[论文解读] 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 13

一句话总结

本文在复杂工业环境中开展了一项从室内到室外的测量实验，旨在评估基于虚拟MIMO的无线传感器网络（WSN）吞吐量。通过在不同墙体配置上部署8个发射天线，结果表明：将传感器分布在四面墙上可实现最高的频谱效率，在20 MHz带宽下，信噪比（SNR）为15 dB时，峰值吞吐量达18.61 Mbps。

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.

研究动机与目标

• 研究传感器空间分布对基于虚拟MIMO的无线传感器网络（WSNs）可实现吞吐量的影响。
• 量化在具有丰富散射和潜在端口效应的现实工业环境中系统容量与传输速率。
• 识别在真实传播条件下最大化网络频谱效率的最优天线部署策略。
• 提供在非视 Line-of-sight（非视距）、无窗户的工业环境中，20 MHz带宽下中高信噪比条件下可实现数据速率的经验数据。

提出的方法

• 在一间5.7米×3.5米×3米、无窗户的仪器室中开展真实世界的MIMO信道测量实验，室内布满电气与测量设备。
• 使用2.53 GHz、带宽20 MHz的信号，采集15种不同发射天线空间配置下的8×8 MIMO信道冲激响应。
• 通过接收信号功率测量与系统校准参数，计算每个发射天线的大尺度路径损耗衰减。
• 利用公式 $ R = B \times \log_2(1 + \rho - A) $ 计算系统容量与可实现的传输速率，其中 $ A $ 为总的大尺度衰减。
• 分析不同天线部署方式下的功率延迟分布（PDPs）及联合空时相关性。
• 在三种信噪比水平下评估所有配置的传输速率：低（3 dB）、中（15 dB）和高（30 dB）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在真实工业环境中，传感器（天线）的空间分布如何影响基于虚拟MIMO的WSN可实现吞吐量？
• RQ2 在非视距、易发生端口效应的室内环境中，20 MHz带宽下1 km覆盖范围内可实现的最大数据速率是多少？
• RQ3 天线部署在单面墙还是分布在四面墙上，能实现更高的频谱效率与系统容量？
• RQ4 天线高度与墙体位置（如靠近天花板或地面）的变化如何影响信道容量与数据速率？
• RQ5 在恶劣传播环境下，中等信噪比条件下，虚拟MIMO能否在20 MHz授权频段实现超过10 Mbps的数据速率？

主要发现

• 将发射天线分布在房间四面墙上可实现最高的可实现传输速率，在中等信噪比（15 dB）下达到18.61 Mbps。
• 当所有天线集中部署于单面墙时，位于可通过门实现视距路径的墙2（Wall 2）的配置实现了最高的系统容量。
• 当天线部署在离地2米高度时，系统容量最高，优于靠近地面或靠近天花板的部署方式。
• 在低信噪比（3 dB）下，传输速率范围为0.06至1.71 Mbps；在中等信噪比（15 dB）下，速率范围为14.25至18.61 Mbps；在高信噪比（30 dB）下，速率最高可达24.67 Mbps。
• 平均信道容量在低信噪比下为7.7至13.2 bps/Hz，在高信噪比下为16.7至30.8 bps/Hz，四面墙配置始终优于其他配置。
• 在工厂类环境中，即使存在端口效应与丰富散射，使用虚拟MIMO在20 MHz带宽下、1 km覆盖范围内实现超过10 Mbps的数据速率（最高达18.61 Mbps）是可行的。