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M1gp2012_sakamoto
- 1. CRMA Collision Resistant Multiple Access (mobicom2011) 森川研 B4 坂本 敬太 1
- 2. もくじ 1. 背景 ・無線通信の多重化における問題 ・既存の多重通信手法 2. 提案手法 ・ CRMA ・線形システムによるデコーディング 3. 実験評価 ・ QualNet によるシミュレーション ・ GNU Radio/USRP によるテストベッド 4. まとめ 2
- 3. もくじ 1. 背景 ・無線通信の多重化における問題 ・既存の多重通信手法 2. 提案手法 ・ CRMA ・線形システムによるデコーディング 3. 実験評価 ・ QualNet によるシミュレーション ・ GNU Radio/USRP によるテストベッド 4. まとめ 3
- 4. 無線通信の多重化における問題 無線通信の世界は他の電波による干渉にあふれている それは車の交通に例えることができる 事故（衝突）が起こらないような多重通信として様々なもの が存在する 4
- 5. 無線通信の交通整理 FDMA （周波数分割多元接続） 周波数ごとに通信路を分ける → 車で言うと車線分け TDMA （時間分割多元接続） 時間で通信路を分ける → 車で言うと信号による交通整理 CSMA （キャリア検知多元接続） 通信の前に他者が通信中か検知し、送信を行うか決める → 車で言うとドライバーの目による安全確認 確かにこれらの方法によって衝突は回避できる。しかし・・・ 5
- 6. こんなことってありませんか？ 「今信号赤だけど車来てないからいけるよなぁ・・・」 「反対車線すいてるなぁ・・・もしあっち側逆走できたらうん と早く帰れるだろうなぁ・・・」 「細かい確認忘ればっか注意しやがってこの教官まじう ぜぇ・・・どうせ所内だから人いねぇだろうが・・・」＠教習所 このように、これらのルールには無駄が多い 6
- 7. そこでどうする？ 車の衝突 → 人命に関わる 通信の衝突 → どうってことない だったら・・・ じこったって いいじゃない むせんだもの 衝突が起こる前提での高効率な通信を実現！ 7
- 8. もくじ 1. 背景 ・無線通信の多重化における問題 ・既存の多重通信手法 2. 提案手法 ・ CRMA ・線形システムによるデコーディング 3. 実験評価 ・ QualNet によるシミュレーション ・ GNU Radio/USRP によるテストベッド 4. まとめ 8
- 9. CRMA CRMA Collision Resistant Multiple Access 衝突耐性多重通信 これまでは、信号が衝突してしまった場合、 それを受信側で復号することはできなかった しかし、 CRMA はそれができてしまう！ どうやって？ 9
- 10. これまでの通信（ e.g.FDMA ） 送信側 受信側 S１ CH １ S１ S２ R1 CH ２ S２S３ R2 R ３ S３ CH ３ 送信ノードごとに１チャネルずつ使って通信 10
- 11. CRMA の通信 送信側 受信側 S１ S２ CH １ S１ S１ R1 S３ CH ２ S２S３ R2 R ３ S２ S３ CH ３ 送信ノードごとに複数のチャネルを使って通信 11
- 12. 受信側が受け取る干渉したデータ S１ S２ CH １ S１ S１ R1 S３ S２S３ CH ２ R2 R ３ S２ S３ CH ３ CH1 h 11 h 21 0 S1 線形システムを CH2 = h 12 0 h 32 S2 解けば元の信号 CH3 0 h 23 h 33 S3 を解読可能！12 h ：チャネル係数
- 13. 信号のズレの解消 受信側で FFT 窓と信号がずれてしまうことがある FFT 窓 信号 S1 信号 S2 13
- 14. CyclicPrefix FFT 窓 各信号の頭には CyclicPrefix という 信号後半部分のコ Same CP Same ピーが付いている 信号の要素は過不足なく含まれる！ ズレが CP の範囲に収まっていれば計算可能！ n0 j2πt R = Ax R =e N Ax 14
- 15. 関連研究 CDMA ・同期型 CDMA ：きっちり時間同期をとる必要性 ・非同期型 CDMA ：多重干渉すると復調できない 上記の点で CRMA は CDMA とは一線を画している！ 15
- 16. CRMA の前提条件 複数チャネルが利用できる通信システム (e.g.OFDM) 既知のチャネルである 行列が線形独立性を保っている これらの条件のもと、 CRMA は衝突耐性を 持った多重通信として機能する！ 16
- 17. もくじ 1. 背景 ・無線通信の多重化における問題 ・既存の多重通信手法 2. 提案手法 ・ CRMA ・線形システムによるデコーディング 3. 実験評価 ・ QualNet によるシミュレーション ・ GNU Radio/USRP によるテストベッド 4. まとめ 17
- 18. QualNet によるシミュレーション ネットワークシミュレータの QualNet 4.5.1 を使用 し、既存のいくつかの通信システムと同一条件下で 性能の比較をした ・各通信が使うチャネル数は 3 ・通信を行うのは 10 ノード ・ 1000 バイトフレーム、 16QAM 変調、 5GHz 帯 ・チャネル数は 10 、各チャネル幅は 2MHz 18
- 19. QualNet によるシミュレーション スループット の低下なし！ スループット が低下！ 既存のどの手法よりもスループットが大きい データレートが上がってもスループットの低下がない 19
- 20. GNU Radio/USRP によるテストベッド GNU Radio/USRP を用いてテストベッドを構成し、 受信 SIN 比ごとに強い信号・弱い信号それぞれの パケットの伝送率を計測した ・チャネル数は 2 ・信号強度は強と弱の二種類 ・ 1000 バイトフレーム、変調は BPSK 、 5GHz 帯 ・サブキャリアは各 1.95KHz で 200 個 20
- 21. テストベッドによる性能評価 SIN 比 (db) A （信号強） B （信号弱） 0 25% 25% 1 98% 95% 3 98% 95% 5 100% 98% 7 99% 0.09% パケット伝送率を％表示 SIN 比が 1~5 の間では 95% 以上という高いパ ケット伝送率が出ている 21
- 22. もくじ 1. 背景 ・無線通信の多重化における問題 ・既存の多重通信手法 2. 提案手法 ・ CRMA ・線形システムによるデコーディング 3. 実験評価 ・ QualNet によるシミュレーション ・ GNU Radio/USRP によるテストベッド 4. まとめ 22
- 23. まとめ CRMA は既存の衝突回避ではなく、衝突耐性と いう挑戦的な方法で干渉問題の解決を行っている 線形独立性を利用してデコードするという発想が おもしろい シミュレーションでは既存のものに比べて 高スループットが出ており、多重通信の新しい形 として期待ができる 23
- 24. ご清聴ありがとうございました 24
- 25. 以下 appendix 25
- 27. 線形システムの解読可能性 上のグラフは、使えるチャネルが 10 種類のもとで、 送信ノードの数を横軸、線形独立性が保たれる可 能性を縦軸とし、各通信が選ぶチャネル数を 1~6 まで変えたもの 27
- 28. どうやって行列を特定するか 受信側で送信者とチャネルの対応の行列（以下、 行列 c ）が分かればぐちゃぐちゃなデータもデコー ドできる つまり、行列 c を如何にして受信ノー ドが特定するかがカギとなってくる！ 28
- 29. PN 系列による ID の情報 自分と宛先の ID を符号化したものを付加して送信 符号化には PN （擬似ランダム雑音）系列を使う PN 符号は干渉に強い 受信側は自分の ID との相関を調べることで、自分 宛のデータであるかどうかと、同様に送信者も分か る 29
- 30. 受信側による行列 c の特定の例 S１ S２ CH １ S１ S１ R1 S３ S２S３ CH ２ R2 R ３ S２ S３ CH ３ CH1 から来たデータに含まれる送信者 ID は S1,S2 S1 同様に CH2 は S1,S3 で CH3 は S2,S3 S1 S2 CH1 = (1,1,0) CH2 = (1,0,1) CH3 = (0,1,1) 1 1 0 c = 1 0 1 0 1 1 30
- 31. デコードのエラー検出 ACK メッセージを使用している データ送信と同じ要領で、受信側が送信に使われ たものと同じ複数のチャネルを使用して送信する これにより、通信の信頼性が上がっている 31
- 32. フレームの始まりと終わりを知るために フレームの preamble と postamble を同じにし、両 者の相関を調べてフレームの始点・終点を知る preamble が他の信号とかぶっていなければ、普通 に調べる かぶっていれば、ズレを補正する必要がある （ ZigZag デコーディング） 32
- 33. ZigZag デコーディング S1 S1 S2 S2 信号は同じだがズレ方が違うふたつの干渉データ かぶってない部分もある その部分を引いてやる 新しいかぶってない部分ができる その部分を引いてやる 新しくかぶってない部分ができる ・・・・・・ 33
- 34. フレーム到着検出の正確性の検証 SIN 比が -2 以上の時は FP ・ FN ともに 0 ％！ FN に関しては、 -6 ～ 6 まですべて 0 ％！ 34
- 35. OFDM について CRMA では OFDM （直交周波数分割多重方式） を用いて通信を行う OFDM では、隣り合うチャネル同士が直交するよう に配置するため、チャネル間での干渉がなく、同時 に高い周波数帯域使用率を生むことができる 35