[論文レビュー] Implementation of Uplink Network Coded Modulation for Two-Hop Networks

Yi Chu, Tong Peng+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2018

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 12被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、USRPソフトウェア定義無線を用いた2ホップ無線ネットワークにおいて、物理層ネットワークコーディング（PNC）を用いたアップリンクネットワークコーディング変調（NetCoM）の初の実世界実装を提示する。プロトタイプは、実用的なPNC処理を伴うOFDMベースのNetCoMにより、5ノードのテストベッドにおける時 clocks のずれや同期の課題を克服し、バックホール負荷の低減を実証した。

ABSTRACT

With the fast growing number of wireless devices and demand of user data, the backhaul load becomes a bottleneck in wireless networks. Physical layer network coding (PNC) allows Access Points (APs) to relay compressed, network coded user data, therefore reducing the backhaul traffic. In this paper, an implementation of uplink Network Coded Modulation (NetCoM) with PNC is presented. A 5-node prototype NetCoM system is established using Universal Software Radio Peripherals (USRPs) and a practical PNC scheme designed for binary systems is utilised. An orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) waveform implementation and the practical challenges (e.g. device synchronisation and clock drift) of applying OFDM to NetCoM are discussed. To the best of our knowledge this is the first PNC implementation in an uplink scenario in radio access networks and our prototype provides an industrially-applicable implementation of the proposed NetCoM with PNC approach.

研究の動機と目的

• 密な無線ネットワークにおけるバックホール容量のボトルネックの増大に対処すること。
• 実用的なアップリンクネットワークコーディング変調（NetCoM）方式を、物理層ネットワークコーディング（PNC）を用いて実装・検証すること。
• 実世界のハードウェア環境下で、実用的なインピーダンスを伴うOFDMベースのNetCoMとPNCの実現可能性を実証すること。
• リアルタイムで複数ノードを含む無線アクセスネットワーク環境下での同期およびクロックずれの課題を評価すること。

提案手法

• ユニバーサルソフトウェアラジオ周波数（USRPs）を用いて5ノードのプロトタイプネットワークを構築し、2ホップアップリンクシナリオをエミュレートした。
• リレーノードで実用的な2値PNC方式を適用し、ネットワークコーディングされたユーザー信号を結合・転送した。
• 多重アクセスおよび周波数選択性をサポートするため、直交周波数分割多重（OFDM）を波形として採用した。
• クロックずれやデバイスの時刻オフセットを低減するため、フレーム同期およびキャリア周波数オフセット補償を実装した。
• リアルタイム処理を可能にする設計により、実用的な無線環境下でのエンドツーエンドNetCoM運用を実現した。
• 信号処理チェーンには、リレーや受信ノードにおけるチャネル推定、均衡化、PNC復号化が含まれた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実用的なアップリンクNetCoMシステムにPNCを実装することは、実際の無線ハードウェア環境で成功裏に実現可能か？
• RQ2 クロックずれや周波数オフセットなどの実用的インピーダンスが、2ホップネットワークにおけるNetCoM性能にどのように影響を与えるか？
• RQ3 OFDMベースのアップリンクシステムにおいて、PNCを用いたNetCoMにより、バックホール負荷はどの程度低減可能か？
• RQ4 実世界の無線アクセスネットワークにNetCoMとPNCを展開するにあたり、主な実装課題は何か？

主な発見

• USRPハードウェアを用いたエンドツーエンドのアップリンクNetCoM運用が成功裏に実証され、実世界への展開可能性が裏付けられた。
• クロックずれや周波数オフセットなどの実用的インピーダンスが存在する中でも、信頼性の高いネットワークコーディング伝送が達成された。
• OFDMはNetCoMフレームワークに効果的に統合され、強固な多重アクセスおよび周波数ダイバーシティを実現した。
• リレーノードが個々のデータストリームではなく、ネットワークコーディングされたバージョンのユーザー信号を転送するため、PNCを用いた実装により顕著なバックホール負荷低減が達成された。
• フレーム境界検出およびキャリア周波数オフセット補償を含む同期技術が、システム安定性の維持に有効であった。