[論文レビュー] Surface MIMO: Using Conductive Surfaces For MIMO Between Small Devices

Justin Chan, Anran Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2018

Antenna Design and Analysis参考文献 39被引用数 4

ひとこと要約

表面MIMOは、塗装されたテーブルや導電性布などの導電性表面を用いて、小型デバイス間でMIMO通信を実現する。表面を介した伝搬遅延を活用し、独立した空間ストリームを生成する。本手法により、デバイスにアンテナを1本のみ搭載し、表面との接触点を1か所にすることで、2.6〜3倍のスループット向上が達成され、最大1.3 Gbpsのデータレートを実現する。

ABSTRACT

As connected devices continue to decrease in size, we explore the idea of leveraging everyday surfaces such as tabletops and walls to augment the wireless capabilities of devices. Specifically, we introduce Surface MIMO, a technique that enables MIMO communication between small devices via surfaces coated with conductive paint or covered with conductive cloth. These surfaces act as an additional spatial path that enables MIMO capabilities without increasing the physical size of the devices themselves. We provide an extensive characterization of these surfaces that reveal their effect on the propagation of EM waves. Our evaluation shows that we can enable additional spatial streams using the conductive surface and achieve average throughput gains of 2.6-3x for small devices. Finally, we also leverage the wideband characteristics of these conductive surfaces to demonstrate the first Gbps surface communication system that can directly transfer bits through the surface at up to 1.3 Gbps.

研究の動機と目的

• スマートフォンやウェアラブルデバイスなど、複数アンテナを搭載できないサイズ制約のある小型デバイス間でのMIMO通信を可能にすること。
• 現代のモバイルデバイスの物理的サイズ制限により、アンテナ間隔が不十分なためにMIMO機能が制限される問題を克服すること。
• 導電性ペイントでコーティングされた壁や導電性布で覆ったテーブルクロスなど、日常的な導電性表面を、追加の空間多重経路としての受動的で低コストな媒体として活用すること。
• 既存のWi-Fiハードウェアを用いて、表面を介した高スループット・低遅延通信、特にGbpsレベルのデータ転送レートを実現すること。
• キャリアセンシングを用いて、非重複チャンネルを使用する場合に干渉を防ぎつつ、複数デバイスが同時に通信できる共有媒体アクセスを実現すること。

提案手法

• 導電性表面（スプレー塗装された壁や導電性布のテーブルクロス）をRF信号の第2の伝搬経路として利用し、空間多重チャネルを構築すること。
• 電磁波が表面を伝わる速度が空気中よりも遅いために生じる位相および振幅ずれを利用し、MIMOのダイバーシティおよび多重化に十分な独立性を持つ信号を生成すること。
• デバイスのWi-Fiアンテナと導電性表面との間に1点接触を設けることで、わずか1 cmのアンテナ間隔でも第2の有効な空間ストリームを生成すること。
• 表面MIMOチャネルを非対角行列としてモデル化し、表面縁のマルチパス効果、材料の不均一性、表面の物体を考慮すること。
• 表面に2点接触することで3×3 MIMOに拡張し、マルチパスダイバーシティを活用して追加の空間ストリームを実現すること。
• 市販のWi-Fiチップ（Atheros AR9580）と標準の802.11n MIMOプロトコルを用いて、実世界のテストベッドでシステムを実装および評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 塗装された壁や導電性布のような導電性表面を用いて、小型デバイス間のMIMO通信に追加の空間多重経路を提供できるか？
• RQ2 導電性表面における伝搬遅延およびマルチパス効果が、波長未満のアンテナ間隔であっても十分に独立した空間ストリームを生成できるか、その程度はいかほどか？
• RQ3 表面MIMOは、特にサイズ制限のあるデバイスの外形において、単一アンテナWi-Fiシステムに比べて顕著なスループット向上を達成できるか？
• RQ4 標準のWi-Fiハードウェアと最小限の表面改造で、マルチGbpsのデータレートを実現することが可能か？
• RQ5 共有導電性表面上で複数デバイスが同時に通信する場合、その動作様式はどのようになるか？また、キャリアセンシングにより、共用チャンネル環境下での干渉を効果的に防止できるか？

主な発見

• 2×2および3×3の表面MIMO構成は、それぞれ単一アンテナWi-Fiシステムに比べ、平均エンドツーエンドスループットで2.6倍および3倍の向上を達成した。
• 接触点がデバイスのアンテナからわずか1 cmの距離であっても、6.25 cmのアンテナ間隔を持つベースラインMIMOシステムに比べ、表面MIMOは1.2倍および1.3倍の高いスループットを実現した。
• 表面MIMOは、導電性表面を介して最大1.3 Gbpsのデータレートを達成し、市販のWi-Fiハードウェアを用いた初のGbpsレベルの表面通信システムを実証した。
• 非重複Wi-Fiチャンネル（例：1番と6番）を用いた同時送信では干渉が最小限に抑えられ、単一デバイス動作と同等のスループットが得られ、効果的な媒体共有が確認された。
• 2台のデバイスが同じWi-Fiチャンネルを使用する場合、媒体競合によりスループットが低下したが、キャリアセンシングにより衝突が効果的に防止され、公平な共存が可能となった。
• 表面MIMOチャネルの条件数は、あらゆる構成において良好なままであり、チャネル品質の高さと信頼性のあるMIMO動作を示している。