[論文レビュー] Coexistence and Interference Mitigation for Wireless Body Area Networks: Improvements using On-Body Opportunistic Relaying

Jie Dong, David B. Smith|arXiv (Cornell University)|May 30, 2013

Wireless Body Area NetworksEngineering参考文献 12被引用数 17

ひとこと要約

本稿では、密な無線身体局域網（WBAN）における共存性向上と干渉低減を目的として、身体上におけるオポチュニスティックリレーシングを提案する。TDMAと固定リレータの股の位置に設置された3ルートのオポチュニスティックリレーシングを用いることで、アウトージ確率において最大8 dBの改善が得られ、特に低SINR閾値においてレベルクロッシングレートが顕著に低減されるが、平均アウトージ持続時間はシングルホップシステムと同一のままである。

ABSTRACT

Coexistence, and hence interference mitigation, across multiple wireless body area networks (WBANs) is an important problem as WBANs become more pervasive. Here, two-hop relay-assisted cooperative communications using opportunistic relaying (OR) is proposed for enhancement of coexistence for WBANs. Suitable time division multiple access (TDMA) schemes are employed for both intra-WBAN and inter-WBANs access protocols. To emulate actual conditions of WBAN use, extensive on-body and inter-body "everyday" channel measurements are employed. In addition, a realistic inter-WBAN channel model is simulated to investigate the effect of body shadowing and hub location on WBAN performance in enabling coexistence. When compared with single-link communications, it is found that opportunistic relaying can provide significant improvement, in terms of signal-to-interference+noise ratio (SINR), to outage probability and level crossing rate (LCR) into outages. However, average outage duration (AOD) is not affected. In addition a lognormal distribution shows a better fit to received SINR when the channel coherence time is small, and a Nakagami-m distribution is a more common fit when the channel is more stable. According to the estimated SINR distributions, theoretical outage probability, LCR and AOD are shown to match the empirical results well.

研究の動機と目的

• 複数のネットワークが近接して動作する密なWBAN展開環境において、共存性と干渉低減の課題に取り組む。
• 実世界の身体上および身体間チャネル状態における2ホップ協調通信とオポチュニスティックリレーシングの性能向上を調査する。
• 固定リレータ配置（左・右の股）と動的リレータ選択の比較を通じて、SINRに基づく信頼性指標の向上効果を評価する。
• 実測SINR分布に基づいて、理論的アウトージ確率、レベルクロッシングレート（LCR）、平均アウトージ持続時間（AOD）を導出する。
• チャネルコherenct timeが変化する条件下で、SINRを最もよく表す統計的分布（対数正規分布またはNakagami-m）を特定し、正確な性能モデリングを支援する。

提案手法

• 実対象者からの身体上および身体間チャネル測定を大規模に実施し、イントラ-WBANおよびインタ-WBANリンクゲインをモデル化する。
• イントラ-WBANおよびインタ-WBANアクセスに時間分割多重アクセス（TDMA）を適用し、送信スケジューリングの整合性を確保する。
• 3ルートのオポチュニスティックリレーシング（OR）を適用し、各ホップで3つの候補リレータのうち最良のものを選択してパケットを転送することで、複雑さと消費電力を最小限に抑える。
• 身体シャドウ効果に注目し、実測の身体間パスロス、シャドウイング、小規模 fading を用いてインタ-WBAN干渉をモデル化する。
• 最大尤度（ML）推定法を用いて、受信SINRの最良適合統計的分布を特定する：チャネルコherenct timeが短い（速いフェージング）場合は対数正規分布、長時間（ゆっくりしたフェージング）の場合はNakagami-m分布が適している。
• 推定されたSINR分布から理論的1次および2次統計（アウトージ確率、LCR、AOD）を導出し、実測データと照合して妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共存するWBANにおいて、オポチュニスティックリレーシングはアウトージ確率やレベルクロッシングレートといったSINRに基づく信頼性指標に、どの程度向上効果をもたらすか？
• RQ2 固定リレータ配置（例：左・右の股）は、シングルホップ伝送と比較して、干渉低減および共存性能にどのような影響を及えるか？
• RQ3 チャネルコherenct timeが変化する条件下で、WBANにおけるSINRを最もよく表す統計的分布は、対数正規分布かNakagami-mのどちらか？
• RQ4 協調リレーシングは、リアルタイムWBANアプリケーションにとって重要な指標である平均アウトージ持続時間（AOD）を短縮するか？
• RQ5 身体シャドウ効果は、インタ-WBAN干渉および実用的状況下での協調リレーシングの有効性に、どのように影響を与えるか？

主な発見

• オポチュニスティックリレーシングにより、シングルホップ伝送と比較して1%アウトージ確率閾値においてアウトージ確率が最大8 dB低減され、ハブの位置に関係なく一貫した改善が得られた。
• 被験者1（チャネルが不安定）では、1 Hz LCRで4 dB、0.1 Hz LCRで7.5 dBのSINR閾値向上が確認され、低SINR領域における干渉低減効果が顕著に示された。
• 被験者2（チャネルが安定）では、1 Hz LCRで2.5 dB、0.1 Hz LCRで3 dBの改善が観察され、異なるチャネル状態においても高いロバストネスを示した。
• チャネルコherenct timeが短い（速いフェージング）状態では対数正規分布がSINRに最も適した分布であり、逆にコherenct timeが長い（安定したチャネル）状態ではNakagami-m分布がより適していることが判明した。
• 推定されたSINR分布から導出された理論的アウトージ確率、LCR、AODは、実測データとよく一致しており、解析モデルの妥当性が裏付けられた。
• 平均アウトージ持続時間（AOD）は、シングルホップ方式と協調方式とで同一であり、他の統計指標の向上とは異なり、この指標には性能向上が見られなかった。