[논문 리뷰] Increasing Indoor Spectrum Sharing Capacity using Smart Reflect-Array

Xin Tan, Zhi Sun외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 29.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 10인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 유저 장치를 수정하지 않고도 동일 주파수 대역에서 다수의 사용자가 동시에 통신할 수 있도록, 동적으로 위상 시프트를 제어하여 원하는 신호를 강화하고 간섭을 억제함으로써 실내 스펙트럼 공유 용량을 향상시키는 스마트 리플렉트 어레이 시스템을 제안한다. 실험 및 시뮬레이션 결과, 반사 어레이를 다수 사용할 경우 최대 0.5×10⁶ bits·m/s의 전송 용량 향상을 입증하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 컨ference홀 및 쇼핑몰과 같은 고밀도 실내 환경에서 증가하는 스펙트럼 혼잡 문제를 해결하기 위해.
• 비용이 많이 들거나 대규모 안테나 어레이가 필요한 기존의 스펙트럼 공유 기술(예: 인지 무선 및 빔포밍)의 한계를 극복하기 위해.
• 사용자 장치를 수정하지 않고도 동일 주파수 대역에서 다수의 실내 사용자가 동시에 간섭 없이 통신할 수 있도록 하기 위해.
• 재구성 가능한 스마트 리플렉트 어레이를 활용한 실내 무선 네트워크에서의 공간 다중화의 실현 가능성과 성능 향상을 입증하기 위해.

제안 방법

• 벽면에 재구성 가능한 리플렉트 어레이를 설치하여 각 리플렉터 요소의 위상 시프트를 제어함으로써 무선 전파 환경을 조작하기 위해.
• 최적의 위상 제어를 통해 목적지 수신기에서 원하는 신호를 강화하고 비목적지 수신기에서 간섭을 억제하기 위해.
• 실제 실내 조건에서 시스템을 검증하기 위해 24개, 36개, 48개의 패치 리플렉터를 사용한 개념 증명 테스트베드를 설계 및 구현하기 위해.
• α = 3인 신호 대 간섭+노이즈비(SINR) 및 경로 손실 모델을 사용하여 이론적 상한선과 구현 가능한 전송 용량을 유도하기 위해.
• 전략적 위치(예: (D/2, 0), (0, D/2))에 배치된 다수의 리플렉트 어레이를 활용한 다양한 네트워크 구성 시뮬레이션을 통해 공간 다중화 최적화를 위해.
• 최대 용량을 달성하기 위한 최적의 위상 구성 찾기를 위해 −π에서 π까지 π/180 간격으로 단계를 조정하는 위상 탐색 알고리즘을 적용하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스마트 리플렉트 어레이 시스템은 상호 간섭 없이 다수의 실내 무선 사용자가 동일 스펙트럼 대역을 동시에 공유할 수 있는가?
• RQ2 이러한 어레이를 사용할 경우 기존의 이러한 어레이 없이 공유하는 전통적인 스펙트럼 공유 방식 대비 전송 용량은 어느 정도 향상될 수 있는가?
• RQ3 리플렉터 패치 수와 통신 쌍의 수가 구현 가능한 전송 용량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 방 내에서 다양한 위치에 다수의 리플렉트 어레이를 설치할 경우 성능 향상은 어느 정도 이루어지는가?
• RQ5 최적의 위상 제어 하에서 구현 가능한 전송 용량은 이론적 상한선에 얼마나 가까이 도달하는가?

주요 결과

• 리플렉터 패치 수가 24개에서 48개로 증가함에 따라 전송 용량이 약 0.2×10⁶ bits·m/s 향상되었다.
• 단일 리플렉트 어레이를 사용할 경우, 네 개의 리플렉트 어레이를 도입했을 때 최대 0.5×10⁶ bits·m/s의 구현 가능한 전송 용량 향상이 이루어졌다.
• 이론적 상한선은 이상적인 노드 배치 가정에 기반하여 항상 구현 가능한 상한선보다 높게 나타났다.
• 방의 모서리 길이를 5m에서 10m로 늘임에 따라 간섭 노드를 수신기에서 더 멀리 떨어지게 할 수 있어 전송 용량이 명확히 증가하였다.
• 두 개의 리플렉트 어레이를 사용할 경우 단일 어레이 대비 0.2×10⁶ bits·m/s의 용량 향상을 기록하였으며, 세 개 및 네 개 어레이를 사용할 경우 더 큰 향상이 관찰되었다.
• 실험 테스트베드는 실제 실내 환경에서 이중 사용자 동시 전송을 위한 제안된 솔루션의 실현 가능성을 성공적으로 검증하였다.