Iマルチメディア通信と分散処理ワークショップJ平成12年12月
グループ移動のための移動体位置登録方式
萩野浩明原 隆i告塚 本 昌 彦西尾章治郎
大阪大学大学院工学研究科情報システム工学専攻E- mai l :  {hagi no. hara. t. uka. ni shi o}@i se. eng. osaka- u. ac. j  
筆者らはこれまでに，グループで移動するユーザの位置登録を一括で行うことでネットワーク負荷を低減することを目的とした，移動体位置登録方式を提案している. この方式では，各移動体がモーパイルIP における H A に個別に位置登録を行う代わりに，グループで一括してグループ情報を管理するルータに位置登録を行うことで. ネットワーク負荷を低減できる. 本稿では，この位置登録方式のいくつか
の技術課題について考察し，それぞれの解決方法について議論する. まず，交通機関の運行情報などグループの移動のスケジュールが既知である場合に. その情報を利用して位置登録の手間を軽減する方法を提案する. 次に提案方式がモーパイル IP と比較して，通信時に大きなネットワーク負荷が発生するという問題の解決法として，移動体が自身の通信頻度に基づいて，グループに参加するかどうかを決定する方法を提案する. さらに，位置登録の際に無線通信部分で大量のパケットが交換される問題の解決として，グループ間でグループ構成情報を交換し，登録処理を効率化する方法を提案する.
A  Mobi l e Locat i on Regi st rat i on Met hod for Gr oup Mi grat i on 
Hi roaki  HA GI NO Takahi ro H A R A  Masahi ko T S U K A MOT O Shoj i ro NI SHI O 
Depar t ment  of I nf ormat i on Syst ems Engi neeri ng， Gr aduat e School  of  Engi neeri ng， Osaka Uni versi ty 
In our previ ous work， we proposed a  routi ng met hod called Jfr. G  (fl.![obile Roul i ng Met hod for Gr oup Mi grati on)  to reduce the neもwork l oad when there are group mi grati ons of mobi l e users. In t. his met hod， users movi ng together in a  group can register their locatioll i nformati on in a  l ump i nstead of individually. In this paper ， we di scuss the i mpl emen凶 tion issues of our proposed met hod and our sol uti ons for those issues. First ， we propose the use of schedul e i nformati on of publ i c transport as a  strategy to reduce the number  of packets in the l ocati on registration. Second， To reduce the communi cat i on overhead， we propose a  strategy that makes users automati cal l y join a  group if they frequentl y communi cat e each other. Fi nal l y， to reduce radi o communi cat i on packets exchanged on the l ocati on regi strati on， we propose a  regi strati on strategy that makes use of member  i nformati on exchanged among groups.  
1  はじめに
近年，計算機の小型化，軽量化および無線ネットワーク技術の発展により，いつでもどこでもネットワークにアクセス可能な移動体計算環境が実現されつつある [1] --- [7].今後は，この環境がさらに普及し，ウエアラブルコンビューテイング [11] に代表される，よりユーザの生活に密着した通信環境の実現が予想される. このような環境では，ユーザのもつ移動体は常に通信可能な状態が維持され，いつでも情報の発信および受信が可能となる. したがって，ユーザが通信を行わないときでも，ユーザの移動による位置登録処理が発生するため，ユーザ数の急激な増加にともない，位置登録のトラヒックによるネットワーク負荷は無視できなくなるものと考えられる.
一方，実環境では一般に，電車や飛行機などの公共交通機関を利用する場合など，ユーザがグループ単位で移動することが多い. ここで，従来のモー
ノf イル I P では，例えば，新幹線に乗っている 1000人のユーザに対して，新幹線が新たな基地局のサブネットに入る度に，同様の 1000 回の位置登録が個別に行われる. そこで，筆者らはこれまでに，位
置登録によるネットワーク負荷を低減することを目的として，ユーザのグループ単位での移動を考慮し
た移動体通信方式l ¥l r. G (Ivl obi l e Rout i ng met hod for Gr oup mi grat i on) を提案している [3] . 提案方式では，公共の交通機関を利用しているユーザをグループとして管理し，一括で位置登録を行う. これによって，位置登録にともなうネットワーク負荷を大きく低減できる. しかし， Mr . G には通信オーバヘッドや，無線通信部分における衝突の発生など，
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実環境において用いるにはいくつかの技術課題が残さt1. ている.本稿では， Mr. G を実現するための技術課題を示し，それを解決するための Mr. G の拡張にJ ついて議論する. まず，交通機関の運行情報など，グループ移動のスケジ、ユールが既知な場合に，その情報を用いて，位置登録処理の回数を低減する方法を提案する. また， Mr. G において，位置登録によるネットワーク負荷を低減できる一方，通信時にはパケットが冗長な経路でルーテイングされ，ネットワーク負荷が増加するという問題を解決するために，移動体が自身への通信頻度に基づいて，グループに参加するかどうかを決定する方法を提案する. さらに，一度に大量の位置登録メッセージが送信されると，無線通信部分において衝突が発生するという問題を解決するために，グループ間でグループ構成情報を交換することで位置登録を効率化する方法を提案する.以下では，まず 2章において，筆者らがこれまでに提案している Mr. Gについて説明する. 3章では，Mr. Gの拡張について述べる.4章では， Mr. Gに関する考察を行い，最後に 5章において，本稿の結論を述べる.
2  Mr . G の概要
本章では，これまでに筆者らが提案した，ユーザのグループ単位での移動を考慮した移動体通信方式I vlr.G について説明する. Mr. Gは，モーパイルIP で用いられている通信方式を拡張することで実現できる. 以下では， 1章で述べたように，各ユーザのもつ移動体が常にネットワークに接続されている状態を想定する.
2. 1 構成要素
Mr. Gの構成要素を以下に示す.
. ホームアドレス移動体に割り当てられた固有のアドレス. 移動体が移動しでも変化しない.
. ホームネットワーク ( HN)移動体のホームアドレスと一致するネットワークプレフイクスをもっサブネット.
- ホームエージェント (HA)移動体のホームネットワークに存在するルータ. 移動体の位置情報を管理する役割をもっ.
- フォーリンエージェント (FA)ホームネットワーク以外のサブネットに存在
するルータ. 移動体が接続しているときは，移動体のデフォルトルータとして機能する.
・気付アドレス移動体が H N以外のサブネットで獲得するアドレス. 移動体の位置によって変化する.
- グループエージ、エント ( GA)電車や新幹線の各車両，飛行機などに設置される無線基地局. 交通機関を利用しているユーザの情報の管理，登録を行う.
- グループホームアドレスGA に割り当てられた固有のアドレス. GA が移動しでも変化しない.
・グループホームネットワーク ( GHN)GAのグループホームアドレスと一致するネットワークプレフィクスをもっサブネット.
・グループホームエージェント ( GHA)GA のグループホームネットワークに存在するルータ. GA の位置を管理する.
2. 2 Mr . G の動作
Mr. G はモーパイル IP の通信方式の拡張であるため，交通機関を利用していないユーザはモーパイルIP と同様の位置登録，および通信を行う. 以下では，交通機関を利用しているユーザの位置登録，および，それらのユーザに対する通信について述
2. 2. 1 位置登録
~1r .G における位置登録処理の流れを以下に示す.
1. GA は，定期的にアドパタイズメントを放送する. ここで，例えば電車の車内の場合， GA の無線通信範囲は車内に届く程度であると仮定する. それを受け取った移動体は， GA にアドレスの割り当てを要求し，気付アドレスを獲得する. 移動体が FA から受け取るアドパタイズメントは， GA からのものがタイムアウトしない限り無視する. その後，移動体は気付アドレスとホームアドレスを含んだ登録要求メッセージを GA に送信する.
2. GA は， FA に立すしては，モ- ) " ¥ イル IP における移動体として動作し，気付アドレスを獲得する. GA はアドパタイズメントを放送した後，しばらくの間待機し，その聞に受信した登録要求メッセージに基づいて，ユーザのグループを構成する. その後，モーパイル IP
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の登録要求メッセージにグループ構成の情報を付加したものを生成し， FA に登録要求を行う. このメッセージのホームアドレスにはGA のグループホームアドレスを，気付アドレスには GA の気付アドレスを用いる. また，登録要求メッセージに付加するグループ構成の情報として， GA は次の 2 つのいずれかを選択する.
. グループに属する全ての移動体の情報.
・グループの差分情報.
グループ構成の変化が小さい場合には前者を，グループ構成が大きく変化した場合には後者を選択することで，位置登録メッセージのサイズを小さくできる.
3. FA は，受け取った位置登録メッセージを GHAにフォワードする.
4. GHA は，位置登録メッセージを受け取ると，まず GA の位置情報を更新する. そして，新たにそのグループに参加した移動体については，気付アドレスを GA のグループホームアドレスとする登録要求メッセージを HA に送信する.
5. HA はt GHA から登録要求メッセージを受け取ると，自局のもつ位置情報を更新し，登録応答メッセージを GHA に送信する.
6. GHA は，位置登録を行った全ての HA から登録応答メッセージを受け取ると t GA に登録応答メッセージを送信する.
7. GA は，各移動体に登録応答メッセージを送信する.
このようにして， HA は移動体の属するグループのグループホームアドレスを， GHA はグループの気付アドレスを， GA は各移動体の気付アドレスをそれぞれ管理する.
2.2.2 通信
l'vlr . G における移動体に対する通信時の処理の流'れを以下に示す.
1 . 移動体宛のパケットは，モーパイル IP と同様に HN まで送られる. グループ単位で移動している移動体は HNに接続していないため，必ず HA がパケットを受け取る.
2. HA は自局のもつ情報に基づいて， GA のグループホームアドレスを宛先とする IP ヘッダでパケットをカプセル化して送信する.
3.このパケットは GAのGHNまで送られt GHA によって受け取られる. GHA は，受け取ったパケットから，カプセル化した IP ヘッダを取り除く. そして， GA の気付アドレスを宛先とする IP ヘッダでそのパケットをカプセル化して送信する.
4.パケットを受け取った FA は， IP ヘッダを取り除き，グループホームアドレスに基づいて，パケットを G A に送信する.
5. GA はさらに IP ヘッダを取り除き，ホームアドレスを参照することで，宛先である移動体にノ f ケットをフォワードする.
このように， GHA が HA の代わりにグループの位置情報を管理することで，グループ単位で移動している移動体への通信を実現している. しかし，モーパイル IP では， HA を経由するだけで通信可能であるのに対して， Mr. Gではさらに GHA を経由するため，通信にともなうネットワーク負荷が増大する.
3  Mr . G の拡張
本章では， Mr. Gの技術課題について述べ，それぞれの課題に関して解決方法を提案する.
3. 1 運行スケジ、ユール情報の利用
ユーザが公共の交通機関を利用している場合，ユーザのグループは特定のスケジュールに基づいて移動することが多い. そこで，このようなスケジュール情報を用いることで， GA が GHA に対して位置登録メッセージを送信するタイミングを次の場合に限定することができるため，位置登録の効率化が可能となる.
- グループメンバに変更があった場合.
・運行スケジ、ユールに変更があった場合. 例えば， G A があるサブネットに接続する時間が予定より遅くなったときに， GA はその情報を GHA に通知する.GHA は受け取った情報に基づいて，運行スケジュール情報を補正する.
GHA は G A が移動するルート上に存在する FAの情報と， GA が各 FA に接続する時刻の情報を保
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持している.G H A は G A から位置登録が行われない聞は，グループメンバに変更がなく，かつ予定通りの時刻に移動しているものとみなし，自動的に G A の気付アドレスを変更する. これによって，G A から G H A に送信される位置登録メッセージの数が減少し，位置登録にともなうネットワーク負荷を低減できる.
3. 2 通信オーバヘッドの低減
2.2節で述べたように， Ml' . Gでは，移動体宛のパ
ケットカ~HA だけでなく， G H A をキ歪由するため，通信時のオーバヘッドが大きい. この問題を軽減するために， Mr . G における移動体の位置登録処理を次のように変更する.
1. G A は，新しい F A と接続する度に，アドパタイズメントをブロードキャストする. このメッセージには， G A が接続した F A とG H Aの聞のホップ数 HaHA と，次に G A が位置登録を行うまでに通過すると予想されるサブネットの数 N に関する情報が含まれている.
2.移動体は，自身への通信回数のログを保持しており，それに基づいて過去の平均通信頻度を計算する. ここで，固定ネットワークにおける 2 ルータ聞の平均ホップ数を H ，アドレス長を L ，通信パケットの平均データサイズを d，G A が一つのサブネットに接続している聞にその移動体宛に発生する平均通信回数を C とする. このとき，移動体が G A を経由して位置登録を行う場合，次の位置登録までに発生するネットワーク負荷は次式のように見積もることができる.
4L( H +  HGHA)  +  ( 2H +  HGHA) dCN (1) 
一方，移動体が G A を介さずに直接 F A からH A に位置登録を行う場合，ネットワーク負荷の見積もり値は次式で表される.
2H L N +  2dC /-J N  (2) 
移動体は，位置登録時に上記の 2 式を計算する.前者の方が値が小さくなる場合は，図 1のように G A に位置登録を行う. 一方，後者の方が値が小さくなる場合は，図 2に示すように，モーパイル I P と同様の方法で，直接H A に位置情報を登録する.もし，移動体が元々G A に位置登録を行っていたなら，移動体は G A に対して登録情報を無効化するメッセージを送信する.
図 1:通信が頻繁でない場合の位置登録処理
図 2: 通信が頻繁な場合の位置登録処理
3. G A は移動体から受け取った位置登録メッセージから，グループメンバの変更の有無を調べる.3.1節で述べたように，グループメンバに変更がある場合は， G H A に対してグループメンバの変更を通知し，グループメンバに変更のなかった場合は，通知を行わない.
この拡張によって，自身への通信が頻繁に発生する移動体は，通信オーバヘッドの小さいモーパイル I P と同様の位置登録を選択でき，通信が頻繁でない移動体は，位置登録によるネットワーク負荷の小さい， G A を介した位置登録を選択できる. その結果，全体としてネットワーク負荷の低減が期待できる.
3. 3 G A 聞のグループ情報の交換
Mr . G では， G A がアドバタイズメントをプロードキャストする度に，それぞれの移動体が一斉に応答メッセージの送信を試みる. ここで，グループのメンバが非常に多い場合は，無線通信部分においてパケットの衝突が発生し，結果として登録処理が円滑に行われない可能性がある.G A が移動中，すなわち公共交通機関が移動している聞は，その交通機関を利用しているユーザの構成は変化しないため，
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登録処理の遅延は大きな問題ではないと考えられる. 特に，~lr.G では 3.1~í'iで述べた拡張によって，
G A から GHA へ登録メッセージが届かない場合でも， GHA は運行スケジ、ユール情報に基づいて自律的に G A の位置情報を更新するため，登録処理の遅延が問題となる状況は少ない. しかし， G A が停止している間，すなわち駅やバス停などで公共交通機関が停止している聞は，ユーザの乗り降りによって，グループ構成の変更および移動体への通信経路の変更が発生する. この場合，円滑な位置登録は非常に重要な問題となる.そこで，直接無線通信可能な G A 問でグループメンバの情報を交換し，各 G A がその情報に基づいて移動体を点呼することによって，グループメンバ情報を更新するように Mr . G を拡張する. 以下では，説明の簡単化のために，駅に停車中の電車におけるグループメンバ情報の交換手順について説明する.
1 . ある G A ( GAl ) が設置された電車( 電車 1)が駅で停車したとき，駅に他の電車が停車していなければ， GAl  は，自身のもつグループ構成情報に基づいて，移動体の点呼を開始する.GAlに笠録されている移動体のアドレスを，一定の時間間隔で順にプロードキャストし，応答の得られた移動体のみで新しくグループを構成する. 点呼が終了すると，従来のアドパタイズメントメッセージをブロードキャストし，通常の登録処理を行う.
2.電車 1 が停車している問に，別の G A ( GA2)  が設置された電車( 電車 2) が駅に停車したとき， GAl とGA2 は，互いのアドパタイズメントメッセージによってそのことを検出する. GAl は，自身の担当するグループから離脱した移動体のリストに，タイムスタンプとGAlのアドレスをつけて GA2 に送信する.一方， GA2 は GAl と同様に，自身の担当するグループで点呼を行い，その結果，グループを離脱したメンパのリストに，タイムスタンプと GA2 のアドレスをつけて GAlに送信する.GAl とGA2 は，受け取った情報を用いて点呼を行う.
3.さらに，別の G A (GA3) が設置された電車( 電車 3) が駅に停車したとき， GA3 は，まず自身の担当するグループについて点呼を行い，その結果を GAlと GA2 に送信する. 一方，GAlとGA2 は，点呼した結果にタイムスタンプと GA1 ，GA2 のアドレスをつけて GA3に送信する.GA3 は受け取った情報のうち，新しいものを用いて点呼を行う.
このように，グループメンバの点呼と従来の登録処理を併用することで，無線通信部分における衝突を可能な限り回避し，円滑な登録処理を行うことができる.
本章では，筆者らの提案した IVIr.G と本稿で行った拡張について考察を行う.
4. 1 関連研究
本研究における G A をルータとみなすと， G A の担当するグループは移動可能なサブネットとみなすことができる. 移動するサブネットに関する研究は，これまでにいくつか行われている. 文献 [9J では，移動体ではなく，ルータに H A を割り当てることで，サブネットが移動可能になる可能性を示している. しかし，具体的な通信方式は提案されていない. また，文献 [5) では，移動するサブネットを実現するためのネットワークアーキテクチャを提案しており，その実現方法のーっとしてモーパイル IPの拡張について議論している. この研究は，移動体のための H A とサブネットのための H A を併用し，2 段階のカプセル化を用いて通信を実現する点において，筆者らの提案した NIr . G と類似している. しかし，提案方式のように，このアプローチの実環境における問題点について考慮しておらず，それを解決するための拡張も行っていない.また，多段階のカプセル化を用いた通信を実現する研究として文献 [2，8) がある. 文献 [8] では，位置登録の効率化を目的として，多段階に階層化された H A を用意し，通信時には，上位の H A から) 1頂に位置情報を検索する. また，文献 [2] では，ネットワークをグループ化し，グループ内およびグループ聞において独立に位置管理を行う方式を提案している. これらの研究では，個々の移動体に対する通信の効率化を目的としており，グループ移動を行う移動体を対象としていない.
4. 2 位置登録の与える影響
Mr . Gは，移動体の位置笠録によって発生するネットワーク負荷の低減を目的としている. したがって，ネットワーク全体での負荷に対して，位置登録による負荷の占める割合が大きくなければ，提案方式の重要性は低い. しかし，以下の理由から，今後，位置登録がネットワーク全体に与える影響が大きくなるものと考えられる.・1章で述べたように，今後はウエアラブルコンビューテイングに対する注目の高まりとと
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もに，移動体がよりユーザの生活に密着したものになることが予想される. それによって，全ての移動体が常時ネットワークに接続しており，携帯電話と同じような感覚で他のユーザとデータ通信を行うことが可能になるものと考えられる. このような環境では，ユーザが通信を行うとき以外でもユーザの位置を同定する必要があるため，位置登録が常に行われる.
・文献[ 10] では，移動体数の増加が予想されるため，今後は，従来のように計算機の位置が固定されているのではなく，計算機が移動することを前提にネットワークアーキテクチャを構築すべきであると述べている. つまり，今後は，ユーザが移動体を一人一台所有するような環境の実現が予想される. これによって，移動体通信によって発生するネットワーク負荷は，固定ネットワークでの通信による負荷と比較して，無視できなくなるものと考えられる.
4. 3 G A 聞のグループ情報の交換
3.3節で述べたように，提案方式では，位置登録処理の円滑化を目的として， G A 聞でグループ情報を交換し，個々の移動体の点呼を行う. しかし，この方法は，グループを構成する移動体の数が少ない場合，アドパタイズメントとそれに対する応答による位置登録処理よりも位置登録に時間がかかる可能性がある. この問題を解決するために，グループを構成する移動体数に関する関値を設け，移動体数がそれよりも大きいときのみ点呼による位置登録を行う方法が考えられる.
5  おわりに
本稿では，移動体のグループ単位での移動を考慮した通信方式 Ml' . G のいくつかの技術課題について考察し，それぞれの解決方法を提案した. まず，公共交通機関の運行スケジ、ユール情報を利用することで位置登録を省略する方法を提案した. 次に，各移動体が，自身を宛先とする通信の発生頻度に基づいて，位置登録処理の手法を適応的に選択する方法を提案した. 最後に，円滑な位置登録処理を行うために， G A 問でグループ情報を交換し，個々の移動体に対して点呼を行う方法を提案した. その結果，1¥11・. G の実用性が増したものと考えられる.今後は，本稿で、行った拡張を含めた Mr . G の性能評価を，シミュレーション実験などによって行う予
定である. さらに，提案方式を実現するプロトコルの設計と実装および実測評価を検討している.
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