[論文レビュー] Throughput Analysis for Virtual MIMO WSNs over Measured MIMO Channels

Indrakshi Dey, M. Majid Butt+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2020

Indoor and Outdoor Localization Technologies参考文献 7被引用数 13

ひとこと要約

この論文は、雑然とした産業環境において、仮想MIMOベースのWSNスルーレットを評価する屋内から屋外への測定キャンペーンを提示する。異なる壁配置に8本の送信アンテナを設置することで、4面すべての壁にセンサを分散配置した場合がスペクトル効率が最も高く、20 MHz帯域幅で15 dB SNRの条件下で最大18.61 Mbpsのスルーレットを達成することを示した。

ABSTRACT

A recently conducted indoor-to-outdoor measurement campaign for investigating the propagation characteristics of an $8 imes 8$ virtual multiple-input-multiple-output (MIMO) based wireless sensor network (WSN) is presented in this paper. The campaign is conducted in an instrumentation room devoid of windows, but filled with different noisy electrical and measuring units. The channel impulse responses are reported when a 20 MHz wide signal is transmitted at 2.53 GHz. Measurements are collected for 15 different spatial combinations of the transmit antennas. After analyzing the collected data, system capacity and achievable transmission rates are calculated for each measurement scenario. Using these values, we examined the best configuration for positioning the sensors that can maximize overall network throughput. Results demonstrated that distributing sensors on all 4 walls of the room can achieve the highest possible information rate.

研究の動機と目的

• 仮想MIMOベースの無線センサネットワーク（WSN）における、センサの空間的配置が得られるスルーレットに与える影響を調査すること。
• 豊富な散乱とキーホール効果の可能性がある実際の産業環境における、システム容量および伝送レートを定量化すること。
• 現実的な伝搬条件下でネットワークのスペクトル効率を最大化する最適なアンテナ配置戦略を同定すること。
• 非視線、窓のない産業環境において、中程度から高いSNRの条件下で20 MHz帯域幅で達成可能なデータレートに関する実証的データを提供すること。

提案手法

• 電気機器や計測装置が多数設置された窓のない計器室（5.7m × 3.5m × 3m）で、実世界のMIMOチャネル測定キャンペーンを実施した。
• 15の異なる送信アンテナの空間的配置において、2.53 GHzの20 MHz信号を用いて8×8 MIMOチャネルインパulse応答を収集した。
• 受信電力測定値とシステムキャリブレーションパrameterを用いて、各送信アンテナごとの大規模路損衰減を計算した。
• 式 $ R = B \times \log_2(1 + \rho - A) $ を用いてシステム容量および達成可能な伝送レートを計算した。ここで $ A $ は総大規模路損である。
• 異なるアンテナ配置における電力遅延プロファイル（PDP）および共同空間時間相関を分析した。
• すべての配置において、低SNR（3 dB）、中程度SNR（15 dB）、高SNR（30 dB）の3段階のSNR条件下で伝送レートを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実際の産業環境における仮想MIMOベースのWSNにおいて、センサ（アンテナ）の空間的配置は、達成可能なスルーレットにどのように影響を与えるか？
• RQ2 非視線、キーホール効果の発生しやすい屋内環境で、1 kmのカバレッジ範囲において20 MHz帯域幅で得られる最大データレートは何か？
• RQ3 1面の壁にアンテナを設置するのと、4面すべての壁に分散配置するのとでは、どちらの配置がより高いスペクトル効率とシステム容量を達成するか？
• RQ4 アンテナの高さや壁の位置（天井付近や床付近など）の変化が、チャネル容量およびデータレートにどのように影響を与えるか？
• RQ5 厳しい伝搬環境下で、中程度SNRの条件下で20 MHzのライセンス帯域幅で仮想MIMOが10 Mbpsを超えるデータレートを達成可能か？

主な発見

• 部屋の4面すべての壁に送信アンテナを配置した場合が、最も高い達成可能な伝送レートを示し、中程度SNR（15 dB）の条件下で最大18.61 Mbpsに達した。
• すべてのアンテナを1つの壁に配置した場合、ドアを通じて視線路があるWall 2にアンテナを配置した配置が、最高のシステム容量を達成した。
• アンテナを床から2メートルの高さに配置した場合が、床付近や天井付近の配置よりも優れた性能を示し、最高のシステム容量が観測された。
• 低SNR（3 dB）では伝送レートが0.06〜1.71 Mbps、中程度SNR（15 dB）では14.25〜18.61 Mbps、高SNR（30 dB）では最大24.67 Mbpsに達した。
• 平均チャネル容量は、低SNRでは7.7〜13.2 bps/Hz、高SNRでは16.7〜30.8 bps/Hzであり、4面壁配置が常に他の配置を上回った。
• キーホール効果と豊富な散乱が発生する環境下でも、仮想MIMOを用いることで、1 kmのカバレッジ範囲で20 MHz帯域幅で10 Mbpsを超えるデータレート（最大18.61 Mbps）を達成することが可能である。