[論文レビュー] 60 GHz Multi-Gigabit Indoor WLANs: Dream or Reality?

Swetank Kumar Saha, Viral Vijay Vira+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2015

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 23被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、商用802.11adハードウェアを用いて、動的で変化しやすい室内オフィス環境における汎用的でマルチギガビット級の60 GHz WLANの実装可能性を調査する。人間による遮断や視線外（NLOS）伝搬の課題にもかかわらず、1クライアントあたり2〜3台のアクセスポイントを配置することで、100%の接続安定性と600 Mbpsを超える持続的スループットを実現できることを示している。これにより、マルチAP展開と効率的なビームマネジメントを組み合わせることで、60 GHzは高スループットを求める室内無線ネットワークの実現可能性を有する。

ABSTRACT

The millimeter-wave (mmWave) technology, recently standardized by IEEE 802.11ad, is emerging as an attractive alternative to the traditional 2.4/5GHz wireless systems, promising multi-Gigabit wireless throughput. However, the high attenuation and vulnerability to blockage of 60 GHz links have limited its applications (until recently) to short-range, line-of-sight, static scenarios. On the other hand, the question of whether it is feasible to build general-purpose WLANs out of mmWave radios in dynamic indoor environments with non-line-of-sight links remains largely unanswered. In this paper, through extensive measurements with COTS 802.11ad hardware in an indoor office environment, we investigate the question of whether the mmWave technology, in spite of its unique propagation characteristics, can serve as a viable choice for providing multi-Gigabit ubiquitous wireless indoor connectivity. We study the range of 60 GHz transmissions in indoor environments, the impact of antenna height, location, orientation, and distance on 60 GHz performance, the interaction among metrics from different layers of the network stack, the increased opportunities for spatial reuse, and the impact of human blockage. Our results reveal a number of challenges that we have to address for 60 GHz multi-gigabit WLANs to become a reality.

研究の動機と目的

• 動的ユーザー移動性と視線外（NLOS）条件を伴う複雑な室内エンタープライズ環境において、汎用的でマルチギガビット級の60 GHz WLANを展開する可能性を評価すること。
• 実際のオフィス環境において、プロトコルスタックの複数レイヤー（物理層（RSSI、データレート）、リンク層、トランスポート層（TCPスループット））で802.11ad準拠の商用市販品（COTS）デバイスの性能を評価すること。
• アレイの高さ、配置、向き、距離、および人間による遮断が、60 GHzリンク品質とスループットに与える影響を調査すること。
• 空間的再利用の可能性と、遮断状況下でも接続を維持するためのマルチAP展開の有効性を検討すること。

提案手法

• 実際の大学オフィスビルでCOTS 802.11ad準拠デバイスを用いて広範な実地測定を実施し、理論的モデルではなく実用的関連性を確保した。
• さまざまな条件下で、物理層（RSSI、データレート）、リンク層、トランスポート層（TCPスループット）のリンク性能を評価した。
• 異なる距離（最大32.5フィート）および配置（通路、ホール、ラボ）での静的および移動中の人間による遮断を制御実験として実施し、再接続時間とリンクの耐障害性を評価した。
• クライアントのハンドオーバー状況を模倣するため、近接して複数のAP（1、2、または3台）を配置し、15時間にわたって1秒ごとのTCPスループットを測定した。
• 動的で人間が存在する状況下での稼働時間と性能を評価するために、TCPスループットの累積分布関数（CDF）を分析した。
• ウィロシティラジオではリアルタイムでのAPスイッチングに制限があるものの、60 GHzピコセルに関する先行研究の手法に類似した方法論を用いて、マルチAPクライアント接続をシミュレートした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 60 GHzマルチギガビット級WLANは、視線外リンクと頻繁な人間による遮断が生じる動的で変化しやすい室内環境でも、信頼性のある接続を実現できるか？
• RQ2 アレイの高さ、配置、向き、距離が、複数のプロトコルスタックレイヤーにおける60 GHzリンク性能に与える影響は何か？
• RQ3 人間の移動性と静的遮断が、60 GHz WLANにおけるリンク断続時間と再接続時間に与える影響は何か？
• RQ4 1クライアントあたり複数のアクセスポイントを展開することで、実際のオフィス環境において接続安定性とスループットを顕著に向上させられるか？
• RQ5 リンク層の指標（RSSI、データレート）とトランスポート層のパフォーマンス（TCPスループット）の間には、実用的な60 GHz展開においてどのような相関関係が見られるか？

主な発見

• 制御実験では、移動による一時的遮断が生じた場合、再接続時間は15.34〜16.6秒にのぼり、過去の研究で報告された値よりも顕著に長くなった。
• 送信機または受信機に近い場所での静的遮断は、中間リンクでの遮断よりも長時間の切断を引き起こし、一部のケースでは16秒を超える再接続時間となった。
• 1台のAPしか利用できない状況では、各リンクの切断時間は5%未満であったが、800 Mbpsを超えるスループットは5%未満の時間しか達成できなかった。
• 1クライアントあたり2台のAPを配置した場合、3通りの組み合わせすべてが最良スループット状況で0%の切断時間（100%稼働）を達成した。
• 3台のAPを配置した状況では、常に最良のAPに接続したクライアントは、中央値として約680 MbpsのTCPスループットを達成し、一度も切断を経験しなかった。
• 15時間にわたる実地実験では、人間の存在がスループットの著しい低下を引き起こしたが、複数のAPが利用可能な状況では頻繁な切断は発生しなかった。これはマルチAP展開の利点を強力に示している。