スマートアンテナを用いた指向性MACプロトコルのテストベッドの構築と実験による効果の考察

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タイトル別名
  • スマート アンテナ オ モチイタ シコウセイ MAC プロトコル ノ テストベッド ノ コウチク ト ジッケン ニ ヨル コウカ ノ コウサツ
  • A Testbed for Directional MAC Protocols Using a Practice Smart Antenna and Empirical Discussion
  • ネットワークプロトコル

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抄録

無線アドホックネットワークのメディアアクセス制御（MAC: Medium Access Control）プロトコルの研究においては，アンテナのビーム形状や電波伝搬モデルを理想的に仮定してシミュレーションにより評価することが多い．しかし，実環境での運用を視野に入れて，実際のアンテナのビーム形状，無線装置の固有の特性，実空間の電波伝搬による影響を考慮しなければならない．そこで，本研究では，指向性MAC プロトコルの実環境での性能を評価するためのMAC プロトコルテストベッドを開発することとする．本テストベッドは，実際のスマートアンテナとしてESPAR（Electronically Steerable Parasitic Array Radiator）アンテナ，無線装置としてIEEE802.15.4 規格のZigBee チップをベースとして用い，位置情報取得装置としてGPS およびジャイロを搭載している．そして，指向性ビームを用いたMAC プロトコルとしてSWAMP（Smart antenna based Wider range Access MAC Protocol）方式を実装して実験を行い，実環境において評価する．評価の結果，SWAMP では実際のスマートアンテナを利用することによって空間分割多重効果が約4 倍に，また，指向性ビームの高利得により，無指向性ビームとの利得差から通信距離が2 倍以上に延びる効果があることを示す．

Recent studies on directional media access protocols (MACs) using smart antennas for wireless ad hoc networks have shown that directional MACs outperform against traditional omini-directional MACs. Those studies evaluate the performance mainly on simulations, where antenna beam is assumed to be ideal, i.e., with neither side-lobes nor back-lobes. However, for the real application of ad hoc networks those optimistic assumptions do not hold anytime. In this paper, we develop at first a testbed for directional MAC protocols which enables to investigate performance of MAC protocols in the real environment. It incorporates ESPAR (Electronically Steerable Parasitic Array Radiator) as a practical smart antenna, IEEE802.15.4/ZigBee, GPS and gyro modules to allow easy installment of different MAC protocols. To our knowledge, it is the first compact testbed with a practical smart antenna for directional MACs. We implement a directional MAC protocol called SWAMP (Smart antenna based Wider range Access MAC Protocol) to evaluate it in the real environment. The empirical discussion based on the experimental results shows that the degradation of the protocol with ideal antennas, and that the protocol still achieves the SDMA four times effective of spatial reuse and two times effective of communication range extension compared with using omni-directional beam.

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