[논문 리뷰] Throughput Analysis for Virtual MIMO WSNs over Measured MIMO Channels

Indrakshi Dey, M. Majid Butt외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 09.

Indoor and Outdoor Localization Technologies참고 문헌 7인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 혼잡한 산업 환경에서 가상 MIMO 기반 WSN의 전송률을 평가하기 위해 실내에서 실외로의 측정 캠프aign을 수행한다. 다양한 벽 구성을 가진 8개의 송신 안테나를 배치함으로써, 네 벽에 모두 센서를 분산 배치할 경우 가장 높은 스펙트럼 효율성을 달성함을 입증하였으며, 20 MHz 대역폭에서 15 dB SNR 조건에서 최대 18.61 Mbps의 전송률을 기록하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 가상 MIMO 기반 무선 센서 네트워크(WSNs)에서 센서의 공간 분포가 달성 가능한 전송률에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 풍부한 산란과 키홀 효과가 발생할 수 있는 실제 산업 환경에서 시스템 용량과 전송 속도를 정량화하기 위해.
• 실제 전파 조건 하에서 네트워크 스펙트럼 효율성을 최대화하는 데 최적의 안테나 배치 전략을 규명하기 위해.
• 비선형 시각, 창문이 없는 산업 환경에서 중간에서 높은 SNR 조건에서 20 MHz 대역폭 시나리오에 대한 달성 가능한 데이터 전송 속도에 대한 경험적 데이터를 제공하기 위해.

제안 방법

• 전기 및 측정 장비로 가득 찬 창문이 없는 5.7m × 3.5m × 3m의 인스트루먼테이션 실에서 실제 MIMO 채널 측정 캠프aign을 수행하였다.
• 15개의 서로 다른 송신 안테나 공간 구성에서 2.53 GHz 주파수의 20 MHz 신호를 사용하여 8×8 MIMO 채널 인풋 응답을 측정하였다.
• 수신된 전력 측정값과 시스템 캘리브레이션 파rameter를 사용하여 각 송신 안테나의 대규모 경로 손실 감쇄를 계산하였다.
• 공식 $ R = B \times \log_2(1 + \rho - A) $ 를 사용하여 시스템 용량과 달성 가능한 전송 속도를 계산하였으며, 여기서 $ A $ 는 총 대규모 감쇄를 의미한다.
• 다양한 안테나 배치에 대해 전력 지연 프로파일(PDPs)과 공동 시공간 상관관계를 분석하였다.
• 모든 구성에 대해 세 가지 SNR 수준에서 전송 속도를 평가하였다: 저수준(3 dB), 중간수준(15 dB), 고수준(30 dB).

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 산업 환경에서 가상 MIMO 기반 WSN에서 센서(안테나)의 공간 분포가 달성 가능한 전송률에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 비선형 시각, 키홀 효과가 발생할 수 있는 실내 환경에서 1km 커버리지 범위, 20 MHz 대역폭에서의 최대 달성 가능한 데이터 전송 속도는 얼마인가?
• RQ3 한 벽에만 안테나를 배치하는 것과 네 벽에 분산 배치하는 것 중 어느 구성이 더 높은 스펙트럼 효율성과 시스템 용량을 제공하는가?
• RQ4 안테나 높이와 벽 위치(예: 천장 또는 바닥 근처)의 변화가 채널 용량과 데이터 전송 속도에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ5 harsh 전파 환경에서 중간 SNR 조건에서 20 MHz 면허 대역에서 가상 MIMO가 10 Mbps를 초과하는 데이터 전송 속도를 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 방의 네 벽에 모두 송신 안테나를 분산 배치할 경우 가장 높은 달성 가능한 전송 속도를 기록하였으며, 중간 SNR 15 dB 조건에서 최대 18.61 Mbps에 도달하였다.
• 모든 안테나를 한 벽에만 배치한 경우, 문을 통해 선로 시각 경로가 존재하는 벽 2에 안테나를 배치한 구성이 가장 높은 용량을 기록하였다.
• 안테나를 지면에서 2m 높이에 배치했을 때 시스템 용량이 가장 높았으며, 지면이나 천장 근처에 배치한 경우보다 우수한 성능을 보였다.
• 저수준 SNR(3 dB)에서는 전송 속도가 0.06에서 1.71 Mbps 사이였고, 중간수준 SNR(15 dB)에서는 14.25에서 18.61 Mbps 사이였으며, 고수준 SNR(30 dB)에서는 최대 24.67 Mbps에 도달하였다.
• 저수준 SNR에서는 평균 채널 용량이 7.7에서 13.2 bps/Hz였고, 고수준 SNR에서는 16.7에서 30.8 bps/Hz였으며, 네 벽 구성이 항상 다른 구성보다 뛰어난 성능을 보였다.
• 가상 MIMO를 사용할 경우, 키홀 효과와 풍부한 산란 조건이 존재하는 공장 유사 환경에서 1km 커버리지 범위, 20 MHz 대역폭에서 10 Mbps 이상의 데이터 전송 속도(최대 18.61 Mbps)를 달성하는 것은 가능하다.