how happy and excited I was to join Japan. But I was equally puzzled by learning the school that was going to host me: NAIST. When I googled universities in japan, I always found the universities of Tokyo, Osaka, Kyoto or again Waseda and Keio but never NAIST. But a quick google search, with the right keywords, showed that NAIST was actually one of the top ranked national universities. That was enough to dissipate my doubts.

I arrived in Japan on April 5th, 2010. At first, I was residing in Osaka because I had to take a six months’ Japanese language training course. Afterwards, I joined NAIST and started as a research student. During that period, I learnt how to conduct high level research by reading and summarizing world class papers. It was not easy because it was novel to me but I could succeed through perseverance. I passed the master exam and started my journey as master student. In terms of research I wanted to work on something that was the most interesting topic in my field. At that time, cloud computing was the darling in computer science. More precisely, the adoption of cloud computing heavily depended on its security issues so I decided to focus on researching security mechanisms for cloud computing. For the master thesis, I developed a security quantification mechanism that allows administrators to quantification the security of their Infrastructure as a Service (IaaS) cloud environment.

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Fig 1: Master’s degree graduation ceremony

I graduated from the master course in September 2012 and started the PhD course in October of the same year. I pursued the same research topic by fine tuning my master thesis topic and proposing an authorization mechanism for cloud computing that challenge the common knowledge in terms of practices in information technology. I successfully defended my Ph.D. and graduated in September 2015.

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Fig 2: Ph.D. degree graduation ceremony

Since October 2015, I am an Assistant Professor in the Internet Engineering Laboratory (IPLab), Graduate School of Information Science, Nara Institute of Science and Technology.
I will conclude this entry with the abstracts of two of my publications.

Security Risk Quantification Mechanism for Infrastructure as a Service Cloud Computing Platforms
Cloud computing has revolutionized information technology, in that It allows enterprises and users to lower computing expenses by outsourcing their needs to a cloud service provider. However, despite all the benefits it brings, cloud computing raises several security concerns that have not yet been fully addressed to a satisfactory note. Indeed, by outsourcing its operations, a client surrenders control to the service provider and needs assurance that data is dealt with in an appropriate manner. Furthermore, the most inherent security issue of cloud computing is multi-tenancy. Cloud computing is a shared platform where users’ data are hosted in the same physical infrastructure. A malicious user can exploit this fact to steal the data of the users whom he or she is sharing the platform with. To address the aforementioned security issues, we propose a security risk quantification method that will allow users and cloud computing administrators to measure the security level of a given cloud ecosystem. Our risk quantification method is an adaptation of the fault tree analysis, which is a modeling tool that has proven to be highly effective in mission-critical systems. We replaced the faults by the probable vulnerabilities in a cloud system, and with the help of the common vulnerability scoring system, we were able to generate the risk formula. In addition to addressing the previously mentioned issues, we were also able to quantify the security risks of a popular cloud management stack, and propose an architecture where users can evaluate and rank different cloud service providers.

Risk Adaptive Authorization Mechanism (RAdAM) for Cloud Computing
Cloud computing provides many advantages for both the cloud service provider and the clients. It is also infamous for being highly dynamic and for having numerous security issues. The dynamicity of cloud computing implies that dynamic security mechanisms are being employed to enforce its security, especially in regards to access decisions. However, this is surprisingly not the case. Static traditional authorization mechanisms are being used in cloud environments, leading to legitimate doubts on their ability to fulfill the security needs of the cloud. I proposed a Risk-Adaptive Authorization Mechanism (RAdAM) for a simple cloud deployment, collaboration in cloud computing and federation in cloud computing. I used a fuzzy inference system to demonstrate the practicability of RAdAM. I complemented RAdAM with a Vulnerability Based Authorization Mechanism (VBAM) which is a real-time authorization model based on the average vulnerability scores of the objects present in the cloud.

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スマートホームでの一日



AM6:47,カーテンが自動で開く音と,いつものあの曲で目が覚める.30分程前にスイッチがついたエアコンのおかげで部屋は暖かく,なんの躊躇もなく布団から抜け出す.起床予定はAM7:00だけれど,眠りの浅いタイミングを見計らって起こしてくれるので,毎日すんなり起きられて,二度寝して遅刻することもない.
シャワーを浴びて部屋に戻ると,少し暖房が抑えられたリビングでテレビがスイッチオン.自分の関心事を学習済みのテレビから,昨夜の野球の結果と今日の天気、そしてお気に入りのアイドルのニュースがダイジェストで流れてくる.どうやら通勤経路で事故が発生しているらしいし,夕方からは雨になるらしいので,折りたたみ傘を持って10分早く外出する.以前は,電気やエアコンを消し忘れることもあったが,今はスマートホームが消してくれるので心配ない.余計なことを考えず,今日も一日集中!

夕方
仕事を終えた後,スーパーによってから帰宅.不在時に家を綺麗にしてくれていたお掃除ロボットが,帰宅時間を察知して玄関でお出迎え.部屋に入れば,加湿器とエアコンが部屋を快適にして待っていてくれる.購入した品物を冷蔵庫にしまうと自動で在庫リスト作成し,スマートフォンで閲覧可能にしてくれる.おかげで,今日は朝食用の納豆を買い忘れずに済んだ.
音楽を聴きながら一休みした後,夕食を作り始めるとエアコン・加湿器が停止し,部屋が無駄に暑くなることを防いでくれる.よく歩いたこんな日には,スタミナ料理のレシピが推薦されていて,冷蔵庫にも「ビールOK」のサイン!健康も考えられた至極の一杯.
夕食後はいつもの読書の時間.音量が自動で絞られ,スタンド以外の電気が少しおとされる.この時間が,私のリラックスタイム.落ち着いた気持ちで布団に入る.もちろん,スマートフォンを枕元におくことを忘れない.こいつのおかげで,入眠を察知したエアコンが自動で温度調整してくれるし,朝もしっかり起こしてくれる.快適な睡眠・生活に欠かせない相棒である.さて,明日も一日がんばろう.


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スマートホーム

さて,こんな生活を送るためには,どんな技術が必要でしょうか?まず,重要になるのがコンテキスト(居住者の状態)の認識です.言い換えると,「シャワーを浴びる」「外出する」「夕食を作る」「読書する」など,居住者の生活行動を認識する必要があります.我々は,どうすれば人の生活行動を認識できるかを明らかにするために,多数のセンサを設置した1LDKのスマートホームを大学内に設置し,実験を行っています.スマートホームには,一般家庭にあるような家電やお風呂なども備わっていて,実際に住むことができます.2泊3日程度の実験宿泊から,これまで最長で2週間ほど滞在した人もいます.
スマートホームで行動認識を行う際にポイントになるのが,可能な限りプライバシーに配慮したデータ収集と,コストの低減です.例えば,たくさんのビデオを設置し画像解析することでも人の生活行動は認識できます.しかしながら,毎日ビデオカメラで監視されている生活を想像してみてください.嫌ですよね.そこで我々は,プライバシーに配慮するために,スマートハウス内における人の位置情報と家電の電力使用量のみを利用して生活行動を認識しようと試みています.
次に,コストの低減ですが,我々のスマートハウスには人の位置情報を誤差10cmで測定できる超音波センサが設置されています.とても高精度なセンサですが,非常に高価で一般家庭に普及できるものではありません.そこで我々は,あえて位置情報の測位精度を劣化させた場合を想定した実験を行っています.同様に,電力使用量を計測するセンサも16個設置されていますが,あえて測定する電力計の数を減らした実験を行っています.

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提案手法

その結果,高精度・多数のセンサを使用した場合,「テレビ視聴」「読書」「食事」「睡眠」「仕事・勉強」「入浴」「掃除」「料理」「食器洗い」「外出」の10の生活行動を95%以上の精度で判定可能であることを確認しています.さらに,位置と電力使用量の精度を部屋単位に落とした場合でもあっても,85%以上の精度で判定可能であることを明らかにしています.つまり,プライバシーに配慮しながら低コストで生活行動を判定することが可能であるということです.こうした生活行動の認識と,部屋に設置された環境センサやスマートフォンのセンサを組み合わせることで,入浴や料理に応じて暖房や加湿を抑えたり,読書や外出を判定して照明を調整したりすることができるようになります.

では,「眠りの浅いタイミングを見計らって起こしてくれる」や「入眠を察知したエアコンが自動で温度調整」を実現するためには,どうすればいいでしょうか?これを実現するためには,人の眠りの深さをセンシングする必要があります.一般的に,睡眠段階は5段階に分類されます.この計測は,専門の機器を使えばそう難しいことではありませんが,一般家庭にそんな機器はありません.では,どうしたらよいのでしょうか?

スマートフォンによる脈拍測定

スマートフォンによる脈拍測定

我々はスマートフォンに着目しました.スマートフォンは,我々にとって非常に身近で優秀なセンサデバイスなのです.例えば,スマートフォンの加速度センサを使えば体動を検知することができます.また,カメラとフラッシュライトを使うと脈拍が取れます.この脈拍の変化を利用することで睡眠状態を推定しようと試みています.

まず,スマートフォンアプリケーションによる脈拍数推定手法を開発しました.評価実験の結果,2分間の測定おいて,心拍計と比較して十分な測定精度であること(平均誤差1.83bpm)を確認しています.次に,ここで得られた脈拍データと睡眠状態データを機械学習することにより睡眠段階の識別モデルを構築しました.その結果,脈拍のみを用いて人が眠っているか起きているかを90%の精度で推定できることを明らかにしています.このようにスマートフォンを利用して人の睡眠状態を認識することで,その人の状態に合わせた家電制御ができるようになります.これできっと将来は夏の寝苦しい夜にエアコンのリモコンと格闘することはなくなります.
スマートフォンを用いたコンテキスト認識の研究対象としては,睡眠状態の判定だけでなく,人の空腹度推定や健康状態の推定,心理状態の推定なども行っています.いつでも持ち歩くスマートフォンと連動することで,スマートホームは食事の時間や献立を勧めたり,情緒不安定のときには部屋をリラックスできる調光や音楽で満たしたりすることが可能となります.我々,ユビキタスコンピューティングシステム研究室では,そんなスマートホームの実現に向けたさまざまな研究を行っています.

ユビキタスコンピューティングシステム研究室では,未来のユビキタス社会の実現を目指し,センサ・デバイス・ネットワークが連携し,センサから取り込まれる実世界データを処理・集約・解析することで,高度なサービスを効率よくユーザに提供するシステム=ユビキタスコンピューティングシステムの実現に向けた研究に取り組んでいます.スマートホームだけでなく,実世界の問題に対して「情報の収集」,「収集した情報の分析」,「分析結果の応用」の三位一体で取り組み,具体的には以下の研究を行っています.

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研究内容や研究室に興味がありましたら,ユビキタスコンピューティングシステム研究室のホームページもご覧いただけると幸いです.見学や質問は随時受け付けています.

文責:助教 諏訪 (h-suwa@is.naist.jp)

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