[論文レビュー] Increasing Indoor Spectrum Sharing Capacity using Smart Reflect-Array

Xin Tan, Zhi Sun+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2015

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 10被引用数 13

ひとこと要約

本稿では、送信信号の位相を動的に制御することで目的信号を強化し干渉を抑えることで、同じ周波数帯を複数ユーザーが同時に共有できるスマートリフレクタアレイシステムを提案する。実験およびシミュレーションの結果、ユーザー端末を変更せずに複数のリフレクタアレイを用いることで、送信容量が最大0.5×10⁶ bits·m/s向上することを示した。

ABSTRACT

The radio frequency (RF) spectrum becomes overly crowded in some indoor environments due to the high density of users and bandwidth demands. To accommodate the tremendous wireless data demands, efficient spectrum-sharing approaches are highly desired. To this end, this paper introduces a new spectrum sharing solution for indoor environments based on the usage of a reconfigurable reflect-array in the middle of the wireless channel. By optimally controlling the phase shift of each element on the reflect-array, the useful signals for each transmission pair can be enhanced while the interferences can be canceled. As a result, multiple wireless users in the same room can access the same spectrum band at the same time without interfering each other. Hence, the network capacity can be dramatically increased. To prove the feasibility of the proposed solution, an experimental testbed is first developed and evaluated. Then, the effects of the reflect-array on transport capacity of the indoor wireless networks are investigated. Through experiments, theoretical deduction, and simulations, this paper demonstrates that significantly higher spectrum-spatial efficiency can be achieved by using the smart reflect-array without any modification of the hardware and software in the users' devices.

研究の動機と目的

• 会議室やショッピングモールなどの高密度な屋内環境におけるスペクトル混雑の問題に対処すること。
• 認知無線やビームフォーミングなどの既存のスペクトル共有技術の限界を克服すること。これらの技術は高価なハードウェアのアップグレードや大型アレイアレントを必要とする。
• 同じ周波数帯で複数の屋内ユーザーが干渉を受けることなく同時に通信できるようにすること。ユーザー端末の変更は不要である。
• 再構成可能なスマートリフレクタアレイを用いた屋内無線ネットワークにおける空間多重通信の実現可能性と性能向上を実証すること。

提案手法

• 壁に再構成可能なリフレクタアレイを設置し、各リフレクタ素子の位相遅延を制御することで、無線伝搬環境を調整すること。
• 最適な位相制御を用いて、意図した受信者での信号強度を向上させると同時に、意図しない受信者での干渉を抑えること。
• 24、36、48個のパッチリフレクタを用いた概念実証用テストベッドを設計・実装し、実際の屋内環境でのシステムの有効性を検証すること。
• SINR（信号対干渉加算ノイズ比）およびパスロスモデル（α = 3）を用いて理論的上限と実現可能な送信容量を導出すること。
• 複数のリフレクタアレイを戦略的な位置（例：(D/2, 0)、(0, D/2)）に配置した複数のネットワーク構成をシミュレーションし、空間多重を最適化すること。
• 最大容量を達成するための最適な位相設定を求めるために、−πからπまでπ/180の刻みで位相探索アルゴリズムを採用すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スマートリフレクタアレイシステムは、相互干渉を受けることなく、複数の屋内無線ユーザーが同じスペクトル帯を同時に共有できるか？
• RQ2 本手法で用いるリフレクタアレイがなければ、従来のスペクトル共有手法と比較して、送信容量はどの程度向上するか？
• RQ3 リフレクタパッチの数と通信ペアの数は、実現可能な送信容量にどのように影響するか？
• RQ4 部屋内の異なる位置に複数のリフレクタアレイを設置した場合、性能にどの程度の向上が見られるか？
• RQ5 最適な位相制御下で、実現可能な送信容量は理論的上限にどの程度近づくか？

主な発見

• リフレクタパッチ数を24から48に増加させた際、送信容量が約0.2×10⁶ bits·m/s向上した。
• 1つのリフレクタアレイを用いた場合、4つのリフレクタアレイを設置した場合に比べて、実現可能な送信容量が最大0.5×10⁶ bits·m/s向上した。
• 理論的上限の送信容量は、理想的なノード配置仮定に基づくため、常に実現可能な上限を上回っていた。
• 部屋の辺の長さを5 mから10 mに増加させたことで、干渉ノードを受信者からより遠くに配置できるようになったため、送信容量に顕著な向上が見られた。
• 2つのリフレクタアレイを設置した場合、1つのアレイと比較して送信容量が0.2×10⁶ bits·m/s向上し、3つおよび4つのアレイを設置した場合にもさらなる向上が確認された。
• 実験用テストベッドにより、実際の屋内環境で2ユーザー同時送信が実現可能であることが確認された。